ЭНЕРГОНЕЗАВИСИМАЯ ЯЧЕЙКА ПАМЯТИ Российский патент 2003 года по МПК H01L27/115 

Изобретение относится к энергонезависимой ячейке памяти согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Обычные энергонезависимые ячейки памяти основываются на концепции так называемого плавающего затвора, причем в последующем плавающий затвор используют в качестве электрода запоминающего затвора с целью запоминания заряда. При этой концепции плавающего затвора электрически полностью изолированный затвор, а именно плавающий затвор, который состоит обычно из поликристаллического кремния, образует собственно запоминающий затвор. Этот плавающий затвор емкостно связан с другим затвором, а именно управляющим затвором, соответственно электродом управляющего затвора, и управляется им. Плавающий затвор и управляющий затвор находятся в двух плоскостях, которые отделены друг от друга изолирующим слоем, например слоем диоксида кремния. Так же как и плавающий затвор, управляющий затвор состоит из поликристаллического кремния.

Из-за необходимых высоких программирующих напряжений в запоминающих устройствах с такими ячейками памяти емкостная связь этого напряжения с плавающим затвором должна быть возможно большой, что может быть достигнуто за счет соответственно больших перекрывающихся поверхностей между плавающим затвором и управляющим затвором. Другими словами, область, в которой плавающий затвор и управляющий затвор перекрывают друг друга, должна быть выполнена возможно большой. Очевидно, что такое требование находится в противоречии с общим желанием повышения плотности интеграции, поскольку как раз за счет латерального выполнения областей перекрытия между плавающим затвором и управляющим затвором теряется ценная поверхность интегральной микросхемы.

Энергонезависимая ячейка памяти согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения известна из US 5392237. С помощью указанного там чашеобразного углубления в полупроводниковой подложке и выполненных в нем электродами запоминающего затвора и управляющего затвора получают ячейку памяти с небольшими латеральными размерами, а также увеличенным коэффициентом связи между электродами запоминающего затвора и управляющего затвора. Однако там транзисторный канал образуется вследствие толстого слоя оксида на поверхности подложки внутрь подложки вокруг углубления. Однако дальнейшее увеличение коэффициента связи за счет удлинения углубления в этой известной ячейке памяти невозможно, так как там связь электрода запоминающего затвора с подложкой возрастает в той же мере, что и его связь с электродом управляющего затвора.

Энергонезависимая ячейка памяти с большим по сравнению с обычными ячейками памяти коэффициентом связи известна также из JP-А-61085468 (Сборник рефератов патентов Японии). Однако там не весь электрод запоминающего устройства расположен в углублении, а только часть области, которая выходит за транзисторный канал. В остальном эта ячейка памяти выполнена обычным образом.

Такая ячейка памяти известна также из US 4814840 и US 5045490. Однако там вся выходящая за область транзистора часть электрода запоминающего затвора расположена в выполненных по обе стороны канала в подложке канавках, причем каждый раз используют одну канавку для двух смежных ячеек памяти.

Латерально выполненная область перекрытия между плавающим затвором и управляющим затвором описана, например, И.С. Хисамуне и др. в Int. Electron Dev. Meeting 1993 (IEDM), Вашингтон, страницы 19-22.

Для того чтобы достичь желательной большой области перекрытия между плавающим затвором и управляющим затвором и тем не менее сэкономить поверхность интегральной микросхемы, предлагалось уже энергонезависимые ячейки памяти интегрировать в структуру канавки вертикально. Такая концепция, при которой, например, сток находится на верхней стороне канавки, а исток - на дне канавки, так что транзисторный канал проходит перпендикулярно поверхности интегральной микросхемы вдоль стенки канавки, описана, например, X.П. Пейн и др. в IEDM 93, страницы 11-14. Однако показанная там структура имеет не очень большую емкостную связь вследствие выбранной конструкции.

Лучшую емкостную связь можно обеспечить, если использовать боковую стенку поликристаллического кремния плавающего затвора. Эта концепция, при которой однако повышена топология ячейки памяти, описана, например, С. Аритоме и др. в IEDM 94, Сан-Франциско, страницы 61-64 или С. Аритоме и др. в IEDM 95, Вашингтон, страницы 275-278.

Исходя из этого уровня техники, задачей данного изобретения является создание энергонезависимой ячейки памяти, которая отличается хорошей связью между плавающим затвором и управляющим затвором и уменьшенными затратами на топологию.

Поставленная задача решается тем, что в энергонезависимой ячейке памяти, содержащей области стока и истока, разделенные друг от друга областью канала и выполненные в поверхности полупроводниковой подложки, полностью изолированный электрод запоминающего затвора, выполненный в чашеобразном углублении полупроводниковой подложки, электрод управляющего затвора, который для емкостной связи с электродом запоминающего затвора входит в углубление полупроводниковой подложки, причем углубление полупроводниковой подложки, в котором размещены электроды затворов, расположено между областью истока и областью стока, согласно изобретению оксид затвора, изолирующий электрод запоминающего затвора от полупроводниковой подложки, имеет в области поверхности подложки меньшую толщину, чем в углублении, входящем внутрь подложки, а область канала выполнена в области поверхности подложки вокруг углубления в горизонтальном направлении в указанной области меньшей толщины.

В энергонезависимой ячейке памяти согласно изобретению электрод запоминающего затвора может окружать электрод управляющего затвора, находящийся в середине углубления, U-образно.

В энергонезависимой ячейке памяти согласно изобретению электрод запоминающего затвора может быть полностью окружен слоями диоксида кремния.

В энергонезависимой ячейке памяти согласно изобретению электрод запоминающего затвора и электрод управляющего затвора могут состоять из поликристаллического кремния с введенными примесями.

Особое преимущество ячейки памяти согласно изобретению состоит в том, что ее можно изготавливать с полностью самостоятельной юстировкой.

Таким образом, в энергонезависимой ячейке памяти согласно изобретению, как уже частично в уровне технике, используют третью размерность в глубину чашеобразного углубления, называемого в последующем канавкой, для обеспечения большой поверхности перекрытия и тем самым большой емкости связи между плавающим затвором и управляющим затвором. Однако в ячейке памяти согласно изобретению в противоположность уровню техники транзисторный канал проходит в близкой к поверхности области канавки, а не вдоль ее боковой стенки. В отличие от обычных вертикальных транзисторов, в которых транзисторный канал выполнен вертикально, в энергонезависимой ячейке памяти согласно изобретению латеральный транзисторный канал находится на боковой стенке канавки.

Изобретение поясняется ниже подробней с помощью чертежей, на которых изображены
фиг.1a, 1b, 2а, 2b, 3а, 3b, 4f, 4b, 5-10, 11 и 12 - виды сверху, соответственно разрезы для пояснения способа согласно изобретению,
фиг.13 - схемное устройство с ячейками памяти согласно изобретению.

Сперва кремниевую подложку 1 на ее поверхности снабжают тонким слоем 2 диоксида кремния, который в последующих стадиях процесса действует как останавливающий травление слой и имеет толщину, например, 10 нм. Затем на этот слой 2 диоксида кремния наносят двойной слой из слоя 3 нитрида кремния и слоя 4 диоксида кремния. Слой 3 нитрида кремния служит останавливающим слоем для последующих стадий химико-механического полирования и одновременно обеспечивает небольшую емкость между образуемыми позже линиями WL слов (смотри фиг.10 и 13) и кремниевой подложкой 1. Затем двойной слой структурируют. Затем проводят ионную имплантацию для образования диффузионных областей 5 в соответствии с истоком и стоком.

В результате получают показанное на фиг.1а и 1b расположение, причем на виде сверху на фиг. 1а диффузионные области 5 для наглядности показаны заштрихованными.

Затем наносят другой слой 6 диоксида кремния, который принадлежит к тому же типу, что и слой 4 диоксида кремния и который изготовляют, например, с помощью осаждения из газовой фазы. Этот слой 6 диоксида кремния подвергают обратному полированию, соответственно обратному травлению, пока не будет достигнут слой 3 нитрида кремния. Для этого можно использовать обычное химико-механическое полирование или плазменное травление.

За счет этого получают показанную на фиг.2а и 2b структуру, в которой на полупроводниковом корпусе 1 расположены чередующиеся полоски слоев 3 нитрида кремния и слоев 6 диоксида кремния. При этом в виде сверху на фиг.2а, аналогично фиг.1а, отдельные слои 3 нитрида кремния показаны заштрихованными.

Затем для обеспечения подходящих структур для последующего травления канавок наносят другой слой, как, например, слой 7 из поликристаллического кремния, и структурируют перпендикулярно направлению слоев 3 нитрида кремния. Этот другой слой должен быть выполнен в любом случае с возможностью селективного травления относительно слоя 3 нитрида кремния и слоя 4 диоксида кремния, поэтому используют поликристаллический кремний.

Тем самым получают структуру, показанную на фиг.3а и 3b, причем на фиг. 3b показан разрез по линии В-В на фиг.3а.

Следует отметить, что для упрощения изображения на фиг.2b и 3b не показан слой 2 диоксида кремния.

Затем протравливают области между решетчатой структурой, образованной слоем 4 диоксида кремния и слоем 7 из поликристаллического кремния, т.е. свободные на фиг.3а области слоя 3 нитрида кремния, так что освобождают поверхность слоя 2 диоксида кремния на кремниевой подложке 1. Это травление проходит селективно по отношению к слою 6 диоксида кремния и к слою 7 из поликристаллического кремния. Затем с помощью мокрой химической стадии удаляют слой 7 из поликристаллического кремния посредством зачистки. Например, холин травит поликристаллический кремний, но не диоксид кремния.

Тем самым получают структуру, показанную на фиг.4а и 4b, причем на фиг. 4b показан разрез по линии А-А на фиг.4а. Тем самым получают структуру, в которой в каждой отдельной ячейке памяти слой 2 диоксида кремния лежит свободным на кремниевой подложке 1, причем ведущие к закрытой слоем 2 диоксида кремния кремниевой подложке 1 отверстия с обеих сторон окружены слоем 6 диоксида кремния и, соответственно, остатками слоя 3 нитрида кремния.

Таким образом, получают сетевидную поверхность, причем эта "сеть" образована слоями 6 диоксида кремния и остатками слоя 3 нитрида кремния. Эта "сеть" представляет собой маску для последующего травления канавок, соответственно, траншей.

На фиг. 5 после этого травления канавок показана в увеличенном масштабе отдельная ячейка, например ячейка D по фиг.4а. Здесь канавка 8 образована в области свободно доступной поверхности кремниевой подложки 1.

Затем проводят конформное осаждение диэлектрика 9 из, например, диоксида кремния в канавке 8, причем этот диэлектрик 9 имеет относительно большую толщину, так что под позже образованным плавающим затвором имеется малая емкость к кремниевой подложке 1. Кроме того, канавку 8 заполняют вспомогательным слоем 10 из, например, из планаризирующего лака. Этот вспомогательный слой 10 подвергают обратному полированию или обратному травлению вплоть до диэлектрика 9, соответственно, до слоя 6 диоксида кремния. Затем проводят еще анизотропное обратное травление диэлектрика 9 и вспомогательного слоя 10 до глубины, например, 100-500 нм.

Тем самым получают структуру, показанную на фиг.6. Здесь канавка в основном в области кремниевой подложки 1 наполнена диэлектриком 9 и вспомогательным слоем 10.

Затем вспомогательный слой удаляют посредством зачистки. Это может происходить мокрым химическим способом с помощью растворителя, плавиковой кислоты, или посредством плазменного травления с помощью кислородной плазмы. Если диэлектрик 9 состоит из диоксида кремния, то он бы подвергался травлению плавиковой кислотой. Однако диэлектрик 9 должен быть стойким по отношению к плавиковой кислоте. Другими словами, плавиковую кислоту можно применять тогда, когда диэлектрик 9 является стойким относительно нее. Затем в открытой верхней области канавки 8 образуют оксидный слой 11 боковой стенки из, например, диоксида кремния.

Тем самым получают структуру, показанную на фиг.7, в которой оксидный слой 11 боковой стенки уже образует туннельный оксид будущего МОП-транзистора.

Затем в канавке 8 конформно осаждают слой плавающего затвора из поликристаллического кремния, в который вносят примеси на месте. Вследствие наличия уступа на верхней кромке диэлектрика 9 в области перехода к оксидному слою 11 боковой стенки слой 12 плавающего затвора также имеет уступ, что относится также к последующим слоям. Для упрощения изображения этот уступ в слое 12 плавающего затвора и в последующих слоях не показан. Затем следует конформное осаждение сополидиэлектрика 13 из, например, оксидной пленки и нитридной пленки (ON) и заполняющего канавку дополнительного слоя 14. При этом для вспомогательного слоя 14 можно использовать тот же материал, что и для вспомогательного слоя 10. Наконец, слой 12 плавающего затвора, сополидиэлектрик 13 и вспомогательный слой 14 подвергают селективному обратному полированию, соответственно, обратному травлению, так что они находятся на одной высоте с верхней кромкой в слое 6 диоксида кремния.

Тем самым получают структуру, показанную на фиг.8.

После удаления вспомогательного слоя 14 в канавке 8 посредством зачистки проводят термическое оксидирование, в результате чего образуется верхний оксид, так что теперь в области сополидиэлетрика 13 имеется так называемая структура ONO (оксид - нитрид - оксид). Одновременно на свободно доступном слое 12 плавающего затвора образуют слой оксида и тем самым ее полностью герметизируют. На фиг.9 область верхнего оксида обозначена позицией 15.

Таким образом, теперь слой 12 плавающего затвора полностью герметизирован изоляцией. Он окружен сополидиэлектриком 13, верхним оксидом 15, диэлектриком 9 и оксидным слоем 11 боковой стенки. При термическом оксидировании для образования "герметизирующего оксида" используют то, что поликристаллический кремний с введенными примесями, т.е. материал слоя 12 плавающего затвора вследствие известного фактора ускорения получает более толстый слой оксида, чем поликристаллический кремний без введенных примесей. Кроме того, на фиг.9 можно отчетливо видеть известный "птичий клюв", который образуется между слоем 12 плавающего затвора и сополидиэлектриком 13. Этот "птичий клюв" является типичным и не мешает; однако он не обязательно должен быть предусмотрен.

Затем канавку 8 посредством осаждения заполняют поликристаллическим кремнием с внесенными примесями, который затем подвергают обратному полированию, соответственно, обратному травлению. В результате в канавке 8 возникает слой 16 управляющего затвора.

Тем самым получают структуру, показанную на фиг.9, которая имеет полностью планарную поверхность.

Затем на эту планарную поверхность осаждают линии WL слов с омическим соединением со слоями 16 управляющего затвора и структурируют их. Это структурирование происходит при юстировке относительно полностью теперь заполненной канавки, соответственно, траншеи 8, так что, наконец, получают структуру, показанную на фиг.10. Вид сверху на несколько ячеек памяти согласно фиг.10 показан на фиг.11. Наконец, на фиг.12 показан разрез С-С ячеек памяти согласно фиг. 10. На фиг.11 и 12 для упрощения изображения показаны только линии WL слов, слой 12 плавающего затвора и слой 16 управляющего затвора в заштрихованном виде.

Незначительное нарушение юстировки линий WL слов по отношению к слоям 16 управляющего затвора является допустимым; поскольку линии WL слов и слои управляющих затворов являются электрически проводящими, то во всех ячейках обеспечивается достаточное электрическое соединение между линиями WL слов и слоями управляющих затворов. Между прочим, такие перекрытия при металлизации известны как "не вложенные" перекрытия.

На фиг. 12 транзисторный канал 17 проходит вдоль внешней поверхности бывшей канавки 8. Однако область перекрытия между слоем плавающего затвора и слоем 16 управляющего затвора образована в канавке 8 и является относительно большой. Благодаря этому здесь получают хорошую емкостную связь между слоем 16 управляющего затвора и слоем 12 плавающего затвора.

В ячейках памяти согласно фиг.11 и 12 боковые кромки одной унифицированной ячейки примерно в два раза превосходят минимально структурируемую длину F, так что получают площадь ячейки памяти 4F².

Как показано на фиг.12, канавка 8 выполнена примерно круглой, что учитывает тот факт, что указанная выше "сеть" реально образована слоем 6 диоксида кремния и поликристаллическим слоем 7 поликремния с в основном круглыми отверстиями. Вместо круглой формы можно выбирать также другие формы, в которых округлены углы.

Наконец, на фиг.13 показана схема расположения ячеек памяти с селективными линиями WL select слов и неселективными линиями WL nsel слов, с виртуальным истоком и виртуальным стоком. Если выбрать среднюю ячейку этой схемы, окруженную штриховой линией, то следует указать, например, возможности программирования с помощью "горячих" носителей зарядов (см. таблицу).

С помощью декодера можно обеспечить то, что все ячейки, которые обращены стороной стока к выбранной ячейке, получают одинаковое напряжение стока. Благодаря этому обеспечивается то, что эти ячейки не имеют падения напряжения и тем самым также индивидуального тока исток/сток между разрядными линиями. Это должно выполняться также для всех расположенных со стороны истока ячеек.

В режиме стирания обычно стирают целые блоки, так что при некоторых условиях может уничтожаться разница между WL select и WL nsel. В остальном стирание можно производить также с помощью напряжения WL -12 В и напряжения исток/сток +5 В или, например, с помощью положительного напряжения подложки.

Изобретение позволяет создавать изготовленную с автоматическим юстированием энергонезависимую ячейку памяти, в которой транзисторный канал проходит в области поверхности полупроводникового корпуса, в то время как плавающий затвор и управляющий затвор расположены с взаимным перекрытием в канавке, соответственно, в траншее. Поверхность полупроводникового корпуса является полностью планарной с канавкой, так что она отлично приспособлена для нанесения линий слов, а также для других литографических операций.

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретения: в самоюстируемой энергонезависимой ячейке памяти в области поверхности полупроводниковой подложки (1), расположен МОП-транзистор с областями истока и стока. Электрод (12) запоминающего затвора и электрод (16) управляющего затвора МОП-транзистора расположены с взаимным перекрытием в канавке, в то время как транзисторный канал проходит латерально в области поверхности канавки. Оксид (9) затвора, который изолирует электрод (12) запоминающего затвора от полупроводниковой подложки (1), в области перехода к оксидному слою (11) боковой стенки, а также электрод (12) запоминающего затвора в этой области имеют уступ, а область транзисторного канала выполнена вдоль внешней поверхности вокруг углубления. Техническим результатом изобретения является создание ячейки памяти, которая отличается хорошей связью между плавающим затвором и управляющим затвором и уменьшенными затратами на топологию. 3 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

1. Энергонезависимая ячейка памяти, содержащая области (5) стока и истока, отделенные друг от друга областью (17) канала и выполненные в поверхности полупроводниковой подложки (1), полностью изолированный электрод (12) запоминающего затвора, выполненный в чашеобразном углублении (8) полупроводниковой подложки (1), электрод (16) управляющего затвора, который для емкостной связи с электродом (12) запоминающего затвора входит в углубление (8) полупроводниковой подложки (1), причем углубление (8) полупроводниковой подложки, в котором размещены электроды (12, 16) затворов, расположено между областью истока и областью (5) стока, отличающаяся тем, что оксид (9) затвора, который изолирует электрод (12) запоминающего затвора от полупроводниковой подложки (1), в области перехода к оксидному слою (11) боковой стенки, а также электрод (12) запоминающего затвора в этой области имеют уступ, а область (17) канала выполнена вдоль внешней поверхности вокруг углубления (8). 2. Энергонезависимая ячейка памяти по п. 1, отличающаяся тем, что электрод (12) запоминающего затвора U-образно окружает электрод (16) управляющего затвора, находящийся в середине углубления (8). 3. Энергонезависимая ячейка памяти по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что электрод (12) запоминающего затвора полностью окружен слоями (9, 11, 13, 15) диоксида кремния. 4. Энергонезависимая ячейка памяти по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что электрод (12) запоминающего затвора и электрод (16) управляющего затвора состоят из поликристаллического кремния с введенными примесями.