DE2937952C2

DE2937952C2 - Nichtflüchtige Speicheranordnung

Info

Publication number: DE2937952C2
Application number: DE2937952A
Authority: DE
Inventors: Sheng Teng Lawrenceville N.J. Hsu
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1978-09-28
Filing date: 1979-09-20
Publication date: 1983-04-14
Also published as: JPS5546598A; FR2437676B1; JPS5732514B2; SE7907193L; DE2937952A1; GB2032687B; GB2032687A; FR2437676A1; IT1122538B; IT7925552A0

Description

J5

Die Erfindung betrifft eine nichtflüchtige Speicheranordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Computer und verwandte Techniken benötigen seit langem Festwertspeicher. Demgemäß wurden viele Bauelemente geschaffen, die die gestellten Bedingungen mehr oder weniger gut erfüllen. Die zunehmende Komplexität der Rechner bzw. der zugehörigen Elemente hat nun ein Bedürfnis nach elektrisch veränderbaren (programmierbaren) Lesespeichern hervorgerufen, welche gegebenenfalls umprogrammiert (gelöscht und beschrieben) werden können. Es gibt zwar bereits für vorgenannte Aufgaben vorgesehene, nichtflüchtige Speicherelemente, diese Bauelemente besitzen aber — wie nachstehend erläutert wird — erhebliche Mängel.

An einem Ende des Spektrums von Halbleiterspeicherelementen steht die Gattung der Floating-Gate-Lawinen-Metall-Oxid-Halbleiter-Bauelemente (FAMOS = Floating-Gate-Avalanche-Metal-Oxide-Semiconductor), während das andere Ende dieses Spektrums durch die Gattung der Metall-Nitrid-Oxid-Halbleiter-Bauelemente (MNOS = Metal-Nitride-Oxide-Semiconductor) repräsentiert wird. Ein Vorteil beider Bauelementtypen besteht in der Unabhängigkeit von irgendeiner äußeren Stromversorgung zum Aufrechterhalten einer gespeicherten Information bei deren Ausfall.

Die Bauelemente der Floating-Gate-Familie, wie sie in der DE-OS 27 58 161 beschrieben werden, besitzen normalerweise Transistoren mit Source- und Drainzonen des einen Leitungstyps. Diese Zonen werden gewöhnlich in einem Substrat des anderen Leitungstyps und an dessen Oberfläche gebildet. Zwischen der Source- und Drainzone wird an der Substrat-Oberfläche der Gate-Aufbau durch Aufbringen einer dünnen, ersten isolierenden Oxidschicht gebildet. Auf die Oxidschicht wird eine leitende Schicht (das Floating-Gate) aufgebracht und dann eine das Floating-Gate vollkommen umgebende und gegenüber dem Rest des Bauelements isolierende, zweite Isolierschicht gebildet. Auf diese zweite Isolierschicht wird sodann eine zweite leitende Schicht (für das Steuergate) aufgebracht

Zum Herstellen eines Speichers werden Floating-Gate-Transistoren in sehr unterschiedlicher Weise in Reihen und Spalten angeordnet. In dem aus der DE-OS 27 58 161 bekannten Fall werden alle Speichergates einer gegebenen Reihe sowie alle Sourcezonen bzw. alle Drainzonen je einer vorgegebenen Spalte jeweils parallel geschaltet. Im Bekannten werden dabei zum Bilden der einzelnen Parallelschaltungen jeweils besondere Leiter benötigt. Für diese Leiter wird ein wesentlicher Teil der Oberfläche des jeweiligen Halbleiterchips verbraucht. Den Speichern mit MNOS-Transistoren haftet derselbe Nachteil an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakteren Aufbau und damit eine Speicheranordnung mit größerer Dichte der aktiven Bauelemente zu schaffen. Die Lösung wird im Kennzeichen des Patentanspruchs beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein in Form einer gegenüber dem Bekannten kompakteren .r-y-Matrix herzustellender, nichtflüchtiger Speicher vom F!oating-Gate-Typ geschaffen. Das Floating-Gate jedes Transistors ist dabei über den an die Kanalzone angrenzenden Randbereich der Drainzone verschoben, so daß es sich mit der sogenannten Vorderflanke über einen Teil der Drainzone erstreckt. Das Steuergate jedes Transistors wird von dem Floating-Gate isoliert, aber es erstreckt sich über einen Bereich, der von der Rückflanke des Floating-Gates bis zu dem Source-Kanal-Übergangsbereich reicht.

Wegen des Verschiebens bzw. wegen des Versatzes des Floating-Gates relativ zur Drainzone hin ergeben sich derartige elektrische Feldverteilungen, daß jeder Transistor durch eine zwischen sein Steuergate und seine Drainzonc gelegte Spannung, aber nicht durch eine Spannung ähnlicher Polarität und Größe zwischen Steuergate und Sourcezone »beschrieben« werden kann. Die Drainzone eines Einzelelements kann daher bei der erfindungsgemäßen Anordnung dieselbe Zone sein, die als Sourcezone eines angrenzenden Einzelelements in der Anordnung dient.

Durch dieses Zuordnen der Zonen in verschiedener Funktion zu den benachbarten Bauelementen wird die Zahl der erforderlichen Verbindungsleitungen vermindert, so daß der Gesamtaufbau mit größerer Dichte der einzelnen Bauelemente herzustellen ist. Das Verschieben bzw. der seitliche Versatz des Floating-Gates relativ zur Drainzone hin ist zwar an sich aus IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-24, Nr. 5, Mai 1977, Seiten 606 bis 610 bekannt. Diese Druckschrift gibt aber ebenfalls keinen Hinweis auf das erfindungsgemäße Verschmelzen bzw. die Doppelfunktion benachbarter Zonen.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines in einer x-y-Anordnung zu verwendenden Einzelelements;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein anderes in einer x-y-Anordnung zu verwendenden Floating-Gate-Bauelements: und

Fig.3 einen Querschnitt einer Af-y-Anordnung von Einzelelementen gemäß Fig. 1.

Zunächst sei darauf hingewiesen, daß der Erfindungsgegenstand natürlich auch mit Hilfe von anderen Isolatoren als Saphir, wie zum Beispiel Spinell oder Berylliumoxid auszuführen ist wenngleich in den folgenden Ausführungen, insbesondere; mit Bezug auf Fig.3, Silizium-auf-Saphir-Bauelementen (SOS) erläutert werden; allerdings wird Saphir bevorzugt Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß zwar eine P-Kanal-Struktur beschrieben wird, diese aber nur als Ausführungsbeispiel anzusehen ist da der Leitungstyp der verschiedenen Bauelementteile natürlich im Rahmen der Erfindung austauschbar ist.

In F i g. 1 wird ein Halbleiterbauelement 10 mit einem aus Saphir, Spineil oder Berylliumoxid bestehenden isolierenden Substrat 12 dargestellt Wie in der SOS-Technik bekannt, wird zunächst eine einkristalline Siliziumschicht auf dem Saphir-Substrat 12 niedergeschlagen oder gebildet, in einzelne Inseln abgeteilt und anschließend mit Störstellen des einen Leitungstyps dotiert bzw. implantiert, um Sourcezonen 14.1 sowie Drainzonen 14.3 mit dazwischenliegender Kanalzone 14.2 herzustellen, wobei die Kanalzone mit Störstellen des anderen Leitungstyps zu dotieren ist Im gezeichneten Ausführungsbeispiel sind die Sourcezone 14.1 und die Drainzone 143 P⁺-leitend, während die Kanalzone 14.2 N~-Leitung besitzt. Nach dem Herstellen der Inseln, wird auf jeder eine Gateoxid-Schicht und auf dieser eine polykristalline Siliziumschicht (Poly-Silizium) gebildet Die Poly-Siliziumschicht soll das Floating-Gate 16 darstellen. Dieses wird so angeordnet daß sich seine Vorderflanke über den Drain/Kanal-Übergang hinwegerstreckl und seine Rückflanke über der Kanalzone endet.

Das Steuergate 20 wird oberhalb des Floating-Gates 16 hergestellt. Dazu wird zunächst entsprechend der Form des Floating-Gates 16 auf diesem eine Oxidbeschichtung 22 gebildet. Dabei ergibt sich, daß der auf das Floating-Gate 16 aufzubringende Teil des Steuergates 20 weiter von der Kanalzone entfernt ist als der Rest des Steuergates 20. Anschließend wird auf der isolierenden Oxidbeschichtung 22 eine das Steuergate 20 bildende zweite dotierte Poly-Siliziumschicht so gebildet, daß die Vorderflanke des Steuergates 20 mit der Vorderflanke des Floating-Gates 16 fluchtet, während die Rückflanke des Steuergates 20 den Source/Kanal-Übergang bedeckt und bis über die Sourcezone reicht sowie in einem Bereich oberhalb von dieser endet. Anschließend wird das ganze Bauelement mit einem Feldoxid 30 beschichtet. Zum Kontaktieren der verschiedenen wie vorstehend gebildeten Bauelementteile werden Kontaktöffnungen zum Freilegen entsprechender Teile von Sourcezone 14.1, Steuergate 20 und Drainzone 14.3 hergestellt. Anschließend wird an jedes dieser Bauelementteile ein elektrischer Kontakt angebracht, wie sie in der Zeichnung mit 24, 26 bzw. 28 bezeichnet worden sind.

F i g. 2 zeigt einen Aufbau, bei dessen Herstellung von massivem Silizium ausgegangen wurde. In dem eine vorgegebene Dotierstoffkonzentration aufweisenden, massiven Siliziumkörper 32 sind bestimmte die Sourcezonen 34 und Drainzonen 38 bildende Bereiche vorgesehen, die zwischen sich jeweils eine Kanalzone 36 einschließen. Beim Herstellen wird auf die Oberfläche des so vorbereiteten Siliziumkörpers 32 eine Gateoxid-Schicht 18 aufgebracht und darauf das Floating-Gate 16 gebildet, das so hergestellt wird, daß es sich teilweise über den Drain/Kanal-Übergang erstreckt Das Floating-Gate 16 wird dann mit einer das von der Gegenwart des Floating-Gates 16 herrührende erhabende Profil abbildenden isolierenden Feldoxid-Schicht 22 versehen. Daraufhin wird das Steuergate 20 so gebildet, daß einer seiner Ränder mit dem den Drain/Kanal-Übergang bedeckenden Rand des Floating-Gates 16 fluchtet während sich der andere Rand des Floating-Gates 16 über den Source/Kanal-Übergang hinweg in den Bereich oberhalb der Sourcezone erstreckt. Es wird auch ein Feldoxid 30 zum Abdecken des Steuergates 20 vorgesehen, und es werden — durch das letztere hindurch — metallische Leiter bzw. Kontakte 24,26 und 28 mit direktem ohmschen Kontakt zur Sourcezone 34, zum Steuergate 20 und zur Drainzone 38 hergestellt.

In F i g. 3 wird der Querschnitt durch eine Reihe von Bauelementen einer Matrixanordnung von Speicherelementen gezeigt, in der Einzelelemente ähnlich wie in F i g. 1 und 2 numeriert sowie vor und hinter der Schnittebene ähnliche Reihen von Bauelementen in den dotierten Streifen 52 und 54 gebildet sind. Das Ausführungsbeispiel ist zwar für den Fall eines SOS-Bauelements beschrieben, selbstverständlich können ähnliche bzw. entsprechende Matrixanordnungen auch ausgehend von massivem Silizium hergestellt werden.

Im Ausfünrungsbeispiel gemäß Fig.3 wird eine einkristalline Siliziumschicht 14 auf die Oberfläche des aus Saphir bestehenden Substrats 12 niedergeschlagen und schließlich auf bekannte Weise durch Dotieren in P⁺- und N--leitende Zonen unterteilt Gemäß der Zeichnung werden oberhalb der N--leitenden Kanalzonen und diesen gegenüber isoliert Floating-Gates 16 angeordnet. Außerdem wird in ähnlicher Weise, wie anhand von Fig. 1 und 2 gezeigt und beschrieben, oberhalb des Floating-Gates 16 ein Steuergate 20 isoliert gegenüber dem ersteren angeordnet In der Anordnung gemäß F i g. 3 werden alle Steuergates 20 jeder Reihe mit Hilfe einer gemeinsamen Leitung sowie Verbindungsleitungen R\ bis Rs auf eine Klemme 40 geschaltet während alle P+-Zonen 52 einer gegebenen Spalte miteinander verbunden und über Verbindungsleitungen Ci bis G auf Klemmen 42 bis 50 geschaltet werden.

Wenn in die den Verbindungsleitungen R2—C2 entsprechende Zelle eine Ladung »geschrieben« werden soll, können nach Vorherstehendem zunächst alle Zellen in Richtung auf ihren hochleitenden Zustand »block-gelöscht« werden, indem eine negative Spannung bzw. ein Impuls auf die Klemme 40 und eine positive Spannung bzw. ein Impuls über die Klemmen 42 bis 50 auf die Verbindungsleitungen Q bis C₅ gegeben wird. Dadurch werden alle P⁺-Diffusions-Linien mit einem positiven Impuls beaufschlagt Zum anschließenden »Schreiben« der A₂C₂-ZeIIe in einen niederleitenden Zustand wird auf den Anschluß 44 ein negativer Impuls und auf den Anschluß 40 ein positiver Impuls gegeben.

Alle anderen Anschlüsse bzw. Klemmen werden geerdet. Auf diese Weise wird das den Verbindungsleitungen R2C2 entsprechende Floating-Gate mit Löchern beladen, während die benachbarten Zellen (R\ — Q und Ri- Ci) unbeeinflußt bleiben. Alle Zellen einer gcgebet" nen neihe — mit Ausnahme der /?₂C₂-Zelle — werden nicht beeinflußt, weil die zugehörigen Source- und Drainzonen dieser Zellen am Erdpotential liegen und die elektrische Feldstärke zwischen der Steuerelektrode

und der jeweiligen Drainzone zum Beladen des Floating-Gates nicht ausreicht. Eine Beeinflussung der RiC₃-ZeWe durch die an R₁ anliegende Spannung erfolgt nicht, weil die volle Schreib-Spannung zwischen deren Steuergate und deren Sourcezone, nicht jedoch '> zwischen dem Steuergate und der Drainzone liegt. Das Zurückspringen des Floating-Gates in Richtung auf die Drainzone stellt nämlich sicher, daß die elektrische Feldstärke am Floating-Gate der W₃C₃-ZeIIe unter den gegebenen Voraussetzungen kleiner ist als zum Beladen ι« dieses Floating-Gates mit Löchern (mindestens) erforderlich wäre.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß auch andere Verfahren zum Herstellen der Anordnung geeignet sein können. Insbesondere kann anstelle der SOS-Technik, auf die die folgende Beschreibung Bezug nimmt, ein Verfahren verwendet werden, bei dem von massivem Silizium ausgegangen wird. 2u

Es wird ein aus Saphir bestehendes Substrat mit einer breiten ebenen Hauptfläche vorgesehen und auf dieser eine eigenleitende Siliziumschicht 14 mit einer Schichtdicke von etwa 0,5 bis 0,6 Mikrometern niedergeschlagen. Anschließend wird die Schicht 14 in auf geeignete 2> Weise mit zum Beispiel Phosphor zu dotierende oder zu implantierende Inseln aufgeteilt, um N-Dotierstoffe einzuführen und dann nach Maskieren P+-Streifen 52 zu begrenzen. Anschließend kann dieser Aufbau in bekannter Weise mit zum Beispiel Bor dotiert oder implantiert werden, um die P⁺-Streifen zu bilden. Die in Fig.3 im Querschnitt dargestellte sich ergebende Struktur besitzt dann abwechselnd P⁺- und N--Streifen 52 bzw. 54.

Nach dem Bilden der P⁺- und N--Streifen in der Schicht 14 wird eine dem Gateoxid 18 von F i g. 1 und 2 entsprechende Gateoxidschicht bis zu einer Dicke von 10 bis 20 nm mit Hilfe von trockenem O₂ bei etwa 900⁰C während einer Zeitdauer von etwa 30 Minuten auf der Siliziumschicht 14 aufgewachsen. Anschließend wird das «> aus polykristallinem Silizium bestehende Floating-Gate auf der Gate-Oxid-Schicht gebildet. Das wird mit Hilfe eines chemischen Niederdruck-Aufdampferverfahrens ausgeführt und so lange fortgesetzt, bis das Floating-Gate 16 (Fig. 1 und 2) eine Dicke von etwa 200nm erreicht. Diese Polysilizium-Schicht wird dann so maskiert, daß einer ihrer Ränder den Übergang zwischen einem P+-Streifen 52 und einem N--Streifen 54 überlappt. Die Maske soll dabei beide Grenzen des Floating-Gates 16 definieren, wobei der eine Rand einen Drain/Kanal-Übergang überlappen und der andere Rand irgendwo oberhalb der Kanaizone enden bzw. liegen soll. Die Polysilizium-Schicht wird dann mit Hilfe heißen Äthylendiaminpyrokatechins und Wasserlösung bei einer Temperatur nahe dem Siedepunkt des Ätzmittels abgeätzt. Hierdurch werden sowohl die Vorderflanke als auch die Rückflanke des Floating-Gates 16gemäß Fig. 1,2und3begrenzt.

Anschließend wird oberhalb des abgegrenzten Floating-Gates 16 eine zweite Oxidschicht bis zu einer Dicke von etwa 80 bis 90 nm aufgewachsen, zum Beispiel mit Hilfe nassen Sauerstoffs (Dampf) bei 900°C während einer Zeitdauer von etwa 40 Minuten. Das Nettoergebnis dieses Verfahrensschritts besteht darin, daß unmittelbar oberhalb des Floating-Gates eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 80 bis 90 nm entsteht, die sich zu einer Dicke von etwa 100 nm oberhalb des nicht vom Floating-Gate 16 überdeckten Bereichs der Kanalzone verjüngt.

Das Verfahren wird durch Abscheiden einer Polysilizium-Schicht oberhalb des nun stufig geformten Oxids fortgesetzt, um das Steuergate 20 (Fig. 1 und 2) herzustellen. Dieses wird zunächst durch Abscheiden einer Polysilizium-Schicht bis zu einer Dicke von etwa 600 nm mit Hilfe eines bekannten chemischen Niederdruck-Aufdampfverfahrens niedergeschlagen. Daraufhin wird diese zweite Polysilizium-Schicht maskiert und mit Hilfe desselben Lösungstyps, wie anhand des Ätzens des Floating-Gates 16 beschrieben, geätzt. In diesem Fall wird so maskiert, daß ein Rand des Steuergates 20 mit dem korrespondierenden Rand des Floating-Gates 16 fluchtet. Zum Vervollständigen der Anordnung wird anschließend eine weitere Siliziumoxid-Schicht bis zu einer Dicke von etwa 600 nm auf die gesamte Struktur niedergeschlagen. Auch diese Oxidschicht kann durch chemisches Aufdampfen hergestellt werden und — wenn es für erforderlich gehalten wird — kann die letzte Oxidbeschichtung in einer Oxidatmosphäre verdichtet werden. Der Aufbau wird dann zum Bilden von Kontaktöffnungen maskiert. Es folgt ein Ätzen der öffnungen bis heran zu allen Steuergates 20 und allen P+-Streifen bzw. -Zonen 52 mit anschließendem Metallisieren, derart, daß alle Steuergates 20 einer gegebenen Reihe verbunden werden und jeder P+-Streifen 52 über eine Verbindungsleitung Q, C₂, C₃, G und C₅ auf Klemmen 42,44,46,48 bzw. 50 geschaltet wird.

Bei Anwendung des anhand von F i g. 3 beschriebenen Aufbaus mit einer Matrix von in Reihen und Spalten angeordneten Floating-Gate-Speicher-Zellen ist für den Fachmann klar, daß bei der erfindungsgemäßen Zuordnung und Schaltung die mit einer bestimmten Floating-Gate/Steuergate-Kombination versehenen Source- und Drainzonen einer speziellen Zelle in einer gegebenen Reihe als Drainzone bzw. Sourcezone der jeweils nächst benachbarten Zelle auf beiden Seiten der gegebenen Reihe fungieren. Außerdem ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau eine isolation zwischen den einzelnen Zellen nicht erforderlich, wodurch eine erhebliche »Grundfläche« eingespart und eine größere Packungsdichte möglich wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Nichtflüchtige Speicheranordnung mit einer Vielzahl von in Reihen und Spalten angeordneten, in je einem Halbleiterkörper gebildeten Floating-Gate-Speicher-Elementen mit je einer Sourcezone (14.1), einer Drainzone (14J), einer dazwischenliegenden und sowohl an die Sourcezone als auch an die Drainzone mit einem PN-Übergang angrenzenden Kanalzone (14.2), einem oberhalb des Halbleiterkörpers isoliert gegenüber diesem über einem an die Drainzone (14.3) angrenzenden Teil der Kanalzone (14.2) liegenden, eine Vorderflanke oberhalb der Drainzone sowie eine Rückflanke oberhalb der Kanalzone besitzenden Floating-Gate (16) und mit je einem oberhalb des Floating-Gates (16) sowie isoliert gegenüber diesem und dem Halbleiterkörper angeordneten, sich über die gesamte Kanalzone (14.2) und mit der Vorderflanke bis in einen Bereich oberhalb Drainzone (14.3) und der Rückfianke bis in einen Bereich oberhalb der Sourcezone (14.1) erstreckenden Steuergate (20), wobei die Steuergates (20) der Speicherelemente in einer jeden Reihe zusammengeschaltet und die Source- und Drainzonen (52) der Speicherelemente jeder Spalte zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drainzonen (52) jedes Speicherelements in den Reihen zugleich die Drainzone bzw. Sourcezone des jeweils benachbarten Speicherelements darstellen.