DE19724469C2 - Flashspeicher mit I-förmigem potentialungebundenem Gate und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ei­ nen Flashspeicher und ein Verfahren zum Herstellen dessel­ ben, das dazu geeignet ist, den Wirkungsgrad bei Schreib- und Löschvorgängen zu verbessern.

Im Allgemeinen ist ein Flashspeicher ein elektrisch löschba­ rer nichtflüchtiger Speicher. Die Prinzipien des Einprogram­ mierens von Daten in eine Speicherzelle sind die folgenden.

Fig. 1a und 1b sind Schnittansichten einer Speicherzelle zum Veranschaulichen von Schreib- und Löschvorgängen bei einem üblichen Flashspeicher.

Anfangs, wenn eine Spannung an ein Steuergate und einen Drainanschluss angelegt wird (V_CG < V_D, V_D ≠ 0), existieren keine Elektronen in einem potentialungebundenen Gate. Es werden aber Elektronen in einen Kanalbereich zwischen der Source und dem Drain angezogen, so dass ein Strom zu fließen beginnt.

Beim Programmieren wird ein Verfahren zum Injizieren heißer Elektronen verwendet, wie bei einem herkömmlichen elektrisch programmierbaren Festwertspeicher (EPROM), der mit UV-Licht gelöscht werden kann.

D. h., dass, wie es in Fig. 1a dargestellt ist, zum Injizie­ ren von nahe dem Drain der Speicherzelle erzeugten Elektro­ nen in das potentialungebundene Gate eine hohe Spannung an das Steuergate angelegt wird. Demgemäß steigt, wenn Elektro­ nen über einer speziellen Menge in das potentialungebundene Gate injiziert werden, die Schwellenspannung (Vth) eines Speicherzellentransistors an. Dies erzeugt eine hohe Ener­ giebarriere, um einen Zustand aufrechtzuerhalten, bei dem Elektronen angesammelt sind.

Durch die Differenz zwischen diesem Wert und einer Schwel­ lenspannung des Speicherzellentransistors, bei der keine Elektronen injiziert sind, werden die Informationen "0" und "1" unterschieden.

Indessen werden, um Information zu löschen, unter Verwendung eines Löschgates, wie es einem Flashspeicher eigentümlich ist, in das potentialungebundene Gate injizierte Elektronen durch einen Tunnelstrom vom Fowler-Nordheim-Typ beseitigt. So kehrt die Schwellenspannung des Speicherzellentransistors zum Anfangswert zurück.

D. h., dass dann, wenn eine hohe Spannung an die Source ange­ legt wird, wie es in Fig. 1b dargestellt ist, in das poten­ tialungebundene Gate injizierte Elektronen durch das Fowler- Nordheim-Tunnelverfahren zur Sourceseite entladen werden, was durch einen dünnen Oxidfilm hindurch erfolgt, der auf demjenigen Teil liegt, in dem der Sourceübergang und das po­ tentialungebunde Gate einander überlappen.

Dabei werden die Elektronen des potentialungebundenen Gates entladen, um in diesem eine positive (+) Ladung zu erzeugen. So wird der Stromfluss im Kanalbereich gleichmäßig, wodurch die Schwellenspannung erneut sinkt.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf das durch die Schnitt­ ansichten der Fig. 2a bis 2f veranschaulichte Herstellver­ fahren eines herkömmlichen Flashspeichers ein derartiger be­ schrieben.

Zunächst wird, wie es in Fig. 2a dargestellt ist, ein Tun­ neloxidfilm 22 auf einem p-Siliciumsubstrat 21 abgeschieden.

Wie es in Fig. 2b dargestellt ist, wird eine erste Polysili­ ciumschicht 23 für das potentialungebundene Gate auf dem Tunneloxidfilm 22 ausgebildet.

Wie es in Fig. 2c dargestellt ist, wird eine dielektrische Interpolyschicht 24 auf der ersten Polysiliciumschicht 23 für das potentialungebundene Gate hergestellt.

Wie es in Fig. 2d dargestellt ist, wird auf der dielektri­ schen Interpolyschicht 24 eine zweite Polysiliciumschicht 25 für ein Steuergate ausgebildet.

Wie es in Fig. 2e dargestellt ist, wird auf die zweite Poly­ siliciumschicht 25 für das Steuergate ein Photoresist 26 aufgetragen und durch einen Belichtungs- und Entwicklungs­ prozess strukturiert.

Wie es in Fig. 2f dargestellt ist, werden, unter Verwendung des strukturierten Photoresists 26 als Maske, die zweite Po­ lysiliciumschicht 25 für das Steuergate, die dielektrische Interpolyschicht 24, die erste Polysiliciumschicht 23 für das potentialungebundene Gate und der Tunneloxidfilm 22 se­ lektiv entfernt.

Dann wird unter Verwendung der zweiten Polysiliciumschicht 25 für das Steuergate als Maske eine Implantation von Fremd­ stoffionen ausgeführt, um Source/Drain-Fremdstoffdiffusions­ bereiche 27 und 28 auszubilden. So wird das Verfahren zum Herstellen eines herkömmlichen Flashspeichers abgeschlossen.

Das Programmieren eines derartigen Flashspeichers wird da­ durch erzielt, dass im Kanal erzeugte heiße Elektronen in das potentialungebundene Gate injiziert werden.

Dabei wird das Verhältnis der an das potentialungebundene Gate angelegten Spannung zu einer an das Steuergate angeleg­ ten Spannung zum Erzeugen des Kanals als Kopplungsverhältnis bezeichnet. Wenn dieses Kopplungsverhältnis größer wird, nimmt der Programmierwirkungsgrad zu.

Indessen wird das Löschen von in das potentialungebundene Gate injizierten Elektronen dadurch erzielt, dass mittels des Fowler-Nordheim-Tunnelmechanismus eine positive (+) Spannung an die Source 8 mit tiefem Übergang angelegt wird.

Um den Löschwirkungsgrad zu verbessern, wird die Dicke des Tunneloxidfilms 22 unter dem potentialungebundenen Gate dünn gemacht, und dieses und das Steuergate werden aus n-Polysi­ licium hergestellt.

Hierbei weist, wenn für den Löschvorgang eine hohe Spannung an die Source angelegt wird, das Energieband des Tunneloxidfilms 22 eine große Steigung auf. Daher wird durch den Teil des Tunneloxidfilms 22 mit ver­ kleinerter Energiebarriere einen Tunnel von Elektronen erzielt, wodurch der Löschvorgang realisiert ist.

Jedoch bestehen beim obigen herkömmlichen Flashspeicher die folgenden Probleme:

• - Erstens wird der Tunneloxidfilm während eines Schriebvorgangs von In­ formation durch heiße Elektronen beeinträchtigt, wodurch die Zuverläs­ sigkeit beeinträchtigt wird.
• - Zweitens wird, um den Löschwirkungsgrad zu erhöhen, der Oxidfilm des potentialungebundenen Gates als Tunneloxidfilm verwendet, wodurch der Schreibwirkungsgrad für Information abnimmt.
• - Drittens ist zum Erzeugen heißer Elektronen eine hohe angelegte Span­ nung erforderlich.

Aus der JP-A-3-34577 ist bereits ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher bekannt, bei dem ein auf einem Gateisolationsfilm über einem Kanalbe­ reich zwischen Source- und Drainbereichen ausgebildetes potentialunge­ bundenes Gate sowohl in Kanalrichtung als auch senkrecht dazu jeweils einen I-förmigen Querschnitt aufweist. Ein Steuergate ist so auf dem po­ tentialungebundenen Gate ausgebildet, dass es nicht nur die Oberseite sondern auch die Seitenflächen des potentialungebundenen Gates um­ greift, um auf diese Weise die Koppelkapazität zwischen dem potentialun­ gebundenen Gate und dem Steuergate zu vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flashspeicher und ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen, die dazu geeignet sind, den Schreib- und Löschwirkungsgrad selbst bei niedriger angelegter Spannung zu verbessern und die Zuverlässigkeit eines Gateoxidfilms zu erhöhen.

Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Speichers durch die Lehre des beigefüg­ ten Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch die Lehre des bei­ gefügten Anspruchs 8 gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschau­ lichten Anführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1a und 1b sind Schnittansichten, die Schreib- und Löschvorgänge bei einem herkömmlichen Flashspeicher veran­ schaulichen;

Fig. 2a bis 2f sind Schnittansichten zum Veranschaulichen eines Herstellverfahrens für den herkömmlichen Flashspei­ cher;

Fig. 3a und 3b sind Schnittansichten, die Schreib- und Löschvorgänge bei einem erfindungsgemäßen Flashspeicher ver­ anschaulichen; und

Fig. 4a bis 4g sind Schnittansichten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen eines Flashspeichers.

Wie es in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist, umfasst der erfindungsgemäße Flashspeicher folgendes: ein Substrat, in dem Source- und Drain-Fremdstoffbereiche ausgebildet sind; Source/Drain-Elektroden mit I-förmiger Schienenstruktur, die in Kontakt mit dem Source- und Drain-Fremdstoffbereich aus­ gebildet sind; ein potentialungebundenes Gate, das die Source- und Drainelektroden gemeinsam überlappt und zwischen der Source und dem Drain ausgebildet ist; und ein auf dem potentialungebundenen Gate ausgebildete Steuergate, wobei eine Isolierschicht dazwischen liegt.

Schreib- und Löschvorgänge bei einem erfindungsgemäßen Flashspeicher sind die Folgenden.

Zunächst wird beim Schreibvorgang bei einem erfindungsgemä­ ßen Flashspeicher das Substrat 31 mit Masse verbunden, und an die Sourceelektrode 35a wird eine Spannung von "0" Volt angelegt. An das Steuergate 41 wird eine höhere Spannung als die zum Schreiben erforderliche Minimalspannung angelegt.

Das Substrat 31 besteht aus p-Polysilicium, während die Sourceelektrode 35a, die Drainelektrode 36a und das Steuer­ gate 41 aus n-Polysilicium bestehen.

Wenn Spannungen angelegt werden, wie dies oben beschrieben ist, fließt aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der Drainelektrode 36 und dem Steuergate 41 aufgrund des Fowler- Nordheim-Tunneleffekts ein Strom in einer dünnen Isolier­ schicht 38, die nahe dem potentialungebundenen Gate 39 liegt. Daher werden in das potentialungebundene Gate 39 hei­ ße Elektronen einprogrammiert.

Dabei wird nicht über die gesamte Drainelektrode 36a ein elektrisches Feld erzeugt, sondern dies wird im Kantenab­ schnitt stark erzeugt. Stromfluss existiert im Kantenab­ schnitt an der Oberseite der "I"-Form.

Dabei ist die Isolierschicht 38 eine dielektrische Interpo­ lyschicht. Wie das Steuergate 41 besteht das potentialunge­ bundene Gate 39 aus n-Polysilicium. Die Sourceelektrode 35a und die Drainelektrode 36a sind symmetrisch oder unsymme­ trisch links und rechts in Bezug auf das potentialungebunde­ ne Gate 39 angeordnet, das in der Mitte liegt.

Indessen wird bei einem Löschvorgang das Substrat 31 mit Masse verbünden und die Drainelektrode 36a wird potential­ frei gemacht, wie es in Fig. 3b dargestellt ist.

An das Steuergate 41 wird eine negative (-) Spannung ange­ legt, die höher als die Minimalspannung ist, bei der ein Löschvorgang beginnt. An die Sourceelektrode 35a wird eine zum Löschen geeignete Spannung angelegt.

Durch die an das Steuergate 41 angelegte Spannung und die an die Sourceelektrode 35a angelegte Spannung wird die Schwel­ lenspannung der Speicherzelle abgesenkt. Schließlich werden die in das potentialungebundene Gate 39 einprogrammierten Elektronen durch den Fowler-Nordheim-Tunneleffekt zur Seite der Sourceelektrode 35a entladen.

Dabei ist die Löschzeit verringert, da das T-förmige poten­ tialungebundene Gate 39 die Sourceelektrode 35a überlappt. D. h., dass die Kontaktfläche zwischen der Sourceelektrode 35a und dem potentialungebundenen Gate 39 erhöht ist, um mehr Elektronen in kürzerer Zeit entladen zu können.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Fig. 4a bis 4g ein Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Flashspeichers beschrieben.

Zunächst wird, wie es in Fig. 4a dargestellt ist, eine erste Isolierschicht 32 auf dem Halbleitersubstrat 31 mit einer Dicke von ungefähr 300 Å oder mehr hergestellt. Wie es in Fig. 4b dargestellt ist, wird auf dieser eine zweite Iso­ lierschicht 33 hergestellt. Beide Schichten bestehen entwe­ der aus einem Nitrid- oder einem Oxidfilm.

Wie es in Fig. 4c dargestellt ist, wird auf die zweite Iso­ lierschicht 33 ein Photoresist 34 aufgetragen, und er wird durch einen Belichtungs- und Entwicklungsprozess struktu­ riert, um dadurch Source- und Drainbereiche festzulegen.

Wie es in Fig. 4d dargestellt ist, wird unter Verwendung des strukturierten Photoresists 34 als Maske die zweite Isolier­ schicht 33 selektiv entfernt. Dann wird eine Implantation von Fremdstoffionen für eine n⁺-Source und einen n⁺-Drain ausgeführt, um Source- und Drain-Fremdstoffbereiche 35 und 36 im Substrat 31 auszubilden.

Dann wird die erste Isolierschicht 32 sowohl auf dem Source- als auch dem Drain-Fremdstoffbereich 35 und 36 selektiv ent­ fernt. Auf der gesamten Oberfläche wird eine erste Polysi­ liciumschicht 37 für Source/Drain-Elektroden ausgebildet.

Wie es in Fig. 4e dargestellt ist, wird die erste Polysili­ ciumschicht 37 selektiv entfernt, um Source- und Drainelek­ troden 35a und 36a auszubilden. Die erste Polysilicium­ schicht 37 wird aus n-Polysilicium hergestellt, und sie wird so entfernt, dass die Sourceelektrode 35a und die Drainelek­ trode 36a mit "T"-Struktur ausgebildet werden.

Wie es in Fig. 4f dargestellt ist, wird die zweite Isolier­ schicht 33 durch einen Ätzprozess entfernt.

Wie es in Fig. 4g dargestellt ist, wird eine dritte Isolier­ schicht 38 auf der gesamten Oberfläche einschließlich der Sourceelektrode 35a und der Drainelektrode 36a hergestellt. Dann wird auf dieser eine zweite Polysiliciumschicht für das potentialungebundene Gate hergestellt und selektiv entfernt, um das potentialungebundene Gate 39 auszubilden. Die dritte Isolierschicht 38 ist eine dielektrische Interpolyschicht. Das potentialungebundene Gate 39 besteht aus n-Polysilicium.

Dann wird auf der gesamten Oberfläche einschließlich dem po­ tentialungebundenen Gate 39 eine vierte Isolierschicht 40 hergestellt, die selektiv entfernt wird. Das Steuergate 41 wird so hergestellt, dass es dieselbe Breite wie das poten­ tialungebundene Gate 39 aufweist. Dieses sowie das Steuer­ gate 41 bestehen aus n-Polysilicium.

Mit dem erfindungsgemäßen Flashspeicher und dem Verfahren zu seiner Herstellung sind die folgenden Effekte erzielbar:

• - Erstens ist Programmierung selbst bei niedriger angelegter Spannung möglich.
• - Zweitens wird eine große Anzahl von Elektronen innerhalb kurzer Zeit entladen, wodurch der Löschwirkungsgrad verbes­ sert ist.
• - Drittens ist eine Beschädigung des Gateisolierfilms durch heiße Elektronen minimiert, wodurch die Zuverlässigkeit der Speicherzelle verbessert ist.

Claims (14)

1. Flashspeicher mit:

• - einem Substrat (31) vom ersten Leitungstyp mit einem Sourcebereich (35) und einem Drainbereich (36) vom zweiten Leitungstyp, die an der Sub­ stratoberfläche voneinander beabstandet liegen;
• - einer Sourceelektrode (35a) mit T-förmiger Schienenstruktur, die auf dem Sourcebereich ausgebildet ist und in Kontakt mit diesem steht;
• - Drainelektrode (36a) mit T-förmiger Schienenstruktur, die auf dem Drainbereich ausgebildet ist und in Kontakt mit diesem steht;
• - einem I-förmigen potentialungebundenen Gate (39), das zwischen der Source- und der Drainelektrode auf dem Substrat ausgebildet ist und in Kontakt mit diesem steht; und
• - einem Steuergate (41), das auf dem potentialungebundenen Gate (39) ausgebildet ist.

2. Flashspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drainelektroden (35a, 36a) symmetrisch links und rechts in Bezug auf das potentialungebundene Gate (39) angeordnet sind, das somit in der Mitte liegt.

3. Flashspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Source- und Drainelektroden (35a, 36a) unsymmetrisch links und rechts in Bezug auf das potentialungebundene Gate (39) angeordnet sind, das so­ mit in der Mitte liegt.

4. Flashspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (31) aus p-Polysilicium besteht und die Source- und Drainelektroden (35a, 36a) aus n-Polysilicium bestehen.

5. Flashspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das potentialungebundene Gate (39) und das Steuergate (41) aus n-Polysilicium bestehen.

6. Flashspeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Isolierschicht (32) auf der Oberfläche des Substrats (31) ausschließlich der Source- und Drainelektroden (35a, 36a) ausgebildet ist, eine weitere Isolierschicht (38) zum Isolieren der Source- und Drainelektroden (35a, 36a) vom potentialungebundenen Gate (39) und noch eine weitere Isolierschicht (40) zum Isolieren des potentia­ lungebundenen Gates (39) von der Steuergateelektrode (41) vorgesehen sind.

7. Flashspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschichten (32, 38, 40) aus einem Oxid oder Nitrid bestehen.

8. Verfahren zum Herstellen eines Flashspeichers, mit folgenden Schritten:

• - Herstellen einer ersten Isolierschicht (32) auf einem Substrat (31) vom er­ sten Leitungstyp;
• - Herstellen einer zweiten Isolierschicht (33) auf der ersten Isolierschicht (32);
• - Strukturieren der zweiten Isolierschicht (33) und der ersten Isolier­ schicht (32), so daß zwei offene Bereiche gebildet werden, die auf dem Sub­ strat (31) voneinander getrennt sind;
• - Implantieren eines Fremdstoffs vom zweiten Leitungstyp in das Substrat (31) durch die offenen Bereiche hindurch, so daß Source- und Drainberei­ che (35, 36) vom zweiten Leitungstyp an der Oberfläche des Substrats (31) ausgebildet werden;
• - Herstellen einer Halbleiterschicht (37) vom zweiten Leitungstyp, die in Kontakt mit den Source- und Drainbereichen (35, 36) steht, auf der Ober­ fläche der verbleibenden ersten und zweiten Isolierschicht (32, 33) sowie in den offenen Bereichen;
• - Strukturieren dieser Halbleiterschicht (37) vom zweiten Leitungstyp, so daß Source- und Drainelektroden (35a, 36a) mit T-förmiger Schienen­ struktur gebildet werden;
• - Entfernen der verbliebenen zweiten Isolierschicht (33);
• - Herstellen einer dritten Isolierschicht (38) auf der gesamten Oberfläche einschließlich der Source- und Drainelektroden (35a, 36a);
• - Herstellen einer Halbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp auf der drit­ ten Isolierschicht (38);
• - Strukturieren der Halbleiterschicht in Überlappung mit den Source- und Drainelektroden (35a, 36a), so daß dadurch ein potentialungebundenes Gate (39) mit I-förmiger Schienenstruktur zwischen der Source- und der Drainelektrode (35a, 36a) ausgebildet wird;
• - Herstellen einer vierten Isolierschicht (40) auf der gesamten Oberfläche einschließlich des potentialungebundenen Gates (39); und
• - Herstellen und Strukturieren einer Halbleiterschicht auf der vierten Iso­ lierschicht (40), so daß über dem potentialungebundenen Gate (39) ein Steuergate (41) ausgebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die er­ ste, zweite, dritte und vierte Isolierschicht (32, 33, 38, 40) aus einem Oxid oder einem Nitrid hergestellt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die erste Isolierschicht mit einer Dicke von 30 nm oder mehr hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Isolierschicht (38) als dielektrische Interpolyschicht hergestellt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das potentialungebundene Gate (39) und das Steuergate (41) aus n-Polysilicium hergestellt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Halbleiterschicht aus Polysilicium hergestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Source- und Drainelektrode aus p-Polysilicium herge­ stellt wird.