DE2832764C3 - Integrierte Halbleiterspeichervorrichtung - Google Patents

Description

iviiiaiiapi uviia i. l-iiiiv. auiviii. inv\.gi iwi w ι laiuiviivi opvi- au mivgiaiLuiiouiviiiv \i\-i üpviwnvi vui ι i^iuuiig· ηιιυνινι-

chervorrichtung ist dem Prinzip nach aus der US-PS seits ist es erwünscht, den Speicherkondensatoren unter

40 731 bekannt. dem Gesichtspunkt der Verhinderung nicht auffrischba-

Bekannt und wegen seiner hohen Integrationsdichte rer Speicherzellen und der Vergrößerung der Integra-

vielfach verwendet ist ein integrierter Halbleiterspei- tionsdichte eine gleiche Ladungsspeichercharakteristik eher, bei dem in einem Halbleitersubstrat mehrere Spei- 65 zu geben.

cherzellen integriert sind, von denen jede aus einem Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine inte-

Speicherkondensator mit Metall-Isolator-Halbleiter grierte Halbleiterspeichervorrichtung der eingangs ge-

(M IS)-Aufbau und einem Übertragungstor aus einem nannten Art zu schaffen, welche die gespeicherte I nfor-

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mation nicht leicht verliert und die eine hohe Integra- nung erstreckt Eine solche leitfähige Schicht ist zum

vonsdichte aufweist Steuern der Speicherzellen unbedingt notwendig, die

Diese Aufgabe wird bei der integrierten Halbleiter- durch eine periphere Schaltung ausgewählt werden, die speichervorrichtung der eingangs erwähnten Art. mit außerhalb der Speicherzellenanordnung vorgesehen ist Hilfe der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1: an- s An diere leitfähige Schicht kann eine Spannung angegegebenen Merkmale gelöst Vorteilhafte Ausgestal- legt werden, die ausreichend ist um eine Verannungstungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen schicht an der Fläche des Substrats unter der leitfähigen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Schicht zu erzeugen. Wenn die Verarmungsschicht eine

Die integrierte Halbleiterspeichervorrichtung nach große Fläche in Berührung mit dem Ladungsspeicherder Erfindung weist eine lange Auffrischperiode, eine io bereich einnimmt werden die in dem Substrat spontan hohe Integrationsdichte und eine gleiche Ladungsspei- erzeugten Minoritätsträger auf dieser Fläche konzenchercharakteristik für die Speicherkondensatoren auf. triert und strömen zu dem Ladungsspeicherbereich, wo-Sie ermöglicht, daß alle Speicherkondensatoren die not- durch ein übermäßiger Leckstrom erzeugt wird. In der wendigen Ladungen innerhalb der Auffrischperiode Nähe der Speicherzellenanordnung erstreckt sich jespeichern können und verringert den Leckstrom der in 15 doch die leitfähige Schicht über den Substratbereich an einem Teil unter vielen Speicherkondensatoren auftre- der Außenseite einer Anordnung jenseits der Speicherten kann. kondensatoren oder neben der Fläche unmittelbar über

Bei einer integrierten Halbleiterspeichervorrichtung den Speicherkondensatoren. Deshalb kann die Verarder eingangs genannten Art weist ein längs der Außen- mungsschicht sich über eine große Fläche längs der Fläseite der Speicherzellenanordnung angebrachter Spei- 20 ehe unter der leitfähigen Schicht von dem Ladungsspeicherkondensator eine sehr kurze Ladungshalteperiode cherbereich erstrecken. Aus diesen Gründen kann der im Vergleich mit einem Speicherkondensator auf, der Ladungsspeicherbereich einen übermäßigen Leckstrom innerhalb der Speicherzelienanordnung (im folgenden erzeugen. Auch wenn eine Verarmungsschicht nicht erauch kurz Anordnung genannt) vorgesehen ist. Die am zeugt wird, wird darüber hinaus eine Spannung an die Rand der Anordnung vorgesehenen Speicherkondensa- 25 leitfähige Schicht angelegt, so daß in dem Substrat ertoren tendieren aus den folgenden Gründen dazu, yer- zeugte Minoritätsträger in der Substratfläche unmittelgleichsweise wesentliche Leckströme zu erzeugen: bar unter der leitfähigen Schicht konzentriert werden,

Bei der Speicherzelienanordnung sind Speicherkon- und eine große Menge von Minoritätsträgern strömt in

densatoren von benachbarten Speicherkondensatoren den Ladungsspeicherbereich längs der Fläche unter der

umgeben, während die am Rand der Anordnung angc— 30 leitfähigen Schicht

ordneten Speicherkondensatoren zu dem Bereich wei- Gemäß der Erfindung wird ein übermäßiger Lecksen, in dem funktioneile Elemente nicht gebildet sind. strom des an dem Rand der Speicherzellenanordnung Der Substratbereich an der Außenseite des Ladungs- vorgesehenen Ladungsspeicherbereichs durch den Speicherbereichs ist von einem Leitfähigkeitstyp, der zu Leckunterdrückungsbereich verhindert der einen Leitdem des Ladungsspeicherbereichs entgegengesetzt ist 35 fähigkeitstyp aufweist, der dem das Substrats entgegen-In dem Substratbereich werden thermische Träger im- gesetzt ist, und der in dem Substrat nahe der Außenseite mer spontan in einer konstanten Menge erzeugt Das der Anordnung vorgesehen ist Dieser Leckunterdrük-Einströmen dieser Träger in den Ladungsspeicherbe- kungsbereich wird in der Weise gebildet, daß er sich zur reich bedeutet die Erzeugung eines Leckstroms. Der Innenseite von der Oberfläche des Substrats erstreckt, Leckstrom in dein Ladungsspeicherbereich ergibt sich 40 was die Anlegung eines solchen Potentials erlaubt, daß aus dem Einströmen von Minoritätsträgern längs der eine Vorspannung in Sperrichtung an den PN-Über-Substratfläche. Da der am Rand der Anordnung vorge- gang zwischen dem Substrat und dem Leckunterdrüksehene Ladungsspeicherbereich zu dem äußeren Sub- kungsbereich angelegt wird. Dadurch hat der Leckunstratbereich zeigt, der weiter als der innere Substratbe- terdrückungsbereich die Funktion, die in dem Substrat reich zwischen Speicherbereichen in der Anordnung 45 erzeugten Träger, insbesondere Minoritätsträger, die entfernt ist, ist die Zahl der spontan erzeugten Träger, den Leckstrom verursachen, zu absorbieren. Um einen die längs der Fläche des Substratbereichs einströmen, übermäßigen Leckstrom zu verhindern, soll in Ausgeauch merklich groß. Zu dem Ladungsspeicherbereich, staltung der Erfindung der Leckunterdrückungsbereich der innerhalb der Anordnung vorgesehen ist, strömen so angeordnet werden, daß er nicht mehr als 15 μ von Träger, die spontan in dem Substratbereich zwischen 50 dem Ladungsspeicherbereich entfernt ist. Um den Leckbenachbarten Ladungsspeicherbereichen erzeugt wer- strom an den Ladungsspeicherbereichen am Rand und den nur in geringer Menge. Da der zwischen benachbar- an der Innenseite der Speicherzellenanordnung gleich ten Ladungsspeicherbereichen vorhandene innere Sub- zu machen, ist es erwünscht, den Abstand zwischen dem stratbereich schmal ist, ist folglich die Zahl der darin Leckunterdrückungsbereich und dem benachbarten Laspontan erzeugten Träger insgesamt klein. Somit er- 55 dungsspeicherbereich gleich oder kleiner dem Abstand zeugt der am Rand der Anordnung vorgesehene La- zwischen benachbarten Ladungsspeicherbereichen im dungsspeicherbereich einen übermäßigen Leckstrom, Innern der Anordnung zu machen,
insbesondere ist der Leckstrom in der an den Ecken der Andererseits soll der Leckunterdrückungsbereich so Anordnung vorgesehenen Ladungsspeicherflächen sehr angeordnet werden, daß er elektrisch von dem Ladungswesentlich. 60 Speicherbereich isoliert ist. um die Funktion des Spei-

Zusätzlich zum zufälligen Zuströmen von thermisch cherkondensators vor Störungen zu schützen. Da der erzeugten Trägern sind andere Faktoren vorhanden, Abstand zwischen benachbarten Ladungsspeicherbereiwelche einen großen Leckstrom in dem Ladungsspei- chen bei einer Speichervorrichtung mit hoher Integracherbereich erzeugen, der am Umfang der Anordnung tionsdichte so klein wie möglich gemacht wird, ist es vorgesehen ist. Einer der wesentlichen Faktoren besteht 65 erwünscht, den Abstand zwischen dem Leckunterdrükin einer leitfähigen Schicht, die auf der Isolierschicht kungsbereich und dem dazu benachbarten Ladungsgebildet ist, welche das Substrat bedeckt, und die sich Speicherbereich so gering zu machen, wie oben erwähnt zur Außenseite des Bereichs der Speicherzellenanord- ist.

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Der Leckunterdrückungsbereich ist insbesondere de 5 auf dem Isolierfilm 2' vorgesehen. Diese Elemente wirksam, wenn er längs der Außenseite der Speicher- bilden einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Tor (IG-kondensatoren angeordnet ist, die sich an den Ecken der FET) für das Übertragungstor 10. Die Elektrode 6 zum Speicherzellenanordnung befindet, an denen ein Leck- Bilden des Speicherkondensators 20 wird auf dem Isostrom besonders leicht auftritt Darüber hinaus ist es 5 lierfilm 2' nahe dem Übertragungstor 10 gebildet. Die auch wirksam, den Leckunterdrückungsbereich an dem Dicke des Isolierfilms 2' beträgt üblicherweise etwa Gebiet unmittelbar unter der leitfähigen Schicht vorzu- 1000 A und als Elektroden 5 und 6 können polykristallisehen, die dem Gebiet der Anordnung benachbart ist, ne Siliziumschichten verwendet werden. Eine Spanum die Erzeugung eines übermäßigen Leckstroms auf- nung, die höher als der Inversionsschwellwertpegel ist, grand der Verarmungsschicht zu verhindern, die unter io üblicherweise eine Spannung der Drainstromversorder leitfähigen Schicht gebildet ist, die sich von der In- gung, wird der Elektrode 6 für den Speicherkondensator nenseite der Speicherzellenanordnung nach außen er- zugeführt, wodurch im Ladungsspeicherbereich 21 eine streckt Es ist auch wirksam, den Leckunterdriickungs- N-Inversionsschicht an der Substratoberfläche indubereich an der Außenseite der Anordnung nahe wenig- ziert wird. Ladungen in Übereinstimmung mit der zu stens eines Ladungsspeicherbereichs vorzusehen, der is speichernden Information werden über das Übertrasich im Umfang der Speicherzellenanordnung befindet, gungstor 10 eingegeben und in der Inversionsschicht 21 jedoch ist es noch mehr erwünscht den Leckunterdrük- gespeichert

kungsbereich so anzuordnen, daß er die Speicherzellen- Der Isolierfilm 7 bedeckt das Funktionselement und

anordnung umgibt die Elektrode 8, die in ohmschen Kontakt mit dem N-

Ein dem Leckunterdrückungsbereich zugeführtes Po- 20 Bereich 3 über das Elektrodenfenster steht das in den tential ergibt eine Vorspannung in Sperrichtung des Isolierfilmen 2 und 7 auf dem Isolierfilm 7 gebildet ist. PN-Übergangs, der zwischen dem Substrat und dem Der Isolierfilm 7 kann beispielsweise aus Phosphorsili-Leckunterdrückungsbereich gebildet wird. Bei einer katglas (PSG) in einer Dicke von etwa 1 μ bestehen und praktischen MIS-Speichervorrichtung kann die Span- die Elektrode 8 kann durch eine Aluminiumschicht in nung der Drainversorgung direkt an den Leckunter- 25 der Dicke von beispielsweise 0,5 bis 1 μ gebildet sein, driickungsbereich angelegt werden. Im Falle einer MIS Die Isolierschicht 7 erstreckt sich auf dem Substrat 1 zur Speichervorrichtung, bei der ein gegenüber Erde unter- Außenseite der Speicherzellenanordnung, was nicht in schiedliches Potential an den Substratbereich angelegt F i g. 1 gezeigt ist Die Elektrode 8 kann sich auch auf wird, d. h. eine sogenannte Rücktor-Vorspannung an dem Isolierfilm 7 zur Außenseite der Speicherzellenanden Bereich angelegt wird, kann das Erdpotential zu- 30 Ordnung erstrecken.

sätzlich an den Leckunterdrückungsbereich angelegt Gemäß dem Ersatzschaltbild der F i g. 2 ist das Überwerden, tragungstor 10 mit der Bitleitung B verbunden, die aus

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeich- der Elektrode 8 besteht während die Torelektrode 5 die

nung beschrieben, in der sind Wortleitung Wbildet Das Übertragungstor 10' gibt die ^K

F i g. 1 ein Teilquerschnitt der Speichervorrichtung 35 Ladungen auf der Bitleitung B in den Speicherkonden-

nach der Erfindung, sator 20' in Übereinstimmung mit einer Signalspannung

F i g. 2 eine Ersatzschaltung der in F i g. 1 gezeigten ein, die zu der Torelektrode 5 über die Wortleitung W ->

Speicherzelle, gegeben wird, oder gibt die Ladungen in dem Speicher-

F i g. 3 eine Darstellung eines Beispiels einer Gesamt- kondensator 20' zu der Bitleitung B aus, wodurch Laden

anordnung einer integrierten Halbleiterspeichervor- 40 und Entladen des Speicherkondensators 20' gesteuert _»

richtung, bei der die Erfindung angewendet wird, wird. *

F i g. 4 eine Teildraufsicht der Anordnung der Spei- In der Speicherzellenanordnung sind Speicherzellen,

chervorrichtung der Erfindung, von denen jede aus einem Übertragungstor 10 und ei-

Fig.5 eine Teildraufsicht der Anordnung der Spei- nem Speicherkondensator 20 besteht siehe Fig. 1, ne- "~

chervorrichtung einer weiteren Ausführungsform der 45 beneinander in einer Matrix angeordnet. Der Abstand _s

Erfindung, zwischen benachbarten Ladungsspeicherbereichen, ~

F i g. 6 eine Teildraufsicht der Anordnung der Spei- nämlich den Inversionsschichten 21, beträgt 5 μ oder

chervorrichtung einer weiteren Ausführungsform der weniger bei einer Speichervorrichtung mit hoher Inte- _x

Erfindung, grationsdichte. Die thermisch in dem P-Substrat 1 er- \

F i g. 7 eine Teilvergrößerung der F i g. 4. 50 zeugten Träger, insbesondere Elektronen (Minoritäts- ^x

F i g. 8 ein Schnitt längs der Linie X-X'm F i g. 7 und träger) werden somit verstreut in mehreren Inversions-

F i g. 9 bis 13 Querschnitte von Substraten zum Erläu- schichten absorbiert, was dazu führt, daß in der Inversa-

tern der aufeinanderfolgenden Schritte des Herstel- tionsschicht 21 kein großer Leckstrom auftreten kann. *

lungsverfahrens der Speichervorrichtung der in F i g. 8 Falls darüber hinaus die Verarmungsschicht an der Sub-

dargestellten Ausführungsform der Erfindung. 55 stratfläche erzeugt wird, wenn eine Spannung an die

F i g. 1 zeigt Speicherzellen, die sich an den Ecken der Elektrode 8 angelegt wird, ist die Verarmungsschicht Speicherzellenanordnung befinden. Die Fläche des P-Si- auf einen schmalen Bereich zwischen den Speicherzel- j. liziumsubstrats ist von dem Feldisolierfilm 2 bedeckt len beschränkt Deshalb tritt keine übermäßige Leckage j der aus Siliziumoxyd besteht Die Dicke des Feldisolier- der Inversionsschicht 21 auf. ί films 2 beträgt im allgemeinen etwa 1 μπι. Die Speicher- 60 Im Gegenteil fließt eine große Zahl von in dem Sub- * zelle besteht aus dem Übertragungstor 10 und dem strat an der Außenseite der Anordnung thermisch er-Speicherkondensator 20. In dem Bereich, indem das zeugten Elektronen konzentrisch in die Inversions- f Funktionselement das die Speicherzellen bildet, ange- schicht 21 am Rand der Anordnung längs der Substratordnet ist ist ein Fenster in dem Feldisolierfim 2 gebil- fläche, was zu einem merklichen Leckstrom in der In- ι det und ein dünner Isolierfilm 2' aus Siliziumoxyd ist 65 Versionsschicht 21 führt Wenn sich die Elektrode 8 zur ^r darin gebildet Als Funktionselement welches das Über- Außenseite der Anordnung erstreckt kann sich eine tragungstor 10 bildet sind die N-Bereiche 3 und 4 für große Verarmungsschicht nach der Außenseite der An- ' Source und Drain in dem P-Substrat und die Torelektro- Ordnung von der Inversionsschicht 21 am Rand der An-

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Ordnung an der Substratfläche längs der Elektrode 8 generator 37, einem Reihendekodierer 38, Spaltendeko-

erstrecken. In diesem Fall kann ein merklicher Leck- dierern 39 und 40 und Abtastverstärkern 41 bis 44 beste-

strom auch zu der Inversionsschicht 21 an dem Rand der hen. Die Operation und der Schaltungsaufbau der Spei-

Anordnung durch einen großen Leckstrom aufgrund cherzellenanordnung und der peripheren Kreise ent-

der Konzentration der Minoritätsträger in die Verar- 5 sprechen denen bei einer bekannten Speichervorrich-

mungsschicht gegeben werden. Ein solcher großer tung.

Leckstrom kann auch durch die Wirkung der Elektro- F i g. 4, die einen vergrößerten Teil einer Ecke der

nen erzeugt werden, die Minoritätsträger sind, welche in Speicherzellenanordnung in Fig. 3 zeigt, wird unter

der Substratfläche unmittelbar unter der Elektrode 8 Heranziehung der F i g. 1 beschrieben. Das P-Halblei-

gespeichert sind. . 10 tersubstrat 101 ist durch den Feldisolierfilm 102 be-

Gemäß der Erfindung wird der oben erwähnte über- deckt. In dem Bereich, in dem die Speicherzellen gebilmäßige Leckstrom durch den Leckunterdrückungsbe- det werden sollen, ist ein Fenster in dem Feldisolierfilm reich 9 verhindert, der an der Außenseite längs des 102 vorgesehen, während in dem Fenster ein dünner Rands der Speicherzellenanordnung vorgesehen ist An Isolierfilm 102' gebildet ist. Die die Wortleitung bildenden N-Bereich 9 wird ein positives Potential relativ zu 15 de Elektrode 105 erstreckt sich zu dem dünnen Isolierdem Substrat angelegt, wodurch der PN-Übergang zwi- film 102' und kreuzt diesen in jeder Speicherzelle und sehen dem P-Substrat 1 und dem N-Bereich in Spefrich- wirkt als Torelektrode des Übertragungstors in jeder tung vorgespannt wird. Bei einer solchen Speichervor- Speicherzelle. Die Elektrode 106 für den Speicherkonrichtung, bei der -5 V an das P-Substrat als Vörspan- densator erstreckt sich auch bis zu dem Bereich und nung in Sperrichtung angelegt wird, kann das geerdete 20 kreuzt den Bereich, in dem die Inversionsschicht für den Potential an den N-Bereich 9 angelegt werden, siehe Speicherkondensator in jeder Speicherzellenanordnung Fig. 1. Wenn das P-Substrat 1 geerdet ist, soll eine gebildet werden soll, und ist in gewünschter Weise mit Spannung mit positivem Wert an den N-Bereich 9 ange- der Drainspannungsquelle VDD verbunden. Die Eleklegt werden. Es ist erwünscht, die Versorgungsspannung troden 105 und 106 sind durch eine polykristalline SiIidirekt an den N-Bereich 9 anzulegen, um eine konstante 25 ziumschicht gebildet. In dem P-Substrat 101 unter dem Leckunterdrückung zu erreichen. dünnen Isolierfilm 102' mit Ausnahme des Bereichs, der

Der N-Bereich 9, an den das besondere Potential an- durch die Elektroden 105 und 106 maskiert ist, die aus gelegt wird, absorbiert Elektronen, die in dem P-Sub- polykristallinem Silizium bestehen, werden die N-Bereistrat 1 an der Außenseite der Speicherzellenanordnung ehe gebildet Auf diese Weise werden das Übertraerzeugt werden, was einen übermäßigen Leckstrom der 30 gungstor 110 und der Speicherkondensator 120 gebildet Inversionsschicht 21 verhindert Darüber hinaus unter- und jede Speicherzelle bildet ein Paar mit einer benachbricht der N-Bereich 9 Minoritätsträger, die längs der harten Speicherzelle in der Form eines symmetrischen Verarmungsschicht, die sich zu der Substratfläche durch Musters. In F i g. 4 sind sechs Paare Speicherzellen geAnlegen einer Spannung an die Elektrode 8 erstrecken zeigt, nämlich insgesamt 12 Speicherzellen,
kann, einfließen, und die Erzeugung eines übermäßigen 35 Auf dem Substrat 101 ist ein (nicht dargestellter) Iso-Leckstroms wird unterdrückt lierfilm, beispielsweise ein PSG-FiIm, gebildet der die

Der Leckunterdrückungsbereich 9 soll so angeordnet Elektroden 105 und 106 bedeckt, und in dem N-Bereich sein, daß er einen Abstand von mehr als 15 μ von der in der Mitte jedes Speicherzellenpaars ist das Elektro-Iηversionsschicht 21, also dem Ladungsspeicherbereich, denfenster 130 auf dem PSG-FiIm und dem dünnen Isohat da Träger, die zwischen dem Leckunterdrückungs- 40 lierfilm 102' gebildet Die Aluminiumelektrode 108, welbereich 9 und der Inversionsschicht 21 oder der' sich ehe die Bitleitung bildet erstreckt sich auf dem PSG-darin erstreckenden Verarmungsschicht erzeugt wer- Film und steht in ohmschem Kontakt mit dem N-Beden, die Ursache für einen Leckstrom werden. Es ist reich über das Elektrodenfenster 130.
erwünscht, daß der Abstand zwischen dem N-Bereich 9 In Ausgestaltung der Erfindung ist an der Außenseite und der Inversionsschicht 21 gleich dem Abstand zwi- 45 der Speicherzellenanordnung der N-Bereich 109 so gesehen benachbarten Inversionsschichten 21 in der Spei- bildet, daß er die Speicherzellenanordnung umgibt Der cherzellenanordnung sein soll, und zwar beispielsweise Abstand zwischen der Inversionsschicht, die unter dem 5 μ oder weniger. dünnen Isolierfilm 102' unter der Elektrode 106 indu-

Die N-Inversionsschicht 21 kann durch den N-Be- ziert wird, und dem N-Bereich 109 in der Speicherzelle, reich ersetzt werden, der durch Einbringen eines N- 50 der um die Speicherzellenanordnung vorgesehen ist, ist Fremdstoffs gebildet wird. Auch in einem solchen Fall gleich dem Abstand zwischen benachbarten Inversionsist der Leckunterdrückungsbereich 9 so wirksam wie im schichten, nämlich dem Abstand zwischen benachbarten oben beschriebenen Fall. Das Übertragungstor kann ei- dünnen Isolierfilmen 102'. Beispielsweise beträgt der ne andere Form als die annehmen, die in F i g. 1 gezeigt Raum 5 μ. Der Isolierfilm auf dem N-Bereich 109 ist mit ist Wenn beispielsweise die Elektroden 5 und 6 ausrei- 55 einem Elektrodenfenster 131 und einer Elektrode 132 chend nahe angeordnet sind, kann der N-Bereich 4 weg- versehen, die im ohmschen Kontakt mit dem N-Bereich gelassen werden. steht, der über das Elektrodenfenster 131 gebildet ist

Gemäß F i g. 3, welche als eine Ausführungsform der Die Elektrode 132 ist mit dem Anschluß der Drainspan-Erfindung die Speicherzellenanordnung und die peri- nungsquelle VDD verbunden, die eine positive Spanpheren Schaltkreise zeigt sind an der Hauptfläche des 60 nung abgibt Andererseits wird das Erdpotential oder Halbleitersubstrats 30 zwei Speicherzellenanordnungen ein negatives Torvorspannungspotential in Rückwärts-31 und 32 angeordnet Jede der Speicherzellenanord- richtung an das Substrat 101 angelegt, was dazu führt nung 31 und 32 enthält eine große Zahl von Speicherzel- daß der N-Bereich 109 in Rückwärtsrichtung zu dem len, die jeweils matrixförmig angeordnet sind. Um die P-Substrat 101 vorgespannt wird. Auf diese Weise ver-SpeicherzeUenanordnungen 31 und 32 sind die periphe- 65 hindert der N-Bereich 109, daß spontan erzeugte Elekren Kreise vorgesehen, die aus jedem Eingangs- und tronen in die Anordnung von der Außenseite der Spei-Ausgangskreis 33, einer Eingangs- und Ausgangssteuer- cherzellenanordnung längs der Fläche des P-Substrats einrichtung 34, Adressenpuffern 35 und 36, einem Takt- 101 einfließen. Die am Rand der Anordnung vorgesehe-

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nen Speicherkondensatoren haben auch sehr gute La- In einem solchen Fall kann die Erfindung so ausgeführt dungsspeichereigenschaften wie diejenigen innerhalb werden, wie dies in F i g. 6 gezeigt ist.
der Anordnung. F i g. 7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Speicherin F i g. 5 ist ein Teil der Ecke der in F i g. 3 gezeigten zellenpaars an der Ecke der Speicherzellenanordnung Speicherzellenanordnungen 31 und 32 dargestellt Die 5 bei der in F i g. 4 gezeigten Ausbildung und einen Teil Ausbildung der Speicherzellenanordnung entspricht der des Leckunterdrückungsbereichs 109.
in F i g. 4 gezeigten Vorrichtung. Bei der Speicherzellen- Gemäß F i g. 8 sind die N-Bereiche 103 und 104 zum vorrichtung der Fig. 5 erstreckt sich die Elektrode 151, Bilden des Übertragungstors auf dem P-Siliziumsubdie aus polykristallinem Silizium zum Bilden des Spei- strat 101 gebildet und der P-Bereich 180 mit vergleichscherkondensators besteht, zur Außenseite der Speicher- 10 weise hoher Fremdstoffkonzentration ist an der Fläche Zellenanordnung. An der Außenseite der Speicherzel- des Substrats 101 unter einem dicken Feldisolierfilm 102 lenariordnung ist die Verdrahtungsschicht 152, die aus vorgesehen, was in Fig. 4 nicht gezeigt ist. Der P-Be-Aluminium besteht, mit der Elektrode 151 für den Spei- reich 180 wirkt als Kanalbegrenzungsbereich, um die cherkondensator über die in dem PSG-FiIm gebildeten Speicherelemente in dem Substrat elektrisch zu tren-Kontaklfenster 153 verbunden. Die Verdrahtungs- 15 nen. Die N-Inversionsschicht 121, die als Ladungsspeischicht 152 ist mit dem Anschluß der Drainspannungs- cherbereich wirkt, wird induziert, wenn eine positive quelle verbunden und dadurch wird die Drainversor- Spannung an die Elektrode 106 während des Betriebs gungsspannung VDD, die zum Induzieren der Inver- der Speichervorrichtung angelegt wird,
sionsschicht für die Ladungsspeicherung unter dem dün- Die unter Bezugsnahme auf die Fig. 9 bis 13 benen Isolierfilm 102' in jeder Speicherzelle geeignet ist, 20 schriebenen Herstellungsschritte der in F i g. 7 und 8 der Elektrode 151 für den Speicherkondensator wäh- gezeigten Ausbildung können auch beim Herstellen der rend des Betriebs der Speichervorrichtung zugeführt. in den F i g. 5 und 6 gezeigten Speichervorrichtung an-

Der N-Bereich 154 ist an der Fläche des P-Substrats gewendet werden.

101 unter der Elektrode 151 vorgesehen, die sich zur Beim ersten in F i g. 9 gezeigten Schritt wird ein Silizi-Außenseite der Anordnung erstreckt Dieser N-Bereich 25 umnitridfilm 190 auf der Fläche des P-Siliziumsubstrats 154 ist insbesondere so angeordnet, daß er im Abstand 101 gebildet. Dieser Siliziumnitridfilm 190 wird durch von 5 μ oder weniger von der Inversionsschicht entfernt ein chemisches Dampfniederschlagsverfahren (CVD) ist, die den Speicherkondensator an dem Rand der An- niedergeschlagen und in ein Muster geformt, um den Ordnung bildet Die Aluminiumverdrahtungsschicht 152, Speicherzellenbereich und den Leckunterdrückungsbedie mit dem Drainversorgungsspannungsanschluß VDD 30 reich mittels Photolithographie zu maskieren. Die verbunden ist, steht in ohmschem Kontakt mit jedem Fremdstoffkonzentration des P-Siliziumsubstrats 101 N-Bereich 154 über das Kontaktfenster 155, das in der liegt im Bereich von 10¹⁴ bis 10¹⁵ cm-³. Die Dicke des Isolierschicht an dem N-Bereich 154 gebildet ist. Als Siliziumnitridfilms 190 beträgt etwa 1000 Ä. Hierbei Ergebnis wird der PN-Übergang zwischen dem N-Be- werden Borionen (B⁺) in das Substrat 101 unter Verreich 154 und dem P-Substrat 101 in Sperrichtung wäh- 35 Wendung des Siliziumnitridfilms als Maske implantiert rend des Betriebs vorgespannt Der N-Bereich 154 hat und daraufhin wird das Substrat 101 einer thermischen deshalb die Funktion, ein Fließen der Elektronen in den Oxydationsbehandlung unterzogen. Als Ergebnis wird inneren Teil von der Außenseite der Anordnung längs der Feldsiliziumdioxydfilm 102 auf der Fläche des Subder Fläche des Substrats 101 unter der Elektrode 151 zu strats 101 gebildet, wo diese durch den Siliziumnitridfilm verhindern. 40 190 nicht maskiert ist Unter dem Feldoxydfilm 102 wird Gemäß F i g. 6, deren Ausbildung der Speicherzellen- der P-Bereich 180 mit vergleichsweise hoher Fremdanordnung der Vorrichtung nach F i g. 4 entspricht, ist Stoffkonzentration mittels der Borionenimplar.tation für an der Außenseite der Speicherzellenanordnung der N- die Kanalbeschneidung gebildet Die Bedingungen der Bereich 1611 vorgesehen, der sich in das Substrat 101 von thermischen Oxydation werden so eingestellt, daß die der Oberfläche erstreckt. Die Aluminiumverdrahtungs- 45 Dicke des Feldoxydfilms 102 etwa 8000 A wird,
schicht 162, die mit dem Drainversorgungsspannungs- Dann wird der Siliziumnitridfilm 190 durch Ätzen entanschluß VDD verbunden ist, steht in ohmschen Kon- fernt und das Substrat 101 wird wieder einer thermitakt mit dem N-Bereich 161 über das Elektrodenfenster sehen Oxydation unterzogen. Als Ergebnis wird der SiIi-163, das in dem Isolierfilm auf dem N-Bereich 161 gebil- ziumdioxydfilm 102' mit einer Dicke von 1000 Ä, siehe det ist. Dieser N-Bereich 161 arbeitet während des Be- 50 Fig. 11, auf der Substratfläche in dem Bereich gebildet, triebs der Speicherzelle in der Weise, daß ein Leckstrom der nicht durch den Feldoxydfilm 102 maskiert ist
des Speicherkondensators unterdrückt wird, der an der Nachfolgend wird das polykristalline Silizium in einer Ecke der Speicherzellenanordnung auftreten kann. Die- Dicke von 4000 Ä auf dem Substrat durch chemischen se Speichervorrichtung unterscheidet sich von der in Dampfniederschlag niedergeschlagen. Gemäß Fig. 12 Fig.4 dadurch, daß der N-Bereich zum Unterdrücken 55 wird diese polykristalline Siliziumschicht in der Form des Leckstroms die Zellenanordnung nicht vollständig der Torelektrode 105 des IG FET und der Speicherkonumgibt Unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung densatorelektrode 106, welche das Übertragungstor bileiner übermäßigen Leckage für alle an dem Rand der den, durch Anwendung von Photolithographie zurück-Zellenanordnung vorgesehenen Speicherkondensato- gelassen. Daraufhin wird eine Ätzbehandlung des Siliziren ist die Vorrichtung der Fig. 4 vorteilhafter. Der 60 urnoxyds bei dem Substrat in solch ausreichender Weise N-Bereich, der als Funktionselement (Source, Drain, La- ausgeführt, daß das Siliziumoxyd von dem Substrat in dungsspeicherbereich) der Speichervorrichtung arbei- einer Dicke von 1000 Ä entfernt wird. Während dieser tet, erstreckt sich jedoch oft über den Rand der Spei- Ätzbehandlung wirken die polykristallinen Siliziumcherzellenanordnung hinaus. In diesem Fall kann der schichten 105 und 106 als Maske und nur der freigelegte N-Bereich zur Leckunterdrückung nicht die Zellenan- 65 Teil des dünnen Siliziumoxydfilms 102' wird entfernt Ordnung umgeben, da der N-Bereich der Leckunter- Als Ergebnis wird die Fläche des Substrats 101 in dem drückung von dem Bereich getrennt werden muß, der Gebiet freigelegt, das nicht durch die polykristallinen als Funktionselement der Speichervorrichtung arbeitet Siliziumschichten 105 und 106 oder den Feldoxydfilm

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102 bedeckt ist. Hierbei wird der N-Fremdstoff in das Substrat 101 diffundiert. Für diese Fremdstoffdiffusion kann eine Phosphordiffusion unter Verwendung von POCl₃ angewendet werden. Zusätzlich kann ein auf dem Substrat durch chemischen Dampfniederschlag gebildeter PSG-FiIm als Diffusionsquelle verwendet werden. Der N-Fremdstoff wird in die freigelegte Fläche des Substrats in einer Konzentration von 10²⁰Cm-⁴ oder mehr eingebracht

Gemäß Fig. 13 wird das Substrat 101 mit einem PSG-FiIm 107 in einer Dicke von 1 μ, der durch chemischen Dampf niedergeschlagen wird, überzogen. Dieser PSG-FiIm 107 ist vorgesehen, um die Aluminiumverdrahtungsschicht und die darauf gebildeten polykristallinen Siliziumschichten 105 und 106 zu trennen, und kann auch als Phosphordiffusionsquelle verwendet werden. Durch die Diffusion des N-Fremdstoffs werden die N-Bereiche 103 und 104 und der Leckunterdrückungs-N-Bereich 109, welche das Übertragungstor bilden, auf dem Substrat gebildet Der Fremdstoff wird auch in die polykristallinen Siliziumschichten 105 und 106 gleichzeitig mit der Bildung dieser N-Bereiche eingebracht und als Ergebnis erhalten die Elektroden 105 und 106 eine ..iedrige Leitfähigkeit

Nachdem das Elektrodenfenster auf dem PSG-FiIm durch Photolithographie gebildet worden ist, wird die in den Fig.7 und 8 gezeigte Aluminiumverdrahtungsschicht 108 gebildet Die Aluminiumverdrahtungsschicht 108 kann durch Vakuumverdampfung von Aluminium oder Photolithographie gebildet werden. Ein Elektrodenfenster wird in einem (nicht dargestellten) Bereich des PSG-FiIm 107 gebildet, der auf dem Leckunterdrückungs-N-Bereich 109 gebildet ist, und die Aluminiumverdrahtungsschicht für die Zuführung der Vorspannung, die in ohmschen Kontakt mit dem N-Bereich kommt, wird bei diesem Schritt gebildet

Die Erfindung kann auch bei einer Speichervorrichtung mit P-Kanal-Transistoren unter Verwendung eines N-Halbleitersubstrats angewendet werden, in welchem Fall der Leckunterdrückungsbereich durch einen P-Bereich gebildet wird, wobei ein daran angelegtes Potential negative Polarität relativ zum N-Substrat hat

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen 45

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Claims (7)

1 2 MIS-Feldeffekttransistor (FET) besteht Diese Spei- Patentansprüche: chervorrichtung wird im allgemeinen als Ein-Transistor/ Zellen-Speichervorrichtung bezeichnet Der Speicher-

1. Integrierte Halbleiterspeichervorrichtung mit kondensator ist zwischen einer Elektrodenmetalleinem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeits- 5 schicht, die auf einem Isolierfilm auf der Oberfläche des typs, das in einem Gebiet eine Speicherzellenanord- Halbleitersubstrats gebildet ist, und einem Ladungsspeinung aufweist, in der Speicherkondensatoren nahe cherbereich (z B. Inversionsschicht oder Bereich von aneinander angeordnet sind und in der jeder Spei- zum Substrat entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp) gecherkondensator einen Ladungsspeicherbereich in bildet, der an der Halbleitersubstratoberfläche unter der Nähe der Oberfläche des Halbleitersubstrats auf- io ElektrodenmetaMschicht liegt Das Übertragungstor weist, gekennzeichnet durch einenLeckun- steuert die Ladungsübertragung zwischen dem Speiterdrückungsbereich (9,109,154,161) eines zweiten cherkondensatoir und einer Bitleitung mittels eines Si-Leitfähigkeitstyps (n) im Halbleitersubstrat (1,101), gnals auf einer Wortleitung. Überlicherweise bilden der zu dem ersten Leitfähigkeitstyp (p) entgegenge- mehrere Speicherzellen eine matrixförmige Speichersetzt ist, wobei der Leckunterdrückungsbereich (9, is Zellenanordnung auf dem Substrat

109, 154, 161) außerhalb der Speicherzelletianord- Die in dem Speicherkondensator entsprechend der zu nung (20,120) und nahe wenigstens einem der La- speichernden Information gespeicherten Ladungen dungsspeicherbereiche (21,121) angeordnet ist, und werden mit der Zeit durch Leckstrom verringert Um durch eine Einrichtung zum Anlegen eines Vorspan- die Information zu halten, wird üblicherweise eine Aufnungspotentials an den Leckunterdrückungsbereich 20 frischoperation ausgeführt, indem dem Speicherkon-(9,109,154,161) in der Weise, daß ein PN-Übergang densator Ladungen von einem äußeren Schaltkreis pezwischen dem Leckunterdrückungsbereich (9, 109, riodisch entsprechend der in dem Speicherkondensator 154,161) und dem Substrat (1,101) in Sperrichtung gespeicherten Information zugeführt werden. Es ist ervorgespannt wird. wünscht, die Auffrischperiode so lang wie möglich ein-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 zustellen. Eine integrierte Halbleiterspeichervorrichzeichnet, daß der Leckunterdrückungsbereich (9, tung mit mehreren Speicherzellen in einem Halbleiter-109, 154, 161) so angeordnet ist, daß sein Abstand substrat muß eine solche Ladungsspeichercharakterivön dem Ladungsspeicherbereich (21, 121) nicht stik aufweisen, daß die Speicherkondensatoren aller mehr als 15 μ beträgt Speicherzellen nicht wesentlich Ladungen innerhalb der

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 30 Auffrischperiode verlieren.

zeichnet, daß der Leckunterdrückungsbereich (9, Diese unterschiedlichen Ladungsverluste bedeuten,

109,154,161) die Speicherzellenanordnung (20,120) daß das Vorhandensein oder NichtVorhandensein von

umgibt Ladungen im Speicherkondensator nicht mehr unter-

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- schieden werden kann, d. h. ein fehlerfreier Betrieb ist zeichnet, daß der Ladungsspeicherbereich (21, 121) 35 auch nicht durch ein Auffrischen möglich.

den zweiten Leitfähigkeitstyp (n) aufweist. Eine integrierte Halbleiterspeichervorrichtung weist

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- eine Speicherzellenanordnung auf, in der mehrere zeichnet, daß der Ladungsspeicherbereich (21,121) Zehntausende von Speicherzellen in einer Teilfläche eidurch eine Inversionsschicht gebildet ist nes Halbleitersubstrats in der Form einer Matrix ange-

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 40 ordnet sind. Wenn auch nur eine Speicherzelle eine zeichnet, daß jeder Speicherkondensator des weite- schadhafte Ladungsspeichercharakteristik aufweist, ren einen das Halbleitersubstrat (1,101) bedecken- nämlich wenn nur eine Speicherzelle nicht die notwenden Isolierfilm (2', 102') und eine leitfähige Schicht dige Ladungsmenge während der Auffrischperiode hal-(6, 106) auf dem Isolierfilm (2', 102'), der auf dem ten kann, ist die Speichervorrichtung nicht mehr Ladungsspeicherbereich (21, 121) angeordnet ist, 45 brauchbar. Die Auffrischperiode ist im allgemeinen kürenthält, zer eingestellt als die durchschnittliche Ladungshaltepe-

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet riode eines Speicherkondensators. Wenn die Ladungsdurch eine zweite Einrichtung zum Anlegen einer halteperiode beispielsweise 1 bis 10 Sekunden beträgt, Spannung an die leitfähige Schicht (6, 106), so daß wird die Auffrischperiode beispielsweise auf einige MiI-eine Inversionsschicht, die als Ladungsspeicherbe- 50 lisekunden eingestellt. Ein Teil der Speicherzellen hat reich (21,121) wirkt, an der Oberfläche des Halblei- jedoch sehr kurze Ladungshalteperioden im Vergleich tersubstrats (1,101) unter der leitfähigen Schicht (6, mit dem Durchschnittswert. Dadurch ist der Anteil der 106) induziert wird. fehlerhaften Speichervorrichtungen unter allen hergestellten Speichervorrichtungen nicht unerheblich.

55 Um die Kapazität im Hinblick auf eine Verbesserung

der Ladungsspeichercharakteristik aller Speicherkondensatoren zu vergrößern, ist es notwendig, die Abmes-

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halb- sung des Speicherkondensators groß zu machen, was leiterspeichervorrichtung nach dem Oberbegriff des Pa- Nachteile mit sich bringt, wie eine Verschlechterung der