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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterspeicherbauelement.
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Obwohl
die der Erfindung zugrunde liegende Problematik nachfolgend anhand
eines Direktzugriffsspeichers beschrieben wird, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern
betrifft ganz allgemein Halbleiterspeicherbauelemente.
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Ein
solcher Direktzugriffsspeicher ist zum Beispiel ein DRAM (Dynamic
Random Access Memory), der eine Vielzahl von Speicherzellen aufweist. Jede
der einzelnen Speicherzellen beinhaltet einen Transistor und einen
Kondensator. In dem Kondensator wird Information in Form einer Ladungsmenge gespeichert,
auf welche mittels des Transistors zugegriffen werden kann.
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Für einen
zuverlässigen
Betrieb des DRAMs muss der Kondensator eine Mindestkapazität aufweisen.
Die Kapazität
des Kondensators wird maßgeblich
durch die Fläche
der Elektroden bestimmt. Daher wird eine Mindestfläche der
Elektroden gefordert.
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Leckströme des Transistors
entladen den Kondensator. Diese Entladung kann einerseits durch eine
großzügigere Dimensionierung
des Kondensators kompensiert werden. Andererseits können auch Transistoren
mit einem guten Sperrverhalten eingesetzt werden.
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Im
Bestreben, eine größere Anzahl
an Speicherzellen auf einer annehmbaren Fläche zu integrieren, können die
lateralen Abmessungen der Kondensatoren und Transistoren verringert
werden. Damit trotz der verringerten lateralen Abmessungen der Elektroden
deren Mindestfläche
nicht unterschritten wird, werden vertikale Elektroden hergestellt,
bei denen die Elektroden zunehmend in die Tiefe des Halbleiterkörpers gelegt
wird. Der Aufwand zur Herstellung dieser vertikalen Elektroden steigt
jedoch mit der abnehmenden lateralen Abmessung.
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Ein
anderer Ansatz zur Herstellung von Speicherzellen sieht vor, Ladungsträger in einen
Bodybereich zu injizieren, wobei in diesem Bodybereich bzw. auf
dem Bodybereich das Drain-Gebiet,
das Source-Gebiet und die Gate-Elektrode angeordnet sind. Die Ladungen
in dem Bodybereich verschieben die Einsatzspannung des Transistors
um typischerweise mehrere hundert Millivolt. Somit wird ein Bodybereich mit
injizierten Ladungen und ohne injizierte Ladungen anhand des Schaltverhaltens
des Transistors unterscheidbar. Daher wurde von S. Okhonin et.al.
in IEEE Electron Device Letters, Vol. 23, Nr. 2, S. 85, Februar
2002 vorgeschlagen, Speicherzellen basierend auf diesem Prinzip
herzustellen. Nachteiligerweise sind jedoch die Speicherdauern der
Ladungen in dem Bodybereich nur im Bereich von wenigen Millisekunden
anstatt entsprechend der geforderten Spezifikation einer Speicherdauer
von etwa 250 ms für
eine Speicherzelle.
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Vor
diesem Hintergrund ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Speichervorrichtung bereitzustellen, welche einfach herstellbar
ist und eine möglichst
hohe Speicherdauer der Information ermöglicht.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das
Halbleiterspeicherbauelement beinhaltet mindestens eine Speicherzelle.
Die Speicherzelle weist jeweils auf: einen Halbleiterkörper des
ersten Leitfähigkeitstyps,
wobei ein Sourcebereich und ein Drainbereich zweiten Leitfähigkeitstyps
angrenzend an eine erste Oberfläche
des Halbleiterkörpers
eingebettet sind und der restliche Bereich des Halbleiterkörpers einen
Bodybereich definiert, wobei zwischen dem Drainbe reich und dem Sourcebereich eine
Vertiefung in dem Bodybereich eingebracht ist, eine Gateelektrode,
welche zumindest teilweise in der Vertiefung angeordnet ist und
von dem Bodybereich, dem Sourcebereich und dem Drainbereich durch
ein Gate-Dielektrikum isoliert ist. Ein erster durchgehender Bereich
grenzt in dem Bodybereich an den Drainbereich, die Vertiefung und
den Sourcebereich an. Ein zweiter Bereich ist unterhalb des ersten
Bereichs angeordnet und grenzt an den ersten Bereich an. Die Dotierstoffkonzentration
ist in dem ersten Bereich geringer, als in dem zweiten Bereich.
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Eine
Anordnung des zweiten Bereichs unterhalb des ersten Bereichs bezeichne
eine Anordnung, bei welcher der zweite Bereich weiter entfernt von
der ersten Oberfläche
angeordnet ist, als der erste Bereich.
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Die
Gate-Elektrode, das Gate-Dielektrikum und der Bodybereich bilden
zusammen einen Kondensator mit einer Kapazität. Daneben existieren auch
Kapazitäten
zwischen Gate und Source, Gate und Drain, Bodybereich und Source
und Bodybereich und Drain. Diese Kapazitäten haben einen Einfluß auf gespeicherte
Ladungen, welche sich in dem Bodybereich befinden. Die Kapazität nimmt
mit zunehmender Leitfähigkeit
des Bodybereichs zu. Die hohe Leitfähigkeit des Bodybereichs wird
durch eine hohe Dotierung des Bodybereichs erreicht. Der erste Leitfähigkeitstyp
ist dem zweiten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt.
Der Bodybereich ist vorzugsweise einstückig.
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In
oder nahe der pn-Sperrbereiche der Source- bzw. Drain-Gebiete mit
dem Bodybereich sind elektrische Felder Ursache für Leckströme der injizierten
Ladungen in die Source- und Drain-Gebiete. Es wurde erkannt, dass die
Leckströme
bei pn-elektrischen Übergängen mit
aus geringen Dotierstoffgradienten resultierenden Feldern gering
sind. Ein geringer Gradient wird durch eine geringe Dotierstoffkonzentration
in diesen Bereichen erreicht. In dem Volumen hingegen wird eine
hohe Dotierstoffkonzentration aufrechterhalten, um eine möglichst
große
Kapazität
auszubilden.
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Die
Vertiefung in der ersten Oberfläche
weist eine größere vertikale
Abmessung als der dotierte Drain- und Source-Bereich auf. Mit anderen
Worten, die Vertiefung erstreckt sich tiefer in den Bodybereich als
das Source- und Drain-Gebiet. Ein Kanal bildet sich wie bei einem
herkömmlichen
Transistor unterhalb des Gate-Dielektrikums in dem Bodybereich aus.
Da gemäß der Erfindung
das Gate-Dielektrikum mit der Gate-Elektrode in dem Graben angeordnet ist,
ergibt sich ein Kanal mit einer Länge, welcher größer als
der horizontale Abstand zwischen dem Source- und Drain-Gebiet ist.
Dieser verlängerte
Kanal ermöglicht
ein besseres Sperrverhalten und damit verringerte Leckströme zwischen
dem Source- und Drain-Gebiet und damit eine geringere Leistungsaufnahme
des Halbleiterbauelements.
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Ein
weiterer Vorteil der eingesenkten Gate-Elektrode ist, dass auch
injizierte Ladungen, welche sich weit entfernt von den Source- und Drain-Gebieten
befinden, immer noch einen Einfluss auf den Kanal und die Einsatzspannung
des Transistors haben. Dies ergibt sich erstens aus geometrischen Überlegungen,
da die Gate-Elektrode und der Kanal tiefer in den Bodybereich hineinreichen.
Zweitens ist die Einsatzspannung eines gekrümmten Kanals sensitiver auf
injizierte Ladungen in dem Bodybereich. Besonders bevorzugt ist
hierbei eine Halbzylinder-, Halbkugelförmige oder Ellipsoidförmige Oberfläche.
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In
den Unteransprüchen
sind weitere Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
angegeben.
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Gemäß einer
Weiterbildung weist das Halbleiterspeicherbauelement eine Mehrzahl
an ersten Speicherzellen auf, wobei in jeder ersten Speicherzelle
die Gate-Elektrode mit einer Wortleitung und der Drain-Bereich mit
einer Bitleitung verbunden ist und wobei die Source-Bereiche aller
ersten Speicherzellen untereinander über eine Source-Leitung verbunden
sind. Diese Verdrahtung ermöglicht
den Betrieb eines Direktzugriffsspeichers über die Bit- und Wortleitungen.
Ein Löschen
eines Blocks erster Speicherzellen kann durch Anlegen einer entsprechenden
Spannung an die Source-Leitung erfolgen.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterbildung ist der Bodybereich auf einem
Halbleitersubstrat zweiten Leitfähigkeitstyps
angeordnet, und in einem dritten Bereich des Bodybereichs angrenzend
an das Halbleitersubstrat ist die Dotierstoffkonzentration geringer
als in dem zweiten Bereich. Durch die entgegengesetzte Dotierung
des Bodybereichs und des Halbleitersubstrats bildet sich eine isolierende
Sperrschicht aus. Diese Sperrschicht weist eine Kapazität auf, welche
vorteilhafterweise injizierte Ladungen speichert und von dem Source-
und Drain-Bereich entfernt lokalisiert. Die Dotierstoffkonzentration
des Bodybereichs wird in der Nähe
der Sperrschicht abgesenkt, um den Gradienten der Dotierstoffkonzentration
gering zu halten und Leckströme
der injizierten Ladungen in das Halbleitersubstrat zu minimieren.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist zwischen dem Bodybereich
der Speicherzelle und einem Halbleitersubstrat eine dielektrische
Schicht angeordnet. Hierbei bildet sich eine Kondensatorstruktur
bestehend aus dem Bodybereich, der dielektrischen Schicht und dem
Halbleitersubstrat aus, ohne dass Leckströme auftreten können. Die
Kondensatorstruktur ermöglicht
die Speicherung zusätzlicher
injizierter Ladungen und ein Lokalisieren der injizierten Ladungen
entfernt von den Source- und Drain-Gebieten.
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Eine
Weiterbildung sieht vor, dass in einem vierten Bereich des Bodybereichs,
welcher an die dielektrische Schicht angrenzt, eine Dotierstoffkonzentration
größer ist,
als in dem zweiten Bereich. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung
nimmt die Dotierstoffkonzentration innerhalb des vierten Bereichs radial
von einem zentralen Bereich des vierten Be reichs. Auf diese Weise
wird einerseits eine hohe spezifische Kapazität im Bereich der vertikalen
Seitenflächen
des Bodybereichs angrenzend an das Halbleitersubstrat bereitgestellt,
welche vorteilhafterweise weit entfernt von den Source- und Drain-Gebieten
ist. Zudem wird durch eine Verringerung in der Mitte des vierten
Bereichs vermieden, dass eine Migration der Dotierstoffe in das
Gate-Dielektrikum erfolgt. Somit wurden die dielektrischen Eigenschaften des
Gate-Dielektrikums nicht durch den Dotierstoff verändert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass innerhalb eines
Teils des zweiten Bereiches die Dotierstoffkonzentration in lateraler
Richtung ausgehend von einem zentralen Bereich des zweiten Bereichs
zunimmt.
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Eine
Weiterbildung des Halbleiterspeicherbauelements sieht vor, dass
Bodybereiche benachbarter Speicherzellen durch einen mit einem Dielektrikum
gefüllten
Isolationsgraben von einander isoliert sind.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Weiterbildung sind die Bodybereiche benachbarter
Speicherzellen durch einen Isolationsgraben voneinander isoliert,
wobei eine dielektrische Schicht auf den Seitenwänden des Isolationsgrabens
aufgebracht ist und der Isolationsgraben mit einem leitfähigen Material
zumindest teilweise aufgefüllt
ist. Auf diese Weise wird entlang der Seitenwände des Bodybereichs eine weitere
Kondensatorstruktur bestehend aus dem Bodybereich, der dielektrischen
Schicht und dem leitfähigen
Material gebildet. Somit kann eine größere Ladungsmenge innerhalb
des Bodybereichs gespeichert werden, und infolgedessen ergibt sich
eine längere
Speicherdauer. Vorzugsweise erstreckt sich die Kondensatorstruktur
nur entlang der Seitenwände des
zweiten und/oder des dritten Bereichs. Eine Ausbildung der Kondensatorstruktur
angrenzend an den ersten Bereich in der Nähe des Source- und Drain-Gebiets
ist nicht zweckmäßig, da
in diesen Bereichen die Leckströme
der injizierten Ladungen in das Source- und Drain-Gebiet groß sind.
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Gemäß einer
Weiterbildung sind Kontaktierungsflächen auf den Drain-Bereichen
und/oder den Source-Bereichen aufgebracht, welche sich bis über den
Isolationsgraben erstrecken. Diese zusätzlichen Kontaktierungsflächen ermöglichen
eine Ankontaktierung der Source- und Drain-Gebiete oberhalb der Isolationsgräben und
somit eine Verringerung des Flächenbedarfs
des Halbleiterbauelements. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
hierdurch die Kontaktfläche
der Source- und Drain-Gebiete mit dem Bodybereich reduziert werden
kann, wodurch die Leckströme
der injizierten Ladungen verringert werden.
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Eine
Ausgestaltung des Halbleiterspeicherbauelements sieht vor, dass
die dielektrische Schicht ein high-k Dielektrikum aufweist.
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Eine
besondere Weiterbildung sieht vor, dass das Gate-Dielektrikum in
einem Bereich nahe dem Drain-Gebiet und dem Source-Gebiet dicker ist als
in einem Bereich zwischen dem Drain-Gebiet und dem Source-Gebiet. Somit
wird eine hohe Isolation zwischen der Gate-Elektrode und den Source-
und Drain-Gebieten erreicht. Zudem reduziert sich die Einsatzspannung
des Transistors aufgrund der dünneren
Schicht des Gate-Dielektrikums oberhalb des Kanals und die Zuverlässigkeitseigenschaften
wurden verbessert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildung sind in den Figuren
der Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 ein
schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Aufsicht auf ein Halbleiterbauelement gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3a–6a Teilquerschnitte
eines Halbleiterspeicherbauelements gemäß vier Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung; und
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3b, 4b, 4c, 6b Diagramme
zur Angabe von Dotierprofilen zugehörig zu den entsprechenden Ausführungsformen.
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5b eine
weitere Aufsicht auf ein Halbleiterbauelement gemäß 5a.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Einrichtungen.
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1 zeigt
exemplarisch eine Anordnung einer Vielzahl von Speicherzellen 100,
welche in Spalten und Zeilen, also matrixartig, angeordnet sind. Jede
der Speicherzellen weist einen Transistor mit einem Gate G, einem
Drain D und einer Source S auf. Drain D, Gate G und Source S sind
mit einer Bitleitung BL1, BL2, ... (BL), einer Wortleitung WL1,
WL2, ... (WL) bzw. einer Source-Leitung SL1, SL2, ... (SL) verbunden.
In der dargestellten Ausführungsform
in 1 verlaufen die Wortleitungen WL und die Bitleitungen
BL senkrecht zueinander, wie in allgemeiner Weise bei Direktzugriffsspeichern
bekannt. Die Source-Leitungen SL verlaufen in dem dargestellten
Beispiel parallel zu den Wortleitungen WL, in einer anderen Ausgestaltung
können
sie auch parallel zu den Bitleitungen BL verlaufen. Es ist anzumerken,
dass die Source-Leitungen SL eine Mehrzahl von Speicherzellen 100 über die
Source S miteinander verbindet. Dies steht im Gegensatz zu Direktzugriffsspeichern,
welche einen Transistor und eine Kapazität aufweisen. In diesen Speichereinrichtungen
sind die Source verschiedener Speicherzellen nicht miteinander elektrisch verbunden,
sondern nur mit dem jeweiligen Kondensator der Speicherzelle verbunden.
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Die
Bezeichnung Drain und Source eines Transistors ist willkürlich gewählt. Im
Folgenden soll Drain immer den Anschluss eines Transistors bezeichnen,
welcher mit einer Bitleitung, und Source den Anschluss, welcher
mit einer Source-Leitung SL verbunden ist.
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In 2 ist
eine Aufsicht auf eine Ausführungsform
eines Halbleiterspeicherbauelements gezeigt. Eine Vielzahl an Speicherzellen 100 sind,
wie zuvor bei dem schematischen Schaltungsdiagramm illustriert,
matrixförmig
angeordnet. Der aktive Bereich der Transistoren der Speicherzellen 100 ist über einen
Bitleitungskontakt 9, einen Wortleitungskontakt 10 und
einen Source-Leitungskontakt 11 mit einer Bitleitung BL,
einer Wortleitung WL bzw. einer Source-Leitung SL verbunden. Die
aktiven Bereiche der Transistoren verschiedener Speicherzellen 100 sind
voneinander durch Isolationsgräben 8 isoliert.
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Ein
Teilquerschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist in 3 dargestellt. Auf einem n-Typ-Halbleitersubstrat 1a ist
ein zweites Halbleitersubstrat 3 mit einer p-Typ-Dotierung
angeordnet.
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In
dem zweiten Halbleitersubstrat 3 sind beabstandet zueinander
ein Drain-Bereich 4 und ein Source-Bereich 5 eingebettet,
wobei beide Bereiche an eine erste Oberfläche 103 des zweiten
Halbleitersubstrats angrenzen. Sowohl der Drain-Bereich 4 als auch
der Source-Bereich 5 weisen eine n-Typ-Dotierung auf. Vorzugsweise
sind diese beiden Bereiche stark dotiert. Der verbleibende p-dotierte
Bereich des zweiten Halbleitersubstrats wird nachfolgend als Bodybereich 3 bezeichnet.
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In
die erste Oberfläche 103 zwischen
dem Drain-Bereich 4 und dem Source-Bereich 5 ist
eine Vertiefung 106 eingebracht. Die vertikale Abmessung der
Vertiefung 106 ist in einer bevorzugten Ausgestaltung größer als
die Dicke des Drainbereichs 4 und des Sourcebereichs 5.
Eine Gate-Elektrode 7 reicht bis in diese Vertiefung 106 hinein.
Die Gate-Elektrode wird durch eine Schicht mit einem Gate-Dielektrikum 6 von
dem Bodybereich 3 und dem Source- und Drain-Gebiet 4 und 5 isoliert.
Ein Kanal bildet sich wie bei einem herkömmlichen Transistor unterhalb
des Gate-Dielektrikums 6 in dem Bodybereich 3 zwischen
dem Drain-Bereich 4 und dem Source-Bereich 5 aus.
Durch die Einsenkung der Gate-Elektrode 7 in den Bodybereich 3 ist
der Kanal länger
als die horizontale Verbindungslinie zwischen dem Drain-Bereich 4 und
dem Source-Bereich 5. Vorteilhafterweise ergibt sich aufgrund
des längeren
Kanals ein besseres Sperrverhalten des Transistors. Auf diese Weise werden
die Leckströme
zwischen dem Drain-Gebiet 4 und dem Source-Gebiet 5 während des
Betriebs des Halbleiterspeicherbauelements reduziert und damit die
mittlere Leistungsaufnahme des Halbleiterspeicherbauelements verringert.
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Im
Nachfolgenden wird das Funktionsprinzip einer Speicherzelle mit
dem soeben beschriebenen Transistor erläutert. Parasitäre Effekte,
wie z.B. Stoßionisation
innerhalb des Kanals oder ein Gate-induzierter Drain-Strom, injizieren
Ladungen in den Bodybereich 3. Diese Ladungen sind in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
mit einem p-dotierten Bodybereich so genannte Löcher. Diese überschüssigen injizierten
Ladungen in dem Bodybereich beeinflussen durch ihre elektrischen
Felder das Schaltverhalten des Transistors. Insbesondere zeigt sich,
dass die Einsatzspannung des Transistors sich um mehrere hundert
Millivolt bei injizierten Ladungen vergrößert. Es lassen sich zwei oder
mehr Zustände
des Transistors als Speicherzustände
definieren, welche anhand verschiedener Einsatzspannungen unterschieden werden.
In einer Variante kann z.B. eine Spannung an die Gate-Elektrode 7 angelegt
werden, welche einer Schwellspannung des Transistors mit injizierten Ladungen
entspricht. In einem ersten Speicherzustand mit injizierten Ladungen
ist dann der Kanal leitend geschaltet, und in einem zweiten Speicherzustand
ohne injizierte Ladungen ist der Kanal sperrend oder hochohmig.
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Ladungen
können
in den Bodybereich 3 injiziert werden, indem ein Strom
zwischen dem Drain-Bereich 4 und dem Source-Bereich 5 fließt. Als parasitärer Nebeneffekt
bilden sich durch Stoßionisation
innerhalb des Kanals Ladungen, welche dann in den Bodybereich 3 injiziert
werden. Ein Speicher erfordert somit einen ausreichend langen Stromfluss durch
den Kanal.
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Eine
weitere Methode Ladungen in den Bodybereich 3 zu injizieren
besteht darin, an die Gate-Elektrode eine negative Spannung und/oder
an Drain eine positive Spannung anzulegen. Bei einem ausreichend
großen
Potenzialunterschied zwischen Drain und Gate werden Ladungsträger aufgrund
eines quantenmechanischen Tunneleffekts in den Bodybereich 3 injiziert.
Source liegt dabei auf Masse. Vorteilhafterweise fließt bei diesem
Injizieren der Ladungen kein Strom zwischen Drain und Source, und somit
ist die Leistungsaufnahme gering.
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Ein
Löschen
der Speicherzelle erfolgt durch Anlegen einer negativen Spannung
an den Source-Bereich 5. Die injizierten Ladungen fließen dann über die
Source-Leitung SL ab.
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Es
ist nur eine geringe injizierte Ladungsmenge für eine Verschiebung der Einsatzspannung um
mehrere hundert Millivolt notwendig. Jedoch ergibt sich die Problematik,
die Ladungsmenge für
eine ausreichend lange Zeit innerhalb des Bodybereichs 3 zu
halten. Hierbei wurden als primärer
Verlustkanal die Sperrgebiete erkannt, welche sich zwischen dem Bodybereich 3 und
dem Drain-Bereich 4 bzw. dem Source-Bereich 5 aus
bilden. Hierbei zeigt sich, dass ein flacher Dotierungsgradient
in den Sperrgebietbereichen zu einem geringeren Leckstrom der injizierten
Ladungen in dem Drain- bzw. Source-Bereich 4, 5 führt. Deshalb
ist in einem Bereich 201 nahe der ersten Oberfläche 103 des
Bodybereichs 3 nur eine Dotier stoffkonzentration des p-Typs
gering, zumindest geringer als in dem Bereich 200 des Bodybereichs 3 darunter.
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In
einem Volumenbereich 200 des Transistorskörpers 3 wird
die Konzentration cp des p-Typ-Dotierstoffs erhöht, wie schematisch in 3b dargestellt. 3b zeigt
die Dotierstoffkonzentration entlang der Querschnittsfläche B-B.
Durch die Erhöhung
der Dotierung wird eine größere Kapazität des Bodybereichs 3 zusammen
mit der Gate-Elektrode 7 und dem Gate-Dielektrikum 6 ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
ist die Dotierstoffkonzentration auch in der Nähe des Kanals reduziert, um eine
Migration des Dotierstoffs in das Gate-Dielektrikum und eine damit
verbundene Verringerung der Isolationswirkung des Gate-Dielektrikums
zu vermeiden.
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Eine
zusätzliche
Kapazität
bildet sich zwischen dem Bodybereich 3 und dem Halbleitersubstrat 1a aus.
Aufgrund der eingesenkten Gate-Elektrode beeinflussen auch Ladungen,
welche in der Nähe des
Halbleitersubstrats 1a gespeichert sind, die Einsatzspannung
des Transistors.
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Der
Sperrbereich zwischen dem Halbleitersubstrat 1a und dem
Bodybereich 3 ist ein weiterer möglicher Verlustkanal für die injizierten
Ladungen. Der Leckstrom in das Substrat 1a wird durch eine Verringerung
der Dotierstoffkonzentration des p-Typ-Dotierstoffs in dem Halbleitersubstrat 3 in
einem Bereich 202 nahe des Halbleitersubstrats verringert.
Dieser Bereich 202 mit verringerter Dotierstoffkonzentration
ist schematisch in 3a in Zusammenhang mit 3b dargestellt.
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Der
Bodybereich 3 wird durch Isolationsgräben 8 seitlich begrenzt
und von Bodybereichen 3 anderer Speicherzellen 100 isoliert.
Die Isolationsgräben 8 erstrecken
sich vollständig über die
gesamte Länge
der Seitenwände
des Bodybereichs 3. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass der Bodybereich 3 keine leitfähige Verbindung mit seiner
Umgebung aufweist. Die Isolationsgräben 8 können sich
zusätzlich
noch bis in das Halbleitersubstrat 1a erstrecken.
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Eine
Ankontaktierung der Gate-Elektrode 7 erfolgt durch einen
Gate-Kontakt 10 oder unmittelbar durch die Wortleitung
WL, des Drain-Bereichs 4 durch einen Bitleitungskontakt 9 und
des Source-Gebiets 5 durch einen Source-Leitungskontakt 11.
Auf den Drain-Bereich 4 kann eine Kontaktfläche 12 angeordnet
sein, welche sich bis über
den Isolationsgraben 8 erstreckt. Somit kann der Drain-Bereich 4 schmaler
als der Bitleitungskontakt 9 ausgebildet werden. Die verringerte
laterale Abmessung des Drain-Bereichs 4 verringert zugleich
den Leckstrom der injizierten Ladungen aus dem Bodybereich 3 in den
Drain-Bereich 4.
In analoger Weise kann auch eine Kontaktfläche 12 auf dem Source-Bereich 5 angeordnet
werden, welche sich über
die Isolationsgräben 8 erstreckt.
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Die
Isolationsgräben 8 sind
mit einem Dielektrikum gefüllt.
Weitere Hohlräume 13 können mit
weiteren Isolationsmaterialien gefüllt werden.
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Die
Dicke des Gate-Dielektrikums kann uniform sein. Vorteilhafterweise
ist sie jedoch angrenzend an den Source- und Draingebieten dicker,
um eine hohe Isolationswirkung zu erreichen und die Zuverlässigkeitseigenschaften
des Gateortes zu erhöhen,
und zwischen den beiden Bereichen dünner, um die Einsatzspannung
des Transistors zu minimieren.
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In
Zusammenhang mit den 4a, 4b und 4c wird
eine zweite Ausführungsform
einer Speicherzelle des Halbleiterbauelements beschrieben. Hierbei
soll nur auf die Unterschiede zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
eingegangen werden. Das Halbleitersubstrat 1b ist durch
eine dielektrische Schicht 2b von dem Bodybereich 3 isoliert. Auf
diese Weise ergibt sich kein Leckstrom der injizierten Ladungen
aus dem Bodybereich 3 in das Halbleitersubstrat 1b.
Daher ist es möglich,
auch in diesen Bereichen eine hohe Dotierstoffkonzentration cp des
p-Typ-Dotierstoffs
in dem Bodybereich nahe dem Halbleitersubstrat 1b einzubringen.
Auf diese Weise wird die Kapazität,
welche sich durch das Halbleitersubstrat 1b, die dielektrische
Schicht 2b und den Bodybereich 3 bildet, erhöht. Ein
entsprechendes Dotierprofil entlang der Linie B-B ist in 4c dargestellt.
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Einer
Beschädigung
des Gate-Dielektrikums 6 vorbeugend kann die Dotierstoffkonzentration
entlang einer vertikalen Mittellinie gegenüber den Randbereichen reduziert
sein. Ein entsprechendes Dotierstoffprofil ist entlang der Linie
A-A in 4b dargestellt. Es ergeben sich
somit taschenförmige
Dotierstoffbereiche angrenzend an die Seitenwände des Bodybereichs 3 und
angrenzend an das Halbleitersubstrat 1b.
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5a zeigt
eine mögliche
Anordnung zweier benachbarter Speicherzellen. Hierbei teilen sich ein
Drain-Bereich 4a einer Speicherzelle 100' und ein Drain-Bereich 4b einer
zweiten Speicherzelle 100'' eine gemeinsame
Kontaktierungsfläche 12.
Dies ermöglicht
eine weitere Reduzierung des Flächenbedarfs
gegenüber
der Anordnung, wie sie in 2 dargestellt
ist.
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5b zeigt
eine Aufsicht auf das Halbleiterbauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung entsprechend dem Teilquerschnitt in 5a.
Wie aus der 5a ersichtlich, sind die Source-Bereiche 5a, 5b und
Drainbereiche 4a, 4b bezogen auf die jeweiligen
Isolationsgräben 8 bzw.
Bitleitungskontakte vertauscht angeordnet. Die beiden Speicherzellen 100', 100'' in 5a entsprechen
somit den entsprechenden Speicherzellen 100', 100'',
die den Wortleitungen WL2, WL3 in 5b zugeordnet
sind. Insgesamt ergibt dies eine signifikante Reduzierung der Chipfläche, da
die Drain-Leitungen nunmehr bezogen auf den Bitleitungskontakt 9b sehr eng
aneinander angeordnet werden können.
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6a zeigt
einen Teilschnitt durch eine Speicherzelle 100. In dem
Isolationsgraben 8 ist auf den Seitenwänden eine dünne dielektrische Schicht 21 aufgebracht.
Die Gräben
werden zumindest teilweise mit einem leitfähigen Material 20 gefüllt. Auf diese
Weise wird eine weitere Kondensatorstruktur bereitgestellt, welche
durch den Bodybereich 3, die dielektrische Schicht 21 und
das leitfähige
Material 20 gebildet ist. Vorzugsweise wird der Graben 8 mit dem
leitfähigen
Material 20 nur bis auf eine Höhe gefüllt, welche der Höhe entspricht,
an welche der obere Bereich 201 des Halbleiterkörpers 3 an
den Volumenbereich 200 des Bodybereichs 3 angrenzt.
Somit erstreckt sich die Kondensatorstruktur nicht bis in einen
Bereich angrenzend an den Source- und Drain-Bereich, um Leckströme entlang
der Kondensatorstruktur in den Source- und Drain-Bereich zu vermeiden.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt.
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Insbesondere
können
die Leitfähigkeitstypen der
dotierten Bereiche durch den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
ausgetauscht werden, wobei zugleich die entsprechend negierten Spannungspotenziale
angelegt werden müssen.
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An
das Halbleitersubstrat 1a, 1b kann eine Spannung
angelegt werden, um die injizierten Ladungen verstärkt in dem
Bodybereich 3 zu speichern.
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Der
Graben 8 und eine darin gebildete Kondensatorstruktur kann
allen Speicherzellen 100 gemein sein oder reihen- und/oder
spaltenweise unterteilt werden.
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- 1a,
1b
- Halbleitersubstrat
- 2b
- dielektrische
Schicht
- 3
- Bodybereich
- 4,
4a, 4b
- Drain-Bereich
- 5,
5a, 5b
- Source-Bereich
- 6,
6a, 6b
- Gate-Dielektrikum
- 7,
7a, 7b
- Gateelektrode
- 8
- Isolationsgraben
- 9,
9a, 9b
- Bitleitungskontakt
- 10,
10a, 10b
- Wortleitungskontakt
- 11
- Source-Leitungskontakt
- 12
- Kontaktfläche
- 13
- Isolationsmaterial
- 20
- leitfähiges Grabenmaterial
- 21
- dielektrische
Schicht
- 100,
100', 100''
- Speicherzellen
- 103
- erste
Oberfläche
- 200
- Volumenbereich,
zweiter Bereich
- 201
- erster
Bereich
- 202
- dritter
Bereich
- 203
- vierter
Bereich
- G
- Gate
- D
- Drain
- S
- Source
- BL,BL1,
BL2, ...
- Bitleitung
- WL,
WL1, WL2, ...
- Wortleitung
- SL,
SL1, SL2, ...
- Sourceleitung