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Die
Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer
Vielzahl von Speicherzellen.
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Aus
EP 1 030 367 A2 und
DE 199 08 428 A1 ist
bekannt, in integrierten Halbleiterschaltungen an kritischen Stellen
von Leiterbahnen, etwa Bitleitungen, Blindkontakte vorzusehen. Die
Blindkontakte sollen verhindern, daß aufgrund von Proximity-Effekten
Leiterbahnquerschnitte lokal verengt sind oder Leiterbahnen unterbrochen
sind.
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In
integrierten Halbleiterschaltungen werden in den Speicherkondensatoren
der Speicherzellen gespeicherten Informationen durch das Aktivieren der
Bitleitungen und Wortleitungen ausgelesen, wobei zur Identifizierung
eines Speicherzustandes das elektrische Potential zweier Bitleitungen
von einem Signalverstärker
erfaßt
wird. Der Signalverstärker (sense
amplifier) wirkt als Spannungsdifferenzverstärker, der nach dem Lesen des
Potentials einer geöffneten
Bitleitung dieses Signal verstärkt
in die geöffnete
Speicherzelle zurückschreibt.
Beim folded bitline-Aufbau integrierter Halbleiterspeicher wird
beim Auslesen einer von zwei benachbarten Bitleitungen als Referenzpotential
dasjenige der jeweils anderen Bitleitung verwendet.
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Jede
Speicherzelle wird durch das Aktivieren zuerst einer Wortleitung
und danach einer Bitleitung ausgelesen, wodurch im Falle eines Feldeffekttransistors
als Auswahltransistor der Inversionskanal die elektrische Verbindung
zwischen dem Speicherkondensator, beispielsweise einem Grabenkondensator, und
der Bitleitung herstellt. Die Wortleitung dient im Bereich des Transistors
als Gate-Elektrode. Eines der Source/Drain-Gebiete ist leitend mit
dem Grabenkondensator verbunden; das andere Source/Drain-Gebiet
ist durch einen Bitleitungskontakt mit der diesem Transistor zugeordneten
Bitleitung elektrisch verbunden. Die Gate-Elektrode bildet zusammen
mit dem Gateoxid und einer schützenden
Isolationsschicht, meist einer Nitridschicht, einen strukturierten
Gate-Schichtenstapel, dessen Seitenwände mit einem Spacer, d.h.
einer isolierenden Seitenwandbedeckung zur Seite hin elektrisch
isoliert sind. Zwischen einander benachbarten, mit Spacern ausgestatteten
Wortleitungen sind die Bitleitungskontakte angeordnet, die die höhergelegenen
Bitleitungen mit den Source/Drain-Gebieten der Auswahltransistoren
elektrisch verbinden. Die Kontaktstrukturen oder Bitleitungskontakte
verbinden somit eine obere Ebene der Bitleitungen mit einer unteren
Ebene der Dotiergebiete der Auswahltransistoren und verlaufen durch
eine mittlere Ebene, in der die Wortleitungen angeordnet sind.
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In
heutigen Halbleiterschaltungen, insbesondere Speicherschaltungen
treten aufgrund der engen räumlichen
Anordnung verschiedenster Strukturen Störeffekte auf, die das elektrische
Schaltverhalten nachteilig beeinflussen. Ein Störfaktor ist die lediglich durch
die dünnen
Seitenwandbedeckungen der Wortleitungen gebildete seitliche Isolierung
der Wortleitungen gegenüber
den Kontaktstrukturen bzw. Bitleitungskontakten, wodurch parasitäre Kapazitäten gebildet
werden.
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Beim
Auslesen einer Speicherzelle werden sowohl die Wortleitung als auch
die Bitleitung, in deren Kreuzungspunkt sich der Auswahltransistor
der Speicherzelle befindet, aktiviert. Dabei fließt die in Speicherkondensator
gesammelte elektrische Ladung über
den Auswahltransistor aus der Zelle heraus bzw, verteilt sich auf
die Zelle und die angeschlossene Bitleitung bis hin zum Signalverstärker. Dadurch
schwächt
sich das elektrische Potential, das am entsprechenden Bitleitungsanschluß des Signalverstärkers nun
anliegt, gegenüber
dem elektrischen Potential der vorher in dem Speichertransistor
gespeicherten Ladung ab. Dennoch bleibt eine Potentialdifferenz
im Vergleich zu einer anderen, meist benachbarten Bitleitung meßbar, die
mit keinem der angeschlossenen Speicherkondensatoren kurzgeschlossen
ist.
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Aufgrund
dieser parasitären
Kapazität
entsteht somit ein zusätzlicher
Potentialbeitrag, der das aufgrund der Kondensatorkapazität und der
Bitleitungskapazität
erwartete elektrische Potential am Signalverstärkereingang überlagert.
Am anderen Eingang des Signalverstärkers liegt eine nicht aktivierte Bitleitung
an, bei der eine vergleichbare parasitäre Kapazität nicht auftritt. Im Signalverstärker wird
somit die eigentlich zu messende Potentialdifferenz beider Bitleitungen
durch die parasitäre
Kapazität
der aktivierten Bitleitung überlagert.
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Solche
parasitären
Effekte werden herkömmlich
durch höhere
Betriebsspannungen und entsprechend höhere Ladungsmengen einer integrierten
Halbleiterschaltung kompensiert. Dadurch steigt jedoch der Stromverbrauch,
die Wärmezufuhr und
der Platzbedarf der integrierten Halbleiterschaltung pro Speicherzelle.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluß parasitärer Kapazitäten zwischen Bitleitungskontakten
und Wortleitungen zu beseitigen, ohne die Betriebsspannung der Halbleiterschaltung
zu erhöhen.
Insbesondere soll der Einfluß parasitärer Kapazitäten, die
an Seitenwandbedeckungen strukturierter Wortleitungen zu benachbarten
Kontaktstrukturen von Bitleitungen auftreten, verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 1 mit einer Vielzahl
von Speicherzellen, die jeweils einen Auswahltransistor und einen
Spei cherkondensator aufweisen und durch Bitleitungen und Wortleitungen elektrisch
ansteuerbar sind,
- – wobei in Höhe der Wortleitungen
elektrische Kontaktstrukturen angeordnet sind, die die Bitleitungen
mit den Auswahltransistoren der Speicherzellen elektrisch verbinden,
- – wobei
die Kontaktstrukturen an den Wortleitungen vorbeiführen und
gegenüber
den Wortleitungen durch seitliche Isolierungen isoliert sind,
- – wobei
jeweils zwei zueinander benachbarte Bitleitungen an einen gemeinsamen
Signalverstärker
angeschlossen sind,
- – wobei
zusätzliche
Kontaktstrukturen vorgesehen sind, die ebenfalls an den Wortleitungen
vorbeiführen
und Blindkontakte darstellen, und
- – wobei
für jede
von einer Bitleitung ausgehende Kontaktstruktur, die an einer Wortleitung
vorbeiführt
und die Bitleitung mit einer Speicherzelle verbindet, ein von der
benachbarten, an denselben Signalverstärker angeschlossenen Bitleitung ausgehender
Blindkontakt vorgesehen ist, der an derselben Wortleitung vorbeiführt wie
die jeweilige Kontaktstruktur.
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Erfindungsgemäß sind zusätzlich zu
den Kontaktstrukturen, welche die Bitleitung mit den Auswahltransistoren
verbinden, weitere Kontaktstrukturen, und zwar Blindkontakte vorgesehen,
die an jeweils derselben Wortleitung vorbeiführen, jedoch jeweils in Höhe der benachbarten
Bitleitung, welche beim Auslesen mit Hilfe des Signalverstärkers als Referenzbitleitung
eingesetzt wird. Zusätzlich
zu dem Raster aus Bitleitungskontakten zum Auslesen der Speicherzellen
ist ein zweites, versetzt angeordnetes Raster von Blindkontakten
vorgesehen, so daß neben
jedem Kreuzungspunkt zwischen einer Bitleitung und einer Wortleitung
entweder eine zum Auslesen benötigte
Kontaktstruktur oder ein Blindkontakt vorbeiführt; beide sind durch seitliche
Isolierungen gegenüber
den Wortleitungen isoliert. Da jede aktivierte Wortleitung somit
nicht nur am Bitleitungskontakt der aktivierten Bitleitung, sondern
auch an dem Blindkontakt der Referenzbitleitung vorbeiläuft, wird das elektrische
Potential beider an denselben Signalverstärker angeschlossenen Bitleitungen
beim Auslesen durch die parasitäre
Kapazität
in gleicher Weise verändert,
so daß sich
beide Störeffekte
kompensieren.
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Die
durch den Blindkontakt geschaffene zusätzliche Kapazität dient
zur Kompensation der parasitären
Kapazität
derjenigen Bitleitung, die an denselben Signalverstärker ebenfalls
angeschlossen ist. Somit gleicht sich im Differenzverstärker der
Einfluß beider
Kapazitäten
aus. Dadurch ist ein wesentlicher Störfaktor beim Auslesen digitaler
Speicherinhalte beseitigt, und die herkömmlich eingesetzte, überhöhte Betriebsspannung
zumindest im Bereich des Zellenfeldes kann verringert werden; gleichzeitig
erhöht sich
die Zuverlässigkeit
des Ausleseergebnisses.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß entlang einer
Wortleitung abwechselnd solche Kontaktstrukturen, die eine Bitleitung
mit einer Speicherzelle verbinden, und solche Kontaktstrukturen,
die Blindkontakte darstellen, vorbeiführen.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß die
Speicherkondensatoren in einem Halbleitersubstrat ausgebildete Grabenkondensatoren
sind und daß die Bitleitungen
in einem größeren Abstand
von dem Halbleitersubstrat auf dem Halbleitersubstrat angeordnet
sind als die Wortleitungen.
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Insbesondere
ist vorgesehen, daß die
Blindkontakte jeweils über
einer Grabenisolation des Halbleitersubstrats enden, wohingegen
die übrigen Kontaktstrukturen
jeweils in ein gemeinsames Dotiergebiet zweier Auswahltransistoren
münden.
Die Grabenisolationen befinden sich neben der den aktiven Gebieten
der Substratoberfläche,
in denen jeweils einer von zwei Auswahltransistoren durch die aktivierte Wortleitung
und den aktivierten Bitleitungskontakt geöffnet wird.
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Vorzugsweise
sind die Auswahltransistoren Feldeffekttransistoren, deren Gate-Elektroden
durch die Wortleitungen gebildet sind. Insbesondere sind die seitlichen
Isolierungen zwischen den Kontaktstrukturen und den Wortleitungen
vorzugsweise Seitenwandbedeckungen, d.h. Spacer strukturierter Gate-Schichtenstapel.
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Die
erfindungsgemäß ausgebildete
Halbleiterschaltung ist vorzugsweise ein dynamischer Schreib-Lese-Speicher,
d.h. ein DRAM (dynamic random access memory).
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Die
Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine Speicherzelle einer
integrierten Halbleiterschaltung,
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2 eine herkömmliche
integrierte Halbleiterschaltung,
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3 eine erfindungsgemäße Halbleiter schaltung
und
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4 eine Querschnittansicht
aus 3.
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1 zeigt eine Speicherzelle 20,
wie sie typischerweise im Zellenfeld eines integrierten Halbleiterspeichers 10 im
Falle eines vergrabenen Kondensators 25 mit planarem Auswahltransistor 15 ausgebildet
ist. Der Auswahltransistor wird durch das Aktivieren einer Wortleitung 2,
die die Gate-Elektrode des Transistors bildet, und einer Bitleitung 1,
die über eine
Kontaktstruktur 3 mit einem der Source/Drain-Gebiete 6 des
Transistors verbunden ist, geöffnet.
Der Grabenkondensator 25 besitzt nicht näher bezeichnete
Elektroden, von denen eine tief im Substrat 5 vergraben
ist und die andere die Füllung des
tiefen Grabens (deep trench) innerhalb des Kondensatordielektrikums
an der Grabenwandung bildet. Der Speicherkondensator befindet sich
somit im wesentlichen in einer unteren Ebene E3, die bis tief in das
Substratinnere hinunterreicht. Oberhalb der Substratoberfläche, auf
einer Gateoxidschicht 16, befindet sich in Höhe einer
Ebene E2 die Gesamtheit der Wortleitungen 2 sowie in einer
noch höheren
Ebene E1 die Gesamtheit der Bitleitungen 1. In der mittleren Ebene
E2 befinden sich die Kontaktstrukturen 3, die seitlich
von den Wortleitungen 2 nur durch deren Spacer 4 isoliert
sind, wodurch sich parasitäre
Kapazitäten
ausbilden können.
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2 zeigt eine Draufsicht
auf eine herkömmliche
Halbleiterschaltung mit einer Vielzahl von Speicherzellen. Links
sind Signalverstärker
(Sense Amplifier) 30 dargestellt, an deren Eingänge je zwei Bitleitungen 1a, 1b angeschlossen
sind. Senkrecht zu den Bitleitungen verlaufen die Wortleitungen 2, zwischen
denen halbkreisförmige
Umrisse der tieferliegenden Grabenkondensatoren 25 erkennbar
sind. In Höhe
der Wortleitungen 2 erstrecken sich die Kontaktstrukturen 3,
die eine über
der Zeichenebene verlaufende Bitleitung mit einem gemeinsamen Source/Drain-Dotiergebiet
zweier in Bitleitungsrichtung benachbarter Speicherzellen bzw. Auswahltransistoren
verbinden. Das aktive Gebiet der zwei Auswahltransistoren ist mit
dem Doppelpfeil 17 angedeutet. Die aktiven Gebiete bilden
ein diagonales Raster entsprechend dem Raster der dargestellten
Bitleitungskontakte oder Kontaktstrukturen 3. Beim Auslesen
einer Speicherzelle wird die zugeordnete Bitleitung aktiviert und
mit der benachbarten Bitleitung am gemeinsamen Signalverstärker ausgelesen.
Die aktivierte Bitleitung ist über
den Bitleitungskontakt mit der aktivierten Wortleitung parasitär gekoppelt,
welche zum Auslesen der entsprechenden Speicherzelle ebenfalls geöffnet wurde.
Dadurch entsteht eine parasitäre
Kapazität,
wie beispielsweise im Kreuzungspunkt der zweiten Wortleitung von
links mit dem Bitleitungskontakt der untersten Bitleitung durch das
angedeutete Kapazitätssymbol
C und das Symbol eines Plattenkondensators dargestellt. Die benachbarte
Bitleitung (die zweite Bitleitung von unten) besitzt keine solche
parasitäre
Kapazität,
weshalb die parasitäre
Kapazität
C an der unteren Bitleitung die elektrische Potentialdifferenz zwischen
beiden Bitleitungen verfälscht.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Halbleiterschaltung,
bei der zusätzlich
zu den Bitleitungskontakten 3, die zum Auslesen von Speicherzellen dienen,
Kontaktstrukturen 13 vorgesehen sind, die Blindkontakte
darstellen, die in gleicher Weise an den Wortleitungen 2 vorbeiführen wie
die Bitleitungskontakte 3, jedoch auf oder über einer
Grabenisolation oder einer anderen isolierenden Struktur enden.
Die Blindkontakte haben somit keine schaltungstechnische Funktion;
sie dienen jedoch zur Ausbildung kompensierender parasitärer Kapazitäten der
jeweiligen Referenzbitleitung. In 3 sind
die parasitären Kapazitäten beider
an denselben Signalverstärker 30 angeschlossenen
Bitleitungen 1a und 1b durch das Symbol eines
Plattenkondensators dargestellt.
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Rechnerisch
bestimmt sich das elektrische Potential einer Bitleitung allgemein
nach der Gleichung Vbl = (Vc – Vbleq) Cc / (Cc + Cbl) +
Vwl,wobei Vbl das gemessene Potential der Bitleitung, Vc das
elektrische Potential der Speicherzelle, Vbleq das gemittelte Potential
einer Bitleitung zwischen On-Zustand und Off-Zustand (das arithmetische
Mittel beider Potentiale), Cc die Kapazität der Speicherzelle, Cbl die
Kapazität
der Bitleitung und Vwl die Potentialverschiebung aufgrund der parasitären Kondensators
bedeutet. Der letzte Term Vwl führt
zur Überlagerung
und Störung
des zu messenden Bitleitungspotentials. Bei der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltung
gemäß 3 tritt dieser Term Vwl
jedoch auch auf der benachbarten Referenzbitleitung auf, und zwar
zwischen derselben aktivierten Wortleitung 12 und dem benachbarten
Blindkontakt 13. Beide Kapazitäten C führen zu gleichen Termen Vwl
in der obigen Gleichung, welche sich beim Vergleich beider Bitleitungspotentiale
kompensieren. Das im Signalverstärker
gemessene Bitleitungspotential der ausgewählten Speicherzelle entspricht
somit einem Bitleitungspotential Vbl = (Vc – Vbleq)
Cc / (Cc + Cbl).
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Aufgrund
der erfindungsgemäßen Kompensation
können
die herkömmlichen
Spannungsüberhöhungen in
der Größenordnung
von etwa 300 mV entfallen; der Stromverbrauch der Halbleiterschaltung
sinkt.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Halbleiterschaltung
aus 3 in einer ausschnittsweisen Querschnittansicht
entlang einer der Bitleitungen 1 in 3. Der dargestellte Abschnitt entlang
der Bitleitung 1 erstreckt sich ebenso wie in 1 über die Abmessungen zweier
benachbarter Speicherzellen 20; ebenso wie in Figur ist
die Bitleitung durch eine Kontaktstruktur 3 mit einem gemeinsamen
Source/Drain-Gebiet zweier Auswahltransistoren verbunden. Zusätzlich jedoch
ist eine weitere Kontaktstruktur, der Blindkontakt 13,
zwischen weiteren oberhalb der Speicherkondensatoren angeordneten
Wortleitungen (passing wordlines) angeordnet, der oben zwar die
Bitleitung kontaktiert, unten jedoch auf dem Gateoxid 16 oder
unmittelbar auf einer Grabenisolation 35 endet. Der Blindkontakt
hat keine schaltungstechnische Funktion. Er ist jedoch in gleicher
Weise wie die Bitleitungskontakte 3 nur durch ein dünnes Seitenwandoxid 4 ausgebildet
ist, von den benachbarten Wortleitungen 2 getrennt. Wenn
die in 4 abgebildete
Bitleitung 1 die erste von zwei an einem gemeinsamen Signalverstärker angeschlossenen Bitleitung
ist, so entspricht die 4 gleichzeitig
einem Schnitt entlang der benachbarten, zweiten an diesen Signalverstärker angeschlossenen
Bitleitung dar, jedoch in Bitleitungsrichtung um die Abmessung einer
Speicherzelle 20 versetzt. Die in 4 dargestellte Schnittansicht im Bereich
einer bestimmten Wortleitung 2 im Querschnitt der ersten Bitleitung entspricht
der in 4 dargestellten
Schnittansicht im Bereich der übernächsten Wortleitungen 2 im Querschnitt
durch die zweite Bitleitung und umgekehrt. Senkrecht zur Zeichenebene
wiederholen sich die linke und die rechte Hälfte aus 4, so daß entlang einer beliebigen
Wortleitung 2 senkrecht zur Zeichenebene Bitleitungskontakte 3 und
Blindkontakte 13 in abwechselnder Folge aufeinanderfolgen.
Die elektrischen Potentiale beider Bitleitungen sind in gleicher
Weise beim Aktivieren einer Wortleitung durch eine parasitäre Kapazität beeinflußt. Bei
der Differenzmessung im Signalverstärker heben beide Einflüsse sich
auf.
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Die
erfindungsgemäß ausgebildete
Halbleiterschaltung ermöglicht
somit ein zuverlässigeres Auslesen
von in den Speicherkondensatoren gespeicherten digitalen Informationen
und deren zuverlässige
Bewertung als entweder digitale Null oder digitale Eins. Die durch
die Blindkontakte geschaffenen zusätzlichen parasitären Kapazitäten verändern das elektrische
Potential der jeweiligen Referenzbitleitung am Signalverstärker in
gleicher Weise wie die parasitären
Kapazitäten
aktivierter Bitleitungen, wodurch das gemessene Differenzpotential
um die parasitäre
Effekten korrigiert ist.
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- 1,
1a, 1b
- Bitleitungen
- 2
- Wortleitungen
- 3
- Kontaktstruktur
(Bitleitungskontakt)
- 4
- Seitenwandisolation
- 5
- Halbleitersubstrat
- 6
- gemeinsames
Source/Drain-Gebiet
- 7
- grabenseitiges
Source/Drain-Gebiet
- 10
- Halbleiterschaltung
- 13
- zusätzliche
Kontaktstruktur (Blindkontakt)
- 15
- Auswahltransistor
- 16
- Gateoxid
- 17
- Doppelpfeil
- 20
- Speicherzelle
- 25
- Speicherkondensator
- 30
- Signalverstärker
- 35
- Grabenisolation
- C
- parasitäre Kapazität
- E1,
E2, E3
- Ebenen
- Z
- Zellenbereich