DE4303441A1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterbauelemente. Sie befaßt sich mit einem Konzept, welches eine verbesserte Programmierbarkeit von Antischmelzelementen in Halbleiterbauelementen, wie nicht-flüch­ tigen Speichervorrichtungen, ermöglicht.

Ein Nur-Lese- oder Festspeicher (ROM) enthält ein Feld von Halbleitervorrichtungen (Dioden, Bipolartransistoren oder Feld­ effekttransistoren), die miteinander ver­ bunden sind, um ein Feld binärer Daten (Einsen oder Nullen) zu speichern. Ein ROM besteht im wesentlichen aus einem Speicherfeld programmierter Daten und einem Decoder zur Auswahl der Daten, die sich unter einer gewünschten Adresse in dem Speicherfeld befinden.

Obwohl es drei grundsätzliche Typen von ROMs gibt, nämlich mittels Masken programmierbare ROMs, löschbare programmierbare ROMs (EPROMs) und feld-programmierbare oder am Einsatzort programmierbare ROMs (PROMs), ist die vorliegende Erfindung auf PROMs fokussiert.

PROMs werden typischerweise hergestellt mit dem Vorhandensein aller Schaltelemente in dem Speicherfeld, wobei die Verbindung an jedem Reihen-Spalten-Schnittpunkt entweder mittels eines Schmelzelementes oder mittels eines Antischmelzelementes hergestellt wird. Um Daten in dem PROM zu speichern, werden diese Elemente (entweder das Schmelzelement oder das Antischmelzelement, je nachdem, welches davon in dem Aufbau verwendet wird) selektiv programmiert unter Verwendung geeigneter Spannungsimpulse, die von einem PROM-Programmierer zugeführt werden. Wenn die Elemente einmal programmiert sind, sind die Daten permanent in dem Speicherfeld gespeichert.

Der zum Durchbrechen eines Antischmelz­ elementes erforderliche Programmierimpuls liegt jedoch normalerweise in der Nähe von 14-20 V. Wenn dieser Programmierimpuls reduziert werden könnte, wäre die Halbleitervorrichtung somit einer geringeren potentiell schädigenden Spannung ausgesetzt. Je näher der Programmierimpuls idealerweise den normalen Betriebsspannungen einer gegebenen Vorrichtung wird, desto besser ist dies, da zum Handhaben hoher Spannungen normalerweise erforderliche größere Vorrichtungen in ihrer Größe reduziert werden können, wodurch die potentiellen Probleme wie Transistor-Durchschlagen, Gate­ oxiddurchbruch usw. reduziert werden.

Die vorliegende Erfindung konzentriert sich auf eine wesentliche Verringerung des Programmierimpulses durch Entwickeln eines Antischmelzelementes, das über einem lokalen Feldanreicherungs-Diffusionsbereich angeord­ net ist.

Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Programmierbarkeit von Antischmelzelementen durch Verwendung einer lokalen Feldanreicherung eines darunterliegenden Diffusionsbereichs.

Während eines bestehenden Verfahrens zur Herstellung einer Antischmelzelemente verwendenden Halbleitervorrichtung wird nach der Bildung der Zugriffsleitungen (normalerweise Wortleitungen) ein sich selbstausrichtender Graben zwischen zwei einander benachbarten Zugriffsleitungen geätzt, um dadurch einen darunterliegenden Diffusionsbereich zu durchtrennen. Nach einem Rückätzvorgang der Zugriffsleitungs- Abstandselemente führt eine mit geringer Energie und hoher Dotierung ausgeführte Implantation zu einem Dotieren der aus dem Abstandselement-Rückätzvorgang resultie­ renden, freiliegenden Ränder des Diffusionsbereichs. Der Boden des Grabens wird dabei ebenfalls dotiert. Es wird ein Antischmelz-Dielektrikum gebildet, wonach eine zweite leitfähige Zugriffsleitung (normalerweise die Sourceleitungen) plaziert wird, so daß der Graben gefüllt wird und als programmierbares Antischmelzelement dient. Die stark dotierten Zonen in dem Diffusionsbereich gestatten nun eine Reduzierung des Programmierspannungsniveaus unter Schaffung eines ausreichenden Durchbruchs des Antischmelz-Dielektrikums.

Die vorliegende Erfindung schlägt diesen lokalen angereicherten Diffusionsbereich zwar zur Verbesserung der Programmierbarkeit von Antischmelzelementen in einem PROM vor, doch es versteht sich, daß sich diese Vorschläge auch bei anderen programmierbaren integrierten Schaltungen, wie program­ mierbaren Logikfeldern (PLAs), program­ mierbaren Matrixlogiken (PALs), dynamischen RAMs oder DRAMs und dergleichen oder einfach Logikschaltungen im allgemeinen anwenden lassen. In DRAMs zum Beispiel können Antischmelzelemente innerhalb der Schaltung ausgebildet werden, um ein Mittel für Redundanz-Reparaturen oder zur Auswahl bestimmter Optionen zu schaffen.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen eines Ausfüh­ rungsbeispiels noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Wafers der vorliegenden Erfin­ dung nach dem Aufbringen von Antischmelzelement-Dielektrikum und Wortleitungs-Polysilizium;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines im Herstellungsprozeß befindlichen Waferbereichs während der Her­ stellung eines PROM unter Dar­ stellung von zuvor entwickelten Wortleitungs-Abstandselementen sowie eines darunterliegenden Diffusionsbereichs;

Fig. 3A und 3B Querschnittsansichten des Waferbereichs der Fig. 2 nach einem Maskierschritt zur Ermög­ lichung eines anschließenden selbstausgerichteten Graben-Ätz­ vorgangs;

Fig. 4A und 4B Querschnittsansichten des Waferbereichs der Fig. 3A bzw. 3B nach einem geringfügigen Ab­ standselement-Rückätzvorgang; und

Fig. 5A und 5B Querschnittsansichten des Waferbereichs der Fig. 4A bzw. 4B nach dem Niederschlagen von Antischmelz-Dielektrikum und Wortleitungs-Polysilizium.

Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Programmierbarkeit von Anti­ schmelzelementen durch Verwendung einer lokalen Feldanreicherung eines darunter­ liegenden Diffusionsbereichs, wie dies in dem unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschriebenen Herstellungsverfahren noch näher erläutert wird.

Fig. 2 zeigt eine zusammengesetzte Querschnittsansicht eines im Herstel­ lungsprozeß befindlichen Waferbereichs wäh­ rend der herkömmlichen Herstellung eines PROM vor der Bildung eines einmal programmierbaren Elementes. Diese Querschnittsansicht zeigt die zuvor gebildeten Wortleitungen 15, die aus in ein Muster gebrachtem Polysilizium 14 und in ein Muster gebrachtem Dielektrikum 13 bestehen, welche von dem darunterliegenden Substrat 10 durch dünnes Gatedielektrikum 12 getrennt sind. Nach dem Dotieren des Diffusionsbereichs 11 auf einen gewünschten Leitfähigkeitstyp werden Wortleitungs- Abstandselemente 16 gebildet, um die Isolierung der Wortleitungen 15 dadurch zu vervollständigen. Der Diffusionsbereich 11 wird typischerweise zu Beginn auf eine N⁺- Dotierung dotiert (wie dies in Fig. 2B dargestellt ist), oder er kann vor der Bildung der Abstandselemente 16 auf eine N⁻- Dotierung (wie dies in Fig. 3A dargestellt ist) dotiert werden und dann auf eine stark dotierte Implantation (zur Bildung von Leitfähigkeit) dotiert werden, wenn ein Drainprozeß mit geringer Dotierung verwendet wird.

In den Fig. 3A und 3B wird eine Maske 21, (wie zum Beispiel ein Fotoresist) in ein Muster gebracht, um dadurch den zwischen benachbarten Wortleitungen 15 liegenden Bereich freizulegen. Als nächstes erfolgt ein Ätzvorgang, der sich in das Substrat 10 eingräbt und den Diffusionsbereich 11 durchtrennt. Durch das Vorhandensein der Abstandselemente 16 erfolgt bei der Bildung des Grabens 22 eine Selbstausrichtung desselben in bezug auf die benachbarten Wortleitungen 15.

Bei Verwendung eines Drainprozesses mit geringer Dotierung beinhaltet die vorliegende Erfindung die in den Fig. 4A und 5A dargestellten Schritte, während bei Verwendung der anfangs erfolgenden starken Implantation das Verfahren die in den Fig. 4B und 5B dargestellten Schritte beinhaltet.

Bei einem Drainprozeß mit geringer Dotierung gemäß Fig. 4A verbleibt die Maske 21, und es folgt ein Abstandselement-Ätzvorgang, wie zum Beispiel eine Fluorwasserstoff-Ätzung, zum Reduzieren der grabenseitigen Abstandselemente 16 sowie zum dadurch erfolgenden Freilegen der scharfen Ränder 31 des Diffusionsbereichs 11. Als nächstes wird eine mit geringer Energie erfolgende Implantation, wie zum Beispiel mit einer starken Dosis Arsen, durchgeführt, um dadurch den Diffusionsbereich 11 an den freiliegenden Rändern 31 auf eine N⁺- Dotierung zu dotieren. Durch diese Implantation wird auch der Boden des Grabens 22 auf N⁺-Leitfähigkeit dotiert.

Wenn kein Drainprozeß mit geringer Dotierung verwendet wird, wie dies in Fig. 4B dargestellt ist, verbleibt wiederum die Maske 21, und es erfolgt ein Abstandselement-Ätzvorgang, wie zum Beispiel eine Fluorwasserstoff-Ätzung, zum Reduzieren der grabenseitigen Abstandselemente 16 sowie zum dadurch erfolgenden Freilegen der scharfen Ränder 31 des Diffusionsbereichs 11.

An den unter Bezugnahme auf die Fig. 3A und 4A beschriebenen Drainprozeß mit geringer Dotierung und den unter Bezugnahme auf die Fig. 3B und 4B beschriebenen, nicht als Drainprozeß mit geringer Dotierung ablaufenden Vorgang schließen sich die in den Fig. 5A bzw. 5B dargestellten Schritte an. Wie in diesen Figuren zu sehen ist, wird eine konforme Schicht aus Antischmelz-Dielektrikum 41, wobei es sich normalerweise um ein dünnes Dielektrikum mit hohen Dielektrizitätszuverlässigkeitseigen­ schaften handelt, niedergeschlagen, wonach Polysilizium 42 niedergeschlagen wird. Das Polysilizium 42 füllt den Graben 22 und dient als Zugriffsleitung oder Sourceleitung zu dem Speicherfeld.

Es ist nun ein programmierbares Antischmelzelement zwischen den N⁺-dotierten Bereichen an den Rändern 31 (in dem N⁻-Dif­ fusionsbereich 11) und dem Polysilizium 42 vorhanden, wobei diese durch Antischmelz- Dielektrikum 41 voneinander getrennt sind. Die scharfen N⁺-Ränder 31 stellen die wesentliche Entwicklung bei der vorliegenden Erfindung dar (wobei diese sowohl bei dem Drainprozeß mit geringer Dotierung als auch bei dem nicht in dieser Weise erfolgenden Prozeß vorhanden sind), da diese ein hohes elektromagnetisches Feld an den Rändern 31 hervorrufen, sobald das Antischmelzelement Programmierimpulsen ausgesetzt wird, um dadurch das Dielektrikum 41 zu durchbrechen und somit das Polysilizium 42 zu den N⁺- dotierten Rändern 31 und letztendlich zu dem Diffusionsbereich 11 kurzzuschließen.

Der Aufbau des elektromagnetischen Feldes ist ausreichend stark, um das Antischmelz- Dielektrikum 41 bei einer viel niedrigeren Programmierspannung als sie herkömm­ licherweise verwendet wird, zu durchbrechen. Zum Beispiel lagen die Programmier­ spannungsimpulse herkömmlicherweise im Be­ reich von 14 bis 20 V oder darüber, und dies bedeutet, daß die fertigen Transistoren ausreichend groß sein müssen, um solche hohe Spannungsspitzen zu bewältigen, ohne dabei irgendeinen Schaden zu erleiden. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung läßt sich das Antischmelzelement unter Verwendung eines Impulses von unter 14 V programmieren, wobei sich ein Bereich von 10 bis 12 V als ausreichend erwiesen hat, wodurch sich die Zugriffstransistoren entsprechend den Programmierimpulsen verkleinern lassen, da die Programmierspannung jetzt nicht nur ein geringeres Potential hat, sondern auch ihre Dauer möglicherweise reduziert werden kann. Bei Verwendung herkömmlicher Program­ miermethoden ist zum Beispiel eine Programmierimpulsbreite von mehreren hundert µsec erforderlich, während die vorliegende Erfindung eine Reduzierung der Impulsbreite auf unter 50 µsec ermöglicht.

Im Rahmen der Erfindung sind Abweichungen gegenüber den beschriebenen Aus­ führungsformen möglich. So kann diese Methode auch für andere integrierte Schaltungen benutzt werden, die program­ mierbare Antischmelzelemente verwenden, oder es ist möglich, p-Leitfähigkeit anstatt n- Leitfähigkeit oder eine Kombination hiervon zu verwenden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verbessern der Programmierbarkeit eines einmal program­ mierbaren Elementes in einer intergrierten Schaltung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Maskieren eines an einander be­ nachbarte Zugriffsleitungen (15) angren­ zenden Diffusionsbereichs (11) unter Freilegung eines Teils des angrenzenden Diffusionsbereichs, wobei der Diffu­ sionsbereich (11) zu einem ersten Leit­ fähigkeitstyp stark dotiert ist und die Zugriffsleitungen (15) Zugriffsvorrichtungen bilden, die aktive Metalloxid-Transistoren umfassen, die darüberliegend eine Isoliereinrichtung (13) und zur Isolierung dienende dielektrische Abstandselemente (16) sowie den Diffusionsbereich (11) zur Schaffung von Source/Drain-Bereichen auf­ weisen;
• b) Grabenbildung durch den freiliegenden Diffusionsbereich (11) hindurch unter Trennung desselben sowie Bildung von Rändern in dem getrennten Diffusionsbereich, die in bezug auf die untere Außenfläche der dielektrischen Ab­ standselemente (16) selbstausgerichtet sind;
• c) Rückätzen der dielektrischen Abstandselemente (16) unter Freilegung der Ränder des getrennten Diffusionsbereichs (11);
• d) Bilden einer dielektrischen Schicht (41) in erstreckungsgleicher Weise über dem resultierenden Graben (22), den freiliegenden Rändern und den dielektrischen Abstandselementen (16); und
• e) Bilden einer leitfähigen Schicht (42) in erstreckungsgleicher Weise über der dielektrischen Schicht (41) unter Bildung eines programmierbaren Elements, welches die dielektrische Schicht (41) sandwichartig angeordnet zwischen den getrennten Diffusionsbereichen (11) und der leitfähigen Schicht (42) umfaßt.

2. Verfahren zum Verbessern der Programmierbarkeit eines einmal program­ mierbaren Elementes in einer integrierten Schaltung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Maskieren eines an einander be­ nachbarte Zugriffsleitungen (15) angren­ zenden Diffusionsbereichs (11) unter Freilegung eines Teils des angrenzenden Diffusionsbereichs, wobei der Diffu­ sionsbereich (11) zu einem ersten Leitfähigkeitstyp stark dotiert ist und die Zugriffsleitungen (15) Zugriffsvorrichtungen bilden, die aktive Metalloxid-Transistoren umfassen, die darüberliegend eine Iso­ liereinrichtung (13) und zur Isolierung dienende dielektrische Abstandselemente (16) sowie den Diffusionsbereich (11) zur Schaffung von Source/Drain-Bereichen auf­ weisen;
• b) Grabenbildung durch den frei­ liegenden Diffusionsbereich (11) hindurch unter Trennung desselben sowie Bildung von Rändern in dem getrennten Diffusionsbereich, die in bezug auf die untere Außenfläche der dielektrischen Abstandselemente (16) selbst­ ausgerichtet sind;
• c) Rückätzen der dielektrischen Abstandselemente (16) unter Freilegung der Ränder des getrennten Diffusionsbereichs (11);
• d) Dotieren der freiliegenden Ränder zur Bildung stark dotierter Ränder eines zweiten Leitfähigkeitstyps (31);
• e) Bilden einer dielektrischen Schicht (41) in erstreckungsgleicher Weise über dem resultierenden Graben (22), den freiliegenden Rändern und den dielektrischen Abstandselementen (16); und
• f) Bilden einer leitfähigen Schicht (42) in erstreckungsgleicher Weise über der dielektrischen Schicht (41) unter Bildung eines programmierbaren Elements, welches die dielektrische Schicht (41) sandwichartig angeordnet zwischen den getrennten Diffusionsbereichen (11) und der leitfähigen Schicht (42) umfaßt.

3. Verfahren zum Verbessern der Programmierbarkeit eines einmal programmierbaren Elementes in einer integrierten Schaltung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Maskieren eines an einander be­ nachbarte Zugriffsleitungen (15) angrenzen­ den N⁺-Diffusionsbereichs (11) unter Frei­ legung eines Teils des angrenzenden Diffusionsbereichs, wobei die Zugriffslei­ tungen (15) Zugriffsvorrichtungen bilden, die aktive Metalloxid-Transistoren umfassen, die darüberliegend eine Isoliereinrichtung (13) und zur Isolierung dienende dielek­ trische Abstandselemente (16) sowie den N⁺- Diffusionsbereich (11) zur Schaffung von Source-/Drain-Bereichen aufweisen;
• b) Grabenbildung durch den freiliegenden N⁺-Diffusionsbereich (11) hindurch unter Trennung desselben sowie Bildung von Rändern in dem getrennten N⁺- Diffusionsbereich, die in bezug auf die untere Außenfläche der dielektrischen Abstandselemente (16) selbstausgerichtet sind;
• c) Rückätzen der dielektrischen Abstandselemente (16) unter Freilegung der Ränder des getrennten N⁺-Diffusionsbereichs (11);
• d) Bilden einer dielektrischen Schicht (41) in erstreckungsgleicher Weise über dem resultierenden Graben (22), den freiliegenden Rändern und den dielektrischen Abstandselementen (16); und
• e) Bilden einer leitfähigen Schicht (42) in erstreckungsgleicher Weise über der dielektrischen Schicht (41) unter Bildung eines programmierbaren Antischmelzelementes, welche die dielektrische Schicht (41) sandwichartig angeordnet zwischen den getrennten N⁺-Diffusionsbereichen (11) und der leitfähigen Schicht (42) umfaßt.

4. Verfahren zum Verbessern der Programmierbarkeit eines einmal program­ mierbaren Elementes in einer integrierten Schaltung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Maskieren eines an einander benachbarte Zugriffsleitungen (15) angrenzenden N⁺-Diffusionsbereichs (11) unter Freilegung eines Teils des angren­ zenden N⁺-Diffusionsbereichs, wobei die Zugriffsleitungen (15) Zugriffsvorrichtungen bilden, die aktive Metalloxid-Transistoren umfassen, die darüberliegend eine Isoliereinrichtung (13) und zur Isolierung dienende dielektrische Abstandselemente (16) sowie den N⁺-Diffusionsbereich (11) zur Schaffung von Source-/Drain-Bereichen auf­ weisen;
• b) Grabenbildung durch den freiliegenden N⁺-Diffusionsbereich (11) hindurch unter Trennung desselben sowie Bildung von Rändern in dem getrennten Diffusionsbereich, die in bezug auf die untere Außenfläche der dielektrischen Abstandselemente (16) selbstausgerichtet sind;
• c) Rückätzen der dielektrischen Abstandselemente (16) unter Freilegung der Ränder des getrennten N⁺-Diffusionsbereichs (11);
• d) Dotieren der freiliegenden Ränder zur Bildung von N⁻-dotierten Rändern;
• e) Bilden einer dielektrischen Schicht (41) in erstreckungsgleicher Weise über dem resultierenden Graben (22), den freiliegenden Rändern und den dielektrischen Abstandselementen (16); und
• f) Bilden einer leitfähigen Schicht (42) in erstreckungsgleicher Weise über der dielektrischen Schicht (41) unter Bildung eines programmierbaren Antischmelzelementes, welches die dielektrische Schicht (41) sandwichartig angeordnet zwischen den getrennten N⁻-Diffusionsbereichen (11) und der leitfähigen Schicht (42) umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem programmierbaren Element um ein programmierbares Antischmelzelement handelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der integrierten Schaltung um eine aus der im wesentlichen aus nicht­ flüchtigen Speichervorrichtungen, program­ mierbaren Festspeichern und dynamischen RAM- Vorrichtungen bestehenden Gruppe ausgewählte Vorrichtung handelt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem ersten Leitfähigkeitstyp um einen im wesentlichen aus N⁺ und P⁺ bestehenden Gruppe ausgewählten Leit­ fähigkeitstyp handelt.

8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder während einer Anlegung eines Programmierimpulses an die Zugriffs­ vorrichtung einen Aufbau eines elektromagnetischen Feldes verursachen, das größer ist als ein resultierendes elektromagnetisches Feld, das in der übrigen Antischmelz-Zwischenfläche vorhanden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zum Programmieren des programmierbaren Elementes verwendeten Pro­ grammierimpuls um einen Spannungsimpuls mit einem Potential unter 14 V bei einer Dauer von weniger als 50 µsec handelt.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem ersten Leitfähigkeitstyp (11) um einen im wesentlichen aus der aus N⁻ und P⁻ bestehenden Gruppe ausgewählten Leitfähigkeitstyp handelt und es sich bei dem zweiten Leitfähigkeitstyp (31) um einen aus der im wesentlichen aus N⁺ und P⁺ bestehenden Gruppe ausgewählten Leitfähigkeitstyp handelt.