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Die
Erfindung betrifft eine Leitungsanordnung nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung der Leitungsanordnung nach
Anspruch 5.
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Speicherzellen
von Halbleiter-Speicherbauelementen sind grundsätzlich wie eine Matrix in Spalten
und Zeilen angeordnet. Dabei werden die Zeilen durch Wortleitungen
(Wordlines) und die Spalten durch Bitleitungen (Bitlines) verbunden.
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Durch
die zunehmende Verkleinerung der Strukturen bei Halbleiter-Speicherbauelementen
ist es insbesondere notwendig, die Flächen, die von Bitleitungen
eingenommen werden, möglichst
klein zu halten.
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Als
eine mögliche
Alternative zur Reduzierung der minimalen Linienbreite ist der Ansatz,
die Fläche
einer Speicherzelle durch Verwendung eines neuartigen Speicherzellenkonzeptes
zu reduzieren attraktiv. Durch eine Reduktion von 8F2 auf
6F2 wird eine 20%ige Erhöhung der Speicherdichte erreicht. Dies
entspricht einer üblichen
Verkleinerungs-Generation, ohne dass eine Investition in neue Lithographie-Tools
notwendig wäre.
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Die
Verwendung von open-bitline Anordnungen, bei denen die minimal mögliche Größe 4F2 beträgt,
haben sich als sehr aufwendig herausgestellt oder weisen einen sehr
hohen Rauschpegel auf.
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Aus
der
DE 44 30 483 A1 ist
ein MOS Transistor bekannt, bei dem Bitleitungen vertikal in verschiedenen
Ebenen, aber nebeneinander angeordnet sind.
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In
der Veröffentlichung
von Hoenigschmid et al. „A
7F2 Cell/Bitline Architecture Comprising
30° Tilted
Array Devices And Penalty Free Inter BL Twists For 4Gb DRAMs" (IEEE Journal of
Solid-State Circuits, Vol 35, No. 5, S. 713–18, May 2000) wird eine „vertical
twist" Struktur
für Bitleitungen
vorgeschlagen, bei der zwei in Ebenen übereinander angeordnete Bitleitungen
zum Kontaktieren der Speicherzellen jeweils nach unten „abgeknickt" (twisted) werden. Allerdings
existieren bei dieser Anordnung Bereiche, in denen die Bitleitungen
nebeneinander angeordnet sind, was insbesondere bei Zellgrößen kleiner
gleich 6F2 einen erhöhten horizontalen Platzbedarf
zur Folge hat.
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Aus
der
US 4 807 017 A ist
eine Leitungsanordnung für
Bitleitungen zur Kontaktierung mindestens einer Speicherzelle in
einem Substrat gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 der Erfindung bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leitungsanordnung
für Bitleitungen und
ein Verfahren zur Herstellung dieser Leitungsanordnung zu schaffen,
die platzsparend für
Sub-8F2 Strukturen geeignet sind.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Leitungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass eine erste Bitleitung in einer ersten Bitleitungs-Ebene unterhalb
einer zweiten Bitleitung in einer zweiten Bitleitungs-Ebene angeordnet
ist und die zweite Bitleitung die erste Bitleitung an mindestens
einer Stelle zur Herstellung eines Kontaktes mit der mindestens
einen Speicherzelle zumindest in horizontaler Erstreckung teilweise
an Durchstoßstellen
durchdrungen wird, können
die Bitleitungen sich ganz oder teilweise überdecken. Damit wird eine
horizontale Platzersparnis erreicht.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die erste Bitleitung und die zweite Bitleitung
vollständig übereinander
angeordnet sind, da dann die Platzersparnis am größten ist.
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Vorteilhaft
ist, dass die Durchstoßstelle
in horizontaler Erstreckung vollständig von der ersten Bitleitung
umschlossen ist, da damit ein seitliches Überstehen einer Durchkontaktierung
vermieden wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird jede Speicherzelle
einer Spalte durch die erste Bitleitung oder die zweite Bitleitung
kontaktiert.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn die Speicherzellen einer Spalte abwechselnd
durch die erste Bitleitung und durch zweite Bitleitung kontaktiert
werden.
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Bei
einem Halbleiter-Bauelement, insbesondere ein DRAM-Chip mit einer
erfindungsgemäßen Leitungsanordnung,
lassen sich wesentlich mehr Speicherzellen anordnen, als dies bei
anderen Architekturen möglich
ist. Auch können
durch die Anordnung der Bitleitungs Ebene in vertikaler Weise die Fertigungstoleranzen
(z. B. bei der Lithographie) geringer als bei eine horizontalen
Anordnung ausgebildet sein. Dies senkt die Produktionskosten.
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Die
Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
5 gelöst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der
Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a,
b eine schematische Seitenansicht (1a) zweier
Bitleitungen (Bitlines) und eine Schnittansicht (1b)
zweier Bitleitungen;
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2a–d Schnittansichten
(2a, 2b) und eine Draufsicht (2c)
auf eine Bitleitung, Draufsicht auf zwei Bitleitungen (2d)
nach den ersten Verfahrensschritten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3a,
b eine Schnittansicht (3a) und eine Draufsicht (3b)
einer Bitleitung nach den zweiten Verfahrensschritten einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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4a–c Schnittansichten
(4a, 4b) und eine Draufsicht (4c)
einer Bitleitung nach den dritten Verfahrensschritten einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5a–d Schnittansichten
(5a–c)
und eine Draufsicht (5d) einer Bitleitung nach den vierten
Verfahrensschritten einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6a–d Schnittansichten
(6a–c)
und eine Draufsicht (6d) einer Bitleitung nach den fünften Verfahrensschritten
einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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7a–d Schnittansichten
(7a–c)
und eine Draufsicht (7d) einer Bitleitung nach den sechsten
Verfahrensschritten einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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8a–d Schnittansichten
(8a–c)
und eine Draufsicht (8d) einer Bitleitung nach den siebten
Verfahrensschritten einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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9a,
b eine Schnittansicht (9a) einer Bitleitung und eine
Schnittansicht (9b) zweier nebeneinander angeordneter
Bitleitungen;
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10 eine
horizontale Schnittansicht entlang E-E der 1a auf
zwei parallele Bitleitungen (Ausschnitt);
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In 1a,
b sind in schematischer Weise eine erste Bitleitungs-Ebene (erster
Bitline-Level) 10 und eine darüberliegender zweite Bitleitungs-Ebene (zweiter
Bitline-Level) 20 dargestellt.
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1a zeigt
eine Seitenansicht, bei der in der ersten Bitleitungs-Ebene 10 eine
erste Bitleitung 1 und in der zweiten Bitleitungs-Ebene 20 eine
zweite Bitleitung 2 angeordnet sind.
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Speicherzellen 3 eines
DRAM-Chips sind in einem Substrat 100 angeordnet. Die Oberfläche des Substrates 100 wird
im folgenden als Referenzfläche für die geometrische
Anordnung der Leitungsanordnung in vertikaler Richtung verwendet.
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Die
Speicherzellen 3 werden abwechselnd von der ersten Bitleitung 1 oder
von der zweiten Bitleitung 2 kontaktiert, wobei die zweite
Bitleitung 2 die erste Bitleitung 1 an schematisch
dargestellten Durchstossstellen 4 durchbricht.
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Die
Kontaktierungen 5 der ersten Bitleitungs-Ebene 10 mit
den Speicherzellen 3 sind ebenfalls dargestellt.
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Die
Durchstossstellen 4 sind hier durch gestrichelte Linien
dargestellt. Die Durchstossstellen 4 sind hier so angeordnet,
dass sie vollständig
von der ersten Bitleitung 1 umgeben werden.
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In
der Schnittansicht der 1b entlang der Linie A-A der 1a sind
Referenzbitleitungen 1', 2' zur ersten
und zweiten Bitleitung 1, 2 dargestellt. Dabei
wird eine aktivierte Speicherzelle 3 immer von einer aktiven
Bitleitung (hier z. B. der ersten Bitleitung 1 oder der
zweiten Bitleitung 2) kontaktiert, wobei die entsprechende
parallele Referenzbitleitung 1', 2' jeweils nicht mit der aktivierten
Speicherzelle 3 kontaktiert ist.
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Durch
einen möglichst
kurzen Abstand der Kontaktierungen der Speicherzellen wird auch
das Signalrauschverhältnis
verbessert. In der oben zitierten Arbeit von Hoenigschmid et al.
war gefunden worden, dass die Anzahl der Twists positiv mit dem
Signalrauschverhältnis
korreliert. Bei der vorliegenden Ausgestaltung findet praktisch
bei jeder Speicherzelle 3 ein Twist, d. h. eine Durchstossung
statt, so dass das Signalrauschverhältnis die bestmögliche Lösung anstrebt.
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Als
Referenzbitleitungen 1', 2' werden hier die
horizontal auf einer Ebene mit den Bitleitungen 1, 2,
liegenden Bitleitungen 1', 2' verwendet.
Alternativ ist es auch möglich,
die Referenzbitleitungen 1', 2' in vertikaler
Richtung zu wählen.
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Anhand
der folgenden 2 bis 9 wird
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, mit der die oben beschriebene Leitungsstruktur für Bitleitungen
herstellbar ist. Dabei werden unterschiedliche Materialien durch
unterschiedliche Schraffuren angedeutet.
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Die
Zuordnung der Schnittansichten zur Draufsicht wird jeweils beim
ersten Auftreten erläutert,
so dass zur Vermeidung von Längen
bei folgenden, analog angeordneten Figuren eine Beschreibung der
Zuordnung unterbleiben kann oder verkürzt werden kann.
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Dabei
zeigen die 2 bis 9 jeweils
den Zustand nach einer Gruppe von Verfahrensschritten, wobei in
den Schnittansichten die DRAM-Struktur, auf der die Bitleitungs-Struktur
aufgebracht wird, aus Gründen
der Übersichtlichkeit
weggelassen wird.
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In 2 wird der Zustand nach einer ersten Gruppe
von Verfahrensschritten dargestellt. Die einzelnen Verfahrensschritte
(z. B. Ätzen,
Photolithographie, CMP) sind grundsätzlich bekannt, so dass darauf
hier nicht näher
darauf eingegangen wird.
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Die
Schnittansichten der 2a und 2b liegen
entlang der Schnittlinien B-B, bzw. C-C der 2c. Die
unterschiedlichen Schraffierungen geben das verwendete Material
an.
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Wie
in 2a und 2b erkennbar,
wird zunächst
ein erstes Dielektrikum 21 (hier SiO2)
in ausreichender Dicke abgeschieden. Dieses Material soll u. a.
die Durchstossstelle 4 auf die hier nicht dargestellte
Source/Drain Region einer DRAM-Speicherzelle 3 und die
Bitleitungen 1 der ersten Bitleitungs-Ebene 10 aufnehmen.
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Auf
der Schicht des ersten Dielektrikums 21 wird eine Schicht
eines zweiten Dielektrikums 22 (hier Si3N4) abgeschieden. Wesentlich ist dabei, dass das
erste Dielektrikum 21 und das zweite Dielektrikum 22 selektiv ätzbar sind.
Das zweite Dielektrikum 22 wird strukturiert, indem eine
Lackschicht aufgebracht wird, die photolithographisch strukturiert
wird. Dann wird diese Struktur mittels einer Trockenätzung in
das erste Dielektrikum 21 und das zweite Dielektrikum 22 übertragen.
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Im
vorliegenden Fall wird nach Aufbringen der beiden Dielektrika 21, 22 eine
Nassätzung
vorgenommen, so dass ein Graben für die spätere Anordnung eine Kontaktierung 5 der
ersten Bitleitungs-Ebene 10 entsteht. In dem Graben und
auf die Oberfläche
wird nun Photoresist 40 aufgebracht. Die nun vorliegende
Struktur ist in 2a dargestellt.
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In
einem Teil der Leitungsanordnung, der neben der Schnittansicht der 2a liegt,
d. h. in der 2b, wird der Graben nicht bis
auf den Source/Drain Bereich durchgeätzt, so dass am Boden des Grabens
das erste Dielektrikum 21 vorliegt; an dieser Stelle wird
später
die Durchstossstelle 4 der zweiten Bitleitungs-Ebene 20 durch
die erste Bitleitungs-Ebene 10 angeordnet.
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In 2c ist
eine Draufsicht darstellt. Im oberen Teil der 2c ist
der Bereich dargestellt, der im Schnitt der 2a dargestellt
ist. Die gesamte Oberfläche
ist hier mit Photoresist 40 bedeckt.
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Im
unteren Teil ist der Bereich dargestellt, der im Schnitt der 2b dargestellt
ist, nämlich
der Graben im ersten Dielektrikum 21, wobei die oberen
Flächen
mit dem zweiten Dielektrikum 22 bedeckt sind.
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In 2d sind
zwei Bitleitungen 1, 2 in einer Draufsicht dargestellt.
Mit dem gestrichelten Gebiet ist in etwa der Bereich ausgewählt, der
in der Draufsicht der 2c dargestellt ist. Die Zuordnungen
der beiden Schnittansichten der 2a und 2b ist seitlich
angedeutet. Der Bereich der 2a stellt
den Bereich dar, in dem später die
Kontaktierung 5 der ersten Bitleitungs-Ebene 10 mit
dem Substrat zu liegen kommt. Der Bereich der 2b wird
später
einen erweiterten Graben (siehe 10) zur
Aufnahme der Durchstossstelle 4 der zweiten Bitleitungs-Ebene 20 durch
die erste Bitleitungs-Ebene 10 aufweisen. Da sich die Elemente
in der 2d wiederholen, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
alle mit Bezugszeichen versehen.
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In 3a ist
eine Schnittansicht entlang der Linie C-C der 3b dargestellt
nach den zweiten Verfahrensschritten dargestellt. Die Schnittansicht der 3a zeigt
somit den unteren Teil der Draufsicht nach 3b. Der
obere Teil der Draufsicht ist gegenüber der 2c unverändert mit
Photoresist 40 bedeckt.
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Die
nachfolgenden Verfahrensschritte werden demnach nur im unteren Teil
des in 3b dargestellten Ausschnittes
vorgenommen.
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In
der Schnittansicht 3a ist erkennbar, dass unterhalb
der Schicht des zweiten Dielektrikums 22 eine Aussparung
(ein Recess) 50 in das erste Dielektrikum 21 eingebracht
wird.
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Diese
Aussparung 50 soll später
die Passing Bitleitungen 1 der ersten Bitleitungs-Ebene 10 aufnehmen.
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In
der Draufsicht der 3b ist die Aussparung 50 unterhalb
des zweiten Dielektrikums 22 und teilweise unterhalb des
Photoresists 40 angedeutet.
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In 4a und 4b sind
zwei Schnittansichten dargestellt, die zu der Draufsicht in 4b gehören. Dies
zeigt die Situation nach den dritten Verfahrensschritten.
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Die
Zuordnung der Abbildungen ist analog zu 2 durch
die Schnittlinien B-B (4a) und C-C (4b)
angegeben.
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Zu
den dritten Verfahrensschritten gehört, dass der Photoresist 40 entfernt
wird, wobei die entstehenden Räume
durch konformale Abscheidung (z. B. mittels CVD) mit dem ersten
Metall 31 aufgefüllt werden.
Als erstes Metall 31 kann z. B. Wolfram dienen.
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Dabei
wird in dem Bereich der Aussparung 50, der in 4b dargestellt
ist, eine Auskleidung mit dem ersten Metall 31 unter Einschluss
eines Hohlraumes erreicht. In der Draufsicht der 4c ist
die Aussparung 50 unterhalb der Schicht aus dem zweiten Dielektrikum 22 durch
Linien angedeutet.
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Das
erste Metall 31 wird dann durch einen CMP-Schritt oder
einen Ätzschritt
abgetragen, wobei das zweite Dielektrikum 22 als Stopschicht
dient. Die erste Bitleitungs-Ebene 10 ist damit komplett
hergestellt.
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Die 5a und 5b zeigen
wiederum zwei Schnittansichten, die analog der 2 und 4 den Schnitten (B-B) bzw. (C-C) in 5d zugeordnet sind.
Des weiteren ist in 5c eine Schnittansicht entlang
D-D in 5d dargestellt.
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Der
Teil der Struktur, der in 5a dargestellt
ist, ist gegenüber
den vorherigen Verfahrensschritten (4a) unverändert. Der
Teil der Struktur, der in 5b dargestellt
ist, wird mit den vierten Verfahrensschritten weiter strukturiert.
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Durch
anisotropes Ätzen
des ersten Metalls 31 (siehe 4b) wird
hier die oberste Metallschicht und die unterste Metallschicht geöffnet, so
dass hier ein freier Durchgang für
die Durchkontaktierung entsteht.
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Die 6a–c bzw. 6d,
die die Situation nach den fünften
Verfahrensschritten zeigen, sind analog zu den 5a–c bzw. 5d gestaltet.
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Ausgehend
von der Lage in 5 wird zunächst der
Photoresist 40 entfernt und ein Dielektrikum, hier das
erste Dielektrikum 21 (SiO2) abgeschieden.
Der Graben, der in 6b dargestellt ist, wird damit
aufgefüllt.
Die abgeschiedene Schicht muss nach oben dick genug sein, um die
zweite Bitleitungs-Ebene 20 aufnehmen zu können. Da
es für die
folgenden Verfahrensschritte wichtig ist, wird hier der zuvor aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
weggelassene Source/Drain Bereich 60 dargestellt.
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Die
Einzeldarstellungen der 7, die die Situation
nach den sechsten Verfahrensschritten zeigen, sind analog zur 6 angeordnet.
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7a zeigt
eine anisotrope Ätzung
des ersten Dielektrikums 21, wodurch im oberen Bereich
der Leitungsanordnung ein nicht bis auf das erste Metall 31 durchgehender
Graben erzeugt wird.
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Für die Durchkontaktierung
wird das Loch im anderen Teil der Leitungsanordnung (siehe 7b) vollständig bis
auf den Source/Drainbereich 60 durchgeätzt. Loch und Graben der zweiten
Bitleitungs-Ebene werden gewöhnlich
in getrennten Lithographie- und Ätzprozessen
erzeugt.
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Die
Einzeldarstellungen der 8, die die Situation
nach den siebten Verfahrensschritten zeigen, sind analog der Darstellungen
in den 7a–d angeordnet.
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Die
durch das Ätzen
entstandenen Räume werden
durch Abscheidung mit dem zweiten Dielektrikum 22 (Si3N4) ausgekleidet
und anschließend
anisotrop geätzt,
so dass die dielektrische Schicht am Grund der ausgekleideten Räume entfernt
wird. In 8b ist somit ein Kontaktloch
dargestellt, das seitlich mit dielektrischem Material ausgekleidet
ist.
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Anschließend werden
die entstandenen Räume
mit erstem Metall 31 aufgefüllt und poliert (z. B. Damascene
Prozessfluss). Somit liegt ein Durchkontakt bis auf den Source/Drain
Bereich 60 einer Speicherzelle 3 vor.
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Dies
ist in 9a in einer Schnittansicht einer
vollständigen
Struktur der Leitungsanordnung dargestellt. In 9b sind
zwei nebeneinander liegenden Strukturen (1)
dargestellt.
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Die
zugeordneten Bereiche der ersten Bitleitungs-Ebene 10 und
der zweiten Bitleitungs-Ebene 20 sind durch Pfeile dargestellt.
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In
der ersten Bitleitungs-Ebene 10 wird der Durchkontakt im
Bereich der Durchsstosstelle 4 von einer Passing Bitleitung 1 umgeben.
Beide Bitleitungen 1, 2 sind durch dielektrische
Schichten 22 von einander getrennt, so dass die obere zweite
Bitleitung 2, die darunter liegende erste Bitleitung 1 durchstoßen kann
(siehe 1).
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In 9 ist auch zu erkennen, wie die untere,
die Passing Bitleitung 1 von der oberen zweiten Bitleitung 2 durchstossen
wird. Da beide Bitleitungen 1, 2 genau übereinander
liegen, wird eine hohe seitliche Platzersparnis erreicht. Die Referenzbitleitungen 1', 2' können relativ
nahe dazu angeordnet werden.
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In 10 ist
eine horizontale Schnittansicht durch die erste Bitleitungs-Ebene 10 entlang
der Linie E-E in 1a. Es werden zwei parallele
Bitleitungen 1, 1' dargestellt.
Seitlich sind die Bitleitungen 1 jeweils vom ersten dielektrischen
Material 21 (hier SiO2) begrenzt.
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Die
linke Bitleitung 1 weist in der Mitte einen Graben mit
erweitertem Querschnitt auf, in dem die Passing Bitleitung 1 mit
der Durchstossstelle 4 angeordnet sind. Analoge Bereiche
finden sich in der rechten Bitleitung 1' oben und unten.
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In
der linken Bitleitung 1 ist oben ein Graben angeordnet,
in dem die Kontaktierung 5 der ersten Bitleitungs Ebene 10 auf
das Substrat 100 dargestellt ist (obwohl im Schnitt eigentlich
nicht sichtbar, hier als zweites Metall 32 dargestellt).
Analoge Bereiche finden sich in der linken Bitleitung 1 unten
und in der rechten Bitleitung 1' in der Mitte. Zur Vereinfachung ist
in 10 die Isolation mit den dielektrischen Linern
im Bereich der Durchstossstelle 4 nicht dargestellt.
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- 1
- Erste
Bitleitung
- 2
- Zweite
Bitleitung
- 3
- Speicherzelle
- 4
- Durchstossstelle
- 5
- Kontaktierung
der ersten Bitleitungs-Ebene mit den Speicherzellen
- 10
- Erste
Bitleitungs-Ebene
- 20
- Zweite
Bitleitungs-Ebene
- 21
- Erstes
Dielektrikum (z. B. SiO2)
- 22
- Zweites
Dielektrikum (z. B. Si3N4)
- 31
- Erstes
Metall (dotiertes Polysilizium, Wolfram)
- 32
- Zweites
Metall (dotiertes Polysilizium, Wolfram)
- 40
- Photolack
- 50
- Aussparung
- 60
- Source/Drain
Region einer Speicherzelle
- 100
- Substrat
für Speicherzellen