DE19750137A1 - MOSFET-Struktur mit variabler und abstimmbarer Schwellspannung - Google Patents
MOSFET-Struktur mit variabler und abstimmbarer SchwellspannungInfo
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Description
Die vorliegenden Erfindung betrifft integrierte Schaltungs
elementstrukturen und insbesondere eine MOSFET-Struktur mit
einer Poly- und/oder verdeckten Kondensatorkopplung, wodurch
die Schwellspannung VT des MOSFETs über das Steuergate von
positiv (Anreicherung) bis negativ (Verarmung) abstimmbar
ist, so daß ohne erhöhte Komplexität bei der Verarbeitung
mehrere Schwellspannungen VT auf einem Chip vorgesehen wer
den können.
T. Shibata und T. Ohmi offenbaren in "A Functional MOS Tran
sistor Featuring Gate-Level Weighted Sum and Threshold Ope
rations", IEEE Transactions on Electron Devices, Band 39,
Nr. 6, Seiten 1444 bis 1455, 1992, einen Neuronen-MOSFET-Tran
sistor mit Mehrfachkondensatorkopplung, der in den Fig.
1A und 1B zum Zweck der Erläuterung mit zwei Eingangs
gates gezeigt ist, die zum Verändern der Schwellspannung VT
eines Transistors verwendet werden können. Das Potential des
floatenden Gates Poly1 ist mit den zwei Poly2-Gates verbun
den (ein Steuergate cg und ein Vorspannungsgate b), d. h.
Vfg=Vcg.γg+Vb.γb, wobei γg und γb das Kopplungsver
hältnis des Steuergates bzw. des Vorspannungsgates sind. Der
Transistor wird eingeschaltet, wenn Vfg über der Schwell
spannung Vt0 ist (von dem floatenden Gate aus gesehen). Die
von dem Steuergate aus gesehene Schwellspannung ist dann
VTcg=Vt0/γg-Vb.γb/γg. Durch Anlegen verschiedener Vor
spannungen Vb (üblicherweise Vb=Vcc) und durch Konzipieren
verschiedener Kopplungsverhältnisse kann der Schwellwert VTg
variiert werden. Wenn z. B. γb=0 gilt, dann ist
VTcg=VT0.γg, das höher sein kann als Vt0. Wenn γb=γb
und Vb=Vcc, dann VTcg=Vt0/γg-Vcc, das negativ sein kann
(d. h. im Verarmungsbereich). Dadurch kann für verschiedene
Anwendungen ein großer Bereich von Schwellspannungen entwor
fen werden.
Die obige Struktur erfordert jedoch einen großen Kopplungs
bereich auf dem Feldoxid für die Transistoren mit der varia
blen Schwellspannung und somit eine größere Fläche.
Die vorliegende Erfindung sieht eine MOSFET-Struktur vor,
welche selbstpositionierende Polysilizium- und/oder vergra
bene Diffusionsleitungen für die Kopplungskondensatoren ver
wendet. Mit dieser Struktur ist die Schwellspannung VT über
das Steuergate von positiv (Anreicherung) bis negativ (Vera
rmung) abstimmbar, indem Vcc an ein Vorspannungsgate ange
legt wird und das Kopplungsverhältnis des Steuergates und
des Vorspannungsgates sorgfältig konzipiert werden. Dieses
Schema ermöglicht das Vorsehen mehrerer Schwellspannungen VT
auf einem Chip, ohne daß die Verarbeitung komplex wird.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden detail
lierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen und
aus den Zeichnungen, in denen die Grundsätze der vorliegen
den Erfindung dargelegt sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1A
und 1B ein Layout bzw. eine Schnittdarstellung einer
bekannten MOSFET-Struktur mit variabler VT;
Fig. 2A
und 2B zeigen ein Layout bzw. eine Schnittdarstellung
einer Ausführungsform einer MOSFET-Struktur mit
variabler und abstimmbarer VT gemäß der vorlie
genden Erfindung; und
Fig. 3A
und 3B zeigen ein Layout bzw. eine Schnittzeichnung
einer anderen Ausführungsform einer MOSFET-Struk
tur mit variabler und abstimmbarer VT ge
mäß der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine MOSFET-Struktur, bei der
gemäß der vorliegenden Erfindung ein Poly2/Poly1-Kondensator
im Rahmen eines Prozeßablaufs für ein EPROM oder einen
Flash-Speicher (flash memory) mit einem selbstpositionieren
den Ätzverfahren (SAE=self aligned etch) hergestellt wird;
d. h. die Ränder des Poly2-Steuergates und des Poly2-Vorspan
nungsgates sind zu dem darunterliegenden floating Poly1-Gate
selbstpositionierend, so daß die Gesamtgröße des Transistors
minimiert wird. Der Poly2/Poly1-Kopplungsbereich liegt über
dem Kanalbereich des Feldoxidbereichs.
Das Potential des floatenden Gates ist gegeben durch:
Vfg = Vg.γg + Vb.γb.
Für das Kopplungsverhältnis muß die Kanalkapazität berück
sichtigt werden. Wenn Vfg in die Nähe der Schwellspannung
(Vt0) kommt, beträgt die Schwellspannung aus der Sicht des
Steuergates (VTcg) daher:
VTcg = Vt0/γg - Vb.γb/γg.
Durch richtiges Entwerfen der Kopplungsverhältnisse und An
legen der richtigen Vorspannung (d. h. Vb=Vcc), kann die
Schwellspannung (VTcg) von Vt0/γg (wenn Vb=0) bis
Vt0/γg-Vcc (wenn γb=γb und Vb=Vcc) variiert werden,
wie oben bereits erläutert wurde.
Im folgenden ist kurz ein Beispiel für den Entwurf eines
MOSFET mit einer Schwellspannung Vt von Null erläutert. Es
sei angenommen das Vt0=V, γg=0,5 und Vb=5 Volt, die
Bedingung VTcg=0 führt zu γb=0,2. Die Strukturgröße kann
dann aufgrund der gewünschten γg und γb und der Prozeß
parameter ermittelt werden (z. B. der Dicken des Gateoxids
und des Interpolyoxids).
Wie in den Fig. 3A und 3B gezeigt, kann die obige Struk
tur weiter minimiert werden, wenn vergrabene n⁺-Bereiche in
der MOSFET-Struktur als das Vorspannungsgate verwendet wer
den. Der Steuergatekontakt kann dann auf der Poly2-Schicht
liegen. Der vergrabene n⁺-Bereich kann auch als eine Verbin
dungsleitung zu anderen Transistoren dienen.
Wenn auf dem floatenden Gate eine Ladung liegt, weicht die
Schwellspannung VTcg von diesem Entwurf ab. Die Wafer aus
der Herstellung müssen daher vor dem Sortieren mit UV-Licht
bestrahlt werden, um durch den Prozeß induzierte Ladung aus
zulöschen. Die Betriebsspannung des resultierenden MOSFET
sollte niedrig genug sein, damit während der Lebensdauer der
Struktur die Injektion heißer Elektroden auf niedrigem Pegel
(d. h. ähnlich wie bei Lesestörungen bei einem EPROM) mini
miert wird.
Der Übergang von der n-Wanne oder n-Mulde (n-well) zum floa
tenden Gate kann ebenfalls als ein vergrabener Kopplungskon
densator verwendet werden. Die Oberfläche der n-Mulde kann
jedoch verarmt und/oder invertiert sein, wodurch die Kopp
lungskapazität reduziert wird. Wenn ein vergrabener p⁺-Dif
fusionsbereich in der n-Mulde hergestellt wird, kann eine
negative Vorspannung für die Kopplung des floatenden Gates
verwendet werden.
Im folgenden ist ein üblicher Prozeßablauf zum Herstellen
von Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die sich nicht selbstpositionierenden Neuronen können genau
so wie die CMOS-Strukturen mit Kapazitäten verarbeitet wer
den, wobei Poly1 für die unteren Elektroden und die floaten
den Gates und Poly2 für die oberen Elektroden und die Steu
ergates verwendet wird. Selbstpositionierende Neuronen kön
nen genauso wie CMOS-Flash-Speicher verarbeitet werden, mit
einem zusätzlichen selbstpositionierenden Ätz-Maskierschritt
(SAE-Maskierschritt). Zwei optionale Maskierschritte werden
dazu verwendet, die vergrabene n⁺-Kopplung und die selbstpo
sitionierenden Neuronen vorzusehen.
Der Prozeßablauf gemäß der Erfindung entspricht einem übli
chen Prozeß für eine 0,35 µm CMOS-Logik durch VTP-Implanta
tion. Das heißt, ein anfänglicher n-Mulden-Maskierschritt
erleichtert das Implantieren der n-Mulde, gefolgt vom Wachs
tum eines Kontaktoxids und einer darüber liegenden Nitrid
schicht. Dann wird eine Maske für aktive Bereiche herge
stellt, das Nitrid wird geätzt, und die Feldoxid-Trennberei
che werden gezüchtet (Wachstum der Kristalle). Das Nitrid
und das Kontaktoxid werden dann abgezogen, und eine Schicht
aus Kupferoxid wird gezüchtet. Anschließend wird eine
p-Feld/p-Mulden-Maske abgegrenzt, und die p-Mulden- und
VTN-Implantationen werden durchgeführt. Dann werden die VTP-Mas
kierung und -Implantationen durchgeführt.
Wenn eine vergrabenen n⁺-Kopplung erwünscht ist, wird als
nächstes in einem optionalen Schritt eine vergrabene n⁺-Mas
ke vorgesehen, und eine Arsenimplantation wird durchgeführt,
um die vergrabenen n⁺-Kopplungsbereiche herzustellen. Wenn
die vergrabenen n⁺-Kopplung nicht erwünscht ist, können die
obigen Schritte der Maskierung des vergrabenen n⁺-Bereiches
und der Arsenimplantation übersprungen werden. Dann wird
eine Schicht aus Gateoxid mit einer Dicke von etwa 70 Ang
ström gezüchtet, gefolgt von der Poly1-Ablagerung und der
Dotierung. Danach wird eine Poly1-Maske hergestellt und die
Poly1-Schicht wird geätzt, um die unteren Neuronen-Elektro
den und die floatenden Gates der CMOS-Transistoren zu defi
nieren. Dem Ätzen der Poly1-Schicht folgt die Ablagerung von
Oxid/Nitrid/Oxid (ONO) und die Poly2-Ablagerung und Dotie
rung. Danach wird eine Poly2-Maske hergestellt, und die Po
ly2-Schicht wird geätzt, um die Neuronengates zu definieren
und die CMOS-Bereiche zu öffnen.
Danach wird für die selbstpositionierenden Neuronengates ein
optionaler SAE-Maskierschritt durchgeführt, in dem das ONO
und dann das Polyl sequentiell plasmageätzt wird, wie dies
bei den Herstellungsverfahren für Flash-Speicher üblich ist.
In diesem Fall ist die Außenkante (siehe z. B. Fig. 2A) der
Poly2-Kopplungsgates selbstpositionierend zu dem darunter
liegenden Poly1-Gate, und die Gesamtgröße des Neuronen-Tran
sistors wird im Vergleich zu dem Fall minimiert, daß kein
selbstpositionierendes Verfahren verwendet wird.
Der Herstellungsablauf geht dann entsprechend den üblichen
Techniken zum Herstellen einer 0,35 µm CMOS-Logik weiter.
Man muß verstehen, daß bei der Umsetzung der Erfindung zahl
reiche Alternativen zur den hier beschriebenen Ausführungs
formen der Erfindung vorgesehen werden können. Der Bereich
der Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert,
und alle Strukturen sowie Verfahren innerhalb des Bereichs
dieser Ansprüche sowie ihre Äquivalente gehören zur Erfin
dung.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der
Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als
auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von
Bedeutung sein.
Claims (2)
1. MOSFET-Struktur mit variabler und abstimmbarer
Schwellspannung, mit folgenden Merkmalen:
einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrats mit eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der aktive Bereich zwischen Oxid-Trennbereichen (FOX) ausgebil det ist;
ersten und zweiten, mit Zwischenraum angeordneten Source/Drain-Bereichen eines zweiten Leitfähigkeits typs, der zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegenge setzt ist, die in dem aktiven Bereich ausgebildet sind, um einen Kanalbereich zwischen diesen zu bil den;
einer Schicht aus Gateoxid, die über dem aktiven Be reich ausgebildet ist;
einem leitenden floatenden Gate (Poly1), das auf dem Gateoxid über dem Kanalbereich ausgebildet ist;
einem leitenden Steuergate (Poly2), das über dem floatenden Gate und durch dielektrisches Material von dem floatenden Gate getrennt ausgebildet ist, wobei das Steuergate so angeschlossen ist, daß es eine Steuerspannung empfangen kann; und
einem leitenden Vorspannungsgate (Poly2), das über dem floatenden Gate und durch ein dielektrisches Ma terial von dem floatenden Gate getrennt ausgebildet ist, wobei das Vorspannungsgate mit einem Zwischen raum zu dem Steuergate angeordnet und so angeschlos sen ist, daß es eine Vorspannung empfangen kann.
einem aktiven Bereich eines Halbleitersubstrats mit eines ersten Leitfähigkeitstyps, wobei der aktive Bereich zwischen Oxid-Trennbereichen (FOX) ausgebil det ist;
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2. MOSFET-Struktur mit variabler und abstimmbarer
Schwellspannung, mit folgenden Merkmalen:
ersten und zweiten mit Zwischenraum angeordneten Oxid-Trennbereichen (FOX), die in einem Halbleiter substrat ausgebildet sind, um einen Substratbereich dazwischen einzugrenzen, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Leitfähigkeitstyp hat;
einem dritten Oxid-Trennbereich (FOX), der in dem Substratbereich mit Zwischenraum zu dem ersten Oxid-Trenn bereich und dem zweiten Oxid-Trennbereich ausge bildet ist, um einen aktiven Substratbereich zwischen dem ersten und dem dritten Oxid-Trennbereich und
einen Kopplungs-Substratbereich zwischen dem zweiten und dem dritten Oxid-Trennbereich zu definieren; ersten und zweiten mit Zwischenraum angeordneten Source/Drain-Bereichen (n+) eines zweiten Leitfähig keitstyps, der zum ersten Leitfähigkeitstyp entgegen gesetzt ist, die in dem aktiven Substratbereich ausgebildet sind, um einen Kanalbereich zwischen die sen einzugrenzen;
einem Vorspannungs-Gatebereich (n+) des zweiten Leit fähigkeitstyps, der in dem Kopplungs-Substratbereich ausgebildet ist, wobei der Vorspannungsgatebereich so angeschlossen ist, daß er eine Vorspannung empfangen kann;
ersten und zweiten Oxidschichten, die auf dem aktiven Substratbereich bzw. dem Kopplungs-Substratbereich ausgebildet sind;
einem leitenden floatenden Gate (Poly1), das auf den ersten und zweiten Oxidschichten ausgebildet ist und sich über den dritten Oxid-Trennbereich erstreckt; und
einem leitenden Steuergate (Poly2), das über dem floatenden Gate und durch ein dielektrisches Material von dem floatenden Gate getrennt ausgebildet und so angeschlossen ist, daß es eine Steuerspannung empfan gen kann.
ersten und zweiten mit Zwischenraum angeordneten Oxid-Trennbereichen (FOX), die in einem Halbleiter substrat ausgebildet sind, um einen Substratbereich dazwischen einzugrenzen, wobei das Halbleitersubstrat einen ersten Leitfähigkeitstyp hat;
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