DE102005040847B4 - Single-Poly-EPROM-Baustein und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
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Abstract
Single-Poly-EPROM-Baustein, umfassend – eine Source (16), – einen Drain (18), – ein Steuergate (12), wobei sich das Steuergate (12) seitlich eines Kanals zwischen der Source (16) und dem Drain (18) befindet, – ein Floating-Gate (10), wobei sich das Floating-Gate (10) über dem Kanal und über dem Steuergate (12) befindet, – ein zusätzliches Gate (40) über dem Floating-Gate (10), wobei das zusätzliche Gate (40) mit dem Steuergate (12) elektrisch verbunden ist, und das zusätzliche Gate von dem Floating-Gate (10) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Floating-Gate (10) eine fingerförmige oder mäandernde Form aufweist, und das zusätzliche Gate (40) Teilstücke über und Teilstücke zwischen den finger- oder mäanderförmigen Bereichen des Floating-Gates (10) umfasst, wobei das zusätzliche Gate (40) und das Floating-Gate (10) durch eine Isolierschicht voneinander getrennt bleiben.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Single-Poly-EPROM-Baustein und ein Verfahren zur Herstellung eines Single-Poly-EPROM-Bausteins.
- Der Begriff EPROM steht für elektronisch programmierbarer Festwertspeicher („Electronically Programmable Read Only Memory”). Im Gegensatz zu Direktzugriffsspeicher (RAM, „Random Access Memory”) stellt der EPROM einen Speicher dar, der Informationen selbst dann behält, wenn die Stromversorgung für den Speicher abgeschaltet wird. Der EPROM-Baustein umfasst einen Feldeffekttransistor mit einer Source, einem Drain und einem Leitkanal zwischen der Source und dem Drain. Außerdem weist der Feldeffekttransistor eine Floating-Gate-Struktur über dem Kanal auf. Das Floating-Gate ist elektrisch isoliert. Informationen werden durch das Anlegen von Ladungen an dem Floating-Gate gespeichert. Auf Grund dessen Isolierung bleiben die Ladungen selbst dann in dem Floating-Gate, wenn die Stromversorgung abgeschaltet wird. Die Ladungen in dem Floating-Gate beeinflussen den Leitkanal zwischen der Source und dem Drain des Feldeffekttransistors. Die Informationen können aus dem Speicherbaustein ausgelesen werden, indem der zwischen der Source und dem Drain fließende Strom gemessen wird.
- Ein weiterentwickelter EPROM-Baustein namens Single-Poly-EPROM-Baustein ist in der beigefügten
1 bildlich dargestellt. In1 wird eine Draufsicht des Single-Poly-EPROM-Bausteins gezeigt. Der Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß1 umfasst ein Floating-Gate10 , ein Steuergate12 , eine Source16 und ein Drain18 . Die Source16 , der Drain18 und das Floating-Gate10 bilden einen Feldeffekttransistor, der normalerweise „Lesetransistor” genannt wird, wobei das Floating-Gate10 das Gate des Feldeffekttransistors darstellt. Der Kanal zwischen der Source16 und dem Drain18 wird in1 von einem Teil des Floating-Gates10 bedeckt. Ein rückwärtiger Gatekontakt14b , ein Drain-Kontakt14D und ein Source-Kontakt14S sind mit einem rückwärtigen Gate20 , der Source18 bzw. dem Drain16 verbunden. Die Besonderheit des Single-Poly-EPROM-Bausteins ist, dass das Steuergate12 nicht durch eine leitende Schicht auf dem Floating-Gate10 gebildet wird, sondern durch einen dotierten Halbleiterbereich, der unter einem Teil des Floating-Gates10 liegt. Das Floating-Gate10 besteht aus einer Polysiliziumschicht sowohl auf dem Kanal des Feldeffekttransistors als auch auf dem Steuergate12 . Zwei Steuergatekontakte14C sind mit dem Steuergate12 verbunden (obwohl für die Funktionalität ein einfaches Steuergate ausreicht). -
2 zeigt einen schematischen Querschnitt des Single-Poly-EPROM-Bausteins gemäß1 . Das Floating-Gate10 befindet sich sowohl über dem Steuergate12 als auch über dem Kanal zwischen der Source16 und dem Drain18 . Ein in2 gezeigtes rückwärtiges Gate20 hat denselben Zweck wie in Standard-MOS-Transistoren. Das Referenzsymbol C1 stellt die Kapazität zwischen dem Floating-Gate10 und dem Steuergate12 des in2 gezeigten Single-Poly-EPROM-Bausteins dar. Single-Poly-EPROM-Bausteine können entweder durch Hot-Carrier-Injection oder Fowler-Nordheim-Tunneling programmiert werden. Ein dünnes Gateoxid wird als Isolator zwischen dem Floating-Gate10 und dem Kanalbereich bereitgestellt. Der Kanalbereich kann für die Tunnelung zwischen dem Floating-Gate10 und der Source16 /dem Drain18 verwendet werden. - In einem herkömmlichen Single-Poly-EPROM wird das Floating-Gate
10 durch eine große (N-)Wannendiffusion, die sich unter einem großen Teilbereich des schwebenden Polys befindet, d. h. durch das Steuergate12 gemäß1 , gesteuert. Diese Fläche muss groß sein, da sich der ungefähre Kopplungsgrad aus dem Überlappungsbereich geteilt durch den aktiven Bereich des Lesetransistors ergibt. Deshalb bedecken Single-Poly-EPROM-Zellen normalerweise eine große Siliziumfläche, die 5- bis 20-mal größer als Doppel-Poly-EPROMs ist. -
DE 42 00 620 A1 offenbart eine Doppel-Poly-EEPROM-Zelle. Das Steuergate ist, wie in Doppel-Poly-Verfahren üblich, über dem Floating-Gate in einer zweiten Polysiliciumschicht ausgebildet. Floating-Gate und Steuergate sind durch eine dünne Isolationsschicht voneinander getrennt. Um die Koppelkapazität zu erhöhen, ist eine Oberflächenzone des Halbleitersubstrats unter dem Floating-Gate so dotiert, daß diese Zone leitfähig wird. Diese Oberflächenzone ist elektrisch mit dem Steuergate verbunden. -
US 6 747 308 B2 offenbart ein Single-Poly-EEPROM mit einem Floating-Gate, das eine Fingerstruktur aufweist. Ein Steuergate hat ebenfalls eine Fingerstruktur, wobei die Finger des Steuergates zwischen, bzw. neben den Fingern des Floating-Gates in der gleichen Polysiliciumschicht liegen. Die Koppelkapazität bildet sich zwischen den Fingern aus. - Die gattungsbildende
US 6 794 236 B1 offenbart ein Single-Poly-EEPROM mit einem Steuergate, einem Floating-Gate und einer isoliert über dem Floating-Gate liegenden zusätzlichen Kondensatorplatte, die elektrisch mit dem Steuergate verbunden ist. - Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Single-Poly-EPROM bereitzustellen, der einen höheren Kopplungsgrad zwischen Steuergate und Floating-Gate ohne Vergrößerung der benötigten Siliciumfläche bereitstellt.
- Die Erfindung betrifft einen Single-Poly-EPROM mit den Merkmalen des Anspruchs 1, umfassend eine Source, einen Drain, ein Steuergate, ein Floating-Gate und ein zusätzliches Gate. Das Steuergate befindet sich seitlich eines Kanals zwischen der Source und dem Drain. Das Floating-Gate befindet sich über dem Kanal und über dem Steuergate. Das zusätzliche Gate befindet sich über dem Floating-Gate, wobei das zusätzliche Gate elektrisch mit dem Steuergate verbunden ist, und das zusätzliche Gate und das Floating-Gate durch eine Isolierschicht voneinander getrennt sind. Das Floating-Gate hat eine fingerförmige oder mäandernde Form.
- Das zusätzliche Gate umfasst Teilbereiche über und Teilbereiche zwischen den Fingern des Floating-Gates, wobei das zusätzliche Gate und das Floating-Gate voneinander durch eine Isolierschicht getrennt sind.
- Das Floating-Gate und das zusätzliche Gate weisen somit eine miteinander verschachtelte Struktur auf.
- Dieser Ansatz fügt über dem schwebenden Poly, d. h. dem Floating-Gate, vorzugsweise eine weitere Kapazität hinzu und verbindet sie mit demselben Potential wie das Steuergate. Dies führt zu einem höheren Kopplungsgrad zwischen dem Floating-Gate und dem Steuergate.
- In einem Single-Poly-Verfahren kann die zusätzliche obere Kapazität durch TiN aufgebaut werden, und die von der oberen Schicht und dem Floating-Gate gebildete Kapazität kann auf dieselbe Weise hergestellt werden wie eine herkömmliche TiN-Poly-Kapazität. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die zusätzliche Kapazität zu dem Kopplungsgrad beiträgt, und somit hat die sich ergebende Struktur einen höheren Kopplungsgrad für dieselbe Siliziumfläche. Deshalb werden weder eine Änderung an noch ein zusätzlicher Schritt in dem Verfahren benötigt.
- Ein weiterer Vorteil der dargelegten Lösung ist es, dass ein Single-Poly-(E)EPROM hergestellt werden kann, der denselben Kopplungsgrad bereitstellt aber eine kleinere Fläche als der herkömmliche (E)EPROM braucht.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem EPROM-Baustein um einen löschbaren EPROM-(EEPROM-)Baustein.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Floating-Gate eine Gateoxid- und eine Polysiliziumschicht. Des Weiteren kann das Steuergate als N-Wanne in einem Substrat ausgeführt sein. Außerdem kann das zusätzliche Gate aus TiN bestehen.
- Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Polysilizium-Seitenwände zu der effektiven Kondensatorfläche beitragen können, erstens zwischen der oberen Schicht und der unteren Poly-Schicht und zweitens zwischen der unteren Poly-Schicht und der Wannendiffusion. Somit können die Kapazität des Steuergates und folglich der Kopplungsgrad weiter erhöht werden. Je nach der Dicke des Polys und dem Poly-Finger-Abstand der mäandernden Form können die Nettokondensatorwerte verdoppelt werden.
- Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Single-Poly-EPROM-Bausteins gemäß Anspruch 6.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Steuergate dotiert bevor die zusätzliche Gateschicht gebildet wird.
- Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht eine wirtschaftliche Änderung bestehender Verfahren. Die Reihenfolge der Abgrenzung der CMOS-Transistor-Gates und der Poly-Kondensatorschichten muss geändert werden. Das CMOS-Gate wird früher abgegrenzt, und die obere Kondensatorschicht wird am Schluss geätzt. Zu diesem Zeitpunkt werden die Gates durch den Kondensatorisolator geschützt, der ein gutes selektives Ätzverhalten bereitstellt.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den folgenden Figuren gezeigt und veranschaulicht.
-
1 ist eine schematische Draufsicht eines herkömmlichen Single-Poly-EPROM-Bausteins; -
2 ist ein schematischer Querschnitt des in1 gezeigten Single-Poly-EPROM-Bausteins; -
3 stellt schematisch eine Draufsicht eines nicht erfindungsgemäßen Single-Poly-EPROM-Bausteins dar; -
4 zeigt einen schematischen Querschnitt des Single-Poly-EPROM Bausteins gemäß3 ; -
5 stellt schematisch eine Draufsicht eines Single-Poly-EPROM-Bausteins gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, wobei das Floating-Gate eine fingerförmige Form aufweist; -
6 zeigt einen schematischen Querschnitt des Single-Poly-EPROM-Bausteins gemäß5 ; -
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch die Finger des Floating-Gates des in5 gezeigten Ausführungsbeispiels; -
8 und9 zeigen schematische Querschnitte der Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Single-Poly-EPROM-Bausteins. - Der Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß dem nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der
3 umfasst ein zusätzliches Gate40 , ein Floating-Gate10 und ein Steuergate12 . Ein Teilstück des Floating-Gates10 befindet sich zwischen dem zusätzlichen Gate40 und dem Steuergate12 . Anders ausgedrückt ist dieses Teilstück des Floating-Gates10 zwischen dem Steuergate12 und dem zusätzlichen Gate40 sandwichartig angeordnet. Sowohl das zusätzliche Gate40 als auch das Steuergate12 haben Kontakte, nämlich einen zusätzlichen Gatekontakt14A und einen Gatekontakt14C , wobei das Floating-Gate10 vollständig isoliert ist. Des Weiteren umfasst der Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß3 eine Source16 und einen Drain18 . Ein Kanal zwischen der Source16 und dem Drain18 wird von einem Teilstück des Floating-Gates10 bedeckt. Deshalb steuert das Floating-Gate10 die Leitfähigkeit des Kanals. Das Floating-Gate10 , der Drain18 und die Source16 bilden einen Feldeffekttransistor. - Vorzugsweise handelt es sich bei dem Feldeffekttransistor um einen Metalloxid-Halbleiter-FET mit einer N-Wanne (Anreicherungs-MOSFET). In diesem Fall sind sowohl der Drain
18 als auch die Source16 n-dotiert. Der Kanal zwischen der Source16 und dem Drain18 ist p-dotiert. Eine Siliziumdioxidschicht isoliert das Floating-Gate10 von dem N-Kanal. Das Floating-Gate10 besteht aus Polysilizium. - Das zusätzliche Gate
40 besteht aus einer TiN-Schicht (obwohl jede leitende Schicht verwendet werden kann). - Siliziumdioxidschichten isolieren das zusätzliche Gate
40 von dem Floating-Gate10 und das Steuergate12 von dem Floating-Gate10 . Die Source16 , der Drain18 und das Steuergate12 stellen n-dotierte Flächen innerhalb einer massiven p-dotierten Fläche15 dar. Ein rückwärtiges Gate20 ist mit der massiven Fläche15 verbunden. Der Zweck eines rückwärtigen Gates20 ist derselbe wie in herkömmlichen integrierten MOSFET-Bausteinen. - Der zusätzliche Gatekontakt
14A und ein Gatekontakt14C sind durch die Struktur301 elektrisch miteinander verbunden, wodurch das zusätzliche Gate40 mit dem Steuergate12 verbunden wird. Dies führt zu einem höheren Kopplungsgrad zwischen dem Floating-Gate und dem Steuergate. -
4 zeigt schematisch einen Querschnitt des in3 gezeigten Single-Poly-EPROM-Bausteins. Das Steuergate12 befindet sich seitlich des Drains18 . Beide Flächen sind n-dotiert. Das Floating-Gate10 besteht aus Polysilizium und befindet sich sowohl über dem in4 gezeigten Drain18 als auch über dem in4 gezeigten Steuergate12 . Das Floating-Gate10 ist von dem Steuergate12 elektrisch isoliert. Das Referenzsymbol C1 stellt eine Kapazität zwischen dem Steuergate12 und dem Floating-Gate10 dar. Des Weiteren befindet sich das zusätzliche Gate40 über dem Floating-Gate10 , und das zusätzliche Gate40 ist von dem Floating-Gate10 durch eine vorzugsweise dünne Isolierschicht elektrisch isoliert. Das Referenzsymbol C2 stellt die Kapazität zwischen dem zusätzlichen Gate40 und dem Floating-Gate10 dar. Die Kapazitäten C1 und C2 sind miteinander in Reihe geschaltet. Das zusätzliche Gate40 und das Steuergate12 sind elektrisch miteinander verbunden und stellen ein gemeinsames Steuergate401 dar. -
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Floating-Gate10 mit einer fingerförmigen Form501 . Diese fingerförmige Form ermöglicht es, dass die Polysilizium-Seitenwände des Floating-Gates10 zu der effektiven Kondensatorfläche beitragen. Dies erhöht die Gate-Kapazität sowie den Kopplungsgrad. -
6 zeigt schematisch einen Querschnitt des Single-Poly-EPROM-Bausteins gemäß5 . Diese6 ist ähnlich wie4 , außer dass das Floating-Gate10 (in dieser Querschnittsansicht) mehrere Floating-Gate-Finger10a ,10b und10c umfasst, von denen jeder zu der Gesamtkapazität und dem Kopplungsgrad beiträgt. - In
7 wird eine Querschnittsansicht durch die Finger des Floating-Gates10 gezeigt. Eine n-dotierte Wanne (NWELL)704 ist innerhalb eines Siliziumsubstrats705 angeordnet. Die Flächen702 sind N+ dotiert. Die schwebende Polyschicht des Floating-Gates10 wird von einem Isolator701 abgedeckt, über dem das zusätzliche Gate40 angeordnet ist. Das zusätzliche Gate40 umfasst Teilstücke über und Teilstücke zwischen den Fingern des Floating-Gates10 , wobei sowohl das zusätzliche Gate40 als auch das Floating-Gate10 durch den Isolator701 voneinander getrennt sind. Zwischen den Fingern ist das zusätzliche Gate40 von den N+ Flächen702 durch einen Gateoxidisolator707 isoliert. Das Steuergate ist mit einer N+ Fläche706 und dem zusätzlichen Gate40 verbunden. Das Floating-Gate10 ist von der NWELL704 durch eine Isolierschicht703 isoliert, bei der es sich vorzugsweise um einen dünnen Nichtleiter wie ein herkömmliches Gateoxid handelt. -
8 und9 zeigen die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Single-Poly-EPROM-Bausteins. - Der Schritt
800 zeigt ein Siliziumsubstrat802 mit einer N-Wannenfläche803 . Ein Gateoxid804 wird über dem Substrat802 mit der N-Wannenfläche803 angeordnet, und eine Polysiliziumschicht805 wird über dem Oxid804 angeordnet. - In dem Schritt
810 wird eine Photoresistschicht811 über der Polysiliziumschicht805 gebildet, wobei die Photoresistschicht so angeordnet ist, dass sich ein Teilstück ohne Photoresist mit einem Photoresistteilstück abwechselt. - Als nächstes werden die Siliziumschicht
805 und das Gateoxid804 in Schritt820 gemustert, indem die Photoresistschicht811 und in den Bereichen, wo keine Photoresistschicht811 aufgetragen wurde, ein entsprechendes Teilstück der Siliziumschicht805 und des Gateoxids804 entfernt werden. Somit legt dieser Schritt820 Flächen821 mit einem Gateoxid804 und einer Siliziumschicht805 und Flächen822 ohne beide derartige Schichten offen. Des Weiteren werden die Flächen822 n+ dotiert. - In einem nachfolgenden Schritt
830 (siehe9 ) wird eine zweite Isolierschicht831 über der durch Schritt820 erhaltenen Struktur gebildet. - In einem Schritt
840 wird eine obere TiN-Plattenschicht841 über der zweiten Isolierschicht831 und in den Aussparungen gebildet. - In einem letzten Schritt
850 wird die obere Plattenschicht841 mit einer Fläche851 mit N+ Dotierung elektrisch verbunden, wodurch das Steuergate852 gebildet wird.
Claims (7)
- Single-Poly-EPROM-Baustein, umfassend – eine Source (
16 ), – einen Drain (18 ), – ein Steuergate (12 ), wobei sich das Steuergate (12 ) seitlich eines Kanals zwischen der Source (16 ) und dem Drain (18 ) befindet, – ein Floating-Gate (10 ), wobei sich das Floating-Gate (10 ) über dem Kanal und über dem Steuergate (12 ) befindet, – ein zusätzliches Gate (40 ) über dem Floating-Gate (10 ), wobei das zusätzliche Gate (40 ) mit dem Steuergate (12 ) elektrisch verbunden ist, und das zusätzliche Gate von dem Floating-Gate (10 ) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Floating-Gate (10 ) eine fingerförmige oder mäandernde Form aufweist, und das zusätzliche Gate (40 ) Teilstücke über und Teilstücke zwischen den finger- oder mäanderförmigen Bereichen des Floating-Gates (10 ) umfasst, wobei das zusätzliche Gate (40 ) und das Floating-Gate (10 ) durch eine Isolierschicht voneinander getrennt bleiben. - Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß Anspruch 1, bei dem der EPROM-Baustein ein elektrisch löschbarer Single-Poly-EPROM-Baustein ist.
- Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Floating-Gate (
10 ) ein Gateoxid und eine Polysiliziumschicht umfasst. - Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Steuergate (
12 ) als N-Wanne in einem Substrat angeordnet ist. - Single-Poly-EPROM-Baustein gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zusätzliche Gate (
40 ) aus TiN besteht. - Verfahren zur Herstellung eines Single-Poly-EPROM-Bausteins, umfassend die folgenden Schritte: a) Bildung einer ersten Isolierschicht (
804 ) über einem Substrat (802 ), das einen Bereich mit einem Steuergate umfasst; b) Bildung einer leitenden Floating-Gate-Schicht (805 ) über der ersten Isolierschicht (804 ); c) Musterung der ersten isolierschicht (804 ) und der leitenden Floating-Gate-Schicht (805 ) in eine fingerförmige oder mäandernde Form, so dass eine Struktur mit Aussparungen entsteht, in denen weder die erste isolierschicht (804 ) noch die Floating-Gate-Schicht (805 ) vorhanden ist; d) Bildung einer zweiten Isolierschicht (831 ) über der durch Schritt c) erhaltenen Struktur und den Aussparungen; e) Bildung einer zusätzlichen Gateschicht (841 ) über der zweiten Isolierschicht (831 ); f) Elektrische Verbindung der zusätzlichen Gateschicht (841 ) und des Steuergates. - Verfahren zur Herstellung eines Single-Poly-EPROM-Bausteins gemäß Anspruch 6, bei dem das Steuergate vor Schritt d) dotiert wird.
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