DE60218685T2

DE60218685T2 - Herstellungsverfahren für Zellenanordnung mit bipolaren Auswahltransistoren und zugehörige Zellenanordnung

Info

Publication number: DE60218685T2
Application number: DE60218685T
Authority: DE
Inventors: Fabio Pellizzer; Giulio Casagrande; Roberto Gastaldi; Loris Vendrame; Augusto Benvenuti; Tyler c/o Ovonyx I Rochester Hills Lowrey
Original assignee: STMicroelectronics SRL; Ovonyx Inc
Current assignee: STMicroelectronics SRL; Ovonyx Inc
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-10-09
Also published as: US20040130000A1; US20060049392A1; EP1408549A1; EP1408549B1; US6989580B2; US7563684B2; DE60218685D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Anordnung von Zellen mit Auswahl-Bipolarsperrschichttransistoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Speicheranordnung einer Phasenänderungsspeicher (PCM von phase change memory)-Vorrichtung, ohne darauf beschränkt zu sein.
Bekanntlich verwenden Phasenänderungsspeicherzellen eine Klasse von Materialien, welche die einzigartige Eigenschaft haben, reversibel von einer Phase zu einer anderen umschaltbar zu sein, mit messbar unterschiedlichem Widerstandsverhalten. Spezifische Materialien, die geeigneterweise in Phasenänderungsspeicherzellen verwendet werden können, sind Legierungen von Elementen der Gruppe VI des Periodensystems, wie Te oder Se, auch Chalkogenide oder chalkogene Materialien genannt. So kann eine Dünnschicht von chalkogenem Material verwendet werden als ein programmierbarer Widerstand, der zwischen einem Zustand hohen und einem Zustand niedrigen Widerstandswertes umschaltet.
Die Verwendung von chalkogenen Speicherelementen ist bereits vorgeschlagen worden für die Bildung einer Speicherzelle. Um von benachbarten Speicherzellen verursachte Beeinträchtigungen zu vermeiden, wird das chalkogene Element im Allgemeinen mit einem Auswahlelement, im Allgemeinen einem MOS-Transistor oder einer Diode, gekoppelt.
Ein möglicher Aufbau einer PCM-Anordnung ist in 1 gezeigt. Die Speicheranordnung 1 von 1 besitzt eine Mehrzahl von Speicherzellen 2, die je ein Speicherelement 3 des Phasenänderungstyps und ein Auswahlelement 4, hier als Diode gebildet, aufweisen.
Die Speicherzellen 2 sind in Reihen und Spalten angeordnet. In jeder Speicherzelle 2 hat das Speicherelement 3 einen ersten Anschluss, der mit einer eigenen Bitleitung BLn-1, BLn, BLn+1, ..., verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einer Anode der Diode 4 verbunden ist; die Diode 4 hat eine Kathode, die mit einer eigenen Wortleitung WLn-1, WLn, WLn+1, ... verbunden ist.
Um das zu einer spezifischen Zelle 2 gehörende Speicherelement 3 zu adressieren, beispielsweise das mit der Bitleitung BLn und der Wortleitung WLn verbundene, wird die mit der adressierten Zelle verbundene Bitleitung (ausgewählte Bitleitung BLn) auf eine hohe Spannung V_OP vorgespannt und werden alle anderen (nicht gewählten) Bitleitungen BLn-1, BLn+1, ... masseverbunden. Ferner wird die mit der adressierten Zelle verbundene Wortleitung (ausgewählte Wortleitung WLn) masseverbunden und werden alle anderen (nicht gewählten) Wortleitungen WLn-1, WLn+1, ... auf V_CC vorgespannt, so dass lediglich die Diode 4 mit der ausgewählten Wortleitung und Bitleitung ein ist.
CMOS-kompatible Prozesse zur Herstellung von PCM sind bereits vorgeschlagen worden, bei denen die Dioden in ein Substrat vom P-Typ integriert sind, in dem Zonen vom N-Typ gebildet sind. Die Zonen vom N-Typ, welche die Kathode der Dioden definieren, sind mittels einer Metallleitung verbunden und bilden Wortleitungen der Anordnung. Die Zonen vom N-Typ nehmen Zonen vom P-Typ auf, welche die Anoden der Dioden definieren und mit langen Streifen chalkogenen Materials verbunden sind, und zwar an kleinen Teilen davon, welche die Speicherelemente bilden. Die Streifen chalkogenen Materials erstrecken sich senkrecht zu den Wortleitungen und definieren Bitleitungen der Anordnung.
Aufgrund dieser Struktur gehen mit den Dioden parasitäre Bipolartransistoren einher, die Emitter aufweisen, welche durch die Diodenanoden gebildet und mit den Bitleitungen (hier Bitleitung BLn) verbunden sind; Basisbereiche, die durch die Diodenkathoden gebildet und mit den Wortleitungen (hier Wortleitung WLn) verbunden sind; und Kollektoren, die durch das Substrat gebildet sind. Das elektrische Ersatzschaltbild einer wirklichen Zelle ist in 2 gezeigt.
In der Praxis wird die Auswahl einer Zelle 2 durchgeführt, in dem der Bipolartransistor 4 in den aktiven Bereich gesteuert und der Basis-Emitter-Übergang in den Durchlassbetrieb vorgespannt wird. Daher ist der vom Basisanschluss ge lieferte tatsächliche Strom I_B nicht gleich dem durch den Emitteranschluss fließende Strom I_E sondern ist definiert durch die folgende Beziehung: IB = IE/(1 + βF)wobei β_F die Stromverstärkung des Bipolartransistors ist.
Das Vorhandensein dieser parasitären Transistoren bewirkt einige Probleme, hauptsächlich aufgrund der hohen Ströme, die insbesondere während einer Änderungsoperation (Setzen, Rücksetzen) fließen. Tatsächlich wird gewöhnlich eine Schreiboperation für eine Anzahl von Zellen auf einer einzigen Wortleitung (8 oder 16 Zellen oder sogar mehr) durchgeführt, so dass der Gesamtstrom, der durch die ausgewählte Wortleitung und in dem Dekodertreib-Pull-Down-Transistor fließt, die Summe der Ströme der Zellen ist. Dies bringt eine Obergrenze für die Anzahl von Zellen mit sich, die in einem einzigen Vorgang modifiziert werden können, da der Spannungsabfall über der ausgewählten Wortleitung und dem Pull-Down-Transistor unakzeptabel wird.
Tatsächlich fließt während eines Modifizierungsvorgangs ein Strom im Bereich von 200 μA durch den Emitteranschluss eines jeden Bipolartransistors 4. Da, wie gesagt, 8 oder 16 Zellen, die mit einer selben Wortleitung verbunden sind, zur selben Zeit modifiziert werden, beträgt der in die Emitter der ausgewählten Transistoren eintretende Gesamtstrom 1,6-3,2 mA.
Da bei bekannten Speicheranordnungen der Bipolartransistor nicht ausgenutzt wird sondern stattdessen als ein parasitäres Element betrachtet wird, ist sein Aufbau nicht optimiert, so dass seine Stromverstärkung β_F viel kleiner als 1 ist, wobei der in die ausgewählte Wortleitung fließende Strom etwa derselbe ist wie der Gesamtemitterstrom (1,6-3,2 mA, wie zuvor erläutert); dieser Strom fließt entlang der gesamten Wortleitung und in dem Pull-Down-Transistor des Reihendekoders, was einen unakzeptablen Spannungsabfall verursacht.
Eine einfache Lösung dieses Problems besteht darin, die Wortleitungen zu unterteilen und vier oder acht lokale Treiber einzuführen, welche zwei Bits maximal treiben.
Diese Lösung erhöht jedoch die Komplexität der Speichervorrichtung, die erforderliche Fläche und somit die Kosten pro Speichervorrichtung.
Eine andere Lösung des obigen Problems beruht auf der Maximierung der Stromverstärkung β_F, derart, dass der in die ausgewählte Wortleitung und den Pull-Down-Transistor fließende Strom minimiert wird; dadurch werden die Abmessungen der lokalen Treiber oder wird umgekehrt die Anzahl der lokalen Treiber auf zwei oder vier reduziert, wobei jeder lokale Treiber vier Bits steuert.
Die Herstellung eines Bipolartransistors als ein Auswahlelement in einer Speicheranordnung mit niedriger Stromverstärkung bringt jedoch einige Probleme mit sich. Vor allem sollte der Prozess so sein, dass jeglicher Kurzschluss der Emitter- und der Basiskontakte im Fall von Fehlausrichtungen vermieden wird, selbst wenn der Zellenabstand besonders eng ist.
Ferner erfordert eine hohe Stromverstärkung eine sehr niedrige Basisdotierung, was zu einem hohen Basiswiderstand führt. Da die Basis auch die Wortleitung der Anordnung ist, würden sich die Verzögerungszeit und der Spannungsabfall entlang der Wortleitung erhöhen. Nicht zuletzt kann ein hoher Strom, der in das Substrat fließt, Injektionsprobleme verursachen, die vorsichtig gehandhabt werden müssen. Alle diese Probleme erfordern eine genaue Optimierung des Herstellungsprozesses und einen Kompromiss zwischen sich entgegenstehenden Erfordernissen.
US 2002/0079483 lehrt eine Zellenanordnung und ein Herstellungsverfahren hierfür gemäß dem Oberbegriff der Hauptansprüche. Hier weist jede Zelle einen Diodenstapel auf und die Diodenstapel sind über erste Leitungsleitungen verbunden, welche zusammen mit der Epitaxieschicht und dem Substrat einen Bipolartransistor bilden. Ferner bildet die Anordnung eine nicht-planare Struktur, wobei erste leitende Bereiche und ein Teil der ersten Leitungsleitungen in Vorsprüngen des Substrats gebildet sind, die an allen vier Seiten durch zwei verschiedene Isolationen begrenzt sind. Somit lehrt diese bekannte Lösung eine nicht-planare, nicht optimierte Struktur, welche die oben diskutierten Probleme teilt.
US 5,262,670 lehrt eine nicht-planare, komplexe Struktur, wobei jeder Transistor in einem vorspringenden Teil des Substrats gebildet ist, und die Wortleitungen sind durch Polysiliziumleitungen gebildet, die seitlich zu den Vorsprüngen verlaufen, unter Isolierung von den Vorsprüngen selbst (mit Ausnahme der Basisbereiche) durch Oxidabstandselemente. Jeder Vorsprung nimmt lediglich einen Transistor auf und die Steuerbereiche (Basisbereiche) erstrecken sich nur unter dem jeweiligen ersten Leitungsbereich, ohne von verschiedenen Transistoren geteilt zu werden. Der Herstellungsprozess ist somit recht komplex und ist nicht optimiert.
Ziel der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren zu schaffen, welches eine Integration eines Bipolartransistors in einer Zellenanordnung erlaubt, derart, dass die oben angezeigten Nachteile überwunden werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren zur Herstellung einer Zellenanordnung und eine damit erhaltene Zellenanordnung geschaffen, wie in Anspruch 1 bzw. 11 definiert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist der als ein Auswahlelement einer Anordnung von Speicherzellen wirkende Bipolartransistor in einem Halbleiterkörper gebildet mit einigen verschiedenen Zonen: einem Substrat vom P-Typ; einer über dem Substrat liegenden Subkollektorzone vom P-Typ; einem über der Subkollektorzone liegenden Kollektorzone vom P-Typ; einer über der Kollektorzone liegenden Basiszone vom N-Typ; einer in der Basiszone untergebrachten Emitterzone vom P-Typ; und einem Basiskontakt. Die Emitterzone und der Basiskontakt werden über Kontakte kontaktiert, die in einer über dem Halbleiter gezüchteten dielektrischen Schicht gebildet werden und werden implantiert nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht oder wenigstens eines unteren Teils hiervon und dem Öffnen der Kontakte, unter Verwendung einer eigenen Maske. Dadurch kann keine Fehlausrichtung der Emitter- und Basiskontaktmasken Kurzschlüsse zwischen den Emitter- und den Basiskontaktzonen verursachen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Dotieren jeder der die Bipolartransistoren bildenden Zonen optimiert hinsichtlich Ansteuerungsvermögen, Leckageverlust und Niedrigspannungsanforderung.
Für das Verständnis der vorliegenden Erfindung, werden nun bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, und zwar lediglich als nicht begrenzende Beispiele, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, worin:
1 ein Schaltungsdiagramm einer bekannten Anordnung von Phasenänderungsspeicherzellen zeigt;
2 ein tatsächliches elektrisches Ersatzschaltbild einer Speicherzelle der Anordnung von 1 zeigt;
3 die Masken zeigt, welche für die Herstellung eines Bipolartransistors verwendet werden gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
4 einen Querschnitt der ersten Ausführungsform zeigt, entlang Linie IV-IV der 3 gesehen;
5 einen Querschnitt der ersten Ausführungsform zeigt, entlang Linie V-V der 3 gesehen;
6–11 Querschnitte zeigen, gesehen entlang derselben Schnittebene der 4 durch einen Teil eines Halbleiterwafers in aufeinander folgenden Herstellungsstufen eines Bipolartransistors der Zellenanordnung gemäß der Erfindung;
12 das Dotierungsprofil für den Bipolartransistor der 4 zeigt;
13 die Masken zeigt, welche für die Herstellung eines Bipolartransistors verwendet werden gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
14 ein Querschnitt der zweiten Ausführungsform ist, gesehen entlang der Linie XIV-XIV der 13;
15 die Masken zeigt, welche für die Herstellung eines Bipolartransistors verwendet werden gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
16 ein Querschnitt der dritten Ausführungsform ist, gesehen entlang der Linie XVI-XVI der 15.
Gemäß der Ausführungsform der 3–5 wird eine Speicheranordnung in einem Körper 10 eines Halbleitermaterials mit einem stark dotierten Substrat 6 vom P-Typ gebildet. Eine Subkollektorzone 7, ebenfalls vom P-Typ und mit hohem Dotierungspegel, erstreckt sich über dem Substrat 6 in einer (nicht gezeigten) Epitaxieschicht. Eine Gemeinschaftskollektorzone 11 vom P-Typ und mit einem Dotierungspegel, welcher niedriger ist als der der Subkollektorzone 7, erstreckt sich auf dem Substrat 6 ebenfalls in der Epitaxieschicht. Die Epitaxieschicht nimmt auch eine Vielzahl von Aktivbereichsstreifen 12 vom N-Typ auf, welche Basiszonen definieren. Die Aktivbereichsstreifen 12 erstrecken sich parallel zu einander entlang einer ersten Richtung (X-Richtung) und sind voneinander elektrisch isoliert mittels Feldoxidzonen 13 (5).
Jeder Aktivbereichsstreifen 12 nimmt eine Mehrzahl von Emitterzonen 14 vom P⁺-Typ und eine Mehrzahl von Basiskontaktzonen 15 vom N⁺-Typ auf, die alternierend angeordnet sind, d.h., jede Emitterzone 14 ist zwischen zwei Kontaktzonen 15 angeordnet und jede Basiskontaktzone 15 ist zwischen zwei Emitterzonen 14 angeordnet. Somit bilden jedes Paar Zonen mit einer Emitterzone 14 und der benachbarten Basiskontaktzone 15 (beispielsweise einer Emitterzone 14 und der rechts davon angeordneten Basiskontaktzone 15), der Aktivbereichsstreifen 12, in dem sie aufgenommen sind, und die darunter liegende Gemeinschaftskollektorzone 11 einen Auswahltransistor 20 vom PNP-Typ, welcher dem Bipolartransistor 4 der 1 entspricht.
Eine dielektrische Zone 21 erstreckt sich auf dem Körper 10 und nimmt Kontakte, Speicherelemente und Zwischenverbindungsleitungen auf. Die dielektrische Zone 21 ist generell durch mehr der Reihe nach niedergeschlagene Schichten gebildet, um die verschiedenen Zonen darin zu bilden, und kann auch verschiedene Materialien aufweisen.
Erste und zweite Kontakte 22, 23 erstrecken sich in ersten und zweiten Öffnungen 27a, 27b der dielektrischen Zone 21. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Kontakte 22, 23 aus Wolfram, auf der vertikalen Seite und der Bodenseite mit einem Barrierenmaterial (beispielsweise Ti/TiN) bedeckt, das der Einfachheit halber nicht gezeigt ist.
Die ersten Kontakte 22 erstrecken sich von einer Emitterzone 14 zu einem das Speicherelement 3 der 1 bildenden chalkogenen Speicherelement 24. Erste Metallleitungen 25, welche den Bitleitungen BLn-1, BLn, BLn+1 der 1 entsprechende Bitleitungen bilden, erstrecken sich entlang einer zweiten Richtung (Y-Richtung), und somit quer zu den Aktivbereichsstreifen 12. Jede erste Metallleitung 25 ist in Kontakt mit den chalkogenen Speicherelementen 24, die in der Y-Richtung ausgerichtet sind, wie von dem Querschnitt der 5 ersichtlich. Die ersten Metallleitungen 25 werden vorzugsweise auf einem ersten Metallniveau gebildet.
Die zweiten Kontakte 23 sind höher als die ersten Kontakte 22 und erstrecken sich je von einer Basiskontaktzone 15 zu zweiten Metallleitungen 26. Die zweiten Metallleitungen 26, welche den Wortleitungen WLn-1, WLn, WLn+1 der 1 entsprechende Wortleitungen bilden, erstrecken sich entlang der ersten Richtung (X-Richtung), und somit parallel zu den Aktivbereichsstreifen 12 und senkrecht zu den ersten Metallleitungen 25. Jede zweite Metallleitung 26 ist in Kontakt mit den zweiten Kontakten 23, die in der X-Richtung ausgerichtet sind, wie aus dem Querschnitt der 4 ersichtlich ist. Die zweiten Metallleitungen 26 werden vorzugsweise in einem zweiten Metallniveau gebildet.
3 zeigt einige Masken zur Verwendung für die Herstellung der Speicheranordnung der 4 und 5. Insbesondere zeigt 3 eine Aktivbereichsmaske 30, eine Kontaktmaske 31 und eine Emittermaske 32.
Das Verfahren der Herstellung der Speicheranordnung der 4 und 5 ist wie folgt.
Wie in 6 gezeigt beginnt das Verfahren mit einem Halbleiterkörper oder Wafer 10, der eine Oberfläche 10a hat und ein Substrat 6 und eine Epitaxieschicht 8 aufweist, beide vom P-Typ, wobei das Substrat 6 eine hohe Dotierung (beispielsweise höher als 10¹⁹ Atome/cm³) und die Epitaxieschicht eine niedrige Dotierung (beispielsweise etwa 10¹⁵ Atome/cm³) aufweist.
Zunächst werden Feldoxidzonen 13 (in 6 mit punktierten Linien gezeigt und aus dem Querschnitt der 9 ersichtlich) in einer an sich bekannten Weise in der Epitaxieschicht 8 gebildet, unter Verwendung der Aktivbereichsmaske 30 der 3 und somit die Aktivbereichsstreifen 12 seitlich begrenzend.
Dann wird Bor mit hoher Energie bei einer Dosis 10¹³–10¹⁴ Atomen/cm² (7) implantiert, so dass am Ende einer Wärmebehandlung sich die Subkollektorzone 7 in einer Tiefe zwischen 400 und 850 nm von der Oberfläche 10a des Halbleiterkörpers 10 erstreckt und einen Dotierungspegel zwischen 10¹⁷ und 10¹⁹ Atomen/cm³ aufweist, mit einer Spitze bei einer Tiefe von etwa 0,55 μm (siehe auch 12). Dadurch werden ein maximaler Widerstandswert von etwa 500 Ω und somit ein maximaler Spannungsabfall von 100 mV (für einen Kollektorstrom von 200 μA während eines Rücksetzimpulses) sichergestellt.
Nach einer Wärmebehandlung wird eine P-Wanne in den Anordnungsteil der Vorrichtung implantiert, was die Gemeinschaftskollektorzone 11 bildet, welche sich bei einer Tiefe zwischen 200 und 400 nm von der Oberfläche 10a erstreckt. Da die Gemeinschaftskollektorzone 11 eine hohe Stromdichte aushalten sollte und somit hochpegelige Injektionseffekte (beispielsweise Kirk-Effekt) sorgfältig zu vermeiden sind, ist der Dotierungspegel der Gemeinschaftskollektorzone 11 recht hoch, im Bereich von 10¹⁷–10¹⁸, mit einer Spitze bei etwa 10¹⁸ bei einer Tiefe von etwa 0,25 μm.
Danach, 8, 9, werden die Aktivbereichsstreifen 12 mit zu N-Typ-Dotierung führenden Mitteln implantiert, womit die Basiszonen der Bipolartransistoren, die sich von der Oberfläche 10a etwa 170 nm nach unten erstrecken, gebildet werden. In geeigneter Weise wird Arsen mit einer Energie von 150–300 keV, vorzugsweise etwa 200 keV, implantiert, um am Ende einen Dotierungspegel zwischen 5·10¹⁷ und 5·10¹⁸ Atome/cm³ zu erhalten. Dadurch ist sichergestellt, dass die Basiszonen eine geringere Tiefe haben als die Feldoxidzonen 13, und somit, dass eine effektive Isolierung zwischen benachbarten Wortleitungen vorhanden ist.
Ferner stellen die Basisdicke und die Spitzendotierung einen guten Kompromiss zwischen zwei sich entgegenstehenden Anforderungen dar: Einerseits sollten sie niedrig sein, um eine niedrige Basis-Gummel-Zahl (und somit eine hohe Verstärkung) zu erreichen und jegliche Leckage der Kollektor-Basis- und Emitter-Basis-Übergänge zu reduzieren, andererseits sollten sie hoch sein, um das Risiko von Abschnürung zu vermeiden, wenn eine positive Spannung an die Wortleitung angelegt wird (um sie abzuwählen). Überdies stellen die Verwendung von Arsen als ein Dotiermittel und die gewählte Energie desweiteren ein sehr scharfes Dotierungsprofil sicher, wodurch das Risiko einer Abschnürung reduziert wird, während der Basis-Kollektor-Übergang so flach wie möglich gehalten wird (insbesondere soll er flacher sein als die Feldoxidisolation).
Danach, 10, wird der Körper 10 mit einer ersten Schicht eines isolierenden Materials bedeckt, welche den Bodenbereich der dielektrischen Zone 21 bildet, und unter Verwendung der Kontaktmaske 31 der 3 werden Kontakte geöffnet, wodurch die ersten Öffnungen 27a und der Bodenbereich der zweiten Öffnungen 27b gebildet werden. Dann wird eine Bor-Implantation (P⁺-Emitterimplantation) durchgeführt, unter Verwendung der Emittermaske 32, um Emitterzonen 14 mit einem Dotierungspegel von etwa 10¹⁹–10²⁰ Atomen/cm³ unter den ersten Kontakten 22 zu bilden. Die Emitterimplantation wird so betrieben, dass die Emitterzonen 14 so flach und so abrupt wie möglich gehalten werden (vorzugsweise haben die Emitterzonen 14 eine Tiefe von etwa 50 nm). So wird BF₂ für die Implantation gewählt, wodurch Kanalbildung (durch Amorphisation) reduziert und eine flache Implantierung ohne Verwendung einer Implantierung mit sehr niedriger Energie (¹¹B bei einer Energie im Bereich von 1 KeV) sichergestellt wird.
Danach werden unter Verwendung einer nicht gezeigten eigenen Maske, welche das Negativ der Emittermaske 32 ist, Basiskontaktzonen 15 unter den zweiten Kontakten 32 unter Verwendung von Arsen (oder auch Phosphor) implan tiert. Fallbezogen können die Basiskontaktzonen 15 vor den Emitterzonen 14 dotiert werden.
Das erhaltene Dotierungsprofil der verschiedenen Zonen ist in 12 gezeigt.
Dann, 11, werden die ersten Öffnungen 27a und der Bodenteil der zweiten Öffnungen 27b mit einer Barrierenschicht 34, beispielsweise Ti/TiN, und mit Wolfram 35 gefüllt.
Das Verfahren geht weiter mit den notwendigen Schritten zur Bildung der Speicherzellen, einschließlich Bildung der chalkogenen Speicherelemente 24, der ersten Metallleitungen 25, der zweiten Metallleitungen 26, dem oberen Bereich der dielektrischen Zone 21 und dem oberen Bereich der zweiten Kontakte 23, beispielsweise wie in der europäischen Patentanmeldung Nr. 01 128 461.9 beschrieben, um die in den 4 und 5 gezeigte Struktur zu erhalten.
Alternativ können anstelle der chalkogenen Speicherelemente 24 andere Speicherelemente oder andere Elemente mit zwei oder drei Anschlüssen, die mit Standard-CMOS-back-end-Prozessen kompatibel sind, gebildet werden.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird eine dotierte Zone 28 vom N-Typ mit einem Dotierungspegel, welcher höher ist als der der Aktivbereichsstreifen 12, unter jeder Emitterzone 14 gebildet, wie mittels gestrichelter Linien in 4 gezeigt. In diesem Fall wird ein zu N-Leitfähigkeit führendes Mittel, beispielsweise Arsen, implantiert unter Verwendung einer Dosis, die dicht bei derjenigen liegt, welche für die Aktivbereichsstreifen 12 verwendet wird, und unter Benutzung der Emittermaske 32, genau nach oder genau vor der P⁺-Emitterimplantation. Damit werden der Basiswiderstand und somit der Emitter-Basis-Spannungsabfall reduziert, was auch die Immunität des Bipolartransistors gegen Emitter-Kollektor-Leckage und Abschnürung erhöht.
13 und 14 zeigen ein anderes Layout für eine Speicheranordnung mit einem Auswahlelement, das als ein hochverstärkender Transistor gebildet ist, wie zuvor diskutiert. Hierbei ist in der X-Richtung jede Emitterzone 14 von der benachbarten Emitterzone 14 durch eine Basiskontaktzone 15 auf einer Seite (links in den Zeichnungen) und durch eine Feldoxidzone 40 auf der anderen Seite (rechts in den Zeichnungen) getrennt. Wie gezeigt hat die Aktivbereichsmaske 41 (13) ein gitterartiges Muster und eine Feldoxidzone 40 mit einer gitterartigen Form begrenzt eine Mehrzahl von Aktivzonen 42 rechteckiger Form. Jede Aktivzone 42 nimmt nur eine Basiskontaktzone 15 und zwei Emitterzonen 40 auf, die auf verschiedenen Seiten der Basiskontaktzone 15 in der X-Richtung angeordnet sind. Somit nimmt jede Aktivzone 42 zwei Bipolartransistoren 43 auf, welche sich eine selbe Basiskontaktzone 15 teilen.
Der Querschnitt in einer Ebene senkrecht zu der der 14 ist derselbe wie in 5.
Wie aus 13 ersichtlich, unterscheiden sich die Form der Aktivbereichsmaske 41 und die der Emittermaske 44 von der Aktivbereichsmaske 30 und der Emittermaske 32 der 3; die Kontaktmaske 31 ist jedoch dieselbe wie in 3.
Der Herstellungsprozess, die Dotierungspegel und die Dotierungsenergien der Speicheranordnung der 13 und 14 sind dieselben, wie sie zuvor unter Bezugnahme auf die 3–12 beschrieben worden sind, einzig ausgenommen die Form der Aktivbereichsmaske 41 und der Emittermaske 44, wie oben ausgeführt.
Auch bei der Ausführungsform der 13 und 14 kann eine N-dotierte Zone 28 (nicht gezeigt) unter der Emitterzone 14 vorgesehen werden, um den Basiswiderstand zu verringern und die Durchschlagimmunität zu verbessern.
Mit der Ausführungsform der 13 und 14 ist es möglich, etwa 20% der Siliziumfläche gegenüber der Ausführungsform der 3–5 einzusparen, selbst wenn die Aktivbereichsecken Defektstellenprobleme einbringen könnten.
15 und 16 zeigen eine dritte Ausführungsform, bei welcher benachbarte Emitterzonen 14 nicht durch andere Formationen (Basiskontakte oder Isoliermaterial) getrennt sind sondern deren elektrische Trennung lediglich durch die intrinsische Basiszone (Aktivbereichsstreifen 12) sichergestellt ist.
Speziell werden hier die Aktivbereiche als Aktivbereichstreifen 12 gebildet, analog zur Ausführungsform der 3-5; jedoch ist jede Basiskontaktzone 15 alle zwei Emitterzonen 14 gebildet, analog zur Ausführungsform der 13 und 14. Somit bildet jede Basiskontaktzone 15 mit den benachbarten Emitterzonen 14 zwei Bipolartransistoren 50.
Die zum Erhalt der Struktur der 16 verwendete Maske ist in 15 gezeigt: Wie man bemerken kann, ist die Aktivbereichmaske 30 dieselbe wie in 3 und ist die Emittermaske 44 dieselbe wie in 13.
Der Herstellungsprozess für die Speicheranordnung der 15 und 16 ist derselbe, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 3–5 beschrieben, ausgenommen lediglich die Form der Emittermaske 44, wie zuvor ausgeführt.
Bei der Ausführungsform der 15 und 16 ist es möglich, die Belegungsfläche weiter zu reduzieren, abhängig von dem Minimalabstand, der zwischen zwei benachbarten Emitterzonen 14 erhalten werden kann; das Vorhandensein von lateralen parasitären PNP-Bipolartransistoren (gebildet durch zwei benachbarte Emitterzonen 14 und den dazwischen liegenden Teil des jeweiligen Aktivbereichstreifens 12) macht diese Ausführungsform anwendbar lediglich für eine Lösung, welche eine Ausgestaltungsmaßnahme zur Reduzierung des resultierenden Leckagestroms aufweist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können mehr als zwei Emitterzonen 14, beispielsweise vier, acht, usw., zwischen aufeinander folgenden Basiskontaktzonen 15 angeordnet werden, ohne eine Oxid- oder Basisisolation zwischen diesen. In diesem Fall ist die Belegungsfläche nach wie vor reduziert, ist jedoch das Stromleckageproblem verschlechtert und könnte der Basiswiderstand ein begrenzender Faktor für die von dem Basiskontakt weiter weg liegenden Emitter werden.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die Folgenden:
Das Dotieren der Emitterzonen 14 und der Basiskontaktzonen 15 durch die in der dielektrischen Schicht 21 gebildeten Öffnungen stellt eine Selbstausrichtung dieser Zonen sicher und vermeidet somit das Risiko eines Kurzschlusses zwischen diesen im Fall von Maskenfehlausrichtung.
Die hohe Dotierung des Subkollektors 7 und dessen Lage direkt auf dem Substrat zur Verbindung der hoch dotierten Gemeinschaftskollektorzone 11 mit dem aus dem hochdotierten Substrat 6 diffundierenden Bor sind sehr nützlich zur Reduzierung des Spannungsabfalls.
Auch die hohe Dotierung der Gemeinschaftskollektorzone 11 stellt sicher, dass letztere einer hohen Stromdichte standhält, wie für ein Auswahlelement erforderlich, das als ein einwandfreier Bipolartransistor arbeitet; dadurch werden auf Hochpegelinjektion (wie der Kirk-Effekt) beruhende Effekte vermieden.
Die gegebenen Werte für die Basisdotierung und die Verwendung von Arsen als ein Dotiermittel stellen einen guten Kompromiss zwischen den verschiedenen Anforderungen dar, insbesondere hinsichtlich elektrischer Isolation zwischen benachbarten Wortleitungen, Hochverstärkung, Abschnürung und Stromleckagen.
Die Implementierung eines Hochverstärkungsbipolartransistors erlaubt eine Reduzierung des Stromflusses in der ausgewählten Wortleitung und somit eine Reduktion der Fläche, die zum Integrieren der Reihendekoder erforderlich ist. Der reduzierte Wortleitungsstrom verringert den Spannungsabfall auf der Wortleitung, was einen Betrieb mit niedrigerer Spannung erlaubt sowie die Implementierung längerer Wortleitungen, d.h., die Möglichkeit des Auswählens von mehr Bits mit einer einzigen Wortleitung, was eine effizientere Speicherfläche erlaubt.
Der reduzierte Reihenleitungsstrom erlaubt geringere Stromdichte in minimal breiten Wortleitungen, und somit eine verbesserte Zuverlässigkeit.
Schließlich ist klar, dass verschiedene Variationen und Modifikationen an der hier beschriebenen und erläuterten Zellenanordnung gemacht werden können, die alle in den Bereich der Erfindung fallen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
Beispielsweise ist es möglich, Mehrfachemitterzonen 14 auf jeder Seite einer Basiskontaktzone 15 auch in den Ausführungsformen der 3–5 und 13–14 anzuordnen und somit die Flächenbelegung zu reduzieren, während Stromleckage aufgrund von parasitären Komponenten schlechter wird.
Ferner kann, wie angegeben, dasselbe Anordnungslayout verwendet werden für Zellen, welche eine anders geartete Speicherkomponente aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Anordnung von Zellen, aufweisend folgende Schritte: Bereitstellen eines Körpers (10) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps; Bilden einer gemeinschaftlich leitenden Zone (11) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Körper; Bilden einer Mehrzahl von isolierenden Feldoxidzonen (13), welche eine Mehrzahl von Aktivbereichszonen (12; 42) begrenzen, die sich oberhalb der gemeinschaftlich leitenden Zone erstrecken, in den Körper; Bilden von Steuerzonen (12; 42) mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp und einem Dotierungspegel in den Aktivbereichszonen; Bilden einer Isolierschicht (21) mit ersten und zweiten Öffnungen (27a, 27b) auf der Oberseite des Körpers; Implantieren erster Bereiche der Aktivbereichszonen durch die ersten Öffnungen (27a) hindurch mit einem Dotierstoff des ersten Leitfähigkeitstyps, wodurch in den Aktivbereichszonen zweite leitende Zonen (14) des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet werden, wobei jede zweite leitende Zone (14) zusammen mit der Steuerzone (12; 42) und der gemeinschaftlich leitenden Zone (11) einen Selektionsbipolartransistor (20; 43; 50) bildet; Implantieren zweiter Bereiche der Aktivbereichszonen durch die zweiten Öffnungen (27b) hindurch mit einem Dotierstoff des zweiten Leitfähigkeitstyps, wodurch Kontaktzonen (15) der ersten Steuerzonen mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp und einem zweiten Dotierungspegel, der höher ist als der erste Dotierungspegel, gebildet werden; Bilden einer Mehrzahl von Speicherkomponenten (3) auf der Oberseite des Körpers, wobei jede Speicherkomponente einen mit einem zugehörigen zweiten leitenden Bereich (14) verbundenen Anschluss aufweist und zusammen mit dem Bipolartransistor eine Zelle (2) der Zellenanordnung bildet; wobei der Schritt des Bereitstellens eines Körpers das Züchten einer Epitaxieschicht (8) des ersten Leitfähigkeitstyps und eines dritten Dotierungspegels auf einem Substrat (6) des ersten Leitfähigkeitstyps und eines vierten Dotierungspegels, der höher ist als der dritte Dotierungspegel, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Bereitstellens eines Körpers (10) folgende Schritte aufweist: Implantieren einer Subkollektorzone (7) des ersten Leitfähigkeitstyps und eines fünften Dotierungspegels, der höher ist als der dritte Dotierungspegel, in der Epitaxieschicht (8) auf der Oberseite des Substrates (6); Implantieren der gemeinschaftlich leitenden Zone (11) in der Epitaxieschicht auf der Oberseite der Subkollektorzone derart, dass die gemeinschaftlich leitende Zone einen sechsten Dotierungspegel hat, der höher als der dritte Dotierungspegel und niedriger als der fünfte Dotierungspegel ist, und dass der Schritt des Bildens der Steuerzonen (12; 42) das Implantieren von Dotierstoffen umfasst, derart, dass sich jede Steuerzone von der Körperoberfläche (10a) zu einer geringeren Tiefe als die Feldoxidisolationszonen (13) erstreckt und von den benachbarten Steuerzonen durch die Feldoxidisolationszonen (13) vollständig isoliert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bildens der Steuerzonen (12; 42) eine Implantation von Arsen in den Aktivbereichszonen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Implantierens von Arsen das Implantieren bei einer Energie von 150–300 keV, vorzugsweise etwa 200 keV, aufweist, so dass der erste Dotierungspegel zwischen 5·10¹⁷ und 5·10¹⁸ Atome/cm³ liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Implantierens einer Subkollektorzone (7) ein Implantieren von 10¹³ bis 10¹⁴ Atomen/cm² aufweist und der fünfte Dotierungspegel zwischen 10¹⁷ und 10¹⁹ Atomen/cm³ liegt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Subkollektorzone (7) in einer Tiefe angeordnet ist, die zwischen 400 und 850 nm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der sechste Dotierungspegelzwischen 10¹⁷ und 10¹⁸ Atomen/cm³ liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die gemeinschaftlich leitende Zone (11) bei einer Tiefe zwischen 200 und 400 nm von der Körperoberfläche (10a) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Implantierens der zweiten Bereiche der Aktivbereichszonen ein Implantieren von Bohr bei einer Energie im Bereich von 1 KeV aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die zweiten leitenden Zonen (14) sich von der Körperoberfläche (10a) bis zu einer Tiefe von etwa 50 nm erstrecken und einen Dotierungspegel zwischen 10¹⁸ und 10²⁰ Atomen/cm³ haben.
Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei vor oder nach dem Implantieren der zweiten leitenden Zonen (14) angereicherte Zonen (28) mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp durch die ersten Öffnungen (27a) bis zu einer Erstreckung unter die zweiten leitenden Zonen (14) implantiert werden, wobei die angereicherten Zonen (28) einen siebenten Dotierungspegel haben, der höher ist als der erste Dotierungspegel.
Zellenanordnung (1) mit einer Mehrzahl von Zellen (2), wobei jede Zelle einen Selektionsbipolartransistor (4) und eine Speicherkomponente (3) aufweist, jeder Selektionsbipolartransistor (4) eine erste leitende Zone (11) eines ersten Leitfähigkeitstyps, eine zweite leitende Zone (14) des ersten Leitfähigkeitstyps und eine Steuerzone (12, 15; 42) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und eines ersten Dotierungspegels aufweist und jede Speicherkomponente (3) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die zweite Zone (14) jedes Bipolartransistors mit dem ersten Anschluss einer zugehörigen Speicherkomponente verbunden ist, wobei die Zellenanordnung einen Körper (10) aus Halbleitermaterial aufweist, umfassend: eine gemeinschaftlich leitende Zone (11), welche die ersten Zonen der Selektionsbipolartransistoren bildet; eine Mehrzahl von Aktivbereichszonen (12; 42), welche über der gemeinschaftlichen Zone (11) liegen und durch Feldoxidisolationszonen (13) begrenzt sind; wobei die Aktivbereichszonen die Steuerzonen der Bipolartransistoren, die zweiten leitenden Zonen (14) der Bipolartransistoren sowie Kontaktzonen (15) der Steuerzonen aufnehmen, wobei die Kontaktzonen den zweiten Leitfähigkeitstyp und einen zweiten Dotierungspegel, der höher ist als der erste Dotierungspegel, haben und mit Vorspannungsleitungen (26) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (10) ein Substrat (6), das sich unterhalb der gemeinschaftlich leitenden Zone (11) erstreckt und den ersten Leitfähigkeitstyp und einen dritten Dotierungspegel hat, und eine sich zwischen dem Substrat (6) und der gemeinschaftlich leitenden Zone (11) erstreckende Subkollektorzone (7) aufweist, wobei die Subkollektorzone den ersten Leitfähigkeitstyp und einen Dotierungspegel, der höher ist als derjenige der gemeinschaftlich leitenden Zone (11) hat, und dass jede Steuerzone (12; 42) der Bipolartransistoren sich von der Körperoberfläche (10a) bis zu einer Tiefe, die geringer ist als die der Feldoxidisolierzonen (13) erstreckt und von benachbarten Steuerzonen vollständig durch Feldoxidisolierzonen (13) isoliert ist.
Zellenanordnung nach Anspruch 11, wobei der Bipolartransistor (4) vom PNP-Typ ist, die Gemeinschaftszone (11) eine Kollektorzone ist und die zweiten leitenden Zonen (14) Emitter der Bipolartransistoren sind.
Zellenanordnung nach Anspruch 12, wobei die Steuerzonen (12; 42) mit Arsen dotiert sind und der ersten Dotierungspegel der Aktivbereichszonen (12; 42) zwischen 5·10¹⁷ und 5·10¹⁸ Atomen/cm³ liegt.
Zellenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Subkollektorzone (7) einen Dotierungspegel hat, der zwischen 10¹⁸ und 10¹⁹ Atomen/cm³ liegt.
Zellenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die gemeinschaftlich leitende Zone (11) einen Dotierungspegel hat, der zwischen 10¹⁷ und 10¹⁸ Atomen/cm³ liegt.
Zellenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die zweiten leitenden Zonen (14) einen Dotierungspegel von 10¹⁹ bis 10²⁰ Atomen/cm³ haben.
Zellenanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Speicherkomponente (3) ein Phasenänderungsspeicherelement ist.