DE102004019862A1 - Sub-lithographic contact structure used in a memory cell in a semiconductor component comprises an insulating layer with a through hole arranged between contact electrodes, and a resistance changing layer - Google Patents

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Abstract

Sub-lithographic contact structure comprises an insulating layer (14) made from an insulating dielectric material with a through hole (15) arranged between a first contact electrode (10) and a second contact electrode (12), and a resistance changing layer (9) made from a material suitable having two states with different resistance values in response to selected energy pulses. The through hole has a tapered shape in a direction toward the first contact electrode so that the first contact region (17) has a sub-lithographic measurement in the first direction. An independent claim is also included for a contact structure.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Halbleiterbauelemente und betrifft insbesondere eine sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, eine diese Kontaktstruktur enthaltende Speicherzelle, eine Anordnung solcher Speicherzellen, sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche sublithographische Kontaktstruktur.The The present invention is in the technical field of semiconductor devices and more particularly relates to a sublithographic contact structure in a semiconductor device, containing this contact structure Memory cell, an arrangement of such memory cells, as well as a Manufacturing process for such a sublithographic contact structure.

In herkömmlichen optisch wiederbeschreibbaren Medien, wie CDs (Compact Disks) oder DVDs (Digital Versatile Disks), werden als Speicherschicht Phasenwechselmaterialien eingesetzt, die durch Erwärmen mittels eines Laserstrahls in einen kristallinen Zustand und einen amorphen Zustand versetzt werden können. Da die Reflektivität der Phasenwechselmaterialien im kristallinen und amorphen Zustand unterschiedlich ist, kann durch eine Änderung des Phasenzustands des Phasenwechselmaterials Information gespeichert werden. Die beiden Phasenzustände amorph bzw. kristallin einer Speicherzelle repräsentieren dabei 1 Bit.In usual optically rewritable media, such as CDs (compact discs) or DVDs (Digital Versatile Disks), are called memory layer phase change materials used by heating by means of a laser beam in a crystalline state and a amorphous state can be added. As the reflectivity of the phase change materials is different in the crystalline and amorphous state, can through a change of Phase state of the phase change material information stored become. The two phase states Amorphous or crystalline in a memory cell represent 1 bit.

Die amorphe und kristalline Phase dieser Phasenwechselmaterialien unterscheiden sich jedoch auch deutlich in ihrer elektrischen Leitfähigkeit, so dass der Phasenzustand des Phasenwechselmaterials auch elektrisch ausgelesen werden kann. Phasenwechselmaterialien bilden deshalb die Grundlage einer viel versprechenden neuen Art von nichtflüchtigen Speicherzellen.The amorphous and crystalline phase of these phase change materials differ But also clearly in their electrical conductivity, so that the phase state of the phase change material is also electrical can be read out. Phase change materials therefore form the basis of a promising new kind of non-volatile Memory cells.

Typische Vertreter von Phasenwechselmaterialien, wie sie etwa in CDs oder DVDs eingesetzt werden, sind Chalkogenid-Phasen wechselmaterialien, d. h., Legierungen, die wenigstens ein Element aus der sechsten Hauptgruppe (Chalcogenide) des Periodensystems der Elemente enthalten, wie beispielsweise Te oder Se. Das derzeit am häufigsten und insbesondere bei CDs und DVDs eingesetzte Chalkogenid ist eine Legierung aus Ge, Sb und Te, nämlich Ge2Sb2Te5. Chalkogenide haben insbesondere die vorteilhafte Eigenschaft, dass sich der elektrische Widerstand um zwei oder mehr Größenordnungen verändert, wenn das Material von der weniger leitfähigen amorphen Phase in die stärker leitfähige kristalline Phase gebracht wird, und umgekehrt.Typical representatives of phase change materials, such as those used in CDs or DVDs are chalcogenide phase change materials, ie, alloys containing at least one element of the sixth main group (chalcogenides) of the Periodic Table of the Elements, such as Te or Se. The chalcogenide currently most commonly used, especially for CDs and DVDs, is an alloy of Ge, Sb and Te, Ge 2 Sb 2 Te 5 . Chalcogenides in particular have the advantageous property that the electrical resistance changes by two or more orders of magnitude when the material is brought from the less conductive amorphous phase into the more conductive crystalline phase, and vice versa.

In einer Speicherzelle mit einem Phasenwechselmaterial aus einer Chalkogenidverbindung kann, wie dem Fachmann bekannt ist, unter anderem durch einen elektrischen Heizpuls (Joulsche Wärme) ein Phasenübergang induziert werden. Genauer kann eine Speicherzelle mit einer sich im amorphen Zustand befindlichen Chalkogenidverbindung in die niederohmige, kristalline Phase überführt werden, indem ein Heizpuls das Material über die Kristallisationstemperatur der Chalkogenidverbindung aufheizt und dabei kristallisieren lässt. Ein solcher Übergang von der hochohmigen, amorphen Phase in die niederohmige, kristalline Phase wird gemeinhin als "Schreiben" der Speicherzelle bezeichnet. Der umgekehrte Vorgang, bei welchem die Speicherzelle von dem niederohmigen, kristallinen Zustand in den hochohmigen, amorphen Zustand überführt wird, wird dadurch realisiert, dass die Chalkogenidverbindung über deren Schmelzpunkt hinaus aufgeheizt wird und anschließend durch ein schnelles Abkühlen in den amorphen Zustand abgeschreckt wird. Dieser Übergang von dem besser leitfähigen kristallinen Zustand in den schlechter leitfähigen amorphen Zustand wird gemeinhin als "Löschen" der Speicherzelle bezeichnet.In a memory cell with a phase change material from a chalcogenide compound, as is known in the art, inter alia by an electric Heating pulse (Joule heat) on Phase transition be induced. Specifically, a memory cell with a in the amorphous state chalcogenide in the low-resistance, crystalline phase, by a heating pulse the material over heats the crystallization temperature of the chalcogenide compound and thereby crystallize. Such a transition from the high-resistance, amorphous phase in the low-resistance, crystalline Phase is commonly called "writing" the memory cell designated. The reverse process in which the memory cell of the low-resistance, crystalline state in the high-resistance, amorphous State is transferred realized in that the chalcogenide compound on their Melting point is heated and then by rapid cooling in the amorphous state is quenched. This transition from the more conductive crystalline Condition in the poorly conductive Amorphous state is commonly called "erasing" the memory cell designated.

Ein typischer Aufbau einer Speicherzelle mit einem Phasenwechselmaterial ist in 1A gezeigt. Hierbei ist eine Schicht aus einem polykristallinen Chalkogenid 1 zwischen einer Deckelektrode 2 und einer Bodenelektrode 3 angeordnet. In einem direkten elektrischen Kontakt mit der Chalkogenid-Schicht 1 und der Bodenelektrode 3 ist eine Heizelektrode 4, welche einen höheren elektrischen Widerstand als die Chalkogenid-Schicht 1 haben kann. Die in 1A gezeigte Speicherzelle ist vom Bodenkontakt-Typ. Fließt nun ein hinreichend großer Strom durch die Heizelektrode 4, so bewirkt die in der Heizelektrode 4 erzeugte Joulsche Wärme einen Phasenübergang in der angrenzenden Chalkogenid-Schicht 1, nämlich in dem programmierbaren, d. h. schreib- und löschbaren Volumen 5. Übersteigt die in dem programmierbaren Volumen 5 erreichte Temperatur die Kristallisationstemperatur des Chalkogenids, so wird ein Phasenübergang von einem amorphen Zustand in einen kristallinen Zustand induziert. Übersteigt die Temperatur in dem programmierbaren Volumen 5 die Schmelztemperatur des Chalkogenids und lässt man das programmierbare Volumen 5 hinreichend schnell abkühlen, so wird ein Übergang von dem kristallinen Zustand in den amorphen Zustand induziert.A typical structure of a memory cell with a phase change material is in 1A shown. Here is a layer of a polycrystalline chalcogenide 1 between a cover electrode 2 and a bottom electrode 3 arranged. In direct electrical contact with the chalcogenide layer 1 and the bottom electrode 3 is a heating electrode 4 , which has a higher electrical resistance than the chalcogenide layer 1 may have. In the 1A shown memory cell is of the ground contact type. Now flows a sufficiently large current through the heating electrode 4 , so does that in the heating electrode 4 Joule heat generated a phase transition in the adjacent chalcogenide layer 1 , namely in the programmable, ie writable and erasable volume 5 , Exceeds that in the programmable volume 5 When the temperature reaches the crystallization temperature of the chalcogenide, a phase transition from an amorphous state to a crystalline state is induced. Exceeds the temperature in the programmable volume 5 the melting temperature of the chalcogenide and leaves the programmable volume 5 Cool sufficiently quickly, so a transition from the crystalline state is induced in the amorphous state.

Der Phasenzustand der Speicherzelle, d. h. der programmierte Zustand, kann gelesen werden, indem eine Lesespannung an die Speicherzelle angelegt wird. Um durch die Lesespannung keine Umprogrammierung, d. h. Schreiben oder Löschen der Speicherzelle zu bewirken, muss der aus der Lesespannung resultierende Strom Iread durch die Speicherzelle deutlich kleiner als der Schreibstrom Iset bzw. Löschstrom Ireset sein. Demnach gilt Iread<<Iset<Ireset.The phase state of the memory cell, ie, the programmed state, can be read by applying a read voltage to the memory cell. In order to effect no reprogramming, ie writing or erasing the memory cell by the read voltage, the current I read resulting from the read voltage must be significantly smaller than the write current I set or erase current I reset by the memory cell. Thus I read << I set <I reset .

Ein großer Nachteil solcher Speicherzellen liegt nun darin, dass für den Schreibvorgang und insbesondere für den Löschvorgang relativ hohe Ströme aufgebracht werden müssen, um das Phasenwechselmedium über die Kristallisationstemperatur bzw. die Schmelztemperatur hinaus aufzuheizen. Um eine solche Phasenwechsel-Speicherzelle erfolgreich in einen Si-CMOS-Prozess integrieren zu können, bestehen aus technologischer Sicht jedoch Grenzen: wenn die zum Schreiben oder Löschen einer Phasenwechsel-Speicherzelle notwendigen elektrischen Ströme höher sind, als dass sie von einem einzelnen CMOS-Transistor in minimaler Strukturgröße getragen werden können, gibt es keine Möglichkeit, ein kompaktes Zellenfeld, bestehend aus Einzelzellen, die jeweils einen Transistor und ein resistiv schaltendes Element besitzen, in einer Zell-Architektur mit einer Zellfläche von 5-8 F2 (F = erzielbare minimale lithographische Abmessung) zu realisieren. Der sich aus dieser Bedingung ergebende maximale elektrische Strom liegt in der Größenordnung von ca. 50-100 μA (je nach Strukturgröße). Demgegenüber wäre eine weitere Reduktion des Maximalstroms jedoch äußerst wünschenswert, da hierdurch der Energieverbrauch insgesamt gesenkt wird und zudem ein paralleles Programmieren der Phasenwechsel-Speicherzellen ermöglicht wird.A major disadvantage of such memory cells lies in the fact that relatively high currents must be applied for the writing process and in particular for the erasing process in order to heat the phase change medium beyond the crystallization temperature or the melting temperature. To one However, such a phase change memory cell successfully integrate into a Si-CMOS process, but there are limits from a technological point of view: when the necessary for writing or erasing a phase change memory cell electrical currents are higher than that of a single CMOS transistor in minimum Structure size can be carried, there is no way a compact cell array consisting of single cells, each having a transistor and a resistively switching element, in a cell architecture with a cell area of 5-8 F 2 (F = achievable minimum lithographic dimension ) to realize. The maximum electrical current resulting from this condition is on the order of about 50-100 μA (depending on feature size). In contrast, a further reduction of the maximum current would be extremely desirable, as this reduces the overall energy consumption and also allows parallel programming of the phase change memory cells.

Bislang wurde zur Lösung des Problems in erster Linie versucht, durch eine Reduktion der Kontaktfläche zwischen der Heizelektrode und dem Phasenwechselmaterial das zu programmierende Volumen zu verkleinern, da sich die zum Schreiben und Löschen notwendigen Ströme im Allgemeinen mit dem zu programmierenden Volumen skalieren. Diesem Unterfangen sind jedoch durch die photolithographisch erreichbaren minimalen Abmessungen Grenzen gesetzt, welche mit den derzeitigen optischen (UV) lithographischen Techniken lediglich ca. 100 nm erreichen. Wünschenswert wären jedoch weitaus geringere minimale Abmessungen, welche beispielsweise in der Größenordnung von 20 bis 30 nm liegen.So far became the solution the problem is primarily tried by a reduction of contact area between the heating electrode and the phase change material to decreasing programming volumes, since those for writing and delete necessary currents generally scale with the volume being programmed. this Endeavors, however, are achievable by the photolithographically achievable minimum dimensions set limits, which with the current optical (UV) lithographic techniques reach only about 100 nm. Desirable but would be far smaller minimum dimensions, for example of the order of magnitude from 20 to 30 nm.

In 1B ist im Unterschied zu den Phasenwechsel-Speicherzellen mit Bodenkontaktgeometrie, welche stets den Einschränkungen der photolithographisch erreichbaren minimalen Abmessungen unterliegen, eine Phasenwechsel-Speicherzelle vom Seitenkontakt-Typ gezeigt (Ha et al., "An edge contact type cell for phase change RAM featuring very low power consumption", 2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers). Bei diesem Aufbau der Phasenwechsel-Speicherzelle ist die Kontaktfläche zum Phasenwechselmaterial 1 durch den Randbereich eines Bodenelektrodenfilms 4, welcher an das Phasenwechselmaterial 1 angrenzt, gegeben. Die Kontaktfläche ergibt sich dabei aus der Filmdicke des Bodenelektrodenfilms 4. Der Bodenelektrodenfilm 4 ist ferner in direktem elektrischen Kontakt mit dem Bodenelektrodenkontakt 3, welcher seinerseits eine Metallleitung 7 kontaktiert. Andererseits ist das Phasenwechselmaterial 1 in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit der Deckelektrode 6, welche ihrerseits mit dem Deckelektrodenkontakt 2 in Verbindung steht, der eine weitere Metallleitung 8 kontaktiert.In 1B In contrast to the phase change memory cells with ground contact geometry, which are always subject to the limitations of the photolithographically achievable minimum dimensions, a Seitenkontakt-type phase change memory cell is shown (Ha et al., An edge contact type cell for phase change RAM featuring very low Power consumption ", 2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers). In this construction of the phase change memory cell, the contact surface is the phase change material 1 through the periphery of a bottom electrode film 4 , which to the phase change material 1 adjoins, given. The contact surface results from the film thickness of the bottom electrode film 4 , The bottom electrode film 4 is also in direct electrical contact with the bottom electrode contact 3 , which in turn is a metal line 7 contacted. On the other hand, the phase change material 1 in direct electrical contact with the cover electrode 6 which in turn contact the cover electrode 2 communicates with another metal conduit 8th contacted.

Mit dem Aufbau von 1B konnte ein Löschstrom von ca. 200 μA erreicht werden, was jedoch den Wunsch nach einer weiteren Reduktion aufrecht erhält. Zudem erfordert ein solcher Aufbau mit Seitenkontaktgeometrie eine vergleichsweise große laterale Abmessung, was nachteilig im Hinblick auf die gewünschte Miniaturisierung von Speicherbausteinen ist. Darüber hinaus ist ein solcher Aufbau vergleichsweise komplex und benötigt zur seiner Herstellung eine Vielzahl von Prozessschritten, was die Herstellung von Speicherbausteinen teuer macht.With the construction of 1B An extinguishing current of about 200 μA could be achieved, but this maintains the desire for further reduction. In addition, such a structure with side contact geometry requires a comparatively large lateral dimension, which is disadvantageous in view of the desired miniaturization of memory modules. In addition, such a structure is comparatively complex and requires a large number of process steps for its production, which makes the production of memory modules expensive.

Eine weitere im Stand der Technik bekannte Lösung des obigen Problems sieht die Abscheidung von separaten Spacer-Schichten aus einem elektrisch isolierenden Material in die fotolitho graphisch definierten Strukturen vor, um auf diese Weise die Kontaktfläche zu dem Phasenwechselmaterial zu verringern. Dies erfordert jedoch vergleichsweise komplexe Prozessschritte und ist überdies zeit- und kostenintensiv.A See further known in the prior art solution of the above problem the deposition of separate spacer layers from an electrical insulating material in the photolitho graphically defined structures in order in this way the contact surface to the phase change material to reduce. However, this requires comparatively complex process steps and is moreover time and cost intensive.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Speicherzelle zu ermöglichen, welche mit vergleichsweise kleinen elektrischen Strömen zwischen zwei Zuständen mit einem voneinander verschiedenen elektrischen Widerstand geschaltet werden kann, eine vergleichsweise kleine Geometrie aufweist, so dass die Speicherzelle eine Miniaturisierung von Speicherbausteinen zulässt, und welche darüber hinaus einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.In contrast there is the object of the present invention therein, a memory cell to enable which with comparatively small electric currents between two states connected with a different electrical resistance can be, has a relatively small geometry, so that the memory cell is a miniaturization of memory devices allows, and what about it In addition, simple and inexpensive can be produced.

Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur nach dem unabhängigen Anspruch bzw. durch eine Speicherzelle, welche eine solche sublithographische Kontaktstruktur enthält, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gegeben.These The object is achieved by a sublithographic contact structure according to the invention after the independent Claim or by a memory cell, which has such a sublithographic contact structure contains solved. Advantageous embodiments of the invention are characterized by the features of under claims given.

Nach dem Vorschlag der Erfindung umfasst eine sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement eine erste Kontaktelektrode und eine zweite Kontaktelektrode, welche mit einem gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet sind. Zwischen diesen beiden Kontaktelektroden ist eine Isolierschicht aus einem dielektrischen Material angeordnet. Die Isolierschicht weist dabei ein Durchgangsloch (Durchgangsöffnung) auf, welches auf einer seiner beiden Seiten von der ersten Kontaktelektrode begrenzt ist. Dies bedeutet, dass die Isolierschicht im Bereich des Durchgangslochs unmittelbar an die erste Kontaktelektrode angrenzt. Zwischen der zweiten Kontaktelektrode und der Isolierschicht ist eine Widerstandswechselschicht angeordnet, welche aus einem Material besteht, das geeignet ist, in Antwort auf ausgewählte (bestimmbare) Energiepulse wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten einzunehmen. Im Bereich des Durchgangslochs grenzt die Widerstandswechselschicht der Isolierschicht und den beiden Kontaktelektroden unmittelbar an, wodurch ein erster Kontaktbereich zwischen der Widerstandswechselschicht und der ersten Kontaktelektrode und ein zweiter Kontaktbereich zwischen der Widerstandswechselschicht und der zweiten Kontaktelektrode definiert sind. Die erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass das Durchgangsloch in einer Richtung zur ersten Kontaktelektrode hin eine sich verjüngende Form aufweist, so dass der erste Kontaktbereich in wenigstens einer ersten Richtung wenigstens eine sublithographische Abmessung aufweist.According to the proposal of the invention comprises a sublithographic contact structure in a semiconductor device, a first contact electrode and a second contact electrode, which are arranged at a mutual distance from each other. Between these two contact electrodes, an insulating layer of a dielectric material is arranged. The insulating layer in this case has a through hole (passage opening), which is bounded on one of its two sides by the first contact electrode. This means that the insulating layer in the region of the through hole immediately adjacent to the first contact electrode. Disposed between the second contact electrode and the insulating layer is a resistance change layer made of a material capable of assuming at least two states having mutually different resistance values in response to selected (determinable) energy pulses. In the region of the through hole, the resistance change layer of the insulating layer and the two contact electrodes directly adjacent, whereby a first contact region between the resistance change layer and the first contact electrode and a second contact region between the resistance change layer and the second contact electrode are defined. The sublithographic contact structure according to the invention is essentially characterized in that the through hole has a tapered shape in a direction toward the first contact electrode so that the first contact region has at least one sublithographic dimension in at least one first direction.

Der Ausdruck "sublithographische Abmessung", wie er hier verwendet wird, meint eine lineare Abmessung, die kleiner ist als die mit den derzeitigen optischen (UV), lithographischen Techniken erreichbare Abmessung, und ist derzeit kleiner als ca. 100 nm. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die sublithographische Abmessung maximal 90 nm beträgt; stärker bevorzugt ist es, wenn sie maximal 70 nm beträgt, und noch stärker bevorzugt ist es, wenn sie maximal 65 nm beträgt. Die sublithographische Abmessung kann beispielsweise lediglich 20 nm betragen.Of the Expression "sublithographic Dimension ", like he used here means a linear dimension, the smaller is as the current optical (UV), lithographic Techniques achievable dimension, and is currently less than about 100 nm. It is preferred if the sublithographic dimension maximum 90 nm; more preferred it is when it is at most 70 nm, and even more preferable it is, if it is maximally 65 nm. The sublithographic Dimension can be for example only 20 nm.

Das erfindungsgemäße Widerstandswechselmaterial kann wenigstens zwischen zwei Zuständen mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand geschaltet werden. Die wenigstens zwei Zustände mit unterschiedlichem elektrischen Widerstand können dabei verschiedenen strukturellen Phasenzuständen, wie einem allgemein amorphen Phasenzustand oder einem allgemein kristallinen Phasenzustand, zugeordnet werden, so dass ein Schalten zwischen den Zuständen mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand mit einer Änderung des Phasenzustands einhergeht. Die amorphen bzw. kristallinen Phasenzustände entsprechen dabei gemeinhin Zuständen mit einer verschiedenen Fernordnung.The inventive resistance change material can at least between two states with a different electrical resistance to be switched. The at least two states with different electrical resistance can thereby different structural phase states, such as a generally amorphous phase state or a generally crystalline phase state, be assigned so that switching between the states with a different electrical resistance with a change of the phase state. The amorphous or crystalline phase states correspond commonly states with a different remote order.

Gleichermaßen ist es jedoch auch möglich, dass die wenigstens zwei Zustände mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand innerhalb eines einzigen, beispielsweise vollständig amorphen oder vollständig kristallinen, Phasenzustands unterschieden werden können. Derartige Zustände mit einem unterschiedlichen elektrischen Widerstand innerhalb eines einzigen Phasenzustands des Widerstandswechselmaterials können sich aus Zuständen einer verschiedenen lokalen Ordnung (Nahordnung) ergeben.Equally is However, it is also possible that the at least two states with a different electrical resistance within a single, for example, completely amorphous or complete crystalline, phase state can be distinguished. such conditions with a different electrical resistance within one single phase state of the resistance change material can become from states of a different local order.

Typische Materialien, die als Widerstandswechselmaterial geeignet sind, sind Phasenwechselmaterialien, wie beispielsweise Legierungen, welche ein Chalkogenid enthalten. Erfindungsgemäß sind Phasenwechselmaterialien, welche wenigstens ein Chalkogenid enthalten, wie beispielsweise Ge2Sb2Te5, bevorzugt. In solchen Chalkogenid-Phasenwechselmaterialien können Zustände unterschiedlichen elektrischen Widerstands sowohl den unterschiedlichen Phasenzuständen kristallin und amorph (Zustände verschiedener Fernordnung) zugeordnet werden, wie auch unterschiedlichen Zuständen lokaler Ordnung (Zustände verschiedener Nahordnung) innerhalb eines einzigen Phasenzustands.Typical materials suitable as resistance change materials are phase change materials such as alloys containing a chalcogenide. According to the invention, phase change materials containing at least one chalcogenide, such as Ge 2 Sb 2 Te 5 , are preferred. In such chalcogenide phase change materials, states of differing electrical resistance can be assigned to both the different phase states, crystalline and amorphous (states of different long order), as well as different local order states (states of different short order) within a single phase state.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene, neuartige Kontaktstruktur weist eine sich verjüngende Durchgangsöffnung in der dielektrischen Isolierschicht auf. Derartige sich verjüngende Durchgangsöffnungen sind durch die Anwendung von Trockenätzprozessen mit einem in geeigneter Weise ausgeglichenen physi kalischen und chemischen Ätzbeitrag in einfacher Weise herstellbar, wie dem Fachmann bekannt ist (siehe z. B. Celii et al., „Process characterization for tapered contact etch", J. Vac. Sci. Technol. B 19(5), Sep/Oct 2001), und deshalb hier nicht erläutert werden muss.The proposed according to the invention, novel contact structure has a tapered passage opening in the dielectric insulating layer. Such tapered passage openings are suitable through the use of dry etching processes with one Way balanced physical and chemical etching contribution can be prepared in a simple manner, as is known in the art (see z. Celii et al., "Process characterization for tapered contact etch ", J. Vac. Sci. Technol. B 19 (5), Sep / Oct 2001), and therefore not here explained must become.

Werden Ätzmasken eingesetzt, in welchen fotolithographisch erreichbare minimale Abmessungen vorliegen, können durch solche Trockenätzprozesse die fotolithographisch definierten Abmessungen der Ätzmaske in vorteilhafter Weise zu sublithographischen Abmessungen verkleinert werden. Die sublithographische(n) Abmessung(en) der erfindungsgemäßen Kontaktstruktur werden durch die sich verjüngende Form der Durchgangsöffnung realisiert. Auf die Abscheidung etwaiger Spacer-Materialien im Rahmen aufwändiger Spacer-Prozesse kann verzichtet werden.Be etching masks used in which photolithographically achievable minimum dimensions can exist by such dry etching processes the photolithographically defined dimensions of the etching mask advantageously reduced to sublithographic dimensions become. The sub-lithographic dimension (s) of the contact structure according to the invention become rejuvenating through the Shape of the passage opening realized. On the deposition of any spacer materials in the frame complex Spacer processes can be dispensed with.

Die sich verjüngende Form der Durchgangsöffnung erleichtert zudem in vorteilhafter Weise die Abscheidung des Widerstandswechselmaterials, welches bislang nur durch Sputter-Prozesse eingebracht werden kann. Insbesondere kann ein lückenhaftes Füllen des Durchgangslochs mit dem Widerstandswechselmaterial, wie es im Stand der Technik bei Durchgangslöchern mit parallelen Wänden oftmals auftritt, vermieden werden.The rejuvenating Shape of the passage opening also facilitates advantageously the deposition of the resistance change material, which So far only by sputtering processes can be introduced. Especially can be a patchy one To fill the through hole with the resistance change material, as it is in State of the art in through holes with parallel walls often occurs, be avoided.

Aufgrund der sich zu wenigstens einer sublithographischen Abmessung verjüngenden Form der Durchgangsöffnung kann bei Vorliegen einer einfachen Prozessführung eine verhältnismäßig geringe Kontaktfläche zur ersten Kontaktelektrode realisiert werden. Da die für den Schreib- und Löschvorgang benötigten elektrischen Ströme im Wesentlichen proportional zur Größe des Kontaktbereichs sind, können somit in vorteilhafter Weise die zum Schalten der Kontaktstruktur notwendigen elektrischen Ströme verringert werden. Die erfindungsgemäße Kontaktstruk tur ermöglicht durch ihre vergleichsweise geringe laterale Ausdehnung eine Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen.Due to the shape of the passage opening, which tapers to at least one sublithographic dimension, a relatively small contact area with the first contact electrode can be realized when simple process control is available become. Since the electrical currents required for the writing and erasing operation are substantially proportional to the size of the contact region, the electrical currents necessary for switching the contact structure can thus advantageously be reduced. The contact structure according to the invention allows, due to its comparatively small lateral extent, miniaturization of semiconductor components.

Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Durchgangsloch im Querschnitt in einer Ebene, welche durch die erste Richtung, gemäß welcher sich die sublithographische Abmessung bemisst, und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung definiert ist, im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Die zueinander parallelen Seiten des Trapezes sind dabei durch die Öffnungen des Durchgangslochs gegeben, während die Schenkel des Trapezes durch die Wände des Durchgangslochs gegeben sind. Hierbei ist es bevorzugt, wenn die Schenkel des Trapezes, d. h. die Wände des Durchgangslochs, jeweils in einem Winkel α in Bezug auf die erste Richtung, in welcher die sublithographische Abmessung sich erstreckt, angestellt sind, wobei der Winkel α in einem Bereich von 45° bis 85° liegt. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Winkel α ca. 75° beträgt.It is according to the invention preferred that the through hole in cross section in a plane, which through the first direction, according to which the sublithographic Dimensioned dimension, and one perpendicular to the first direction second direction is defined, formed substantially trapezoidal is. The mutually parallel sides of the trapezoid are through the openings given the through hole while the legs of the trapezoid through the walls of the through hole given are. It is preferred if the legs of the trapezoid, d. H. the walls of the through-hole, each at an angle α with respect to the first direction, in which the sublithographic dimension extends are, wherein the angle α in a range of 45 ° to 85 °. In particular, it is preferred if the angle α is about 75 °.

Die erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur kann in einer vertikalen Bauweise bezüglich des sie enthaltenden Halbleiterbauelements ausgeführt sein, d. h., der Schichtenaufbau der sublithographischen Kontaktstruktur erfolgt dann im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Wafers. Die erste Richtung, in welcher sich die sublithographische Abmessung erstreckt, ist in diesem Fall parallel zur Ebene des Wafers, während die zweite Richtung senkrecht zur Ebene des Wafers ist.The inventive sublithographic contact structure may be in a vertical construction with respect to it containing Semiconductor device executed be, d. h., the layer structure of the sublithographic contact structure then takes place substantially perpendicular to the plane of the wafer. The first direction, in which the sublithographic dimension extends, is in this case parallel to the plane of the wafer, while the second direction is perpendicular to the plane of the wafer.

Gleichermaßen ist es aber auch möglich, dass die erfindungsgemäße Kontaktstruktur einen horizontalen Aufbau in Bezug auf das sie enthaltende Halbleiterbauelement hat, wobei in diesem Fall die obigen Betrachtungen in analoger Weise gelten, d. h. die erste Richtung ist senkrecht zur Ebene des Wafers, während die zweite Richtung parallel zur Ebene des Wafers ist.Equally is But it is also possible that the contact structure according to the invention a horizontal structure with respect to the semiconductor device containing them in which case the above considerations are analogous apply, d. H. the first direction is perpendicular to the plane of the wafer, while the second direction is parallel to the plane of the wafer.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur weist die zweite Kontaktelektrode einen in das Durchgangsloch ragenden Vorsprung auf, welcher den zweiten Kontaktbereich mit der Widerstandswechselschicht formt. Die vorspringende Form der zweiten Kontaktelektrode bewirkt dabei in äußerst vorteilhafter Weise während des Betriebs der sublithographischen Kontaktstruktur einen elektrischen Spitzeneffekt, wodurch infolge eine Feldüberhöhung eine Ladungsträgerfokussierung auftritt. Hierdurch kann eine grenzflächenfreie Strompfadbegrenzung erzielt werden, was eine unerwünschte Dissipation elektrischer Ströme im Widerstandswechselmaterial vermindert, so dass die zum Schreiben, Löschen und Lesen des Phasenwechselmaterials nötigen Ströme noch weiter reduziert werden können.at a particularly advantageous embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention the second contact electrode has a protruding into the through hole Projection on which the second contact area with the resistance change layer shaped. The projecting shape of the second contact electrode causes doing so in extremely advantageous Way during the operation of the sublithographic contact structure an electrical Peak effect, resulting in a field enhancement, a charge carrier focusing occurs. This allows a boundary-free current path limitation be achieved, causing an undesirable dissipation electric currents diminished in the resistance change material so that the writing, Clear and reading the phase change material necessary currents are further reduced can.

Der in das Durchgangsloch ragende Vorsprung der zweiten Kontaktelektrode ist vorteilhaft so ausgebildet, dass er im Querschnitt in einer durch die erste Richtung und einer auf der ersten Richtung stehenden zweiten Richtung definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist. Eine solche Form des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode ergibt sich etwa dann, wenn das Durchgangsloch im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist und wenn das schichtenförmig aufgebrachte Widerstandswechselmaterial eine hinreichend geringe Schichtdicke hat, so dass das Widerstandswechselmaterial die Form des Durchgangslochs wiedergibt. Falls die Schichtdicke der Widerstandswechselschicht etwa der Hälfte der sublithographischen Abmessung entspricht, so ist der Vorsprung der zweiten Kontaktelektrode, im nämlichen Querschnitt betrachtet, im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet, was beson ders effektiv im Hinblick auf den bewirkten elektrischen Spitzeneffekt ist.Of the protrusion of the second contact electrode protruding into the through hole is advantageously designed so that it is in cross section in a through the first direction and one in the first direction Second direction defined plane substantially trapezoidal is. Such a shape of the projection of the second contact electrode results approximately when the through hole is substantially trapezoidal is and if that is layered applied resistance change material a sufficiently low Layer thickness has, so that the resistance change material the form of the through hole. If the layer thickness of the resistance change layer about half the sublithographic dimension corresponds, so is the projection the second contact electrode, viewed in the same cross section, essentially triangular trained, which was particularly effective in terms of the electrical peak effect is.

Die Wände des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode sind vorzugsweise in einem Winkel β bezüglich der ersten Richtung, in welcher sich die sublithographische Abmessung erstreckt, angestellt, wobei der Winkel β in einem Bereich von 45° bis 85° liegt. Ein Winkel β von ungefähr 75° ist hierbei besonders vorteilhaft. Wie weiter oben bereits dargelegt wurde, gibt das Widerstandswechselmaterial bei einer hinreichend geringen Schichtdicke die Form des Durchgangslochs wider, so dass dann der Anstellwinkel α der Wände des Durchgangslochs dem Anstellwinkel β der Wände des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode im Wesentlichen gleichkommt. Durch etwaige Verrundungen bei der Abscheidung des Widerstandswechselmaterials bzw. des Kontaktelektrodenmaterials kann der Winkel β auch variieren und von der Position im Durchgangsloch abhängen.The Walls of the Projections of the second contact electrode are preferably in one Angle β with respect to first direction, in which the sublithographic dimension extends, wherein the angle β is in a range of 45 ° to 85 °. One Angle β of approximately 75 ° is this is particularly advantageous. As already explained above, gives the resistance change material at a sufficiently low Layer thickness the shape of the through hole, so that then the Angle of attack α of Walls of the Through hole the angle of attack β of the walls of the projection of the second contact electrode is essentially the same. By any rounding in the Deposition of the resistance change material or the contact electrode material can the angle β too vary and depend on the position in the through hole.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur ist der elektrische Widerstand der ersten Kontaktelektrode größer als der elektrische Widerstand der Widerstandswechselschicht. Im Betrieb der sublithographischen Kontaktstruktur wirkt die erste Kontaktelektrode dann als Heizelektrode zur Erzeugung von Joulscher Wärme zur Heizung der Widerstandswechselschicht. In diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die erste Kontaktelektrode ein auf Kohlenstoff basierendes Material ist bzw. umfasst.at a further advantageous embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention is the electrical resistance of the first contact electrode greater than the electrical resistance of the resistance change layer. Operational the sublithographic contact structure acts on the first contact electrode then as a heating electrode for generating Joulscher heat to Heating the resistance change layer. In this case it is preferable when the first contact electrode is a carbon-based one Material is or includes.

Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können generell aus einem dem Fachmann bekannten geeigneten Elektrodenmaterial gefertigt sein, welches beispielsweise W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON und TiAIN ist. Die Isolierschicht ist vorteilhaft aus einem isolierenden, dielektri schen Material gefertigt, welches beispielsweise SiO2, ZnS-SiO2 oder SiN ist.The first electrode and / or the second Elek The electrodes may generally be made of a suitable electrode material known to the person skilled in the art, which is, for example, W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON and TiAIN. The insulating layer is advantageously made of an insulating, dielectric material, which is, for example, SiO 2 , ZnS-SiO 2 or SiN.

Ohne die Absicht einer Einschränkung hierauf, kann in der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur die erste Kontaktelektrode eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 700 nm aufweisen, während die zweite Kontaktelektrode eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweisen kann. Gegebenenfalls kann der Kontakt auch durch einen sogenannten "Via-Plug" ausgeführt sein, welcher unterschiedliche Metallisierungsebenen miteinander verbindet.Without the intention of a restriction On top of this, in the sublithographic contact structure according to the invention the first contact electrode has a layer thickness in the range of 20 nm to 700 nm while the second contact electrode has a layer thickness in the region of 50 nm to 500 nm. Optionally, the contact can also by a so-called "via plug" be executed, which connects different metallization levels.

Ebenso kann die Widerstandswechselschicht eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm aufweisen, während die Isolierschicht eine Schichtdicke im Bereich von 40 nm bis 300 nm aufweisen kann.As well the resistance change layer can have a layer thickness in the range from 5 nm to 100 nm while the insulating layer has a layer thickness in the range of 40 nm to 300 nm.

In der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur sind die Energiepulse, durch welche die Widerstandswechselschicht zwischen den Zuständen mit einem verschiedenen elektrischen Widerstand geschaltet werden kann, vorteilhaft elektrische Energiepulse, insbesondere elektrische Spannungspulse.In the sublithographic invention Contact structure are the energy pulses through which the resistance change layer between the states be switched with a different electrical resistance can, advantageously electrical energy pulses, in particular electrical Voltage pulses.

Die Erfindung umfasst ferner eine Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement, welche eine erfindungsgemäße Kontaktstruktur umfasst, sowie eine Speicheranordnung, die eine Mehrzahl derartiger Speicherzellen umfasst.The Invention further comprises a memory cell in a semiconductor device, which a contact structure according to the invention and a memory device comprising a plurality of such memory cells includes.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche bzw. gleichartige Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The Invention will now be explained in more detail with reference to embodiments, wherein Reference to the attached Drawings is taken. Same or similar elements are provided with the same reference numerals.

1 zeigt in schematischer Weise herkömmliche Kontaktstrukturen mit einem Widerstandswechselmaterial; 1 schematically shows conventional contact structures with a resistance change material;

2 zeigt in schematischer Weise eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur; 2 shows schematically a first embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention;

3 zeigt in schematischer Weise eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur; 3 shows schematically a second embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention;

4 veranschaulicht in schematischer Weise Prozessschritte zur Herstellung des Durchgangslochs in der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur; 4 schematically illustrates process steps for fabricating the via in the sub-lithographic contact structure of the present invention;

5 zeigt in schematischer Weise Varianten in der Ausgestaltung des Vorsprungs der zweiten Kontaktelektrode der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur; 5 shows schematically variants in the configuration of the projection of the second contact electrode of the sublithographic contact structure according to the invention;

6 veranschaulicht in schematischer Weise Varianten zur Herstellung der zweiten Kontaktelektrode in der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur; 6 schematically illustrates variants for the production of the second contact electrode in the sublithographic contact structure according to the invention;

7 zeigt ein Diagramm, in welchem der Löschstrom gegenüber der linearen lithographischen Abmessung der Kontaktfläche der Widerstandswechselschicht bei einer im Stand der Technik bekannten Kontaktstruktur, sowie bei der erfindungsgemäßen Kontaktstruktur dargestellt ist. 7 shows a diagram in which the erase current compared to the linear lithographic dimension of the contact surface of the resistance change layer in a known in the prior art contact structure, as well as the contact structure according to the invention is shown.

1, worin zwei im Stand der Technik bekannte Kontaktstrukturen mit einer Widerstandswechselschicht dargestellt sind, wurde bereits eingangs beschrieben. 1 , wherein two known in the art contact structures are shown with a resistance change layer, has already been described above.

2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist auf einem Si-Substrat 13, welches in gewöhnlicher Weise durch die Prozessschritte einer FEOL-(Front End Of Line-)Prozessierung hergestellt ist, ein Anschlusskontakt 11 beispielsweise aus W aufgebracht. Auf dem Anschlusskontakt 11 befindet sich eine erste Kontaktelektrode 10 aus TiW, wobei die erste Kontaktelektrode 10 und der Anschlusskontakt 11 seitlich von einer Isolierschicht 19 aus SiO2 umgeben sind. Auf der ersten Kontaktelektrode 10 und der Isolationsschicht 19 ist eine weitere Isolationsschicht 14 aus SiO2 abgeschieden. Die Isolationsschicht 14 ist mit einem Durchgangsloch 15 versehen, welches auf seiner dem Si-Substrat 13 zugewandten Seite von der ersten Kontaktelektrode 10 abgegrenzt ist. Das Durchgangsloch 15 weist eine im Wesentlichen trapezförmige Form auf, welche sich in Richtung zur ersten Kontaktelektrode 10 hin verjüngt. Auf der Isolationsschicht 14 und im Bereich des Durchgangslochs 15 ist eine Schicht aus einem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial, beispielsweise Ge2Sb2Te5, abgeschieden. Auf dem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 ist eine zweite Kontaktelektrode 12 aus W abgeschieden. Im Bereich des Durchgangslochs 15 formt das Phasenwechselmaterial 9 mit der ersten Kontaktelektrode 10 einen ersten Kontaktbereich 17. Die Abmessung des Kontaktbereichs 15 in X-Richtung ist eine sublithographische Abmessung und beträgt weniger als 65 nm. Die der zweiten Kontaktelektrode 12 zugewandte Öffnung hat eine Abmessung in X-Richtung, welche der mit derzeitigen photolithographischen Techniken erreichbaren minimalen Abmessung F entspricht. Die sublithographische Abmessung in x-Richtung des ersten Kon taktbereichs 17 ergibt sich aus der sich verjüngenden Form des Durchgangslochs 15. Die Chalkogenid-Phasenwechselschicht 9 gibt die Form des Durchgangslochs 15 wider, so dass ein in das Durchgangsloch 15 ragender Vorsprung 18 der zweiten Kontaktelektrode 12 gleichermaßen eine im Wesentlichen trapezförmige Form aufweist. Der Vorsprung 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 formt mit dem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 einen zweiten Kontaktbereich 18. 2 shows a first embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention. In the in 2 shown embodiment is on a Si substrate 13 , which is usually made by the process steps of FEOL (Front End Of Line) processing, a terminal contact 11 for example, applied from W. On the connection contact 11 there is a first contact electrode 10 made of TiW, wherein the first contact electrode 10 and the connection contact 11 laterally from an insulating layer 19 are surrounded by SiO 2 . On the first contact electrode 10 and the insulation layer 19 is another insulation layer 14 deposited from SiO 2 . The insulation layer 14 is with a through hole 15 provided on its the Si substrate 13 facing side of the first contact electrode 10 is delimited. The through hole 15 has a substantially trapezoidal shape, which is in the direction of the first contact electrode 10 rejuvenated. On the insulation layer 14 and in the area of the through hole 15 For example, a layer of a chalcogenide phase change material, such as Ge 2 Sb 2 Te 5 , is deposited. On the chalcogenide phase change material 9 is a second contact electrode 12 separated from W. In the area of the through hole 15 forms the phase change material 9 with the first contact electrode 10 a first contact area 17 , The dimension of the contact area 15 in the X direction is a sublithographic dimension and is less than 65 nm. That of the second contact electrode 12 facing opening has a dimension in the X-direction, which achieves that with current photolithographic techniques baren minimum dimension F corresponds. The sublithographic dimension in the x direction of the first contact area 17 results from the tapered shape of the through hole 15 , The chalcogenide phase change layer 9 gives the shape of the through hole 15 resist, leaving one in the through hole 15 protruding projection 18 the second contact electrode 12 equally has a substantially trapezoidal shape. The lead 16 the second contact electrode 12 forms with the chalcogenide phase change material 9 a second contact area 18 ,

Die Isolationsschicht 19 aus SiO2 hat eine Schichtdicke von ca. 400 nm, während die Isolierschicht 14 aus SiO2 eine Schichtdicke von ca. 50 nm aufweist. Die Schichtdicke der Chalkogenid-Phasenwechselschicht 9 beträgt ca. 20 nm. Die Schichtdicke der ersten Kontaktelektrode 10 beträgt ca. 20 nm, während die Schichtdicke der zweiten Kontaktelektrode 12 ca. 150 nm beträgt. Die photolithographisch erreichbare minimale Abmessung F beträgt ca. 100 nm. Die Wände des Kontaktlochs 15 sind jeweils in einem Winkel α zur X-Richtung angestellt, wobei der Winkel α ca. 75° beträgt. Die Wände des Vorsprungs 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 sind jeweils in einem Winkel β zur X-Richtung angestellt, wobei der Winkel β ca. 75° beträgt. Das Kontaktloch 15 der Isolierschicht 14 ist im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet und verjüngt sich in Y-Richtung.The insulation layer 19 of SiO 2 has a layer thickness of about 400 nm, while the insulating layer 14 of SiO 2 has a layer thickness of about 50 nm. The layer thickness of the chalcogenide phase change layer 9 is about 20 nm. The layer thickness of the first contact electrode 10 is about 20 nm, while the layer thickness of the second contact electrode 12 about 150 nm. The photolithographically achievable minimum dimension F is about 100 nm. The walls of the contact hole 15 are each set at an angle α to the X direction, wherein the angle α is about 75 °. The walls of the projection 16 the second contact electrode 12 are each set at an angle β to the X direction, wherein the angle β is about 75 °. The contact hole 15 the insulating layer 14 is essentially trapezoidal and tapers in the Y direction.

3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird lediglich der strukturelle Unterschied zu der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur dargestellt. In der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur ist der Vorsprung 16 der zweiten Kontaktelektrode 2 im Querschnitt einer durch die X- und Y-Richtungen auf gespannten Ebene im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet. Hierdurch kann in äußerst vorteilhafter Weise eine möglichst effektive elektrische Spitzenwirkung des Vorsprungs 16 im Betrieb der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur erzielt werden. 3 shows a second embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention. In order to avoid unnecessary repetition, only the structural difference to that in 2 shown first embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention. In the in 3 shown second embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention is the projection 16 the second contact electrode 2 formed in a cross-section of a plane spanned by the X and Y directions in a substantially triangular shape. As a result, the most effective possible electrical peak effect of the projection in a very advantageous manner 16 be achieved during operation of the sublithographic contact structure according to the invention.

4 veranschaulicht in schematischer Weise das Verfahren zur Herstellung des Durchgangslochs 15 in der Isolationsschicht 14. Wie 4A zu entnehmen ist, wird auf die Isolationsschicht 14 aus SiO2, welche ihrerseits auf der ersten Kontaktelektrode 10 und der Isolationsschicht 19 aus SiO2 abgeschieden ist, eine Ätzmaskenschicht 20 aufgebracht. Die Ätzmaskenschicht 20 weist eine Durchgangsöffnung 21 mit einer mit den derzeitigen photolithographischen Techniken erreichbaren minimalen Abmessung F in X-Richtung auf. Anschließend wird ein Trockenätzverfahren durchgeführt, in welchem ein ausgeglichener physikalischer bzw. chemischer Abtrag zu einem sich in Richtung zur ersten Kontaktelektrode 11 hin verjüngenden Durchgangsloch 15 führt. Anschließend wird die Ätzmaskenschicht 20 entfernt, so dass lediglich die Isolationsschicht 14 mit dem darin ausgebildeten Durchgangsloch 15 verbleibt (4B). 4 schematically illustrates the process for the preparation of the through hole 15 in the insulation layer 14 , As 4A it can be seen on the insulation layer 14 of SiO 2 , which in turn on the first contact electrode 10 and the insulation layer 19 is deposited from SiO 2 , an etching mask layer 20 applied. The etching mask layer 20 has a passage opening 21 with a minimum dimension F in the X direction achievable with current photolithographic techniques. Subsequently, a dry etching process is carried out, in which a balanced physical or chemical removal to a towards the first contact electrode 11 towards tapering through hole 15 leads. Subsequently, the Ätzmaskenschicht 20 removed, leaving only the insulation layer 14 with the through hole formed therein 15 remains ( 4B ).

5 zeigt verschiedene Varianten einer geometrischen Ausgestaltung der von dem Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 gebildeten Negativform für den Vorsprung 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur. 5 shows various variants of a geometric configuration of the chalcogenide phase change material 9 formed negative mold for the projection 16 the second contact electrode 12 the sublithographic contact structure according to the invention.

In den 5A und 5B bildet das Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 im Bereich des Durchgangslochs 15 jeweils eine Negativform aus, welche einer trapezförmigen Positivform des Vorsprungs 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 entspricht. Die in den 5A und 5B gezeigten Varianten unterscheiden sich dabei dadurch, dass die sich auf der Seite der ersten Kontaktelektrode 10 befindliche parallele Seite 22 des Trapezes in 5B gegenüber 5A verkleinert wurde. Hierdurch kann der elektrische Spitzeneffekt der zweiten Kontaktelektrode 12 im Betrieb der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur verstärkt werden. In 5C wurde die sich auf der Seite der ersten Kontaktelektrode 10 befindliche parallele Seite 22 des Trapezes zu einem (theoretischen) Punkt- bzw. Linienkontakt verkleinert, so dass der Vorsprung 16 in seiner Querschnittsform im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet ist, wodurch ein optimaler elektrischer Spitzeneffekt im Betrieb der sublithographischen Kontaktstruktur erzielt werden kann. Die Gestalt des Vorsprungs 16 der zweiten Kontaktelektrode 12 ergibt sich aus einem Zusammenspiel der Einflussgrößen Durchgangslochbreite, Durchgangslochtiefe, Anstellwinkel der Wände des Durchgangslochs und Schichtdicke des Chalkogenid-Phasenwechselmaterials.In the 5A and 5B forms the chalcogenide phase change material 9 in the area of the through hole 15 in each case a negative mold, which is a trapezoidal positive shape of the projection 16 the second contact electrode 12 equivalent. The in the 5A and 5B variants shown here differ in that on the side of the first contact electrode 10 located parallel page 22 of the trapezoid in 5B across from 5A was reduced. As a result, the electrical peak effect of the second contact electrode 12 be amplified during operation of the sublithographic contact structure according to the invention. In 5C which was on the side of the first contact electrode 10 located parallel page 22 of the trapezoid to a (theoretical) point or line contact reduced, so that the projection 16 is formed in its cross-sectional shape substantially triangular, whereby an optimal electrical peak effect in the operation of the sublithographic contact structure can be achieved. The shape of the projection 16 the second contact electrode 12 results from an interaction of the influencing variables through-hole width, through-hole depth, angle of attack of the walls of the through-hole and layer thickness of the chalcogenide phase change material.

6 veranschaulicht zwei Varianten zur Herstellung der zweiten Kontaktelektrode 12. In einer in 6A gezeigten Variante wird das auf die Isolationsschicht 14 mittels einer Sputter-Technik abgeschiedene Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 zunächst planarisiert. Anschließend wird die zweite Kontaktelektrode 12 abgeschieden. Bei der in 6B gezeigten Variante, wird das Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 auf der Isolationsschicht 14 abgeschieden, wobei eine Planarisierung des Chalkogenid-Phasenwechselmaterials 9 unterbleibt. Anschließend wird die zweite Kontaktelektrode 12 auf das Chalkogenid-Phasenwechselmaterial 9 abgeschieden. Die in 6B veranschaulichte Herstellungsweise der zweiten Kontaktelektrode 12 wurde in den in den 2 und 3 gezeigten beiden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur realisiert. 6 illustrates two variants for the production of the second contact electrode 12 , In an in 6A shown variant that is on the insulation layer 14 deposited by a sputtering technique chalcogenide phase change material 9 initially planarized. Subsequently, the second contact electrode 12 deposited. At the in 6B variant shown, the chalcogenide phase change material 9 on the insulation layer 14 deposited, wherein a planarization of the chalcogenide phase change material 9 omitted. Subsequently, the second contact electrode 12 to the chalcogenide phase change material 9 deposited. In the 6B illustrated method of manufacturing the second contact electrode 12 was in the in the 2 and 3 shown two embodiments of the inventive su realized by a lithographic contact structure.

7 zeigt ein Diagramm, in welchem der Löschstrom in relativen Einheiten gegenüber der photolithographischen Abmessung (nm) des Kontaktbereichs 17 der in 1A gezeigten herkömmlichen Kontaktstruktur (quadratische Symbole) und der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen sublithographischen Kontaktstruktur (runde Symbole) dargestellt ist. Wie dem Diagramm von 7 insbesondere zu entnehmen ist, kann bei einer lithographischen Startabmessung L von ca. 60 nm ein um in etwa einen Faktor 4 geringerer Löschstrom erzielt werden. 7 shows a diagram in which the extinguishing current in relative units to the photolithographic dimension (nm) of the contact area 17 the in 1A shown conventional contact structure (square symbols) and the in 3 shown second embodiment of the sublithographic contact structure according to the invention (round symbols) is shown. Like the diagram of 7 In particular, it can be achieved with a lithographic starting dimension L of about 60 nm by a factor of about 4 lower extinguishing current.

Wie dem Voranstehenden zu entnehmen ist, wird durch die vorliegende Erfindung eine sublithographische Kontaktstruktur gezeigt, welche sich durch eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit, sowie durch einen vergleichsweise geringen Strombedarf zum Schreiben und insbesondere zum Löschen auszeichnet. Die erfindungsgemäße sublithographische Kontaktstruktur wird durch geeignete Trockenätzprozesse hergestellt, durch welche ein Durchgangsloch mit angestellten Seitenflanken ausgebildet werden kann. In das trockengeätzte Durchgangsloch wird das Widerstandswechselmaterial, insbesondere in Form eines Phasenwechselmaterials, eingefüllt. Das Zusammenspiel von Lochdurchmesser und Lochtiefe bzw. Aspektverhältnis, Seitenwandwinkel, Schichtdicke der abgeschiedenen Widerstandswechselschicht, sowie die Abscheide- und Konformitätseigenschaften des Abscheideprozesses bestimmen dabei die Oberflächentopographie des Widerstandswechselmaterials. Die zweite Kontaktelektrode kann einen, insbesondere in Trapezform oder Dreiecksform vorspringenden, Vorsprung aufweisen. Der hierbei zusätzlich auftretende elektrische Spitzeneffekt führt zu einer vorteilhaften Fokussierung der Ladungsträger und damit zu einer verbesserten Strompfaddefinition.As to the above, is determined by the present The invention has shown a sublithographic contact structure which itself by a simple and inexpensive manufacturability, as well by a comparatively low power consumption for writing and especially for deletion distinguished. The sublithographic invention Contact structure is produced by suitable dry etching processes, by which formed a through hole with staffed side edges can be. In the dry etched Through hole is the resistance change material, in particular in the form of a phase change material, filled. The interaction of Hole diameter and hole depth or aspect ratio, side wall angle, layer thickness the deposited resistance change layer, as well as the deposition and conformance properties of the deposition process determine the surface topography of the resistance change material. The second contact electrode can one, in particular in trapezoidal or triangular form projecting, Have projection. The case additionally occurring electrical Top effect leads to an advantageous focusing of the charge carriers and thus to an improved rung definition.

11
PhasenwechselmaterialPhase change material
22
Deckelektrodecover electrode
33
Bodenelektrodebottom electrode
44
Heizelektrodeheating electrode
55
programmierbares Volumenprogrammable volume
66
DeckelektrodenkontaktDeck electrode contact
77
Metallleitungmetal line
88th
Metallleitungmetal line
99
Chalkogenid-PhasenwechselmaterialChalcogenide phase change material
1010
erste Kontaktelektrodefirst contact electrode
1111
Anschlusskontaktconnection contact
1212
zweite Kontaktelektrodesecond contact electrode
1313
Silizium-SubstratSilicon substrate
1414
Isolierschichtinsulating
1515
DurchgangslochThrough Hole
1616
Vorsprunghead Start
1717
erste Kontaktflächefirst contact area
1818
zweite Kontaktflächesecond contact area
1919
Isolierschichtinsulating
2020
Ätzmaskenschichtetching mask
2121
Ätzmasken-DurchgangslochEtch mask through hole
2222
parallele Trapezseiteparallel trapezoid side

Claims (25)

Sublithographische Kontaktstruktur in einem Halbleiterbauelement, welche umfasst: – eine erste Kontaktelektrode (10) und eine zweite Kontaktelektrode (12), welche voneinander beabstandet angeordnet sind, – eine zwischen den beiden Kontaktelektroden (10, 12) angeordnete Isolierschicht (14) aus einem isolierenden, dielektrischen Material mit einem Durchgangsloch (15), welches an die erste Kontaktelektrode (10) angrenzt, – eine Widerstandswechselschicht (9) aus einem Material welches geeignet ist, in Antwort auf ausgewählte Energiepulse wenigstens zwei Zustände mit voneinander verschiedenen Widerstandswerten einzunehmen, welche Widerstandswechselschicht (9) zwischen der zweiten Kontaktelektrode (12) und der Isolierschicht (14) angeordnet ist und im Bereich des Durchgangslochs (15) der Isolierschicht (14) und den beiden Kontaktelektroden (10, 12) unmittelbar angrenzt, wodurch im Bereich des Durchgangslochs (15) ein erster Kontaktbereich (17) zwischen der Widerstandswechselschicht (9) und der ersten Kontaktelektrode (10) und ein zweiter Kontaktbereich (18) zwischen der Widerstandswechselschicht (9) und der zweiten Kontaktelektrode (12) definiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch (15) in einer Richtung (X) zur ersten Kontaktelektrode (10) hin eine sich verjüngende Form aufweist, derart, dass der erste Kontaktbereich (17) wenigstens eine sublithographische Abmessung in wenigstens einer ersten Richtung (X) aufweist.Sublithographic contact structure in a semiconductor device, comprising: - a first contact electrode ( 10 ) and a second contact electrode ( 12 ), which are arranged at a distance from each other, - one between the two contact electrodes ( 10 . 12 ) arranged insulating layer ( 14 ) of an insulating, dielectric material having a through hole ( 15 ) which is connected to the first contact electrode ( 10 ), - a resistance change layer ( 9 ) made of a material which is suitable, in response to selected energy pulses, to assume at least two states with mutually different resistance values, which resistance change layer ( 9 ) between the second contact electrode ( 12 ) and the insulating layer ( 14 ) and in the area of the through hole ( 15 ) of the insulating layer ( 14 ) and the two contact electrodes ( 10 . 12 ) immediately adjacent, whereby in the region of the through hole ( 15 ) a first contact area ( 17 ) between the resistance change layer ( 9 ) and the first contact electrode ( 10 ) and a second contact area ( 18 ) between the resistance change layer ( 9 ) and the second contact electrode ( 12 ) are defined, characterized in that the through hole ( 15 ) in a direction (X) to the first contact electrode ( 10 ) has a tapered shape, such that the first contact area ( 17 ) has at least one sublithographic dimension in at least a first direction (X). Kontaktstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchgangsloch (15) im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.Contact structure according to claim 1, characterized in that the through-hole ( 15 ) in cross-section in a plane defined by the first direction (X) and a direction perpendicular to the first direction of the second direction (Y) defined plane is substantially trapezoidal. Kontaktstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Durchgangslochs (15) jeweils in einem Winkel α bezüglich der ersten Richtung (X) angestellt sind, wobei der Winkel α im Bereich von 45° bis 85° liegt.Contact structure according to claim 2, characterized in that the walls of the through-hole ( 15 ) are each set at an angle α with respect to the first direction (X), wherein the angle α is in the range of 45 ° to 85 °. Kontaktstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α ca. 75° beträgt.Contact structure according to Claim 3, characterized that the angle α is approx. 75 °. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktelektrode (12) einen in das Durchgangsloch (15) ragenden Vorsprung (16) aufweist, welcher den zweiten Kontaktbereich (18) mit der Widerstandswechselschicht (9) formt.Contact structure after one of the previous ones the claims, characterized in that the second contact electrode ( 12 ) one in the through hole ( 15 ) protruding projection ( 16 ) having the second contact area ( 18 ) with the resistance change layer ( 9 ) forms. Kontaktstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (16) im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet ist.Contact structure according to claim 5, characterized in that the projection ( 16 ) in cross-section in a plane defined by the first direction (X) and a direction perpendicular to the first direction of the second direction (Y) defined plane is substantially trapezoidal. Kontaktstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (16) im Querschnitt in einer durch die erste Richtung (X) und einer auf der ersten Richtung senkrecht stehenden zweiten Richtung (Y) definierten Ebene im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet ist.Contact structure according to claim 5, characterized in that the projection ( 16 ) is formed substantially triangular in cross-section in a plane defined by the first direction (X) and a second direction (Y) perpendicular to the first direction. Kontaktstruktur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Vorsprungs (16) jeweils in einem Winkel β bezüglich der ersten Richtung (X) angestellt sind, wobei der Winkel β im Bereich von 45° Bis 85° liegt.Contact structure according to claim 6 or 7, characterized in that the walls of the projection ( 16 ) in each case at an angle β with respect to the first direction (X) are employed, wherein the angle β in the range of 45 ° to 85 °. Kontaktstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel β ungefähr 75° beträgt.Contact structure according to Claim 8, characterized that the angle β is about 75 °. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α im Wesentlichen dem Winkel β entspricht.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the angle α in the Essentially corresponds to the angle β. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sublithographische Abmessung maximal 100 nm, vorzugsweise 90 nm, stärker bevorzugt maximal 70 nm und noch stärker bevorzugt maximal 65 nm beträgt.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the sublithographic dimension is at most 100 nm, preferably 90 nm, stronger preferably at most 70 nm and even more preferably at most 65 nm is. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der ersten Kontaktelektrode (10) größer ist als der elektrische Widerstand der Widerstandswechselschicht (9).Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical resistance of the first contact electrode ( 10 ) is greater than the electrical resistance of the resistance change layer ( 9 ). Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widertandswechselschicht (9) aus einem Phasenwechselmaterial besteht.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance change layer ( 9 ) consists of a phase change material. Kontaktstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial eine, ein Chalkogenid enthaltende Legierung, wie beispielsweise Ge2Sb2Te5, ist.Contact structure according to claim 13, characterized in that the phase change material is a, a chalcogenide-containing alloy, such as Ge 2 Sb 2 Te 5 , is. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (10) und/oder die zweite Kontaktelektrode (12) aus wenigstens einem Material gefertigt sind, welches aus der Gruppe, bestehend aus W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON und TiAIN, gewählt ist.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the first contact electrode ( 10 ) and / or the second contact electrode ( 12 ) are made of at least one material selected from the group consisting of W, TiN, Ta, TaN, TiW, TiSiN, TaSiN, TiON and TiAIN. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (10) ein auf Kohlenstoff basierendes Material umfasst.Contact structure according to one of the preceding claims 1 to 14, characterized in that the first contact electrode ( 10 ) comprises a carbon-based material. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (14) aus wenigstens einem Material gefertigt ist, welches aus der Gruppe, bestehend aus SiO2, ZnS-SiO2 und SiN, gewählt ist.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer ( 14 ) is made of at least one material selected from the group consisting of SiO 2 , ZnS-SiO 2 and SiN. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandswechselschicht (9) eine Schichtdicke im Bereich von 5 nm bis 100 nm aufweist.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance change layer ( 9 ) has a layer thickness in the range of 5 nm to 100 nm. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (14) eine Schichtdicke im Bereich von 40 nm bis 300 nm aufweist.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the insulating layer ( 14 ) has a layer thickness in the range of 40 nm to 300 nm. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktelektrode (10) eine Schichtdicke im Bereich von 20 nm bis 700 nm aufweist.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the first contact electrode ( 10 ) has a layer thickness in the range of 20 nm to 700 nm. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontaktelektrode (12) eine Schichtdicke im Bereich von 50 nm bis 500 nm aufweist.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized in that the second contact electrode ( 12 ) has a layer thickness in the range of 50 nm to 500 nm. Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiepulse elektrische Energiepulse sind.Contact structure according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the energy pulses are electrical energy pulses. Speicherzelle in einem Halbleiterbauelement, welche eine Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.Memory cell in a semiconductor device, which a contact structure according to one of the preceding claims. Speicheranordnung in einem Halbleiterbauelement, welche eine Mehrzahl von Speicherzellen nach Anspruch 23 umfasst.Memory arrangement in a semiconductor device, which comprises a plurality of memory cells according to claim 23. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt zur Herstellung des Durchgangslochs (15) mittels eines Trockenätzverfahrens umfasst.Method for producing a contact structure according to one of the preceding Claims 1 to 22, characterized in that it comprises a step for producing the through-hole ( 15 ) by means of a dry etching process.
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