DE3782279T2

DE3782279T2 - Elektrisch veraenderbare, nichtfluechtige speicheranordnung vom schwebenden gate-typ, mit geringerer tunneleffektflaeche und herstellung derselben.

Info

Publication number: DE3782279T2
Application number: DE8787830233T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Corda
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1987-06-22
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2007-06-23
Also published as: EP0252027B1; DE3782279D1; IT1191566B; JPH0824148B2; US4931847A; EP0252027A2; EP0252027A3; US5081057A; JPS639981A; IT8683629A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Halbleiterspeichervorrichtungen und im spezielleren auf elektrisch änderbare Festspeichervorrichtungen des Typs mit schwimmendem Gate, die in auf Mikroprozessoren basierenden Systemen, in dafür bestimmten nicht-flüchtigen Speichern, in TV- Kanalwähleinrichtungen sowie in anderen vergleichbaren Systemen verwendet werden.
Auf Mikroprozessoren basierende Systeme sowie verwandte Einrichtungen benötigen in zunehmendem Umfang Festspeicherelemente, die sich durch elektrische Mittel ändern lassen, d. h. Speicherelemente, die zwar zum Behalten von darin eingeschriebenen Daten für relativ lange Zeitdauern (mehrere Jahre) ausgelegt sind, jedoch dennoch die Möglichkeit zum Löschen und erneuten Einschreiben (Neuprogrammieren) aller oder eines Teils der darin enthaltenen Daten durch elektrische Mittel bieten, und zwar im wesentlichen ohne Notwendigkeit des Entfernens der diese enthaltenden Mikroschaltung aus dem Gerät zum Durchführen der unter Bestrahlung erfolgenden Löschbehandlungen (die einer evtl. erforderlichen gesamten Neuprogrammierung vorausgehen), wie dies bei den Festspeichervorrichtungen des FAMOS-Typs erforderlich war, wobei letzteres steht für "Floating Gate Avalanche Metal Oxide Semiconductor".
In letzter Zeit ist die Technik an einem Punkt angelangt, an dem eine Anzahl elektrisch änderbarer, nicht-flüchtiger Speichervorrichtungen erfolgreich hergestellt wurde. Mikroprozessoren oder solche Speichervorrichtungen beinhaltende Systeme, die auch als EE-PROM für "Electrically Erasable- Programmable Read-Only Memory" oder als EA-PROM für "Electrically Alterable - Programmable Read-Only Memory" bekannt sind, bieten den großen Vorteil gegenüber den Vorrichtungen des Standes der Technik, daß sie sowohl das Löschen und Neueinschreiben einzelner Bytes als auch das Löschen der gesamten gespeicherten Daten ermöglichen.
Bei der Speicherzelle, d. h. der grundlegenden integrierten Halbleiterstruktur solcher Vorrichtungen, handelt es sich um die sogenannte FLOTOX-Zelle, die sich ableitet von "Floating Gate Tunnel Oxide" und in einem Artikel mit dem Titel "16-J-EE- PROM Relies on Tunnelling for Byte-Erasable Program Storage" von W.S. Johson et al in "Electronics" vom 28. Februar 1980, Seiten 113-117, beschrieben ist. In diesem Artikel beschreibt der Autor eine FLOTOX- Struktur, bei der eine Zelle, die eine polykristalline Siliziumstruktur mit schwimmendem Gate verwendet, eine derartige Struktur aufweist, die durch ein geeignetes "Fenster" mit Elektronen (oder Löchern) geladen wird, wodurch durch einen Fowler- Nordheim-Tunnelmechanismus eine dünne Oxidschicht zwischen der Struktur des schwimmenden Gates und dem monokristallinen Silizium entsprechend der Drain-Zone geschaffen wird. Das heißt, bei dem zum Einschließen der Ladung in einer Elektrode mit schwimmendem Gate verwendeten Mechanismus handelt es sich um Leitung durch einen Tunneleffekt von Elektronen (oder Löchern) durch eine dünne Oxid- Dielektrikumschicht, und zwar hervorgerufen durch ausreichend hohe elektrische Felder im allgemeinen von mehr als wenigstens 10 MV/cm.
Ähnliche Vorrichtungen des Standes der Technik, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechen, sind aus Electronics, Band 53, Nr. 5 (1980); W.S. Johnson et al: "16-K EE-PROM relies on tunnelling for byte-erasable program storage" sowie aus der EP-A-0 164 605 bekannt.
Das Verständnis des Standes der Technik und dessen Nachteile sowie die Beschreibung des auf eine FLO- TOX-Zelle gerichteten Ziels der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erleichtert; dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der Struktur einer FLOTOX-Speicherzelle des herkömmlichen Typs;
Fig. 2 ein Diagramm der relevanten kapazitiven Kopplungen der FLOTOX-Struktur der Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine elementare FLOTOX-Speicherzelle, wie sie in der Praxis auf einem Halbleiterchip gemäß einem bekannten Herstellungsverfahren gebildet ist;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine elementare FLOTOX-Speicherzelle, die gemäß einem weiteren, von Fig. 3 verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt ist;
Fig. 5 eine Schematische Draufsicht auf eine elementare FLOTOX-Speicherzelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
Fig. 6 eine Schematische Schnittansicht der elementaren FLOTOX-Speicherzelle der vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, umfaßt eine typische Konfiguration einer FLOTOX-Zelle ein erstes Niveau bzw. eine erste Schicht aus polykristallinem Silizium 1, die vollständig isoliert ist und die Elektrode des schwimmenden Gates bildet. Diese Schicht ist von dem monokristallinen Silizium 2 durch die Gate-Oxidschicht 3 isoliert und erstreckt sich über eine Kanalzone 9 in der MOS-Vorrichtung, die zwischen einer Source-Zone 10 und einer Drain-Zone 7 gebildet ist, sowie über eine gewisse Strecke über diese Drain-Zone 7. Eine Isolierschicht 4 aus Siliziumoxid oder einem äquivalenten Dielektrikum, das man unter Wärmeeinwirkung aufwachsen läßt oder durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) niederschlägt, isoliert das erste Niveau polykristallinen Siliziums 1 von einem zweiten Niveau polykristallinen Siliziums 5, welches die sogenannte Steuergate-Elektrode bildet. Ein geeignetes Schreib/Lösch-"Fenster" 6 ist in der Gate-Oxidschicht 3 vorhanden, um elektrische Ladungen entsprechend der Drain-Zone 7 der MOS-Vorrichtung durch einen Tunnelmechanismus zu dem schwimmenden Gate 1 zu übertragen. Entsprechend diesem Fenster ist die Isolierung zwischen dem schwimmenden Gate und dem Silizium durch eine extrem dünne Schicht aus Siliziumoxid 8 gebildet, das als Tunneloxid bezeichnet wird und dessen Dicke gegenüber der normalen Dicke des Gate-Oxids 3, die typischerweise mehr als 25 nm (250 ) ist, sowie gegenüber der Dicke der Isolierschicht 4, die typischerweise mehr als 20 nm (200 ) ist, normalerweise weniger als 10 nm (100 ) beträgt.
Weiterhin zeigt Fig. 1 den Leitungsauswähl- oder Auswähltransistor, der in Reihe zu der eigentlichen Speicherzelle ausgebildet ist und dessen Gate auch als "Transfer-Gate" bezeichnet wird.
Das Arbeitsprinzip dieser Speicherzelle ist allgemein bekannt: Elektronen können in das schwimmende Gate injiziert werden, indem man ein geeignetes elektrisches Feld zwischen diesem schwimmenden Gate und dem Drain der Speichervorrichtung anlegt; ein solches elektrisches Feld wird durch eine kapazitive Kopplung durch das Steuer-Gate angelegt, wobei ein Zugang zu dem schwimmenden Gate nicht möglich ist. Elektronen können dadurch aus dem schwimmenden Gate entfernt werden, daß man ein elektrisches Feld entgegengesetzten Vorzeichens wiederum zwischen dem schwimmenden Gate und dem Drain anlegt; dies erzielt man durch Verbinden des Steuer-Gates mit Masse sowie durch Anlegen einer positiven Spannung an den Drain des Speicherelements mittels des Transfer-Gates.
Eines der wichtigsten, bei der Realisierung solcher Speicherzellen auftretenden technischen Probleme betrifft die Definition des Tunnelbereichs, d. h. des dünnen Oxid-"Fensters", für den Transfer der elektrischen Ladungen von und zu dem schwimmenden Gate. In Wirklichkeit ist es notwendig, diesen Bereich aus zwei Gründen so klein wie möglich zu machen.
Das Speicherelement läßt sich schematisch als Kondensatornetzwerk darstellen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Im wesentlichen ist dabei das Speicherelement, d. h. das schwimmende Gate (FG), durch die Kapazität C&sub1; der dielektrischen Schicht 4 mit dem Steuergate (CG) 5, durch die Kapazität C&sub2; des Gate- Oxids 3 mit dem Halbleitermaterial der Drain-Zone (D), der Source-Zone (S) und der Kanalzone (Ch), d. h. mit den Zonen 7, 10 und 9, sowie durch die Kapazität C&sub3; des Tunneloxids 8 mit der Drain-Zone (D) 7 kapazitiv gekoppelt. Das Potential, das das schwimmende Gate der Speichervorrichtung erreichen kann, hängt in offensichtlicher Weise von den Werten der zwischen dem Steuer-Gate und dem Drain der Vorrichtung angelegten Spannungen, von seiner kapazitiven Kopplung sowie von der gespeicherten elektrischen Ladung ab. Durch entsprechende Überlegungen gelangt man zu der Feststellung, daß das von dem schwimmenden Gate erreichbare Potential bestimmt ist durch:
VFG = αVCG, wobei α = C&sub1;/C&sub1; + C&sub2; + C&sub3;
Zur Minimierung der an die Vorrichtung anzulegenden Spannungen zum Modifizieren ihres Zustands, d. h. zum Auslösen der "Schreib-" und "Lösch-"Vorgänge ist es von Vorteil, daß der Wert von C&sub3; so niedrig wie möglich ist: In Anbetracht der Tatsache, daß das Tunneloxid notwendigerweise extrem dünn sein muß, um in der Lage zu sein, durch seine Dicke hindurch extrem intensive elektrische Felder (in der Größenordnung von 10 MV/cm) zu erhalten, so daß die elektrischen Ladungen die Energiebarriere durch den Tunnelmechanismus überwinden können, muß eben dieser Tunnelbereich soweit wie möglich reduziert werden, um den Wert von C&sub3; niedrig zu halten und dadurch die Konstante α zu maximieren.
Die Reduzierung des Tunnelbereichs ist auch aus anderen Gründen von Vorteil. Die extrem dünne dielektrische Schicht aus Tunneloxid, die in der genannten Weise extrem hohen elektrischen Feldern ausgesetzt ist, unterliegt einem allgemein bekannten Verschleißphänomen, d. h. das Oxid besitzt die Tendenz zur Verschlechterung nach einer bestimmten Anzahl von Einschreib- und Löschzyklen. Dieses Phänomen ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß selbst bei Verwendung der exaktetesten Techniken zum Bilden einer solchen dünnen Schicht aus Dielektrikum es unmöglich ist, daß ihre Oberfläche vollständig frei von Gitterdefekten bleibt, die zu einer Ursache des Verschleißphänomens werden. Das Reduzieren der Größe des Tunnelbereichs bedeutet somit andererseits eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, daß eine solche kleine Fläche frei von Defekten bleibt.
Gemäß den bekannten Techniken erfolgen die Definition des Tunneloxidbereichs sowie dessen Bildung im allgemeinen in der in Fig. 3 und 4 schematisch dargestellten Weise.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Draufsichten auf eine FLOTOX-Speicherzelle, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, wobei deren Bezugszeichen auch in den Fig. 3 und 4 zum Bezeichnen derselben Teile verwendet werden. Der "T"-förmige Umriß, der durch die dicken Linien 12 dargestellt ist, definiert den aktiven Bereich einer elementaren Speicherzelle, d. h. den nicht von dem Feldoxid bedeckten Bereich. Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 ist ein Bereich 13 gezeigt, der für die elektrische "Spalten"-Verbindung der elementaren FLOTOX-Zelle in einer herkömmlichen Speichermatrix dient, die aus einer großen Anzahl von Zellen gebildet ist, welche in einer Anordnung aus Zeilen und Spalten angeordnet sind.
Gemäß dem Herstellungsprozeß der elementaren Speicherzelle der Fig. 3 ist der Tunneloxidbereich 6 definiert durch die Überkreuzung von zwei Masken; d. h. der zum Definieren des ersten Niveaus polykristallinen Siliziums 1 (schwimmendes Gate) verwendeten Maske sowie einer Maske, die zum "Öffnen" des Gate-Oxids in einem in gestrichelten Linien 14 dargestellten Bereich dient, über dem man Tunneloxid aufwachsen läßt.
Gemäß einer weiteren Technologie, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Tunnelbereich 6 durch eine geeignete Maske definiert, die das Fenster bestimmt, durch welches das Gate-Oxid geätzt wird, bis das darunterliegende Silizium freigelegt ist, bevor man dann über diesen Bereich das Tunneloxid aufwachsen läßt.
Sowohl die in Fig. 3 und 4 gezeigten Techniken als auch andere, ähnliche Techniken besitzen den Nachteil, daß sie durch die Definitions- und Ausrichtungseigenschaften der speziellen verwendeten oder zur Verfügung stehenden photolithographischen Technik eingeschränkt sind. Andererseits bedingt die Notwendigkeit zur Reduzierung des Tunnelbereichs soweit wie möglich ein Arbeiten an der Definitionsgrenze, mit dem Resultat, daß dem Herstellungsvorgang ernsthafte Probleme hinsichtlich Steuerung und Reproduzierbarkeit auferlegt werden, ohne daß man dabei entscheidend zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Minimierung des Tunnelbereichs erhält.
Daraus ist die Tendenz entstanden, zum Definieren des Tunnelbereichs photolithographische Technologien zu verwenden, die gegenüber den für alle anderen Schichten der integrierten Schaltung normalerweise verwendeten photolithographischen Technologien fortgeschrittener sind, wodurch noch komplexere Probleme hinsichtlich der Kompatibilität unter den verschiedenen, bei dem Herstellungsverfahren verwendeten Vorrichtungen entstehen.
Es besteht daher eine deutliche Notwendigkeit bzw. ein deutlicher Nutzen der Verwendung einer FLOTOX- Zelle für EEPROM-Speicher, die hinsichtlich des Tunnelbereichs minimale Abmessungen besitzt und sich in einfacher Weise herstellen läßt, ohne daß dafür besonders komplizierte photolithographische Technologien erforderlich sind.
Solche Ziele und Vorteile erreicht man durch die nicht-flüchtige Halbleiterspeichervorrichtung des Typs mit schwimmendem Gate (die auch als FLOTOX- Zelle bekannt ist), die eine neuartige Konfiguration und Struktur aufweist, wie dies in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Die Struktur der erfindungsgemäßen FLOTOX-Zelle ist derart, daß sich eine Minimierung des Tunnelbereichs unabhängig von den Begrenzungen der zum Definieren der Bereiche verwendeten, speziellen photolithographischen Technologie ermöglichen läßt, wobei sich die Definition des Ausmaßes des Tunnelbereichs durch Steuern im wesentlichen nicht-kritischer Parameter des Herstellungsvorgangs ermöglichen läßt.
Im Unterschied zu den FLOTOX-Zellen bekannten Typs sieht die erfindungsgemäße Zelle keinen Tunnelbereich mehr vor, der innerhalb einer viel größeren, überlagerten Zone des schwimmenden Gates über der Drain-Zone der MOS-Vorrichtung definiert ist, sondern statt dessen entsprechend dem in Richtung auf die Drain-Zone der Vorrichtung liegenden Rand des schwimmenden Gates definiert ist, wobei nach dem Entfernen des Gate-Oxids, und nach dem Ausbilden einer Schicht aus Tunneloxid über einer ausreichend ausgedehnten Fläche, die wenigstens ein Stück dieses Rands enthält, ein Anhang (oder saumartiger Rand) aus polykristallinem Silizium gebildet wird, der mit dem schwimmenden Gate in geeigneter Weise elektrisch verbunden wird. Die untere Basis eines solchen saumartigen Rands aus polykristallinem Silizium führt dazu, daß diese durch die Schicht aus Tunneloxid von dem monokristallinen Silizium isoliert ist. Ein solcher Anhang oder saumartiger Rand, der längs des Rands des schwimmenden Gates gebildet ist, läßt sich in vorteilhafter Weise durch einen sogenannten "selbstausgerichteten" Vorgang bilden, bei dem keinerlei kritische Maske erforderlich ist und bei dem sich die die Tunnelfläche bzw. den Tunnelbereich bestimmende "Breite" der Basis eines solchen saumartigen Rands in einfacher Weise durch Steuern der Bedingungen festlegen läßt, unter denen ein anisotoper Ätzvorgang einer geeigneten Schicht oder mehrerer Schichten von zuvor auf der Oberfläche des bearbeiteten Wafers aufgebrachtem, polykristallinen Matrix-Silizium ausgeführt wird.
Ein weiterer Vorteil der speziellen Konfiguration der Zelle gemäß dem Ziel der vorliegenden Erfindung ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß es durch die nicht länger vorhandene Notwendigkeit zur Schaffung einer ausreichend großen Überlagerungszone zwischen dem polykristallinen Silizium des ersten Niveaus (schwimmendes Gate) und der Drain-Zone der Vorrichtung möglich ist, den von einer einzelnen Speicherzelle eingenommenen Gesamtbereich zu reduzieren, d. h. kompaktere Zellen zu schaffen.
Die erfindungsgemäße FLOTOX-Zelle sowie das Verfahren zur Herstellung desselben werden durch die Darstellung eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 noch näher erläutert.
Es wird nun auf die Fig. 5 und 6 Bezug genommen, wobei dieselben Bezugszeichen zum Bezeichnen entsprechender oder ähnlicher Teile verwendet werden, die in den in Verbindung mit dem Stand der Technik beschriebenen, vorangehenden Figuren dargestellt sind; die erfindungsgemäße FLOTOX-Zelle umfaßt dabei ähnlich den Zellen des Standes der Technik ein erstes Niveau aus polykristallinem Silizium (kurz als Polysilizium 1 bezeichnet), das in den Figuren durch eine spezielle Schraffierung dargestellt ist und von der Oberfläche des Halbleitermaterials durch die dielektrische Schicht aus Gate- Oxid isoliert ist und das Speicherelement, d. h. das schwimmende Gate der Vorrichtung, bildet.
Eine solche erste Schicht bzw. ein solches erstes Niveau aus Polysilizium wird über einer Kanalzone 9 des Halbleitermaterial-Chips 2 angeordnet und erstreckt sich seitlich über eine gewisse Distanz des umgebenden Feldoxids hinaus, welches den aktiven Bereich der elementaren Zelle definiert und in Fig. 5 durch die dicken Linien 12 angedeutet ist.
Bei der MOS-Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen N-Kanal, d. h. die Kanalzone 9 ist an der Oberfläche eines halbleitenden Monokristalls z. B. aus Silizium mit p-Leitfähigkeit gebildet, d. h. aus Silizium, das mit Akzeptor-Dotierstoffen (z. B. Bor) dotiert ist.
Die Source-Zone 10 und die Drain-Zone 7 der Vorrichtung werden in üblicher Weise durch starke Implantation und Diffusion von Donator Dotierstoffen (z. B. Phosphor oder Arsen) gebildet.
Durch eine geeignete nicht-kritische Maske, deren Umriß den in Fig. 5 in einer gestrichelten Linie 15 dargestellten Umriß aufweisen kann, wird das vor dem Aufbringen und Definieren des ersten Niveaus von Polysilizium 1 zuvor auf der Oberfläche des Siliziums ausgebildete Gate-Oxid entfernt, bis das Silizium innerhalb der in diesem Umriß 15 liegenden Fläche, die nicht von der ersten Schicht bzw. dem ersten Niveau aus Polysilizium 1 bedeckt ist, wieder freiliegt. Durch Wärmeoxidation unter besonders strengen Bedingungen hinsichtlich des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen wird dann die dünne Schicht aus Tunneloxid 8 gebildet, wobei sich diese natürlich auch über der oberen Oberfläche sowie über den vertikalen Rändern der ersten Schicht aus Polysilizium 1 bildet.
Mittels einer weiteren Maske (die ebenfalls nichtkritischer Art ist), die den mit der strichpunktierten Linie 16 in Fig. 5 dargestellten Umriß aufweisen kann, werden vorzugsweise nach dem Aufbringen einer ersten Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke von ca. 50 nm (500 ) sowohl die Matrixschicht aus Polysilizium als auch die zuvor gebildete Schicht aus Tunneloxid innerhalb der von der Maske definierten Fläche entfernt.
Eine zweite Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit gleichmäßiger Dicke, die vorzugsweise zwischen 400 und 500 nm (4000 und 5000 ) beträgt, wird über der gesamten Oberfläche der Vorrichtung aufgebracht, wobei diese zweite Schicht innerhalb derjenigen Bereiche, in denen das Tunneloxid zuvor entfernt worden ist, direkt auf der Oberfläche des ersten Niveaus von Polysilizium 1 aufgebracht wird und sich somit in einem Zustand elektrischer Kontinuität in bezug auf dieses befindet.
Wie bei einem sogenannten selbstausgerichteten Herstellungsverfahren, wird durch einen stark anisotropen Ätzvorgang, z. B. einen Reaktionsionen- Ätzvorgang, der bis zum vollständigen Entfernen der gesamten Dicke der Schicht oder Schichten aus polykristallinem Matrix-Silizium (50 + 400 oder 500 nm) (500 + 4000 oder 5000 ) ausgeführt wird, die Bildung eines Anhangs oder eines saumartigen Rands (der analog zu solchen saumartigen Rändern oder Abstandselementen aus dielektrischen Materialien, die in dem sogenannten selbstausgerichteten Verfahren gebildet werden, auch als "Abstandselement" bezeichnet werden kann) 1a und 1b aus polykristallinem Silizium entlang der Ränder des Polysiliziums 1 des ersten Niveaus bestimmt.
Ein solcher saumartiger Rand (1a und 1b in den Zeichnungen) ist zwar kontinuierlich ausgebildet, doch ist er von dem Polysilizium 1 des ersten Niveaus durch die Schicht aus Tunneloxid 8 (die eine weitere Isolierung desselben von dem Silizium schafft, wie dies in Fig. 6 zu sehen ist) entsprechend dem der Drain-Zone 7 der Vorrichtung benachbarten Rand des schwimmenden Gates 1 getrennt; entsprechend dem der Source-Zone 10 benachbarten Rand des schwimmenden Gates 1 wird jedoch derselbe saumartige Rand aus Polysilizium direkt über dem Rand des bereits bestehenden ersten Niveaus aus Polysilizium 1 gebildet, nachdem in der vorstehend beschriebenen Weise die dünne Schicht aus Tunneloxid aus dem von der Maske 16 definierten Bereich entfernt worden ist (Fig. 5).
Auf diese Weise ergibt sich das Resultat, daß auch die über dem Rand des schwimmenden Gates 1 angrenzend an die Drain-Zone 7 ausgebildete Länge des saumartigen Rands 1b, dessen Basisfläche, d. h. dessen Breite, das Ausmaß des Tunnelbereichs bestimmt, in elektrischer Verbindung mit dem zuvor gebildeten Bereich des schwimmenden Gates steht, das durch das erste Niveau aus Polysilizium 1 gebildet ist. Wenigstens innerhalb der Überlagerungszone des Polysiliziums über dem Feldoxid auf der rechten Seite der Fig. 5 ist es tatsächlich so, daß der saumartige Rand aus Polysilizium 1b sich in direktem Kontakt mit dem Polysilizium 1 des ersten Niveaus befindet, und zwar wenigstens entlang der mit dem Bezugszeichen 17 bezeichneten Länge.
Offensichtlich können auch andere Verfahren zum Gewährleisten der elektrischen Kontinuität zwischen den beiden das schwimmende Gate der Vorrichtung bildenden Bereichen verwendet werden, d. h. zwischen dem ersten Polysilizium 1, welches das echte schwimmende Gate der Vorrichtung darstellt und im wesentlichen über der Kanalzone 9 liegt, sowie dem längs der Ränder der ersten Schicht aus Polysilizium 1 gebildeten Anhang 1a, 1b, der entsprechend der der Drain-Zone 7 überlagerten Zone (Länge 1b) den erforderlichen Tunnelbereich für den Transfer elektrischer Ladungen zu sowie von der Verbundstruktur des schwimmenden Gates bildet.
Durch Verwenden moderner Aufbringtechniken zum Aufbringen von polykristallinem Silizium zur Bildung der ersten und der zweiten Matrixschicht sowie eines Reaktionsionen-Ätzvorgangs zum Entfernen derselben unter Bedingungen eines stark anisotropen Ätzvorgangs läßt sich die zwischen 0,2 und 0,5 um liegende Breite der Basis des saumartigen Rands 1a, 1b in einfacher Weise erzielen, und wenn die Basisbreite des saumartigen Rands z. B. mit 0,3 um gewählt wird, läßt sich in einfacher Weise ein Tunnelbereich von 0,3·1,5 = 0,45 um² erzielen (wenn die Breite des von dem Speicherelement eingenommenen aktiven Bereichs 1,5 um beträgt, wie dies allgemein üblich ist).
Gemäß den bekannten Strukturen der FLOTOX-Zelle wäre für ein ähnliches Resultat eine Technologie mit 0,7 um erforderlich; d. h. eine Technologie mit einer definierbaren Minimalbreite von 0,7 um, und somit wäre eine extrem komplizierte photolithographische Technologie notwendig, die Röntgenstrahlen anstatt UV-Licht verwendet.
Die durch die Zelle oder Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verfügbaren Vorteile und Optimierungsmöglichkeiten sind vielschichtig, und zwar aufgrund der Tatsache, daß eine solche Reduzierung des Flächenbereichs und somit der Kapazität des Tunneloxids zusätzlich zu den verbesserten Standhalteeigenschaften hinsichtlich wiederholter Einschreib-/Löschzyklen der gespeicherten Daten zusätzlich noch mit anderen positiven Resultaten einhergeht, wie dies für den Fachmann in einfacher Weise erkennbar ist.
Zum Beispiel ermöglicht die ursprüngliche Konfiguration der erfindungsgemäßen Zelle eine starke Reduzierung auch der Kapazität C&sub2; (Fig. 2) insofern, als das gesamte schwimmende Gate kompakter wird und sich nicht länger über eine angemessen große Fläche über der Drain-Zone erstrecken zu braucht; die Abmessungen (in "Spalten"-Richtung) und/oder der überlagerte Bereich des Steuer-Gates und des schwimmenden Gates über dem diese umgebenden Feldoxid zum Erhöhen der Kapazität C&sub1; lassen sich reduzieren, wodurch ein höheres Maß an Integration möglich wird.
Die verminderte kritische Ausführung der Flächendefinitionsvorgänge (d. h. der Masken) führt auch zu einer Steigerung der "Ausbeute" des Herstellungsvorgangs.
Die Anordnung sowie die Verbindung der einzelnen Speichervorrichtung, d. h. der einzelnen FLOTOX- Zellen sowie des zugehörigen Auswähltransistors zur Bildung einer Speicherreihe erfolgen in üblicher Weise, wonach die Source-Zonen aller Elementarzellen mit Masse verbunden werden, die Steuer-Gates aller Zellen mit einer "Programmleitung" verbunden werden, die Gates der Auswähltransistoren mit einer sogenannten "Auswählleitung" verbunden werden und jeder Drain-Anschluß der verschiedenen Auswähltransistoren den Anschluß jeder "Spalte" der Speicherreihe bildet.
Zum Entladen der Ladung von allen Elementarzellen werden die Programmleitungen und die Auswählleitungen mit einer ausreichend hohen Spannung polarisiert, während die Spaltenanschlüsse mit Masse verbunden sind.
Zum Einschreiben eines Daten-Bytes wird die Programmleitung mit Masse verbunden, während die Spalten relativ zu dem ausgewählten Byte nach Maßgabe des Datenmusters mit einer hohen Spannung polarisiert oder mit Masse verbunden werden, wobei die Auswählleitung auf einer hohen Spannung gehalten wird.
Der bevorzugte Herstellungsvorgang zur Bildung der neuartigen Speichervorrichtungen der vorliegenden Erfindung läßt sich durch eine Reihe wesentlicher Verfahrensschritte beschreiben, die nachfolgend dargestellt sind.
Über ein halbleitendes Material eines ersten Leitfähigkeitstyps (typischerweise einer Scheibe aus monokristallinem, p-dotiertem Silizium), das an seiner Oberfläche voroxidiert wurde, wird eine Schicht aus Siliziumnitrid aufgebracht.
Danach werden die aktiven Bereiche mit Photoresist maskiert, um das Nitrid zu ätzen, wonach dann die sogenannte Feldimplantation erfolgt; d. h. die Implantation von Akzeptor-Dotierstoffen in Bereichen, in denen die Isolierstruktur (dicke Schicht aus Feldoxid) zum Trennen der auf der Oberfläche des monokristallinen Siliziums auszubildenden, einzelnen Elementarvorrichtungen ausgebildet wird.
Nach dem Entfernen des Maskiermaterials wird die Feldoxidation ausgeführt, um die dicke Schicht aus Siliziumoxid in Bereichen wachsen zu lassen, die zuvor nicht von der Siliziumnitridschicht bedeckt waren. Gleichzeitig diffundiert der implantierte Dotierstoff in das Silizium in einen unmittelbar unter dem Feldoxid liegenden Bereich hinein, wodurch die Bildung der Isolierstruktur abgeschlossen ist.
Nach dem Entfernen der Siliziumnitridschicht und der dünnen Schicht Oberflächenoxids, das man zuvor über der Oberfläche des Silizium-Einkristalls aufwachsen ließ, läßt man unter besonders strengen Bedingungen hinsichtliches des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen eine neue Schicht aus Siliziumoxid aufwachsen, um dadurch das sogenannte Gate-Oxid zu bilden.
Die erste Schicht oder das erste Niveau aus polykristallinem Silizium wird dann aufgebracht und schließlich dotiert, um seine elektrische Volumenleitfähigkeit zu erhöhen. Die Dicke des ersten Polysiliziums liegt vorzugsweise zwischen 4000 und 5000 .
Es wird ein neuer Maskiervorgang durchgeführt, und die Schicht aus polykristallinem Silizium wird geätzt, wodurch die Ränder des ersten Polysiliziums 1, d. h. des schwimmenden Gates der Speichervorrichtung, entlang einer Richtung definiert werden.
Es wird eine neue Photoresistmaske für die sogenannte FLOTOX-Implantation gebildet, und Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel n-Leitfähigkeit) werden in das Silizium zur Bildung der n&spplus;-dotierten Zonen implantiert, die die Drain-Zone bzw. die Source-Zone der MOS-Vorrichtungen bilden.
Nach dem Entfernen des für die n&spplus;-Implantation verwendeten Maskiermaterials wird eine neue Photoresistmaske (deren Umriß in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 15 dargestellt ist) gebildet, und durch diese Maske wird das Gate-Siliziumoxid in dem nicht von dem ersten Niveau aus Polysilizium bedeckten Bereich geätzt, bis der darunterliegende Siliziumkristall freiliegt.
Nach dem Entfernen des verbleibenden Maskiermaterials läßt man unter besonders strengen Bedingungen hinsichtlich des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen eine dünne Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von ca. 10 nm (100 ) (Tunneloxid) unter Wärmeeinwirkung aufwachsen.
Über dieser dünnen Schicht aus Tunneloxid wird eine erste dünne Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke von ca. 50 nm (500 ) aufgebracht.
Eine neue Photoresistmaske, deren Umriß in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt ist, ermöglicht innerhalb eines solchen definierten Bereichs ein Entfernen sowohl des polykristallinen Siliziums der ersten dünnen Matrixschicht als auch der darunterliegenden dünnen Schicht aus Tunneloxid.
Nach dem Entfernen des Maskiermaterials wird eine zweite Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit einer vorzugsweise zwischen 300 und 400 nm (3000 und 4000 ) liegenden Dicke aufgebracht.
Die Matrixschicht aus polykristallinem Silizium wird dann einem anisotropen Ätzvorgang durch Reaktionsionenätzung unterzogen, und das Entfernen des polykristallinen Siliziums erfolgt, bis eine der aufgebrachten Dicke entsprechende Dicke entfernt worden ist. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist und es den sogenannten selbstausgerichteten Herstellungsverfahren entspricht, wird entsprechend den durch das Vorhandensein der darunterliegenden Schicht des polykristallinen Silizium des ersten Niveaus (schwimmendes Gate 1) bestimmten Schritten durch den anisotropen Ätzvorgang ein verbleibender saumartiger Rand (1b und 1a) in Fig. 5 und 6) aus polykristallinem Silizium übriggelassen, der zu der zuvor in gleichmäßiger Weise über der gesamten Oberfläche aufgebrachten Matrixschicht gehört.
An diesem Punkt ist es möglich, die zuvor ausgebildete Gate-Siliziumoxidschicht von den aktiven Bereichen der Vorrichtung zu entfernen, die nicht von der Verbundstruktur (1 + 1a + 1b) des schwimmenden Gates der hergestellten Speichervorrichtung bedeckt sind.
Nach dem mittels einer geeigneten Maske erfolgenden Definieren der Ränder der Verbundstruktur des schwimmenden Gates entlang einer Richtung senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der zuvor definierten Ränder kann unter besonders strengen Bedingungen hinsichtlich des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen eine neue Schicht aus Gate-Siliziumoxid wieder über dem nicht von der Verbundstruktur des schwimmenden Gates bedeckten aktiven Bereich gebildet werden. Gleichzeitig kann die isolierende dielektrische Schicht 4 in vorteilhafter Weise zum Isolieren über dem schwimmenden Gate ausgebildet werden. Alternativ hierzu kann eine solche obere Isolierschicht der schwimmenden Gate-Struktur separat durch chemische Dampfphasenabscheidung von Siliziumoxid oder eines äquivalenten Oxids gebildet werden.
Das zweite Niveau aus polykristallinem Silizium wird aufgebracht und zur Erhöhung seiner elektrischen Volumenleitfähigkeit vorzugsweise dotiert.
Der Herstellungsvorgang sieht dann das Aufwachsen einer Schicht aus Oxid über einer solchen zweiten Schicht bzw. einem solchen zweiten Niveau aus polykristallinem Silizium, die unter Verwendung geeigneter Masken erfolgende Definition der Geometrien des zweiten Niveaus aus polykristallinem Silizium (der Schaltungsanordnung sowie der Speicherzellen) sowie das Ätzen des zweiten Niveaus aus polykristallinem Silizium vor.
Der Herstellungsvorgang fährt dann in herkömmlicher Weise wie jedes beliebige andere Polysilizium-Gate- CMOS- oder NMOS-Verfahren fort.
Bei dem Halbleitermaterial 2, über dem die einzelnen elementaren Speichervorrichtungen gebildet sind, kann es sich auch um eine "Wannen-"Zone eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel p-dotiertes Silizium) handeln, die in einem Substrat aus einem Halbleitermaterial eines anderes Leitfähigkeitstyps (z. B. ndotiertes Silizium) ausgebildet ist.

Claims

1. Elektrisch änderbare, nicht-flüchtige Speichervorrichtung des Typs mit schwimmendem Gate, umfassend ein Substrat (2) aus Halbleitermaterial, mit einer Kanalzone (9) eines ersten Leitfähigkeitstyps, die sich zwischen einer ersten (10) und einer zweiten Zone (7) eines zweiten Leitfähigkeitstyps erstreckt, die an der Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet sind, wobei die Kanalzone eine Zone in dem Halbleiter bildet, die befähigt ist, einen elektrischen Strom zwischen der ersten und der zweiten Zone fließen zu lassen, eine das schwimmende Gate (1) bildende gemusterte Schicht eines ersten Niveaus aus einem leitenden Material, die sich im wesentlichen zwischen der ersten (10) und der zweiten Zone (7) über der Kanalzone (9) erstreckt und die durch eine erste Schicht (3) aus dielektrischem Material von dem Halbleitersubstrat und durch eine zweite Schicht (4) aus dielektrischem Material von einer gemusterten Schicht eines zweiten Niveaus aus einem leitfähigen Material isoliert ist, welche ein Steuergate (5) bildet, das das schwimmende Gate (1) überlagert, und die ferner aufweist:

einen auf der Oberfläche der ersten Zone (10) oder der zweiten Zone (7) der Halbleiteroberfläche gebildeten Tunnelbereich, wobei der Tunnelbereich durch eine dritte Schicht (8) aus dielektrischem Material bedeckt ist, die dünner als die erste Schicht (3) aus dielektrischem Material ist;

dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelbereich an einer Seite durch den unteren Teil einer sich in die Richtung senkrecht zu der Erstreckung der Kanalzone erstreckenden Seitenwand des schwimmenden Gates (1) begrenzt ist, und dadurch, daß ein verjüngter, seitlicher saumartiger Anhang (1b) aus einem leitenden Material entlang dem Teil der Seitenwand des schwimmenden Gates (1) nebengestellt ist, wobei die Basis des nebengestellten, verjüngten, seitlichen saumartigen Anhangs (1b) aus leitfähigem Material an die Oberfläche der den Tunnelbereich bedeckenden dritten Schicht (8) aus dielektrischem Material anstößt,

wobei der saumartige Anhang (1b) mit der gemusterten Schicht des ersten Niveaus aus leitfähigem Material, die das schwimmende Gate (1) bildet, verbunden ist.

2. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kanalzone (9) aus p-dotiertem Silizium besteht, die erste Zone (10) und die zweite Zone (7) aus n&spplus;-dotiertem Silizium bestehen und der Anhang (1b) einer Drainzone der Vorrichtung überlagert ist.

3. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die gemusterte Schicht (1) des ersten Niveaus und die gemusterte Schicht (5) des zweiten Niveaus aus leitfähigem Material sowie der saumartige verjüngte Anhang (1b) aus leitendem Material aus dotiertem polykristallinem Silizium bestehen.

4. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste oder Gateschicht (3) aus dielektrischem Material eine Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke zwischen 30 und 50 nm ist.

5. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dritte oder Tunnelschicht (8) aus dielektrischem Material eine Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke kleiner als 10 nm ist.

6. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Anhang (1b) aus polykristallinem Silizium besteht und durch anisotropes Ätzen einer konform abgeschiedenen Schicht aus polykristallinem Silizium von gleichförmiger Dicke gebildet ist.

7. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kanalzone (9) und die erste Zone (10) und die zweite Zone (7) allesamt in einer "Wannen"- Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps enthalten sind, die in einem Substrat aus halbleitendem Material eines zweiten Leitfähigkeitstyps gebildet ist.

8. Speichervorrichtung mit einer Anzahl von Speichervorrichtungen nach Anspruch 1, die in einem adressierbaren Feld aus Zeilen und Spalten auf dem Halbleitersubstrat angeordnet sind.

9. Speichervorrichtung nach Anspruch 8, wobei jeder einzelnen der Vorrichtungen ein funktional mit derselben in Serie geschalteter MOS- Auswähl-Transistor zugeordnet ist.

10. Speichervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Steuergate jeder der Speichervorrichtungen des Typs mit schwimmendem Gate, die zu jeder Reihe gehören, mit einer einzelnen Programmleitung verbunden ist und alle Gates der zugehörigen Auswähltransistoren mit einer einzigen Auswählleitung verbunden sind.

11. Speichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der saumartige Anhang (1b) entlang der Seitenwand des schwimmenden Gates (1) nebengestellt und von dieser durch eine isolierende Schicht (8) auf einer Länge der Seitenwand, die gleich dem Teil der Länge der Seitenwand des schwimmenden Gates (1) ist, isoliert ist, wobei der saumartige Anhang (1b) sich ohne Unterbrechungen um den gesamten Umfang des gemusterten leitenden Materials, das das schwimmende Gate (1) bildet und das direkt und in elektrischer Kontinuität an dessen Seitenwand anstößt, entlang Teilen des Umfangs außerhalb des Teils der Länge der Seitenwand fortsetzt.

12. Verfahren zum Bilden einer elektrisch änderbaren, nicht-flüchtigen Speichervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Substrat aus Halbleitermaterial mit einer in dem Substrat gebildeten Kanalzone (9) zwischen einer Drain-Zone (7) und einer Source-Zone (10) und mit einem schwimmenden Gate (1, 1b) einer leitfähigen Schicht eines ersten Niveaus auf der Kanalzone, von dem Substrat durch eine dielektrische Gateschicht (3, 8) isoliert, und mit einer über die Drain-Zone in einen Tunnelbereich vorspringenden Verlängerung, wo die Isolation (8) zwischen dem verlängerten schwimmenden Gate und der Drain-Zone durch eine dielektrische Tunnelschicht gebildet wird, die dünner als die Gatedielektrium- Schicht ist, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(a) Bilden einer Gatedielektrikum-Schicht (3) über dem Substrat;

(b) Aufbringen und Mit-Muster-Versehen einer ersten Schicht (1) eines leitfähigen Materials über der Kanalzone;

(c) Maskieren (15) und Entfernen der Gatedielektrikum-Schicht in einem ersten Bereich, der mindestens einen Teil des Umfangs der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material umfaßt, im wesentlichen einen Randteil der Drain-Zone überlappend;

(d) Bilden einer Schicht einer dielektrischen Tunnelschicht (8) über dem ersten Bereich und über der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material;

(e) Aufbringen einer Schicht des zweiten Niveaus eines leitfähigen Materials über alle genannten Schichten;

(f) Maskieren (1b) und Entfernen der Schicht des zweiten Niveaus aus leitfähigem Material und der dielektrischen Tunnelschicht in einem mindestens einen anderen Teil des Umfangs der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material einschließenden zweiten Bereich, der sich nicht mit dem Randteil der Drain-Zone überlappt;

(g) Aufbringen einer Schicht eines dritten Niveaus aus einem leitfähigen Material über alle genannten gemusterten Schichten;

(h) Anisotropes Ätzen der Schicht des dritten Niveaus aus leitfähigem Material und der Schicht des zweiten Niveaus aus leitfähigem Material, wodurch ein saumartiger Rest (1b) aus leitfähigem Material der dritten Schicht aus leitfähigem Material und der zweiten Schicht aus leitfähigem Material entlang des Umfangs der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material zurückbleibt, der damit elektrisch entlang dem anderen Teil des Umfangs der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material elektrisch verbunden ist, um die über die Drain-Zone vorspringende Verlängerung des schwimmenden Gates zu bilden;

(i) Entfernen der Gatedielektrikum-Schicht in Bereichen, die nicht durch die gemusterte Schicht des ersten Niveaus aus leitfähigem Material und durch den saumartigen Rest abgedeckt sind;

(l) Bilden einer neuen Gatedielektrikum- Schicht über den nicht bedeckten Bereichen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, welches ferner nach Schritt 1 das Aufbringen und Mit-Mustern- Versehen einer weiteren Schicht aus leitfähigem Material über der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material, die von der ersten gemusterten Schicht aus leitfähigem Material isoliert ist, umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine die weitere Schicht aus leitfähigem Material von der gemusterten ersten Schicht aus leitfähigem Material trennende, isolierende dielektrische Schicht gleichzeitig mit der neuen Gatedielektrikum-Schicht durch thermische Oxydation gebildet wird.