DE19609678C2

DE19609678C2 - Speicherzellenanordnung mit streifenförmigen, parallel verlaufenden Gräben und vertikalen MOS-Transistoren und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE19609678C2
Application number: DE19609678A
Authority: DE
Inventors: Franz Hofmann; Joseph Willer; Wolfgang Krautschneider
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-03-12
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2016-03-13
Also published as: EP0886884A1; JP2000506315A; US6180979B1; WO1997034323A1; KR19990087642A; DE19609678A1

Description

Zur Abspeicherung großer Datenmengen, zum Beispiel für DV- Anwendungen oder zur digitalen Abspeicherung von Musik oder Bildern, werden derzeit hauptsächlich Speichersysteme mit me chanisch bewegten Teilen wie zum Beispiel Festplattenspei cher, Floppy-Discs oder Kompaktdiscs verwendet. Die bewegten Teile sind mechanischem Verschleiß unterworfen. Ferner benö tigen sie vergleichsweise viel Volumen und erlauben nur einen langsamen Datenzugriff. Da sie darüber hinaus erschütterungs- und lageempfindlich sind und einen vergleichsweise hohen Energieverbrauch zu ihrem Betrieb haben, sind diese Speicher systeme in mobilen Systemen nur begrenzt einsetzbar.

Zur Speicherung kleinerer Datenmengen sind Festwertspeicher auf Halbleiterbasis bekannt. Vielfach werden diese als plana re integrierte Siliziumschaltung realisiert, in der als Spei cherzellen MOS-Transistoren verwendet werden. Die Transisto ren werden über die Gateelektrode, die mit der Wortleitung verbunden ist, ausgewählt. Der Eingang des MOS-Transistors ist mit einer Referenzleitung verbunden, der Ausgang mit ei ner Bitleitung. Beim Lesevorgang wird bewertet, ob ein Strom durch den Transistor fließt oder nicht. Entsprechend werden die logischen Werte Null und Eins zugeordnet. Technisch wird die Speicherung von Null und Eins dadurch bewirkt, daß in Speicherzellen, in denen der dem Zustand "kein Stromfluß durch den Transistor" zugeordnete logische Wert gespeichert ist, kein MOS-Transistor hergestellt wird oder keine leitende Verbindung zur Bitleitung realisiert wird. Alternativ können für die beiden logischen Werte MOS-Transistoren realisiert werden, die durch unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen im Kanalgebiet unterschiedliche Einsatzspannungen aufweisen.

Diese Speicher auf Halbleiterbasis erlauben einen wahlfreien Zugriff auf die gespeicherte Information. Die zum Lesen der Information erforderliche elektrische Leistung ist deutlich kleiner als bei den erwähnten Speichersystemen mit mechanisch bewegten Teilen. Da keine bewegten Teile erforderlich sind, entfällt hier auch der mechanische Verschleiß und die Emp findlichkeit gegenüber Erschütterungen. Speicher auf Halblei terbasis sind daher auch für mobile Systeme einsetzbar.

Die beschriebenen Siliziumspeicher weisen meist einen plana ren Aufbau auf. Damit wird pro Speicherzelle ein minimaler Flächenbedarf erforderlich, der im günstigsten Fall bei 4F² liegt, wobei F die in der jeweiligen Technologie kleinste herstellbare Strukturgröße ist.

Aus DE 42 14 923 A1 ist eine Festwertspeicherzellenanordnung bekannt, deren Speicherzellen MOS-Transistoren umfassen. Die se MOS-Transistoren sind entlang von Gräben so angeordnet, daß ein Sourcegebiet an den Boden des Grabens angrenzt, ein Draingebiet an die Oberfläche des Substrats angrenzt und ein Kanalgebiet sowohl vertikal zur Oberfläche des Substrats als auch parallel zur Oberfläche des Substrats an Flanke und Bo den des Grabens angrenzt. Die Oberfläche des Kanalgebietes ist mit einem Gatedielektrikum versehen. Die Gateelektrode ist als Flankenbedeckung (Spacer) ausgebildet. Die logischen Werte Null und Eins werden durch unterschiedliche Einsatz spannungen, die durch Kanalimplantation bewirkt werden, un terschieden. Bei der Kanalimplantation treffen die implantie renden Ionen unter einem solchen Winkel auf die Oberfläche des jeweiligen Grabens, das durch Abschattungseffekte der ge genüberliegenden Flanke gezielt nur entlang einer Flanke im plantiert wird. Die Wortleitungen verlaufen in dieser Spei cherzellenanordnung als Spacer entlang den Flanken der Grä ben.

Aus JP 4-226071 A ist eine weitere Speicherzellenanordnung bekannt, die als Speicherzellen an den Flanken von Gräben an geordnete vertikale MOS-Transistoren umfaßt. Dabei verlaufen am Boden von Gräben und zwischen benachbarten Gräben Diffusionsgebiete, die jeweils die Source/Drain-Gebiete der vertikalen MOS-Transistoren bilden. Die Wortleitungen, die die Gate- Elektroden der vertikalen MOS-Transistoren umfassen, verlaufen senkrecht zu den Gräben. Die Einsatzspannung der vertikalen MOS-Transistoren wird durch eine gewinkelte Implantation eingestellt.

Aus US 4 663 644 A ist eine Speicherzellenanordnung bekannt, die als Speicherzellen vertikale MOS-Transistoren umfaßt. Diese vertikalen MOS-Transistoren sind jeweils an den Flanken von Gräben angeordnet. Die Wortleitungen, die jeweils die Gate- Elektroden der vertikalen MOS-Transistoren umfassen, sind in den Gräben angeordnet. In jedem Graben sind zwei Wortleitungen angeordnet. Die Bitleitungen sind als Leiterbahnen auf der Oberfläche des Substrats realisiert. Der Kontakt zwischen den Bitleitungen und den jeweiligen Source/Drain-Gebieten, die an die Oberfläche des Substrats angrenzen, ist über ein Kontaktloch realisiert. Die Source/Drain-Gebiete, die an den Boden der Gräben angrenzen, sind als durchgehende dotierte Schicht realisiert und werden auf Referenzpotential gelegt. In dieser Speicherzellenanordnung wird die Information in Form unterschiedlich hoher Einsatzspannungen der MOS-Transistoren gespeichert. Die unterschiedlichen Einsatzspannungen werden durch unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen im Kanalgebiet der MOS-Tansistoren realisiert. Zur Bildung einer erhöhten Dotierstoffkonzentration im Kanalgebiet wird eine dotierte Schicht abgeschieden und so strukturiert, daß Flanken, in denen erhöhte Dotierstoffkonzentrationen gebildet werden sollen, von der strukturierten Dotierstoffschicht bedeckt bleiben. Durch Ausdiffusion aus der strukturierten Dotierstoffschicht werden die Kanalbereiche mit erhöhter Dotierstoffkonzentration gebildet.

In JP 7-142 610 A ist eine Speicherzellenanordnung beschrieben, welche in einem Halbleitersubstrat angeordnete Gräben aufweist. Erste n⁺-dotierte Gebiete sind an der Oberfläche des Halbleitersubstrats, zweite n⁺-dotierte am Boden der Gräben angeordnet. Die Seitenwände der Gräben sind mit einer Oxidschicht bedeckt, Gate-Elektroden sind an der Oberfläche der Oxidschicht in Form von Spacern an den Seitenwänden der Gräben angeordnet. Wortleitungen, die quer zu den Gräben verlaufen, sind elektrisch mit den Gate-Elektroden verbunden.

Weiterhin ist in US 5 117 389 A eine planare ROM-Anordnung bekannt, bei der die Schwellenspannung einiger Transistoren mittels einer Kanalimplantation eingestellt wird.

In JP 3-190 165 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer ROM- Anordnung beschrieben, bei dem in einem Siliziumsubstrat streifenförmige Gräben geätzt werden. Am Boden der Gräben und zwischen den benachbarten Gräben an der Oberfläche des Substrats werden hochdotierte Gebiete gebildet. Die Seitenwände der Gräben werden mit Gateoxid versehen. An den Seitenwänden der Gräben werden Wortleitungen in Form von Spacern gebildet.

US 5 306 914 A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterspeicheranordnung, bei dem in einem Substrat parallele Gräben gebildet werden. Dotierte Schichten in Seitenwänden der Gräben werden als Bitleitungen verwendet. Die Dotierung der Seitenwände erfolgt mittels Ausdiffusion aus einer dotierten Schicht aus Phosphorsilikatglas.

In JP 5-110 036 A sind ein Halbleiterspeicher und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben, bei dem nebeneinander angeordnete Gräben in einem Siliziumsubstrat gebildet werden. Die Sourcebereiche bildende n⁺-dotierte Bereiche werden in dem unteren Bereich der Gräben gebildet, während die Drainbereiche bildende n⁺-dotierte Bereiche auf den restlichen Abschnitten der Vorsprünge des Substrats gebildet werden. Zur Erhöhung der Durchbruchfeldstärke werden p⁺-dotierte Bereiche an den Anfangsbereichen der vorsprünge zur Trennung der Zwischenräume zwischen den benachbarten Sourcebereichen gebildet. Weiterhin werden Gateoxidschichten an den Seiten der Gräben an den Seitenwänden der Gräben gebildet.

JP 4-226 071 A beschreibt eine Halbleiterspeicheranordnung, bei der nebeneinander angeordnete Gräben an ihren Böden mit einer Difusionsschicht versehen werden. Eine weitere Difusionsschicht wird auf der Oberfläche des Substrats gebildet. An den Seitenwänden der Gräben wird eine Gateoxidschicht gebildet. Wortleitungen, welche als Gate-Elektrode dienen, werden in orthogonal kreuzende Richtungen in Bezug auf die Gräben angeordnet.

US 5 429 973 A beschreibt ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines ROM-Halbleiterspeichers.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Speicherzel lenanordnung auf Halbleiterbasis anzugeben, bei der eine er höhte Speicherdichte erzielt wird und die mit wenigen Her stellungsschritten und hoher Ausbeute herstellbar ist. Desweiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Speicherzellenanordnung angegeben werden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Spei cherzellenanordnung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 3. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung sind in ei nem Substrat Speicherzellen vorgesehen, die jeweils einen zur Hauptfläche vertikalen MOS-Transistor umfassen. Als Substrat wird vorzugsweise ein Substrat aus monokristallinem Silizium oder die Siliziumschicht eines SOI-Substrats verwendet. Die vertikalen MOS-Transistoren weisen je nach gespeicherter In formation unterschiedliche Einsatzspannungen auf.

Zum Auslesen der Information werden die MOS-Transistoren mit einem Spannungspegel angesteuert, bei dem die MOS- Transistoren mit geringerer Einsatzspannung leiten und die mit höherer Einsatzspannung nicht leiten.

In dem Substrat sind streifenförmige, im wesentlichen paral lel verlaufende Gräben vorgesehen. Am Boden der Gräben und an der Hauptfläche zwischen benachbarten Gräben sind streifen förmige dotierte Gebiete angeordnet, die von einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dotiert sind. An den Flanken der Gräben sind jeweils Gatedielektrika ange ordnet. Es sind Wortleitungen vorgesehen, die quer zu den Gräben verlaufen und die im Bereich der Flanken der Gräben Gateelektroden für die vertikalen MOS-Transistoren umfassen. Die vertikalen MOS-Transistoren werden jeweils aus zwei an dieselbe Flanke eines der Gräben angrenzenden streifenförmi gen dotierten Gebiete, die als Source/Drain-Gebiet wirken, die dazwischen angeordnete Flanke des Grabens, das Gatedie lektrikum und den darüber angeordneten Teil einer der Wort leitungen gebildet. Die streifenförmigen dotierten Gebiete werden im Betrieb der Speicherzellenanordnung als Bit- bzw. Referenzleitung verwendet.

Zur Realisierung der unterschiedlichen Schwellenspannungen weisen Speicherzellen, in denen eine vorbestimmte Information gespeichert ist, im oberen Bereich der Flanke des Grabens ein Dotierstoffgebiet auf, dessen Ausdehnung senkrecht zur Hauptfläche geringer als die Tiefe der Gräben ist. Die Do tierstoffgebiete werden vorzugsweise von demselben Leitfähig keitstyp wie die Kanalbereiche jedoch mit erhöhter Dotier stoffkonzentration dotiert. In diesem Fall steigt die Ein satzspannung an. Sie können auch vom entgegengesetzten Leit fähigkeitstyp dotiert werden, hier sinkt dann die Einsatz spannung.

Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß die Einsatzspannung eines MOS-Transistors auch durch eine lo kal inhomogene Dotierstoffkonzentration im Kanalbereich ein stellbar ist. Die Teile des Dotierstoffgebietes und dessen genaue Justierung bezüglich der zugehörigen Wortleitung sind damit unkritisch.

Soll die Speicherzellenanordnung im Sinne einer Mehrwertlogik eingesetzt werden, so liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die vertikalen MOS-Transistoren mehr als zwei unterschiedli che Einsatzspannungen aufweisen. In diesem Fall werden die Dotierstoffgebiete mit unterschiedlichen Dotierstoffkonzen trationen in den Flanken realisiert.

Vorzugsweise wird der Abstand zwischen benachbarten Gräben so gewählt, daß er im wesentlichen gleich der Breite der Gräben ist. Der Abstand zwischen benachbarten Wortleitungen wird ebenfalls gleich der Breite der Wortleitungen gewählt. Wird die Breite der Gräben und die Breite der Wortleitungen ent sprechend der minimalen Strukturbreite F in der jeweiligen Technologie gewählt, so ergibt sich für die Speicherzelle ein Platzbedarf von 2F². Legt man eine minimale Strukturbreite von F = 0,4 µm zugrunde, so wird in der Speicherzellenanord nung eine Speicherdichte von etwa 3,1 Bit/µm² erzielt.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Speicherzellenanordnung werden vorzugsweise in einer Hauptfläche eines Substrats streifenförmige Gräben gebildet, die im wesentlichen parallel verlaufen. Am Boden der Gräben und an der Hauptfläche zwi schen benachbarten Gräben werden streifenförmige dotierte Ge biete gebildet, die von einem zweiten, zum ersten entgegenge setzten Leitfähigkeitstyp dotiert sind. Anschließend wird ei ne Maskenschicht aufgebracht, die eine im wesentlichen kon forme Kantenbedeckung aufweist. Auf der Maskenschicht wird eine Maske, zum Beispiel aus Photolack, erzeugt, die Öffnun gen aufweist. Die Maskenschicht wird unter Verwendung der Maske so strukturiert, daß im Bereich der Öffnungen die Hauptfläche und die Oberfläche an den Böden der Gräben frei gelegt wird. Die Flanken von Gräben im Bereich der Öffnungen werden dagegen nur teilweise freigelegt, so daß an diesen Flanken im unteren Bereich der Gräben ein Rest der Masken schicht verbleibt.

Anschließend werden in den freigelegten Flankenteilen Dotier stoffgebiete erzeugt. Nach Entfernen der strukturierten Mas kenschicht wird an den Flanken der Gräben ein Gatedielektri kum gebildet. Schließlich werden Wortleitungen gebildet, die quer zu den Gräben verlaufen.

Die Gräben werden vorzugsweise durch anisotropes Ätzen unter Verwendung einer Grabenmaske gebildet.

Die streifenförmigen dotierten Gebiete am Boden der Gräben und an der Hauptfläche zwischen benachbarten Gräben werden vorzugsweise durch eine Implantation nach der Grabenbildung und nach Entfernen der Grabenmaske erzeugt. Dabei ist es vor teilhaft, die Flanken der Gräben vor der Implantation mit Spacern zu versehen, die bei der Implantation maskierend wir ken. Diese Spacer werden anschließend entfernt. Die Bildung der Gräben und der streifenförmigen dotierten Gebiete erfor dert nur eine Maske.

Alternativ können die streifenförmigen dotierten Gebiete da durch hergestellt werden, daß vor der Bildung der Gräben ein dotierter Bereich an der Hauptfläche erzeugt wird, der das gesamte Speicherzellenfeld überdeckt. Bei der Öffnung der Gräben wird dieser dotierte Bereich in die streifenförmigen dotierten Gebiete an der Hauptfläche unterteilt. Die strei fenförmigen dotierten Gebiete am Boden der Gräben werden nach der Öffnung der Gräben durch Ionenimplantation erzeugt. Bei Verwendung einer Grabenmaske ist es dabei vorteilhaft, diese bei der Implantation als Maske auf der Hauptfläche zu belas sen.

Die Strukturierung der Maskenschicht erfolgt vorzugsweise durch anistropes Ätzen. Die Strukturierung der Maskenschicht kann jedoch auch durch kombiniertes isotropes und anisotropes Ätzen erfolgen. Das Ätzen erfolgt selektiv zu dem Substrat.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwar die Hauptflä che und die Böden der Gräben im Bereich der Öffnungen freige legt. Da jedoch an den Flanken der Gräben ein Rest der Mas kenschicht verbleibt, wird der Ätzangriff auf die freigelegte Hauptfläche und die freigelegten Böden der Gräben, der wegen der endlichen Selektivität der Ätzung unvermeidlich ist, re duziert.

Da die Einsatzspannung lediglich von der Dotierstoffkonzen tration im Kanalbereich abhängt, sind sowohl die exakte Tiefe des Dotierstoffgebietes als auch dessen seitliche Justierung in bezug auf die Anordnung der Gateelektroden unkritisch.

Die Dotierstoffgebiete werden in den freigelegten Flankentei len vorzugsweise durch eine gewinkelte Implantation gebildet. Die Implantation erfolgt vorzugsweise mit einem Neigungswin kel im Bereich zwischen 20° und 30° gegen die Normale der Hauptfläche. Derartige Neigungswinkel sind in vielen Implan tationsanlagen zur Vermeidung des Channeling-Effekts stan dardmäßig vorgesehen.

Alternativ werden die Dotierstoffgebiete durch Ausdiffusion aus einer dotierten Schicht erzeugt. Die dotierte Schicht wird ganzflächig oberhalb der strukturierten Maskenschicht aufgebracht. Die dotierte Schicht wird vorzugsweise aus do tiertem Glas, dotiertem Polysilizium oder dotiertem amorphem Silizium gebildet. Die Verwendung von dotiertem Glas hat den Vorteil, daß die dotierte Schicht in diesem Fall selektiv zum Substrat entfernt werden kann.

Die Einführung der Maskenschicht in den erfindungsgemäßen Prozeß führt zu folgenden Vorteilen:

- Es wird nur eine Maske zur Programmierung der Speicherzel lenanordnung benötigt. Im Gegensatz dazu werden in den aus DE 42 14 923 A1 und JP 4-22 60 71 A bekannten Speicherzel lenanordnungen jeweils zwei Masken zur Programmierung benö tigt.
- Nach der Strukturierung der Maskenschicht kann die zur Strukturierung verwendete Maske entfernt werden, um bei der nachfolgenden Implantation eine Abschattung durch die Maske zu vermeiden. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Grabenweiten anwendbar, die deutlich kleiner sein kön nen als in der aus DE 42 14 923 A1 bekannten Speicherzel lenanordnung.
- Wird die Maske zur Strukturierung der Maskenschicht aus Photolack gebildet, so muß der Photolack bei der Belichtung zur Programmierung nicht bis auf den Boden des Grabens durchbelichtet werden. Damit können in dem erfindungsgemä ßen Verfahren auch moderne Belichtungsstepper verwendet werden, die eine Fokustiefe von < 0,5 µm aufweisen. Da die Maskenschicht am Boden des Grabens nicht unbedingt entfernt werden muß, kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren am Gra benboden unbelichteter Photolack verbleiben. Damit werden Belichtungsprobleme über die volle Topologie des Grabens vermieden.
- Bei Bildung der Dotierstoffgebiete durch Ausdiffusion aus einer dotierten Schicht wird diese im Gegensatz zu dem aus US 4 663 644 A bekannten Verfahren nicht strukturiert. Da mit werden Probleme, die bei der Strukturierung über die Topologie des Grabens auftreten, vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei spiels und der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Substrat mit einer von einem ersten Leitfä higkeitstyp dotierten Wanne.

Fig. 2 zeigt das Substrat nach der Ätzung von streifenförmi gen Gräben.

Fig. 3 zeigt das Substrat nach der Bildung streifenförmiger dotierter Gebiete an den Böden der Gräben und zwi schen benachbarten Gräben an der Hauptfläche.

Fig. 4 zeigt das Substrat nach dem Aufbringen einer Masken schicht und der Bildung einer Maske.

Fig. 5 zeigt das Substrat nach Strukturierung der Masken schicht.

Fig. 6 zeigt das Substrat nach dem Aufbringen einer dotier ten Schicht.

Fig. 7 zeigt das Substrat nach der Bildung von Dotierstoff gebieten in den Flanken der Gräben und nach Bildung von quer zu den Gräben verlaufenden Wortleitungen.

Fig. 8 zeigt eine Aufsicht auf das Substrat nach Bildung der Wortleitungen.

Die Darstellungen in den Figuren sind nicht maßstäblich.

In einem Substrat 1 aus zum Beispiel p-dotiertem monokri stallinem Silizium mit einer Dotierstoffkonzentration von 5 × 10¹⁵ cm^-3 wird in einer Hauptfläche 2 durch Implantation und anschließendes Tempern eine p-dotierte Wanne 3 mit einer Do tierstoffkonzentration von 2 × 10¹⁷ cm^-3 erzeugt (siehe Fig. 1). Bei der Implantation der p-dotierten Wanne 3 wird ein Streuoxid in einer Dicke von zum Beispiel 50 nm (nicht darge stellt) verwendet, das nach dem Eintreiben der p-dotierten Wanne 3 mit 180 keV, 7 × 10¹² cm^-2 wieder entfernt wird. Die p-dotierte Wanne 3 erstreckt sich mindestens über einen Be reich für ein Zellenfeld.

Auf der Hauptfläche 2 wird eine SiO₂-Schicht in einer Schichtdicke von zum Beispiel 300 nm zum Beispiel in einem TEOS-Verfahren abgeschieden. Mit Hilfe photolithographischer Prozeßschritte wird die SiO₂-Schicht strukturiert, wobei eine Grabenmaske 4 gebildet wird. Die Grabenmaske 4 weist strei fenförmige Öffnungen auf, die im wesentlichen parallel ver laufen. Die streifenförmigen Öffnungen in der Grabenmaske 4 weisen eine Breite von zum Beispiel 0,4 µm, eine Länge von zum Beispiel 125 µm und einen Abstand von 0,4 µm auf.

Unter Verwendung der Grabenmaske 4 als Ätzmaske werden in ei nem anisotropen Ätzprozeß zum Beispiel mit HBr, He, O₂, NF₃ in die Hauptfläche 2 des Substrats 1 Gräben 5 geätzt. Die Gräben 5 weisen entsprechend den Öffnungen der Grabenmaske 4 parallel zur Hauptfläche 2 einen streifenförmigen Querschnitt auf. Sie weisen eine Weite von zum Beispiel 0,4 µm, eine Län ge von zum Beispiel 125 µm und einen Abstand von zum Beispiel 0,4 µm auf. Die Tiefe der Gräben beträgt zum Beispiel 0,6 µm (siehe Fig. 2). Es werden zum Beispiel 32 parallele Gräben 5 gebildet.

Anschließend wird die Grabenmaske 4 mit zum Beispiel HF-Dip abgelöst. Um die Qualität der Kristalloberflächen zu verbes sern, wird durch thermische Oxidation eine SiO₂-Schicht 6 (sogenanntes sacrificial oxide) in einer Dicke von zum Bei spiel 20 nm erzeugt (siehe Fig. 3). Durch konforme Abschei dung zum Beispiel in einem TEOS-Verfahren einer SiO₂-Schicht in einer Schichtdicke von zum Beispiel 60 nm und anschließen des anisotropes Trockenätzen mit CHF₃, O₂ werden an senkrech ten Flanken der Gräben 5 SiO₂-Spacer 7 erzeugt (siehe Fig. 3). Anschließend wird ein dünnes Streuoxid in einem TEOS- Verfahren abgeschieden (nicht dargestellt). Durch Implantati on senkrecht zur Hauptfläche 2 mit As mit einer Dosis von 5 × 10¹⁵ cm^-2 und einer Energie von 80 keV und einen anschließen den Temperschritt zur Dotierstoffaktivierung werden am Boden der Gräben 5 und an der Hauptfläche 2 zwischen benachbarten Gräben 5 n⁺-dotierte, streifenförmige Gebiete 8 gebildet. In den streifenförmigen, dotierten Gebieten 8 wird eine Dotier stoffkonzentration von zum Beispiel 10²¹ cm^-3 eingestellt. Bei der Implantation wirkt die SiO₂-Schicht 6 als Streuoxid.

Anschließend werden die SiO₂-Spacer 7 und die SiO₂-Schicht 6 zum Beispiel durch naßchemisches Ätzen mit HF-Dip entfernt. Es wird eine Maskenschicht 9 mit im wesentlichen konformer Kantenbedeckung zum Beispiel in einem TEOS-Verfahren aus SiO₂ abgeschieden. Die Maskenschicht 9 wird in einer Schichtdicke von 60 bis 80 nm abgeschieden (siehe Fig. 4).

Anschließend wird eine Maske 10 zum Beispiel aus Photolack unter Verwendung photolithographischer Prozeßschritte gebil det. Die Maske 10 weist im Zellenfeld Öffnungen 11 auf. Der Bereich außerhalb des Zellenfeldes, in dem zum Beispiel eine Peripherie für die Speicherzellenanordnung gebildet wird, wird von der Maske 10 abgedeckt. Die Öffnungen 11 werden so justiert, daß sie jeweils mindestens eine Flanke der Gräben 5 überlappen. Die Abmessungen der Öffnungen 11 parallel zur Hauptfläche 2 entsprechen jeweils der Weite der Gräben 5.

Größere Abmessungen der Öffnungen 11 kommen durch das Zusam menfallen benachbarter Öffnungen zustande. Die Maske 10 wird so justiert, daß die Öffnungen 11 jeweils überlappend zu den Flanken der Gräben 5 angeordnet sind. Werden die Gräben 5 mit einer Weite entsprechend der in der jeweiligen Technologie minimal herstellbaren Strukturgröße F von zum Beispiel 0,4 µm gebildet, so weisen die Öffnungen 11 ebenfalls minimale Ab messungen von F × F auf. Bei der Justierung der Maske 10 wird in diesem Fall ausgenutzt, daß die Justiergenauigkeit jeweils größer ist als die in der jeweiligen Technologie kleinste herstellbare Strukturgröße F. In einer 0,4 µm-Technologie be trägt die Justiergenauigkeit beispielsweise F/2 bis F/3.

In einem anisotropen Ätzverfahren zum Beispiel mit HBr, Cl₂, He wird die Maskenschicht 9 strukturiert. Die Maske 10 wirkt dabei als Ätzmaske. Dabei verbleiben im Bereich der Öffnungen 11 an den Flanken der Gräben 5 Ätzreste 9'. Im Bereich der Öffnungen 11 wird die Siliziumoberfläche an den Böden der Gräben 5 und an der Hauptfläche 2 zwischen benachbarten Grä ben 5 freigelegt. Unter der Maske 10 wird die Maskenschicht 9 dagegen nicht angegriffen.

Die Strukturierung der Maskenschicht 9 erfolgt zwar in einem zu Silizium selektiven Ätzverfahren. Wegen der begrenzten Se lektivität kommt es jedoch dennoch zu einem Ätzangriff auf die freigelegten Oberflächen aus Silizium. Da an den Flanken der Gräben 5 die Ätzreste 9' verbleiben, wird der aufgrund der endlichen Selektivität unvermeidbare Ätzangriff auf die freigelegten Siliziumoberflächen reduziert.

Die Höhe der Ätzreste 9' ist geringer, als es der Tiefe der an der Hauptfläche 2 angeordneten streifenförmigen, dotierten Gebiete 8 entspricht. Die Höhe der Ätzreste 9' beträgt zum Beispiel 300 nm. Die exakte Höhe der Ätzreste 9' ist dabei unkritisch, solange ein Teil der Grabenwand unterhalb des an die Grabenwand angrenzenden streifenförmigen dotierten Gebie tes 8 freigelegt wird.

Von der Maske 10 freigelegte Teile der Maskenschicht 9 am Bo den der Gräben 5 werden bei der Strukturierung der Masken schicht 9 entfernt. Für den Fall, daß bei der Bildung der Maske 10 aus Photolack der Photolack nicht bis zum Boden der Gräben 5 durchbelichtet worden ist, ist die Maskenschicht 9 am Boden der Gräben 5 von unbelichtetem Photolack bedeckt. In diesem Fall wird die Maskenschicht 9 bei dem anisotropen Ät zen am Boden der Gräben 5 nicht angegriffen und der Boden der Gräben 5 bleibt von der Maskenschicht 9 bedeckt. Dieses ist für den weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens un kritisch. Nach der Strukturierung der Maskenschicht 9, 9' wird die Maske 10 entfernt (siehe Fig. 5).

Anschließend wird ein dünnes Streuoxid (ca. 10 nm) mit einem TEOS-Verfahren abgeschieden (nicht dargestellt).

Anschließend werden zwei gewinkelte Implantationen mit Bor mit einer Dosis von 10¹³ cm^-2 bis 5 × 10¹³ cm^-2 und einer Energie von 60 keV durchgeführt. Dabei beträgt der Neigungs winkel gegen die Normale der Hauptfläche 2 20° bis 30°, und -20° bis -30°. Dabei werden in den freiliegenden Flanken der Gräben 5 oberhalb der Ätzreste 9' Dotierstoffgebiete 12 gebildet (siehe Fig. 7). In den Dotierstoffgebieten 12 wird eine Dotierstoffkonzentration von einigen 10¹⁷ cm^-3, vorzugs weise 8 × 10¹⁷ cm^-3, eingestellt. Da die Dotierung in den streifenförmigen dotierten Gebieten 8 10²¹ cm^-3 beträgt, kann die Implantation von Bor in diesem Bereich toleriert werden. Für den Fall, daß bei der Bildung der Maske 10 am Boden der Gräben 5 unbelichteter Photolack verblieben ist und die Böden der Gräben 5 mit der Maskenschicht 9 bedeckt sind, erfolgt keine Implantation von Bor in die am Boden der Gräben 5 ange ordneten streifenförmigen dotierten Gebiete 8. Die Bildung der Dotierstoffgebiete 12 in den freiliegenden Flanken der Gräben 5 ist davon nicht beeinträchtigt.

Alternativ werden die Dotierstoffgebiete 12 in den Flanken der Gräben 5 durch Ausdiffusion aus einer dotierten Schicht 13 gebildet. Dazu wird nach Entfernen der Maske 10 ganzflä chig die dotierte Schicht 13 zum Beispiel aus Borsilikatglas in einer Schichtdicke von 50 nm abgeschieden (siehe Fig. 6). In einem Temperschritt bei zum Beispiel 900° werden die Do tierstoffgebiete 12 durch Ausdiffusion erzeugt. Anschließend wird die dotierte Schicht 13 zum Beispiel mit HF-Dip ent fernt.

Durch naßchemisches Ätzen mit HF werden anschließend die strukturierte Maskenschicht 9 und die Ätzreste 9' entfernt (siehe Fig. 7). Es wird ein Gatedielektrikum 14 zum Beispiel durch thermische Oxidation in einer Schichtdicke von zum Bei spiel 10 nm erzeugt. Anschließend wird ganzflächig eine n⁺- dotierte Polysiliziumschicht in einer Schichtdicke von 400 nm aufgebracht. Dieses erfolgt vorzugsweise durch in situ do tiertes Abscheiden von Polysilizium. Alternativ wird die Po lysiliziumschicht undotiert abgeschieden und anschließend durch Belegung mit einer POCL-Schicht (POCL steht für PCl₃: Phosphor-Chlorid-Gas) dotiert. Mit Hilfe photolithographi scher Prozeßschritte wird die dotierte Polysiliziumschicht durch anisotropes Ätzen strukturiert. Dabei entstehen Wort leitungen 15, die quer zu den Gräben 5 verlaufen (siehe Fig. 7 und Fig. 8). Die Wortleitungen 15 weisen eine Breite von zum Beispiel F = 0,4 µm auf. Der Abstand zwischen benachbar ten Wortleitungen 15 beträgt ebenfalls F.

Die vertikalen MOS-Transistoren werden jeweils aus zwei streifenförmigen dotierten Gebieten 8, die an dieselbe Flanke eines der Gräben 5 angrenzen, der dazwischen angeordnete Teil der Wanne 3 als Kanalgebiet, das Gatedielektrikum 14 und der daran angrenzende Teil einer der Wortleitungen 15 gebildet. Die Ausdehnung des vertikalen MOS-Transistors parallel zum Verlauf der streifenförmigen Gräben 5 ist durch die Breite der Wortleitungen 15 gegeben. Entlang einer Flanke eines der Gräben benachbarte MOS-Transistoren sind durch den Abstand zwischen benachbarten Wortleitungen 15 voneinander getrennt. Die streifenförmigen dotierten Gebiete 8 verlaufen jeweils über das gesamte Zellenfeld. Sie bilden Leitungen, die je nach Beschaltung als Bitleitung oder Referenzleitung einge setzt werden und die die Source/Drain-Gebiete von entlang ei nem Graben benachbarten MOS-Transistoren miteinander verbin den.

Je nachdem, ob in der Flanke des jeweiligen Grabens 5 ein Do tierstoffgebiet 12 angeordnet ist oder nicht, weist der ver tikale MOS-Transistor eine erhöhte Einsatzspannung auf oder nicht. Die in der Speicherzellenanordnung gespeicherte Infor mation ist in dem Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Dotierstoffgebiete 12 gespeichert. Die Programmierung der Speicherzellenanordnung erfolgt daher bei der Strukturierung der Maskenschicht 9. Über die Anordnung der Öffnungen 11 in der Maske 10 wird die Information in die Speicherzellenanord nung übertragen.

Zum Auslesen der Speicherzellen werden die streifenförmigen dotierten Gebiete 8 als Bit- bzw. Referenzleitung verwendet. Die zu bewertende Speicherzelle wird über die Wortleitung ausgewählt. An die Wortleitung wird dabei ein Steuersignal angelegt, dessen Spannungspegel zwischen der Einsatzspannung der MOS-Transistoren mit Dotierstoffgebiet 12 im Kanalbereich und der der MOS-Transistoren ohne Dotierstoffgebiet 12 im Ka nalbereich liegt. Bei diesem Steuersignal werden die MOS- Transistoren ohne Dotierstoffgebiet 12 im Kanalbereich lei tend, während die MOS-Transistoren mit Dotierstoffgebiet 12 im Kanalbereich, die eine erhöhte Einsatzspannung aufweisen, weiterhin sperren. Beim Auslesen wird bewertet, ob zwischen den zugehörigen streifenförmigen dotierten Gebieten 8 ein Strom fließt oder nicht.

In Fig. 8 ist eine Aufsicht auf die Speicherzellenanordnung dargestellt. Es ist der Verlauf der Wortleitungen 15 quer zu den Gräben 5 dargestellt. Ferner sind die streifenförmigen, dotierten Gebiete 8 eingetragen, die am Boden der Gräben 5 sowie zwischen benachbarten Gräben 5 verlaufen. Als gestri chelte Kontur sind Dotierstoffgebiete 12 in den Flanken der Gräben eingetragen.

Jede Speicherzelle umfaßt einen vertikalen MOS-Transistor, der parallel zum Verlauf der streifenförmigen Gräben 5 eine Ausdehnung von 2F, senkrecht zum Verlauf der streifenförmi gen Gräben 5 eine Ausdehnung von F aufweist. Der Platzbedarf pro Speicherzelle beträgt daher 2F².

Die Herstellung der Speicherzellenanordnung wird abgeschlos sen mit der Abscheidung eines Zwischendielektrikums, der Öff nung von Kontaktlöchern und der Herstellung einer Metallisie rung (nicht dargestellt).

Claims

1. Speicherzellenanordnung
bei der in einem Substrat (1), das mindestens im Bereich einer Hauptfläche (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiertes Halbleitermaterial umfaßt, Speicherzellen vorgesehen sind, die jeweils einen zur Hauptfläche vertikalen MOS- Transistor umfassen,
bei der die vertikalen MOS-Transistoren je nach gespeicherter Information unterschiedliche Einsatzspannungen aufweisen,
bei der in dem Substrat (1) streifenförmige, parallel verlaufende Gräben (5) vorgesehen sind,
bei der am Boden der Gräben (5) und an der Hauptfläche (2) zwischen benachbarten Gräben (5) streifenförmige dotierte Gebiete (8) angeordnet sind, die von einem zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dotiert sind,
bei der an den Flanken der Gräben (5) ein Gatedielektrikum (14) angeordnet ist,
bei der Wortleitungen (15) vorgesehen sind, die quer zu den Gräben (5) verlaufen,
bei der die vertikalen MOS-Transistoren jeweils aus zwei an dieselbe Flanke eines der Gräben (5) angrenzenden streifenförmigen dotierten Gebieten (8), den dazwischen angeordneten Flanken des Grabens, dem Gatedielektrikum (14) und einer der Wortleitungen (15) gebildet werden,
bei der die Speicherzellen, in denen eine vorbestimmte Information gespeichert ist, im oberen Bereich der Flanke des Grabens (5) ein Dotierstoffgebiet (12) aufweisen, dessen Ausdehnung senkrecht zur Hauptfläche (2) geringer als die Tiefe der Gräben (5) ist.

2. Speicherzellenanordnung nach Anspruch 1,
bei der der Abstand zwischen benachbarten Gräben (5) gleich der Breite der Gräben (5) ist,
bei der der Abstand zwischen benachbarten Wortleitungen (15) gleich der Breite der Wortleitungen (15) ist.

3. Verfahren zur Herstellung einer Speicherzellenanordnung
bei dem in einer Hauptfläche (2) eines Substrats (1), das mindestens im Bereich der Hauptfläche (2) von einem ersten Leitfähigkeitstyp dotiertes Halbleitermaterial umfaßt, streifenförmige Gräben (5) gebildet werden, die im wesentlichen parallel verlaufen,
bei dem am Boden der Gräben (5) und an der Hauptfläche (2) zwischen benachbarten Gräben (5) streifenförmige dotierte Gebiete (8) gebildet werden, die von einem zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp dotiert sind,
bei dem eine Maskenschicht (9) mit im wesentlichen konformer Kantenbedeckung aufgebracht wird,
bei dem auf der Maskenschicht (9) eine Maske (10) erzeugt wird, die Öffnungen (11) aufweist,
bei dem die Maskenschicht (9) unter Verwendung der Maske (10) durch anisotropes Ätzen so strukturiert wird, daß im Bereich der Öffnungen (11) die Flanken von Gräben (5) teilweise freigelegt werden, so daß an diesen Flanken ein Rest der Maskenschicht (9') verbleibt, wobei eine Höhe des Restes der Maskenschicht (9') geringer ist, als es der Tiefe der an der Hauptfläche (2) angeordneten streifenförmigen dotierten Gebiete (8) entspricht,
bei dem in den freigelegten Flankenteilen Dotierstoffgebiete (12) erzeugt werden,
bei dem nach Entfernen der strukturierten Maskenschicht (9, 9') an den Flanken der Gräben (5) ein Gatedielektrikum (14) gebildet wird,
bei dem Wortleitungen (15) gebildet werden, die quer zu den Gräben verlaufen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Dotierstoffgebiete (12) in den freigelegten Flankenteilen durch eine gewinkelte Implantation gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Implantation mit einem Neigungswinkel im Bereich zwischen 20° und 30° und/oder -20° oder -30° gegen die Normale der Hauptfläche (2) erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zur Bildung der Dotierstoffgebiete (12) in den freigelegten Flankenteilen eine dotierte Schicht (13) aufgebracht wird, aus der in einem Temperschritt Dotierstoff ausdiffundiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die dotierte Schicht (13) aus dotiertem Glas, dotiertem Polysilizium oder dotiertem amorphen Silizium gebildet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
bei dem nach der Bildung der Gräben (5) die Flanke der Gräben (5) mit Spacern (7) versehen werden,
bei dem die streifenförmigen dotierten Gebiete (8) durch eine Implantation gebildet werden, bei der die Spacer (7) an den Flanken der Gräben (5) maskierend wirken,
bei dem die Spacer (7) nach Bildung der streifenförmigen dotierten Gebiete (8) entfernt werden.