SE438217B - N-kanal-minne med ett flertal mos-element innefattande ett epitaxskikt pa ett halvledarsubstrat - Google Patents

Description

7811094-7 5-2 in beskrivs hur man reducerar läckströmmar vid PN-övergångar genom att bildandet av kristalldefekter nära PN-övergångar i halvledande material hämmas genom en gettringsprocess. Vid gettringsprocessen erhålles en gitterdistorsion genom att me- 'kaniska spänningar uppvisande skikt bildas på baksidan av skivan. Skiktet glödgas därefter under en viss tid och vid en viss temperatur som medför att skiktningsfelställen i -kristallgittret diffunderar till ett område nära baksidan av skivan. Diffusionen av dessa ställen till närheten av baksi- dan medför att bildandet av skiktningsfel i anordningen " hämmas. 15 Gettringsprocesser som är likartade med de som beskrivs i ÜS-patentskriften 3 997 368 har utnyttjats vid tillverkning av typiska dynamiska minnen¿ För dylika minnen har man funnit att typiska hålltider ligger vid ungefär 6 till H0 ms vid en halvledarövergångstemperatur av 8590. Uttrycket "hålltid" an- .gar det tidsintervall, med vilket återuppladdningspulserna kan åtskiljas, utan att information förloras från minnescel- lerna. g g e g' för varje antal testade minnen varierar naturligtvis hålltiderna inom ett omräde. Uttrycket "typiska" med avseende på hàlltidsvärdena används för att specificera värden som uppdelar varje antal anordningar i två i huvudsak lika grup- per av anordningar, den ena med längre och den andra med kor- tare hålltider. Det synes därför vara önskvärt att tillverka dynamiska minnen med typiska hålltider klart över den erfor- _ derliga minimihålltiden. För att ett acceptabelt utbyte av 30_ 35 duo tillverkade minnesanordningar skall erhållas är det önskvärt att i huvudsak samtliga dylika anordningar uppfyller kraven på minimihällrid. r i i Man har exempelvis genom ovannämnda US-patentskrift H D12 757 insett att skriv-läs-minnen av MOS-typ kan fram- ställas i en halvledarkropp som omfattar en substratdel på vilken ett epitaxsikt har utfällts i vilket de aktiva celler- na hos minnet bildas. Det finns emellertid inga sådana minnen som har blivit kommersiellt tillgängliga. Detta antages bero på att hittills alla rimliga förväntade fördelar med en dylik struktur icke kan uppväga den extra processkomplikationsgra- den och kostnaden för anbringandet av ett epitaxskikt på huvudkiseldelen. 15 30 OJ UI H0 'i halvledarkretsar, såsom dynamiska 3 .t 07811094-7 Ovannämnda problem löses genom att minnet enligt uppfin-6 ningen erhållit de i patentkravet 1 angivna kännetecknen.

I samband med uppfinningen har insetts att läckströmmar skriv-läs-minnen av MOS- typ, kan undertryckas om kretsarna blir díffusionsströmdomi- nerade vid normala arbetstemperaturer. Det blir därvid möj- ligt att begränsa mängden minoritetsbärare som diffunderar igenom materialet och över backspända PN-övergångar utan att negativa verkningar på önskade övergångsegenskaper erhålles.

Enligt uppfinningen innefattar en halvledaranordning med önskvärda låga läckströmegenskaper vid backspända PN-över- gångar en monokristallin kiselkropp. Kroppen innefattar en relativt starkt dopad huvuddel eller substratdel (t.ex. mer än 1018 P-dopämnen per cm3). På substratdelen är ett epitax- skikt utfällt med avsevärt lägre dopningskoncentrationer (t.ex. typiskt 2-10I5 P-dopämnen per cm3). Epitaxskiktet har en tjocklek som utgör en bråkdel av minoritetsbärarnas diffu- sionslängd i den skiktade strukturen.

Den skiktade strukturen är i allmänhet så preparerad att dess minoritetsbärare har en genomsnittlig diffusionslängd av minst cirka 500 pm, vilket motsvarar en effektiv livslängd för dylika minoritetsbärare av cirka 500 ps. Vidare har epi- taxskiktet en sådan kvalitet med avseende på alstringscentra för minoritetsbärare att antalet dylika centra blir så litet att en i epitaxskiktet bildad diod är i huvudsak diffusions- strömdominerad inom normala arbetstemperaturområden för krets- _ element i kroppen.

Man har funnit att en helt inom epitaxskiktet bildad PN~övergång uppvisar en mycket låg läckström. I enlighet där- med uppvisar en dynamisk skriv-läs-minnescell som är bildad _ i epitaxskiktet en överraskande lång hàlltid, vilken är väl I värd den därmed förknippade extra processinsatsen. Dessutom, om PN-övergångar hos en sådan cell är begränsade till ett om- råde nära skiktets yta och helt inom skiktets tjocklek, er- hålles sådana genombrottsegenskaper och kapacitanser hos dy- lika övergångar som i huvudsak är typiska för det svagare dopade skiktet än sådana som är förbundna med dopningskoncent- rationerna i substratdelen av kroppen.

Uppfínningen kommer att närmare beskrivas i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, där fig. 1 visar POOR QUALITY 10 15 720 25 30 35 40 7s11o94-7 _ “- ett tvärsnitt igenom en del av en halvledarskiva med ett epi- taxskikt på ett substrat i proportionell tjocklek till sub-- fig.1 flera dopade områden för bildande av PN-övergångar som stratet, fig. 2 visar en förstorad vy av epitaxdelen i med har låg läckström i enlighet med uppfinningen, fig. 3 visar ett fig. '+ visar ett diagram för föredragna borkoncentrationer i ekvivalent kopplingsschema för strukturen enligt fig. 2, halvledarmaterialet hos skivan enligt fig. 1 och fig. 5 vi- sar en ytterligare struktur på vilken uppfinningen kan till- lämpas för att gynnsamma läckströmegenskaper skall erhållas.

Föreliggande uppfinning är särskilt användbar för dyna- miska skriv-läs-minnen av MOS-typ. Det är med avseende.på denna typ av_halvledaranordning som uppfinningen kommer att beskrivas. Detta betyder emellertid icke att uppfinningen in- ~te har en vidare tillämplighet. Uppfinningen kan allmänt till- lämpas på skilda halvledarelement som kräver att läckströmmen igenom backspända PN-övergångar förblir förhållandevis låg.

Förut kända dynamiska N-kanal skriv-läs-minnen är till- verkade genom konventionella framställningsmetoder på den ena sidan av en P-dopad kiselskiva. Det är exempelvis-känt att det existerar en korrelation mellan livslängden för minoritetsbä-" rarna i halvledarmaterialet och de slutliga hålltiderna för de minnesceller, som bildas på den ena sidan av halvledarski- van. För en förut känd minneskretsstruktur svarar exempelvis minoritetsbärarlivslängder i huvudkiseldelen av 10 till 50 ps mot typiska hålltider i de färdiga minnena av 2 till 10 ms. _ Tillverkningsstegen för framställning av dylika kända minnen innefattar gettringsprocesser av liknande slag som de som be- skrivs i Us-patentskriffen 3 997 ass. i I samband med uppfinningen har nu upptäckts att en halv- ledarstruktur är möjlig, vilken resulterar i en distinkt, stegvis ökning av hálltiderna för ett dynamiskt skriv-läs- -minnes minnesceller. Denna ökning synes emellertid endast vara uppnâbar om det halvledarmaterial, i vilket minnescel- lerna är anordnade, har en sådan kvalitet att alla läckström- mar begränsas till vad som är känt såsom "diffusionskomponen- ten" av strömmarna.

Den önskade "kvaliteten" eller fullkomligheten hos kris- tallstrukturen är den med den lägsta graden av föroreningar eller skadliga störämnen som kan uppnås med föreliggande till- _ ...___-_ ...__.,... .,... __ 10 20 25 gi .a s 7s11o94~7 verkningstekniker och utrustningar. Dessa skadliga störämnen .omfattar exempelvis sådana ämnen såsom järn, nickel, køppar, _kalcium eller guld. De skadliga störämnena i samband med fö- religgande uppfinning är de som har energinivåer mitt emel- lan valensbandet och ledningsbandet för kisel. De utgör så- lunda genom sin närvaro i kristallgittret alstringscentra för minoritetsbärare. De antages även vara en orsak till bil- dandet av skiktningsfel och andra kristalldefekter, vilka är kända för att öka läckströmmarna när de uppträder i närheten av PN-övergångar.

Vid avsaknad av dylika skadliga störämnen synes diffu- sionen av minoritetsbärare, t¿ex. elektroner i P-ledande ma- terial, bli den styrmekanism genom vilken läckströmmar kann uppträda. Denna förutsättning, nämligen en i huvudsak diffu- sionsströmdominerad halvledarstruktur inom arbetstemperatur- området för en däri bildad anordning, utgör en signifikant aspekt av uppfinningen.

Diffusionsströmmar av minoritetsbärare har funnits vara" starkt temperaturberoende. En kraftig ökning av läckströmmar i diodövergângar har förut betraktats såsom ett högtemperatur- fenomen. Ändringen av temperaturberoende för läckströmmen sy- nes utgöra övergången från en "alstringsströmdominerad" till en diffusionsströmdominerad läckström allteftersom temperatu- ren hos anordningen ifråga ökar.

Vid en enligt uppfinningen tillverkad anordning uppvisar emellertid dess PN-övergångars läckströmmar diffusionsström- _ mekanismens temperaturberoende i högtemperaturdelen av det 30 H0 betraktade arbetstemperaturområdet. Arbetstemperaturerna kan sträcka sig från normal rumstemperatur till en temperatur över QOOC. När hänvisning görs till högtemperaturdelen av temperaturområdet menas normalt temperaturer högre än 70°C.

En typisk högtemperaturdel av arbetstemperaturområdet sträc- ker sig från 7000 till 90°C. I rena kristallína strukturer kan emellertid läckströmmen redan domineras av diffusions- strömmar vid temperaturer över 40°C. En dylik diffusionsström- dominerad struktur kräver att de skadliga störämnena är i huvudsak eliminerade från den struktur i vilken anordningen bildas. _ En föredragen utföringsform av uppfinningen utgörs av ett_dynamiskt N-kanal skriv-läsminne, som är-anordnat i en PCOR Gummi* 10 V15 20 *25 30 RO 7811094-7 ~ 6 P-ledande epitaxiell kiselkropp. Kroppen innefattar ett sub- strat eller en huvuddel, som företrädesvis är bordopad (bor utgör ett P-dopämne) till en relativt hög koncentration, fö- reträdesvis 1019 atomer av dopämnet per cma. På huvudkisel- . delen är ett epitaxskikt utfällt, vilket likaså består av bordopatwkiself Vid den föredragna utföringsformen är epitak-N skiktet emellertid endast dopat till en koncentration av cir- ka 2f1015 dopatomer per cm3. Det är i detta epitakskikt som minnescellelement är bildade. _ I samband med uppfinningen har man funnit att om den be- skrivna epitaxiella minnesanordningsstrukturen är díffusions- strömdominerad bestäms'PN-övergångsegenskaperna, såsom kapa- citansen, tröskelspänningen och genombrottsspänningen, hos minnescellelementen av dopningsgraden i epítaxskiktet. Å andra sidan är läckströmmarna hos PN-övergångarna i elementen begränsade genom den reducerade mängden av minoritetsbärare, t.ex. elektroner, inom en diffusionslängd från övergången, i det starkt dopade substratet. Ett minne i en sådan struktur har följaktligen optimala kapacitans-, tröskelspännings- och genombrottsspänníngsegenskaper, och dessutom låga läcknings- egenskaper, som kan översättas till fördelaktigt långa håll- tider för varje enskild cell i minnet. I I De fördelaktiga resultaten hos den beskrivna strukturen försvinner dock om en sådan koncentration av skadliga stör- ämnen förefinnes att anordningen, dvs minnet i epitaxskiktet, med avseende på dess läckningsegenskaper på ett signifikant, _sätt påverkas av minoritetsbärare som alstras i närheten av _PN-övergångarna.

'Det är därför viktigt att bilda minnet i ett material- som uppvisar den beskrivna "kvaliteten", exempelvis med en så liten koncentration av skadliga störämnen att denna kon- 'centration är svär att uppmäta även med dagsaktuella metoder.

Fördelarna med strukturen tycks emellertid adderas i det att strukturen synes få sådana egenskaper att de skadliga stör- ämnena tenderar att gettras i huvudkiseldelen, så att epitax- -materialet tenderar att.uppvisa en önskvärd liten koncentra- tion av dylika störämnen.

I fig. 1 visas en del av en halvledarskiva, som allmänt betecknas med 11. Skivan 11 är visad i form av ett tvärsnitt_ för att visa den relativa tjockleken mellan substratet eller l-r-mx:~|.v..-4w~.-..-v.-. ..~\-.. . . 10 15 20 PJ UI 30 35 H0 7 _ 7811094-7 huvuddelen 12 av skivan 11 och ett epitaxskikt 14, som är H bildat på skivans ena sida. Huvudkiseldelen 12 har en tjock- lek av approximativt 500 Pm.

I jämförelse med huvudkiseldelen 12 är epitaxskiktets tjocklek företrädesvis endast tio till femton pm. Pig. 1 vi- sar sålunda i förstorad skala det approximativa förhållandet mellan huvudkiseldelens tjocklek och epitaxskiktets tjocklek hos skivan 11. 4 Utgångsmaterialet 12 hos skivan 11 är ett P+-ledande kiselmaterial med en (100)-kristallorientering. P+~dopämnet utgörs av ett bordopämne med en koncentration av minst 10 atomer per cm3. Dopningskoncentrationen för utgångsmateria- let av minst 1018 boratomer per cm3 har funnits vara ett tröskelgränsvärde för att uppfinningen helt skall kunna ut- f nyttjas i samband med dopningen av epitaxskiktet 1U. Om hu- -vudkiseldelen 12 dopas till åtminstone en sådan koncentration kan epitaxskiktet 1H utfällas med omätbart låga koncentratio- ner av skadliga störämnen, såsom järn, nickel, koppar, kal- cium eller guld. Å andra sidan om bordopningskoncentrationen ligger under 1018 atomer per cm3, har man funnit att epitaxskiktet visar tecken på ökande högre koncentrationer av de skadliga stör- ämnena. De högre koncentrationerna av de skadliga störämnena resulterar därvid i motsvarande kortare effektiva livsläng- der för minoritetsbärarna. Följaktligen är det möjligt att i en mycket ren process med praktiskt taget ingen introduktion . av några skadliga störämnen i halvledarstrukturen uppnå sam- ma höga effektiva livslängder även med en lägre dopningskon- centration än 1018 atomer per cm3 i substratet.

Vid en föredragen utföringsform är borkoncentrationen i huvudkiseldelen 12 sålunda cirka 10?9 atomer per cms. Det antages att vid denna dopningskoncentration i den beskrivna processen huvudkiseldelen verkar såson:æ1barriär för, eller såsom en fälla för de skadliga störämnen som diffunderar igenom skivan 11. f En starkare dopad huvudkiseldel synes uppvisa en ökande kapacitet att infånga de skadliga störämnena. Något bevis för detta ges icke, men några teorier presenteras som kan ge en viss ledning.

En mekanism för en dylik harriär kan utgöra resultatet få (S: íš id 3 Q :Ü å š-.íï *i ti* 7811094-7 - 8 av möjliga jonbindningar mellan de skadliga störämnena-och' andra atomer i den dopade kristallina halvledarstrukturen: 'Sådana bindningar antages åtminstone delvis svara för en kvar- hållning av de skadliga störämnena inom huvudkiselkroppen 12 5. när de diffunderar igenom strukturen. Dylika jonbindningar genom vilka störämnena tenderar att kvarhållas inom den starkt dopade strukturen hos huvudkiseldelen behöver emeller- tid endast vara en av flera mekanismer som resulterar i en gettring av skadliga störämnen. I _ 10 -_ En annan mekanism antages inbegripa gittersträckning, vilket har detekterats vid gränsytan mellan huvudkiseldelen 12 och epitaxskiktet 14. Sträckningen är en följd av de olika dopningskoncentrationerna i huvudkiseldelen 12 och epitax- skiktet 14. De olika dopningskoncentrationerna medför skill- 15 nader i gitterdimensionerna hos huvudkiseldelen 12 och hos epitaxskiktet ih, vilket resulterar i gitterdeformerande dis- lokationer. Dessa dislokationer antages bidraga till infång- ningen eller gettringen av de skadliga störämnena från epi- taxskiktet 14. Z 20 Gettring såsom ett resultat av på den ena sidan av en skiva introducerade dislokationer är förut känt. I US-patent- skriften 3 997 368 beskrivs ett dylikt medel för gettring av störämnen. Vid skivstrukturen enligt uppfinningen är emeller- tid dislokationernas plan beläget vid gränsytan mellan huvud- 25 kiseldelen 12 och epitaxskiktet 14. Dislokationernas närhet till de aktiva PN-övergångarna i epitaxskiktet lb antages öka _ deras gettringseffektivitet igenom alla upphettningsprocess- steg. Denna ökning antages föreligga i jämförelse med den i US-patentskriften 3 997 368 beskrivna baksidesgettringspro- '30 cessen. Det bör emellertid observeras att uppfinningen icke är antydd genom någon av de mekanismer eller teorier som här diskuterats. Dessa teorier har endast presenterats såsom möj- liga förklaringar till de erhållna resultaten. I Med en sådan observerad ökad kapacitet att kvarhålla de 35 skadliga störämnena i huvudkiseldelen när de väl har kommit in i skivan, och med skilda försiktighetsmått vidtagna för att förhindra de skadliga störämnena från att diffundera in' i skivan 11 under tillverkningsprocessen för halvledaranord- ningarna, blir epitaxskiktet 14 relativt fritt från dylika 40 störämnen. Följaktligen uppvisar den skiktade strukturen -U ..._..-._........_... -, _ _ f. ......__. .___. __..... . ___-_-. "»'='*^~'¿§*f" ~ r f - ~ , _ flsßgfiy ;' ,, ., _1_r._ 6.". 10 20 H0 g E _ i 7811094-7st eller skivan 11 relativt långa minoritetsbärarlivslängder.

Epitaxskiktet utfälls till att ha en_dopningskoncentra- tion av cirka 2-1015 boratomer per cma. Dopningsgraden be- stämmer exempelvis kapacitansen hor varje PN-övergång i ma-_ terialet. _ Vid gränsytan mellan epitaxskiktet och ursprungssubstra- tet förefinnes i allmänhet ett område med gradvis ändrad kon- centration resulterande från diffusionen av bor ut från sub- stratet in i epitaxskiktet under epitaxskiktets tillväxt.

Vid ett epitaxskikt med en tjocklek av cirka 10-15 pm, såsom är typiskt för den föredragna utföringsformen, är denna ef- fekt emellertid negligerbar.

Den bildade skiktade strukturen av det beskrivna kisel- substratet och epitaxskiktet har typiskt en elektronlivslängd av minst 500 ps. Detta värde motsvarar en diffusionslängd för minoritetsbärarna, dvs elektronerna, av cirka 500 pm. Tjock- leken av epitaxskiktet lä är följaktligen icke större än en trettiondel av elektronernas diffusionslängd. Det inses där- för att inom den volym, där fria elektroner kan förväntas diffundera över den likriktande övergången såsom en verksam läckström hos denna övergång, består materialet till stor del av det starkt dopade substratmaterialet. I denna starkt dopa- de huvudkiseldel är de fria elektronerna få i jämförelse med 'det svagare dopade epitaxskiktet där de fria elektronerna, vilkas antal är omvänt proportionellt mot dopningsgraden, är mera talrika. I ett defektfritt epitaxskikt återspeglar så- _ lunda de uppmätta alstringslivslängderna de diffusionsström- begränsade egenskaperna hos strukturen. Samtidigt är emeller- tid övergången inbäddad i en ändlig tjocklek av det svagt dopade materialet. Det är därvid detta svagt dopade material som bestämmer goda genombrottsegenskaper och låga kapacitan- ser hos MOS-element i skiktet. _ I fig. 2 visas i förstorad skala en del av epitaxskiktet lä med en del av det intilliggande kiselsubstratet 12. I epi- taxskiktet 1H är områden av motsatt ledningstyp, dvs N-led- ningstyp med donatorstörämnen såsom fosfor- eller arsenik- atomer, inbäddade till ett relativt grunt djup (approxima-I riv: 0,5 till 2 pm). I Den selektiva övervikten av störâmnen av N-typ medför att N-områden 22, 23 och 24 bildas.vid ytan av epitaxskiktet _ . _. _.... __...

QUALITY 10 fx) 01 p 30 H0 7811094-7 10 IH och att PN-övergångar 25, 26 och 27 erhålles. Med hjälp av selektivt mönstrade oxidskikt och extra ledande mönster ^ anbringade över dielektríska oxidskikt bildas aktiva MOS-ele- ment hos det här beskrivna dynamiska N-kanal skriv-läs-min- net. I föreliggande exempel bildas transistorer 28 och 29. jDessa element och deras förbindningsstrukturer kan bildas i «enlighet med kända processteg. Det är emellertid viktigt att observera att ingen av de aktiva MOS-strukturerna, inbegri-_- pande PN-övergångarna, sträcker sig bortom områden nära ovan- sidan av epitax-kiselskiktet. Hela kretsstrukturen hos varje _minnescell är sålunda belägen nära ovansidan av epitaxskik- tet lb.

I själva verket utgör en optimal tjocklek för epitax- skiktet 14 en tjocklek som endast obetydligt överskrider PN-övergängens djup från ovansidan av skiktet plus det för- väntade djupet av utarmningsomrâdet vid övergången. Bestäm- ningen av utarmningsområdets djup är välkänd för fackmannen.

Det beror naturligtvis av dopningen av hålvledarmaterialet, t.ex. epitaxskiktets dopning, och av den maximala backspän- ning som skall pâläggas på övergången. Med en sådan tjocklek hos_skiktet 14 tillåts PN-övergången fortfarande uppvisa de av det svagt dopade skiktet 14 betingade egenskaperna, medan samtidigt en optimal inverkan från kiselsubstratet erhålles med dess starkt reducerade antal fria elektroner.

Transistorerna 28 och 29 tillhör två intilliggande min- nesceller, vilka är allmänt betecknade 30 och 3l i fig. 3.

, Ett annat element hos varje cell 30 resp. 31 är en kondensa-1 tor 32 resp. 33.

En platta 34 hos kondensatorn 32 utgör-en del av epitax- skiktet 14. På motsvarande sätt utgör en platta 35 hos kon- 7 densatorn 33 en del av epitaxskiktet vid området 24. De and- ra motstående plattorna 36 och 37 hos respektive kondensato- rer 32 och 33 är åtskilda från epitaxskiktet in genom tunna _kiseloxidfilmer 38 och 39.

Plattorna 36 och 37 består företrädesvis en polykristal- lint kisel med förlängningsanslutningar H1 och_U2 till ett gemensamt konstantspänningsplan. Styrena H3 och 44 hos tran- sistorerna 26 och 27 består likaså av polykristallint kiselß Styrena us ooh nu är även, liksom plattorna ss ooh 37,. åt- skilda frân epitax-kiselskiktet genom tunna kiseloxidfilmer 10 15 20 u; (J: 30 35 ÄO 11 7811094-7 i H6 och H7.

Tjockleken hos de tunna filmerna 38, 39, #6 och 47 är vald att ligga inom ett område från cirka 200 Ångström till 2000 Ångström. En tjocklek av cirka 900 Ångström föredrages i föreliggande fall. Tjockleken hos dylika tunna oxidfílmer utgör endast omkring en tiondel av de tjockare fältoxidskik- tens H8 tjocklek, som företrädesvis är cirka 1 pm. övergångs- djupen hos N-diffusionerna sträcker sig i jämförelse därmed även cirka 0,8 pm nedanför ovansidan av epitaxskiktet ih.

Styrena H3 och 44 utgör delar av ordväljningslinjer, vilka sträcker sig vinkelrätt mot tvärsnittet enligt fig. 2.

Förlängningarna 41 och H2 fortsätter bort från minnesceller- na 30 och 31 åtskilt från epitaxskiktet lä genom fältoxid- skikten H8.

Ett metalliseringsmönster 49 i en andra nivå, företrädes- vis av aluminium, är åtskilt från styrena och kondensator- plattorna genom ett mellanliggande dielektriskt skikt 50.

Selektiva öppningar 51 i skiktet 50 möjliggör en kontakte- ring av mönstret 49 till området 23. Såsom framgår av fig. 2 kontakteras två minnesoeller (30 och 31) igenom varje öppning.

Ledare i mönstret H9 bildar bitavkänningslinjer hos minnesan- ordningen._Ovansidan av cellerna 30 och 31 är passiverad av ett dielektriskt toppskikt 52.

" Pig. H visar en typisk koncentrationsprofil i epitax- skiktet 1%, huvudkiseldelen 12 och gränsområdet mellan epi- taxskiktet och huvudkiseldelen. När_epitaxskiktet 1H utfälls , på ovansidan av den starkt dopade kiselkroppen inträffar en viss diffusion av bordopämnen ut från kroppen. Boratomerna diffunderar in i epitaxskiktet, varvid emellertid epitax- skiktets tillväxthastighet överskrider den för bordiffusio- nen från huvudkiseldelen. Följaktligen stabiliseras borkon- centrationen i epitaxskiktet snabbt till det önskade värdet boratomer per cm3. av approximativt 2-1015 Om dopningskon- centrationsprofilen jämförs med en överlagd del av skivan 11, innefattande ett av de starkt dopade N-områdena såsom refe- rens, framgår det att de aktiva områdena och PN-Övergångarna är bildade helt inom kisel som har en jämn dopningskoncentra- tion. I .

Pig. 5 visar ett ytterligare minne på vilket uppfinning- en med fördel kan tillämpas. I den ovannämnda US-patent- Penn ouzamrtj 15 30 35 40 ¿ liggande dielektriska skikt 56 och 57 åtskiljer kondensator- -12 1311094-7 skriften H 012 757 beskrivs exempelvis ett kombinerat kollek- tor- och kondensatorområde. Pig. 5 visar likaså en utförings- form av ett minne med ett kombinerat kollektor- och konden- satorområde (34 eller 35). En dylik utföringsform möjliggör en inbesparing av utrymme vid minnescellernas (30 och 31) realisering. Det synes såsom om större minnen, t.ex. med is sen bitar jämfört med u oss bitar, blir särskilt fördel- aktigt påverkade genom föreliggande uppfinning, när den fysi- kaliska konstruktionen av cellerna med reducerad lagrings- kapacitans exempelvis resulterar i reducerade hålltider. Ut- föringsformen enligt fig. 5 representerar ett dylikt minne.

Hänvisningsbeteckningar angivande likartade element har bi- btbållits lika som i fig. 2 och 3. b a g Tvärsnittet enligt fig. 5 igenom de båda minnescellerna 30 och 31 skiljer sig emellertid från tvärsnittet enligt fig. 2 på grund av en förskjuten realisering av de intilliggande cellerna 30 och 31§ Dessutom sträcker sig området 23, en ar- senikimplantering, vinkelrätt mot tvärsnittets plan för att fungera såsom bitväljningslinje 49. Styrena 43 och UH består av polykristallint kisel, men deras gemensamma anslutning till en ordväljningslinje 55 består nu av aluminium. Ordvålj- ningslinjens 55 kontakt med styret UH visas icke eftersom den ligger i en från tvårsnittets plan förskjuten position.

De respektive kondensatorplattorna 36 och 37 sträcker sig vinkelrätt mot tvärsnittet med förlängningarna U1 och 42 an- ; slutna till den gemensamma konstantspänningskällan. Mellan- plattorna 36 och 37 från de närliggande styreledarna U3_^ och 44. Z I Operationssätt för minnesstrukturer likartade med de här visade strukturerna är välkända för fackmannen. ökningen av hålltiderna för cellerna utgör en klar nyhet när den beskriv- _ na minnesanordningen kan arbeta i en diffusionsströmkontrol- lerad struktur. Vid detta operationssätt blir läckströmmarna omvänt proportionella mot koncentrationen av dopämnen i det halvledarmaterial, i vilket PN-övergångarna av intresse år. § belägna. I Det har visat sig att den starkt dopade huvudkiselde- lens 12 förmåga att infånga skadliga störämnen, trots en för- i bättring med avseende på mindre starkt dopade'material, icke K , 10 15 v.) (11 13 7811094 7 dess mindre är begränsad. p Det är därför önskvärt att från början minimera den mängd skadliga störämnen som-inkommer i kiselskivan 11. Under tillväxtprocessen för epitaxskiktet 1H inkommer de skadliga störämnena i systemet genom förorenade gaser. Den mängd av störämnen, som inkommer genom kontakterande gaser, är emel- lertid låg. I allmänhet är de kontakterande gaserna så rena att de kan ignoreras såsom någon väsentlig källa av förore- ningar eller skadliga störämnen.

En mer signifikant möjlig källa av skadliga störämnen har emellertid upptäckts. Man har funnit att medan skivorna upphettas för utfällningen av epitaxskiktet 1% kan störämnen lätt vandra över från en hållare 63.(fig. 1) igenom gräns? ytan mellan skivan 11 och hållaren 63. Det är därför önskvärt att eliminera diffusionen av skadliga störämnen från hålla- ren till skivorna. Det har därvid visat sig att vissa typer av hållare är mera benägna att innehålla skadliga störämnen än andra.

Hållare som man har funnit vara särskilt fördelaktiga är framställda av pyrolytisk grafit. Koncentrationerna av skadliga störämnen i hållare av pyrolytisk grafit har därvid visat sig vara tillräckligt låga för att möjliggöra typiska minoritetsbärarlivslängder i den skiktade strukturen av mer än 500 pm. Överföringen av skadliga störämnen från hållaren 63 till skivorna 11 gynnas genom en direktkontakt mellan skivorna 11 _ och hållaren 63 under tillväxtprocessen för epitaxskiktet 14 30 (L) 01 HO på varje skiva 11.

Före utfällningen av epitaxskiktet íü med den önskade 15 atomer per cm3 bör självdopning- borkoncentrationen av 2-10 en företrädesvis begränsas. Självdopning är ett fenomen genom vilket epitaxskiktet 14 mottager dopämnen från huvudkiselde- len på grund av skivornas 11 gasomgivning. Borämnena diffun- derar ut från huvudkiseldelen till reaktionskärlets gasatmos- fär och återutfälls därefter i kristallstrukturen hos epitax- skiktet 14 på varje skiva.

För att utdiffusionen av bordopämnen från huvudkisel- delen 12 skall kontrolleras anbringas företrädesvis ett skikt 66 av mycket rent polykristallint kisel på hållarens 63 yta till en tjocklek av approximativt två till tre pm. Skivorna LH 10 15 20 I J UT 7811094-7 1“ 11 uppbärs därefter på ytan av den belagda hållaren 63.

Skivorna 11 upphettas i anslutning därtill till en tem- peratur av cirka 110000 i en väteatmosfär. Vid denna tempe- ratur tenderar bor att förângas från skivytan och saltsyra tillförs därefter i gasform under ett tidsintervall av fem minuter under vilket approximativt 0,5 pm av kiselmaterialet etsas bort frän ytan. Etsningshastigheten fortskrider mycket snabbare än förángningen av boratomer från kislet. Etsningen in situ utförs för perfektionsändamål. Det har erfarenhets- mässigt visat sig att utan detta etsningssteg ett stort an- tal defekter uppträder i epitaxskiktet; Medan skivorna förblir kvar på hållaren i reaktionskär- ”let sänks temperaturen något till cirka IÛHOOC under en tid- rymd av ungefär en till tvâ minuter. Efter denna tid startas en diklorsilanprocess för utfällning av epitaxskiktet 14.

Huvudgasen är därvid väte med dopningsgaser införda i mycket små mängder. Företrädesvis justeras dessa mängder så att exak- ta dopningskoncentrationer uppnås i epitaxskikten. Även un- der ideala förhållanden har utdiffusion från den starkt dopa- de huvudkiseldelen 12 en viss inverkan på epitaxskiktets dop- ningsgrad. _ De följande processtegen hänför sig till bildandet av NOS-minnescellerna 30 och 31 i epitaxskiktet 14. I epitax- skiktet 14 bildas områdena 22, 23 och 2H av motsatt lednings- typ antingen genom diffusion eller genom jonimplantering.

Selektiviteten vid exponeringen av de bestämda områdena på _ epitaxskiktets 14 yta för dopämnen av den motsatta lednings-I 30 HO typen uppnås genom selektiv oxidmaskning enligt känd teknik. ftterligare processteg innefattar bildandet av ett tunt okid- skikt och utfällning och avgränsning av beläggningen av poly- kristallint kisel. Mellanliggande dielektriska skikt bildas även, varefter aluminium påförs för bitavkänningslinjerna.

Dessa processteg kan utföras i enlighet med tidigare känd teknik.

Under de ovan beskrivna processtegen kan skadliga stör- ämnen införas i varierande grad igenom ovansidan av skivan 11 antingen genom vattensköljning eller genom hanteringen. En slutlig fosforgettringsprocedur utförs därför innan metalli- seringsmönstren bildas. En kontinuerlig gettring av skadliga störämnen genom det starkt dopade kiselsubstratet 12 antages 10 15 7811094-7 emellertid äga rum under de skilda stegen för bildandet av minneselementen, varvid kristalldefekter i de aktiva område- na av epitaxskiktet 1U minimeras när elementen bildas vid dess yta.

Vid fullbordandet av MOS-minnen enligt uppfinningen är elimineringen av källor för skadliga störämnen under de skil- da processtegen hela tiden betydelsefull. Det inses emeller- tid att vid en i huvudsak ren omgivning får en aktiv elimine- ring av dylika störämnen en mindre betydelse. Detta gäller särskilt i betraktande av den åstadkomma störämnesinfång- ningen. .

Följaktligen är inom uppfinningens ram många modifika- tioner mdjliga inom de processer och strukturer som här be- skrivits.

POÛR

Claims (1)

1. 7811094-7 'ær ßatentkrav l.N-kanal-minne av den typ, som.ínnefuttar ett flertal MOS-element, vart och_ett innefattande ätminstone ett N-ledan- dv Hmfüdü 424! i en P-ledande halvledarkrupp, ett skikt av dielektrískt material på en yta av materialet samt ett avg ledande material bestående skikt (41) ovanpå det dielektrlska skiktet och bildande en kondensator (341 tillsammans med den direkt därunder befintliga delen av nämnda kropp, k.ä n n_e- I e c k n nat av att nämnda kropp innefattar ett epitax~ skikt pä ett halvledarsubstrat (72), att substratet har en dopningskoncentration, som är åtminstone 100 gånger högre än epítaxskíktets dopningskoncentration samt att epitaxskiktet är av sådan kvalitet att elektronernas diffusionslängd í skiktet uppgår till minst 500 Fm. Z. Minne enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att övergången mellan det N-ledande området (Z2,Z3,Z4) och det P-ledande epítuxskiktet (14) är anordnad att under drift- tillstånd upprätthålla ett utarmningsområde och att epitax- skiktet har en tjocklek som är begränsad till att omfatta djupet av PN-övergången plus i huvudsak djupet av utarmnings-' området i skiktet när övergången är helt backspänd. St Minne enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t eic k n a t av att epítaxskiktets (14) tjocklek icke är större än en trettiondel av elektronernas diffusionslängd i skiktet. 4, Minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e- t e c k n_a t av att P-övergångarnas-läckström i backrikt- ningen under drifttillstånd vid temperaturer över SOOC är dominerad av diffusion av minoritetsbärare. 5. Minne enligt något av de föregående kraven, k ä n n e- 7»t e~c k n a t av att epitaxskiktet (14) utfälls genom upp- hettning av halvledaren i en hållare (63) av grafit som är belagd med kísel (66) i en gasatmosfär.