DD205304A1

DD205304A1 - Halbleiterspeicherelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DD205304A1
Application number: DD23678182A
Authority: DD
Inventors: Martin Pfeil; Wolfhart Bosien; Georg Kelm
Original assignee: Mikroelektronik Zt Forsch Tech
Priority date: 1982-01-15
Filing date: 1982-01-15
Publication date: 1983-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterspeicherelement, welches zur digitalen, nichtfluechtigen Informationsspeicherung eingesetzt wird, und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Ziel der Erfindung ist es, ein Halbleiterspeicherelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen Herstellung zu schaffen, bei dem das Speichergate gegenueber dem Steuergate so isoliert ist,dass die Speicherung einer grossen Ladungsmenge bei hoher Zuverlaessigkeit moeglich wird. Diese Aufgabe wird dadurch geloest, dass sich bei dem erfindungsgemaessen Halbleiterspeicherelement zwischen d.Isolierschicht(SiO tief 2-Schicht) und dem darueberbefindlichen Steuergate eine Phosphorglasschicht befindet.

Description

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Halbleiterspeicherelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterspeicherelement, welches zur digitalen, nichtflüchtigen Informationsspeicherung eingesetzt wird, und ein Verfahren zu dessen Herstellung·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Halbleiterspeicherelemente, bei denen auf einem Halbleitersubstrat, in dem eine Source- und eine Drain-Zone ausgebildet sind, über der zwischen der Source- und Drain-Zone befindlichen ersten Isolierschicht ein Speicherga-te aufgebracht ist, welches durch eine zweite Isolierschicht von einem darüberbefindlichen Steuergate getrennt ist.

Bringt man auf das gegenüber seiner Umgebung vollkommen isolierte Speichergate eine ladung auf (Programmieren), so erhöht sich gegenüber dem ungeladenem Zustand des Speichergates die Schwellspannung. Die durch die unterschiedliche Höhe der Schwellspannung erzeugten deutlich unterscheidbaren Zustände des Halbleiterspeicherelements bilden die Grundlage der digitalen Informationsspeicherung in entsprechenden Speicheranordnungen (US-P 3938 108). Bei der Herstellung derartiger Halbleiterspeicherelemente wird,wie in US-P 4087 795» US-P 4112 5O9 und DE-OS 2547 beschrieben, von einem Siliziumsubstrat von P-Leitungstyp ausgegangen. Zuerst wird das Siliziumsubstrat mit einer

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dünnen SiO₂-Schicht überzogen. Anschließend wird eine er*> ste Polysiliziumschicht aufgebracht und mit bekannten fotolithografischen Methoden strukturiert. Die entstehende strukturierte Polysiliziumschicht bildet das Speichergate. Nach dem Entfernen der SiOp-Schicht und der ersten Dotie« rung der Source- und der Drain-Zone wird eine zweite SiO₂-Schicht aufgebracht. Durch die Strukturierung der nachfolgend abgeschiedenen zweiten Polysiliziumschicht wird das Steuergate gebildet. Anschließend wird die zweite SiO₂-Schicht so entfernt, daß das Speichergate vollkommen von einer SiO_?-Schicht umgeben bleibt.

Nach der zweiten Dotierung der Source- und der Drain-Zone werden die Anschlüsse des Halbleiterspeicherelementes hergestellt.

Bei der Programmierung der durch die Zusammenschaltung einer Vielzahl von oben beschriebenen Halbleiterspeicherelementen erzeugten Speicheranordnung treten in den Isolationsschichten Feldstärken von 1 - 2 . 10 V/cm auf. Die auf dem Speichergate aufgebrachte Ladung führt in den Isolationsschichten ebenfalls zu Feldstärken bis 1 · 10 V/cm.

Bei den angegebenen Feldstärken kann durch die zur Isolation des Speichergates dienenden SiO -Schichten ein erhöhter Ladungsabfluß nicht vermieden werden.

Die begrenzte Isolationsfähigkeit trifft vor allem auf die SiO -Schicht zwischen dem Speichergate und dem Steuergate zu.

Wachstumsgrundlage dieser SiO_?-Schicht ist das Polysilizium des Speichergates. Die kristalline MikroStruktur und die Oberflächenrauhigkeit des Polysiliziums bewirken, daß die wachsende SiO₂-Schicht gegenüber einer SiO₂-Schicht, die auf einer glatten einkristallinen Unterlage aufgewachsen wurde, schlechtere Eigenschaften aufweist. Die erhöhte Defektdichte führt zu einem vorzeitigen Zusammenbruch der Isolationsfähigkeit. Hinzu kommen Feldstärkeüberhöhungen an den Spitzen der rauhen Polysiliziumoberflache, die zu einen beschleunigten Ladungsabfluß beitragen,

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obwohl die mittlere Feldstärke unterhalb des kritischen Wertes liegt. Das bedeutet, daß durch die Eigenschaften der SiOp-Schicht die Menge an elektrischer Ladung, die auf das Speichergate aufgebracht werden kann, begrenzt ist und sich nach dem Aufbringen (Programmieren) allmählich verringert.

Ein Halbleiterspeicherelement wird innerhalb einer Speicheranordnung aber nur als programmiert erkannt, wenn seine Schwellspannung hinreichend hoch ist. Durch die beschriebenen Prozesse des Ladungsverlustes wird die Zeitdauer, während der die als Ladung gespeicherte Information erhalten bleibt, begrenzt.

Diese Zeitdauer kann beträchtlichen Schwankungen unterliegen, d.h. der Ladungsverlust kann momentan eintreten (sofort nach Programmierung) oder sich über Jahre erstrecken.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Halbleiterspeicherelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, das die Speicherung einer großen Ladungsmenge mit hoher Zuverlässigkeit gewährleistet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Halbleiterspeicherelement zu schaffen, bei dem das Speichergate gegenüber dem Steuergate so isoliert ist, daß die Speicherung einer großen Ladungsmenge bei hoher Zuverlässigkeit möglich wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterspeicherelementes anzugeben. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Halbleiterspeicherelement zwischen der Isolierschicht, die das Speichergate umschließt und dem darüberbefindlichen Steuergate eine Phosphorglasschicht aufgebracht ist. Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterspeicherelements wird in bekannter Weise auf ein Halbleiter-

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substrat eine erste Isolierschicht mit darüberliegendem Speichergate gebildet, eine Source- und eine Drain-Zone ausgebildet und über dem Speichergate eine zweite Isolierschicht, bestehend aus SiOp, gebildet, über die zweite Isolierschicht wird erfindungsgemäß eine dünne hochkonzentrierte Phosphorglasschicht abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt bei Temperaturen von 900 bis 1000 ⁰C und einem hohen Phosphorangebot, wodurch eine oberflächliche Aufschmelzung der darunterliegenden Isolierschicht erreicht wird.

Durch die Phosphorglasschicht und die mit der Aufschmelzung verbundenen Strukturumbildungen der Isolierschicht werden grobe Defekte, z.B. Mikroporen, beseitigt und die Durchbruchsfeldstärke erhöht.

Anschließend erfolgt in bekannter Weise das Aufbringen des Steuergates, das Abscheiden einer Silox-Schicht, das Einbringen von Kontaktfenstern und das Aufdampfen von Aluminiumleitbahnen.

Ausführungsbeispiel

Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen HalbleiterSpeicherelements, bei dem in einem Halbleitersubstrat eine Source-Zone und eine Drain-Zone ausgebildet sind und bei dem über der auf dem Halbleitersubstrat im Gatebereich zwischen Source- und Drain-Zone befindlichen ersten Isolierschicht ein Speichergate aufgebracht ist, welches durch eine zweite Isolierschicht, über dem sich eine dünne Phosphorglasschicht befindet, von einem Steuergate .getrennt ist, soll nachstehend an Hand eines Beispiels erläutert werden.

Ausgangsmaterial ist ein p-leitendes, ein-kristallines Siliziummaterial der Orientierung (100) mit einem spezifischen Widerstand von 10 - 20 Si cm.

In bekannter Weise wird mittels Si^N.-Masken _} thermischer Oxidation sowie Borimplantation in die Siliziumoberfläche

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die Schwellspannung des Halbleiterspeicherelementes eingestellt. Anschließend erfolgen die erste Gateoxydation, die erste Polysiliziumabscheidung und eine Phosphorvorbelegung zur starken Dotierung der Polysiliziumschicht. Mit bekannten fotolithografischen und Ä'tztechniken wird durch Strukturierung der ersten Polysiliziumschicht ein Speichergate gebildet.

Nach dem mittels Phosphorimplantation auf dem ersten Gateoxid die Source- und Drain-Gebiete erzeugt wurden, wird durch eine zweite Gateoxydation das Speichergate vollkommen mit SiOp umkleidet. Um die Isolation des Speichergates zu verbessern, wird auf das zweite Gateoxid eine Phosphorglasschicht abgeschieden.

Diese Phosphorglasschichtabscheidung erfolgt bei ca.. 1000 ⁰C und unter Verwendung eines Stickstoffgasstromes, dem Phosphoroxychlorid und Sauerstoff beigemischt sind, in einem Diffusionsofen.

Der Gehalt an Phosphoroxychlorid im Stickstoffgasstrom sowie die Zeitdauer der Phosphoroxychloridbeimisehung steuert die Phosphorkonzentration in der Phosphorglasschicht. Eine hohe Wirksamkeit der Phosphorglasschicht wird erreicht, wenn der Schichtwiderstand an einer unbedeckten Siliziumscheibe, die sich während der Phosphorglasabscheidung als Kontrollscheibe mit am Diffusionsofen befindet, 8 ± 2 & beträgt.

Erfolgt die Phosphorglasab scheidung bei ca. 9OO °C,,schließt sich eine Inertgastemperung bei 1000 ⁰C an. Nach der Erzeugung der Phosphorglasschicht erfolgt die zweite Polysiliziumabscheidung.

Durch Strukturierung der zweiten Polysiliziumschicht wird das Steuergate hergestellt.

Nachdem durch einen Ätzschritt die Oxidschichten von dem Source-Drain-Gebieten entfernt wurden, wird eine zweite Source-Drain-Diffusion, die auch das Steuergate dotiert, durchgeführt.

Anschließend wird das Halbleiterspeicherelement durch Abscheiden einer Siloxschicht, Einbringen von Kontaktfenstern und Aufdampfen von Aluminiumleitbahnen komplettiert.

Claims

Erfindungsanspruch

1. Halbleiterspeicherelement, bei dem in einem Halbleitersubstrat eine Source-Zone und eine Drain-Zone ausgebildet sind und bei dem über der auf dem Halbleitersubstrat im G-atebereich zwischen Source- und Drain-Zone befindlichen ersten Isolierschicht ein Speichergate aufgebracht ist, welches durch eine zweite Isolierschicht von einem Steuergate getrennt ist, gekennzeichnet dadurch, daß sich zwischen der zweiten Isolierschicht und dem Steuergate eine dünne Phosphorglasschicht befindet.
2. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterspeicherelements nach Punkt 1, bei dem auf ein Halbleitersubstrat eine erste Isolierschicht mit darüberliegendem Speichergate gebildet wird, eine Source- und eine Drain-Zone ausgebildet werden, danach über dem Speichergate eine zweite Isolierschicht erzeugt wird und anschließend auf die zweite Isolierschicht ein Steuergate aufgebracht wird, gekennzeichnet dadurch, daß nach Erzeugen der zweiten Isolierschicht eine dünne Phosphorglasschicht bei einer bestimmten Temperatur, insbesondere bei ca. 1000 ⁰C, abgeschieden wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterspeicherelements nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Aufbringen der Phosphorglasschicht unter Verwendung von Phosphoroxychlorid und Sauerstoff in einem Diffusionsofen erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterspeicherelements naoh Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Phosphorglasschicht bei ca. 900 ⁰C abgeschieden wird und anschließend eine Inertgastemperung bei 1000 ⁰C erfolgt .