DE10297198T5 - Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht für einen Phasenübergangsspeicher - Google Patents

Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht für einen Phasenübergangsspeicher Download PDF

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Abstract

Verfahren umfassend:
Aufbringen einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht auf einem Halbleiter; und
Aufbringen eines Phasenübergangsmaterials über der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht.

Description

  • Hintergrund
  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Speicher, die Phasenübergangsmaterialien verwenden.
  • Phasenübergangsmaterialien können mindestens zwei verschiedene Zustände aufweisen. Die Zustände können amorpher und kristalliner Zustand genannt werden. Übergänge zwischen diesen Zuständen können gezielt hervorgerufen werden. Die Zustände können unterschieden werden, weil der amorphe Zustand im Allgemeinen einen höheren Widerstand aufweist als der kristalline Zustand. Der amorphe Zustand umfasst eine ungeordnetere Atomstruktur und der kristalline Zustand eine geordnetere Atomstruktur. Im Allgemeinen kann jedes Phasenübergangsmaterial verwendet werden, jedoch sind in einigen Ausführungsformen Dünnfilm-Chalcogenid-Legierungsmaterialien besonders geeignet.
  • Der Phasenübergang kann reversiv induziert werden. Daher kann der Speicher von dem amorphen zu dem kristallinen Zustand und danach zurück zu dem amorphen Zustand wechseln oder umgekehrt. Tatsächlich kann man sich jede Speicherzelle als einen programmierbaren Widerstand vorstellen, der reversiv zwischen einem höheren und einem niedrigeren Widerstandszustand wechselt.
  • In einigen Fällen kann die Zelle eine große Anzahl von Zuständen aufweisen. Weil jeder Zustand durch seinen Widerstand unterschieden werden kann, kann eine Anzahl von durch den Widerstand bestimmten Zuständen möglich sein, die das Speichern von mehreren Datenbits in einer einzigen Zelle ermöglichen.
  • Eine Vielzahl von Phasenübergangslegierungen ist bekannt. Im Allgemeinen enthalten Chalcogenidlegierungen eines oder mehre re Elemente aus der sechsten Gruppe des Periodensystems. Eine besonders geeignete Gruppe von Legierungen sind GeSeTe-Legierungen.
  • Ein Phasenübergangsmaterial kann in einem Durchgang oder einer Pore durch ein dielektrisches Material gebildet werden. Das Phasenübergangsmaterial kann mit Kontakten an beiden Enden des Durchgangs gekoppelt sein.
  • Der Phasenübergang kann durch Erwärmen des Phasenübergangsmaterials induziert werden. Bei einigen Ausführungsformen der Phasenübergangsspeicher wird ein Strom durch eine untere Elektrode angelegt, die einen ausreichenden Widerstand oder andere Eigenschaften aufweist, um das Phasenübergangsmaterial zu erwärmen und so den geeigneten Phasenübergang zu induzieren. Bei einigen Ausführungsformen kann die untere Elektrode Temperaturen in der Größenordnung von 600 Grad Celsius erzeugen.
  • Ein Problem bei der bestehenden Elektrodenanordnung ist, dass je größer die Temperatur ist desto niedriger ist der Widerstand des Materials. Dadurch wird die untere Elektrode zunehmend leitfähiger, wenn sich die untere Elektrode erwärmt um den Phasenübergang zu induzieren, wodurch die generierte Wärmemenge abnimmt.
  • Somit gibt es einen Bedarf in steuerbarer Weise, einen ausreichenden Widerstand nahe des Phasenübergangsmaterials auch bei erhöhten Temperaturen zur Verfügung zu stellen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 zeigt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines frühen Herstellungszustandes des Bauelementes, das in 1 gezeigt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in 2 bei einem nachfolgenden Herstellungszustand gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist;
  • 4 zeigt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform, die in 3 bei einem nachfolgenden Herstellungszustand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
  • 5 zeigt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht der Ausführungsform der 4 bei einem nachfolgenden Herstellungszustand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 zeigt eine stark vergrößerte Querschnittsansicht eines nachfolgenden Herstellungszustandes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 7 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines weiteren nachfolgenden Herstellungszustandes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Mit Bezug auf 1 kann eine Speicherzelle 10 eine Phasenübergangsmaterialschicht 24 aufweisen. Die Phasenübergangsma terialschicht 24 kann zwischen einer oberen Elektrode 26 und einer unteren Elektrode 14 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann die untere Elektrode 14 aus Kobaltsilizid sein. Jedoch kann die untere Elektrode 14 aus jedem leitfähigen Material sein. In ähnlicher Weise kann die obere Elektrode 26 aus jedem leitfähigen Material sein.
  • Die untere Elektrode 14 kann über einem Halbleitersubstrat 12 definiert sein. Über der unteren Elektrode 14 kann außerhalb des Bereichs mit der Phasenübergangsmaterialschicht 14 ein isolierendes Material 16, wie beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid angeordnet sein. Eine vergrabene Wortleitung (nicht gezeigt) in dem Substrat 12 kann Signale und einen Strom an das Phasenübergangsmaterial 24 über die untere Elektrode 14 anlegen.
  • Eine Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht 20 kann zwischen der Phasenübergangsmaterialschicht 24 und dem Isolator 16 angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform kann ein zylindrisches Seitenwandbegrenzungselement 22 mit einer röhrenförmigen Pore definiert sein, die durch die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht 20 und die Phasenübergangsmaterialschicht 24 bedeckt ist.
  • Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht 20 aus Siliziumcarbid gebildet sein. Siliziumcarbid ist in seiner einfachen Kristallform ein Halbleiter mit einem großen Bandabstand mit abwechselnd angeordneten hexagonalen Ebenen von Silizium und Kohlenstoffatomen. Siliziumcarbid kann bis 600 Grad Celsius im Betrieb erwärmt werden und kann einen spezifischen Widerstand aufweisen der bei steigenden Temperaturen nicht wesentlich abnimmt. Daher ist Siliziumcarbid sehr leistungsfähig, um die Phasenübergangsmaterialschicht 24 zu erwärmen. Wiederum ist es wünschenswert, die Phasenübergangsmaterialschicht 24 zu erwär men, um Übergänge der Phasenübergangsmaterialschicht 24 zwischen dem amorphen und kristallinen Zustand zu induzieren.
  • Die Zwischenschicht 20 erhöht ihre Leitfähigkeit bei steigenden Temperaturen nicht im gleichen Maße wie andere verfügbare Materialien wie beispielsweise Kobaltsilizid. Der reduzierte spezifische Widerstand bei steigenden Temperaturen macht herkömmliche Materialien weniger als ideal für Heizelektroden für die Phasenübergangsmaterialschicht 24. Bei relativ hohen Temperaturen, wie beispielsweise 600 Grad Celsius, bei denen der spezifische Widerstand anderer Materialien abnimmt, ist die Leistungsfähigkeit der Zwischenschicht 20 als ein Heizelement, um Phasenübergänge zu induzieren im wesentlichen nicht verschwunden.
  • Siliziumcarbid neigt, insbesondere weniger dazu, seinen spezifischen Widerstand bei höheren Temperaturen zu verlieren, weil es ein Material mit einem großen Bandabstand ist. Andere Materialien mit großem Bandabstand sind Galliumnitrid und Aluminiumnitrid. Andere Kohlenstoff enthaltende Materialien die bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als Zwischenschicht 20 verwendet werden können, können gesputterten Kohlenstoff und Diamant umfassen.
  • Die Zwischenschicht 20 kann z.B. durch chemisches Aufdampfen im Falle von Siliziumcarbid und durch Sputtern im Falle von Diamant oder Kohlenstoff abgeschieden werden. Andere Schichtbildungsverfahren können ebenso verwendet werden.
  • Bei anderen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, die Zwischenschicht 20 zu dotieren, um ihre Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei einigen Ausführungsformen kann undotiertes Siliziumcarbid z.B. einen zu hohen spezifischen Widerstand aufweisen, der in entweder einer zu hohen Temperatur oder einen zu großen Spannungsabfall über den Elektroden 14 und 26 führt. Somit kann z.B. Innenimplantation verwendet werden, um die Schicht 20 mit Dotiermaterialien eines p-Typs oder eines p-Typs zu dotieren, um ihre Leitfähigkeit nach dem Ausheilen zu verbessern.
  • Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Schicht (nicht gezeigt) vorgesehen werden, um den Zusammenhalt zwischen der Phasenübergangsmaterialschicht 24 und der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht 20 zu verbessern. Geeignete Schichten, die den Zusammenhalt unterstützen, können leitfähige Materialien, die Titan, Titannitrid und Wolfram enthalten, umfassen, um nur einige Beispiele zu nennen.
  • Mit Bezug auf 2 kann bei einer Ausführungsform ein Halbleitersubstrat 12 mit einer unteren Elektrode 14 bedeckt werden. Die Elektrode 14 kann dann durch einen Isolator 16 und eine geeignete Pore 18, die durch den Isolator 16 gebildet wird, bedeckt werden.
  • Die resultierende Struktur kann flächig abgeschieden werden, z.B. mit Hilfe chemischen Aufdampfens der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht 20 abgeschieden werden, wie in 3 gezeigt ist. Danach kann bei einigen Ausführungsformen die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht 20 mit einer Innenimplantation beaufschlagt werden, wie in 4 gezeigt ist, um ihre Leitfähigkeit zu erhöhen und ihren spezifischen Widerstand nach dem Ausheilen zu verringern.
  • Wie in 5 gezeigt ist, kann ein Begrenzungsmaterial 22 über der Schicht 20 abgeschieden werden. Das Abstandsmaterial 22 kann bei einer Ausführungsform ein Oxid sein, das chemisch aufgedampft ist. Das Oxidmaterial 22 kann dann anisotrop geätzt werden, um das zylindrische Seitenwandbegrenzungselement 22, das in 6 gezeigt ist, in der Pore 18 zu bilden.
  • Mit Bezug auf 7 kann bei einer Ausführungsform die Phasenübergangsmaterialschicht 24 in der Pore 18 gebildet werden und insbesondere in dem Bereich, der durch das Seitenwandbegrenzungselement 22 definiert ist, um die Schicht 20 zu kontaktieren. Eine obere Elektrode 26 kann auf dem Phasenübergangsmaterial 24 abgeschieden werden. Dann können die Elektrode 26 und das Phasenübergangsmaterial 24 strukturiert und geätzt werden, um die Struktur, die in 1 dargestellt ist, zu bilden.
  • Durch die Verwendung einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht 20, kann der spezifische Widerstand des Heizelementes des Phasenübergangsmaterials im Wesentlichen erhöht werden, während gleichzeitig die Heizleistungsfähigkeit des Heizelementes bei höheren Temperaturen verbessert ist. Das Heizelement umfasst effektiv die Serienkombination der unteren Elektrode 14 und der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht 20. Jedoch wird eine Serienwiderstandskombination durch das Element mit dem größeren Widerstand dominiert, das bei einigen Ausführungsformen die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht 20 sein kann. Als Folge kann der Widerstand der Serienkombination der Schichten 20 und 14 durch den Widerstand der Zwischenschicht 20 dominiert sein.
  • Mit Bezug auf 8 kann die Speicherzelle, die in 1 dargestellt ist, repliziert werden, um ein Speicherfeld mit einer großen Anzahl von Zellen zu bilden. Der Speicher kann als Speicher in einer großen Vielfalt von Prozessor basierten Systemen verwendet werden, wie das System 40, das in 8 darstellt ist. Z.B. kann der Speicher als Systemspeicher oder anderen Speicher von einer Vielzahl von Personalcomputerprodukten wie Laptop-Produkten oder Desktop-Produkten oder Servern verwendet werden. In ähnlicher Weise kann der Speicher in einer Vielzahl von Prozessor basierten Anwendungen verwendet werden. So kann er als Speicher in Prozessor basierten Telefonen inklusive Mobiltelefonen verwendet werden.
  • Im Allgemeinen kann die Verwendung des Phasenübergangsspeichers bei einer Anzahl von Ausführungsformen bezüglich der niedrigeren Kosten und/oder der besseren Leistungsfähigkeit vorteilhaft sein. Mit Bezug auf 8 kann der Speicher 48, der entsprechend den hierin beschriebenen Verfahren gebildet ist, als ein Systemspeicher betrieben werden. Der Speicher 48 kann z.B. mit einer Schnittstelle 44 gekoppelt sein, die wiederum mit einem Prozessor 42, einer Anzeigeeinheit 46 und einem Bios 50 verbunden ist. Der Bus 50 ist in einer solchen Ausführungsform mit einer Schnittstelle 52 verbunden, die wiederum mit einem weiteren Bus 54 verbunden ist.
  • Der Bus 54 kann mit einem Haupt-Eingabe-/Ausgabe-Systemspeicher (BIOS) 62 und mit einer seriellen Eingabe-/Ausgabeeinrichtung (SIO) 56 verbunden sein. Die Einrichtung 56 kann beispielsweise mit einer Maus 58 und einer Tatstatur 60 verbunden sein. Selbstverständlich ist die in 8 gezeigte Architektur nur ein Beispiel einer möglichen Architektur, die den Speicher 48, der das Phasenübergangsmaterial verwendet, enthält.
  • Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sind dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und Variationen davon offensichtlich. Es ist beabsichtigt, das die beigefügten Ansprüche all diese Modifikationen und Variationen, die in den wahren Geist und Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, umfassen.
  • Zusammenfassung
  • Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht für einen Phasenübergangsspeicher Eine Phasenübergangsspeicherzelle (10) kann mit einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht (20) gebildet sein, die ein Phasenübergangsmaterial (24) erwärmt. Durch das Bilden des Phasenübergangsmaterial (24) in Kontakt mit der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht (20) bei einer Ausführungsform kann die Wärmemenge, die dem Phasenübergangsmaterial (24) bei einem bestimmten Strom und Temperatur bereitgestellt wird, erhöht werden. Bei einigen Ausführungsformen kann die Leistungsfähigkeit der Zwischenschicht (20) bei hohen Temperaturen verbessert werden, indem ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand verwendet wird, wie beispielsweise Siliziumcarbid.

Claims (30)

  1. Verfahren umfassend: Aufbringen einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht auf einem Halbleiter; und Aufbringen eines Phasenübergangsmaterials über der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht auf einem Halbleiter das Aufbringen der Zwischenschicht auf einer leitfähigen Schicht, die auf dem Halbleiter aufgebracht ist, umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht das Aufbringen einer Schicht eines Halbleitermaterials mit einem großen Bandabstand umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Aufbringen einer Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht das Aufbringen einer Siliziumcarbidschicht umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, das weiterhin das Dotieren der Siliziumcarbidschicht umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin das Dotieren der Siliziumcarbidschicht mit Hilfe einer Innenimplantation umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das das Bilden einer Pore durch einen Isolator, und das Abscheiden der Kohlenstoff enthaltenen Zwischenschicht auf dem Halbleiter und in der Pore umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, das das Abscheiden des Phasenübergangsmaterials auf der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht in der Pore umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, das das Bilden eines Seitenwandbegrenzungselementes zwischen der Zwischenschicht und dem Phasenübergangsmaterial umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen eines Phasenübergangsmaterials das Aufbringen einer Chalcogenidschicht auf der Zwischenschicht umfasst.
  11. Speicher umfassend: eine Oberfläche; eine Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht auf der Oberfläche; ein Phasenübergangsmaterial auf der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht.
  12. Speicher nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche eine leitfähige Schicht auf einem Halbleitersubstrat umfasst.
  13. Speicher nach Anspruch 11, wobei die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht ein Halbleitermaterial mit großem Bandabstand aufweist.
  14. Speicher nach Anspruch 13, wobei die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht Siliziumcarbid enthält.
  15. Speicher nach Anspruch 14, wobei die Siliziumcarbidschicht mit den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Dotierstoffen dotiert ist.
  16. Speicher nach Anspruch 15, der ein Isolator, der auf der Oberfläche angeordnet ist, und eine Pore, die durch den Isolator gebildet ist, aufweist, wobei die Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht in der Pore auf der Oberfläche gebildet ist.
  17. Speicher nach Anspruch 16, wobei das Phasenübergangsmaterial auf der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht und in der Pore gebildet ist.
  18. Speicher nach Anspruch 17, der ein Seitenwandbegrenzungselement in der Pore aufweist.
  19. Speicher nach Anspruch 18, wobei das Seitenwandbegrenzungselement zwischen der Zwischenschicht und dem Isolator angeordnet ist.
  20. Speicher nach Anspruch 11, wobei das Phasenübergangsmaterial ein Chalcogenidmaterial enthält.
  21. Elektronisches Bauelement umfassend: eine Oberfläche; eine Kohlenstoff enthaltende Zwischenschicht auf der Oberfläche; und ein Phasenübergangsmaterial auf der Kohlenstoff enthaltenden Zwischenschicht.
  22. Bauelement nach Anspruch 21, wobei das Bauelement ein Speicherbauelement ist.
  23. Bauelement nach Anspruch 22, wobei das Speicherbauelement Teil eines Computers ist.
  24. Bauelement nach Anspruch 23, das einen Prozessor, eine Schnittstelle und einen Bus, der mit dem Speicher verbunden sind, umfasst.
  25. Speicher umfassend: ein Halbleitersubstrat; eine Siliziumcarbidschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist; und ein Phasenübergangsmaterial auf der Siliziumcarbidschicht.
  26. Speicher nach Anspruch 25, der eine leitfähige Schicht zwischen dem Halbleitersubstrat und der Siliziumcarbidschicht aufweist.
  27. Speicher nach Anspruch 26, der einen Isolator auf der leitfähigen Schicht aufweist, wobei der Isolator eine darin angeordnete Pore aufweist und das Phasenübergangsmaterial und die Siliziumcarbidschicht in der Pore gebildet sind.
  28. Speicher nach Anspruch 25, wobei die Siliziumcarbidschicht dotiert ist.
  29. Speicher nach Anspruch 28, wobei das Phasenübergangsmaterial ein Chalcogenid enthält.
  30. Speicher nach Anspruch 29, der ein Seitenwandbegrenzungselement zwischen dem Phasenübergangsmaterial und der Siliziumcarbidschicht aufweist.
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