DE4029608C2

DE4029608C2 -

Info

Publication number: DE4029608C2
Application number: DE4029608A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. 7042 Aidlingen De Wolter; Johann Dr. 7032 Sindelfingen De Bartha
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1990-09-19
Filing date: 1990-09-19
Publication date: 1992-07-02
Also published as: DE4029608A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Speicherkondensator für eine auf einem Wafer aus dotiertem Halbleitersubstrat aufgebaute integrierte Schaltung, bei dem eine erste Kondensatorplatte durch einen von einer Passivierungsschicht abgegrenzten Bereich des dotierten Halbleitersubstrats des Wafers gebildet wird, und bei dem eine zweite Kondensatorplatte durch eine auf den Wafer aufgebrachte elektrisch leitende Schicht gebildet wird.The invention relates to a storage capacitor for a a wafer made of doped semiconductor substrate integrated circuit, in which a first capacitor plate by one delimited by a passivation layer Region of the doped semiconductor substrate of the wafer is formed is, and in which a second capacitor plate by a the electrically applied layer formed on the wafer is formed becomes.

Ein derartiger Speicherkondensator für eine auf einem Halbleitersubstrat-Wafer aufgebaute integrierte Schaltung ist aus der Druckschrift "IEEE Journal of Solid-state Circuits", Vol. 24 No. 1, 1989, Seiten 165-173, bekannt. Er findet insbesondere in den Speicherzellen eines dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff (DRAM, Dynamic Random Access Memory) Verwendung: Die in dem DRAM abzuspeichernden binär codierten Daten werden bitweise in den einzelnen Speicherzellen abgelegt, wobei die beiden binären Zustände "Null" und "Eins" eines jeden Bits den Ladezuständen "Leer" und "Voll" des Speicherkondensators der Speicherzelle zugeordnet werden. Such a storage capacitor for one on one Semiconductor substrate wafer is built integrated circuit from the publication "IEEE Journal of Solid-state Circuits", Vol. 24 No. 1, 1989, pages 165-173. He thinks especially in the memory cells of a dynamic memory with random access (DRAM, Dynamic Random Access Memory) Use: The binary coded to be stored in the DRAM Data is stored bit by bit in the individual memory cells filed, the two binary states "zero" and "one" of each bit the "empty" and "full" state of charge Storage capacitor of the memory cell are assigned.

Die Höherintegration derartiger dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff zur Erhöhung der Packungsdichte der auf dem Wafer implementierbaren elektronischen Schaltungen erfordert nun eine Reduktion des Platzbedarfes einer jeder einzelnen Speicherzelle: Diese Miniaturisierung bedingt demzufolge eine Verminderung der von einem Speicherkondensator einer Speicherzelle auf dem Wafer beanspruchten Wafer-Fläche. Bei der Konzeption der bisherigen Speichergeneration, bei denen der Speicherkondensator planar auf der Oberfläche des Wafers angeordnet ist, wurde einfach die Dimension des Chip-Layouts verkleinert (scale down-Gesetz), d. h., die den einzelnen planaren Speicherkondensatoren zur Verfügung stehende Fläche wurde verringert. Die mit der Verkleinerung der Kondensatorplatten-Fläche einhergehende Verringerung der Kapazität des Speicherkondensators wurde durch eine Verringerung der Dicke des zwischen den Kondensatorplatten des Speicherkondesators befindlichen Dielektrikums ausgeglichen.The higher integration of such dynamic memories with optional access to increase the packing density on the Wafer implementable electronic circuits required now a reduction in the space requirements of each one Memory cell: This miniaturization therefore requires one Reduction of a storage capacitor Memory cell on the wafer area occupied by the wafer. At the conception of the previous memory generation, in which the storage capacitor is planar on the surface of the wafer was simply the dimension of the chip layout scaled down (scale down law), d. that is, the individual planar storage capacitors available area has been reduced. The one with the downsizing of the Capacitor plate area accompanying reduction in Capacitance of the storage capacitor was determined by a Reducing the thickness of the between the capacitor plates of the Storage capacitor located dielectric balanced.

Bei der heute in Fertigung befindlichen Speichergeneration mit 1-Mbit Speicherkapazität wird in technologischer Hinsicht eine untere Grenze dieser Planar-Technologie erreicht. Eine weitere Verringerung des Platzbedarfs einer Speicherzelle und somit eine Erhöhung der Packungsdichte ist mit einem in konventioneller Planar-Technologie aufgebauten Speicherkondensator nicht mehr erreichbar: Diese zur Höherintegration erforderliche weitergehende Verkleinerung der Kondensatorplatten bewirkt eine Kapazitätsverminderung des Speicherkondensators, die nicht mehr durch eine gleichzeitige Verminderung der Dicke des Dielektrikums ausgeglichen werden kann, da dessen Schichtdicke aus fertigungstechnischen Gründen nicht beliebig minimierbar ist.With the storage generation currently in production with 1-Mbit storage capacity becomes a technologically reached the lower limit of this planar technology. Another Reduction of the space requirement of a memory cell and thus an increase in packing density is associated with an in conventional planar technology Storage capacitor no longer accessible: This for Higher integration required further reduction of the Capacitor plates reduce the capacity of the Storage capacitor, no longer by a simultaneous Reduction in the thickness of the dielectric can be compensated can, because its layer thickness for manufacturing reasons cannot be minimized at will.

Die Speicherkondensatoren derartiger hochintegrierter DRAM′s müssen aber eine gewisse Minimalkapazität aufweisen, um eine genügend große elektrische Ladung aufnehmen zu können. Diese Minimalanforderung an die Speicherkapazität des Speicherkondensators eines DRAM′s ergeben sich daraus, daß beim Auslesen einer Speicherzelle eine genügend große Ladungsmenge zur Verfügung stehen muß, welche in einem Leseverstärker des dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff noch ein genügend großes Signal erzeugt, das sich diskriminierbar vom Materialrauschen des Halbleitersubstrats und sonstigen auftretenden Störeinflüssen abhebt. Außerdem muß beachtete werden, daß die Kapazität des planaren Speicherkondensators deutlich höher als die parasitäre Kapazität einer den Speicherkondensator mit dem Leseverstärker verbindenden bit-line sein muß, um kapazitive Beeinflussungen des Lese-/Schreibvorganges im DRAM zu vermeiden.The storage capacitors of such highly integrated DRAMs but must have a certain minimum capacity in order to to be able to take up a sufficiently large electrical charge. These Minimum storage capacity requirement of the Storage capacitor of a DRAM's result from the fact that a sufficiently large one when reading out a memory cell Charge quantity must be available, which in one Dynamic memory sense amplifier with optional Access still generates a sufficiently large signal that discriminable from the material noise of the semiconductor substrate and other interfering influences. In addition, must be noted that the capacity of the planar Storage capacitor significantly higher than the parasitic Capacity of the storage capacitor with the sense amplifier connecting bit-line must be to capacitive influences to avoid the read / write process in the DRAM.

Aus diesem Grund wird bei der Konzeption des sich zur Zeit in Entwicklung befindlichen 4-Mbit-Speichers das Konzept des sog. "Deep Trench"-Kondensators verfolgt. Hierbei ist vorgesehen, daß der Speicherkondensator einer jeden Speicherzelle nicht mehr planar auf dem Halbleitersubstrat des Wafers aufgebaut wird. Vielmehr werden in den Wafer sog. Gräben (trenches) eingeätzt, deren Seitenflächen und Grundflächen mit einer dünnen Schicht aus dielektrischem Material beschichtet werden. Der verbleibende Hohlraum des Grabens wird mit einer auf den Wafer aufgebrachten elektrisch leitenden Schicht aus dotiertem Polysilizium ausgefüllt, welches als obere Kondensatorplatte dient. Dieses "Deep Trench"-Konzept zur Höchstintegration der Speicherzellen eines dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff besitzt jedoch den Nachteil, daß es technologisch äußerst aufwendig ist. Die bei diesem Verfahren auftretenden technologischen Probleme übersteigen in ihrer Komplexität den Herstellungsaufwand, wie er bei in Planar-Technologie aufgebauten Speicherzellen erforderlich ist, bei weitem. Die daraus resultierenden hohen Herstellungskosten führen in nachteiliger Art und Weise zu einem ungünstigen Preis/Leistungsverhältnis, welches die mit einem derartigen DRAM ausgerüsteten elektronischen Geräte beträchtlich verteuert.For this reason, the conception of the currently in Development of 4 Mbit memory is the concept of the so-called "Deep Trench" capacitor tracked. It is provided that the storage capacitor of each memory cell is not built up more planar on the semiconductor substrate of the wafer becomes. Rather, so-called trenches are etched, the side surfaces and base surfaces with a thin layer of dielectric material can be coated. The remaining cavity of the trench is covered with a Wafer applied electrically conductive layer of doped Polysilicon filled, which is the upper capacitor plate serves. This "deep trench" concept for maximum integration of the Dynamic memory memory cells with random However, access has the disadvantage that it is technological is extremely expensive. Those occurring in this process technological problems exceed their complexity Manufacturing effort, as in planar technology built memory cells is required by far. The resulting high manufacturing costs result in disadvantageous way to an unfavorable Price / performance ratio, which with such DRAM-equipped electronic devices considerably more expensive.

In der Druckschrift "Electrochimica Acta", Vol. 22, 1977, Seiten 713-716, werden Eigenschaften des Ionenhalbleiters RbAg₄I₅ beschrieben: Dieser weist - wie aus Fig. 3 ersichtlich ist - eine besonders hohe Ionenleitfähigkeit für Ag-Kationen bei Raumtemperatur auf.In the publication "Electrochimica Acta", vol. 22, 1977, pages 713-716, properties of the ion semiconductor RbAg₄I₅ are described: As can be seen from FIG. 3, this has a particularly high ion conductivity for Ag cations at room temperature.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Speicherkondensator der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß in besonders einfacher Art und Weise eine im Vergleich zu den bekannten Speicherkondensatoren drastisch vergrößerte Speicherkapazität erreicht wird. The invention has for its object one Storage capacitor of the type mentioned above to further develop that in a particularly simple manner compared to the known storage capacitors drastically increased storage capacity is achieved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte des Speicherkondensators eine dünne Schicht eines ionenleitenden Festkörpers angeordnet ist.This object is achieved in that between the first and the second capacitor plate of the Storage capacitor is a thin layer of an ion-conducting Solid body is arranged.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen erlauben es in besonders vorteilhafter Art und Weise, einen in planarer Technologie oder nach dem "Deep Trench"-Konzept aufgebauten Speicherkondensator zu schaffen, welcher sich durch seine hohe Speicherkapazität auszeichnet. Die Kapazität des erfindungsgemäßen Speicherkondensators bei einer gleichen Kondensatorplatten-Fläche ist um den Faktor 10-100 größer als bei den zum Stand der Technik zählenden Speicherkondensatoren. Die derart drastisch vergrößerte Speicherkapazität des erfindungsgemäßen Speicherkondensators wird maßgeblich durch die Anordnung der dünnen Schicht des ionenleitenden Festkörpers zwischen den Kondensatorplatten erreicht: An einer Phasengrenzschichten zwischen der oberen Kondensatorplatte und dem ionenleitenden Festkörper einerseits und der unteren Kondensatorplatte und dem ionenleitenden Festkörper andererseits bildet sich je eine festkörperelektrolytische Doppelschicht aus, die als atomarer Speicherkondensator fungiert. Die Kondensatorflächen des derart gebildeten atomaren Speicherkondensators werden jeweils durch eine Kondensatorplatte des erfindungsgemäßen Speicherkondensators und durch eine der Kondensatorplatte gegenüberliegende, im ionenleitenden Festkörper ausgebildete äußere Helmzholtz-Ebene bewirkt. Der Schichtabstand zwischen der Kondensatorplatte und der ihr gegenüberliegenden die Kondensatorfläche des atomaren Kondensators bildenden äußeren Helmholtz-Ebene beträgt ungefähr einen halben Durchmesser der beweglichen Ionen des ionenleitenden Festkörpers. Er ist somit um Größenordnungen kleiner als der bei bekannten Speicherkondensatoren auftretende Plattenabstand der beiden Kondensatorplatten. Da bekanntermaßen die Kapazität eines Speicherkondensators indirekt proportional zum Abstand seiner Kondensatorplatten ist, wird durch den äußerst kleinen, in einer atomaren Größenordnung liegenden Schichtabstand der beiden Kondensatorflächen jedes atomaren Kondensators eine äußerst hohe Speicherkapazität erreicht.The measures according to the invention allow it in particular advantageous way, one in planar technology or constructed according to the "deep trench" concept To create storage capacitor, which stands out for its high Storage capacity distinguished. The capacity of the storage capacitor according to the invention at the same Capacitor plate area is larger by a factor of 10-100 in the case of the storage capacitors which belong to the prior art. The drastically increased storage capacity of the storage capacitor according to the invention is significantly by the arrangement of the thin layer of the ion-conducting Solid reached between the capacitor plates: On one Phase boundary layers between the upper capacitor plate and the ion-conducting solid on the one hand and the lower one Capacitor plate and the ion-conducting solid on the other hand, a solid-state electrolytic is formed Double layer made up of an atomic storage capacitor acts. The capacitor areas of the thus formed atomic storage capacitor are each represented by a Capacitor plate of the storage capacitor according to the invention and by one opposite the capacitor plate, in ion-conducting solid body formed outer Helmzholtz level causes. The layer distance between the capacitor plate and the opposite is the atomic capacitor area Capacitor-forming outer Helmholtz level about half a diameter of the mobile ions of the ion-conducting solid. It is therefore orders of magnitude smaller than that of known storage capacitors plate spacing of the two capacitor plates. There as is known, the capacitance of a storage capacitor indirectly proportional to the distance of its capacitor plates is, by the extremely small, in an atomic Order of magnitude of the two layers Capacitor areas of each atomic capacitor are extremely high storage capacity achieved.

Der erfindungsgemäße Speicherkondensator erlaubt nun in besonders vorteilhafter Art und Weise eine Höchstintegration von integrierten Schaltungen, insbesondere von dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff.The storage capacitor according to the invention now allows in particularly advantageous way of maximum integration of integrated circuits, especially dynamic ones Store with random access.

Die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erreichte äußerst hohe Speicherkapazität pro Flächeneinheit der Kondensatorplatten ermöglicht es, einen zur Aufnahme der o. g. Minimalladung geeigneten Speicherkondensator auf einem drastisch reduzierten Oberflächenbereich des Halbleitersubstrat-Wafers auszubilden. Die dadurch ermöglichte Erhöhung der Packungsdichte der Speicherzellen erlaubt dann eine drastische Miniaturisierung derartiger DRAM′s.The achieved by the measures according to the invention extremely high storage capacity per unit area Capacitor plates allows one to accommodate the above. Minimum charge suitable storage capacitor on a drastically reduced surface area of the Form semiconductor substrate wafers. That made it possible Increasing the packing density of the memory cells then allows a drastic miniaturization of such DRAM's.

Der erfindungsgemäße Speicherkondesator kann als planarer Speicherkondensator oder als "Deep Trench"-Speicherkondensator ausgeführt sein: Der planare Aufbau des erfindungsgemäßen Speicherkondensators besitzt den Vorteil, daß konventionelle, von der Fabrikation der bisher gebräuchlichen Speicherkondensatoren mit Dielektrikum her bekannte Herstellungsverfahren verwendet werden können. Der erfindungsgemäß mit einer dünnen Schicht eines ionenleitenden Festkörpers versehene Speicherkondensator planarer Bauart zeichnet sich daher durch ein äußerst günstiges Preis/Leistungsverhältnis aus. Ein nach dem "Deep Trench"-Konzept hergestellter und erfindungsgemäß mit dem ionenleitenden Festkörper an Stelle des gebräuchlichen Dielektrikums versehener Speicherkondensator erlaubt aufgrund seiner extrem hohen Grabenspeicherkapazität eine Höchstintegration von dynamischen Speichern mit wahlfreiem Zugriff, welche mit konventionellen Grabenkondensatoren mit einem Dielektrikum nicht erreichbar ist.The storage capacitor according to the invention can be a planar one Storage capacitor or as a "deep trench" storage capacitor be carried out: The planar structure of the invention Storage capacitor has the advantage that conventional, from the manufacture of the previously used Storage capacitors with dielectric known her Manufacturing processes can be used. The according to the invention with a thin layer of an ion-conducting Solid-state storage capacitor of planar design is therefore characterized by an extremely inexpensive Price / performance ratio. One after the "Deep Trench "concept manufactured and according to the invention with the ion-conducting solid instead of the usual Dielectric storage capacitor allows due its extremely high trench storage capacity Maximum integration of dynamic memories with optional Access using conventional trench capacitors a dielectric cannot be reached.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß als ionenleitender Festkörper RbAg₄J₅ verwendet wird. Dieses Material zeichnet sich durch seine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur aus.An advantageous development of the invention provides that RbAg ₄ J _{5 is} used as the ion-conducting solid. This material is characterized by its high ionic conductivity at room temperature.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous developments of the invention result itself from the subclaims.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigt:Further details of the invention are as follows Embodiment can be seen from the figures is described. It shows:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem dynamischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff, bei dem die einzelnen Speicherzellen in Matrixform angeordnet sind, Fig. 1 shows a section of a dynamic random access, in which the individual memory cells are arranged in matrix form,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Speicherkondensator, und Fig. 2 is a schematic cross section through a storage capacitor, and

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Speicherkondensators. Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of the storage capacitor.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen dynamischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff 1, der eine Anzahl von in Matrixform angeordneten Speicherzellen 10 aufweist. Jede einzelne Speicherzelle 10 ist mit je einer der zur Adressierung dieser Speicherzelle 10 dienenden word-line 11a-11f elektrisch leitend verbunden. Desweiteren ist jede der Speicherzellen 10 an je eine der bit-lines 12a-12e angeschlossen, welche diese Speicherzelle 10 elektrisch leitend mit einem nicht gezeigten Leseverstärker verbindet.The exemplary embodiment shown in FIG. 1 shows a dynamic random access memory 1 which has a number of memory cells 10 arranged in matrix form. Each individual memory cell 10 is electrically conductively connected to one of the word lines 11 a- 11 f used to address this memory cell 10 . Furthermore, each of the memory cells 10 is connected to one of the bit lines 12 a- 12 e, which connects this memory cell 10 in an electrically conductive manner to a sense amplifier (not shown).

Die folgenden Erläuterungen des Ausführungsbeispiels werden der Einfachheit halber anhand einer Speicherzelle 13 aus der Anzahl der identisch aufgebauten Speicherzellen 10 durchgeführt. Dies beeinträchtigt die Allgemeinheit der folgenden Überlegungen in keiner Weise, da die Beschreibung des Aufbaus und der Funktionsweise der Speicherzelle 13 in vollkommen analoger Art und Weise auf die übrigen, mit der Speicherzelle 13 völlig identischen Speicherzellen 10 des dynamischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff 1 zutrifft.For the sake of simplicity, the following explanations of the exemplary embodiment are carried out using a memory cell 13 from the number of identically constructed memory cells 10 . This adversely affects the generality of the following considerations in any way, since the description of the construction and operation of the memory cell 13 in a completely analogous manner applies to the other, completely identical to the memory cell 13 of memory cells 10 of the dynamic memory random access. 1

Die Speicherzelle 13 besteht im wesentlichen aus einem Feldeffekttransistor 20 und einem Speicherkondensator 30. Eine erste Kondensatorplatte 31a des Speicherkondensators 30 ist mit einer Source-Elektrode 21 des Feldeffekttransistors 20 elektrisch leitend verbunden. Eine Drain-Elektrode 22 des Feldeffekttransistors 20 ist an die der Speicherzelle 13 zugeordnete bit-line 12d angeschlossen. Eine Gate-Elektrode 23 des Feldeffekttransistors 20 ist mit der zur Adressierung der Speicherzelle 13 dienenden word-line 11c elektrisch leitend verbunden. Einer zweiten Kondensatorplatte 31b des Speicherkondensators 30 ist in an sich bekannter Art und Weise ein konstantes Spannungspotential zugeordnet. The memory cell 13 essentially consists of a field effect transistor 20 and a storage capacitor 30 . A first capacitor plate 31 a of the storage capacitor 30 is electrically conductively connected to a source electrode 21 of the field effect transistor 20 . A drain electrode 22 of the field effect transistor 20 is connected to the bit line 12 d assigned to the memory cell 13 . A gate electrode 23 of the field effect transistor 20 is electrically conductively connected to the word line 11 c used for addressing the memory cell 13 . A second capacitor plate 31 b of the storage capacitor 30 is assigned a constant voltage potential in a manner known per se.

Eine derartig aufgebaute Speicherzelle sowie ein aus diesen Speicherzellen gebildeter dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff ist ansich bekannt. Es erübrigt sich deshalb, den Aufbau und die Funktionsweise dieser elektronischen Bauteile näher zu beschreiben.A memory cell constructed in this way and one of these Dynamic cells formed with random memory cells Access is known per se. It is therefore unnecessary to Structure and functioning of these electronic components to describe in more detail.

Wesentlich ist nun der Aufbau des Speicherkondensators 30 einer jeden Speicherzelle 10 bzw. 13. Wie aus der in Fig. 2 enthaltenen schematischen Darstellung des Speicherkondensators 30 leicht zu entnehmen läßt, ist zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte 31a und 31b eine dünne Schicht eines ionenleitenden Festkörpers 32 angeordnet.The structure of the storage capacitor 30 of each memory cell 10 or 13 is now essential. As can be seen from the schematic illustration of the storage capacitor 30 contained in FIG. 2, a thin layer of an ion-conducting solid 32 is arranged between the first and the second capacitor plates 31 a and 31 b.

Dieser ionenleitende Festkörper 32 stellt den maßgeblichen Unterschied zwischen dem hier beschriebenen Speicherkondensator 30 und den aus dem Stand der Technik bekannten Speicherkondensatoren dar: Während bei letzteren zwischen den Kondensatorplatten 31a und 31b ein Dielektrikum, d. h. ein elektrisch nichtleitender Stoff, dessen spezifischer Widerstand größer als 10¹⁰Ω cm beträgt, angeordnet ist, wird bei dem hier beschriebenen Speicherkondensator 30 ein ionenleitendes Material verwendet.This ion-conducting solid 32 represents the significant difference between the storage capacitor 30 described here and the storage capacitors known from the prior art: While in the latter between the capacitor plates 31 a and 31 b, a dielectric, ie an electrically non-conductive substance, the specific resistance of which is greater than 10 ¹⁰ Ω cm, is arranged, an ion-conducting material is used in the storage capacitor 30 described here.

Die Verwendung eines derartigen ionenleitenden Festkörpers 32 anstelle der bekannte Dielektrika zur Erhöhung der Speicherkapazität eines Speicherkondensators bewirkt, daß diese Kapazitätserhöhung nicht mehr - wie beim Stand der Technik - durch eine dielektrische Polarisation und/oder eine Orientierungspolarisation der Moleküle des Dielektrikums erreicht wird.The use of such an ion-conducting solid 32 instead of the known dielectrics to increase the storage capacity of a storage capacitor means that this increase in capacity is no longer achieved, as in the prior art, by dielectric polarization and / or an orientation polarization of the molecules of the dielectric.

Vielmehr wird die Erhöhung der Speicherkapazität des Speicherkondensators 30 durch zwei festkörperelektrolytische Doppelschichten 35a und 35b erreicht, welche sich an zwei Phasengrenzschichten 33a und 33b zwischen dem ionenleitenden Festkörper 32 und je einer der Kondensatorplatten 31a und 31b ausbilden. Im einzelnen ergibt sich beim Anlegen einer Spannung an die beiden Kondensatorplatten 31a und 31b des Speicherkondensators 30 folgendes Bild:.Rather, the increase in the storage capacity of the storage capacitor 30 is achieved by two solid-state electrolytic double layers 35 a and 35 b, which form on two phase boundary layers 33 a and 33 b between the ion-conducting solid 32 and one of the capacitor plates 31 a and 31 b. In detail, the following picture results when a voltage is applied to the two capacitor plates 31 a and 31 b of the storage capacitor 30 :

Bei der folgenden Beschreibung wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, daß an der ersten Kondensatorplatte 31a der negative Pol einer Spannungsquelle anliegt, so daß die erste Kondensatorplatte 31a als negativ aufgeladene Elektrode (Kathode) wirkt. Demgemäß liegt an der zweiten Kondensatorplatte 31b der positive Pol einer Spannungsquelle an, so daß diese als positiv aufgeladene Elektrode (Anode) fungiert. Diese Spannungsbeaufschlagung der beiden Kondensatorplatten 31a und 31b besitzt nur beispielhaften Charakter und wurde lediglich der prägnanteren Beschreibung der im Speicherkondensator 30 ablaufenden atomaren Prozesse gewählt. Die bei einer Umkehr der Spannungsverhältnisse an den beiden Kondensatorplatten 31a und 31b ablaufenden physikalischen Vorgänge ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung in vollkommen naheliegender Art und Weise.In the following description, it is assumed without restricting the generality that the negative pole of a voltage source is present on the first capacitor plate 31 a, so that the first capacitor plate 31 a acts as a negatively charged electrode (cathode). Accordingly, the positive pole of a voltage source is applied to the second capacitor plate 31b , so that it functions as a positively charged electrode (anode). This voltage application of the two capacitor plates 31 a and 31 b has only an exemplary character and was only chosen for the more concise description of the atomic processes taking place in the storage capacitor 30 . The physical processes taking place when the voltage ratios on the two capacitor plates 31 a and 31 b are reversed are obvious to the person skilled in the art from the following description.

Die wesentliche Materialeigenschaft des zwischen den beiden Kondensatorplatten 31a und 31b angeordneten ionenleitenden Festkörpers 32, der auch als Festkörperelektrolyt bezeichnet wird, besteht darin, daß eine gute ionale Leitfähigkeit der Kationen und/oder der Anionen des verwendeten Festkörpermaterials und gleichzeitig eine vernachlässigbare Elektronenleitfähigkeit gegeben ist. Dem Fachmann ist eine Reihe von kristallinen und amorphen Festkörpern bekannt, welche diese Eigenschaft aufweisen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von RbAg₄I₅, welche sich durch seine hohe ionale Leitfähigkeit für Ag⁺-Ionen bei Raumtemperatur auszeichnet.The essential material property of the ion-conducting solid 32 , which is also arranged as the solid electrolyte, between the two capacitor plates 31 a and 31 b, is that there is good ionic conductivity of the cations and / or anions of the solid material used and at the same time negligible electron conductivity . A number of crystalline and amorphous solids which have this property are known to the person skilled in the art. The use of RbAg ₄ I ₅ is particularly advantageous, which is distinguished by its high ionic conductivity for Ag Raumtemperatur ions at room temperature.

Aufgrund der Symmetrie der physikalischen Vorgänge bei einem kationenleitenden und bei einem anionenleitenden Festkörper ist es an dieser Stelle möglich, folgende Erläuterungen auf den Fall eines kationenleitenden Festkörpers zu beschränken, ohne damit die allgemeine Gültigkeit dieser Überlegungen zu beschränken: Die physikalischen Vorgänge bei einem anionenleitenden Festkörper ergeben sich für den Fachmann aus folgender Beschreibung von selbst.Because of the symmetry of the physical processes in a cation-conducting and in the case of an anion-conducting solid it is possible at this point to provide the following explanations to limit the case of a cation-conducting solid, without affecting the general validity of these considerations restrict: the physical processes at a anion-conducting solids result for the person skilled in the art following description of itself.

Unter den oben angeführten Annahmen ergibt sich an der negativ aufgeladenen, als Kathode wirkenden ersten Kondensatorplatte 31a des Speicherkondensators 30 folgende Situation:Under the above assumptions, the following situation arises on the negatively charged first capacitor plate 31a of the storage capacitor 30, which acts as a cathode:

Die beweglichen Kationen 40 des ionenleitenden Festkörpers 32 wandern in Richtung einer ersten Phasengrenzschicht 33a zwischen der ersten Kondensatorplatte 31a und dem ionenleitenden Festkörper 32. Die Kationen 40 bilden im ionenleitenden Festkörper 32 in einem gewissen ersten Schichtabstand d von der Oberfläche der ersten Kondensatorplatte 31a eine zu dieser parallele Schicht - die sog. "äußere Helmholtz-Ebene" - aus. Der erste Schichtabstand d der durch die Ladungsschwerpunkte der Kationen 40 des ionenleitenden Festkörpers 32 gebildeten ersten äußeren Helmholtz-Ebene 36a entspricht dabei ungefähr dem halben Durchmesser der Kationen 40. Die durch die negativ geladene erste Kondensatorplatte 31a und die erste äußere Helmholtz-Ebene 36a gebildete erste festkörperelektrolytische Doppelschicht 35a entspricht einem ersten Kondensator 34a von atomaren Dimensionen (im folgenden kurz "atomarer Kondensator" genannt), dessen Kondensatorflächen durch die festkörperelektrolytische Doppelschicht 35a, also durch die erste Kondensatorplatte 31a des Speicherkondensators 30 und durch die erste äußere Helmholtz-Ebene 36a, gebildet werden. Der geringe "Plattenabstand" der beiden Kondensatorflächen des ersten atomaren Kondensators 34a - der erste Schichtabstand d - bewirkt eine äußerst hohe Speicherkapazität des atomaren Kondensators 34a, da - wie bereits weiter oben erwähnt wurde - die Kapazität eines Kondensators umgekehrt proportional zum Abstand seiner beiden Kondensatorflächen ist.The movable cations 40 of the ion-conducting solid 32 migrate in the direction of a first phase boundary layer 33 a between the first capacitor plate 31 a and the ion-conducting solid 32 . The cations 40 form in the ion-conducting solid 32 at a certain first layer spacing d from the surface of the first capacitor plate 31a a layer parallel to this - the so-called "outer Helmholtz plane". The first layer spacing d of the first outer Helmholtz plane 36 a formed by the centers of charge of the cations 40 of the ion-conducting solid 32 corresponds approximately to half the diameter of the cations 40 . The first solid-state electrolytic double layer 35 a formed by the negatively charged first capacitor plate 31 a and the first outer Helmholtz plane 36 a corresponds to a first capacitor 34 a of atomic dimensions (hereinafter referred to as "atomic capacitor"), the capacitor surfaces of which are due to the solid-state electrolytic double layer 35 a, that is formed by the first capacitor plate 31 a of the storage capacitor 30 and by the first outer Helmholtz level 36 a. The small "plate spacing" of the two capacitor areas of the first atomic capacitor 34 a - the first layer spacing d - results in an extremely high storage capacity of the atomic capacitor 34 a, since - as already mentioned above - the capacitance of a capacitor is inversely proportional to the distance between its two Is capacitor areas.

An der zweiten Phasengrenzschicht 33b zwischen dem ionenleitenden Festkörper 32 und der als Anode fungierenden zweiten Kondensatorplatte 32b des Speicherkondensators 30 laufen analoge atomare Prozesse ab: Durch die Diffusionsbewegung der Kationen 40 in Richtung der negativ geladenen ersten Kondensatorplatte 31a verarmt der ionenleitende Festkörper 32 im Bereich der zweiten Phasengrenzschicht 33b an positiven Ladungsträgern. Durch die unbeweglichen zurückbleibenden Anionen wird eine negative Raumladung aufgebaut: Eine zweite Helmholtz-Ebene 36b entsteht, die einen zweiten Schichtabstand d′ von der zweiten Kondensatorplatte 31b aufweist. Die zweite Helmholtz-Ebene 36b und die zweite Kondensatorplatte 31b - also die zweite festkörperelektrolytische Doppelschicht 35b - bilden die Kondensatorflächen eines zweiten atomaren Kondensator 34b aus.Analog atomic processes take place at the second phase boundary layer 33 b between the ion-conducting solid 32 and the second capacitor plate 32 b of the storage capacitor 30 , which functions as an anode: Due to the diffusion movement of the cations 40 in the direction of the negatively charged first capacitor plate 31 a, the ion-conducting solid 32 becomes impoverished Area of the second phase boundary layer 33 b on positive charge carriers. A negative space charge is built up due to the immobile remaining anions: A second Helmholtz plane 36 b is formed, which has a second layer spacing d 'from the second capacitor plate 31 b. The second Helmholtz level 36 b and the second capacitor plate 31 b - that is to say the second solid electrolytic double layer 35 b - form the capacitor areas of a second atomic capacitor 34 b.

Der erste bzw. der zweite Schichtabstand d bzw. d′ ist von der Ionenkonzentration der beweglichen Kationen bzw. Anionen des ionenleitenden Festkörpers 32 abhängig. Bei einer hohen Ionenkonzentration werden die im ionenleitenden Festkörper 32 verlaufenden Kondensatorflächen der atomaren Kondensatoren 34a bzw. 34b im wesentlichen durch die im ersten bzw. zweiten Schichtabstand d bzw. d′ verlaufende erste bzw. zweite Helmholtz-Ebene 36a bzw. 36b gebildet. Bei einer niedrigen Ionenkonzentration (< 0,1 molar) sind diese starren Helmholtz-Ebenen verschmiert. Man erhält nach der Gouy-Chapman-Theorie eine mit zunehmendem Abstand von den Kondensatorplatten 31a und 31b schwächer werdende diffuse ionale Raumladung. In diesem Fall werden die im ionenleitenden Festkörper 32 verlaufenden Kondensatorflächen der atomaren Kondensatoren 32a und 32b durch die Schwerpunktfläche der im Bereich der ersten bzw. zweiten Kondensatorplatte 34a und 34b herrschenden diffusen ionalen Raumladung gebildet. Der "Plattenabstand" der Kondensatorflächen der atomaren Kondensatoren 34a und 34b ist dann größer als der Schichtabstand d und d′ der beiden Helmholtz-Ebenen 36a und 36b. Dies bedeutet aber, daß die Kapazität der atomaren Kondensatoren 34a und 34b reduziert wird. Dem Fachmann ist aus diesen Überlegungen klar ersichtlich, nach welchen Gesichtspunkten er das Material des ionenleitenden Festkörpers 32 auszuwählen hat, wenn er eine bestimmte Speicherkapazität pro Flächeneinheit der atomaren Kondensatoren 34a und 34b erreichen will.The first or the second layer spacing d or d 'depends on the ion concentration of the movable cations or anions of the ion-conducting solid 32 . At a high ion concentration, the capacitor surfaces of the atomic capacitors 34 a and 34 b running in the ion-conducting solid 32 are essentially caused by the first and second Helmholtz levels 36 a and 36 b running in the first and second layer spacing d and d ′ educated. At a low ion concentration (<0.1 molar) these rigid Helmholtz levels are smeared. According to the Gouy-Chapman theory, a diffuse ionic space charge that becomes weaker with increasing distance from the capacitor plates 31 a and 31 b is obtained. In this case, the capacitor surfaces of the atomic capacitors 32 a and 32 b running in the ion-conducting solid 32 are formed by the center of gravity of the diffuse ionic space charge prevailing in the region of the first and second capacitor plates 34 a and 34 b. The "plate spacing" of the capacitor surfaces of the atomic capacitors 34 a and 34 b is then greater than the layer spacing d and d 'of the two Helmholtz planes 36 a and 36 b. However, this means that the capacitance of the atomic capacitors 34 a and 34 b is reduced. From these considerations, the person skilled in the art can clearly see the criteria according to which he has to select the material of the ion-conducting solid 32 if he wants to achieve a certain storage capacity per unit area of the atomic capacitors 34 a and 34 b.

Eine alternative Möglichkeit bei der Auswahl des Materials des ionenleitenden Festkörpers 32 liegt darin, Festkörperelektrolyten zu verwenden, die sowohl eine ionale Leitfähigkeit für Kationen als auch für Anionen aufweisen.An alternative possibility when selecting the material of the ion-conducting solid 32 is to use solid electrolytes which have both ionic conductivity for cations and for anions.

Bei der Auswahl des Materials des ionenleitenden Festkörpers 32 muß beachtet werden, daß zwischen diesem und dem Material der Kondensatorplatten 31a und 31b keine Faraday′schen Reaktionen ablaufen dürfen. Dem Fachmann ist die Abstimmung des verwendeten Festkörperelektrolyten auf das Material der Kondensatorplatten 31a und 31b bekannt, so daß es hier keiner weiteren Erläuterung bedarf.When selecting the material of the ion-conducting solid 32, it must be noted that no Faraday reactions may occur between it and the material of the capacitor plates 31 a and 31 b. The person skilled in the art is aware of the coordination of the solid electrolyte used with the material of the capacitor plates 31 a and 31 b, so that no further explanation is required here.

Die Speicherkapazität des aus den beiden atomaren Kondensatoren 34a und 34b gebildeten Speicherkondensators 30 ist aus dem in Fig. 3 dargestellten Ersatzschaltbild ersichtlich. Dieses zeigt den ersten und den zweiten atomaren Kondensator 34a und 34b und einen Widerstand 37. Der Widerstand 37 repräsentiert den Ohm′schen Widerstand des ionenleitenden Festkörpers 32. Die Speicherkapazität des Speicherkondensators 30 ist somit durch die Serienschaltung der beiden atomaren Kondensatoren 34a und 34b gegeben.The storage capacity of the storage capacitor 30 formed from the two atomic capacitors 34 a and 34 b can be seen from the equivalent circuit diagram shown in FIG. 3. This shows the first and second atomic capacitors 34 a and 34 b and a resistor 37 . The resistor 37 represents the ohmic resistance of the ion-conducting solid 32nd The storage capacity of the storage capacitor 30 is thus given by the series connection of the two atomic capacitors 34 a and 34 b.

Der Speicherkondensator 30 sowie der dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff 1 zeichnet sich dadurch aus, daß sie mit Hilfe konventioneller Technologien herstellbar sind. Für den Fachmann ist deshalb die nachfolgende Beschreibung der wesentlichsten Verfahrensschritte ausreichend: In einem ersten Schritt werden die einzelnen Speicherzellen 10 voneinander abgegrenzt. Zu diesem Zweck wird auf das Halbleitersubstrat des Wafers eine Passivierungsschicht (recessed oxide, ROX) derart aufgebracht, daß die Umrisse der einzelnen Speicherzellen 10 und sowie die der ersten Kondensatorplatten 31a voneinander abgegrenzt werden. Anschließend wird durch ein Aufbringen eines HC(High Current)-Implantats die erste Kondensatorfläche 31a eines jeden Speicherkondensators 30 präpariert. Es ist aber auch möglich, die erste Kondensatorplatte 31a durch ein Aufbringen einer dünnen, elektrisch leitenden Schicht auf das Halbleitersubstrat oder durch ein Hineindiffundieren geeigneter Substrate in das Halbleitersubstrat auszubilden. Dem Fachmann sind eine Reihe von Möglichkeiten bekannt, wie er diese erste Kondensatorplatte 31a auf dem Halbleitersubstrat erzeugt, so daß eine erschöpfende Aufzählung der verschiedenen Methoden an dieser Stelle nicht notwendig ist. Daran schließt sich eine entsprechende Beschichtung des derart präparierten Wafers mit einer dünnen Schicht des ionenleitenden Festkörpers 32 an. Es ist auch möglich, den ionenleitenden Festkörper 32 in Form einer sog. Sandwich-Struktur auszubilden, d. h. eine Schichtfolge von Festkörperelektrolyt und Polysilizium vorzusehen. Nach dem Aufbringen des ionenleitenden Festkörpers folgt das Beschichten des Wafers mit einer elektrisch leitenden Schicht, welche die zweiten Kondensatorplatten 31b der Speicherkondensatoren 30 festlegt.The storage capacitor 30 and the dynamic random access memory 1 are characterized in that they can be produced using conventional technologies. The following description of the most important method steps is therefore sufficient for the person skilled in the art: in a first step, the individual memory cells 10 are delimited from one another. For this purpose, the wafer is a passivation layer (recessed oxide ROX) applied on the semiconductor substrate such that the outlines of the individual memory cells 10 and as well as the first capacitor plates 31 a demarcated. The first capacitor area 31 a of each storage capacitor 30 is then prepared by applying an HC (high current) implant. However, it is also possible to form the first capacitor plate 31 a by applying a thin, electrically conductive layer on the semiconductor substrate or by diffusing suitable substrates into the semiconductor substrate. A number of possibilities are known to the person skilled in the art of how he generates this first capacitor plate 31 a on the semiconductor substrate, so that an exhaustive list of the various methods is not necessary at this point. This is followed by a corresponding coating of the wafer prepared in this way with a thin layer of the ion-conducting solid 32 . It is also possible to design the ion-conducting solid 32 in the form of a so-called sandwich structure, ie to provide a layer sequence of solid electrolyte and polysilicon. After the ion-conducting solid has been applied, the wafer is coated with an electrically conductive layer which defines the second capacitor plates 31b of the storage capacitors 30 .

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel orientiert sich an der Verwendung eines mit einem ionenleitenden Festkörper versehenen Speicherkondensators in einer Speicherzelle eines DRAM′S. Es ist aber auch möglich und denkbar, einen derartigen Speicherkondensator bei einer Vielzahl von anderen, auf einem Wafer aufgebauten elektronischen Schaltungen einzusetzen.The exemplary embodiment described above is based on the use of one with an ion-conducting solid provided storage capacitor in a memory cell DRAM'S. But it is also possible and conceivable, such Storage capacitor in a variety of others, on one To use wafer-based electronic circuits.

Die Verwendung eines ionenleitenden Festkörpers anstelle eines Dielektrikums ist sowohl bei in planarer Technologie aufgebauten Speicherkondensatoren als auch bei "Deep Trench"-Kondensatoren (Grabenkondensatoren) möglich. Aus diesem Grund soll in den folgenden Ansprüchen unter dem Begriff "Speicherkondensator" sowohl ein planarer als auch ein Graben-Speicherkondensator zu verstehen sein.The use of an ion-conducting solid instead of one Dielectric is both in in planar technology built up storage capacitors as well as at "Deep Trench "capacitors (trench capacitors) possible. Off for this reason in the following claims under the Term "storage capacitor" is both a planar and a Trench storage capacitor to be understood.

Claims

1. Storage capacitor for an integrated circuit built on a wafer of doped semiconductor substrate, in which a first capacitor plate ( 31 a) is formed by a region of the doped semiconductor substrate of the wafer delimited by a passivation layer, and in which a second capacitor plate ( 31 b) is formed an electrically conductive layer applied to the wafer is formed, characterized in that a thin layer of an ion-conducting solid ( 32 ) is arranged between the first ( 31 a) and the second capacitor plate ( 31 b) of the storage capacitor ( 30 ).

2. Storage capacitor according to claim 1, characterized in that between the thin layer of the ion-conducting solid ( 32 ) and the first ( 31 a) or second capacitor plate ( 31 b) polysilicon is arranged.

3. Storage capacitor according to claim 1 or 2, characterized in that the ion-conducting solid ( 32 ) has a high ionic conductivity for cations and / or anions.

4. Storage capacitor according to claim 3, characterized in that the ion-conducting solid ( 32 ) consists of RbAg ₄ J ₅ .

5. Storage capacitor according to claim 1 or 2, characterized in that the first capacitor plate ( 31 a) is formed by a delimited from the passivation layer, diffused into the semiconductor substrate or implanted, conductive thin layer.

6. Storage capacitor according to one of claims 1-5, characterized in that the storage capacitor ( 30 ) is designed as a planar storage capacitor.

7. Storage capacitor according to one of claims 1-5, characterized in that the storage capacitor ( 30 ) is introduced as a trench capacitor in the semiconductor substrate of the wafer.

8. Use of a storage capacitor according to one of claims 1-7 in a memory cell ( 10 ) of a dynamic random access memory ( 1 ).