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Dokumentenidentifikation DE102006019940B3 27.12.2007
Titel Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen mit Minoritätsträgersenke
Anmelder Qimonda AG, 81739 München, DE
Erfinder Stein von Kamienski, Elard, Dr., 01109 Dresden, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 28.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019940
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H01L 27/115(2006.01)A, F, I, 20060428, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen angegeben, bei dem innerhalb eines Halbleiterkörpers (1) im Bereich des Speicherzellenfeldes eine Minoritätsträgersenke (11, 11') ausgebildet ist, die außerhalb einer sich im Halbleiterkörper bei Betrieb der Halbleiterspeicherzellen ausbildenden Raumladungszonenstruktur (10, 10') angeordnet ist und eine im Vergleich zu einer bis zu einer Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) reichenden Halbleiterzone (2) geringere Minoritätsträgerlebensdauer aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Minoritätsträgersenke für ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen mit Minoritätsträgersenke.

Beim Betrieb von Speicherzellenfeldern mit nicht-flüchtigen Speicherzellen wie etwa Twin-Flash-Speicherzellen entstehen Minoritätsträger innerhalb einer Halbleiterzone wie etwa einer Wannenzone der Speicherzellen. Die Lebensdauer derartiger Minoritätsträger ist beispielsweise in bekannten Speicherzellenfelder aus kristallinem Silizium derart groß, dass diese viele Mikrometer weit diffundieren können, bevor eine Rekombination mit einem Majoritätsträger erfolgt. Während dieser Diffusion können die Minoritätsträger auch Grenzflächenzustände einer unteren Oxidschicht einer ONO-(Oxid-Nitrid-Oxid)-Speicherschicht von benachbarten Speicherzellen erreichen, dort eingefangen werden oder sogar bei Vorhandensein entsprechender elektrischer Felder in die Nitridschicht injiziert werden. Hierbei ändert sich der Ladungszustand innerhalb der ONO-Speicherschicht der benachbarten Speicherzellen, was einen unerwünschten Informationsverlust mit sich bringt.

WO 86/02202 A1 betrifft einen Entladeschutz für ein Ladungsspeicherverarmungsgebiet. Hierzu wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abschirmen von Halbleiterladungsspeichervorrichtungen vor Einflüssen durch Partikel oder ionisierende Strahlung, die innerhalb des Volumens des Halbleitersubstrats absorbiert werden, angegeben durch Bereitstellen einer freien Ladungsträgerabschirmung bestehend aus einer vergrabenen Schicht mit sehr geringer Lebensdauer im ungestörten Material unterhalb der Verarmungsgebiete, welche mit den Ladungsspeichervorrichtungen verknüpft sind. Die Schicht mit sehr niedriger Lebensdauer wird durch Ionenimplantation einer übersättigten Zone von Fremdstoffen wie Sauerstoff, die tiefe Rekombinationszentren angeben und chemisch mit dem Substratmaterial reagieren, bereitgestellt, wodurch thermisch stabile Komplexe angegeben werden, die während eines nachgelagerten Implantationserhitzungszyklus nicht ausheilen.

US 2006/0049464 A1 betrifft eine Halbleitervorrichtung mit abgestuften Dotierstoffgebieten. Die überwiegende Anzahl heutzutage hergestellter Halbleitervorrichtungen weist gemäß dieser Druckschrift eine gleichmäßige Dotierstoffkonzentration auf, entweder entlang der lateralen als auch der vertikalen aktiven (und isolierten) Gebiete der Vorrichtung. Durch Abstufen der Dotierstoffkonzentration lässt sich das Leistungsverhalten in verschiedenartigen Halbleitervorrichtungen erheblich verbessern. Die Verbesserungen können in Applikations-spezifischen Gebieten erzielt werden, z. B. eine Erhöhung der Betriebsfrequenz digitaler Logik, verschiedenartiger Leistungs-MOSFETS und IGBT ICs, eine Verbesserung in der Refreshzeit für DRAMS, eine Erniedrigung der Programmierzeit für nichtflüchtige Speicher, eine bessere sichtbare Qualität einschließlich der Pixelauflösung und Farbempfindlichkeit für abbildende ICs, einer besseren Empfindlichkeit für Varaktoren in abstimmbaren Filtern, eine höhere Treiberfähigkeit für JFETS.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Minoritätsträgersenke für ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen anzugeben, das der oben im Zusammenhang mit der Diffusion von Minoritätsträgern erläuterten Problematik entgegenwirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1, 5 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ein zur Erläuterung der Erfindung dienendes Beispiel betrifft ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen mit einem Halbleiterkörper mit einer bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichenden Halbleiterzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp, innerhalb der Halbleiterzone ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen, einem an der Oberfläche zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen ausgebildeten Kanalbereich, einem auf dem Kanalbereich ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel, einer auf dem dielektrischen Schichtstapel ausgebildeten Gateelektrode, wobei die Gateelektrode elektrisch an eine Wortleitung angeschlossen ist, einer Raumladungszonenstruktur, die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann, und wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten Minoritätsträgersenke, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke außerhalb der Raumladungszonenstruktur angeordnet ist und eine im Vergleich zur Halbleiterzone geringere Minoritätsträgerlebensdauer aufweist.

Der Halbleiterkörper kann beispielsweise aus Si, Ge, SiGe, SiC, III-V Verbindungshalbleitern wie GaAs oder auch weiteren Halbleitermaterialien oder Verbindungshalbleitern ausgebildet sein. Die als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen sind vorzugsweise als dotierte Halbleitergebiete ausgebildet und erstrecken sich innerhalb des Speicherzellenfeldes entlang einer Abfolge von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen.

Der dielektrische Schichtstapel weist vorzugsweise aufeinander gestapelte dielektrische Schichten auf, wobei wenigstens eine dieser dielektrischen Schichten derart gewählt ist, dass diese als Ladungsspeicherschicht dient. Beispielsweise kann der dielektrische Schichtstapel ein ONO-Stapel sein, bei dem die Nitridschicht als Ladungsträgerspeicherschicht dient. Die Gateelektrode ist vorzugsweise aus einem leitfähigen Material ausgebildet und kann beispielsweise aus einem dotierten Halbleitermaterial, aus einem intrinsischen Halbleitermaterial bei ausreichender intrinsischer Leitfähigkeit oder auch aus einem Metall bestehen. Beispielsweise ist die Gateelektrode aus dotiertem polykristallinen Silizium ausgebildet. An die Wortleitung ist ebenso eine Abfolge von Halbleiterspeicherzellen angeschlossen. Die Wortleitung kann beispielsweise aus demselben Material wie die Gateelektrode gebildet sein oder aber auch aus einem vom Material der Gateelektrode verschiedenen leitfähigen Material. Wie auch bei der Gateelektrode kann es sich hierbei beispielsweise um ein dotiertes Halbleitermaterial, um ein intrinsisches Halbleitermaterial bei ausreichender intrinsischer Leitfähigkeit oder aber auch um ein Metall handeln. In vorteilhafter Weise lässt sich über ausgewählte Bitleitungen sowie eine Wortleitung eine bestimmte Halbleiterspeicherzelle im Speicherzellenfeld ansteuern.

Die Raumladungszonenstruktur umfasst alle Bereiche innerhalb der Halbleiterzone, in denen sich unter Betriebsbedingungen eine Raumladungszone ausbilden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine die Bitleitungen umgebende Raumladungszone bei vorliegendem Spannungsabfall zwischen Bitleitung und Halbleiterzone handeln. Ebenso werden hierdurch mögliche Raumladungszonenbereiche erfasst, die auf einen Spannungsabfall zwischen der Gateelektrode und der Halbleiterzone zurückzuführen sind. Die Halbleiterzone kann beispielsweise eine dotierte Wannenzone sein. Der erste Leitfähigkeitstyp kann ein p-Typ sein, so dass ein hierzu entgegengesetzter zweiter Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist. Ebenso ist es möglich, dass der erste Leitfähigkeitstyp ein n-Typ ist und der zweite Leitfähigkeitstyp als p-Typ ausgebildet ist.

Die Minoritätsträgersenke stellt ein Gebiet oder eine Ansammlung von Gebieten innerhalb des Halbleiterkörpers dar und weist keine Überlappung mit der Raumladungszonenstruktur auf. Dadurch wird sichergestellt, dass kein zusätzlicher Leckstrom innerhalb der Halbleiterzone erzeugt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Minoritätsträgerlebensdauer innerhalb der wenigstens einen Minoritätsträgersenke wenigstens 10 mal geringer als innerhalb der Halbleiterzone. Hierdurch lässt sich einer unerwünschten Diffusion von Minoritätsträgern in benachbarte Halbleiterspeicherzellen und insbesondere in die Umgebung dortiger Ladungsspeicherzonen entgegenwirken.

Vorteilhaft ist es, falls eine der Minoritätsträgerlebensdauer entsprechende Diffusionslänge innerhalb der wenigstens einen Minoritätsträgersenke kleiner als ein Abstand benachbarter Speicherzellen eingestellt ist. Eine Verringerung der Minoritätsträgerlebensdauer und damit eine Verkürzung der Diffusionslänge von Minoritätsträgern lässt sich durch Erhöhen der Minoritätsträgerrekombination innerhalb der wenigstens einen Minoritätsträgersenke erzielen. Eine erhöhte Rekombinationsrate kann beispielsweise durch Vergrößern einer Kristalldefektdichte und damit dem Einbringen von Rekombinationszentren oder auch durch Vergrößern einer Dotierstoffkonzentration innerhalb der wenigstens einen Minoritätsträgersenke zur Erhöhung von Auger-Rekombination erzielt werden.

In vorteilhafter Weise weist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke wenigstens eine tiefe Störstelle oder eine tiefe Störstellenverteilung auf. Hierdurch lässt sich eine verstärkte Rekombination erzielen, die beispielsweise durch das so genannte Shockley-Read-Hall-Rekombinationsmodell beschrieben werden kann.

Bei einer Ausführungsform weist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke wenigstens eines der tiefe Störstellen verursachenden Elemente der Gruppe bestehend aus Au, Ge, Fe, Ni, Cu, C, Ta, V, Cd und Co auf. Bei Einbringen derartiger metallischer Verunreinigungen in den Halbleiterkörper ist jedoch darauf zu achten, dass ein nach dem Einbringen eines oder mehrerer dieser Elemente während des weiteren Prozessablaufs noch durchzuführendes Temperaturbudget zu keiner derart starken Ausdiffusion dieser Elemente führt, dass die elektrischen Eigenschaften der Halbleiterspeicherzellen dadurch verschlechtert werden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke wenigstens teilweise einen amorphen Aufbau auf. Der amorphe Aufbau führt zu einer tiefen Störstellenverteilung innerhalb einer Energiebandlücke des Halbleiterkörpers und damit zur gewünschten Verstärkung der Rekombination. Denkbar ist es, die Halbleiterzone von der Oberfläche aus bis zu einer bestimmten Tiefe in den Halbleiterkörper hinein zu rekristallisieren, z.B. mittels Laserkristallisation, wobei ein unterhalb des rekristallisierten Gebietes verbleibender amorpher Bereich als Minoritätsträgersenke dient.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind innerhalb der wenigstens einen Minoritätsträgersenke Versetzungen mit einer Dichte von wenigstens 1011 cm–2 ausgebildet. An Versetzungen tritt eine verstärkte Rekombination auf und mit Versetzungsdichten oberhalb von 1011 cm–2 lässt sich eine vorteilhafte Reduzierung der Minoritätsträgerlebensdauer erzielen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke eine maximale Dotierstoffkonzentration von größer als 1017 cm–3 auf. Derart hohe Dotierstoffkonzentrationen führen etwa zu einer verstärkten Auger-Rekombination in Silizium. Der Mechanismus der Auger-Rekombination kann somit über die Dotierstoffkonzentration zur Einstellung der Minoritätsträgerlebensdauer genutzt werden. Die wenigstens eine Minoritätsträgersenke kann beispielsweise als tief in den Halbleiterkörper implantierte Wannenzone ausgebildet sein.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke innerhalb der Halbleiterzone eingebettet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Speicherzellenfeld mit nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen angegeben mit einem Halbleiterkörper mit einer bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichenden Halbleiterzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp, innerhalb der Halbleiterzone ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen, einem an der Oberfläche zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen ausgebildeten Kanalbereich, einem auf dem Kanalbereich ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel, einer auf dem dielektrischen Schichtstapel ausgebildeten Gateelektrode, wobei die Gateelektrode elektrisch an eine Wortleitung angeschlossen ist, einer Raumladungszonenstruktur, die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann, wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten Minoritätsträgersenke von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke außerhalb der Raumladungszonenstruktur angeordnet und mit der Halbleiterzone kurzgeschlossen ist.

Somit können die Minoritätsträger wie bei einer Solarzelle im Kurzschluss über ein zwischen der wenigstens einen Minoritätsträgersenke und der Halbleiterzone eingebautes elektrisches Feld in vorteilhafter Weise abgesaugt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die wenigstens eine Minoritätsträgersenke und die Halbleiterzone über eine elektrische Verbindung außerhalb des Halbleiterkörpers kurzgeschlossen. Beispielsweise können die Halbleiterzone als auch die wenigstens eine Minoritätsträgersenke über die Oberfläche kontaktiert, z.B. mit einem leitfähigen Kontaktstöpsel und an eine gemeinsame Metallebene angeschlossen und damit kurzgeschlossen werden. Die wenigstens eine Minoritätsträgersenke innerhalb des Halbleiterkörpers kann beispielsweise über eine weitere Halbleiterzone vom selben Leitfähigkeitstyp zur Oberfläche geführt werden, z.B. über einen so genannten Buried-Layer. Ebenso kann die wenigstens eine Minoritätsträgersenke beispielsweise über einen Graben mit leitfähigem Füllmaterial zur Oberfläche geführt werden.

Alternativ hierzu kann es ebenso von Vorteil sein, falls die wenigstens eine Minoritätsträgersenke und die Halbleiterzone innerhalb des Halbleiterkörpers kurzgeschlossen sind. Ein derartiger Kurzschluss zwischen diesen beiden Zonen kann beispielsweise über ein Silizid innerhalb des Halbleiterkörpers bereitgestellt werden. Ebenso ist es möglich, einen Kurzschluss durch Ladungsträgertunneln bei entsprechend hoher Dotierstoffkonzentration in einem hierfür vorgesehenen Übergangsbereich bereitzustellen.

In vorteilhafter Weise sind die wenigstens eine Minoritätsträgersenke und die Halbleiterzone an eine untere Versorgungsspannung angeschlossen. Bei der unteren Versorgungsspannung kann es sich beispielsweise um ein Ground- (GND), Masse- oder Erd-Potenzial handeln.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen angegeben mit einem Halbleiterkörper mit einer bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichenden Halbleiterzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp, innerhalb der Halbleiterzone ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen, einem an der Oberfläche zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen ausgebildeten Kanalbereich, einem auf dem Kanalbereich ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel, einer auf dem dielektrischen Schichtstapel ausgebildeten Gateelektrode, wobei die Gateelektrode elektrisch an eine Wortleitung angeschlossen ist, einer Raumladungszonenstruktur, die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann, und wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten Minoritätsträgersenke von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke außerhalb der Raumladungszonenstruktur floatend angeordnet ist. Somit ist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke an kein definiertes Potenzial angeschlossen, d.h. diese ist potenzialfrei. Beispielsweise kann die wenigstens eine Minoritätsträgersenke gänzlich von einer Halbleiterzone vom entgegengesetzten ersten Leitfähigkeitstyp umgeben sein.

In vorteilhafter Weise ist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke innerhalb der Halbleiterzone eingebettet. Eine derartige Einbettung lässt sich beispielsweise durch eine tiefe Implantation zur Ausbildung der Senke erzielen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen angegeben mit einem Halbleiterkörper mit einer bis zu einer Oberfläche des Halbleiterkörpers reichenden Halbleiterzone von einem ersten Leitfähigkeitstyp, innerhalb der Halbleiterzone ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen, einem an der Oberfläche zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen ausgebildeten Kanalbereich, einem auf dem Kanalbereich ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel, einer auf dem dielektrischen Schichtstapel ausgebildeten Gateelektrode, wobei die Gateelektrode elektrisch an eine Wortleitung angeschlossen ist, einer Raumladungszonenstruktur, die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann, und wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildeten Minoritätsträgersenke von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke außerhalb der Raumladungszonenstruktur angeordnet ist und die Halbleiterzone an eine relativ zur wenigstens einen Minoritätsträgersenke im Bereich von –2 V bis 0 V bzw. 0 V bis 2 V liegende Spannung angeschlossen ist, falls die Halbleiterzone vom p-Leitfähigkeitstyp bzw. n-Leitfähigkeitstyp ist. Somit ist die Halbleiterzone gegenüber der wenigstens einen Minoritätsträgersenke in Sperrrichtung gepolt. Während dies einerseits eine Sekundärgeneration von Minoritätsträgern geringfügig erhöht, kann andererseits infolge der sich ausgehend von der wenigstens einen Minoritätsträgersenke zur Oberfläche hin ausdehnenden weiteren Raumladungszonenstruktur ein wirksamere Absaugung der Minoritätsträger erzielt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spannung zwischen der Halbleiterzone und der wenigstens einen Minoritätsträgersenke regelbar. Abhängig vom Betriebszustand des Speicherzellenfeldes kann somit eine vorteilhafte Absaugung der Minoritätsträger erzielt werden.

In vorteilhafter Weise ist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke hierbei an eine untere Versorgungsspannung angeschlossen.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen Twin-Flash-Speicherzellen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die wenigstens eine Minoritätsträgersenke als Mehrzahl von in regelmäßigem Abstand angeordneten einzelnen Minoritätsträgersenken ausgebildet. Der Abstand der benachbarten einzelnen Minoritätsträgersenken kann beispielsweise übereinstimmend zum Abstand benachbarter Halbleiterspeicherzellen gewählt sein. Besonders vorteilhaft ist es, falls die einzelnen Minoritätsträgersenken ohne eine eigens hierfür vorgesehene Lithographie-Maske ausgebildet werden können. Beispielsweise könnten die einzelnen Minoritätsträgersenken über einen Implantationsschritt unter Zuhilfenahme einer im Prozess inhärent vorhandenen Source/Drain-Maske ausgebildet werden. Selbstverständlich ist es zur Ausbildung der einzelnen Minoritätsträgersenken ebenso möglich weitere geeignete Masken heranzuziehen. Somit können die einzelnen Minoritätsträgersenken deckungsgleich zu weiteren Halbleiterzonen innerhalb des Halbleiterkörpers ausgebildet werden.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht. Es zeigen:

1A und B eine schematische Querschnittsansicht sowie eine schematische Aufsicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von bekannten nicht-flüchigen Halbleiterspeicherzellen;

2 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

3 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

4 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

5 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

In 1A ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von bekannten nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzellen dargestellt. Innerhalb eines Halbleiterkörpers 1 ist eine Halbleiterzone 2 bis zu einer Oberfläche 3 des Halbleiterkörpers 1 ausgebildet. Innerhalb der Halbleiterzone 2 sind zueinander benachbarte und als Source/Drain-Gebiete dienende Bitleitungen 4 ausgebildet. Zwischen benachbarten Bitleitungen 4 liegt ein Kanalbereich 5. Auf dem Kanalbereich 5 ist ein dielektrischer Schichtstapel 6 vereinfacht dargestellt. Der dielektrische Schichtstapel 6 kann beispielsweise als ONO-(Oxid-Nitrid-Oxid)-Schichtabfolge ausgebildet sein und dient als Ladungsspeicherzone. Auf dem dielektrischen Schichtstapel 6 liegt eine Gateelektrode 7, welche an eine vereinfacht dargestellte Wortleitung 8 angeschlossen ist. Die Wortleitung 8 ist mit einer Mehrzahl von Gateelektroden 7 einer Abfolge von aufeinander folgend angeordneten Speicherzellen verbunden. Hierbei wird eine Speicherzelle beispielsweise über zwei benachbarte Bitleitungen 4 als jeweiliges Source- und Drain-Gebiet sowie dem dazwischen liegenden Kanalbereich 5, der dielektrischen Schichtstruktur 6 und der Gateelektrode 7 ausgebildet. Wie dem in 1A dargestellten Ausschnitt des Speicherzellenfeldes zu entnehmen ist, dient etwa die mittlere der drei dargestellten Bitleitungen 4 als gemeinsames Source/Drain-Gebiet einer links bzw. rechts zur besagten Bitleitung 4 angrenzenden Halbleiterspeicherzelle. Die Halbleiterzone 2 ist vereinfacht dargestellt an eine untere Versorgungsspannung GND angeschlossen. Ein derartiger Anschluss kann beispielsweise mittels einer die Halbleiterzone 2 über die Oberfläche 3 kontaktierenden Dummy-Wortleitung bereitgestellt werden. Es sei angenommen, dass am Ort A ein Minoritätsträger (vereinfacht als "–" gekennzeichnet) erzeugt wurde. Der Minoritätsträger kann nun zu einer benachbarten Speicherzelle zum schematisch gekennzeichneten Ort B diffundieren und dort bei Vorhandensein von elektrischen Feldern auch in eine Ladungsspeicherschicht des dielektrischen Schichtstapels 6 gelangen. Dies kann den Speicherzustand der entsprechenden Speicherzelle ändern.

In 1B ist eine schematische Aufsicht auf das in 1A als Querschnitt dargestellte Speicherzellenfeld gezeigt. Hierbei verlaufen die Bitleitungen 4 senkrecht zu den Wortleitungen 8, wobei die Abmessungen einer einzelnen Speicherzelle 9 schematisch gekennzeichnet sind. Die einzelne Speicherzelle 9 lässt sich somit über eine zugeordnete Wortleitung 8 als auch über zwei zugeordnete Bitleitungen 4 ansteuern.

In 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.

Komponenten, die mit denjenigen des bekannten Speicherzellenfeldes in 1A übereinstimmen, werden in 2 als auch in den weiteren Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet und auf eine erneute Beschreibung derselbigen wird verzichtet. Hierbei sei auf die Beschreibung zur 1A verwiesen.

Das Speicherzellenfeld weist eine Raumladungszonenstruktur 10 auf, wodurch diejenigen Bereiche innerhalb der Halbleiterzone 2 kennzeichnet werden, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann. Außerhalb der Raumladungszonenstruktur 10 und tiefer innerhalb des Halbleiterkörpers 1 gelegen ist eine Minoritätsträgersenke 11 ausgebildet. Die Minoritätsträgersenke 11 weist einen vom Leitfähigkeitstyp der Halbleiterzone 2 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf. Beispielsweise können die Halbleiterzone 2 vom p-Typ und die Minoritätsträgersenke 11 vom n-Typ sein. Die Minoritätsträgersenke 11 grenzt nach unten an eine weitere Halbleiterzone 2' an. Die weitere Halbleiterzone 2' ist vom selben Leitfähigkeitstyp wie die Halbleiterzone 2. Beispielsweise kann die Halbleiterzone 2 und die weitere Halbleiterzone 2' als gemeinsame Wannenzone ausgebildet sein, so dass die Minoritätsträgersenke 11 darin eingebettet ist. Eine derartige Einbettung der Minoritätsträgersenke 11 kann beispielsweise über eine tiefe Implantation erzielt werden. Die Halbleiterzone 2, die Minoritätsträgersenke 11 als auch die weitere Halbleiterzone 2' sind kurzgeschlossen und mit einem unteren Versorgungspotenzial GND verbunden. Ein in der 2 vereinfacht dargestelltes Kurzschließen der Zonen 2, 11, 2' kann beispielsweise innerhalb des Halbleiterkörpers 1 erfolgen. Ebenso können die Zonen 2, 11, 2' auch außerhalb des Halbleiterkörpers 1 kurzgeschlossen werden, z.B. mittels einer Metallebene und Kontaktstöpseln. Im Übergangsbereich zwischen der Minoritätsträgersenke 11 und der Halbleiterzone 2 als auch der Minoritätsträgersenke 11 und der weiteren Halbleiterzone 2' bildet sich trotz der kurzgeschlossenen Gebiete eine weitere Raumladungszonenstruktur 10' mit einem eingebauten elektrischen Feld aus. Ein am Ort A generierter Minoritätsträger kann somit am Ort B über das eingebaute elektrische Feld der weiteren Raumladungszonenstruktur 10' abgesaugt werden. Dadurch lässt sich einer Diffusion der Minoritätsladungsträger zu benachbarten Speicherzellen entgegenwirken.

In 3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts aus einem Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zur in 2 gezeigten ersten Ausführungsform kann die Minoritätsträgersenke 11 floatend, d.h. potenzialfrei, ausgebildet sind. Ebenso kann die Minoritätsträgersenke 11 beispielsweise als Zone mit Rekombinationszentren ausgebildet sein. In diesem Falle ist es nicht erforderlich, dass die Minoritätsträgersenke einen von den Halbleiterzonen 2, 2' verschiedenen Leitfähigkeitstyp aufweist, was im ersteren Falle der floatenden Minoritätsträgersenke 11 jedoch gegeben ist. Eine Verringerung der Minoritätsträgerlebensdauer kann durch verstärkte Rekombination an Rekombinationszentren innerhalb der Minoritätsträgersenke erzielt werden, z.B. mittels so genannter Lifetime-Killer, wie Au, oder Kristallfehlern wie etwa Versetzungen. Wie schon im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform in 2 erläutert, wird es durch Erniedrigung der Minoritätsträgerlebensdauer beispielsweise erschwert, dass ein am Ort A erzeugter Minoritätsträger zu einer benachbarten Speicherzelle diffundiert, da der Minoritätsträger am Ort B von der Minoritätsträgersenke 11 abgesaugt werden kann.

In 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts auf ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zu den in den 2 und 3 dargestellten ersten und zweiten Ausführungsformen weist die dritte Ausführungsform der Erfindung einzelne innerhalb der Halbleiterzone 2 eingebettete Minoritätsträgersenken 11' auf. Die Halbleiterzone 2 ist hierbei an die untere Versorgungsspannung GND angeschlossen. Die einzelnen Minoritätsträgersenken 11' sind in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Die Positionierung der einzelnen Minoritätsträgersenken 11' deckt sich mit der Anordnung der Bitleitungen 4. Vorzugsweise wird zu deren Ausbildung eine für die Bitleitungen 4 vorgesehene Maske verwendet. Die einzelnen Minoritätsträgersenken 11 weisen beispielsweise eine im Vergleich zur Halbleiterzone 2 erhöhte Konzentration von Rekombinationszentren auf. Die Rekombinationszentren können etwa durch so genannte Lifetime-Killer wie Au oder auch durch Kristalldefekte wie etwa Versetzungen ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, die einzelnen Minoritätsträgersenken als floatende Halbleitergebiete von einem im Vergleich zur Halbleiterzone 2 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auszubilden.

In 5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausschnitts auf ein Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Im Gegensatz zu der in den 2 gezeigten ersten Ausführungsform weist die Halbleiterzone 2 ein Potenzial im Bereich von –2V bis 0V auf. Es sei angenommen, dass die Halbleiterzone 2 als auch die weitere Halbleiterzone 2' vom p-Leitfähigkeitstyp seien. Die Minoritätsträgersenke sei vom n-Leitfähigkeitstyp. Somit ist ein pn-Übergang zwischen der Halbleiterzone 2 und der Minoritätsträgersenke 11 in Sperrrichtung gepolt, weshalb sich die weitere Halbleiterzonenstruktur 10' nach oben in die Halbleiterzone 2 hinein erstreckt und ein besseres Absaugen von Minoritätsträgern möglich wird. Ein Beschränkung der Vorspannung der Halbleiterzone 2 auf Spannungen bis –2V ermöglicht es, eine Erzeugung von sekundären Minoritätsträgern auf einem für den Betrieb der Speicherzellen unschädlichen Niveau zu halten.

1
Halbleiterkörper
2
Halbleiterzone
2'
weitere Halbleiterzone
3
Oberfläche
4
Bitleitung
5
Kanalbereich
6
dielektrischer Schichtstapel
7
Gateelektrode
8
Wortleitung
9
einzelne Speicherzelle
10
Raumladungszonenstruktur
10'
weitere Raumladungszonenstruktur
11
Minoritätsträgersenke
11'
einzelne Minoritätsträgersenken


Anspruch[de]
Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen mit:

einem Halbleiterkörper (1) mit einer bis zu einer Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) reichenden Halbleiterzone (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;

innerhalb der Halbleiterzone (2) ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen (4);

einem an der Oberfläche (3) zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen (4) ausgebildeten Kanalbereich (5);

einem auf dem Kanalbereich (5) ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel (6);

einer auf dem dielektrischen Schichtstapel (6) ausgebildeten Gatelektrode (7), wobei die Gateelektrode (7) elektrisch an eine Wortleitung (8) angeschlossen ist;

einer Raumladungszonenstruktur (10), die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone (2) umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann; und

wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers (1) ausgebildeten Minoritätsträgersenke (11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) außerhalb der Raumladungszonenstruktur (10) angeordnet und mit der Halbleiterzone (2) kurzgeschlossen ist.
Speicherzellenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) und die Halbleiterzone (2) über eine elektrische Verbindung außerhalb des Halbleiterkörpers (1) kurzgeschlossen sind. Speicherzellenfeld nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) und die Halbleiterzone (2) innerhalb des Halbleiterkörpers (1) kurzgeschlossen sind. Speicherzellenfeld nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) und die Halbleiterzone (2) an eine untere Versorgungsspannung (GND) angeschlossen sind. Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen mit:

einem Halbleiterkörper mit einer bis zu einer Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) reichenden Halbleiterzone (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;

innerhalb der Halbleiterzone (2) ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen (4);

einem an der Oberfläche (3) zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen (4) ausgebildeten Kanalbereich (5);

einem auf dem Kanalbereich (5) ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel (6);

einer auf dem dielektrischen Schichtstapel (6) ausgebildeten Gatelektrode (7), wobei die Gateelektrode (7) elektrisch an eine Wortleitung (8) angeschlossen ist;

einer Raumladungszonenstruktur (10), die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone (2) umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann; und

wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers (1) ausgebildeten Minoritätsträgersenke (11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) außerhalb der Raumladungszonenstruktur (10) floatend angeordnet ist.
Speicherzellenfeld nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) innerhalb der Halbleiterzone (2) eingebettet ist. Speicherzellenfeld von nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen mit:

einem Halbleiterkörper (1) mit einer bis zu einer Oberfläche (3) des Halbleiterkörpers (1) reichenden Halbleiterzone (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp;

innerhalb der Halbleiterzone (2) ausgebildeten und als Source/Drain-Gebiete dienenden vergrabenen Bitleitungen (4);

einem an der Oberfläche (3) zwischen jeweils zwei der vergrabenen Bitleitungen (4) ausgebildeten Kanalbereich (5);

einem auf dem Kanalbereich (5) ausgebildeten und als Ladungsspeicherzone dienenden dielektrischen Schichtstapel (6);

einer auf dem dielektrischen Schichtstapel (6) ausgebildeten Gatelektrode (7), wobei die Gateelektrode (7) elektrisch an eine Wortleitung (8) angeschlossen ist;

einer Raumladungszonenstruktur (10), die jene Bereiche innerhalb der Halbleiterzone (2) umfasst, in denen sich während des Betriebs der Halbleiterspeicherzellen eine Raumladungszone ausbilden kann;

wenigstens einer innerhalb des Halbleiterkörpers (1) ausgebildeten Minoritätsträgersenke (11) von einem zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzten zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) außerhalb der Raumladungszonenstruktur (10) angeordnet ist und die Halbleiterzone (2) an eine relativ zur wenigstens einen Minoritätsträgersenke (11) im Bereich von –2V bis 0V bzw. 0V bis 2V liegende Spannung angeschlossen ist, falls die Halbleiterzone (2) vom p-Leitfähigkeitstyp bzw. n-Leitfähigkeitstyp ist.
Speicherzellenfeld nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung zwischen der Halbleiterzone (2) und der wenigstens einen Minoritätsträgersenke (11) regelbar ist. Speicherzellenfeld nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) an eine untere Versorgungsspannung angeschlossen ist. Speicherzellenfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-flüchtigen Halbleiterspeicherzellen Twin-Flash-Speicherzellen sind. Speicherzellenfeld nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Minoritätsträgersenke (11) als Mehrzahl von in regelmäßigem Abstand angeordneten einzelnen Minoritätsträgersenken (11') ausgebildet ist. Speicherzellenfeld nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Minoritätsträgersenken (11') deckungsgleich zu weiteren Halbleiterzonen innerhalb des Halbleiterkörpers (1) liegen.






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