DE3631371A1 - Dreidimensionale halbleiter-speicherzelle sowie verfahren zur herstellung dieser speicherzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Speicherzelle auf einem Halbleiter-Substrat zum Speichern elektrischer La­ dungen, bestehend aus einem Auswahltransistor und einem Speicherkondensator mit zwei Elektroden und einem dazwi­ schenliegenden Speicherdielektrikum sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Speicherzelle.

Derartige Halbleiter-Speicherzellen dienen beispielsweise in dynamischen Speicherbausteinen (DRAM′s) zum Speichern von Daten. Der Auswahltransistor ist dabei in aller Regel über einen ersten Anschluß (Source) mit einer Bit-Leitung und über einen zweiten Anschluß (Drain) mit der ersten Elektrode des Speicherkondensators verbunden. Die sog. Gate-Elek­ trode des Auswahltransistors ist an eine Wortleitung und die zweite Elektrode des Speicherkondensators an eine Ver­ sorgungsspannungsleitung (V _cc) angeschlossen.

Zum störungsfreien Betrieb eines Speicherbausteins müssen die Speicherkondensatoren über bestimmte Mindestkapazitäten verfügen. Da aber die speicherbare Ladung proportional zur Kondensatorfläche ist, stoßen alle Bestrebungen, den Integra­ tionsgrad zu erhöhen, an geometrische Grenzen.

Die Anordnung nach der DE-OS 35 21 891 versucht diese Grenze zu durchbrechen, indem sie die effektive Kondensatorfläche in die dritte Dimension ausdehnt. Durch Einätzen mehrerer, hyper­ feiner Rillen in das Halbleiter-Substrat und ein anschließendes Beschichten der Rillenoberfläche mit dem Dielektrikum und der zweiten Elektrode gelingt es, die Mindestkondensatorfläche auf einer kleineren Kondensator-Grundfläche unterzubringen.

Das Ätzen der hyperfeinen Rillen erfolgt dabei im Anschluß an einen Fototechnikschritt, bei welchem auf einer Fotolack­ schicht hyperfeine Interferenzstreifen durch ein Holographie­ verfahren erzeugt werden. Abgesehen vom zusätzlich notwendi­ gen Holographieschritt ist bei diesem Verfahren, wie auch bei ähnlichen Vorschlägen, die zylindrische Vertiefungen oder V-förmige Gräben vorschlagen, das Entfernen der Ätzrückstände aus den Vertiefungen ungenügend gelöst. Diese nicht entfern­ baren Rückstände durchstoßen bzw. verunreinigen das Speicher­ dielektrikum und stören dadurch die Spannungs-Durchbruchs­ festigkeit des Speicherkondensators.

Aufgabe der Erfindungen ist es, eine Speicherzelle der ein­ gangs genannten Art mit verringertem Flächenbedarf des Speicherkondensators zu schaffen, ohne die Störanfällig­ keit der Halbleiter-Speicherzelle zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Halbleiter-Speicherzelle gemäß Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 vor, die erste Elektrode des Speicherkonden­ sators in Form einer Erhöhung über den restlichen Bereich der Halbleiter-Speicherzelle auszubilden und das Speicherdielek­ trikum sowie die zweite Elektrode auch über mindestens eine Seitenfläche der Erhöhung auszudehnen.

Je nach Ausgestaltung der Erhöhung läßt sich auf diese Weise die Speicherkapazität bei unveränderter Kondensator-Grund­ fläche um ein Mehrfaches erhöhen, ohne daß hyperfeine Struk­ turen erzeugt werden müßten bzw. schädliche Ätzreste in den Vertiefungen zurückblieben.

In erfindungsgemäßer Weise kann die Erhöhung beispiels­ weise durch Strukturätzverfahren direkt aus einem planen Halbleitersubstrat erzeugt werden. Die erste Elektrode besteht dann in diesem Fall aus dem Halbleitersubstrat selbst.

Besonders vorteilhafte elektrische Eigenschaften ergeben sich, wenn die erste Elektrode gegenüber dem Halbleitersub­ strat umdotiert wird.

Einen derartigen Aufbau erzielt man beispielsweise durch das Auftragen einer Epitaxieschicht von entgegengesetztem Lei­ tungstyp auf das Halbleitersubstrat und ein anschließendes Abätzen aller Bereiche außerhalb der Kondensator-Grundflä­ che bis auf das ursprüngliche Halbleitersubstrat.

Anhand der Zeichnung wird im folgenden ein bevorzugtes Her­ stellungsverfahren für ein Ausführungsbeispiel einer Halb­ leiter-Speicherzelle nach der Erfindung beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 in gebrochener sowie schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Halbleitersubstrat mit erfindungs­ gemäßen Erhöhungen im Bereich der Speicherkondensa­ toren,

Fig. 2 in der Darstellung nach Fig. 1 eine Weiterbildung der Anordnung nach der Herstellung eines Auswahltransis­ tors und

Fig. 3 in gleicher Darstellung in Weiterbildung der An­ ordnung nach Fig. 2 eine funktionsfertige Halbleiter-Speicherzelle nach dem Auftragen des Spei­ cherdielektrikums und der zweiten Elektrode.

Zur Herstellung einer Halbleiter-Speicherzelle mit erfin­ dungsgemäßem Aufbau wird zunächst beispielsweise gemäß Fig. 1 auf ein n-dotiertes Halbleiter-Substrat 1 ganzflächig eine epitaktische Schicht 3 vom p-Leitfähigkeitstyp aufge­ bracht und anschließend außerhalb der Kondensator-Grundfläche durch bekannte Ätztechniken bis zur Substratoberfläche abgetragen. Auf diese Weise entstehen erste, p-dotierte Elek­ troden 2 im Bereich der Grundflächen der Speicherkondensa­ toren. Im Anschluß an den Ätzschritt wird zwischen den Speicherzellen eine Isolationsschicht 4, beispielsweise nach dem sog. LOCOS-Verfahren eingebaut.

In einem nachfolgenden Herstellungsschritt wird gemäß Fig. 2 der Auswahltransistor aufgebaut. Hierzu wird auf einem Gate-Oxyd 6 ein Polysilizium-Gate 5 erzeugt. Beide Schichten werden ganzflächig auf der Halbleiter-Anordnung nach Fig. 1 aufgetragen und nach bekannten Fertigungs­ schritten in der gewünschten Weise strukturiert. Dieser Gate-Fertigung folgt eine Ionen-Implantation, bei welcher die Anschlußzonen 7 und 8 (Source and Drain) des Auswahl­ transistors im Halbleitersubstrat 1 umdotiert werden. Da auch dieser Implantationsschritt ganzflächig erfolgt, ent­ stehen am Rande der Speicherzelle p-dotierte Zonen 9, die jedoch für die Funktion der Speicherzelle ohne Bedeutung sind.

Fig. 3 zeigt schließlich die funktionsfertige Halbleiter- Speicherzelle mit einem metallischen Bitleitungsanschluß 10, einem Speicherdielektrikum 11 und einer zweiten Elektrode 12, die in diesem Beispiel ebenso wie das Gate 5 aus Polysilizium besteht.

Im Vergleich zu einem üblichen Speicherkondensator, der als effektive Kondensatorfläche nur die Kondensator-Grundfläche zur Verfügung hat, besitzt der hier erzeugte Speicher­ kondensator die fünffache Fläche und damit die fünffache Kapazität.

Claims (5)

1. Halbleiter-Speicherzelle auf einem Halbleitersubstrat (1) zum Speichern elektrischer Ladungen, bestehend aus einem Aus­ wahltransistor und einem Speicherkondensator mit einer ersten (2) und einer zweiten Elektrode (12) und einem dazwischenlie­ genden Speicherdielektrikum (11), dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2) des Speicherkondensators in Form einer Erhöhung den restlichen Bereich der Halbleiter-Speicher­ zelle überragt und sich das Speicherdielektrikum (11) sowie die zweite Elektrode (12) auch über mindestens eine Seiten­ fläche der Erhöhung erstreckt.

2. Halbleiter-Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiter-Substrat (1) und die erste Elektrode (2) aus Halbleitern entgegengesetzten Leitungstyps aufgebaut sind.

3. Halbleiter-Speicherzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung zur Oberflächenvergrößerung zusätzliche Struk­ turen aufweist.

4. Halbleiterspeicherzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (12) aus einer Poly-Siliziumschicht besteht.

5. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Halbleiter-Substrat (1) eines ersten Leitungstyps in einem ersten Herstellungsschritt ganzflächig eine epitakti­ sche Schicht (3) vom zweiten Leitungstyp aufgetragen wird, und diese epitaktische Schicht (3) bis auf das Halbleiter­ substrat (1) außerhalb der Kondensator-Grundfläche wieder entfernt wird und daß in einem weiteren Herstellungsschritt die Erhöhung mit dem Speicherdielektrikum (11) und der zwei­ ten Elektrode (12) überdeckt wird.