ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ Российский патент 1994 года по МПК H01L27/10 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве полупроводниковых интегральных схем (ИС) с большой (БИС), сверхбольшой (СБИС) и ультрабольшой (УБИС) степенью интеграции, предназначенных для создания на основе этих узлов и блоков изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) повышенной группы сложности с расширенными функциональными возможностями как специального, так и общепромышленного назначения.

Известен полупроводниковый элемент памяти динамического оперативного запоминающего устройства (ДОЗУ), содержащий полевой транзистор связи с изолированным затвором, расположенный на поверхности полупроводниковой подложки из монокристаллического кремния и электрически связанный с ним накопительный конденсатор, представляющий собой многослойную структуру, сформированную на поверхности полупроводниковой подложки [1].

Известен также элемент памяти ДОЗУ, содержащий полевой транзистор связи с изолированным затвором, расположенный на поверхности полупроводниковой подложки из монокристаллического кремния, и электрически связанный с ним накопительный конденсатор, сформированный в виде многослойной структуры на поверхности стокового электрода полевого транзистора связи [2].

Основными недостатками этих элементов памяти ДОЗУ являются низкая степень интеграции ИС, созданных на базе указанных конструкций, связанная с использованием поверхности полупроводниковой подложки как для формирования структуры накопительного конденсатора, так и областей активного полевого транзистора связи с изолированным затвором; большая площадь кристалла ДОЗУ емкостью 1 Мбит (43,87 мм²), что не позволяет выпускать приборы с приемлемым процентом выхода годных:
невысокая эффективность использования объема полупроводниковой подложки, используемого только для формирования в приповерхностном объеме полупроводниковой подложки физических слоев полевого транзистора связи и нижнего электрода накопительного конденсатора;
низкая радиационная стойкость, связанная как с большой площадью, занимаемой структурой накопительного конденсатора, так и с большой величиной периметра диффузионных областей исток-сток полевого транзистора связи;
малая надежность ДОЗУ, связанная с низким значением отношения емкости накопительного конденсатора к емкостной нагрузке разрядной шины.

Необходимость использования многокаскадных операционных усилителей считывания в значительной степени усложняет конструкцию и часто требует использования сочетаний технологий, например, КМОП и биполярных транзисторов.

Известен элемент памяти ДОЗУ [3], содержащий полевой транзистор связи с изолированным затвором, размещенный на поверхности полупроводниковой подложки, и электрически связанный с ним накопительный конденсатор, сформированный в виде многослойной структуры на поверхности узкого углубления, направленного от поверхности вглубь материала полупроводниковой подложки, нижним электродом накопительного конденсатора служит диффузионная область противоположного относительно подложки типа проводимости, на поверхности которой сформирован слой диэлектрика, выполняющий функцию диэлектрика накопительного конденсатора, а в качестве верхнего электрода накопительного конденсатора используется слой проводящего материала, сформированный на поверхности диэлектрика. Полевой транзистор связи имеет область истока, сформированную в приповерхностном объеме материала полупроводниковой подложки, а в качестве области стока полевого транзистора используется диффузионная область противоположного по отношению к подложке типа проводимости, сформированная в объеме полупроводниковой подложки, примыкающем к поверхности, ограничивающая узкое углубление, служащее для формирования физических слоев накопительного конденсатора. На поверхности полупроводниковой подложки между областями исток-сток полевого транзистора связи расположен диэлектрик, выполняющий функции подзатворного диэлектрика полевого транзистора связи, на поверхности которого сформирована проводящая область, выполняющая функции электрода затвора.

К числу существенных недостатков такой конструкции относятся сравнительно небольшая величина емкости накопительного конденсатора (не более 60 пФ), что не позволяет использовать эту конструкцию в качестве базовой для создания радиационностойких ДОЗУ;
жесткие требования, предъявляемые к профилю углубления, стенки которого служат для формирования физических слоев как транзистора связи, так и накопительного конденсатора;
высокие требования к параметрам технологического процесса формирования углубления с заданным углом наклона, что требует разработки высокопрецизионного оборудования плазмохимического травления;
большая глубина травления требует специального оборудования, использования труда высококвалифицированного обслуживающего и технического персонала, а также не гарантирует высокий процент выхода годных;
высока вероятность образования острых углов углублений, что не дает возможности гарантировать 100%-ный выход годных структур, а также создает вероятность выхода из строя одной из ячеек памяти в уже сформированной и проконтролированной ИС ДОЗУ;
низкая эффективность использования объема полупроводниковой подложки;
технические трудности, связанные с реализацией технологических принципов плазмохимического травления монокристаллического кремния на большую глубину (примерно 6-10 мкм) через окно в защитном покрытии с геометрическими размерами 2,0 х 2,0 мкм.

Цель изобретения - улучшение электрофизических параметров при более эффективном использовании объема материала полупроводниковой подложки элемента памяти ДОЗУ.

Поставленная цель достигается тем, что элемент памяти содержит накопительный конденсатор и расположенный над ним МДП-транзистор связи, физические слои которых сформированы на стенках углубления, выполненного в объеме материала полупроводниковой монокристаллической пластины n-типа проводимости, рабочие поверхности которой ориентированы в направлении кристаллографической плоскости (100), физические слои накопительного конденсатора и транзистора связи сформированы на поверхностях углубления, представляющего собой два многогранника с числом граней более пяти, на уровне раздела которых расположена область n-типа проводимости, выполняющая функции области стока транзистора связи.

На фиг. 1 показан элемент памяти ДОЗУ, вертикальный разрез; на фиг.2 - топология элемента памяти ДОЗУ; на фиг.3 дано сечение А-А на фиг.1 (в плоскости областей истоков МДП-транзисторов); на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг. 1(в плоскости областей каналов МДП-транзисторов); на фиг. 5 - сечение В-В на фиг.1.

Приняты следующие обозначения: полупроводниковая подложка 1 p-типа проводимости, верхний многогранник 2 углубления, нижний многогранник 3 углубления, область 4 стока МДП-транзистора связи, область 5 истока МДП-транзистора связи, слои 6 полевого диоксида кремния, эпитаксиальная пленка 7 n-типа проводимости, область 8 нижней обкладки накопительного конденсатора, диэлектрик 9 накопительного конденсатора, верхняя обкладка 10 накопительного конденсатора, подзатворный диэлектрик 11 МДП-транзистора связи, электрод 12 затвора МДП-транзистора связи, канал 13 МДП-транзистора связи, электрод 14 области истока МДП-транзистора связи, межслойный диэлектрик 15, 18, верхняя часть 16 электрода 12 затвора МДП-транзистора связи, верхняя поверхность 17 верхней обкладки 10 накопительного конденсатора, разделительный диэлектрик 19.

Ниже приводятся примеры конкретной реализации предлагаемой конструкции элемента памяти, служащего в качестве базовой ячейки для создания СБИС емкостью ДОЗУ 16, 64, 128 Мбит.

В объеме полупроводниковой подложки 1 p-типа проводимости, в качестве которой использована пластина монокристаллического кремния 100 КДБ 10 (100)-480, сформировано углубление, выполненное в виде двух многогранников с числом граней более пяти, размещенные друг над другом. В большинстве практических случаев использования указанные многогранники представляют собой незавершенные тетрагексаэдры, грани которых представляют собой наборы равнобочных трапеций, образованных семейством кристаллографических плоскостей (III), и наборы прямоугольных четырехугольников, образованных кристаллографическими плоскостями (100). На уровне раздела многогранников расположен слой полупроводника n-типа проводимости, представляющего собой скрытый слой кремния n-типа проводимости толщиной от 0,2 до 0,5 мкм с концентрацией атомов легирующей примеси 8 х 10¹⁹ - 5,6 х 10²⁰ см^-3.

В приповерхностном объеме материала подложки 1 сформированы диффузионные области 5 p⁺-типа проводимости, представляющие собой так же, как и диффузионная область 4 замкнутые контуры, охватывающие верхний многогранник 2 в плоскостях верхнего и нижнего оснований последнего. Глубина залегания p-n-перехода диффузионной области составляет от 125 нм до 0,25 мкм при концентрации легирующей примеси, в качестве которой использованы атомы бора в сочетании с атомами галлия, составляющей 8 х 10¹⁹ - 5,6 х 10²⁰ см^-3.

Расстояние между двумя диффузионными областями 4 и 5 р⁺-типа проводимости равно 750-1500 нм, а общая глубина первого многогранника 2 составляет 1075-2250 нм.

Многогранники 2 и 3 углубления размещены в центральной части элемента памяти (фиг. 2), а на периферии элемента памяти в виде замкнутого контура размещен слой 6 полевого диоксида кремния, глубина залегания которого превышает глубину залегания скрытой диффузионной области 4 на величину 125-250 нм. Таким образом, верхний многогранник 2, предназначенный для формирования физических слоев МДП-транзистора связи, сформирован в объеме эпитаксиальной планки 7, ограниченной слоями диффузионных областей 4 и 5 по вертикали и слоями диоксида кремния по контуру.

Верхний многогранник 2, представляя собой верхнюю часть углубления элемента памяти, соединяется с нижним многогранником 3, образуя с ним конструктивно единое целое. При этом все грани, ограничивающие внутренний объем углубления элемента памяти, получены методами химического анизотропного травления, что дает возможность по крайней мере на 37% увеличить площадь обкладок накопительного конденсатора элемента памяти, физические слои которого сформированы на поверхностях нижнего многогранника углубления.

В объеме материала подложки 1, примыкающем к поверхности, ограничивающей нижний многогранник 3 углубления, сформирована нижняя обкладка в виде области p⁺-типа проводимости с концентрацией легирующей примеси, в качестве которой использованы атомы бора, равной 8 х 10¹⁸ - 6 х 10²⁰ см³, при глубине залегания p-n-перехода, определяемой по пластине-спутнику, 125-250 нм.

При этом обкладка 8 образует с диффузионной областью 4 скрытого слоя конструктивно единое целое. На поверхности диффузионной области 8 сформирован слой диоксида кремния или другого диэлектрического материала толщиной 125-1000 , выполняющий функции диэлектрика накопительного конденсатора элемента памяти. Во внутреннем объеме нижнего многогранника 3 размещен поликристаллический кремний, легированный атомами фосфора и имеющий сопротивление 8-20 Ом, выполняющий функции верхней обкладки 10 накопительного конденсатора элемента памяти. Таким образом, используя грани нижнего многогранника 3, формируют структуру накопительного конденсатора, физические слои которой размещены вдоль поверхностей граней, образуя конструктивно законченное устройство, размещенное в объеме материала полупроводниковой подложки n-типа проводимости.

На поверхностях верхнего многогранника 2, размещенного непосредственно над нижним многогранником 3 накопительного конденсатора элемента памяти, сформированы слои диоксида кремния толщиной 125-750 , выполняющие функции подзатворного диэлектрика 11 МДП-транзистора связи. Во внутреннем объеме многогранника 2 на поверхностях слоев диоксида кремния размещены слои легированного атомами фосфора поликристаллического кремния, выполняющие функции электрода 12 затвора МДП-транзистора связи. При этом между диффузными областями, выполняющими функции областей истока 4 и стока 5 МДП-транзистора, вдоль граней, ограничивающих многогранник 2, при приложении соответствующего напряжения возникает канал 13 МДП-транзистора связи, позволяющий производить подзарядку обкладок накопительного конденсатора.

С целью обеспечения электрического соединения диффузионной области, выполняющей функции области истока транзистора связи, физические слои которого размещены вдоль поверхностей многогранника 2, с разрядной шиной ДОЗУ, к ее поверхности сформирован электрод 14 из легированного поликристаллического кремния толщиной 0,3 - 0,5 мкм, а контакт поликристаллического кремния электрода 14 области истока реализуется посредством допинг-диффузии. При этом электрод 14 области истока МДП-транзистора связи служит одновременно маской при формировании фигур углубления.

Для обеспечения лучших электрических параметров транзистора связи электрод 14 выполнен в виде замкнутого контура и имеет физический контакт по всему периметру замкнутого контура к диффузионной области истока МДП-транзистора. Верхняя поверхность рельефа электрода 14 из легированного поликристаллического кремния защищена слоями диоксида кремния, составляющими конструктивно единое целое со слоями подзатворного диэлектрика 11 МДП-транзистора связи и выполняющими функции межслойного диэлектрика 15, отделяющего электрод 14 области истока МДП-транзистора от электрода затвора 12 МДП-транзистора в верхней его части 16. Последняя представляет собой кольцевую структуру, в центральной части которой сформировано окно, служащее для формирования отверстия, посредством которого верхняя обкладка 10 накопительного конденсатора элемента памяти соединяется с верхней поверхностью 17 верхней обкладки 10. При этом верхняя обкладка электрода накопительного конденсатора и его верхняя поверхность 17 отделены от электрода затвора 12 МДП-транзистора связи слоями диоксида кремния толщиной от 0,3 до 0,5 мкм, выполняющими функции межслойного диэлектрика 18.

На верхней поверхности 17 электрода сформированы слои разделительного диэлектрика 14, в качестве материала которого использованы слои на основе диоксида кремния.

Таким образом, используя поверхности многогранников углубления, сформированы физические структуры транзистора связи и накопительного конденсатора, электрически связанные между собой каналом транзистора связи.

Предлагаемый элемент памяти работает следующим образом.

При подаче на разрядную шину, соединенную посредством электрода 14 из поликристаллического кремния с диффузионной областью p⁺-типа проводимости, выполняющей функции области истока 5 МДП-транзистора, а также на адресную шину, соединенную посредством электрода 14 из поликристаллического кремния со слоем затворным электродом 12 МДП-транзистора связи, физические слои которого размещены на поверхностях многогранника 2 углубления, сформированного в объеме материала полупроводниковой подложки 1, под слоем области подзатворного диэлектрика 11 МДП-транзистора связи образуется проводящий канал 13 и происходит зарядка обкладок накопительного конденсатора, физические слои которого сформированы на поверхностях нижнего многогранника углубления. Полученный таким образом информационный сигнал в виде накопленного заряда хранится некоторое время на обкладках накопительного конденсатора, тем самым осуществляется процесс динамического хранения информационного заряда на обкладках накопительного конденсатора элемента памяти ДОЗУ.

Использование элемента памяти предлагаемой конструкции по сравнению с конструкцией, принятой за прототип, позволяет повысить эффективность использования объема полупроводниковой подложки за счет увеличения площади обкладок накопительного конденсатора и степень интеграции ИС и создать УБИС с емкостью ДОЗУ 4 Мбит на кристалле 5,5 х 5,5 мм;
создавать УБИС с улучшенными параметрами за счет использования хорошо отработанной технологии создания ИС с 1,25 мкм нормами топологического проектирования, при изготовлении которых не требуется использования высокопрецизионного оборудования, позволяющего с высокой точностью подгонять угол наклона стенок углубления;
увеличить емкость накопительного конденсатора за счет увеличения площади обкладок конденсатора без изменения глубины самого углубления, что достигается использованием свойств монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией (100) при проведении анизотропного травления;
исключить необходимость травления углубления на большую глубину для обеспечения высокой помехозащищенности элемента памяти ДОЗУ за счет увеличения площади обкладок накопительного конденсатора; снизить токи потребления за счет уменьшения глубины сформированного углубления, состоящего из двух многогранников;
улучшить электрофизические параметры элемента памяти ДОЗУ за счет использования в конструкции элемента памяти принципа самосовмещения и самопозицирования;
повысить технологичность конструкции элемента памяти за счет снижения вероятности появления острых углов пpи травлении углублений;
увеличить процент выхода годных ИС за счет упрощения технологического цикла изготовления ИС;
снизить себестоимость изготовления ДОЗУ большой емкости за счет повышения технологичности изделия и исключения использования труда высококвалифицированного обслуживающего и технического персонала, а также использования высокопрецизионного и дорогостоящего оборудования для подгонки углов наклона стенок углубления;
повысить радиационную стойкость приборов за счет увеличения емкости накопительного конденсатора без увеличения глубины углубления.

Использование: в области микроэлектроники в производстве полупроводниковых интегральных схем с большой, сверхбольшой и ультрабольшой степенью интеграции, предназначенных для создания на основе этих узлов и блоков изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры повышенной группы сложности с расширенными функциональными возможностями как специального, так и общепромышленного назначения. Сущность изобретения: элемент памяти содержит МДП-транзистор связи и расположенный под ним накопительный конденсатор, причем физические слои накопительного конденсатора и транзистора связи сформированы на поверхности углубления двух многогранников с числом граней более пяти, разделенных областью полупроводникового материала второго типа проводимости, выполняющей функции области стока транзистора связи. 5 ил.

ЭЛЕМЕНТ ПАМЯТИ, содержащий пластину монокристаллического кремния p-типа проводимости, накопительный конденсатор и расположенный над ним МДП-транзистор связи, сформированные на поверхности углубления, выполненного в пластине из монокристаллического кремния, отличающийся тем, что элемент памяти дополнительно содержит область n-типа проводимости, пластина монокристаллического кремния ориентирована в плоскости (100), углубление выполнено в виде двух многогранников с числом граней более пяти, а область n-типа проводимости расположена в пластине на уровне границы раздела многогранников.