Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Speicherzelle mit einem Speichertransistor,
der an einer Oberseite eines Halbleiterkörpers oder einer Halbleiterschicht
eine Gate-Elektrode aufweist, die in einem in dem Halbleitermaterial
des Halbleiterkörpers
oder der Halbleiterschicht ausgebildeten Graben, der quer zu einer
Längsrichtung
zumindest abschnittsweise gleiche Querschnitte aufweist, zwischen
einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich angeordnet ist, wobei
zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleitermaterial eine als
Speichermedium vorgesehene dielektrische Schicht, vorzugsweise eine ONO-Schicht,
vorhanden ist.The
The present invention relates to a memory cell having a memory transistor,
at an upper side of a semiconductor body or a semiconductor layer
a gate electrode disposed in one in the semiconductor material
of the semiconductor body
or the semiconductor layer formed trench transverse to a
longitudinal direction
at least partially has the same cross sections, between
a source region and a drain region, wherein
between the gate electrode and the semiconductor material as
Storage medium provided dielectric layer, preferably an ONO layer,
is available.
In
der DE 10 39 441 A1 ist
eine Speicherzelle mit einem Grabentransistor gemäß dem jeweiligen Oberbegriff
der Ansprüche
1, 3, 7 bzw. 8beschrieben, der in einem an einer Oberseite eines
Halbleiterkörpers
ausgebildeten Graben angeordnet ist. Zwischen der in den Graben
eingebrachten Gate-Elektrode und dem daran seitlich angrenzenden
Source-Bereich und dem auf der anderen Seite daran angrenzenden Drain-Bereich
ist jeweils eine Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge vorhanden, die für das Einfangen
von Ladungsträgern
an Source und Drain vorgesehen ist. Derartige Transistoren sind
insbesondere für
NVM-Speicherzellenanordnungen
(Non-Volatile Memory) geeignet. Die Gebiete, welche die notwendigen
elektrischen Feldstärken
jeweils zum Programmieren und Löschen
aufweisen, liegen bei diesen Transistoren im Allgemeinen an verschiedenen
Positionen. Folglich können
einmal programmierte Ladungen auf dem Nitrid nur schwer vollständig gelöscht werden.
Für den
Programmiervorgang ist eine Injektion von Elektronen notwendig.
Dazu müssen die
Elektronen die Begrenzungsschicht aus Oxid durchdringen, um in die
als Speicherschicht vorgesehene Nitridschicht zu gelangen. Daher
ist es erforderlich, dass die Elektronen eine hohe kinetische Energie
besitzen; es handelt sich um so genannte heiße Elektronen. Solche Elektronen
sind nur dort vorhanden, wo in dem an der Oberseite des Halbleitermaterials
unter der Gate-Elektrode ausgebildeten Kanal die elektrische Feldstärke sehr
groß ist.In the DE 10 39 441 A1 a memory cell is described with a trench transistor according to the respective preamble of claims 1, 3, 7 and 8, respectively, which is arranged in a trench formed on an upper side of a semiconductor body. Between the gate electrode introduced into the trench and the source region laterally adjacent thereto and the drain region adjacent thereto on the other side, there is in each case an oxide-nitride-oxide layer sequence which is suitable for trapping charge carriers at source and drain is provided. Such transistors are particularly suitable for NVM memory cell arrangements (non-volatile memory). The regions having the necessary electric field strengths for programming and erasing are generally located at different positions in these transistors. As a result, once programmed charges on the nitride are difficult to erase completely. The programming process requires an injection of electrons. For this purpose, the electrons must penetrate the oxide boundary layer in order to reach the nitride layer provided as the storage layer. Therefore, it is required that the electrons have a high kinetic energy; they are so-called hot electrons. Such electrons are present only where the electric field strength is very large in the channel formed on the upper side of the semiconductor material under the gate electrode.
In
der EP 0 967 654 A1 ist
ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher
beschrieben, bei dem Kontroll-Gate-Elektroden in Gräben eines
Halbleiterkörpers
angeordnet sind. Beidseitig an die Gräben angrenzend sind Source-
und Drain-Bereiche ausgebildet. Zwischen den Grabenwänden und
den Gate-Elektroden befinden sich als Speichermedium vorgesehene
Floating-Gate-Elektroden,
die mit dielektrischen Schichten isoliert sind.In the EP 0 967 654 A1 a non-volatile semiconductor memory is described in which control gate electrodes are arranged in trenches of a semiconductor body. Adjacent to the trenches on both sides, source and drain regions are formed. Between the trench walls and the gate electrodes are provided as a storage medium floating gate electrodes, which are insulated with dielectric layers.
In
der Veröffentlichung
von J. Tanaka et al.: A Sub-0.1-μm
Grooved Gate MOSFET with High Immunity to Short-Channel Effects,
IEDM 93, Seiten 537 bis 540, sind Grabentransistoren beschrieben, bei
denen die Gate-Elektrode in einem Graben mit gekrümmtem Boden
angeordnet ist.In
the publication
by Tanaka, J., et al .: A Sub-0.1 μm
Grooved Gate MOSFET with High Immunity to Short-Channel Effects,
IEDM 93, pages 537 to 540, trench transistors are described at
which the gate electrode in a trench with a curved bottom
is arranged.
In
der DE 196 39 026
C1 ist eine selbstjustierte nichtflüchtige Speicherzelle beschrieben,
die als MOS-Grabentransistor ausgebildet ist. Der Boden des Grabens
ist halbzylinderförmig.In the DE 196 39 026 C1 a self-aligned non-volatile memory cell is described, which is designed as a MOS trench transistor. The bottom of the trench is semi-cylindrical.
In US 5 229 312 A , US 6 137 132 A und US 6 127 226 A sind
weitere Speicherzellen mit Grabentransistorstrukturen beschrieben.In US 5 229 312 A . US 6 137 132 A and US 6 127 226 A further memory cells are described with trench transistor structures.
In
der beigefügten 5 ist zur Erläuterung ein
Diagramm dargestellt, das von links nach rechts die Gate-Elektrode 4,
das Gate-Dielektrikum 9, das insbesondere eine ONO-Speicherschicht
sein kann, und das daran angrenzende Halbleitermaterial mit dem
Kanalbereich 5 zeigt. In der mit dem eingezeichneten Pfeil
markierten senkrechten Richtung ist die Energie aufgetragen, die
in der Richtung des Pfeils zunimmt. Die eingetragenen Kurven a und
b geben die obere Grenze des Valenzbandes bzw. die untere Grenze
des Leitungsbandes an. Es sind zwei Fermi-Energieniveaus Ef1 und Ef2 eingezeichnet.
Bis zu diesen Energieniveaus sind jeweils die nach dem Pauli-Prinzip
nur einfach besetzbaren Zustände
mit Elektronen aufgefüllt.
Wenn das Fermi-Energieniveau Ef1 niedriger
ist, befinden sich nur wenige Elektronen in dem Leitungsband an
der Grenze des Halbleitermaterials, wie das in der 5 durch den schraffierten Bereich angedeutet
ist. Es ist erkennbar, dass im Falle eines höheren Fermi-Energieniveaus
Ef2 mehr Elektronen im Leitungsband vorhanden
sind und außerdem
höherenergetische
Elektronen vorhanden sind. Es ist daher für die höherenergetischen Elektronen
leichter, die die Speicherschicht aus Nitrid begrenzende Oxidschicht
zu durchtunneln.In the accompanying 5 For illustration, a diagram is shown, the gate electrode from left to right 4 , the gate dielectric 9 , which may in particular be an ONO storage layer, and the semiconductor material adjacent thereto with the channel region 5 shows. In the vertical direction marked with the arrow, the energy that increases in the direction of the arrow is plotted. The plotted curves a and b indicate the upper limit of the valence band and the lower limit of the conduction band, respectively. Two Fermi energy levels E f1 and E f2 are plotted. Up to these energy levels, in each case the states which are only easily occupied according to the Pauli principle are filled up with electrons. When the Fermi energy level E f1 is lower, there are few electrons in the conduction band at the boundary of the semiconductor material like that in the 5 is indicated by the hatched area. It can be seen that in the case of a higher Fermi energy level E f2 more electrons are present in the conduction band and also higher energy electrons are present. It is therefore easier for the higher energy electrons to tunnel through the nitride limiting oxide layer.
In
der 6 ist im Querschnitt
eine typische Transistorstruktur dargestellt, bei der ein Source-Bereich 2,
ein Drain-Bereich 3, eine Gate-Elektrode 4, ein
Gate-Dielektrikum 9 und der Kanalbereich 5 dargestellt
sind. Gestrichelt begrenzt ist eine sich ausbildende Raumladungszone
des Kanals. Bei Anlegen der vorgesehenen Spannungen, die zum Programmieren
eines solchen Transistors erforderlich sind, werden die Elektronen
in der Richtung der eingezeichneten Pfeile durch den Kanalbereich
beschleunigt. Die Länge
der Pfeile soll die mittlere kinetische Energie der Elektronen ohne
Maßstabstreue
andeuten. Es ist hier erkennbar, dass die mittlere kinetische Energie
der Elektronen zum Drain-Bereich 3 hin sehr stark zunimmt.
Diese Zunahme ist stark überproportional,
da die elektrische Feldstärke
zum Drain-Bereich 3 hin bis kurz vor dem Drain-Bereich
stark zunimmt. Wenn die Elektronen das Ende des Kanalbereichs 5 erreichen,
ist ihre Energie so hoch, dass sie in die Speicherschicht gelangen
können.In the 6 is shown in cross-section a typical transistor structure in which a source region 2 , a drain area 3 , a gate electrode 4 , a gate dielectric 9 and the channel area 5 are shown. Dashed limited is a forming space charge zone of the channel. Upon application of the intended voltages required to program such a transistor, the electrons are accelerated in the direction of the plotted arrows through the channel region. The length of the arrows should indicate the mean kinetic energy of the electrons without scale fidelity. It can be seen here that the mean kinetic energy of the electrons to the drain region 3 increases very strongly. This increase is very disproportionate, since the electric field strength to the drain region 3 towards until shortly before the drain area increases sharply. When the electrons hit the end of the channel Reich 5 their energy is so high that they can get into the storage layer.
Im
Falle eines in einem Graben angeordneten Speichertransistors befindet
sich der Bereich, in dem die Elektronen eine für eine Programmierung geeignete
Energie besitzen, ebenfalls am Ende des Kanalbereichs, der hier
auf einer Seite des Grabenbodens unmittelbar unter dem Übergang
des p-leitend dotierten Substrates in den n+-leitend
dotierten Drain-Bereich endet. In einem Querschnitt mit dem Source-Bereich
auf der linken Seite und dem Drain-Bereich auf der rechten Seite
liegt dieser Bereich bevorzugter Programmierung am Boden des Grabens
etwa unten rechts.In the case of a memory transistor arranged in a trench, the region in which the electrons have an energy suitable for programming is likewise at the end of the channel region, here on one side of the trench bottom immediately below the transition of the p-type doped substrate into the n + -type doped drain region ends. In a cross-section with the source region on the left side and the drain region on the right side, this region of preferred programming lies at the bottom of the trench approximately at the bottom right.
Für den Löschvorgang
ist eine Injektion von Löchern
(Ladungsträger
entgegengesetzten Vorzeichens) notwendig, was in einem n-MOSFET
nur durch den GIDL-Effekt (Gate-Induced Drain Leakage) erreicht
werden kann. Dieser Effekt tritt nur in der Nähe des Drain-Bereichs auf.
Die Orte, an denen die Elektroneninjektion und die Löcherinjektion
stattfinden, sind somit nicht notwendigerweise identisch. Eine derartige
Speicherzelle lässt
sich daher allenfalls mit einer hohen angelegten Spannung und/oder sehr
langen Löschzeiten
löschen.For the deletion process
is an injection of holes
(Charge carrier
opposite sign) necessary, resulting in an n-MOSFET
only achieved by the GIDL effect (Gate-Induced Drain Leakage)
can be. This effect occurs only near the drain region.
The places where the electron injection and the hole injection
are not necessarily identical. Such
Memory cell leaves
Therefore, at best with a high applied voltage and / or very
long deletion times
Clear.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Speicherzelle mit Grabentransistor
anzugeben, bei dem die Programmier- und Löschzeiten gegenüber herkömmlichen
derartigen Speicherzellen deutlich verringert sind.task
It is the object of the present invention to provide a trench transistor memory cell
specify that the programming and erase times compared to conventional
Such memory cells are significantly reduced.
Diese
Aufgabe wird mit der Speicherzelle mit den Merkmalen des Anspruchs
1, 3, 7 bzw. 8 gelöst. Ausgestaltungen
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These
The object is achieved with the memory cell having the features of the claim
1, 3, 7 and 8 solved. refinements
result from the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird die
Tiefe des Grabens in Bezug auf einen Bereich, in dem bei einem Löschvorgang
Ladungsträger
der Speicherschicht neutralisiert werden, so gewählt, dass bei einem Programmiervorgang
eine jeweils parallel zu der Tangente an eine Wand oder an den Boden
des Grabens und senkrecht zu der Längsrichtung des Grabens gerichtete
Komponente eines auf die Ladungsträger einwirkenden elektrischen
Feldes in demselben Bereich maximal ist. Auf diese Weise wird die
Grabentiefe derart optimiert, dass die Orte für Elektronen- und Löcherinjektionen
zusammenfallen. Die Junctions, in denen die Dotierung des Source-Bereichs und
des Drain-Bereichs in das entgegengesetzte Vorzeichen des Leitfähigkeitstyps
des Substrats oder Halbleiterkörpers übergeht,
stoßen
an einen gekrümmten
Bereich des Grabenbodens oder einen gekrümmten unteren Bereich der seitlichen
Grabenwände
an.According to the invention
Depth of the trench with respect to an area in which an erase operation
charge carrier
the storage layer are neutralized, chosen so that during a programming operation
one parallel to the tangent to a wall or to the ground
of the trench and directed perpendicular to the longitudinal direction of the trench
Component of an electric charge acting on the charge carriers
Field in the same area is maximum. In this way, the
Trench depth optimized such that the locations for electron and hole injections
coincide. The junctions in which the doping of the source region and
of the drain region in the opposite sign of the conductivity type
the substrate or semiconductor body,
bump
to a curved
Area of the trench bottom or a curved lower area of the lateral
grave walls
at.
Es
folgt eine genauere Beschreibung der Speicherzelle anhand der 1 bis 6.The following is a more detailed description of the memory cell based on the 1 to 6 ,
1 zeigt
einen Querschnitt durch zwei benachbarte Gräben im Schema als Prinzipskizze. 1 shows a cross section through two adjacent trenches in the diagram as a schematic diagram.
2 zeigt
den Querschnitt gemäß 1 für zwei anhand
einer Modellrechnung simulierte Gräben mit einem eingezeichneten
Verlauf der nach unten weisenden E-Feld-Komponente. 2 shows the cross section according to 1 for two simulated with a model calculation trenches with a drawn course of the downward E-field component.
3 und 4 zeigen
entsprechende Querschnitte für
erfindungsgemäß ausgestaltete Speicherzellen. 3 and 4 show corresponding cross sections for inventively designed memory cells.
5 und 6 zeigen
die in der Beschreibungseinleitung erläuterten Darstellungen. 5 and 6 show the explanations explained in the introduction to the description.
Die 1 zeigt
einen Querschnitt, in dem zwei in einem Halbleiterkörper 1 als
Substrat oder in einer auf einem Substrat aufgebrachten Halbleiterschicht
hergestellte Gräben
dargestellt sind. Zumindest abschnittsweise sind die Quer schnitte
der Gräben
in der Längsrichtung
der Gräben
gleich. Die Darstellung der 1 sähe daher
für einen
Schnitt vor und hinter der Zeichenebene gleich aus. Als Längsrichtung
der Gräben
ist in der Beschreibung und in den Ansprüchen jeweils diese Richtung
zu verstehen, längs
der sich ein senkrecht geführter
Schnitt nicht ändert.The 1 shows a cross section in which two in a semiconductor body 1 are shown as a substrate or in a deposited on a substrate semiconductor layer trenches are shown. At least in sections, the cross sections of the trenches in the longitudinal direction of the trenches are the same. The presentation of the 1 would therefore look the same for a cut in front of and behind the drawing plane. As a longitudinal direction of the trenches is to be understood in the description and in the claims in each case this direction, along which a vertically-guided section does not change.
In
einem Bereich an der betreffenden Oberseite des Halbleiterkörpers 1 oder
der Halbleiterschicht sind durch Einbringen von Dotierstoff ein Source-Bereich 2 und
ein Drain-Bereich 3 ausgebildet, hier als Beispiel für den linken
Grabentransistor bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 ist z. B. p-leitend dotiert;
der Source-Bereich 2 und der Drain-Bereich 3 sind
dann entsprechend n+-leitend ausgebildet.
Die in der Regel deutlich ausgeprägten Grenzen zwischen den entgegengesetzt
zueinander dotierten Bereichen werden im Folgenden als Junctions 14 bezeichnet;
ihre Position innerhalb des Halbleitermaterials ist nachweisbar
(zum Beispiel mit SIMS). In den Graben ist jeweils eine Gate-Elektrode 4,
z. B. aus Polysilizium, eingebracht. Unterhalb der Source- und Drain-Bereiche
bildet sich gegenüber
der Gate-Elektrode an der Grenzfläche des Halbleitermaterials
ein Kanalbereich 5 aus.In a region on the relevant upper side of the semiconductor body 1 or the semiconductor layer are a source region by introducing dopant 2 and a drain area 3 formed, referred to here as an example of the left trench transistor. The semiconductor body 1 is z. B. doped p-type; the source area 2 and the drain area 3 are then formed according to n + -conducting. The generally distinct boundaries between the oppositely doped areas are referred to below as junctions 14 designated; their position within the semiconductor material is detectable (for example with SIMS). In the trench is in each case a gate electrode 4 , z. B. of polysilicon introduced. Below the source and drain regions, a channel region is formed opposite to the gate electrode at the interface of the semiconductor material 5 out.
Als
seitliche Wände 6, 8 und
als Boden 7 des Grabens sei jeweils die dem Graben zugewandte Oberfläche des
Halbleitermaterials verstanden. Zwischen der Gate-Elektrode 4 und
dem Halbleitermaterial befindet sich eine dielektrische Schicht 9 als Gate-Dielektrikum,
die die Wände
und den Boden des Grabens bedeckt. Diese dielektrische Schicht 9 ist
als Speichermedium ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die dielektrische
Schicht 9 vorzugsweise mehrlagig und umfasst mindestens
eine Speicherschicht 11, die in dem gezeigten Beispiel
der 1 zwischen Begrenzungsschichten 10, 12 angeordnet ist.
Die Begrenzungsschichten 10, 12 sind z. B. Oxide,
hier speziell Siliziumdioxid, während
die Speicherschicht 11 Nitrid, hier Si3N4, sein kann.As side walls 6 . 8th and as ground 7 the trench should be understood in each case the surface of the semiconductor material facing the trench. Between the gate electrode 4 and the semiconductor material is a dielectric layer 9 as a gate dielectric covering the walls and bottom of the trench. This dielectric layer 9 is designed as a storage medium. To this The purpose is the dielectric layer 9 preferably multi-layered and comprises at least one storage layer 11 , which in the example shown the 1 between boundary layers 10 . 12 is arranged. The boundary layers 10 . 12 are z. As oxides, especially silicon dioxide, while the storage layer 11 Nitride, here Si 3 N 4 , can be.
Im
Betrieb der Speicherzelle liegt zum Beispiel am Source-Bereich eine Spannung
von 0 V, an der Gate-Elektrode 4 eine Spannung von 9 V
und an dem Drain-Bereich 3 eine Spannung von 6 V zum Programmieren
an; zum Löschen
liegt zum Beispiel an der Gate-Elektrode –8 V und an dem Drain-Bereich
5 V an. In dem Graben der linken gezeigten Speicherzelle ist die
dielektrische Schicht 9 im Bodenbereich des Grabens in
der Zeichnung weggelassen, was durch entsprechende Bruchlinien angedeutet
ist. Zur näheren
Erläuterung
des Folgenden sind dort ein waagrechter Pfeil 22 zur Angabe
der lateralen Richtung von Source nach Drain und ein senkrechter
Pfeil 23 zur Angabe der vertikalen Richtung in die Tiefe
des Grabens hinein eingezeichnet. Es sind außerdem der Abstand 24 zwischen
den Wänden des
Grabens auf der Höhe
der Junctions 14 und die Tiefe 25 des Grabens
unterhalb der Höhe
der Junctions 14, das heißt die gesamte vertikale Abmessung des
Grabens von einer Junction 14 bis zu dem tiefsten Punkt
des Grabens, eingezeichnet.During operation of the memory cell, for example, a voltage of 0 V, at the gate electrode, is present at the source region 4 a voltage of 9 V and at the drain region 3 a voltage of 6 V for programming; for erasing, for example, the gate electrode is at -8 V and at the drain region 5V. In the trench of the memory cell shown on the left is the dielectric layer 9 omitted in the bottom region of the trench in the drawing, which is indicated by corresponding break lines. For a more detailed explanation of the following there are a horizontal arrow 22 for indicating the lateral direction from source to drain and a vertical arrow 23 for indicating the vertical direction in the depth of the trench in drawn. It's also the distance 24 between the walls of the ditch at the height of the junctions 14 and the depth 25 of the trench below the height of the junctions 14 that is, the total vertical dimension of the trench from a junction 14 to the lowest point of the trench, drawn.
Die
elektrische Spannung wird an die Source-Bereiche 2 und
die Drain-Bereiche 3 über
jeweils vor und hinter der Zeichenebene darauf angebrachte Kontakte
angelegt, während
die Gate-Spannung über die
quer, d. h. in der Zeichenebene, verlaufende Wortleitung 13 zugeführt wird.
Beim Programmieren ergibt sich mit den eingezeichneten Spannungswerten
für einen
Graben mit einem Boden in der Form des Mantels eines Halbzylinders
eine Verteilung der elektrischen Feldstärke, deren Komponente in der dargestellten
Querschnittsebene tangential an den Boden bzw. an die Wand des Grabens
rechts unterhalb der Junction maximal ist.The electrical voltage is applied to the source regions 2 and the drain areas 3 placed on each in front of and behind the drawing plane mounted contacts, while the gate voltage across the transverse, ie in the drawing plane, extending word line 13 is supplied. During programming, the voltage values shown for a trench with a bottom in the form of the shell of a half cylinder result in a distribution of the electric field strength whose component in the illustrated cross-sectional plane is tangential to the bottom or to the wall of the trench to the right below the junction ,
Diese
Verhältnisse
sind in der 2 wiedergegeben, in der der
in der 1 als Prinzipskizze im Schema dargestellte Querschnitt
für die
Modellrechnung für
Gräben
mit halbzylinderförmigem
Boden dargestellt ist. Die eingezeichneten Kurven stellen die Linien
des Querschnitts dar, auf denen die mit dem Pfeil bezeichnete Komponente
Ey des elektrischen Feldes jeweils denselben
Wert besitzt. Daraus lassen sich gewisse Rückschlüsse auf die Größe des Betrags
derjenigen Komponente des elektrischen Feldes ziehen, die innerhalb
dieses Querschnitts jeweils tangential zur Grabenwand bzw. zu dem
Grabenboden verläuft.These conditions are in the 2 reproduced in the in the 1 shown as a schematic diagram in cross-section for the model calculation for trenches with halbzylinderförmigem bottom is shown. The curves shown represent the lines of the cross section on which the component E y of the electric field designated by the arrow has the same value. From this it is possible to draw certain conclusions about the magnitude of the magnitude of that component of the electric field which runs tangentially to the trench wall or to the trench bottom within this cross section.
Es
ist hier erkennbar, dass bei der mit den entsprechenden Spannungen
gemäß 1 zum Programmieren
vorgespannten linken Speicherzelle ein Maximum der in der Längsrichtung
des Kanals verlaufenden Feldkomponente näherungsweise in der Richtung
des um 30° nach
unten gedrehten Pfeiles 22 auftritt, wenn dieser Pfeil
(jetzt 22')
durch die Achse A des den Boden bildenden Halbzylinders weist. An
dieser Stelle findet die effiziente Programmierung der Speicherzelle
statt, während
die Löcherinjektion
beim Löschvorgang
im Bereich direkt über der
Junction 14 des Drain-Bereichs 3 stattfindet.It can be seen here that in accordance with the corresponding voltages 1 for programming biased left memory cell a maximum of extending in the longitudinal direction of the channel field component approximately in the direction of the rotated by 30 ° down arrow 22 occurs when this arrow (now 22 ' ) through the axis A of the bottom forming half cylinder. At this point, the efficient programming of the memory cell takes place, while the hole injection in the erase process in the area directly above the junction 14 of the drain region 3 takes place.
In
der 3 ist eine erfindungsgemäß optimierte derartige Speicherzelle
dargestellt, bei der der betreffende Bereich der Bodenkrümmung des
Grabens in der Nähe
des pn-Übergangs
zwischen dem Drain-Bereich 3 und dem entgegengesetzt dazu
dotierten Halbleitermaterial angeordnet ist. Die genauen Abmessungen
der in dieser Hinsicht optimierten Speicherzelle können für ein jeweiliges
Ausführungsbeispiel
anhand der dem Fachmann geläufigen
Modellrechnungen und Simulationen und/oder experimentell anhand
realisierter Bauelemente ohne grundsätzliche Schwierigkeiten aufgefunden
werden. Es ist jedoch nicht möglich,
entsprechende Zahlenangaben für
alle im Rahmen der Erfindung liegenden Ausführungsformen anzugeben. Daher
soll im Folgenden ausführlich
erläutert
werden, worin das Prinzip der Erfindung besteht. Damit wird die
technische Lehre im Umfang dessen angegeben, was erforderlich ist,
um den Fachmann in die Lage zu versetzen, eine derartige Speicherzelle
herzustellen.In the 3 an inventively optimized memory cell is shown in which the relevant area of the bottom curvature of the trench in the vicinity of the pn junction between the drain region 3 and the opposite doped semiconductor material is arranged. The exact dimensions of the memory cell optimized in this respect can be found for a particular embodiment on the basis of the model calculations and simulations familiar to the person skilled in the art and / or experimentally based on realized components without any fundamental difficulties. However, it is not possible to provide corresponding figures for all embodiments lying within the scope of the invention. Therefore, it will be explained in detail below, wherein the principle of the invention is. Thus, the technical teaching is given in the scope of what is required to enable the skilled person to produce such a memory cell.
Dazu
trägt zunächst die
Erkenntnis bei, dass nicht die Kanallänge allein, sondern wesentlich
die Art der Krümmung
des Grabenbodens und des unteren Bereichs der seitlichen Graben wände für den Verlauf
der tangential zur Grabenwand gerichteten Feldkomponente maßgeblich
ist. Entgegen der bisherigen Annahme, dass der Graben so tief in
das Halbleitermaterial hinein ausgebildet sein muss, dass sich unterhalb
der Bereiche von Source und Drain ein wesentlicher Anteil der Wand
des Grabens befindet, wird bei der erfindungsgemäßen Speicherzelle dafür gesorgt,
dass eine seitliche Krümmung
zwischen dem eigentlichen Boden und der im Wesentlichen vertikalen
seitlichen Wand des Grabens in demjenigen Bereich liegt, in dem
beim Löschvorgang
die Löcherinjektion
stattfindet. Die für
die Programmierung und das Löschen
durch Injektion von Ladungsträgern vorgesehenen
Bereiche werden so direkt über
dem pn-Übergang
zur Deckung gebracht. Dazu ist die Grabentiefe entsprechend vermindert.To
First, wear the
Realizing that not the channel length alone, but essential
the type of curvature
of the trench bottom and the lower portion of the lateral trench walls for the course
the tangential to the trench wall directed field component prevail
is. Contrary to the previous assumption that the ditch so deep in
the semiconductor material must be formed in that below
the regions of the source and drain are a substantial portion of the wall
is located in the trench, is ensured in the memory cell according to the invention,
that a lateral curvature
between the actual floor and the essentially vertical one
lateral wall of the trench is in that area in which
during the deletion process
the hole injection
takes place. The for
the programming and deleting
provided by injection of charge carriers
Areas become so directly over
the pn junction
brought to cover. The depth of the trench is reduced accordingly.
Das
ist im Querschnitt in der 3 dargestellt,
in dem die Bezugszeichen dieselbe Bedeutung haben wie in den vorangegangenen
Figuren. Die vertikale Abmessung des Source-Bereichs 2 und
des Drain-Bereichs 3 zwischen der Oberseite des Halbleiterkörpers 1 oder
der Halbleiterschicht und der Junction 14 zwischen dem
Source-Bereich 2 bzw. dem Drain-Bereich 3 und
dem entgegengesetzt dazu dotierten Halbleitermaterial, die bei praktischen
Ausgestaltungen aber keine ebene Fläche bilden muss, sondern etwas
unregelmäßig ausgebildet
sein kann, ist bei der Speicherzelle nur geringfügig kleiner als die gesamte
vertikale Abmessung des Grabens. Bei der Bestimmung der Position
der Junction mittels SIMS wird über
eine gewisse Fläche
gemittelt.That's in the cross section in the 3 represented in which the reference numerals have the same meaning as in the preceding figures. The vertical dimension of the source area 2 and the drain region 3 between the top of the semiconductor body 1 or the semiconductor layer and the junction 14 between the source area 2 respectively. the drain area 3 and the oppositely doped semiconductor material, which in practical embodiments, however, does not have to form a planar surface, but rather may be somewhat irregular, is only slightly smaller in the memory cell than the entire vertical dimension of the trench. When determining the position of the junction by means of SIMS, it is averaged over a certain area.
Die
vertikale Abmessung des Grabens besitzt einen Überhang nach unten über die
Junctions 14 hinaus, der im Folgenden als Tiefe 25 des
Grabens bezeichnet wird. Hierbei wird von der Höhe der Junctions 14 in
dem Graben bis zu dem ausgehend von der Ebene der oberen Hauptseite
des Halbleiterkörpers
oder der Halbleiterschicht am tiefsten gelegenen Punkt des Grabenbodens
in der vertikalen Richtung, das heißt lotrecht bezüg lich der
Ebene der Oberseite des Halbleiterkörpers oder der Halbleiterschicht,
gemessen.The vertical dimension of the trench has an overhang down over the junctions 14 in addition, the depth below 25 of the trench is called. This is determined by the height of the junctions 14 in the trench to the lowest point of the trench bottom in the vertical direction, that is, perpendicular to the plane of the upper surface of the semiconductor body or the semiconductor layer, measured from the plane of the upper main side of the semiconductor body or the semiconductor layer.
Diese
Tiefe 25 ist bei bevorzugten Ausführungsbeispielen höchstens
halb so groß wie
der Abstand 24 der Wände
des Grabens (Grabenbreite) auf der Höhe der Junctions 14.
Die Tiefe 25 ist abhängig von
der betreffenden geometrischen Form des Grabenquerschnitts so gewählt, dass
die Junctions 14 die Wand des Grabens jeweils in einem
Bereich berühren,
in dem die Kurve der Wand des Grabens in einem quer zu der Längsrichtung
ausgerichteten Querschnitt einen Krümmungsradius besitzt, der höchstens
zwei Drittel so groß ist
wie der Abstand 24 der Wände des Grabens auf der Höhe der Junctions 14.This depth 25 is in preferred embodiments at most half as large as the distance 24 the walls of the trench (trench width) at the height of the junctions 14 , The depth 25 is dependent on the relevant geometric shape of the trench cross section chosen so that the junctions 14 each contacting the wall of the trench in a region in which the curve of the wall of the trench in a cross-section oriented transversely to the longitudinal direction has a radius of curvature which is at most two thirds as large as the distance 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 ,
Wenn
der Boden des Grabens die Form des Mantels eines Halbzylinders mit
einem Radius r besitzt, ist der Abstand 24 der Wände des
Grabens auf der Höhe
der Junctions 14 höchstens
doppelt so groß wie
dieser Radius, nämlich
höchstens
2r. Der Krümmungsradius
des Grabenbodens ist in diesem Beispiel überall r; entsprechend ist
die Tiefe 25 vorzugsweise höchstens gleich r, besser etwas
kleiner.If the bottom of the trench has the shape of the shell of a half-cylinder with a radius r, the distance is 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 at most twice as large as this radius, namely at most 2r. The radius of curvature of the trench bottom is everywhere r in this example; Corresponding is the depth 25 preferably at most equal to r, better slightly smaller.
Falls
der Radius r des besagten Halbzylinders beispielsweise 55 nm ist,
beträgt
die Tiefe 55 nm oder etwas weniger. Da die Kanallänge nicht
zu gering sein soll, kann als nach Möglichkeit einzuhaltende untere
Grenze für
die Tiefe 25 ein Wert von 30 nm angegeben werden. Der im
Querschnitt unterhalb der Junctions 14 sichtbare Bogen
des Grabenbodens, der näherungsweise
die Länge
des Kanals darstellt, beträgt
bei dieser Tiefe 25 von 30 nm etwa 120,88 nm für den angegebenen
Radius r von 55 nm und etwa 134,76 nm für einen Radius r von 70 nm;
der Abstand 24 der Wände
des Grabens auf der Höhe
der Junctions 14 beträgt
97, 98 nm für
r = 55 nm und 114, 89 nm für
r = 70 nm, in beiden Fällen
beträgt
also der Krümmungsradius
an der Stelle, an der die Junctions 14 an die Wände des
Grabens anstoßen,
weniger als zwei Drittel des Abstandes 24 der Wände des
Grabens auf der Höhe
der Junctions 14.For example, if the radius r of said half-cylinder is 55 nm, the depth is 55 nm or less. Since the channel length should not be too low, can be considered as possible lower limit for the depth 25 a value of 30 nm can be specified. The cross section below the junctions 14 visible arc of the trench bottom, which approximately represents the length of the channel, is at this depth 25 from 30 nm about 120.88 nm for the given radius r of 55 nm and about 134.76 nm for a radius r of 70 nm; the distance 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 is 97, 98 nm for r = 55 nm and 114, 89 nm for r = 70 nm, so in both cases the radius of curvature at the point at which the junctions are 14 abut the walls of the trench, less than two-thirds of the distance 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 ,
Wenn
die vertikale Abmessung des Source-Bereichs 2 und des Drain-Bereichs 3 zum
Beispiel 150 nm beträgt,
liegt die optimale gesamte Grabentiefe von der Ebene der Oberseite
des Halbleiterkörpers
oder der Halbleiterschicht aus gemessen im Bereich von 180 nm bis
205 nm für
einen Radius r von 55 nm und von 180 nm bis 220 nm für einen
Radius r von 70 nm. Der Boden des Grabens braucht in diesem Beispiel
nicht die Form des Mantels eines vollständigen Halbzylinders zu haben;
die seitlichen Grabenwände
können
sich unmittelbar oder in geringem Abstand über den Junctions bereits im
Wesentlichen eben an den gekrümmten
Boden anschließen,
so dass dort nur der Mantel eines Segmentes eines Halbzylinders,
das heißt,
der Mantel eines Zylindersektors mit einem Zentriwinkel unter 180°, am Boden vorhanden
ist.If the vertical dimension of the source area 2 and the drain region 3 150 nm, for example, the optimum total trench depth is from the plane of the top of the semiconductor body or semiconductor layer measured in the range of 180 nm to 205 nm for a radius r of 55 nm and 180 nm to 220 nm for a radius r of 70 nm. The bottom of the trench in this example need not have the shape of the shell of a complete half-cylinder; the lateral trench walls can already directly or at a small distance above the junctions already substantially evenly adjoin the curved bottom, so that there only the mantle of a segment of a half-cylinder, that is, the mantle of a cylinder sector with a central angle of less than 180 °, at the bottom is available.
Die
Grabentiefe ist entsprechend an andere Krümmungsradien des Grabenbodens
oder andere Formen des Grabenbodens anzupassen. Eine Rolle spielt
ebenso die Höhe
der Dotierstoffkonzentrationen, wobei auch eine mögliche zusätzliche
Implantation des Kanalbereichs 5 zu berücksichtigen ist. Eine Implantation
zur Erhöhung
der Leitfähigkeit
des Kanals und zur Verminderung des elektrischen Feldes an den Stellen
stärkerer
Grabenkrümmung
erlaubt es, auch in denjenigen Bereichen des Grabenbodens, in denen
keine Ladungsträgerinjektion
in die Speicherschicht stattfinden soll, eine etwas stärkere Krümmung vorzusehen.
Es liegt daher im Rahmen der Erfindung, einen einigermaßen spitz
zulaufenden Grabenboden und in dem Bereich der tiefsten Stelle des
Grabenbodens eine Implantation von Dotierstoff in das darunter vorhandene
Halbleitermaterial vorzusehen. Es kann hier von Vorteil sein, eine
größere Kanallänge vorzusehen,
indem die Tiefe 25 größer als
der halbe Abstand 24 der Wände des Grabens auf der Höhe der Junctions 14 gewählt wird.
Aber auch in diesem Beispiel wird in dem Querschnitt senkrecht zur
Längsrichtung
des Grabens die Kurve der Wand dort, wo die Junctions 14 an
die Grabenwände
stoßen, einen
Krümmungsradius
von höchstens
zwei Dritteln des Abstandes 24 besitzen.The trench depth is to be adapted accordingly to other radii of curvature of the trench bottom or other shapes of the trench bottom. Another factor is the level of dopant concentrations, with possible additional implantation of the channel region 5 to take into account. An implantation to increase the conductivity of the channel and to reduce the electric field at the points of stronger trench curvature allows to provide a slightly greater curvature even in those areas of the trench bottom in which no charge carrier injection is to take place in the storage layer. It is therefore within the scope of the invention to provide an approximately tapered trench bottom and in the region of the lowest point of the trench bottom implantation of dopant in the underlying semiconductor material. It may be advantageous to provide a longer channel length by adjusting the depth 25 greater than half the distance 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 is selected. But also in this example, in the cross section perpendicular to the longitudinal direction of the trench, the curve of the wall becomes where the junctions 14 hit the trench walls, a maximum radius of curvature of two thirds of the distance 24 have.
Es
kann bei einigen Ausführungsformen
von Vorteil sein, wenn die Tiefe 25 des Grabens deutlich weniger
beträgt
als der halbe Abstand 24 der Wände des Grabens auf der Höhe der Junctions 14,
insbesondere, wenn der Graben einen Boden mit einem geringer gekrümmten oder
flachen inneren Anteil und stärker
gekrümmten
seitlichen Anteilen aufweist und die weitaus überwiegenden Anteile der Wände zumindest
fast senkrecht verlaufen, so dass eine wesentliche Krümmung nur
an den unteren Seiten des Bodens vorhanden ist. Bei diesen Ausführungsformen
ist allerdings zu berücksichtigen,
dass die Kanallänge
bei sehr geringer Tiefe 25 und ziemlich flachem Grabenboden
möglicherweise
nicht ausreicht oder zumindest wegen der geringen Kanallänge ein Teil
der erfindungsgemäß angestrebten
Optimierung kompensiert wird.It may be advantageous in some embodiments if the depth 25 the trench is significantly less than half the distance 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 in particular, when the trench has a bottom with a small curved or flat inner portion and more highly curved lateral portions, and the vast majority of the walls are at least nearly perpendicular, so that a substantial curvature is present only at the lower sides of the floor. In these embodiments, however, it should be noted that the Kan allangs at very shallow depth 25 and fairly shallow trench bottom may not be sufficient or at least part of the inventive optimization is compensated because of the small channel length.
Die
seitlichen Wände
der Gräben
können
in ihrem oberen Bereich zur Vertikalen (Pfeil 23 in 1)
geneigt sein. In der 4 ist ein entsprechender Querschnitt
eines weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt,
in dem die seitlichen Wände
der Gräben in
oberen Bereichen deutlich schräg
angeordnet sind mit einem Neigungswinkel von etwa 5° zur Vertikalen. In
diesem Ausführungsbeispiel
besitzen die seitlichen Wände 6, 8 etwas
oberhalb des Grabenbodens 7 in Längsrichtung der Gräben verlaufende
schmale Bereiche 15, 17, in denen die Richtung
der seitlichen Wände
innerhalb des Querschnitts leicht abknickt. In den unteren Bereichen 16, 18 der
seitlichen Wände liegen
die Richtungen der Tangenten an die Wände innerhalb des Querschnitts
in größeren Winkelbereichen
von bis zu 10° zur
Vertikalen. Der Boden 7 des Grabens ist hier relativ schwach
gekrümmt,
so dass sich zwischen den unteren Bereichen 16, 18 der
seitlichen Wände
und dem Boden 7 des Grabens Bereiche deutlich stärkerer Krümmung der
Grabenwandung befinden.The lateral walls of the trenches can in their upper area to the vertical (arrow 23 in 1 ) be inclined. In the 4 a corresponding cross section of a further embodiment is shown, in which the lateral walls of the trenches are arranged at an angle in the upper regions with an inclination angle of about 5 ° to the vertical. In this embodiment, the side walls have 6 . 8th slightly above the bottom of the trench 7 in the longitudinal direction of the trenches extending narrow areas 15 . 17 in which the direction of the lateral walls within the cross-section slightly kinks. In the lower areas 16 . 18 the lateral walls are the directions of the tangents to the walls within the cross section in larger angular ranges of up to 10 ° to the vertical. The floor 7 The ditch here is relatively weakly curved, leaving itself between the lower areas 16 . 18 the side walls and the floor 7 of the trench areas of significantly stronger curvature of the trench wall are located.
Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist die Tiefe 25 des Grabens etwa so gewählt, dass
der pn-Übergang
(Junction 14) zwischen dem Source-Bereich und dem entgegengesetzt
dotierten Halbleitermaterial bzw. zwischen dem Drain-Bereich und
dem entgegengesetzt dotierten Halbleitermaterial etwa auf der Höhe dieser
stärkeren
Krümmung
oder knapp darüber
angeordnet ist. Es kann auch hierbei davon ausgegangen werden, dass
die Programmierung in dem Bereich der Grabenwand knapp über dem
Bereich stärkster
Krümmung
stattfindet.In this embodiment, the depth is 25 of the trench chosen so that the pn junction (junction 14 ) is arranged between the source region and the oppositely doped semiconductor material or between the drain region and the oppositely doped semiconductor material approximately at the level of this stronger curvature or just above it. It can also be assumed here that the programming takes place in the region of the trench wall just above the region of greatest curvature.
Zur
weiteren Erläuterung
ist in der 4 im Querschnitt des rechten
Grabens die dielektrische Schicht 9 im unteren Bereich
weggelassen, was auch hier durch entsprechende Bruchlinien angedeutet
ist. Es sind dort Krümmungsradien 19, 20 und 21 mit nicht
maßstabsgetreuen
Längen
ohne Anspruch auf Präzision
eingetragen. Mit den eingezeichneten Längen soll nur veranschaulicht
werden, dass der Krümmungsradius 19 in
den seitlich des eigentlichen Bodens vorhandenen Bereichen sehr
klein ist. Die sich daran anschließenden Bereiche 16, 18 der
seitlichen Wände
besitzen einen wesentlich größeren Krümmungsradius 20.
Der Krümmungsradius 21 des
Bodens 7 ist ebenfalls relativ groß.For further explanation is in the 4 in the cross section of the right trench, the dielectric layer 9 omitted in the lower area, which is also indicated here by appropriate break lines. There are radii of curvature there 19 . 20 and 21 inscribed with not to scale lengths without claim to precision. With the drawn lengths should only be illustrated that the radius of curvature 19 is very small in the areas present at the side of the actual soil. The adjoining areas 16 . 18 The lateral walls have a much larger radius of curvature 20 , The radius of curvature 21 of the soil 7 is also relatively large.
Wenn
man die in der Zeichenebene quer zu der Längsrichtung des Grabens verlaufende
Tangente an die Grabenwand betrachtet, so lässt sich der Anteil der Wand,
der durch seitliche Wände
gebildet wird, durch den relativ geringen Neigungswinkel von höchstens
10° zur
Vertikalen (Pfeil 23) definieren. Bei dem Graben der Ausführungsform
gemäß 4 befinden
sich zwischen diesen seitlichen Wänden und einem tiefsten Punkt
des Bodens jeweils Anteile der Wand des Grabens, die innerhalb des
bezüglich
der Längsrichtung
senkrechten Querschnitts der 4 in jedem
Punkt einen Krümmungsradius
besitzen, der höchstens
halb so groß ist
wie der Abstand 24 der Wände des Grabens auf der Höhe der Junctions 14. Die
Junctions 14 stoßen
in diesen Bereichen an die seitlichen Wände der Gräben.If one considers the tangent to the trench wall running in the plane of the drawing transverse to the longitudinal direction of the trench, the proportion of the wall formed by lateral walls can be determined by the relatively small angle of inclination of at most 10 ° to the vertical (arrow 23 ) define. In the trench of the embodiment according to 4 are located between these lateral walls and a lowest point of the soil, respectively, portions of the wall of the trench, which are within the cross-section of the vertical with respect to the longitudinal direction 4 have at each point a radius of curvature which is at most half as large as the distance 24 the walls of the trench at the height of the junctions 14 , The junctions 14 bump into the lateral walls of the trenches in these areas.
Es
ist davon auszugehen, dass der Bereich, in dem die Löcherinjektion
beim Löschen
stattfindet, jeweils mit dem Bereich größter Krümmung der Wand des Grabens
zumindest näherungsweise
zusammenfällt.
Es kann daher von Vorteil sein, wenn die Junctions 14 in
einem Bereich an die seitlichen Grabenwände anstoßen, in dem der Krümmungsradius
höchstens
10% größer ist
als sein kleinster an der Grabenwand angenommener Wert.It can be assumed that the region in which the hole injection takes place during erasing coincides at least approximately with the region of maximum curvature of the wall of the trench. It may therefore be beneficial if the junctions 14 abutting the lateral trench walls in a region where the radius of curvature is at most 10% greater than its smallest value assumed at the trench wall.
Die
Speicherzelle weist vorzugsweise die in den Figuren dargestellte
spiegelsymmetrische Ausführung
auf, da in diesem Fall durch eine Umkehrung der angelegten Spannungen
das Programmieren und Löschen
zusätzlich
auch in dem Bereich der Speicherschicht erfolgen kann, der sich
in den Figuren auf der linken Seite befindet.The
Memory cell preferably has the one shown in the figures
mirror-symmetrical design
because, in this case, by a reversal of the applied voltages
programming and deleting
additionally
can also be done in the area of the storage layer, which is
located in the figures on the left.
-
11
-
HalbleiterkörperSemiconductor body
-
22
-
Source-BereichSource region
-
33
-
Drain-BereichDrain region
-
44
-
Gate-ElektrodeGate electrode
-
55
-
Kanalbereichchannel area
-
66
-
seitliche
Wandlateral
wall
-
77
-
Bodenground
-
88th
-
seitliche
Wandlateral
wall
-
99
-
dielektrische
Schichtdielectric
layer
-
1010
-
Begrenzungsschichtboundary layer
-
1111
-
Speicherschichtstorage layer
-
1212
-
Begrenzungsschichtboundary layer
-
1313
-
Wortleitungwordline
-
1414
-
JunctionJunction
-
1515
-
schmaler
Bereichnarrow
Area
-
1616
-
unterer
Bereichlower
Area
-
1717
-
schmaler
Bereichnarrow
Area
-
1818
-
unterer
Bereichlower
Area
-
1919
-
Krümmungsradiusradius of curvature
-
2020
-
Krümmungsradiusradius of curvature
-
2121
-
Krümmungsradiusradius of curvature
-
2222
-
Pfeil
in lateraler Richtungarrow
in lateral direction
-
2323
-
Pfeil
in vertikaler Richtungarrow
in the vertical direction
-
2424
-
Abstand
zwischen den Grabenwändendistance
between the moat walls
-
2525
-
Tiefe
des Grabens unterhalb der Junctionsdepth
of the trench below the junctions
