DE19750137A1 - MOSFET-Struktur mit variabler und abstimmbarer Schwellspannung - Google Patents

MOSFET-Struktur mit variabler und abstimmbarer Schwellspannung

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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=Vcgg+Vbb, 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=Vt0g-Vbbg. 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=VT0g, das höher sein kann als Vt0. Wenn γbb und Vb=Vcc, dann VTcg=Vt0g-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 + Vbb.
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 = Vt0g - Vbbg.
Durch richtiges Entwerfen der Kopplungsverhältnisse und An­ legen der richtigen Vorspannung (d. h. Vb=Vcc), kann die Schwellspannung (VTcg) von Vt0g (wenn Vb=0) bis Vt0g-Vcc (wenn γbb 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.
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.
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