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Die
Erfindung betrifft eine Halbleiterspeicherzelle, insbesondere in
einem DRAM-Speicherzellenfeld, mit einem Auswahltransistor und einem
Speicherkondensator, bei der der Speicherkondensator eine erste
und eine zweite Kondensatorelektrode aufweist, die erste Kondensatorelektrode über den Auswahltransistor
mit einer Ausleseleitung verbunden ist, und bei der ein Steueranschluß des Auswahltransistors
mit einer Steuerleitung verbunden ist.
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Derartige
Speicherzellen werden beispielsweise in dynamischen Schreib-/Lesespeichern
mit wahlfreiem Zugriff (DRAM) eingesetzt. Ein DRAM-Chip enthält eine
Matrix von Speicherzellen, die in Form von Zeilen und Spalten angeordnet
sind und von Wortleitungen als Steuerleitungen und Bitleitungen
als Ausleseleitungen angesteuert werden. Das Auslesen von Daten
aus den Speicherzellen, oder das Schreiben von Daten in die Speicherzellen, wird
durch die Aktivierung geeigneter Wortleitungen und Bitleitungen
bewerkstelligt.
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Jede
der Speicherzellen enthält
zum Zweck der Ladungsspeicherung einen Kondensator, wobei der Ladungszustand
in dem Kondensator ein Datenbit repräsentiert. Üblicherweise enthält die Speicherzelle
weiter einen mit einem Kondensator verbundenen Transistor. Der Transistor
weist zwei Diffusionsgebiete auf, welche durch einen Kanal voneinander getrennt
sind, der von einem Gate als Steueranschluß gesteuert wird. Abhängig von
der Richtung des Stromflusses wird ein Diffusionsbereich als Drain und
der andere als Source bezeichnet. Das Drain-Gebiet ist mit der Bitleitung, das Source-Gebiet ist
mit dem Kondensator und das Gate ist mit der Wortleitung verbunden.
Durch Anlegen geeigneter Spannungen an das Gate wird der Transistor
so gesteuert, daß ein
Stromfluß zwischen
dem Drain-Gebiet und dem Source-Gebiet durch den Kanal ein- und
ausgeschaltet wird.
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Die
in dem Kondensator gespeicherte Ladung baut sich mit der Zeit aufgrund
von Leckströmen
ab. Bevor sich die Ladung auf einen unbestimmten Pegel unterhalb
eines Schwellwertes abgebaut hat, muß der Speicherkondensator aufgefrischt
werden. Aus diesem Grund werden diese Speicherzellen als dynamisches
RAM (DRAM) bezeichnet. Eine derartige Speicherzelle ist beispielsweise
aus der Patentschrift
US 5,867,420 bekannt.
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Das
zentrale Problem bei den bekannten DRAM-Varianten ist die Erzeugung
einer ausreichend großen
Kapazität
des Kondensators. Diese Problematik verschärft sich in Zukunft durch die
fortschreitende Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen. Die
kontinuierliche Erhöhung
der Integrationsdichte bedeutet, daß die pro Speicherzelle zur Verfügung stehende
Fläche
und damit die Kapazität des
Kondensators immer weiter abnimmt. Eine zu geringe Kapazität des Kondensators
kann die Funktionstüchtigkeit
und Verwendbarkeit der Speichervorrichtung nachteilig beeinflussen,
da eine zu geringe Ladungsmenge auf ihm gespeichert wird.
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Beispielsweise
erfordern die an die Bitleitung angeschlossenen Leseverstärker einen
ausreichend hohen Signalpegel für
ein zuverlässiges
Auslesen der in der Speicherzelle befindlichen Information. Das
Verhältnis
der Speicherkapazität
zu der Bitleitungskapazität
ist entscheidend bei der Bestimmung des Signalpegels. Falls die
Speicherkapazität
zu gering ist, kann dieses Verhältnis
zu klein zur Erzeugung eines hinreichenden Signals sein.
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Ebenfalls
erfordert eine geringere Speicherkapazität eine höhere Auffrischfrequenz, da
die in dem Kondensator gespeicherte Ladungsmenge durch seine Kapazität begrenzt
ist, und zusätzlich durch
Leckströme
abnimmt. Wird eine Mindestladungs menge in dem Speicherkondensator
unterschritten, so ist es nicht mehr möglich, die in ihm gespeicherte
Information mit den angeschlossenen Leseverstärkern auszulesen, die Information
geht verloren und es kommt zu Lesefehlern.
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Nach
einer Faustformel soll die Speicherkapazität mindestens etwa 35 fF betragen,
um ein ausreichend großes
Lesesignal und genügende
Unempfindlichkeit gegen Alpha-Strahlung zu erhalten. Bei Verwendung
eines 10 nm dicken Dielektrikums aus SiO2 mit
einer Dielektrizitätskonstante
(DK) von εr = 4, erfordert dies eine Kondensatorfläche von
etwa 10 μm2. Bereits bei einem 4M DRAM steht jedoch
für die gesamte
Speicherzelle weniger als diese Fläche zur Verfügung, so
daß eine
rein planare Anordnung des Kondensators ausscheidet.
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Es
war daher notwendig, zur Erzielung ausreichender Speicherkapazität für das Kondensatorlayout
die dritte Dimension zu nutzen, beispielsweise durch die Ausgestaltung
des Kondensators als Grabenkondensator (trench capacitor) oder Stapelkondensator
(stacked capacitor). Bei weiterer Miniaturisierung läßt sich
die kleinere zur Verfügung
stehende Fläche
dann über
eine Erhöhung
der Kapazität
durch Verwendung tieferer Gräben
oder höherer
Stapel ausgleichen.
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Ein
anderer Ansatz besteht in der Verwendung von Materialien mit einer
größeren Dielektrizitätskonstante.
Beispielsweise wird Si3N4 mit
einer DK von 7 insbesondere in Form von ONO-(Oxid-Nitrid-Oxid) und NO-(Nitrid-Oxid)
Sandwiches verwendet. Dabei wird beispielsweise auf das Silizium
ein thermisches Oxid einer Dicke von 2–3 nm gewachsen, um eine niedrige
Grenzflächenzustandsdichte zu
gewährleisten.
Dann wird eine 7–8
nm dicke Siliziumnitrid-Schicht abgeschieden und anschießend aufoxidiert,
um eine 2–3
nm dicke zweite Oxidschicht zu erhalten. Diese zweite Oxidschicht
dient dazu, durch eine hohe energetische Barriere das Tunneln von
Ladungsträgern
zu verhindern.
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Auch
die Verwendung von Materialien noch höherer DK, wie beispielsweise
Tantaloxid (Ta2O5) oder
Bariumstrontiumtitanat (BST) ist möglich, wenn auch prozeßtechnisch
nicht unproblematisch. Bei dieser Möglichkeit ist die erreichbare
Speicherkapazität
nach oben durch die Dielektrizitätskonstante und
die Dicke des Dielektrikums, bei der dieses noch isolierend ist,
begrenzt.
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In
der
US 4 864462 ist
ein diskreter Kondensator beschrieben, dessen Dielektrikum Fluoride
der Seltenen Erden, vorzugsweise Lanthanfluoride enthält. In der
US 4 084 101 ist ein diskret
verwendeter Kondensator beschrieben, der Strahlungsenergie in elektrische
Energie wandelt. Der Kondensator enthält ein ionisches Dielektrikum.
In der
US 3 375 420 ist
ein anderer diskret aufgebauter Kondensator beschrieben, dessen
Dielektrikum ein Fluorid der Seltenen Erden enthält.
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Die
US 5 310 696 beschreibt
einen Kondensator, bei dem die zwischen den Kondensatorelektroden
angeordnete Schicht aus Kalziumfluorid, Strontiumfluorid oder Bariumfluorid
gebildet sein kann. Es wird auf Anwendungen in einer Speicherzelle
hingewiesen.
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Der
Erfindung, wie sie in den Ansprüchen
angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Speicherzelle bereitzustellen,
deren Speicherkondensator eine hohe Speicherkapazität pro Fläche aufweist und
somit eine kleine Bauform ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Speicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist eine
Halbleiterspeicherzelle, insbesondere in einem DRAM-Speicherzellenfeld,
ausgebildet mit einem Auswahltransistor und einem Speicherkondensator,
bei der der Speicherkondensator eine erste und eine zweite Kondensatorelektrode
aufweist. Die erste Kondensatorelektrode ist über den Auswahltransistor mit
einer Ausleseleitung verbunden. Ein Steueranschluß des Auswahltransistors
ist mit einer Steuerleitung verbunden. Zwischen der ersten und der
zweiten Kondensatorelektrode des Speicherkondensators ist eine Schicht angeordnet,
die aus dotiertem LaF3 gebildet ist.
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Die
Erfindung beruht also auf dem Gedanken, anstelle eines Dielektrikums
eine Schicht eines Superionenleiters zwischen den beiden Kondensatorelektroden
vorzusehen. Während
der Superionenleiter einerseits eine hohe Leitfähigkeit für Ionen aufweist, kann seine
Elektronenleitfähigkeit
so gering sein, daß er
den Elektronengleichstrom praktisch sperrt. Auf der anderen Seite
ist die Gesamtkapazität des
Kondensators wegen der hohen Ionenleitfähigkeit nicht durch die Volumenkapazität des Ionenleiters,
sondern nur noch durch die Grenzflächenkapazitäten zwischen Ionenleiter und
Kondensatorelektroden bestimmt. Auf diese Weise lassen sich extrem hohe
Kapazitäten
auf kleinem Raum erzeugen.
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Bevorzugt
ist nach dem Gesagten, wenn die Elektronenleitfähigkeit der Superionenleiterschicht vernachlässigbar
klein ist. Dies bedeutet im vorliegenden Kontext, daß die Elektronenleitfähigkeit
so klein ist, daß die
Ionenleiterschicht bezüglich
des Elektronengleichstroms bei den üblichen Betriebsbedingungen
einer Halbleiterspeicherzelle als Isolator wirkt.
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In
einer nicht vom Patent gegnstand umfaßten Ausgestaltung besteht
die Superionenleiterschicht im wesentlichen aus einem Tysonit, insbesondere
aus (Ca, La, SE)F3. Dabei bezeichnet SE
ein Seltenerdmetall, also ein Element der Gruppe Sc, Y, La, Ce,
Fr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu bezeichnet.
Bei diese Klasse von Ionenleitern sind Fluorionen den Ladungstransport
verantwortlich.
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Die
Superionenleiterschicht ist erfindungsgemäß aus dotiertem LaF3 gebildet. Besonders gute Ergebnisse werden
bei heterovalenter Dotierung mit SrF2 erzielt,
wobei der Anteil von SrF2 zweckmäßig von
0,1 bis 10 Gewichts-% beträgt.
Bevorzugt ist ein Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von
etwa 2 Gew.-%. Durch die Dotierung läßt sich die Ionenleitfähigkeit
von LaF3 noch einmal um mehrere Größenordnungen
steigern.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Speicherkondensator der
Speicherzelle als Grabenkondensator ausgebildet.
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In
einer andereren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
Speicherkondensator der Speicherzelle als Stapelkondensator ausgebildet.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Details der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung der Ausführungsbeispiele
und der Zeichnungen.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher
erläutert werden.
Es sind jeweils nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Dabei zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer Speicherzelle eines Speicherzellenfelds
nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ein
Ersatzschaltbild für
den Speicherkondensator von 1;
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3 eine
DRAM-Speicherzelle nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
eine Speicherzelle 10 eines größeren Speicher-. zellenfelds.
Die Speicherzelle 10 enthält einen Auswahltransistor 12 und
einen Speicherkondensator 14. Die erste Kondensatorelektrode 16 des
Speicherkondensators 14 ist über den Auswahltransistor 12 mit
der Bitleitung 22 verbunden, das Gate 32 des Auswahltransistors 12 ist
mit der Wortleitung 24 verbunden.
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Durch
Anlegen einer entsprechenden Spannung an das Gate 32 wird
der Transistor 12 durchgeschaltet, und die im Kondensator 14 gespeicherte
Ladung fließt
auf die Bitleitung 22. Dort verursacht sie eine Spannungspegeländerung,
die durch einen der Bitleitung 22 zugeordneten, nicht gezeigten
Leseverstärker
verstärkt
wird, so daß sie
zum Auslesen zur Verfügung
steht. Nach dem Auslesevorgang wird das Informationsbit wieder in
den Kondensator 14 zurückgeschrieben.
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Zwischen
den Kondensatorelektroden 16, 18 ist eine dünne Schicht
eines Superionleiters, im Ausführungsbeispiel
eine dünne
Schicht 20 aus LaF3, das mit 2
Gew-% SrF2 dotiert ist, angeordnet. Diese Schicht 20 verbindet
eine hohe Ionenleitfähigkeit
mit einer vernachlässigbaren
Elektronenleitfähigkeit.
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Hergestellt
wird die dünne
Schicht im Ausführungsbeispiel
durch Koevaporation von LaF3 und SrF2 in Vakuum bei einem Druck unterhalb von
5 × 10–6 mbar
und einer Substrattemperatur von etwa 500°C.
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Bereits
bei einer Schichtdicke von 240 nm ließ sich mit dieser Zusammensetzung
des Ionenleiters eine Kapazität
von 4 nF/mm2 erreichen, was einer scheinbaren
Dielektrizitätskonstante
von etwa 100 entspricht.
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Die
Zustandekommen der hohen Kapazität des
Kondensators 14 mit Superionenleiterschicht 20 wird
nun in Zusammenhang mit dem Ersatzschaltbild von 2 erläutert.
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Dabei
gehen als zu berücksichtigende
Größen die
Volumenkapazität 52 der
Ionenleiterschicht 20 und die Grenzflächenkapazitäten 50 und 56 des Ionenleiters
zu den metallischen oder halbleitenden Kondensatorplatten 16, 18 ein.
Aufgrund der hohen Ionenleitfähigkeit
ist die Kapazität 52 dabei über den kleinen
Widerstand 54 praktisch überbrückt, so daß die Gesamtkapazität im wesentlichen
nur durch die Grenzflächenkapazitäten 50 und 56 bestimmt
ist.
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Ein
konkretes Auführungsbeispiel
einer Speicherzelle mit Superionenleiterschicht in einem Grabenkondensator
ist im Querschnitt in 3 gezeigt. Dabei sind in dem
Siliziumsubstrat 40 Dotiergebiete 30, 34 gebildet,
die Drain und Source des Auswahltransistors 12 bilden.
Das Gate 32 des Transistors ist mit der Wortleitung 24 verbunden,
die sich in 3 senkrecht zur Zeichenebene
erstreckt.
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Die
Bitleitung 22 ist über
einen Kontakt 26 mit dem Drain-Dotiergebiet 30 des Transistors
verbunden. Das Source-Dotiergebiet 34 stellt
die Verbindung zum Grabenkondensator 14 her.
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Eine
der Kondensatorelektroden ist durch eine leitende Grabenfüllung 16,
beispielsweise aus dotiertem poly-Si gebildet. Die Gegenelektrode
wird durch das vergrabene Dotiergebiet 18 gebildet, das elektrisch über eine
nicht dargestellte vergrabene Wanne mit benachbarten Speicherzellen
und einer Spannungsquelle verbunden ist.
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Zur
Isolation der Dotiergebiete 23 und 18 befindet
sich im oberen Teil des Grabens ein Isolationskragen 36.
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Anstelle
der üblicherweise
vorgesehenen Dielektrikums ist zwischen den beiden Kondensatorelektroden 16, 18 im
Ausführungsbeispiels
eine Superionenleiterschicht 20 angeordnet, deren Zusammensetzung
der oben beschriebenen entsprechen kann.
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Die
hohe scheinbare Dielektrizitätskonstante des
Materials verbunden mit einer geringen Schichtdicke und der Ausgestaltung
des Kondensators als Grabenkondensator gestattet es, auf kleinstem Raum
eine extrem hohe Kapazität
und damit eine in weitem Bereich miniaturisierbare Speicherzelle
zu erzeugen.