Самосуміщувана енергонезалежна запам’ятовуюча комірка і спосіб її виготовлення

1 Самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка, в якій зони витоку і стоку МОН-транзистора розміщені в поверхневій області напівпровідникової підкладки (1), причому плаваючий затвор (12) і керуючий затвор (16) МОНтранзистора, взаємно перекриваючись, розміщені в заглибленні (8), а канал (17) транзистора виконано у поверхневій зоні заглиблення (8), яка Винахід стосується самосуміщуваної енергонезалежної запам'ятовуючої комірки згідно з обмежувальною частиною п 1 формули винаходу, а також способу виготовлення такої запам'ятовуючої комірки Запам'ятовування заряду у звичайних енергонезалежних запам'ятовуючих комірках (ЗК) здійснюється ВІДПОВІДНО до так званої концепції плаваючого затвора (Floating Gate, FG) Згідно з цією концепцією, електрично повністю ізольований затвор - указаний плаваючий затвор, - виконаний зазвичай із полікристалічного кремнію, і утворює власне запам'ятовуючий затвор Цей плаваючий затвор має ємнісний зв'язок з іншим затвором, а відрізняється тим, що напівкруглий канал (17) транзистора розміщений на краї заглиблення 2 Самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка за п 1, яка відрізняється тим, що плаваючий затвор (12) у вигляді літери U охоплює керуючий затвор (16), розміщений посередині заглиблення (8) 3 Самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка за п 1 або 2, яка відрізняється тим, що плаваючий затвор (12) повністю оточений шарами (9, 1 1 , 13, 15) дюксиду кремнію 4 Самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка за будь-яким з пп 1-3, яка відрізняється тим, що плаваючий затвор (12) і керуючий затвор (16) виготовлені із легованого пол і кристалічного кремнію 5 Спосіб виготовлення самосуміщуваної енергонезалежної запам'ятовуючої комірки за будь-яким з пп 1-4, який відрізняється тим, що після заповнення заглиблення (8) плаваючим затвором (12) і керуючим затвором (16) і оточення плаваючого затвора ІЗОЛЯЦІЙНИМИ шарами поверхню напівпровідникової структури селективно полірують або протравлюють, одержуючи плоске поле запам'ятовуючих комірок 6 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що поверхню напівпровідникової структури піддають хіміко-механічному поліруванню саме керуючим затвором (Control Gate, CG), за допомогою якого здійснюється управління станом плаваючого затвора Плаваючий і керуючий затвори лежать в різних шарах, відокремлених один від іншого ІЗОЛЯЦІЙНИМ шаром, наприклад, шаром оксиду кремнію Керуючий затвор, як і плаваючий затвор, виконано із полікристалічного кремнію Внаслідок необхідності застосування високих значень напруги програмування в запам'ятовуючих пристроях (ЗП) з такими комірками ємнісний зв'язок з плаваючим затвором має бути максимально сильним, що може бути забезпечено великою площею перекриття між плаваючим і керуючим О со о 1^ ю 57034 затворами Іншими словами, зона, в якій перекриваються плаваючий і керуючий затвори, повинна мати якомога більшу площу Очевидно, що ця вимога суперечить загальному бажанню досягнення високого ступеню інтеграції, оскільки при збільшенні перекриття між плаваючим і керуючим затворами у горизонтальній площині втрачається дорогоцінна площа чіпа Самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка вказаного раніше типу відома із патенту США №4,814,840 Із цього друкованого джерела відоме також виконане в напівпровідниковій підкладці заглиблення, в якому із взаємним перекриттям розміщені плаваючий і керуючий затвори По обидва боки залиблення в поверхневій зоні напівпровідникової підкладки розміщені зони витоку і стоку Схожа самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка, в якій зони витоку і стоку транзистора структури метал-оксид-напівпровідник (МОН-транзистор) розміщені поверхневій області напівпровідникової підкладки, відома із патенту США № 5,045,490 МОН-транзистор має прямокутне у перерізі залиблення, коротка сторона якого розміщена в поверхневій області Всередині заглиблення розміщений керуючий затвор, охоплений вздовж довгих сторін і знизу зігнутим плаваючим затвором Виконана у горизонтальній площині зона перекриття між плаваючим і керуючим затворами описана, наприклад, у роботі YS Hisamune et al, Int Electron Dev Meeting 1993 (IEDM), Washington, cmop 19-22 Для досягнення бажаної великої площі перекриття між плаваючим і керуючим затворами при одночасному економному використанні площі чіпа було запропоновано енергонезалежні запам'ятовуючі комірки інтегрувати у вертикальну структуру Така концепція, згідно з якою стік розміщений на поверхні заглиблення, а витік на дні заглиблення, внаслідок чого канал транзистора простягається перпендикулярно поверхні чіпа вздовж стінок заглиблення, пояснена, наприклад, в Н Р Pein et al, IEDM 93, С 11-14 Одначе, описана структура не забезпечує сильного ємнісного зв'язку Кращий ємнісний зв'язок досягається, якщо використовуються виконані із полікристалічного фіг 1а, 16, 2а, 26, За, 36, 4а, 46, 5-Ю, 11 і 12 фіг 13 Спочатку на поверхні кремнієвої підкладки 1 утворюють тонкий шар 2 дюксиду кремнію товщиною, наприклад, Юнм, який використовують як стоп-шар в ході наступних технологічних операцій травлення Потім на цей шар 2 дюксиду кремнію наносять подвійний шар, що складається із шару 3 нітриду кремнію і шар 4 дюксиду кремнію Шар 3 нітриду кремнію служить в якості стопшару при наступній операції хіміко-механічного полірування і одночасно забезпечує невелику ємність між утвореними пізніше шинами слів ШС (див фіг 10 і 13) і кремнієвою підкладкою 1 Потім подвійний шар структурують Після цього для кремнію бокові стінки плаваючого затвора Ця концепція, при якій, втім, ускладнюється топологія запам'ятовуючої комірки, описана, наприклад, в друкованих виданнях S Antome et al, IEDM 94, San Francisco, cmop 61-64 або S Antome eta I, IEDM 95, Washington, С 275-278 Виходячи із такого стану техніки, задачею даного винаходу є розробка самосуміщуваної енергонезалежної запам'ятовуючої комірки, яка відрізняється добрим зв'язком між плаваючим і керуючим затворами і зменшеними витратами на топологію, крім того, задачею винаходу є розробка способу виготовлення такої запам'ятовуючої комірки Для вирішення цієї задачі даним винаходом запропонована самосуміщувана енергонезалежна запам'ятовуюча комірка з ВІДМІТНИМИ ознаками п 1 формули винаходу, а також спосіб з ВІДМІТНИМИ ознаками п 5 формули винаходу ВИГІДНІ вдосконалення винаходу відображені в додаткових пунктах формули винаходу У винайденій самосуміщуваній енергонезалежний запам'ятовуючій комірці - як частково і в комірках згідно з рівнем техніки - для досягнення великої площі перекриття і, тим самим, великої ємності зв'язку між плаваючим і керуючим затворами використовується третій вимір вглиб заглиблення Правда, - на відміну від рівня техніки - у винайденій комірці канал транзистора простягається у приповерхневій зоні заглиблення, а не вздовж и бокової стінки На відміну від відомих вертикальних транзисторів, у яких канал виконано вертикальним, у винайденій енергонезалежній запам'ятовуючій комірці виконано горизонтальний канал транзистора на боковій СТІНЦІ заглиблення Заглиблення має круглу форму, а по обидва боки заглиблення у поверхневій області напівпровідникової підкладки розміщені зони витоку і стоку У винайденому способі застосовують ХІМІКОмеханічне полірування Завдяки цьому одержують планарне поле запам'ятовуючих комірок, добре придатне для наступних операцій літографи В результаті може бути досягнута площа комірки 4F , де F означає розмір мінімальної структурної одиниці (Feature Size) Нижче винахід пояснюється з використанням креслень На них зображено види зверху або перерізи для пояснення винайденого способу схемний пристрій, що містить винайдені запам'ятовуючі комірки утворення дифузійних зон 5 витоків і стоків здійснюють іонну імплантацію Таким чином одержують зображену на фіг 1а і 16 структуру, причому у виді зверху на фіг 1 для наочності дифузійні зони 5 заштриховані Після ЦЬОГО наносять ще один, аналогічний шару 4, шар 6 дюксиду кремнію, одержаний, наприклад, ХІМІЧНИМ осадженням пари Цей шар 6 протравлюють до досягнення шару 3 Для цього може бути застосоване традиційне ХІМІКОмеханічне полірування або плазмове травлення Таким чином одержують зображену на фіг 2а і 26 структуру, в якій на напівпровідниковій під 57034 кладці 1 почергово розміщені смуги шарів 3 нітриду кремнію і шарів 6 дюксиду кремнію У виді зверху на фіг 2а окремі шари 3 нітриду кремнію заштриховано Потім ДЛЯ ПІДГОТОВКИ структур, придатних для наступного витравлення канавок, наносять ще один шар 7 полікристалічного кремнію і структурують його перпендикулярно смугам шару 3 нітриду кремнію Цей шар має бути селективно протравлений до шару 3 нітриду кремнію і до шару 4 дюксиду кремнію, тому для його утворення використовують полікристалічний кремній Таким чином одержують структуру, зображену на фіг За і 36, причому, на фіг 36 зображений переріз фіг За по лінії В-В Слід ВІДМІТИТИ, ЩО на фіг 26 і 36 для спрощення зображення шар 2 дюксиду кремнію не показано Після ЦЬОГО витравлюють проміжні зони утвореної смугами шару 6 дюксиду кремнію і шару 7 полікристалічного кремнію решітчастої структури, тобто видимі на фіг За ВІЛЬНІ ЗОНИ шару З нітриду кремнію, внаслідок чого в цих місцях відкривається поверхня шару 2 дюксиду кремнію, нанесеного на напівпровідникову підкладку Це травлення здійснюють селективно по відношенню до шару 6 і шару 7 Після цього за допомогою мокрого ХІМІЧНОГО травлення шар 7 полікристалічного кремнію видаляють Наприклад, холін витравлює полікристалічний кремній, не чіпаючи дюксиду кремнію В результаті одержують структуру, зображену на фіг 4а і 46, причому, на фіг 46 зображений переріз фіг 4а по лінії А-А В одержаній структурі в кожній окремій запам'ятовуючій комірці шар 2 дюксиду кремнію лежить на напівпровідниковій підкладці 1, причому пази, що ведуть до покритої шаром 2 дюксиду кремнію напівпровідникової підкладки 1, з обох боків оточені шаром 6 дюксиду кремнію або залишками шару 3 нітриду кремнію Тобто, одержують сітчасту поверхню, причому ця "сітка" утворена шаром 6 дюксиду кремнію і залишками шару 3 нітриду кремнію Ця "сітка" представляє собою маску для наступного травлення канавок На фіг 5 у збільшеному вигляді зображена окрема комірка, наприклад, комірка К, одержана в результаті такого травлення Заглиблення 8 виконане в області відкритої поверхні кремнієвої підкладки 1 Після ЦЬОГО В заглибленні 8 здійснюють конформне осадження шару 9 діелектрика, наприклад, дюксиду кремнію, причому цей шар 9 діелектрика має порівняно велику товщину, завдяки чому утворений пізніше плаваючий затвор має невелику ємність відносно кремнієвої підкладки 1 Крім того, заглиблення 8 заповнюють допоміжним шаром 10, наприклад, із вирівнювального лаку Цей допоміжний шар 10 витравлюють до шару 9 діелектрика або до шару 6 дюксиду кремнію Після ЦЬОГО ЗДІЙСНЮЮТЬ ще анізотропне тра влення діелектричного шару 9 і допоміжного шару 10 на глибину 100-500нм В результаті одержують структуру, зображену на фіг 6 Тут заглиблення 8 в основному в ТІЛІ кремнієвої підкладки 1 заповнене діелектричним шаром 9 і допоміжним шаром 10 Після ЦЬОГО видаляють допоміжний шар 10 Це можна здійснити, наприклад, мокрим способом за допомогою розчинника, плавикової кислоти, або шляхом плазмового травлення за допомогою кисневої плазми Якби діелектричний шар 9 складався із дюксиду кремнію, він би витравлювався плавиковою кислотою Але діелектричний шар 9 має бути стійким до плавикової кислоти Іншими словами, плавикову кислоту можна використовувати лише тоді, коли діелектричний шар 9 стійкий проти неї Потім на бокові стінки відкритої частини заглиблення 8 наносять оксидний шар 11, виконаний, наприклад, із дюксиду кремнію В результаті одержують зображену на фіг 7 структуру, в якій боковий оксидний шар 11 утворює тунельний оксидний шар майбутнього МОНтранзистора Потім у канавці 8 конформно осаджують шар 12 плаваючого затвора, виконаний із полікристалічного кремнію, легованого у замкнутому об'ємі (in situ) Завдяки наявності уступу у верхній частині діелектричного шару 9 у зоні переходу до бокового оксидного шару 11, шар 12 плаваючого затвора також має уступ, який повторюється наступними шарами Для спрощення зображення ці уступи в шарі 12 плаваючого затвора і в наступних шарах не показані Після цього здійснюють конформне осадження штерполі-діелектричного шару 13, що складається, наприклад, із оксидної плівки та нітридної плівки (оксид-нітрид = ОН), і заповнюючого заглиблення допоміжного шару 14 Для виготовлення допоміжного шару 14 може бути використаний такий же матеріал, що й для допоміжного шару 10 На закінчення шар 12 плаваючого затвора, штерполі-діелектричний шар 13 і допоміжний шар 14 селективно поліруються чи витравлюються до одержання висоти цих шарів, рівної висоті шару 6 дюксиду кремнію На фіг 8 зображена одержана структура Після видалення допоміжного шару 14 із заглиблення 8 здійснюють термічне оксидування, в результаті якого виникає топоксид і в зоні інтерполі-діелектричного шару 13 утворюється так звана ОНО-структура (оксид-нітрид-оксид) Одночасно покривається оксидною плівкою шар 12 плаваючого затвора і, таким чином, повністю герметизується На фіг 9 верхня частина топоксиду позначена індексом 15 Тепер шар 12 плаваючого затвора повністю герметизований ІЗОЛЯЦІЙНИМИ шарами Він оточений штерполі-діелектриком 13, топоксидом 15, діелектричним шаром 9 і боковим оксидним шаром 11 При термічному оксидуванні для утворення "герметизуючого оксиду" використовують той факт, що легований полікристалічний кремній, тобто матеріал шару 12 плаваючого затвора, внаслідок відомого коефіцієнта прискорення оксидується в значно більшій мірі, ніж не легований полікристалічний кремній До того ж, на фіг 9 добре видно так званий "пташиний дзьоб", утворений між шаром 12 плаваючого затвора і інтерполі-діелектричним шаром 13 Цей "пташиний дзьоб" є типовим і не заважає, одначе він не є 57034 безумовно бажаним Після ЦЬОГО заглиблення 8 шляхом осадження заповнюють легованим полікристалічним кремнієм, який потім полірують або протравлюють Таким чином одержують шар 16 керуючого затвора На фіг 9 зображена одержана структура, яка має повністю плоску поверхню Потім на цю плоску поверхню осаджують шини слів ШС, що мають омічний контакт із шарами 16 керуючих затворів, і структурують їх Це структурування здійснюють з підгонкою до повністю заповнених канавок 8 Одержана структура зображена на фіг 10 Вид зверху на кілька запам'ятовуючих комірок згідно з фіг 10 зображено на фіг 11 І, нарешті, на фіг 12 зображений переріз запам'ятовуючих комірок згідно з фіг 10 по лінії С-С На фігурах 11 і 12 для наочності зображення лише шини слів ШС, шари 12 плаваючих затворів і шари 16 керуючих затворів заштриховані Незначну підгонку шин слів ШС до шарів 16 керуючих затворів здійснюють з допуском, оскільки шини слів ШС і шари 16 керуючих затворів електропровідні, у всіх комірках забезпечується задовільний електричний контакт між шинами слів ШС і шарами 16 керуючих затворів Втім, таке перекриття в техніці металізації відоме як "non-nested" ШОсел Запис Стирання Зчитування +12В -18В +5В ШОнсел ов ов ов За допомогою декодера можна забезпечити, що на всі комірки, що лежать на стороні стоку вибраної комірки, подається однакова напруга стоку Таким чином забезпечується, що в цих комірках відсутній спад напруги, а, значить і індивідуальний струм ВИТІК/СТІК МІЖ розрядними шинами Такі ж умови слід створити також для всіх комірок, що лежать на стороні витоку даної комірки В режимі стирання в загальному випадку стирають ЦІЛІ бЛОКИ, ТОМУ ріЗНИЦеЮ МЖ ШСсел І І ШСнсел можна знехтувати Втім, стирання можна здійснювати подачею напруги - 12В на шини слів ІІ І | 1І ФІГ. 1а 8 На фіг 12 показано, що канал 17 транзистора проходить вздовж зовнішньої поверхні колишнього заглиблення 8 Зона перекриття між плаваючим затвором і керуючим затвором знаходиться в заглибленні 8 і має порівняно велику площу Завдяки цьому, забезпечується добрий ємнісний зв'язок між плаваючим затвором і керучим затвором У запам'ятовуючих комірках згідно з фіг 11 і 12 довжина бічних поверхонь окремої комірки майже ВДВІЧІ більша від мінімально досяжної структурної довжини F, завдяки чому площа комі2 рки становить 4F Як видно із фіг 12, заглиблення 8 мають круглий переріз, що підтверджує той факт, що згадана раніше "сітка" із смуг шару 6 дюксиду кремнію і смуг шару 7 полікремнію дійсно утворена в основному круглими отворами Замість круглої форми можуть бути використані також ІНШІ форми із заокругленими кутами Нарешті, на фіг 13 зображена схема запам'ятовуючого пристрою на винайдених комірках, ЯКИЙ МІСТИТЬ СелеКТИВНІ ШИНИ СЛІВ ШСсел І НЄСЄ лективні шини слів ШСнсел, віртуальний витік і віртуальний стік Для вибраної середньої комірки цієї схеми, обведеної штриховою ЛІНІЄЮ, є такі можливості програмування з використанням "гарячих" носив зарядів Вірт витік ОВ ОВ ОВ Вірт стік +5В ОВ +1В Vthft Vth4 і напруги ВИТІК/СТІК +5В, або, наприклад, подачею позитивної напруги на підкладку Винайдений спосіб дозволяє виготовити самосуміщувану енергонезалежну запам'ятовуючу комірку, в якій канал транзистора розміщений в поверхневій зоні напівпровідникової підкладки, а плаваючий затвор і керуючий затвор, що взаємно перекриваються, розміщені в заглибленні Поверхня напівпровідникової підкладки з заглибленнями повністю плоска, завдяки чому вона добре придатна для нанесення шин слів або для проведення подальших операцій літографи • \ S > t \ •л • > s N А V ФІГ. 2а -> 3 6 10 57034 В ШШЖЖ r В /f//S/S/'//S/////777 77/7777S7777/7SZ7// ФІГ. 2 6 ФІГ. 36 ФІГ. 46 ФІГ. 5 12 57034 11 6 6 5 ФІГ. 6 5 ФІГ. 7 6 5 6 і ФІГ. 8 13 14 57034 ШС шс шс ФІГ 11 1 5 1 51 3 6 ФІГ. 12 15 16 57034 шснсел ШС ШС сел нсел ФІГ. 13 Віртуальний витік Комп'ютерна верстка Н Кураєва Віртуальний стік Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа,8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна