WO2004017436A2 - Nichtflüchtiges speicherelement sowie zugehörige herstellungsverfahren und speicherelementanordnungen - Google Patents

Nichtflüchtiges speicherelement sowie zugehörige herstellungsverfahren und speicherelementanordnungen Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a non-volatile memory element and associated manufacturing methods and memory element arrangements, and in particular to a non-volatile memory element with a switching material in which at least two different conductivity states are realized after a formation step and switched on or in by applying predetermined programming voltages between the conductivity states can be switched several times.
  • FIGS. 1A to IC show a simplified sectional view or simplified U-I characteristics of a generic non-volatile memory element, as is known, for example, from US Pat. No. 5,360,981.
  • such a non-volatile memory element has a first electrode 1, a switching material 2 formed thereon and a second electrode 3, electrodes 1 and 3 being connected appropriately for applying a voltage and for generating an electric field E.
  • the switching material 2 consists, for example, of a hydrogen-saturated amorphous silicon semiconductor material (hydrogenated amorphous silicon) which has a p-type doping.
  • an electrically conductive material and preferably Cr is used for the first electrode 1.
  • By suitable selection for the second electrode 3 one obtains either an analog switching behavior for the switching material 2 or a digital switching behavior. If V, Co, Ni and Tb are used, analog switchover behavior is obtained according to FIG.
  • a linear UI characteristic curve that is initially present is only converted into a memory characteristic curve range according to FIG. IC by applying a forming voltage F A.
  • a characteristic field K A generated in the switching material 2 which has non-volatile memory properties and, for example, the two conductivity states or characteristic branches shown in FIG. IC, ON and OFF.
  • the characteristic field K A shown in FIG. 1C hydrogen-saturated amorphous silicon with p-doping was used as the electrode material Cr and as the switching material 2.
  • a switching material 2 having the conductivity state ON can be reprogrammed by applying a programming voltage V.sub.oesch of approximately 2.5 volts, as a result of which the conductivity state or Characteristic branch ON switches to the further conductivity state or characteristic branch OFF.
  • V SC hr e ⁇ b of, for example, -3 V
  • the conductivity state ON can again be generated in the switching material 2.
  • the respective reading voltages V reading below the programming voltages and, according to FIG. IC having, for example, 1 volt. Since the characteristic field K A or the conductivity states ON and OFF, once programmed, do not change in such switching materials 2, a non-volatile memory element is thus obtained by evaluating an associated reading current.
  • FIG. 2A shows a simplified sectional view of a further conventional non-volatile memory element, the switching material, however, consisting of a multiple layer sequence. More specifically, for example, a p-doped hydrogen-saturated amorphous silicon 2A is formed on a first electrode 1, the surface of which is followed by an n-doped hydrogen-saturated amorphous silicon layer 2B. For the second electrode 3, the switching material 2 also has an undoped, again hydrogen-saturated, amorphous silicon, as a result of which a so-called p-n-i structure is obtained.
  • non-volatile memory elements have the advantage that the electrode materials are less critical, in particular for p-doped semiconductor materials, but the voltages for the necessary formation step are even higher than with the switching material according to FIG. 1A, which is why they have so far been used for mass production of non-volatile memories were not considered.
  • FIG. 2B shows a simplified characteristic field K A again after a formation step has been carried out, which results in improved programming due to the higher distance between the different conductivity states ON and OFF.
  • the invention is therefore based on the object of creating a non-volatile memory element and associated production methods and memory element arrangements with which integration into conventional semiconductor circuits can be implemented.
  • the invention is based on the object of optimizing the formation step necessary to form the non-volatile memory behavior.
  • this object is achieved with regard to the non-volatile memory element by the features of patent claim 1.
  • this object is achieved by the measures of claim 8 and with regard to the memory element arrangements, this object is achieved by the features of claims 22 to 24.
  • the - but very high - voltages necessary for the formation step can be significantly reduced, as a result of which these memory elements are used for the first time with conventional semiconductor circuits such as e.g. CMOS circuits can be linked or combined.
  • the field amplifier structure provides a protrusion of the electrodes protruding into the switching material, e.g. a tip, corner or edge, with an angle preferably ⁇ 90 degrees.
  • a protrusion of the electrodes protruding into the switching material e.g. a tip, corner or edge, with an angle preferably ⁇ 90 degrees.
  • necessary field peaks or field elevations can be formed particularly easily in integrated non-volatile memory elements.
  • the switching material preferably consists of a hydrogen-saturated amorphous semiconductor material, whereby also Multi-layer structures can be used, and the electrodes are preferably made of metallic materials.
  • a recess is formed in an auxiliary layer and this recess is filled with a first electrically conductive material to form the first electrodes, as a result of which the field amplifier structure can be formed particularly easily in subsequent steps.
  • the electrically conductive material is preferably deposited in such a way that an adapted depression results in the region of the depression, the electrically conductive material being conformally etched back at least up to the surface of the auxiliary layer by means of an anisotropic etching method and the auxiliary layer essentially being etched back up to the surface by means of an anisotropic etching method Bottom area of the adapted recess is etched back. In this way, sharp peaks are formed on the first electrode, which lead to the desired field increase and thus to a reduction in the formation voltage.
  • the electrically conductive material can also be re-formed at least to the surface of the auxiliary layer by means of a polishing process and the auxiliary layer can be etched back by a predetermined amount by means of a subsequent selective etching process, which in turn gives very sharp edges or corners on the first electrode which are used for desired field reinforcement or field increase.
  • At least a predetermined amount of the electrically conductive material in the depression can be removed by means of an etching method, and then a thin conformal electrically conductive layer can be formed in such a way that an adapted depression in the The area of the depression is created and finally the electrically conductive layer is etched back at least to the surface of the auxiliary layer by means of an anisotropic etching method or by means of a spacer method.
  • a field amplifier structure or field increase in the electrical field of the switching material caused by the spacer structure is again obtained, whereby the necessary formation voltages can be significantly reduced.
  • the non-volatile memory elements are arranged in a matrix and controlled via bit lines arranged in a column and word lines arranged in a cell, a respective first electrode of the memory element being electrically connected to a respective word line formed in a semiconductor substrate directly via an ohmic junction or a diode junction, and one respective second electrode for forming a respective bit line is structured in strips on the surface of the semiconductor substrate.
  • a selection transistor with a word line serving as a control layer and a bit line serving as a first source / drain region can be formed in the semiconductor substrate in a memory element arrangement for each nonvolatile memory element, a second source / drain region of the selection transistor being electrically connected to a respective first electrode of the memory element connected is.
  • This also gives a novel and highly integrated non-volatile memory element arrangement.
  • FIGS. 1A to IC show a simplified sectional view and simplified U-I characteristic curve fields of a non-volatile memory element according to the prior art
  • FIGS. 2A and 2B show a simplified sectional view and a simplified U-I characteristic field of a further non-volatile memory element according to the prior art
  • FIGS. 3A to 3C show a simplified sectional view and simplified U-I characteristic curve fields of a non-volatile memory element according to a first exemplary embodiment
  • FIGS. 4A and 4B show a simplified sectional view and a simplified U-I characteristic field of a non-volatile memory element according to a second exemplary embodiment
  • FIGS. 5A to 5E show simplified sectional views to illustrate essential method steps in the production of a non-volatile memory element according to a third exemplary embodiment
  • FIGS. 6A to 6C simplified sectional views for illustrating essential method steps in the production of a non-volatile memory element according to a fourth exemplary embodiment
  • FIGS. 7A to 7D simplified sectional views to illustrate essential method steps in the production of a non-volatile memory element according to a fifth exemplary embodiment
  • FIGS. 8A and 8B show a simplified equivalent circuit diagram of a memory element arrangement and a simplified sectional view of an associated non-volatile memory element according to a sixth exemplary embodiment
  • FIGS. 9A and 9B show a simplified equivalent circuit diagram of a memory element arrangement and a simplified sectional view of an associated non-volatile memory element according to a seventh exemplary embodiment.
  • FIGS. 10A and 10B show a simplified equivalent circuit diagram of a memory element arrangement and a simplified sectional view of an associated non-volatile memory element according to an eighth exemplary embodiment.
  • the invention is described below on the basis of a simplified non-volatile memory element on the basis of a memory element according to FIG. 1A, the same reference symbols denoting identical or corresponding layers or elements and a repeated description being dispensed with below.
  • the switching material 2 can also have a multilayer structure in the same way, in particular amorphous semiconductor materials with different doping.
  • the non-volatile memory element SE again consists of a switching material 2 and two electrically conductive electrodes 1 and 3 applied to the switching material 2, to which an electrical voltage is applied and an electric field E can be generated in the switching material 2.
  • the switching material 2 in turn has the special properties, with at least two different conductivity states prevailing after a formation step, between which by switching set predetermined programming voltages can be switched repeatedly.
  • Hydrogen-saturated amorphous silicon or a corresponding multilayer structure is preferably used as the switching material 2, the amorphous silicon being prepared, for example, by means of the so-called glow discharge method (Glow Discharge Technique).
  • the first electrode 1 and the second electrode 3 consist of a suitable electrically conductive material, which preferably has a metal.
  • At least one of the electrodes 1 or 3 has at least one field amplifier structure 4 for amplifying a field strength of the electric field E in the switching material 2.
  • a tip 4 is therefore formed on the first electrode 1 as a field amplifier structure, which leads to a substantial amplification of the electric field E prevailing in the switching material 2.
  • This field strengthening results in field peaks in the switching material 2, which in particular have a favorable influence on the formation step mentioned at the beginning.
  • the formation voltage F A that is usually necessary is shifted from approximately -20 V to, for example, a reduced formation voltage F B of, for example, -5 V, which means that enters a voltage range such as is available, for example, in conventional CMOS semiconductor circuits.
  • the field amplifier structure 4 formed in the non-volatile memory element makes it possible for the first time to integrate this component with conventional semiconductor components which operate in a voltage range below 10 volts and preferably below 5 volts. Control circuits for the necessary Operating voltages can thus be simplified and power consumption can be significantly reduced.
  • the non-volatile memory element SE or its switching material 2 has a modified characteristic field K B after the formation step, which now has a significantly lower formation voltage F B.
  • K A also represents a characteristic field according to the prior art.
  • the field amplifier structure 4 formed on the first electrode 1 not only reduces a forming voltage, but also changes a characteristic field of the switching material 2 or of the non-volatile memory element SE. More specifically, due to the one-sided field strengthening, the characteristic field from K A to K B is compressed in the negative stress range, while it is stretched in the positive stress range due to the opposite sign.
  • FIGS. 4A and 4B show a simplified sectional view and an associated U-I characteristic field according to a second exemplary embodiment, the same reference symbols denoting identical or corresponding elements or layers, and a repeated description is dispensed with below.
  • a tip 4A is now not only formed on the first electrode 1, but also on the second electrode 3 a corresponding tip 4B opposite the tip 4A as a field intensifier structure, as a result of which field amplification in both directions, ie positive and negative voltage, is generated can be.
  • This field amplifier structure 4A and 4B in the non-volatile memory element SE reduces the formation voltage, and according to FIG. 4B there is now also a compression of the characteristic fields from K A to K B in the positive voltage range.
  • the field amplifier structure also provides an adaptation of the characteristic field and, in particular, a reduction in the necessary write and erase voltages. In this way, completely new types of non-volatile memories can be realized with significantly reduced operating voltages and greatly improved power and power consumption.
  • a tip was formed on the first electrode 1 and / or the second electrode 3 as a field amplifier structure.
  • other projections of the electrodes 1 and 3, such as e.g. trained corners or edges are used as field amplifier structures, provided that they protrude into the switching material 2 and at least locally strengthen a field strength of the electric field E.
  • an angle of the tips, corners or edges in electrodes 1 and 3 has an acute angle, i.e. an angle of ⁇ 90 degrees, making local field peaks particularly easy to implement.
  • the methods described below are particularly suitable for particularly simple and inexpensive implementation.
  • FIGS. 5A to 5E show simplified sectional views to illustrate essential method steps in the production of a non-volatile memory element in accordance with a third exemplary embodiment, the same reference symbols denoting identical or corresponding elements or layers and a repeated description being omitted below.
  • an auxiliary layer I is first formed on a carrier material T and an indentation V is created therein.
  • a semiconductor substrate (Si) is preferably used as the carrier material T, in which, for example, already active regions are formed by means of the STI method (shallow trench isolation) and doping troughs and / or complete or partially finished semiconductor components already exist.
  • STI shallow trench isolation
  • other carrier materials such as SOI or silicon oxide, silicon on sapphire, etc.
  • auxiliary layer I a dielectric layer or insulator layer is preferably deposited over the entire area on the carrier material T and provided with the depression V, although alternative materials and even electrically conductive materials can also be used.
  • a resist layer (not shown) is formed, for example, and then patterned using conventional photolithographic methods. Subsequently, at least a part of the auxiliary layer I is removed using the structured resist layer (not shown), the auxiliary layer I being removed completely as far as ⁇ äg zeerialial T according to FIG. 5A, and thus a deep trench or a deep hole as the depression V arises. Finally, the resist layer is removed and possibly a cleaning step (post cleaning) to remove any possible carried out cleanings.
  • An anisotropic etching such as reactive ion etching (RIE, Reactive Ion Etch) is preferably carried out to form the recess, whereby essentially vertical walls of the recess V are obtained.
  • the depression V is filled with a first electrically conductive material to form a first electrode 1
  • a chemical deposition process (CVD, Chemical Vapor Deposition) of a metal such as e.g. Tungsten is carried out on the surface of the auxiliary layer I in such a way that in the region of the recess V there is now an adapted recess VV in the deposited material 1.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • a material from the above-mentioned table can also be selected or otherwise formed as the electrically conductive material for the first electrode 1.
  • the electrically conductive material 1 becomes conformal at least up to the surface of the auxiliary layer I, i.e. formed back to the same extent to the initial surface, an anisotropic etching process in particular being carried out as the etching back step and thus resulting in the structure shown in FIG. 5C for the first electrode 1.
  • the adjusted depression VV is therefore adopted unchanged or transformed into depression V.
  • the auxiliary layer I is then reformed in such a way that the tips 4A result as a field amplifier structure in the first electrode 1 and protrude sufficiently beyond the auxiliary layer I.
  • the auxiliary layer is preferably etched back essentially up to a height of the bottom region of the adapted depression VV, as a result of which an optimized formation of the tips or corners or edges (in the case of a trench) is obtained.
  • This regression The process of the auxiliary layer I is in turn preferably an anisotropic etch-back step selective to the material of the first electrode 1.
  • a switchover material 2 is formed on the first electrode 1 with its field amplifier structure 4A formed therein, the materials used or the materials or multiple-layer structures used in the table mentioned above again being able to be used.
  • a deposition of hydrogen-saturated amorphous silicon or a corresponding multilayer is preferably carried out here.
  • a second electrically conductive electrode 3 is formed on the surface of the switching material 2, the materials listed in the table above being again in principle available. Depending on a particular application, planarization and / or structuring of the second electrically conductive electrode 3 can subsequently be carried out.
  • the second electrode 3 is formed by depositing a metal-containing layer.
  • FIGS. 6A to 6C show simplified sectional views of essential method steps in the production of a non-volatile memory element according to a fourth exemplary embodiment, the same reference symbols denoting the same layers or elements as in FIGS. 1 to 4 and a repeated description being dispensed with below.
  • a planarizing method is first used to re-form the electrically conductive material 1 at least up to the surface of the auxiliary layer I. carried out.
  • Chemical-mechanical polishing (CMP) of the tungsten layer 1 is preferably carried out, as a result of which the sectional view shown in FIG. 6A is obtained.
  • the auxiliary layer I is then re-formed by a predetermined amount d1, a selective etching-back step being carried out, for example, to expose the first electrode 1 and the edges 4A formed therein as a field amplifier structure.
  • a switching material 2 is again formed on the surface of the auxiliary layer I and the first electrode 1 and finally the second electrically conductive electrode 3 is formed thereon, as a result of which a non-volatile memory element with reduced formation voltages is obtained.
  • the field amplifier structures are located in the right-angled edges 4A of the first electrode 1.
  • FIGS. 7A to 7D show simplified sectional views to illustrate essential method steps in the production of a non-volatile memory element according to a nem fifth embodiment, the same reference numerals designating the same layers or elements as in Figures 1 to 6 and a repeated description is omitted below.
  • a predetermined amount (d2) of the electrically conductive material 1 of the first electrode in the depression V is first removed.
  • a conventional etching method is preferably used for etching back the electrically conductive layer 1.
  • a thin conformal, electrically conductive layer is then formed in such a way that an adapted depression VV remains in the area of the depression V.
  • it is conformal, i.e. with the same thickness to the reference surface, formed layer of the same material as the first electrically conductive material 1, but other electrically conductive materials can also be applied and this results in a multi-layer structure for the first electrode.
  • the conformally formed electrically conductive layer or the underlying electrically conductive layer is subsequently re-formed or etched back at least to the surface of the auxiliary layer I by an anisotropic etching method, as a result of which the tips 4A are obtained.
  • Conventional spacer methods in FIGS. 7B and 7C are preferably carried out to form the tips 4A in the first electrode 1.
  • FIG. 7D the process sequence described in FIGS. 6B and 6C again takes place, the auxiliary layer I being etched back essentially to the bottom region of the adapted depression VV, for example by means of an anisotropic etching process, and then the switchover material layer 2 and the second electrode 3 are formed.
  • the switchover material layer 2 and the second electrode 3 are formed.
  • non-volatile memory element SE with field amplifier structures can be created with very simple production steps, as a result of which so-called formation voltages in particular can be significantly reduced.
  • Typical memory element arrangements are listed below by way of example, which can be formed with the above-described non-volatile memory elements for realizing a non-volatile memory.
  • FIG. 8A shows a simplified equivalent circuit diagram of a memory element arrangement using a non-volatile memory element according to a sixth exemplary embodiment, as shown in FIG. 8B in a simplified sectional view.
  • word lines WL are formed in the carrier material T, which has, for example, a semiconductor material, for example by doping regions, which are isolated or separated from one another by means of shallow trench isolation STI (shallow trench isolation).
  • the further memory element structure corresponds to that of the memory element according to the third exemplary embodiment, the material of the first electrode 1 being selected such that it forms a diode junction or a Schottky diode with the word line WL or the doping region.
  • FIG. 8A shows a memory element arrangement with a multiplicity of nonvolatile memory elements SE arranged in a matrix and associated diodes DI, which are connected via columns.
  • mig arranged bit lines BL1, BL2 etc. and cell-arranged word lines WL1, WL2 etc. are controllable, the first electrode 1 being electrically connected via a respective diode junction or a diode DI to a respective word line formed in the semiconductor substrate T and a respective second electrode 3 for the formation of a respective bit line BL is structured in strips on the surface of the auxiliary layer I.
  • FIG. 9A shows a simplified equivalent circuit diagram of a memory element arrangement using a non-volatile memory element according to a seventh exemplary embodiment, as shown in FIG. 9B in a simplified sectional view, the same reference numerals designating the same or corresponding elements as in FIG. 8 and a repeated description being omitted.
  • a respective non-volatile memory element consists of a first electrode 1, which is now electrically connected directly to a respective electrically conductive word line WL via an ohmic junction or an ohmic resistor, and a respective second electrode 3, which in turn is used to form the bit line BL is structured in strips on the surface of the auxiliary layer I.
  • FIG. 10A shows a simplified equivalent circuit diagram to illustrate a memory element arrangement using a non-volatile memory element according to an eighth exemplary embodiment, as is shown in FIG. th sectional view is shown, wherein the same reference numerals designate the same or corresponding elements as in Figures 8 and 9 and a repeated description is omitted.
  • an associated selection transistor AT with a word line WL serving as a control layer and a bit line BL serving as a first source / drain region S / D is formed in the semiconductor substrate T for each nonvolatile memory element SE, a second The source / drain region S / D of the selection transistor AT is connected to a respective first electrode 1 of the non-volatile memory element SE and a respective second electrode 3 is at a common reference potential (eg common source).
  • a common reference potential eg common source
  • the invention has been described above using selected materials and in particular using hydrogen-saturated amorphous silicon as the switching material. However, it is not restricted to this and likewise comprises alternative materials for realizing a non-volatile memory element with at least two different conductivity states.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein nichtflüchtiges Speicherelement sowie zugehörige Herstellungsverfahren und Speicherelementanordnungen, wobei zur Verringerung einer Formierungs-Spannung eine erste Elektrode (1) eine Feldverstärkerstruktur (4) zum Verstärken einer Feldstärke eines miteiner zweiten Elektrode (3) erzeugten elektrischen Feldes (E) in einem Umschaltmaterial (2) aufweist.

Description

Beschreibung
Nichtflüchtiges Speicherelement sowie zugehörige Herstellungsverfahren und Speicherelementanordnungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein nichtflüchti- ges Speicherelement sowie zugehörige Herstellungsverfahren und Speicherelementanordnungen und insbesondere auf ein nichtflüchtiges Speicherelement mit einem Umschaltmaterial, bei dem nach einem Formierungs-Schritt zumindest zwei verschiedene Leitfähigkeitszustände realisiert werden und durch Anlegen vorbestimmter Programmierspannungen zwischen den Leitfähigkeitszuständen ein- oder mehrmals umgeschaltet werden kann.
Die Figuren 1A bis IC zeigen eine vereinfachte Schnittansicht bzw. vereinfachte U-I-Kennlinien eines gattungsgemäßen nichtflüchtigen Speicherelements, wie es beispielsweise aus der Druckschrift US 5,360,981 bekannt ist.
Gemäß Figur 1A besitzt ein derartiges nichtflüchtiges Speicherelement eine erste Elektrode 1, ein darauf ausgebildetes Umschaltmaterial 2 und eine zweite Elektrode 3, wobei zum Anlegen einer Spannung und zum Erzeugen eines elektrischen Feldes E die Elektroden 1 und 3 entsprechend beschaltet sind. Das Umschaltmaterial 2 besteht beispielsweise aus einem wasserstoffgesättigten amorphen Silizium-Halbleitermaterial (Hydrogenated Amorphous Silicon) welches eine p-Dotierung aufweist. Für die erste Elektrode 1 wird beispielsweise ein elektrisch leitendes Material und vorzugsweise Cr verwendet. Durch geeignete Auswahl für die zweite Elektrode 3 erhält man entweder analoges Umschaltverhalten für das Umschaltmaterial 2 oder digitales Umschaltverhalten. Bei Verwendung von V, Co, Ni und Tb erhält man gemäß Figur 1A beispielsweise analoges Umschaltverhalten, während für die Materialien Cr, W, oder Ag als zweite Elektrode 3 digitales Umschaltverhalten realisiert werden kann. Kennzeichnend für derartige nichtflüchtige Speicherelemente ist insbesondere ein notwendiger und vorab durchgeführter Formierungs-Schritt (Forming), der die eigentlichen nichtflüchtigen Speichereigenschaften des Speicherelements erst ermöglicht .
Gemäß Figur 1B wird beispielsweise eine zunächst vorliegende lineare U-I-Kennlinie erst durch Anlegen einer Formierungs- Spannung FA in einen Speicher-Kennlinienbereich gemäß Figur IC umgewandelt. Derartige Formierungsspannungen FA sind relativ hohe Spannungen und liegen üblicherweise in einem Bereich von 5 bis 30 Volt, wobei gemäß Figur 1B ein Formierungs- Schritt bei einer Formierungs-Spannung FA = -20 V durchgeführt wird.
Demzufolge wird erst nach Durchführen dieses Formierungs- Schritts bzw. nach Anlegen dieser Formierungs-Spannung FA im Umschaltmaterial 2 ein Kennlinienfeld KA erzeugt, welches nichtflüchtige Speichereigenschaften und beispielsweise die in Figur IC dargestellten zwei Leitfähigkeitszustände bzw. Kennlinienäste ON und OFF aufweist. Bei dem in Figur IC dargestellten Kennlinienfeld KA wurden als Elektrodenmaterial Cr und als Umschaltmaterial 2 wasserstoffgesättigtes amorphes Silizium mit p-Dotierung verwendet.
Anhand dieses nach dem Formierungs-Schritt gewonnenen komplexen Kennlinienfelds KA gemäß Figur IC kann nunmehr ein eigentliches nichtflüchtiges Speicherverhalten realisiert werden, wobei durch Anlegen entsprechender Betriebsspannungen die Leitfähigkeitszustände ON und OFF in Pfeilrichtung durchfahren werden.
Genauer gesagt kann beispielsweise ein den Leitfähigkeitszustand ON aufweisendes Umschaltmaterial 2 dadurch umprogrammiert werden, dass eine Programmierspannung Vιösch von ca. 2,5 Volt angelegt wird, wodurch der Leitfähigkeitszustand bzw. Kennlinienast ON in den weiteren Leitfahigkeitszustand bzw. Kennlinienast OFF schaltet. In gleicher Weise kann durch Anlegen einer weiteren Programmierspannung VSChreιb von beispielsweise -3 V wiederum der Leitfahigkeitszustand ON im Umschaltmaterial 2 erzeugt werden. Auf diese Weise kann zwischen den beiden Leitfahigkeitszustanden ON und OFF im Kennlinienfeld KA hin und her geschaltet werden bzw. eine Programmierung erfolgen, wobei jeweilige Lesespannungen Vlese unterhalb der Programmierspannungen und gemäß Figur IC beispielsweise 1 Volt aufweisen. Da sich das Kennlinienfeld KA bzw. die einmal programmierten Leitfahigkeitszustande ON und OFF in derartigen Umschaltmaterialien 2 nicht andern, erhalt man somit unter Auswertung eines zugehörigen Lesestroms ein nichtfluchtiges Speicherelement.
Figur 2A zeigt eine vereinfachte Schnittansicht eines weiteren herkömmlichen nichtfluchtigen Speicherelements, wobei jedoch das Umschaltmaterial aus einer Mehrfach-Schichtenfolge besteht. Genauer gesagt ist auf einer ersten Elektrode 1 beispielsweise ein p-dotiertes wasserstoffgesattigtes amorphes Silizium 2A ausgebildet, an dessen Oberflache sich eine n- dotierte wasserstoffgesattigte amorphe Siliziumschicht 2B anschließt. Zur zweiten Elektrode 3 besitzt das Umschaltmaterial 2 ferner ein nicht dotiertes wiederum wasserstoffgesattigtes amorphes Silizium, wodurch man eine sogenannte p-n-i- Struktur erhalt. Derartige nichtfluchtige Speicherelemente haben zwar den Vorteil, dass die Elektrodenmaterialien weniger kritisch insbesondere für p-dotierte Halbleitermaterialien sind, die Spannungen für den notwendigen Formierungs- Schritt sind jedoch sogar noch hoher als beim Umschaltmaterial gemäß Figur 1A, weshalb sie für eine Massenproduktion von nichtfluchtigen Speichern bisher nicht in Betracht gezogen wurden.
Figur 2B zeigt ein vereinfachtes Kennlinienfeld KA wiederum nach einem durchgeführten Formierungs-Schritt, woraus sich eine verbesserte Programmierung auf Grund des höheren Abstan- des zwischen den unterschiedlichen Leitfähigkeitszuständen ON und OFF ergibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein nichtflüchtiges Speicherelement sowie zugehörige Herstellungsverfahren und Speicherelementanordnungen zu schaffen, mit dem eine Integration in herkömmliche Halbleiterschaltungen realisiert werden kann. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde den zum Ausbilden des nichtflüchtigen Speicherverhaltens notwendigen Formierungs-Schritt zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des nichtflüchtigen Speicherelements durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 8 gelöst und hinsichtlich der Speicherelementanordnungen wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche 22 bis 24 gelöst.
Insbesondere durch die Verwendung von zumindest einer Feldverstärkerstruktur an zumindest einer der Elektroden zum Verstärken einer Feldstärke des elektrischen Feldes im Umschaltmaterial können die für den Formierungs-Schritt notwendigen - jedoch sehr hohen - Spannungen wesentlich reduziert werden, wodurch diese Speicherelemente erstmals mit herkömmlichen Halbleiterschaltungen wie z.B. CMOS-Schaltungen verknüpft bzw. kombiniert ausgebildet werden können.
Vorzugsweise stellt die Feldverstärkerstruktur einen in das Umschaltmaterial ragenden Vorsprung der Elektroden wie z.B. eine Spitze, eine Ecke oder Kante dar, wobei ein Winkel vorzugsweise < 90 Grad ist. Auf diese Weise können notwendige Feldspitzen bzw. Felderhöhungen besonders einfach in integrierten nichtflüchtigen Speicherelementen ausgebildet werden.
Vorzugsweise bestehen das Umschaltmaterial aus einem wasserstoffgesättigten amorphen Halbleitermaterial, wobei auch Mehrschichtstrukturen verwendbar sind, und die Elektroden vorzugsweise aus metallischen Materialien.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements wird insbesondere eine Vertiefung in einer Hilfsschicht ausgebildet und zum Ausbilden der ersten Elektroden diese Vertiefung mit einem ersten elektrisch leitenden Material ausgefüllt, wodurch in nachfolgenden Schritten die Feldverstärkerstruktur besonders einfach ausgebildet werden kann.
Vorzugsweise wird hierbei das elektrisch leitende Material derart abgeschieden, dass sich im Bereich der Vertiefung eine angepasste Vertiefung ergibt, wobei mittels eines anisotropen Ätzverfahrens das elektrisch leitende Material zumindest bis zu Oberfläche der Hilfsschicht konformal zurückgeätzt wird und mittels eines anisotropen Ätzverfahrens die Hilfsschicht im Wesentlichen bis zum Bodenbereich der angepassten Vertiefung zurückgeätzt wird. Auf diese Weise werden an der ersten Elektrode scharfe Spitzen ausgebildet, die zu der erwünschten Felderhöhung und somit zur Verringerung der Formierungs- Spannung führen.
Alternativ kann jedoch auch mittels eines Polierverfahrens das elektrisch leitende Material zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht zurückgebildet und mittels eines anschließenden selektiven Ätzverfahrens die Hilfsschicht um einen vorbestimmten Betrag zurückgeätzt werden, wodurch man wiederum sehr scharfe Kanten bzw. Ecken an der ersten Elektrode erhält, die zur erwünschten Feldverstärkung bzw. Felderhöhung führen.
Gemäß einer weiteren Alternative kann mittels eines Ätzverfahrens zumindest ein vorbestimmter Betrag des elektrisch leitenden Materials in der Vertiefung entfernt werden, anschließend eine dünne konformale elektrisch leitende Schicht derart ausgebildet werden, dass eine angepasste Vertiefung im Bereich der Vertiefung entsteht und abschließend mittels eines anisotropen Ätzverfahrens bzw. mittels eines Spacerver- fahrens die elektrisch leitende Schicht zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht zurückgeätzt wird. Nach einem weiteren Rückätzschritt mittels eines anisotropen Ätzverfahrens der Hilfsschicht im Wesentlichen bis zum Bodenbereich der angepassten Vertiefung erhält man wiederum eine durch die Spacerstruktur hervorgerufene Feldverstärkerstruktur bzw. Feldüberhöhung im elektrischen Feld des Umschaltmaterials, wodurch sich die notwendigen Formierungs-Spannungen wesentlich reduzieren lassen.
Hinsichtlich der Speicherelementanordnung werden die nichtflüchtigen Speicherelemente matrixförmig angeordnet und über spaltenförmig angeordnete Bitleitungen und zellenförmig angeordnete Wortleitungen angesteuert, wobei eine jeweilige erste Elektrode des Speicherelements unmittelbar über einen ohm- schen Übergang oder einen Diodenübergang mit einer jeweiligen in einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Wortleitung elektrisch verbunden ist und eine jeweilige zweite Elektrode zum Ausbilden einer jeweiligen Bitleitung streifenförmig an der Oberfläche des Halbleitersubstrats strukturiert ist.
Alternativ kann jedoch in einer Speicherelementanordnung für jedes nichtflüchtige Speicherelement einen Auswahltransistor mit einer als Steuerschicht dienenden Wortleitung und einer als erstes Source-/Draingebiet dienenden Bitleitung im Halbleitersubstrat ausgebildet werden, wobei ein zweites Source- /Draingebiet des Auswahltransistors mit einer jeweiligen ersten Elektrode des Speicherelements elektrisch verbunden ist. Dadurch erhält man ebenfalls eine neuartige und hochintegrierte nichtflüchtige Speicherelementanordnung.
In den weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Figuren 1A bis IC eine vereinfachte Schnittansicht sowie vereinfachte U-I-Kennlinienfelder eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß dem Stand der Technik;
Figuren 2A und 2B eine vereinfachte Schnittansicht und ein vereinfachtes U-I-Kennlinienfeld eines weiteren nichtflüchtigen Speicherelements gemäß dem Stand der Technik;
Figuren 3A bis 3C eine vereinfachte Schnittansicht sowie vereinfachte U-I-Kennlinienfelder eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figuren 4A und 4B eine vereinfachte Schnittansicht und ein vereinfachtes U-I-Kennlinienfeld eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Figuren 5A bis 5E vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
Figuren 6A bis 6C vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
Figuren 7A bis 7D vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel; Figuren 8A und 8B ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Speicherelementanordnung sowie eine vereinfachte Schnittansicht eines zugehörigen nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel;
Figuren 9A und 9B ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Speicherelementanordnung sowie eine vereinfachte Schnittansicht eines zugehörigen nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel; und
Figuren 10A und 10B ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Speicherelementanordnung sowie eine vereinfachte Schnittansicht eines zugehörigen nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem achten Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines vereinfachten nichtflüchtigen Speicherelements auf der Grundlage eines Speicherelements gemäß Figur 1A beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Schichten oder Elemente bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird. Insbesondere sei jedoch darauf hingewiesen, dass das Umschaltmaterial 2 in gleicher Weise auch einen Mehrschichtaufbau aufweisen kann, wobei insbesondere amorphe Halbleitermaterialien mit unterschiedlicher Dotierung in Frage kommen.
Erstes Ausführungsbeispiel
Gemäß Figur 3A besteht das nichtflüchtige Speicherelement SE gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wiederum aus einem Umschaltmaterial 2 und zwei am Umschaltmaterial 2 anliegenden elektrisch leitenden Elektroden 1 und 3, an die eine elektrische Spannung angelegt und eine elektrisches Feld E im Umschaltmaterial 2 erzeugt werden kann. Das Umschaltmaterial 2 besitzt hierbei wiederum die speziellen Eigenschaften, wobei nach einem Formierungs-Schritt zumindest zwei verschiedene Leitfahigkeitszustande vorherrschen, zwischen denen durch An- legen vorbestimmter Programmierspannungen wiederholt umgeschaltet werden kann.
Vorzugsweise wird als Umschaltmaterial 2 wasserstoffgesättigtes amorphes Silizium oder ein entsprechender Mehrschichtaufbau verwendet, wobei das amorphe Silizium beispielsweise mittels des sogenannten Glüh-Entladungsverfahrens (Glow Dischar- ge Technique) vorbereitet wird. Ferner bestehen die erste Elektrode 1 und die zweite Elektrode 3 aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material, welches vorzugsweise ein Metall aufweist.
Eine beispielhafte Auflistung von möglichen Materialien für die erste und zweite Elektrode 1 und 3 sowie für das Umschaltmaterial 2 wird nachfolgend angegeben, wobei auch andere Materialien grundsätzlich denkbar sind:
Figure imgf000010_0001
Indium-TiN-Oxid Konjugierte Polymere AI
Metall Calzogenide Legierung Metall
Die im Umschaltmaterial 2 auftretenden Vorgänge sind bislang nicht vollständig geklärt, wobei jedoch insbesondere bei Verwendung von amorphem Silizium davon ausgegangen wird, dass sich im Umschaltmaterial elektrisch leitende bzw. Metall- Filamente (filaments) innerhalb des amorphen Materials bei Anlegen einer vorbestimmten Spannung ausbilden, die bei Anlegen einer umgekehrten Spannung und/oder eines umgekehrten Stroms zerstört werden.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist nunmehr, dass zumindest eine der Elektroden 1 oder 3 zumindest eine Feldverstärkerstruktur 4 zum Verstärken einer Feldstärke des elektrischen Feldes E im Umschaltmaterial 2 aufweist. Gemäß Figur 3A ist demnach an der ersten Elektrode 1 eine Spitze 4 als Feldverstärkerstruktur ausgebildet, die zu einer wesentlichen Verstärkung des im Umschaltmaterial 2 vorherrschenden elektrischen Feldes E führt. Auf Grund dieser Feldverstärkung ergeben sich Feldspitzen im Umschaltmaterial 2, die insbesondere den eingangs erwähnten Formierungs-Schritt günstig beeinflussen.
Gemäß Figur 3B wird demzufolge bei einem nichtflüchtigen Speicherelement SE mit der in Figur 3A dargestellten Feldverstärkerstruktur 4 die üblicherweise notwendige Formierungs- Spannung FA von ca. -20 V auf beispielsweise eine verringerte Formierungs-Spannung FB von beispielsweise -5 V verschoben, wodurch man in einen Spannungsbereich gelangt, wie er beispielsweise in herkömmlichen CMOS-Halbleiterschaltungen zur Verfügung steht. Genauer gesagt wird durch die im nichtflüchtigen Speicherelement ausgebildete Feldverstärkerstruktur 4 erstmals eine Integration dieses Bauelements mit herkömmlichen Halbleiterbauelementen ermöglicht, die in einem Spannungsbereich unterhalb von 10 Volt und vorzugsweise unterhalb von 5 Volt arbeiten. Ansteuerschal.tungen für die notwendigen Betriebsspannungen können somit vereinfacht und ein Leistungsverbrauch kann dadurch wesentlich verringert werden.
Gemäß Figur 3C besitzt das nichtfluchtige Speicherelement SE bzw. dessen Umschaltmaterial 2 nach dem Formierungs-Schritt, der nunmehr eine wesentlich geringere Formierungs-Spannung FB aufweist, ein modifiziertes Kennlinienfeld KB. Hierbei ist mit KA ebenfalls ein Kennlinienfeld gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Demzufolge wird mit der auf der ersten Elektrode 1 ausgebildeten Feldverstarkerstruktur 4 nicht nur eine Formierungs-Spannung verringert, sondern auch ein Kennlinienfeld des Umschaltmaterials 2 bzw. des nichtflüchtigen Speicherelements SE verändert. Genauer gesagt wird auf Grund der einseitigen Feldverstarkung das Kennlinienfeld von KA nach KB im negativen Spannungsbereich gestaucht, wahrend es im positiven Spannungsbereich auf Grund der umgekehrten Vorzeichens gestreckt wird.
Dies hat zur Folge, dass nicht nur die Formierungs-Spannung verringert werden kann, sondern auch die Programmierspannungen ViöSCh und VSChreιb an jeweilige Rahmenbedingungen angepasst werden können.
Zweites Ausfuhrungsbeispiel
Figur 4A und 4B zeigen eine vereinfachte Schnittansicht sowie ein zugehöriges U-I-Kennlinienfeld gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente bzw. Schichten bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Figur 4A wird nunmehr nicht nur an der ersten Elektrode 1 eine Spitze 4A, sondern auch an der zweiten Elektrode 3 eine entsprechende der Spitze 4A gegenüber liegende Spitze 4B als Feldverstarkerstruktur ausgebildet, wodurch eine Feldverstarkung in beiden Richtungen, d.h. positiver und negativer Spannung, erzeugt werden kann. Wiederum ergibt sich durch diese Feldverstarkerstruktur 4A und 4B im nichtflüchtigen Speicherelement SE eine Verringerung der Formierungs- Spannung, wobei sich gemäß Figur 4B nunmehr auch eine Stauchung der Kennlinienfelder von KA nach KB im positiven Spannungsbereich ergibt. Demzufolge können nicht nur die Programmierspannungen VSC reib zum Schreiben bzw. zum Umschalten des Leitfähigkeitszustands von OFF nach ON verringert werden, sondern auch die Programmierspannungen Vιösch zum Löschen des nichtflüchtigen Speicherelements SE bzw. zum Umschalten vom ON-Leitfähigkeitszustand zum OFF-Leitfähigkeitszustand. Neben der wesentlich verringerten Formierungs-Spannung FB zum Erzeugen des nicht flüchtigen Speicherverhaltens im Umschaltmaterial 2 bzw. nicht flüchtigen Speicherelement SE erhält man durch die Feldverstarkerstruktur auch eine Anpassung des Kennlinienfeldes und insbesondere eine Verringerung der notwendigen Schreib- und Lösch-Spannungen. Auf diese Weise können daher völlig neuartige nichtflüchtige Speicher mit wesentlich verringerten Betriebsspannungen und stark verbessertem Strom- bzw. Leistungsverbrauch realisiert werden.
Gemäß dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wurde als Feldverstarkerstruktur eine Spitze an der ersten Elektrode 1 und/oder der zweiten Elektrode 3 ausgebildet. Es können jedoch in gleicher Weise auch andere Vorsprünge der Elektroden 1 und 3 wie z.B. ausgebildete Ecken oder Kanten als Feldverstärkerstrukturen verwendet werden, sofern sie in das Umschaltmaterial 2 hineinragen und darin eine Feldstärke des elektrischen Feldes E zumindest lokal verstärken. Vorzugsweise weist ein Winkel der Spitzen, Ecken oder Kanten in den Elektroden 1 und 3 einen spitzen Winkel, d.h. einen Winkel ≤ 90 Grad auf, wodurch lokale Feldspitzen besonders einfach realisiert werden können. Zur besonders einfachen und kostengünstigen Realisierung bieten sich jedoch insbesondere die nachfolgend beschriebenen Verfahren an.
Drittes Ausführungsbeispiel Figuren 5A bis 5E zeigen vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung eines nichtfluchtigen Speicherelements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente oder Schichten bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Figur 5A wird zunächst auf einem Tragermaterial T eine Hilfsschicht I ausgebildet und darin eine Vertiefung V erzeugt. Vorzugsweise wird als Trägermaterial T ein Halbleitersubstrat (Si) verwendet, in dem beispielsweise bereits aktive Gebiete mittels STI-Verfahren (Shallow Trench Isolation) sowie Dotierwannen ausgebildet sind und/oder bereits vollständige oder teilfertige Halbleiterbauelemente existieren. Selbstverständlich können neben dem bevorzugten Silizium- Halbleitersubstrat auch andere Trägermaterialien wie SOI- oder Siliziumoxid, Silicon on Saphir usw. verwendet werden.
Als Hilfsschicht I wird vorzugsweise eine dielektrische Schicht bzw. Isolatorschicht ganzflächig auf dem Trägermaterial T abgeschieden und mit der Vertiefung V versehen, wobei jedoch auch alternative Materialien und sogar elektrisch leitende Materialein verwendet werden können.
Beim Ausbilden der Vertiefung V, die beispielsweise einen Graben oder ein Loch in der Hilfsschicht I darstellt, wird beispielsweise eine (nicht dargestellte) Resistschicht ausgebildet und anschließend mittels herkömmlicher fotolithographischer Verfahren strukturiert. Anschließend wird zumindest ein Teil der Hilfsschicht I unter Verwendung der (nicht dargestellten) strukturierten Resistschicht entfernt, wobei gemäß Figur 5A die Hilfssphicht I vollständig bis zum τ äge ma- jßerial T entfernt wird und somit ein tiefer Graben bzw. ein tiefes Loch als Vertiefung V entsteht. Abschließend wird die Resistschicht entfernt und eventuell ein Reinigungsschritt (Post Cleaning) zum Entfernen von eventuell entstandenen Ver- unreinigungen durchgeführt. Vorzugsweise wird zum Ausbilden der Vertiefung ein anisotropes Ätzen wie z.B. reaktives Ionenätzen (RIE, Reactive Ion Etch) durchgeführt, wodurch man im Wesentlichen senkrechte Wände der Vertiefung V erhält.
Gemäß Figur 5B wird in einem nachfolgenden Schritt die Vertiefung V mit einem ersten elektrisch leitenden Material zum Ausbilden einer ersten Elektrode 1 aufgefüllt, wobei beispielsweise ein chemisches Abscheideverfahren (CVD, Chemical Vapor Deposition) eines Metalls wie z.B. Wolfram derart an der Oberfläche der Hilfsschicht I durchgeführt wird, dass sich im Bereich der Vertiefung V nunmehr eine angepasste Vertiefung VV im abgeschiedenen Material 1 ergibt.
Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, kann als elektrisch leitendes Material für die erste Elektrode 1 auch ein Material aus der oben genannten Tabelle ausgewählt oder anderweitig ausgebildet werden.
Gemäß Figur 5C wird in einem nachfolgenden Verfahrensschritt das elektrisch leitende Material 1 zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht I konformal, d.h. gleich stark zur Ausgangsoberfläche zurückgebildet, wobei insbesondere ein anisotropes Ätzverfahren als Rückätzschritt durchgeführt wird und sich somit die in Figur 5C dargestellte Struktur für die erste Elektrode 1 ergibt. Die angepasste Vertiefung VV wird demzufolge unverändert übernommen bzw. in die Vertiefung V transformiert .
Gemäß Figur 5D wird anschließend die Hilfsschicht I derart zurückgebildet, dass sich die Spitzen 4A als Feldverstarkerstruktur in der ersten Elektrode 1 ergeben und über die Hilfsschicht I ausreichend hinausragen. Vorzugsweise wird die Hilfsschicht im Wesentlichen bis zu einer Höhe des Bodenbereichs der angepassten Vertiefung VV zurückgeätzt, wodurch man eine optimierte Ausbildung der Spitzen bzw. Ecken oder Kanten (im Falle eines Grabens) erhält. Dieser Rückbildungs- prozess der Hilfsschicht I ist vorzugsweise wiederum ein anisotroper Rückätzschritt selektiv zum Material der ersten Elektrode 1.
Abschließend wird gemäß Figur 5E auf der ersten Elektrode 1 mit ihrer darin ausgebildeten Feldverstarkerstruktur 4A ein Umschaltmaterial 2 ausgebildet, wobei wiederum als Materialien die in der oben genannten Tabelle verwendeten Materialien oder Mehrfach-Schichtstrukturen verwendet werden können. Vorzugsweise wird hierbei eine Abscheidung von wasserstoffgesättigtem amorphem Silizium oder einer entsprechenden Mehrfachschicht durchgeführt.
Zur Vervollständigung des nichtflüchtigen Speicherelements SE wird schließlich an der Oberfläche des Umschaltmaterials 2 eine zweite elektrisch leitende Elektrode 3 ausgebildet, wobei wiederum die in der oben genannten Tabelle aufgeführten Materialien grundsätzlich zur Verfügung stehen. In Abhängigkeit von einer jeweiligen Anwendung können nachfolgend eine Planarisierung und/oder Strukturierung der zweiten elektrisch leitenden Elektrode 3 durchgeführt werden.
Beispielsweise erfolgt das Ausbilden der zweiten Elektrode 3 durch Abscheiden einer metallhaltigen Schicht.
Viertes Ausführungsbeispiel
Figuren 6A bis 6C zeigen vereinfachte Schnittansichten wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Schichten oder Elemente bezeichnen wie in den Figuren 1 bis 4 und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß diesem vierten Ausführungsbeispiel werden wiederum die vorbereitenden Verfahrensschritte gemäß Figuren 5A und 5B des dritten Ausführungsbeispiels durchgeführt, weshalb an dieser Stelle ausdrücklich auf die entsprechende Beschreibung verwiesen wird.
Gemäß Figur 6A wird im vorliegenden vierten Ausführungsbeispiel nach dem Auffüllen der Vertiefung V mit einem ersten elektrisch leitenden Material zum Ausbilden einer ersten Elektrode 1 (siehe Figur 5B) zunächst ein Planarisierverfah- ren zum Rückbilden des elektrisch leitenden Materials 1 zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht I durchgeführt. Vorzugsweise wird ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP, Chemical Mechanical Polishing) der Wolframschicht 1 durchgeführt, wodurch man die in Figur 6A dargestellte Schnittansicht erhält.
Gemäß Figur 6B wird anschließend die Hilfsschicht I um einen vorbestimmten Betrag dl zurückgebildet, wobei beispielsweise ein selektiver Rückätzschritt zum Freilegen der ersten Elektrode 1 und der darin ausgebildeten Kanten 4A als Feldverstarkerstruktur erfolgt.
Gemäß Figur 6C wird wie im dritten Ausführungsbeispiel wiederum ein Umschaltmaterial 2 an der Oberfläche der Hilfsschicht I und der ersten Elektrode 1 ausgebildet und abschließend die zweite elektrisch leitende Elektrode 3 darauf ausgebildet, wodurch man ein nichtflüchtiges Speicherelement mit verringerten Formierungs-Spannungen erhält. Die Feldverstärkerstrukturen liegen hierbei in den rechtwinkligen Kanten 4A der ersten Elektrode 1. Hinsichtlich des Ausbildevorgangs der Umschaltmaterialschicht 2 und der zweiten Elektrode 3 wird an dieser Stelle ausdrücklich auf das dritte Ausführungsbeispiel verwiesen.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Figuren 7A bis 7D zeigen vereinfachte Schnittansichten zur Veranschaulichung wesentlicher Verfahrensschritte bei der Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß ei- nem fünften Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Schichten oder Elemente bezeichnen wie in Figuren 1 bis 6 und auf eine wiederholte Beschreibung nachfolgend verzichtet wird.
Gemäß Figur 7A wird nach vorbereitenden Schritten, wie sie beispielsweise in den Figuren 5A und 5B oder 6A dargestellt sind, zunächst ein vorbestimmter Betrag (d2) des elektrisch leitenden Materials 1 der ersten Elektrode in der Vertiefung V entfernt. Vorzugsweise wird hierbei ein herkömmliches Ätzverfahren zum Rückätzen der elektrisch leitenden Schicht 1 verwendet .
Gemäß Figur 7B wird anschließend eine dünne konformale elektrisch leitende Schicht derart ausgebildet, dass eine angepasste Vertiefung VV im Bereich der Vertiefung V verbleibt. Vorzugsweise besteht die konformal, d.h. mit gleicher Dicke zur Bezugsoberfläche, ausgebildete Schicht aus dem gleichen Material wie das erste elektrisch leitende Material 1, wobei jedoch auch andere elektrisch leitende Materialien aufgebracht werden können und sich dadurch eine Mehrfach-Schicht- struktur für die erste Elektrode ergibt.
Gemäß Figur 7C wird nachfolgend durch ein anisotropes Ätzverfahren die konformal ausgebildete elektrisch leitende Schicht bzw. die darunter liegende elektrisch leitende Schicht zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht I zurückgebildet bzw. zurückgeätzt, wodurch man die Spitzen 4A erhält. Vorzugsweise werden zur Ausbildung der Spitzen 4A in der ersten Elektrode 1 herkömmliche Spacer-Verfahren in den Figuren 7B und 7C durchgeführt.
Gemäß Figur 7D erfolgt wiederum der in den Figuren 6B und 6C beschriebene Verfahrensablauf, wobei beispielsweise mittels eines anisotropen Ätzverfahrens die Hilfsschicht I im Wesentlichen bis zum Bodenbereich der angepassten Vertiefung VV zurückgeätzt wird und anschließend die Umschaltmaterial-Schicht 2 und die zweite Elektrode 3 ausgebildet werden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle wiederum auf die jeweiligen Beschreibungen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele verwiesen.
Auf diese Weise kann mit sehr einfachen Herstellungsschritten ein nichtflüchtiges Speicherelement SE mit Feldverstärkerstrukturen geschaffen werden, wodurch sich insbesondere sogenannte Formierungs-Spannungen wesentlich reduzieren lassen.
Nachfolgend werden typische Speicherelementanordnungen beispielhaft aufgeführt, die mit den vorstehend beschriebenen nichtflüchtigen Speicherelementen zur Realisierung eines nichtflüchtigen Speichers ausgebildet werden können.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Figur 8A zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Speicherelementanordnung unter Verwendung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 8B in einer vereinfachten Schnittansicht dargestellt ist.
Gemäß Figur 8B sind im Trägermaterial T, welches beispielsweise ein Halbleitermaterial aufweist, Wortleitungen WL beispielsweise durch Dotiergebiete ausgebildet, die mittels flacher Grabenisolierung STI (Shallow Trench Isolation) voneinander isoliert bzw. getrennt sind. Der weitere Speicherelementaufbau entspricht dem des Speicherelements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei das Material der ersten Elektrode 1 derart gewählt ist, dass es mit der Wortleitung WL bzw. dem Dotiergebiet einen Diodenübergang bzw. eine Schottky-Diode bildet.
Figur 8A zeigt eine Speicherelementanordnung mit einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten nichtflüchtigen Speicherelementen SE und zugehörigen Dioden DI, die über spaltenför- mig angeordnete Bitleitungen BL1, BL2 usw. und zellenförmig angeordnete Wortleitungen WL1, WL2 usw. ansteuerbar sind, wobei die erste Elektrode 1 über einen jeweiligen Diodenübergang bzw. eine Diode DI mit einer jeweiligen im Halbleitersubstrat T ausgebildeten Wortleitung elektrisch verbunden ist und eine jeweilige zweite Elektrode 3 zum Ausbilden einer jeweiligen Bitleitung BL streifenförmig an der Oberfläche der Hilfsschicht I strukturiert ist. Auf diese Weise erhält man eine Speicherelementanordnung mit außerordentlich hoher Integrationsdichte, die mit geringen Formierungs-Spannungen vorbereitet werden kann.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Figur 9A zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Speicherelementanordnung unter Verwendung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 9B in einer vereinfachten Schnittansicht dargestellt ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente wie in Figur 8 bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
Gemäß Figur 9B besteht ein jeweiliges nichtflüchtiges Speicherelement aus einer ersten Elektrode 1, die nunmehr über einen ohmschen Übergang bzw. einen ohmschen Widerstand unmittelbar mit einer jeweiligen elektrisch leitfähigen Wortleitung WL elektrisch verbunden ist, und einer jeweiligen zweite Elektrode 3, die wiederum zum Ausbilden der Bitleitung BL streifenförmig an der Oberfläche der Hilfsschicht I strukturiert ist.
Achtes Ausführungsbeispiel
Figur 10A zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild zur Veranschaulichung einer Speicherelementanordnung unter Verwendung eines nichtflüchtigen Speicherelements gemäß einem achten Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 10B in einer vereinfach- ten Schnittansicht dargestellt ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente wie in Figuren 8 und 9 bezeichnen und auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird.
Gemäß der in Figur 10B dargestellten Schnittansicht wird bei einer derartigen Speicherelementanordnung für jedes nichtflüchtige Speicherelement SE ein zugehöriger Auswahltransistor AT mit einer als Steuerschicht dienenden Wortleitung WL und einer als erstes Source-/Draingebiet S/D dienenden Bitleitung BL im Halbleitersubstrat T ausgebildet, wobei ein zweites Source-/Draingebiet S/D des Auswahltransistors AT mit einer jeweiligen ersten Elektrode 1 des nichtflüchtigen Speicherelements SE verbunden ist und eine jeweilige zweite E- lektrode 3 auf einem gemeinsamen Bezugspotential (z.B. Common Source) liegt. Wiederum ergeben sich für ein bestimmtes Anwendungsgebiet besonders einfach zu realisierende Speicherelementanordnungen mit minimalem Flächenbedarf und wesentlich verringerten Formierungs-Spannungen. Bekanntermaßen erhält man ein deutlich verbessertes Signal-Rausch Verhältnis, wenn man einen seriellen Auswahltransistor dazufügt. Dadurch ist es möglich deutlich größere Zellenfelder bzw. Sektoren zu gestalten .
Die Erfindung wurde vorstehend anhand ausgewählter Materialien beschrieben und insbesondere anhand von wasserstoffgesättigtem amorphem Silizium als Umschaltmaterial. Sie ist jedoch nicht darauf beschränkt und umfasst in gleicher Weise alternative Materialien zur Realisierung eines nichtflüchtigen Speicherelements mit zumindest zwei verschiedenen Leitfähigkeitszuständen.

Claims

Patentansprüche
1. Nichtflüchtiges Speicherelement mit einem Umschaltmaterial (2) und zwei am Umschaltmaterial (2) anliegenden elektrisch leitenden Elektroden (1, 3) zum Anlegen einer Spannung und Erzeugen eines elektrischen Feldes (E) im Umschaltmaterial (2), wobei nach einem Formierungs-Schritt zumindest zwei verschiedene Leitfahigkeitszustande (ON, OFF) im Umschaltmaterial (2) vorherrschen, zwischen denen durch Anlegen vorbestimmter Programmierspannungen (Vschreibr Vιöscrι) wiederholt umgeschaltet, werden kann, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zumindest eine der Elektroden (1, 3) zumindest eine Feldverstarkerstruktur (4) zum Verstärken einer Feldstärke des elektrischen Feldes (E) im Umschaltmaterial (2) aufweist.
2. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Feldverstarkerstruktur einen in das Umschaltmaterial (2) ragenden Vorsprung der Elektroden (1, 3) darstellt.
3. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Vorsprung eine Spitze, Ecke oder Kante der Elektroden (1, 3) darstellt.
4. Nichtflüchtiges Speicherelement nach Patentanspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Winkel der Spitze, Ecke oder Kante < 90 Grad ist.
5. Nichtflüchtiges Speicherelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Umschaltmaterial (2) ein wasserstoffgesättigtes amorphes Halbleitermaterial aufweist.
6. Nichtflüchtiges Speicherelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Umschaltmaterial (2) einen Mehrschichtaufbau (2A, 2B, 2C) aufweist .
7. Nichtflüchtiges Speicherelement nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Elektroden (1, 3) ein Metall aufweisen.
8. Verfahren zur Herstellung eines nichtflüchtigen Speicherelements mit den Schritten: a) Vorbereiten eines Trägermaterials (T) ; b) Ausbilden einer Hilfsschicht (I); c) Ausbilden einer Vertiefung (V) in der Hilfsschicht (I) ; d) Auffüllen der Vertiefung (V) mit einem ersten elektrisch leitenden Material zum Ausbilden einer ersten Elektrode (1); e) Ausbilden von zumindest einer Feldverstarkerstruktur (4A) an der ersten Elektrode (1) ; f) Ausbilden eines Umschaltmaterials (2) auf der ersten Elektrode (1) mit der Feldverstarkerstruktur (4A) , wobei nach einem Formierungs-Schritt zumindest zwei verschiedene Leitfahigkeitszustande (ON, OFF) im Umschaltmaterial (2) vorherrschen, zwischen denen durch Anlegen vorbestimmter Programmierspannungen (Vschreu VιÖSch) wiederholt umgeschaltet werden kann; und g) Ausbilden einer zweiten elektrisch leitenden Elektrode (3) auf dem Umschaltmaterial (2) .
9. Verfahren nach Patentanspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt a) ein Halbleitersubstrat als Trägermaterial (T) vorbereitet wird.
10. Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt a) eine Wortleitung (WL) im Trägermaterial (T) im Bereich der Vertiefung (V) ausgebildet wird, wobei die Wortleitung (WL) ein Material aufweist, das mit dem Material der ersten Elektrode (1) einen ohmschen- oder Dioden-Übergang (DI) realisiert.
11. Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt a) ein Auswahltransistor (AT) mit Source-/Draingebieten (S/D) im Trägermaterial (T) ausgebildet wird, wobei die Source- /Draingebiete (S/D) jeweils eine Bitleitung (BL) und ein Anschlussgebiet für die erste Elektrode (1) realisieren.
12. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt b) eine Isolatorschicht (I) ganzflächig auf dem Trägermaterial (T) abgeschieden wird.
13. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt c) eine Resistschicht ausgebildet und strukturiert wird; zumindest ein Teil der Hilfsschicht (I) unter Verwendung der strukturierten Resistschicht entfernt wird; die Resistschicht entfernt wird; und ein Reinigungsschritt durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Patentanspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e , dass in Schritt c) zum zumindest teilweise Entfernen der Hilfsschicht (I) ein anisotropes Ätzen durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt c) ein Graben oder ein Loch als Vertiefung (V) ausgebildet wird.
16. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt d) das elektrisch leitende Material (1) derart abgeschieden wird, dass sich im Bereich der Vertiefung (V) eine angepasste Vertiefung (VV) ergibt.
17. Verfahren nach Patentanspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt e) eil) mittels eines anisotropen Ätzverfahrens das elektrisch leitende Material (1) zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht (I) konformal zurückgeätzt wird; und el2) mittels eines anisotropen Ätzverfahrens die Hilfsschicht (I) im Wesentlichen bis zum Bodenbereich der angepassten Vertiefung (VV) zurückgeätzt wird.
18. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt e) e21) mittels eines Planarisierverfahrens das elektrisch leitende Material (1) zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht (I) zurückgebildet wird; und e22) mittels eines selektiven Ätzverfahrens die Hilfsschicht (I) um einen vorbestimmten Betrag (dl) zurückgeätzt wird.
19. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt e) e31) mittels eines Ätzverfahrens zumindest ein vorbestimmter Betrag (d2) des elektrisch leitenden Materials (1) in der Vertiefung (V) entfernt; e32) ein Ausbilden einer dünnen konformalen elektrisch leitenden Schicht derart durchgeführt wird, dass eine angepasste Vertiefung (VV) im Bereich der Vertiefung (V) verbleibt; e33) mittels eines anisotropen Ätzverfahrens die elektrisch leitende Schicht (1) zumindest bis zur Oberfläche der Hilfsschicht (I) zurückgeätzt wird; und e34) mittels eines anisotropen Ätzverfahrens die Hilfsschicht (I) im Wesentlichen bis zum Bodenbereich der angepassten Vertiefung (VV) zurückgeätzt wird.
20. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt f) eine einfache oder mehrfache wasserstoffgesättigte, amorphe Halbleiterschicht auf der ersten Elektrode (1) mit der Feldverstarkerstruktur (4; 4A, 4B) abgeschieden wird.
21. Verfahren nach einem der Patentansprüche 8 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in Schritt g) eine Cr-, Au-, AI-, Cu-, NiCr-, Ag-, Ni-, Mo-, V-, Co-, Fe-, W- oder Mn-Schicht als zweite Elektrode (3) abgeschieden wird.
22. Speicherelementanordnung mit einer Vielzahl von matrix- för ig angeordneten nichtflüchtigen Speicherelementen nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, die über spaltenförmig angeordnete Bitleitungen (BL) und zellenförmig angeordnete Wortleitungen (WL) ansteuerbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine jeweilige erste Elektrode (1) über einen Diodenübergang (DI) mit einer jeweiligen in einem Halbleitersubstrat (T) ausgebildeten Wortleitung (WL) elektrisch verbunden ist und eine jeweilige zweite Elektrode (3) zum Ausbilden einer jeweiligen Bitleitung (BL) streifenförmig an der Oberfläche der Hilfsschicht (I) strukturiert ist.
23. Speicherelementanordnung mit einer Vielzahl von matrix- förmig angeordneten nichtflüchtigen Speicherelementen nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, die über spaltenförmig angeordnete Bitleitungen (BL) und zellenförmig angeordnete Wortleitungen (WL) ansteuerbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine jeweilige erste Elektrode (1) über einen ohmschen Übergang mit einer jeweiligen in einem Halbleitersubstrat (T) ausgebildeten Wortleitung (WL) elektrisch verbunden ist, und eine jeweilige zweite Elektrode (3) zum Ausbilden der jeweiligen Bitleitung (BL) streifenförmig an der Oberfläche der Hilfsschicht (I) strukturiert ist.
24. Speicherelementanordnung mit einer Vielzahl von atrix- förmig angeordneten nichtflüchtigen Speicherelementen nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, die über spaltenförmig angeordnete Bitleitungen (BL) und zellenförmig angeordnete Wortleitungen (WL) ansteuerbar sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedes Speicherelement (SE) einen Auswahltransistor (AT) mit einer als Steuerschicht dienenden Wortleitung (WL) und einer als erstes Source-/Draingebiet (S/D) dienenden Bitleitung (BL) im Halbleitersubstrat (T) ausgebildet ist, wobei ein zweites Source-/Draingebiet (S/D) des Auswahltransistors (AT) mit einer ersten Elektrode (1) des Speicherelements (SE) elektrisch verbunden ist und eine jeweilige zweite Elektrode (3) auf einem gemeinsamen Potential liegt.
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