DE102007035858A1 - Integrated circuit for use in e.g. semiconductor device, has memory cell array with spatially positioned cavities, where size of cavities are selected such that mechanical stress occurring inside array is compensated partially by cavities - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung, ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung, ein Speicherzellenarray, ein Speichermodul sowie eine Vorrichtung.The The invention relates to an integrated circuit, a method for Producing an integrated circuit, a memory cell array, a memory module and a device.
Speicherzellenarrays bestehen im Allgemeinen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien. Die thermischen Expansionskoeffizienten dieser Materialien können signifikant voneinander abweichen. Damit kann das Speicherzellenarray beschädigt werden, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt ist (Delaminationsschäden).Memory cell arrays generally consist of a variety of different materials. The Thermal expansion coefficients of these materials can be significant differ from each other. This can damage the memory cell array when exposed to high temperatures (delamination damage).
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ist, Speicherzellenarrays vor Schäden zu bewahren, die aus unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten resultieren.The The object underlying the invention is memory cell arrays from damage to preserve, from different thermal expansion coefficients result.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung integrierte Schaltungen gemäß den Patentansprüchen 1 und 15 bereit. Desweiteren stellt die Erfindung Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltungen gemäß den Patentsprüchen 29 und 34 bereit. Die Erfindung stellt ferner Speicherzellenarrays gemäß den Patentansprüchen 39 und 40 bereit. Auch stellt die Erfindung Speichermodule gemäß den Patentansprüchen 41 und 42 bereit. Schließlich stellt die Erfindung eine Halbleitervorrichtung gemäß dem Patentanspruch 43 bereit. Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des Erfindungsgedankens finden sich in den Unteransprüchen.to solution This object is achieved by the invention integrated circuits according to claims 1 and 15 ready. Furthermore, the invention provides methods for the production integrated circuits according to patent claims 29 and 34 ready. The invention further provides memory cell arrays according to the claims 39 and 40 ready. The invention also provides memory modules according to claims 41 and 42 ready. After all the invention provides a semiconductor device according to the claim 43 ready. Advantageous embodiments or further developments of The idea of the invention can be found in the subclaims.
In der folgenden Beschreibung werden Ausführungsformen von Speicherzellenarrays beschrieben. Diese gelten in analoger Weise auch für integrierte Schaltungen, die Speicherzellen enthalten.In The following description describes embodiments of memory cell arrays described. These apply analogously also for integrated Circuits containing memory cells.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweist. Die räumlichen Ausmaße und Dimensionen der Hohlräume sind so gewählt, dass in dem Speicherzellenarray auftretender mechanischer Stress durch die Hohlräume zumindest teilweise kompensiert wird. Die Vorrichtung kann eine beliebige Vorrichtung wie beispielsweise ein Motherboard eines Personal Computers oder eine beliebige Halbleitervorrichtung sein.According to one embodiment According to the invention, a device is provided which comprises a plurality of cavities having. The spatial dimensions and dimensions the cavities are chosen that in the memory cell array occurring mechanical stress through the cavities at least partially compensated. The device can be a Any device such as a motherboard of a staff Computer or any semiconductor device.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Speicherzellenarray bereitgestellt, das eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweist. Die räumlichen Ausmaße und Dimensionen der Hohlräume sind so gewählt, dass in dem Speicherzellenarray auftretender mechanischer Stress durch die Hohlräume zumindest teilweise kompensiert wird.According to one embodiment The invention provides a memory cell array comprising a Plurality of cavities having. The spatial dimensions and dimensions of the cavities are chosen so that in the memory cell array occurring mechanical stress through the cavities at least partially compensated.
Speicherzellenarrays gemäß dieser Ausführungsform können starkem mechanischen Stress ausgesetzt werden, da eine Stresskompensationsstruktur (Hohlräume) in das Speicherzellenarray integriert ist, die mechanischen Stress kompensiert, der beispielsweise aus hohen Temperaturen oder aus anderen Einflüssen resultiert, denen ein Speicherzellenarray ausgesetzt ist. Damit wird der Herstellungsprozess des Speicherzellenarrays flexibler (auf den Stress muss nicht mehr in gleichem Ausmaß Rücksicht genommen werden).Memory cell arrays according to this embodiment can be exposed to strong mechanical stress as a stress compensation structure (Voids) integrated into the memory cell array, the mechanical stress compensated, for example, from high temperatures or from others influences results, which is exposed to a memory cell array. In order to the manufacturing process of the memory cell array becomes more flexible (Stress no longer needs to be considered to the same extent be taken).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zumindest ein Teil zumindest eines Hohlraums mit komprimierbaren Material oder Material, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizient aufweist, gefüllt.According to one embodiment The invention is at least a part of at least one cavity with compressible material or material that has a negative thermal Expansion coefficient has filled.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das komprimierbare Material leichter komprimierbar als die Materialien, die das komprimierbare Material umgeben.According to one embodiment In accordance with the invention, the compressible material is more easily compressible as the materials that surround the compressible material.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das komprimierbare Material nanoporöses Material.According to one embodiment the invention is the compressible material nanoporous material.
Die Speicherzellenarrays können beliebige Arten von Speicherzellenarrays sein. Beispielsweise können die Speicherzellenarrays resistive Speicherzellenarrays oder nicht-flüchtige Speicherzellenarrays sein. Die Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.The Memory cell arrays can be any type of memory cell array. For example, the Memory cell arrays are resistive memory cell arrays or nonvolatile memory cell arrays be. The invention is not limited to these examples.
Prinzipiell können die Positionen der Hohlräume beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann zumindest ein Teil wenigstens eines Hohlraums innerhalb einer Schicht aktiven Materials des Speicherzellenarrays angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit ist, alle Hohlräume innerhalb der Schicht aktiven Materials anzuordnen. Zusätzlich oder alternativ können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung alle Hohlräume (oder zumindest ein Hohlraum) innerhalb wenigstens einer dielektrischen Materialschicht vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine dielektrische Materialschicht oberhalb einer Aktivmaterialschicht und/oder einer Elektrodenschicht, die oberhalb der Aktivmaterialschicht angeordnet ist, angeordnet.in principle can the positions of the cavities chosen arbitrarily become. For example, at least a part of at least one Cavity within a layer of active material of the memory cell array be arranged. One more way is, all cavities to arrange within the layer of active material. Additionally or alternatively you can according to a embodiment the invention all cavities (or at least one cavity) within at least one dielectric Material layer may be provided. According to one embodiment The invention is the at least one dielectric material layer above an active material layer and / or an electrode layer, which is arranged above the active material layer, arranged.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Speicherzellenarray ein programmierbares Metallisierungsarray (PMC-Array), z. B. ein Festkörperelektrolyt-Speicherzellenarray mit wahlfreiem Zugriff (CBRAM-Zellenarray), das eine Schicht reaktiver Elektroden, eine Schicht inerter Elektroden sowie eine Festkörperelektrolytschicht, die zwischen der Schicht reaktiver Elektroden und der Schicht inerter Elektroden angeordnet ist, aufweist. Die Festkörperelektrolytschicht ist mit der Schicht reaktiver Elektroden und der Schicht inerter Elektroden elektrisch verbunden. In dieser Ausführungsform kann zumindest ein Teil zumindest eines Hohlraums innerhalb der Festkörperelektrolytschicht oder innerhalb der Schicht inerter Elektroden oder innerhalb der Schicht reaktiver Elektroden angeordnet sein. Das Speicherzellenarray kann auch ein Phasenänderungsarray (z. B. ein PCRAM-Array), ein magnetoresistives Array (z. B. ein MRAM-Array), ein organisches Speicherzellenarray (z. B. ein ORAM-Array), oder ein Übergangsmetalloxid-Array (TMO-Array) sein.According to one embodiment of the invention, the memory cell array is a programmable metallization array (PMC array), e.g. B. a solid electrolyte memory cell array random access (CBRAM cell array) comprising a layer of reactive electrodes, a layer of inert electrodes and a solid electrolyte layer which is disposed between the layer of reactive electrodes and the layer of inert electrodes. The solid state electrolyte layer is electrically connected to the layer of reactive electrodes and the layer of inert electrodes. In this embodiment, at at least one part of at least one cavity may be arranged inside the solid electrolyte layer or within the layer of inert electrodes or within the layer of reactive electrodes. The memory cell array may also include a phase change array (eg, a PCRAM array), a magnetoresistive array (eg, an MRAM array), an organic memory cell array (eg, an ORAM array), or a transition metal oxide array (TMO array).
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Material, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizient aufweist, ZrW2O8 (Zirkoniumnwolframoxid). Allgemeiner kann das Material, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizient aufweist, eine Verbindung sein.According to one embodiment of the invention, the material having a negative thermal expansion coefficient is ZrW 2 O 8 (zirconium tungsten oxide). More generally, the material having a negative thermal expansion coefficient may be a compound.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Speicherzellenarray mit einer Mehrzahl von Kompensationsgebieten zur Kompensation von mechanischem Stress bereitgestellt. Jedes Stresskompensationsgebiet weist komprimierbares Material oder Material mit einem negativen thermischen Expansionskoeffizienten auf. Die räumlichen Positionen und Dimensionen der Stresskompensationsgebiete sind so gewählt, dass mechanischer Stress, der in dem Speicherzellengebiet auftritt, zumindest teilweise durch die Stresskompensationsgebiete kompensiert wird.According to one embodiment The invention relates to a memory cell array having a plurality of Compensation areas provided for the compensation of mechanical stress. Each stress compensation area has compressible material or Material with a negative thermal expansion coefficient on. The spatial Positions and dimensions of stress compensation areas are like this selected that mechanical stress that occurs in the memory cell area at least partially compensated by the stress compensation areas becomes.
Speicherzellenarrays gemäß dieser oder anderer Ausführungsform können hohem mechanischem Stress ausgesetzt werden, da ein Stresskompensationsgebiet in das Speicherzellenarray integriert ist, das mechanischen Stress kompensiert, der beispielsweise aus hohen Temperaturen oder aus anderen Einflüssen resultiert, denen das Speicherzellenarray ausgesetzt ist. Damit kann der Herstellungsprozess des Speicherzellenarrays flexibler ausgestaltet werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens ein Stresskompensationsgebiet eine Trenchstruktur auf, die zumindest teilweise mit komprimierbarem Material oder Material, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizient aufweist, gefüllt ist. Alternativ bzw. zusätzlich kann die Trenchstruktur eine Hohlraumstruktur aufweisen.Memory cell arrays according to this or other embodiment can be exposed to high mechanical stress as a stress compensating area integrated into the memory cell array, the mechanical stress compensated, for example, from high temperatures or from others influences results, which the memory cell array is exposed. In order to the manufacturing process of the memory cell array can be more flexible be designed. According to one embodiment The invention features at least one stress compensation area Trench structure on, at least partially with compressible Material or material that has a negative thermal expansion coefficient has, filled is. Alternatively or additionally the trench structure have a cavity structure.
Im Allgemeinen können die Positionen der Stresskompensationsgebiete innerhalb des Speicherzellenarrays beliebig gewählt werden. Beispielsweise kann wenigstens ein Teil wenigstens eines Stresskompensationsgebiets innerhalb einer Schicht aktiven Materials des Speicherzellenarrays angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit ist, alle Stresskompensationsgebiete innerhalb der Schicht aktiven Materials anzuordnen. Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Teil wenigstens eines Stresskompensationsgebiets innerhalb einer Schicht dielektrischen Materials des Speicherzellenarrays angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit ist, alle Stresskompensationsgebiete innerhalb der Schicht dielektrischen Materials anzuordnen.in the Generally can the positions of the stress compensation regions within the memory cell array chosen arbitrarily become. For example, at least part of at least one stress compensation area within a layer of active material of the memory cell array be arranged. One more way is active all stress compensation areas within the shift To arrange materials. additionally or alternatively, at least part of at least one stress compensation area within a layer of dielectric material of the memory cell array be arranged. One more way is, all stress compensation areas within the layer dielectric To arrange materials.
Wenn das Speicherzellenarray ein Festkörperelektrolyt-Speicherzellenarray mit wahlfreiem Zugriff (CBRAM-Zellenarray) ist, kann wenigstens ein Teil wenigstens eines Stresskompensationsgebiets innerhalb der Festkörperelektrolytschicht oder innerhalb der Schicht inerter Elektroden oder innerhalb der Schicht reaktiver Elektroden angeordnet sein.If the memory cell array is a solid electrolyte memory cell array With random access (CBRAM cell array), at least a part of at least one stress compensation area within the Solid electrolyte layer or within the layer of inert electrodes or within the layer be arranged reactive electrodes.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich zu den Stresskompensationsgebieten innerhalb des Speicherzellenarrays weiterhin eine Mehrzahl von Hohlräumen vorgesehen, wobei die räumlichen Positionen und Dimensionen der Hohlräume so gewählt sind, dass mechanischer Stress, der innerhalb des Speicherzellenarrays auftritt, durch die Hohlräume zumindest teilweise kompensiert wird.According to one embodiment The invention is additional to the stress compensation areas within the memory cell array further provided a plurality of cavities, wherein the spatial Positions and dimensions of the cavities are chosen so that mechanical stress, which occurs within the memory cell array, at least through the cavities partially compensated.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Speicherzellenarrays bereitgestellt, das die folgenden Prozesse aufweist: Bereitstellen eines Substrats; Abscheiden einer Mehrzahl von Schichten auf dem Substrat, wobei in der Mehrzahl von Schichten eine Trenchstruktur ausgebildet ist; Überwachsen der Trenchstruktur derart, dass innerhalb der Trenchstruktur und/oder oberhalb der Trenchstruktur Hohlräume ausgebildet werden.According to one embodiment The invention relates to a method for producing a memory cell array which has the following processes: Provision a substrate; Depositing a plurality of layers on the Substrate, wherein in the plurality of layers, a trench structure is trained; overgrown the trench structure such that within the trench structure and / or cavities are formed above the trench structure.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der Prozess des Überwachsens der Trenchstruktur einen (nicht gleichförmigen) Trenchauffüllprozess, in dem Trenchfüllmaterial in die Trenchstruktur eingebracht wird, wobei der Trenchauffüllprozess so ausgeführt wird, dass Überhänge von Trenchfüllmaterial auf den Kanten des Trenchstruktur-Öffnungsgebiets aufgewachsen werden.According to one embodiment The invention includes the process of overgrowing the trench structure one (not uniform) Trenchauffüllprozess, in the trench filling material is introduced into the trench structure, wherein the Trenchauffüllprozess so executed will that overhangs of trench filling material grown on the edges of the trench structure opening area become.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Trenchauffüllprozess zumindest so lange ausgeführt, bis sich Überhänge berühren, die auf gegenüberliegenden Kanten des Trenchstruktur-Öffnungsgebiets aufgewachsen werden.According to one embodiment the invention, the Trenchauffüllprozess at least as long executed until overhangs touch each other opposite Edges of the trench structure opening area to be raised.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Speicherzellenarrays bereitgestellt, das die folgenden Prozesse aufweist: Bereitstellen eines Substrats; Abscheiden einer Mehrzahl von Schichten auf dem Substrat, wobei in der Mehrzahl von Schichten eine Trenchstruktur ausgebildet ist; und Auffüllen der Trenchstruktur mit komprimierbaren Material oder Material, dass einen negativen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist.According to one embodiment The invention relates to a method for producing a memory cell array which has the following processes: Provision a substrate; Depositing a plurality of layers on the substrate, wherein a trench structure is formed in the plurality of layers is; and padding the trench structure with compressible material or material that has a negative thermal expansion coefficient.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Teil der Trenchstruktur innerhalb einer Plugschicht erzeugt, die eine Mehrzahl an Plugs beinhaltet, die eine Schicht aktiven Materials oder eine Elektrodenschicht der Speicherzellenarrays kontaktieren.According to an embodiment of the invention At least part of the trench structure is created within a plug layer that includes a plurality of plugs that contact a layer of active material or an electrode layer of the memory cell arrays.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Back-End-Of-Line-Prozess durchgeführt, nachdem die Trenchstruktur überwachsen wurde, oder nachdem die Trenchstruktur mit komprimierbaren Material oder Material, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, gefüllt wurde.According to one embodiment The invention becomes a back-end-of-line process carried out, after overgrowing the trench structure was, or after the trench structure with compressible material or material that has a negative thermal expansion coefficient has, filled has been.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Prozess des Überwachens der Trenchstruktur oder der Prozess des Füllens der Trenchstruktur mit komprimierbaren Material oder mit Material, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, bei Temperaturen ausgeführt, die niedriger als 400°C sind, um Schäden (beispielsweise Delaminationsschäden) innerhalb der Schicht aktiven Materials oder innerhalb anderer Teile des Speicherzellenarrays zu vermeiden.According to one embodiment The invention is the process of monitoring the trench structure or the process of filling the trench structure with compressible material or with material, which has a negative thermal expansion coefficient, carried out at temperatures that lower than 400 ° C are to damage (eg delamination damage) within the layer of active material or within other parts of the memory cell array.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Material, das in die Trenchstruktur gefüllt wurde, oder das Material, mit dem die Trenchstruktur überwachsen wurde, isolierendes Material oder halbleitendes Material auf, beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (SiN), Germaniumoxid (GeO) oder Germaniumnitrid (GeN).According to one embodiment of the invention, the material which has been filled into the trench structure or the material with which the trench structure has been overgrown comprises insulating material or semiconducting material, for example silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), germanium oxide (GeO). or germanium nitride (GeN).
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren in beispielsweise Ausführungsführungsformen näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the figures for example, embodiments explained in more detail. It demonstrate:
In den Figuren können identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile oder Bauteilgruppen mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet sein. Desweiteren ist zu erwähnen, dass die Figuren schematische Figuren sind, also nicht maßstabsgetreu zu sein brauchen.In the characters can identical or corresponding areas, components or groups of components be marked with the same reference numerals. Furthermore is to mention, that the figures are schematic figures, so not to scale need to be.
Da
die erfindungsgemäßen Ausführungsformen
auf programmierbare Metallisierungszellen (PMC's = "programmable
metallization cells")
wie beispielsweise CBRAM-Vorrichtungen ("conductive bridging random access memory"-Vorrichtungen) anwendbar
sind, soll in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf
Eine
CBRAM-Zelle weist eine erste Elektrode
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist unter Chalkogenid-Material (allgemeiner: das Material
des Ionenleiterblocks
Wenn
eine Spannung über
dem Festkörperelektrolytblock
Um
den momentanen Speicherzustand der CBRAM-Zelle festzustellen, wird
ein Messstrom durch die CBRAM-Zelle geleitet. Der Messstrom erfährt einen
hohen Widerstand, wenn in der CBRAM-Zelle keine leitende Brücke
Wenn
das Speicherzellenarray
In
den
Wie
in
Wie
in
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Speicherzellen der Speicherzellenarrays/integrierten Schaltungen Phasenänderungsspeicherzellen sein, die Phasenänderungsmaterial aufweisen. Das Phasenänderungsmaterial kann zwischen wenigstens zwei Kristallisierungszuständen geschaltet werden (d. h. das Phasenänderungsmaterial kann wenigstens zwei Kristallisierungsgrade annehmen), wobei jeder Kristallisierungszustand einen Speicherzustand repräsentiert. Wenn die Anzahl möglicher Kristallisierungszustände zwei beträgt, wird der Kristallisierungszustand, der einen hohen Kristallisierungsgrad aufweist, auch als „kristalliner Zustand" bezeichnet, wohin gegen der Kristallisierungszustand, der einen niedrigen Kristallisierungsgrad aufweist, auch als „amorpher Zustand" bezeichnet wird. Unterschiedliche Kristallisierungszustände können durch entsprechende unterschiedliche elektrische Eigenschaften voneinander unterschieden werden, insbesondere durch unterschiedliche Widerstände, die hierdurch impliziert werden. Beispielsweise hat ein Kristallisierungszustand, der einen hohen Kristallisierungsgrad (geordnete atomare Struktur) aufweist, im Allgemeinen einen niedrigeren Widerstand als ein Kristallisierungszustand, der einen niedrigen Kristallisierungsgrad aufweist (ungeordnete atomare Struktur). Der Einfachheit halber soll im Folgenden angenommen werden, dass das Phasenänderungsmaterial zwei Kristallisierungszustände annehmen kann (einen „amorphen Zustand" und einen „kristallinen Zustand"). Jedoch sei erwähnt, dass auch zusätzliche Zwischenzustände verwendet werden können.According to one embodiment of the invention the memory cells of the memory cell arrays / integrated circuits Phase change memory cells be, the phase change material exhibit. The phase change material can be switched between at least two crystallization states (i.e. H. the phase change material may assume at least two degrees of crystallization), each one Crystallization state represents a memory state. If the number of possible Crystallization states two is, becomes the crystallization state having a high degree of crystallization also known as "crystalline Condition ", where against the crystallization state, which has a low degree of crystallization also known as "amorphous State " becomes. Different crystallization states can be differentiated by corresponding different electrical properties are distinguished from each other, in particular through different resistances, which are implied by this. For example, a crystallization state, a high degree of crystallization (ordered atomic structure) generally has a lower resistance than a crystallization state, which has a low degree of crystallization (disordered atomic structure). For the sake of simplicity, it is assumed below be that phase change material two crystallization states can accept (an "amorphous State "and a" crystalline State "). However be mentioned that too extra intermediate states can be used.
Phasenänderungsspeicherzellen können vom amorphen Zustand in den kristallinen Zustand (und umgekehrt) überwechseln, wenn Temperaturschwankungen innerhalb des Phasenänderungsmaterials autreten. Derartige Temperaturänderungen können auf unterschiedliche Art und Weisen hervorgerufen werden. Beispielsweise kann ein Strom durch das Phasenänderungsmaterial geleitet werden (oder eine Spannung kann an das Phasenänderungsmaterial angelegt werden). Alternativ hierzu kann einem Widerstandsheizelement, das neben dem Phasenänderungsmaterial vorgesehen ist, ein Strom oder eine Spannung zugeführt werden. Um den Speicherzustand einer Widerstandsänderungsspeicherzelle festzulegen, kann ein Messstrom durch das Phasenänderungsmaterial geleitet werden (oder eine Messspannung kann an das Phasenänderungsmaterial angelegt werden), womit der Widerstand der Widerstandsänderungsspeicherzelle, der den Speicherzustand der Speicherzelle repräsentiert, gemessen wird.Phase change memory cells can change from the amorphous state to the crystalline state (and vice versa) when temperature fluctuations within the phase change material. Such temperature changes can be caused in different ways. For example, a current may be passed through the phase change material (or a voltage may be applied to the phase change material). Alternatively, a current or voltage may be supplied to a resistance heating element provided adjacent to the phase change material. In order to set the memory state of a resistance change memory cell, a sense current may be passed through the phase change material (or a sense voltage may be applied to the phase change material), thereby measuring the resistance of the resistance change memory cell representing the memory state of the memory cell.
Das
Phasenänderungsmaterial
Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist zumindest eine der ersten Elektrode
Wie
bereits angedeutet wurde, kann das Phasenänderungsmaterial der Phasenänderungsspeicherzellen
Allgemeiner
kann das Phasenänderungsmaterial
von einem ersten Kristallisierungsgrad in einen zweiten Kristallisierungsgrad überführt werden
aufgrund einer Temperaturänderung.
Beispielsweise kann der Bitwert „Null" dem ersten (niedrigen) Kristallisierungsgrad,
und der Bitwert „1" dem zweiten (hohen)
Kristallisierungsgrad zugewiesen werden. Da unterschiedliche Kristallisierungsgrade
unterschiedliche elektrische Widerstände implizieren, ist der Leseverstärker
Um
hohe Speicherdichten zu erzielen, können die Phasenänderungsspeicherzellen
Die
in
Ein weiterer Typ von Speicherzellen, der zum Einsatz kommen kann, besteht darin, Kohlenstoff als Widerstandsänderungsmaterial einzusetzen. Im Allgemeinem hat amorpher Kohlenstoff, der reich an sp3-hybridisiertem Kohlenstoff ist (d. h. tetraedisch gebundener Kohlenstoff) einen hohen Widerstand, wohin gegen amorpher Kohlenstoff, der reich an sp2-hybridisiertem Kohlenstoff ist (das heißt trigonal gebundener Kohlenstoff), einen niedrigen Widerstand. Dieser Widerstandsunterschied kann in Widerstandsänderungsspeicherzellen ausgenutzt werden.Another type of memory cell that can be used is to use carbon as a resistance change material. In general, amorphous carbon rich in sp 3 -hybridized carbon (ie, tetrahedral bonded carbon) has high resistance, whereas amorphous carbon rich in sp 2 -hybridized carbon (i.e., trigonal-bonded carbon) has low resistance , This resistance difference can be utilized in resistance change memory cells.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Kohlenstoffspeicherzelle auf ähnliche Art und Weise ausgebildet, wie oben im Zusammenhang mit den Phasenänderungsspeicherzellen beschrieben wurde. Eine temperaturinduzierte Änderung zwischen einem sp3-reichen Zustand und einem sp2-reichen Zustand kann dazu genutzt werden, den Widerstand von amorphem Kohlenstoffmaterial zu ändern. Diese variierenden Widerstände können genutzt werden, um unterschiedliche Speicherzustände zu darzustellen. Beispielsweise kann ein sp3-reicher Zustand (Hochwiderstandszustand) "Null" repräsentieren, und ein sp2-reicher Zustand (Niedrigwiderstandszustand) "Eins" repräsentieren. Zwischenwiderstandszustände können dazu genutzt werden, mehrere Bits darzustellen, wie oben beschrieben wurde.According to one embodiment of the invention, a carbon memory cell is formed in a similar manner as described above in connection with the phase change memory cells. A temperature-induced change between an sp 3 -rich state and an sp 2 -rich state can be used to change the resistance of amorphous carbon material. These varying resistances can be used to represent different memory conditions. For example, an sp 3 rich state (high resistance state) may represent "zero", and an sp 2 rich state (low resistance state) may represent "one". Intermediate resistance states can be used to represent multiple bits as described above.
Bei diesem Kohlenstoffspeicherzellentyp verursacht die Anwendung einer ersten Temperatur im Allgemeinen einen Übergang, der sp3-reichen amorphen Kohlenstoff in sp2-reichen amorphen Kohlenstoff überführt. Dieser Übergang kann durch die Anwendung einer zweiten Temperatur, die typischerweise höher ist als die erste Temperatur, rückgängig gemacht werden. Wie oben erwähnt wurde, können diese Temperaturen beispielsweise durch Beaufschlagen des Kohlenstoffmaterials mit einem Strompuls und/oder einem Spannungspuls erzeugt werden. Alternativ können die Temperaturen unter Einsatz eines Widerstandsheizelements, das neben dem Kohlenstoffmaterial vorgesehen ist, erzeugt werden.In this type of carbon storage cell, the use of a first temperature generally causes a transition that converts sp 3 -rich amorphous carbon into sp 2 -rich amorphous carbon. This transition can be reversed by the application of a second temperature, which is typically higher than the first temperature. As mentioned above, these temperatures may be generated by, for example, charging the carbon material with a current pulse and / or a voltage pulse. Alternatively, the temperatures may be generated using a resistance heating element provided adjacent to the carbon material.
Eine
weitere Möglichkeit,
Widerstandsänderungen
in amorphem Kohlenstoff zum Speichern von Information zu nutzen,
ist das Feldstärken-induzierte Ausbilden
eines leitenden Pfades in einem isolierenden amorphen Kohlenstofffilm.
Beispielsweise kann das Anwenden eines Spannungspulses oder Strompulses
das Ausbilden eines leitenden sp2-Filaments in
isolierendem, sp3-reichem amorphem Kohlenstoff bewirken.
Die Funktionsweise dieses Widerstandskohlenstoffspeichertyps ist
in den
Die
Widerstandsänderungsspeicherzellen wie
beispielsweise die Phasenänderungsspeicherzellen
und die Kohlenstoffspeicherzellen, die vorangehend beschrieben wurden,
können
mit einem Transistor, einer Diode oder einem anderen aktiven Element
zum Auswählen
der Speicherzelle versehen sein.
Wenn
in die Speicherzelle
Die
Speicherzelle
In der folgenden Beschreibung sollen weitere Aspekte beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung erläutert werden.In The following description is intended to provide further aspects of example embodiments of the invention explained become.
Die Erfindung betrifft u. a. das Herstellen nicht-volatiler Speicher, beispielsweise das Herstellen von Leitungsbrücken-(CB = Conductive Bridging)-RAM-Speichern. Das Konzept dieses Speichertyps basiert auf dem Erzeugen oder dem Zerstören von Leitungsbrücken, die von einem Metall innerhalb einer Chalcogenid-Glasmatrix ausgebildet werden, wenn eine Spannung, die größer ist als eine bestimmte Schwellenwertspannung, angelegt wird, um die Brücke auszubilden oder größer (negativer) als ein bestimmter negativer Spannungsschwellenwert ist, um die Brücke zu löschen. Die in dieser Brücke gespeicherte Information kann unter Zuhilfenahme einer Zwischenspannung gelesen werden. Verglichen zu verfügbaren Technologien (beispielsweise DRAM, Flash) wird eine kontinuierliche Skalierbarkeit herunter zu sehr kleinen Feature-Größen bei gleichzeitiger Nichtvolatilität, schneller Programmierung und niedrigem Stromverbrauch ermöglicht.The Invention relates to u. a. producing non-volatile memory, For example, the manufacture of conductive bridging (CB) RAMs. The concept of this type of memory is based on the generation or the To destroy of cable bridges, formed by a metal within a chalcogenide glass matrix be when a tension that is greater than a certain one Threshold voltage applied to make the bridge or larger (more negative) as a certain negative voltage threshold is to the bridge to delete. The stored in this bridge Information can be read with the aid of an intermediate voltage become. Compared to available Technologies (eg DRAM, Flash) will be a continuous one Scalability down to very small feature sizes simultaneous non-volatility, faster programming and low power consumption.
Gegenwärtig wird zur Ausbildung der Leitungsbrücken beispielsweise das Metall Silber (Ag) herangezogen, da dieses Metall eine hohe Mobilität innerhalb der Matrix aufweist und somit die Herstellung sehr schneller Schaltspeicher ermöglicht. Was Chalkogenid-Materialien anbelangt, sind beispielsweise insbesondere Bariumsulfidverbindungen oder Germaniumselenidverbindungen verwendbar.At present becomes for the formation of the cable bridges For example, the metal silver (Ag) used as this metal a high mobility within has the matrix and thus the production of very fast switching memory allows. As for chalcogenide materials, for example, in particular Barium sulfide compounds or germanium selenide compounds usable.
Bei
der Verwendung von Silber(Ag)-, Selen(Se)- und Schwefel(S)-basierenden
Materialien müssen
jedoch die relativ großen
thermischen Expansionskoeffizienten berücksichtigt werden, wie aus der
folgenden Expansionskoeffizientenliste entnommen werden kann:
Da sich die thermischen Expansionskoeffizienten von Standard-Zwischenschichtdielektrika(ILD = Inter-Layer-Dielectrikum)-Materialien, wie Siliziumoxid (SiO2) oder Siliziumnitrid (SiN) signifikant von den thermischen Expansionskoeffizienten von Silber (Ab), Selen (Se), Schwefel (S) oder ähnlichen Materialien unterscheiden, entsteht während des Wärmebehandlungsprozesses mechanischer Stress.Since the thermal expansion coefficients of standard interlayer dielectrics (ILD) materials such as silicon oxide (SiO 2 ) or silicon nitride (SiN) significantly differ from the thermal expansion coefficients of silver (Ab), selenium (Se), sulfur ( S) or similar materials, arises during the heat treatment process mechanical stress.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine gelöcherte ("käseförmige") Aktivmaterialplatte anstelle einer durchgehenden Aktivmaterialplatte ausgebildet. Um dies zu ermöglichen, kann ein zusätzlicher Lithographieschritt erforderlich sein. Damit können Gebiete definiert werden, innerhalb derer das Ätzen/"Löchern" ausgeführt werden soll. Auf diese Art und Weise werden in die CBRAM-Zellengebiete Hohlräume eingebracht.According to one embodiment The invention is a perforated ("cheese-shaped") active material plate formed in place of a continuous active material plate. Around to enable this can be an extra Lithography step be required. This can be used to define areas within which the etching / "holes" should be performed. To this In a manner, cavities are introduced into the CBRAM cell areas.
Das Ätzen (allgemeiner: "Löchern") muss nicht notwendigerweise das gesamte Plattenmaterial/Aktivmaterial wegätzen. Ein Rest von Aktivmaterial und/oder Platte (Topelektrode) kann zwischen den Zellen nach dem Ätzen verbleiben. Nach dem "Löcherungs"-Prozess kann ein Filmabscheideprozess ausgeführt werden, durch welchen die Trenches innerhalb der einzelnen CBRAM-Zellen überwachsen werden. Dieser Prozess kann beispielsweise ein CVD-Prozess (oder ein physikalisches Dampfabscheideverfahren PVD) sein. Das abzuscheidende Material kann beispielsweise ein dielektrisches Material oder ein halbleitendes Material sein.The etching (more generally: "holes") does not necessarily have the entire Etch plate material / active material. A balance of active material and / or Plate (top electrode) may remain between the cells after etching. After the "punching" process, a film deposition process can be carried out by which the trenches within the individual CBRAM cells are overgrown. This process can be, for example, a CVD process (or a physical process) Dampfabscheideverfahren PVD). The material to be deposited can For example, a dielectric material or a semiconducting Be material.
Nach diesem Prozess wird ein Standard-Back-End-Of-Line(BEOL)-Prozess durchgeführt, der das Erzeugen einer oder mehrerer Metallschichten, dielektrischer Schichten, metallischer Kontakte sowie eine finale Einkapselung aufweist.To In this process, a standard Back - End Of Line (BEOL) process is performed producing one or more metal layers, dielectric Layers, metallic contacts and a final encapsulation having.
Speichervorrichtungen können eine ganze (durchgehende) Platte aus aktivem CBRAM-Material mit einem gemeinsamen Metallkontakt auf einer Seite und einzelnen Via-Kontakten auf der anderen Seite des aktiven Materials aufweisen. Aufgrund der signifikanten thermischen Ausdehnung der oben erwähnten Materialien können Delaminationseffekte oder andere allgemeine Materialdeffekte während der Integrationsprozesse die Folge sein, die bei erhöhten Temperaturen ausgeführt werden und nach dem Abscheiden des aktiven Materials zur Anwendung kommen.storage devices can a whole (continuous) plate of active CBRAM material with a common metal contact on one side and individual via contacts on the other side of the active material. by virtue of the significant thermal expansion of the above-mentioned materials can Delamination effects or other general material effects during the Integration processes are the result, which are carried out at elevated temperatures and after the deposition of the active material are used.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein löchriges aktives Material anstelle eines durchgehenden Materials verwendet. Die Löcher des strukturierten aktiven Materials werden mit nanoporösem Material gefüllt, das leicht komprimierbar ist, oder mit einem Material gefüllt, das einen negativen thermischen Expansionskoeffizient aufweist, beispielsweise ZrW2O8. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden übereinander gestapelte Level von aktivem CBRAM-Material eingesetzt. Das Strukturieren zum Erzeugen der Löcher kann auf einen Teil des Aktivmaterialstapels begrenzt werden.According to one embodiment of the invention, a holey active material is used instead of a continuous material. The holes of the patterned active material are filled with nanoporous material that is easily compressible or filled with a material that has a negative coefficient of thermal expansion, such as ZrW 2 O 8 . According to one embodiment of the invention, stacked levels of active CBRAM material are employed. The patterning to create the holes may be limited to a portion of the active material stack.
- 100100
- CBRAM-ZelleCBRAM cell
- 102102
- erste Elektrodefirst electrode
- 102102
- zweite Elektrodesecond electrode
- 103103
- FestkörperelektrolytSolid electrolyte
- 104104
- erste Oberflächefirst surface
- 105105
- zweite Oberflächesecond surface
- 106106
- Isolationsstrukturisolation structure
- 107107
- Leitungsbrückejumper
- 200200
- SpeicherzellenarrayMemory cell array
- 201201
- Kompensationsgebietcompensation region
- 202202
- Speicherzellenarray-MaterialMemory cell array Material
- 300300
- SpeicherzellenarrayMemory cell array
- 302302
- Hohlraumcavity
- 303303
- Bottomelektrodebottom electrode
- 304304
- Speicherzellememory cell
- 405405
- AktivmaterialschichtActive material layer
- 406406
- TrenchauffüllmaterialTrenchauffüllmaterial
- 407407
- Trenchstrukturtrench structure
- 108108
- Überhangoverhang
- 409409
- Kanteedge
- 700700
- Prozessstadiumprocess stage
- 701701
- AktivmaterialschichtActive material layer
- 702702
- Substratschichtsubstrate layer
- 703703
- Bottomelektrodebottom electrode
- 800800
- Prozessstadiumprocess stage
- 801801
- Topelektrodetop electrode
- 802802
- Maskenschichtmask layer
- 900900
- Prozessstadiumprocess stage
- 901901
- Trenchstrukturtrench structure
- 10001000
- Prozessstadiumprocess stage
- 10011001
- TrenchauffüllmaterialTrenchauffüllmaterial
- 11001100
- Prozessstadiumprocess stage
- 11011101
- Dielektrikumsschichtdielectric
- 13001300
- Stapelstack
- 13011301
- Si-SubstratSi substrate
- 13011301
- Spaltgap
- 15001500
- Speichermodulmemory module
- 15021502
- Substratsubstratum
- 15041504
- integrierte Schaltung/Speichervorrichtungintegrated Circuit / memory device
- 15061506
- elektronische Vorrichtungelectronic contraption
- 15081508
- elektrische Verbindungelectrical connection
- 15501550
- Stapelstack
- 15521552
- Speichermodulmemory module
- 15541554
- Substratsubstratum
- 15561556
- Speichervorrichtungstorage device
- 15581558
- elektronische Vorrichtungelectronic contraption
- 15601560
- elektrische Verbindungelectrical connection
- 16001600
- PhasenänderungsspeicherzellePhase change memory cell
- 16021602
- erste Elektrodefirst electrode
- 16041604
- PhasenänderungsmaterialPhase change material
- 16061606
- zweite Elektrodesecond electrode
- 16081608
- isolierendes Materialinsulating material
- 17001700
- Speichervorrichtungstorage device
- 17021702
- SchreibpulserzeugerWrite pulse generator
- 17041704
- Verteilungsschaltungdistribution circuit
- 17061706
- PhasenänderungsspeicherzellenPhase change memory cells
- 17081708
- Leseverstärkersense amplifier
- 18001800
- KohlenstoffspeicherzelleCarbon memory cell
- 18021802
- Topkontakttop contact
- 18041804
- KohlenstoffspeicherschichtCarbon storage layer
- 18061806
- Bottomkontaktbottom Contact
- 18501850
- Filamentfilament
- 19001900
- Speicherzellememory cell
- 19021902
- Auswahltransistorselection transistor
- 19041904
- WiderstandsänderungsspeicherelementResistance change memory element
- 19061906
- Sourcesource
- 19081908
- Bitleitungbit
- 19101910
- Draindrain
- 19121912
- Gategate
- 19141914
- Wortleitungwordline
- 19161916
- gemeinsame Leitungcommon management
- 19501950
- Speicherzellememory cell
- 19521952
- Auswahltransistorselection transistor
- 19541954
- WiderstandsänderungsspeicherelementResistance change memory element
- 19561956
- Sourcesource
- 19581958
- Bitleitungbit
- 19601960
- Draindrain
- 19621962
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- gemeinsame Leitungcommon management
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Legal Events
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
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R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |