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    • 专利摘要:
    EinFeldeffekt-Halbleiterschalter umfasst eine Halbleiterschicht (10)mit einer Oberflächhe (12),einen ersten und einen zweiten Halbleiterbereich (14, 16) in derHalbleiterschicht (10), die nebeneinander an der Oberfläche (12)der Halbleiterschicht (10) angeordnet sind, eine Isolierschicht(18) zwischen dem ersten Halbleiterbereich (14) und dem zweitenHalbleiterbereich (16) und einen Halbleiterstreifen (20) auf derOberfläche(12) der Halbleiterschicht (10), der mit dem ersten Halbleiterbereich (14)und dem zweiten Halbleiterbereich (16) überlappt und an diese angrenzt.Ein Gate (24) überlapptmit dem Halbleiterstreifen (20) zumindest im Bereich der Isolierschicht (18).Ein Gate-Dielektrikum (22) isoliert das Gate (24) von dem Halbleiterstreifen(20), dem ersten Halbleiterbereich (14) und dem zweiten Halbleiterbereich(16). Der Halbleiterstreifen (20) und das Gate (24) hinsichtlichseiner lateralen Ausdehnung sind so ausgebildet, dass der Halbleiterstreifen(20) bei einer ersten vorbestimmten Gate-Spannung elektrisch isolierendist und bei einer zweiten vorbestimmten Gate-Spannung elektrischleitfähigist, wodurch der erste und der zweite Halbleiterbereich (14, 16)bei der ersten vorbestimmten Gate-Spannung von einander elektrischisoliert und bei der zweiten vorbestimmten Gate-Spannung durch denHalbleiterstreifen (20) elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.
    公开号:DE102004012629A1
    申请号:DE200410012629
    申请日:2004-03-16
    公开日:2005-10-13
    发明作者:Marcin Gnat；Ralf Schneider；Stefan Schröder；Jörg Dr. Vollrath
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:H01L21-336
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Feldeffekt-Halbleiterschaltermit einem geringen Leckstrom, der insbesondere als bzw. anstelle einesAuswahltransistors einer Speicherzelle eines Speicherbauelementsverwendbar ist.
    [0002] Transistoren,insbesondere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs;MOSFET = Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), findenzahlreiche Anwendungen in allen Bereichen der Elektronik, von derLeistungselektronik bis zu hoch integrierten Schaltkreisen, beispielsweise Speicherbauelementen.
    [0003] Mitder zunehmenden Verringerung der Strukturgrößen bei integrierten Bauelementenund der damit verbundenen Skalierung der Feldeffekttransistorensind verschiedene Probleme zu überwinden.Dazu zähleninsbesondere die Diffusion des Source- oder Drain-Bereichs bzw. von derenDotierstoffen in den Kanalbereich unterhalb des Gates und die Ausbildungvon Raumladungsbereichen zwischen den Source- und Drain-Bereicheneinerseits und dem Kanal-Bereich andererseits. Beide Effekte verringerndie effektive Längedes Gates. Damit die effektive Längedes Gates einen Mindestwert aufweist, muss deshalb der Abstand zwischendem Source- und dem Drain-Bereich eine Mindestgröße aufweisen und kann nichtim erwünschtenMaß verkleinertwerden. Dadurch wird die weitere Miniaturisierung verhindert odereingeschränkt.
    [0004] Einegraduelle Verbesserung wird herkömmlichdurch so genannte Halo-Implantationen an den pn-Übergängen oder durch eine Verringerungder Implantationsdosis erreicht. Die Halo-Implantation ist aufwändig, dasie zusätzlicheVerfahrensschritte erfordert. Die Verringerung der Implantationsdosis verringertdie Anzahl der Freiheitsgrade beim Entwurf des Bauelements und hatinsbesondere eine Verringerung der Ladungsträgerdichte und der elektrischen Leitfähigkeitzur Folge.
    [0005] Insoweitdie Verkürzungder effektiven Länge desGates nicht verhindert oder kompensiert wird, hat sie eine Erhöhung desLeckstroms bzw. eine Verringerung des Source-Drain-Widerstands im ausgeschaltetenZustand des Feldeffekttransistors zur Folge. Wenn der Feldeffekttransistorder Auswahltransistor einer Speicherzelle einer Speicherschaltung ist,hat der erhöhteLeckstrom eine schnellere Entladung des Speicherkondensators zurFolge. Dies wiederum erfordert eine Erhöhung der Kapazität des Speicherkondensatorsoder eine Verkürzungder Auffrischzyklen des Speicherbauelements. Beides wirkt sich ungünstig aufden Leistungsbedarf und den Temperaturhaushalt des Elements aus.
    [0006] DieAufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Feldeffekt-Halbleiterschaltermit einem geringen Leckstrom und ein Verfahren zu seiner Herstellungzu schaffen.
    [0007] DieseAufgabe wird durch einen Feldeffekt-Halbleiterschalter gemäß Anspruch1 und ein Verfahren gemäß Anspruch11 gelöst.
    [0008] BevorzugteWeiterbildungen sind in den abhängigeAnsprüchendefiniert.
    [0009] Dievorliegende Erfindung beruht auf der Idee, zwei nebeneinander liegendeHalbleiterbereiche unter einer Oberfläche eines Substrats durch eineIsolierschicht voneinander elektrisch zu isolieren und einen Halbleiterstreifenauf der Oberflächedes Substrats vorzusehen, der mit jedem der beiden Halbleiterbereiche überlappt,und dessen Leitfähigkeitdurch ein darüberliegendes Gate schaltbar ist.
    [0010] EinVorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die lateralenAbmessungen desselben weitgehend frei gewählt werden können, dakeine Rücksichtauf Diffusionslängenvon Dotierstoffen oder auf Raumladungszonen genommen werden muss.Laterale Mindestabmessungen werden im Wesentlichen nur durch dieDicke der Isolierschicht zwischen den beiden Halbleiterbereichenbestimmt. Diese Isolierschicht kann jedoch ohne weiteres sehr dünn ausgeführt werden.
    [0011] Dererfindungsgemäße Feldeffekt-Halbleiterschalterist insbesondere als Feldeffekttransistor ausführbar, bei dem einer der beidenHalbleiterbereiche eine Transistorelektrode, insbesondere ein Source- oderDrain-Bereich, ist, und bei dem der andere Halbleiterbereich einenKanal-Bereich aufweist. Der Kanal-Bereich überlappt an einem Ende mitdem Halbleiterstreifen und grenzt vorzugsweise an die Isolierschicht.Das gegenüberliegendeEnde des Kanal-Bereichs grenzt an eine zweite Transistorelektrode.Das Gate überlapptden Kanal-Bereichvollständig.Durch verschiedene vorbestimmte Spannungen bzw. Potenziale an demGate sind die elektrischen Leitfähigkeitensowohl des Kanal-Bereichs als auch des Halbleiterstreifens schaltbar.
    [0012] Dabei dem erfindungsgemäßen Feldeffekttransistorim ausgeschalteten Zustand nicht nur der Kanal-Bereich sondern auchder Halbleiterstreifen verarmt ist, resultiert ein besonders hoherSource-Drain-Widerstand und damit ein besonders niedriger Leckstrom.
    [0013] EineVariante des erfindungsgemäßen Feldeffekttransistorsumfasst an beiden Seiten der Isolierschicht Kanal-Bereiche. Andersausgedrückt,ist bei dieser Variante gegenübereinem herkömmlichen Feldeffekttransistorder Kanal-Bereich durch die Isolierschicht unterbrochen.
    [0014] Auchwenn aufgrund einer Diffusion von Dotierstoffen von einer Transistorelektrodein den Kanal-Bereich oder aufgrund einer Raumladungszone, welcheden Kanal-Bereich zu einem erheblichen Teil erfüllt, der Kanal-Bereich im ausgeschaltetenZustand einen unerwünschtniedrigen Widerstand aufweist, wird aufgrund des hohen elektrischenWiderstands des vollständigverarmten Halbleiterstreifens insgesamt ein hoher Source-Drain-Widerstanderzielt.
    [0015] Esist vorteilhaft den Halbleiterstreifen erst nach allen Prozessschritten,bei denen das Substrat höherenTemperaturen ausgesetzt ist, zu erzeugen. Dadurch wird eine Diffusionvon Dotierstoff aus oberflächennahenBereichen des Substrats in den Halbleiterstreifen verhindert.
    [0016] Gemäß einembesonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein integriertesHalbleiterbauelement einen erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterschalter.
    [0017] Dererfindungsgemäße Feldeffekt-Halbleiterschalterist besonders vorteilhaft als bzw. anstelle eines Auswahltransistorseiner Speicherzelle in einem Speicherbauelement verwendbar. Gemäß einembesonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Speicherbauelementeinen erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterschalterund einen Speicherkondensator, wobei einer der beiden Halbleiterbereiche desFeldeffekt-Halbleiterschalters mit einer Kondensatorelektrode desSpeicherkondensators verbunden ist.
    [0018] Gemäß einembevorzugten Ausführungsbeispielist der Speicherkondensator ein Grabenkondensator. Vorzugsweiseumfasst das Substrat eine Bauelement-Halbleiterschicht an der Oberfläche und darunterund von dieser isoliert eine leitfähige Schicht, mit der die äußere Kondensatorelektrode desGrabenkondensators verbunden ist. Das obere Ende der inneren Kondensatorelektrodedes Grabenkondensators geht in einen der beiden Halbleiterbereichedes Feldeffekt-Halbleiterschalters über. Ein Isolierkragen oderIsolatorkragen, der die innere Kondensatorelektrode bzw. den Halbleiterbereichim Bereich der Bau element-Halbleiterschicht lateral umgibt und vonder Bauelement-Halbleiterschicht elektrisch isoliert, bildet dieIsolierschicht des Feldeffekt-Halbleiterschalters. Bei einem Arrayderartiger Speicherzellen aus je einem erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterschalterund einem Grabenkondensator bilden entlang einer Richtung nebeneinanderangeordnete Gates eine Wortleitung. Die nicht direkt mit den innerenKondensatorelektroden verbundenen Halbleiterbereiche der entlangder dazu senkrechten Richtung nebeneinander angeordneten Feldeffekt-Halbleiterschaltersind mit einer Bitleitung verbunden.
    [0019] Nachfolgendwerden bevorzugte Ausführungsbeispieleder vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figurennäher erläutert. Eszeigen:
    [0020] 1 eineschematische Schnittdarstellung eines Feldeffekt-Halbleiterschalters gemäß einem erstenbevorzugten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung;
    [0021] 2 eineschematische Schnittdarstellung eines Feldeffekt-Halbleiterschalters gemäß einem zweitenbevorzugten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung; und
    [0022] 3 eineschematische Schnittdarstellung eines Speicherbauelements gemäß einemweiteren bevorzugten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung.
    [0023] 1 isteine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch eineHalbleiterschicht, die vorzugsweise als ein Substrat 10 miteiner Oberfläche 12 ausgebildetist. Beispielsweise ist die in 1 dargestellteHalbleiterschicht eine selbsttragende Schicht, die ohne Beschränkung derAllgemeinheit als Substrat bezeichnet wird. Alternativ ist die dargestellteSchicht auf einer oder mehreren nicht dargestellten Schichten angeordnet.Beispielsweise ist sie auf einer isolierenden Schicht oder einemIsolator wie Glas, Keramik, Kunststoff, Korund oder Saphir angeordnetoder auf einer Halbleiterschicht mit Majoritätsladungsträgern mit entgegengesetztem Vorzeichen,so dass sich dazwischen ein (gesperrter) pn-Übergang ausbildet.
    [0024] Indem Substrat 10 sind ein erster Halbleiterbereich 14 undein zweiter Halbleiterbereich 16 benachbart zueinanderangeordnet. Die beiden Halbleiterbereiche 14, 16 bestehenjeweils aus einem n- oder p-dotierten und damit elektrisch leitfähigen Halbleitermaterial.Das Halbleitermaterial ist beispielsweise Silizium, Germanium oderGalliumarsenid.
    [0025] Zwischenden Halbleiterbereichen 14, 16 ist eine dünne Isolierschicht 18 angeordnet,welche die Halbleiterbereiche 14, 16 voneinanderelektrisch isoliert. Ein Halbleiterstreifen 20 ist aufder Oberfläche 12 desSubstrats 10 angeordnet und überlappt mit jedem der beidenHalbleiterbereiche 14, 16, wobei er jeden derbeiden Halbleiterbereich 14, 16 nicht vollständig überlappenmuss. Der Halbleiterstreifen 20 weist ein Halbleitermaterialauf, das vorzugsweise mit dem Halbleitermaterial von einem oderbeiden Halbleiterbereichen 14, 16 übereinstimmt.Das Halbleitermaterial des Halbleiterstreifens 20 ist vorzugsweisedotiert, wobei das Vorzeichen der Majoritätsladungsträger mit dem der Halbleiterbereiche 14, 16 übereinstimmt.
    [0026] Über demHalbleiterstreifen 20 sind ein Gate-Dielektrikum 22 unddarüberein Gate 24 angeordnet. Das Gate-Dielektrikum erstrecktsich in lateraler Richtung mindestes so weit, dass das Gate 24 zuverlässig vondem Halbleiterstreifen 20 getrennt und elektrisch isoliertist. Vorzugsweise erstreckt sich das Gate-Dielektrikum darüber hinaus über dengesamten Halbleiterstreifen 20. Das Gate 24 erstreckt sichlateral mindestes so weit, dass es sowohl mit dem ersten Halbleiterbereich 14 alsauch mit dem zweiten Halbleiterbereich 16 überlappt.Das Gate 24 kann die gleiche Größe und laterale Form wie der Halbleiterstreifen 20 aufweisenoder aber klei ner oder größer alsdieser sein und ihn teilweise oder vollständig überlappen.
    [0027] Aufgrundder Anordnung und der elektrischen Isolationseigenschaft der Isolierschicht 18 gibt esnur einen einzigen möglichenStrompfad zwischen dem ersten Halbleiterbereich 14 unddem zweiten Halbleiterbereich 16. Dieser Strompfad führt über denHalbleiterstreifen 20. Die elektrische Verbindung zwischenden Halbleiterbereichen 14, 16, bzw. ihr Widerstandwird somit durch den Halbleiterstreifen 20 bestimmt.
    [0028] DerHalbleiterstreifen 20 ist, insbesondere hinsichtlich seinerDicke und seiner Dotierung, so ausgebildet, dass er durch eine erstevorbestimmte Spannung an dem Gate 24 vollständig verarmtwird bzw. keine bewegbaren Ladungsträger mehr aufweist, und beieiner zweiten vorbestimmten Spannung an dem Gate 24 bewegbareelektrische Ladungsträger(Elektronen oder Löcher)aufweist und somit elektrisch leitfähig ist. Durch das Anlegenvon Spannungen zwischen der ersten vorbestimmten Spannung und derzweiten vorbestimmten Spannung an das Gate 24 sind variableZwischenwerte des elektrischen Widerstandes des Halbleiterstreifens 20 einstellbar.
    [0029] Gemäß einerVariante der vorliegenden Erfindung überlappt das Gate 24 miteinem oder beiden Halbleiterbereiche 14, 16 nicht,sondern reicht in lateraler Richtung nur bis zum Rand des jeweiligen Halbleiterbereichs 14, 16 oderzu den Rändernder Halbleiterbereiche 14, 16. Die in Stromflussrichtung gemesseneMindestlängedes Gates entspricht somit der Dicke der Isolierschicht 18.Dies hat zur Folge, dass die elektrische Leitfähigkeit eines nur minimal kurzenAbschnitts des Halbleiterstreifens 20 durch das Gate beeinflusstwird.
    [0030] Umdie beschriebene Schaltfunktion des Halbleiterstreifens 20 zuerhalten, weist dieser vorzugsweise eine Dicke von 50 nm oder wenigerauf. Besonders bevorzugt weist der Halbleiterstreifen 20 eineDicke von 10 nm oder weniger auf. Bei einer so geringen Dicke istes ohne weiteres möglich,mit einer relativ geringen Spannung an dem Gate 24 den Halbleiterstreifen 20 vollständig zuverarmen und damit einen hohen elektrischen Widerstand zwischen denHalbleiterbereichen 14, 16 herbeizuführen. Der Halbleiterstreifen 20 bestehtvorzugsweise aus polykristallinem oder aus epitaktisch abgeschiedenem monokristallinenHalbleitermaterial, insbesondere Silizium. Wenn der Halbleiterstreifen 20 n-dotiertist, kann er durch Anlegen einer negativen Spannung an das Gate 24 verarmtwerden.
    [0031] 2 isteine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch einenFeldeffekt-Halbleiterschalter gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 10 weist unterder Oberfläche 12 eineBauelement-Halbleiterschicht 30 auf, welche unmittelbar andie Oberfläche 12 angrenzt.In der Bauelement-Halbleiterschicht 30 sind ein ersterHalbleiterbereich 14 und ein zweiter Halbleiterbereich 16 angeordnet,die durch eine Isolierschicht 18 voneinander getrennt undelektrisch isoliert sind. Auf der Oberfläche 12 des Halbleitersubstrats 10 istein Halbleiterstreifen 20 angeordnet, der sowohl mit demersten Halbleiterbereich 14 als auch mit dem zweiten Halbleiterbereich 16 überlappt. Über demHalbleiterstreifen 20 sind ein Gate-Dielektrikum 22 unddarüberein Gate 24 angeordnet. Das Gate-Dielektrikum 22 isoliertdas Gate 24 von dem Halbleiterstreifen 20 und demersten Halbleiterbereich 14.
    [0032] Angrenzendan den ersten Halbleiterbereich 14 ist ein dritter Halbleiterbereich 32 inder Bauelement-Halbleiterschicht 30 angeordnet, der vonder Isolierschicht 18 und dem zweiten Halbleiterbereich 16 räumlich beabstandetist. Das Gate 24 überlappt jeweilszumindest teilweise mit dem ersten Halbleiterbereich 14,dem zweiten Halbleiterbereich 16, dem dritten Halbleiterbereich 32 unddem Halbleiterstreifen 20. Kontakte 34, 36 ausleitfähigemMaterial, beispielsweise polykristallinem Halbleitermaterial oder Metall,kontaktieren den zweiten Halbleiterbereich 16 und den drittenHalbleiterbereich 32. Ein Isolator 38 ist zwischen denKontakten 34, 36 und dem Gate 24 angeordnetund isoliert dieselben voneinander.
    [0033] Dasin 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegendenErfindung weist Merkmale und Eigenschaften eines Feldeffekttransistorsauf. Der zweite und der dritte Halbleiterbereich 16, 32 bilden Transistorelektroden,die beim herkömmlichenFeldeffekttransistor als Source-Bereich bzw. Drain-Bereich bezeichnetwerden. Sie sind vorzugsweise hoch dotiert und weisen beide diegleichen Majoritätsladungsträger auf.
    [0034] Dererste Halbleiterbereich 14 ist vorzugsweise schwach dotiertund weist beispielsweise Majoritätsladungsträger desentgegengesetzten Vorzeichens auf. Im ersten Halbleiterbereich 14 bildetsich in einem Kanal-Bereich 40 an der Oberfläche 12 des Substrats 10 abhängig vonder Spannung am Gate 24 ein leitfähiger Kanal aus. Dieser verbindetjedoch nicht direkt Source- und Drain-Bereich miteinander. Eineelektrisch leitfähigeVerbindung zwischen dem dritten Halbleiterbereich 32 unddem zweiten Halbleiterbereich 16 ist vielmehr nur über denKanal-Bereich 40 und den Halbleiterstreifen 20 möglich.
    [0035] DieSpannung an dem Gate 24 steuert neben der Leitfähigkeitdes Kanal-Bereichs 40 auch die Leitfähigkeit des Halbleiterstreifens 20.Auch wenn die elektrische Leitfähigkeitdes Kanal-Bereichs 40 aufgrund einer Ausdiffusion von Dotierstoffaus dem dritten Halbleiterbereich 32 in den ersten Halbleiterbereich 14 oderaufgrund einer ausgedehnten Raumladungszone nicht oder nicht ohneweiteres verarmbar ist, ist doch der dünne Halbleiterstreifen 20 durch Anlegeneiner entsprechenden Spannung an das Gate 24 ohne weiteresvollständigverarmbar. Der in 2 dargestellte erfindungsgemäße Feldeffekt-Halbleiterschalterweist deshalb einen besonders niedrigen Leckstrom bzw. einen besondershohen Source-Drain-Widerstand auf.
    [0036] Inder Darstellung in 2 erstreckt sich die Isolierschicht 18 ähnlich wiein 1 in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche 12 vonder Oberfläche 12 sotief in das Substrat, dass keine oder nur eine sehr hochohmige elektrischeVerbindung zwischen dem ersten Halbleiterbereich 14 unddem zweiten Halbleiterbereich 16 besteht. Dazu erstreckt sichdie Isolierschicht 18, vorzugsweise wie in 2 dargestellt, über diegesamte Dicke der Bauelement-Halbleiterschicht 30.Die Isolierschicht 18 kann beispielsweise durch einen miteinem elektrisch isolierenden Material gefüllten tiefen Graben (deep trench)gebildet werden.
    [0037] Alternativumgibt eine entsprechende Isolierschicht den zweiten Halbleiterbereich 16 wannenförmig vollständig biszur Oberfläche 12.Diese Alternative ist besonders vorteilhaft, wenn der zweite Halbleiterbereich 16 gebildetwird, indem zunächstunter der Oberfläche 12 eineentsprechende Ausnehmung in der Bauelement-Halbleiterschicht 30 gebildetwird. Diese Ausnehmung wird dann vollständig durch eine Isolierschichtausgekleidet, beispielsweise durch eine thermische Oxidation oderdurch Abscheiden eines Isolators. Anschließend wird die Ausnehmung durchHalbleitermaterial gefüllt,welches dann den zweiten Halbleiterbereich 16 bildet.
    [0038] Merkmaleder anhand der 1 und 2 dargestelltenAusführungsbeispielesind ohne weiteres kombinierbar. Beispielsweise ist es für die vorliegendeErfindung völligunerheblich, auf welche Weise der erste Halbleiterbereich 14 undder zweite Halbleiterbereich 16 voneinander elektrischisoliert sind. Der erste Halbleiterbereich 14 und/oderder zweite Halbleiterbereich 16 können wie oben anhand der 2 ausgeführt, durcheine wannenförmigeIsolationsschicht isoliert sein. Alternativ sind sie wie in den 1 und 2 dargestellt,in lateraler Richtung durch eine Isolierschicht 18 voneinanderisoliert. Diese Isolierschicht 18 kann, wie es durch dieschematische Darstellung in 1 nahe gelegtist, die Halbleiterschicht, in der die Halbleiterbereiche 14, 16 angeord netsind, bzw. das Substrat 10 in seiner gesamten Dicke durchziehenoder auch nur eine Bauelementschicht 30, wie es in 2 dargestelltist. Eine Isolation gegenübergegebenenfalls angrenzenden elektrisch leitfähigen Schichten des Halbleitersubstrats 10 erfolgtdann übereine vergrabene Isolierschicht, einen gesperrten pn-Übergangoder andere Maßnahmen.Ferner ist es möglich,dass die Isolierschicht 18 bis in eine Tiefe des Substratsreicht, in der dieses undotiert ist und damit eine geringe elektrischeLeitfähigkeitaufweist.
    [0039] In 2 grenztdie Isolierschicht 18 einseitig an einen Kanal-Bereich 40,dessen elektrische Leitfähigkeitdurch das Gate 24 gesteuert wird. Die andere Seite derIsolierschicht 18 grenzt an den zweiten Halbleiterbereich 16,der eine permanente (hohe) elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bei einerweiteren Variante des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterschalterssind an beiden Seiten der Isolierschicht 18 Kanal-Bereicheangeordnet, deren elektrische Leitfähigkeit über das oder die elektrostatischenPotenziale von einem oder auch mehreren Gates veränderbarsind.
    [0040] Deroder die Kanal-Bereiche 40 und der Halbleiterstreifen 20 übernehmendabei vorzugsweise unterschiedliche elektrische Funktionen. Der Halbleiterstreifen 20 ermöglicht einensehr hochohmigen ausgeschalteten Zustand des Feldeffekt-Halbleiterschaltersmit einem geringen Leckstrom, währendder Kanal-Bereich 40 füranaloge Anwendungen eine feine Einstellung des Widerstands ermöglicht.
    [0041] Wieoben bereits dargestellt wurde, kann ein erfindungsgemäßer Feldeffekt-Halbleiterschalter ohneweiteres stark miniaturisiert werden, da sein Leckstrom im ausgeschaltetenZustand nicht oder nicht wesentlich durch eine Ausdiffusion vonDotierstoff oder durch Raumladungszonen erhöht wird. Feldeffekt-Halbleiterschaltergemäß der vorliegendenErfindung sind deshalb besonders für integrierte analoge und digitaleHalb leiterbauelemente und insbesondere für Speicherbauelemente geeignet.
    [0042] Beieinem Speicherbauelement gemäß der vorliegendenErfindung tritt ein erfindungsgemäßer Feldeffekt-Halbleiterschalteran die Stelle eines herkömmlichenAuswahltransistors. Je nach der konkreten Ausgestaltung des Feldeffekt-Halbleiterschalters unddes Speicherkondensators weisen diese gemeinsame Merkmale auf, welchegleichzeitig Funktionselemente des Speicherkondensators und des Feldeffekt-Halbleiterschalterssind. Dies bewirkt eine weitere Miniaturisierung und damit eineReduzierung des Chipflächenbedarfsund der Herstellungskosten. Ein Beispiel für ein solches Speicherbauelementwird nachfolgend anhand der 3 beschrieben.
    [0043] 3 isteine schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch einSpeicherbauelement gemäß einembevorzugten Ausführungsbeispielder vorliegenden Erfindung. Ein Substrat 10 weist an seinerOberfläche 12 einevorzugsweise schwach dotierte Bauelement-Halbleiterschicht mit Majoritätsladungsträgern einesersten Vorzeichens auf. Darunter weist das Substrat 10 einevergrabene Halbleiterschicht 50 mit Majoritätsladungsträgern eineszweiten, entgegengesetzten Vorzeichens auf. In einem Bereich 52 unterder vergrabenen Halbleiterschicht 50 weist das Substrat 10 Majoritätsladungsträger desgleichen Vorzeichens auf wie in der Bauelement-Halbleiterschicht 30. Die Bauelement-Halbleiterschicht 30 undder Bereich 52 des Substrats 10 sind somit durchpn-Übergänge zwischender Bauelement-Halbleiterschicht 30 und der vergrabenen Halbleiterschicht 50 sowiezwischen der vergrabenen Halbleiterschicht 50 und dem Bereich 52 voneinanderelektrisch isoliert.
    [0044] Indem Substrat 10 ist ein Grabenkondensator angeordnet, dersich in vertikaler Richtung von der Oberfläche 12 bis in denBereich 52 des Substrats 10 erstreckt. Der Bereich 52 des Substrats 10 bildetdie äußere Kondensatorelektrodedes Grabenkondensators. Eine Isolierschicht 18 umgibt eineinnere Kondensatorelektrode 16 wannenförmig im Wesentlichen vollständig understreckt sich insbesondere bis zu der Oberfläche 12 des Substrats 10.Die Isolierschicht 18 isoliert die innere Kondensatorelektrode 16 vondem Bereich 52 und von umgebenden Bereichen der Bauelementschicht 30.Da die Isolierschicht 18 das Dielektrikum des Grabenkondensatorsbildet, ist sie vorzugsweise möglichstdünn undweist eine möglichsthohe relative Permitivitätbzw. Dielektrizitätskonstanteauf.
    [0045] EineTransistorelektrode 32 ist in der Bauelement-Halbleiterschicht 30 unterder Oberfläche 12 desSubstrats 10 angeordnet. Ein Kontakt 36 verbindetdie Transistorelektrode 32 mit einer Bitleitung 54, welche über demSubstrat 10 beabstandet von der Oberfläche 12 und im Wesentlichenparallel zu derselben angeordnet ist.
    [0046] EinHalbleiterstreifen 20 auf der Oberfläche 12 überlapptjeweils zumindest teilweise die innere Kondensatorelektrode 16 undeinen benachbarten ersten Halbleiterbereich 14 in der Bauelementschicht 30.Ein Gate 24 überlapptjeweils zumindest teilweise den Halbleiterstreifen 20,die innere Kondensatorelektrode 16, den ersten Halbleiterbereich 14 unddie Transistorelektrode 32 und ist von diesen durch ein Gate-Dielektrikum 22 räumlich getrenntund elektrisch isoliert.
    [0047] DasGate 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Strukturaus drei Schichten auf, beispielsweise Polysilizium, Wolframsilizidund Wolfram. Überdem Gate 24 ist ein Isolator 38 so abgeschieden,dass das Gate 24 vollständigvon dem Gate-Dielektrikum 22 unddem Isolator 38 umgeben und durch diese von seiner Umgebungisoliert ist. In einem Kanal-Bereich 40 nahe der Oberfläche 12 unter demGate 24 bildet sich ein leitfähiger Kanal zwischen der Transistorelektrode 32 unddem Halbleiterstreifen 20 aus, wenn ein geeignetes Potenzialan das Gate 24 angelegt wird.
    [0048] Dieinnere Kondensatorelektrode 16, der Halbleiterstreifen 20,der erste Halbleiterbereich 14 mit dem Kanal-Bereich 40 unddie Transistorelektrode 32 bilden eine Variante des Feldeffekt-Halbleiterschaltersgemäß der vorliegendenErfindung. Der Feldeffekt-Halbleiterschalter und der Grabenkondensatorbilden eine Speicherzelle des Speicherbauelements. Vorzugsweiseweist das Speicherbauelement eine Vielzahl von Speicherzellen auf,die in einer zweidimensional periodischen Struktur an der Oberfläche 12 angeordnetsind.
    [0049] EineMehrzahl von Bitleitungen 54 verläuft parallel zueinander entlangeiner Richtung. Jede Bitleitung 54 ist über eine Mehrzahl von Kontakten 36 miteiner Mehrzahl von unter der Bitleitung 54 angeordnetenSpeicherzellen verbunden. Die Gates 24 der Speicherzellensind zu einer Mehrzahl von Wortleitungen verbunden, welche zueinanderparallel und senkrecht zu den Bitleitungen 54 über derOberfläche 12 desSubstrats 10 verlaufen. Der Bereich 52 des Substrats 10 bildetdie gemeinsame äußere Elektrodealler Grabenkondensatoren aller Speicherzellen.
    [0050] Fernersind in 3 von Isolatoren 381, 382 undGate-Dielektrika 221, 222 umgebeneGates 241, 242 dargestellt, welche zu benachbartenWortleitungen gehörenbzw. diese bilden. Um eine elektrostatische Kapazität zwischendem Gate 241 der benachbarten Wortleitung und der innerenKondensatorelektrode 16 der Speicherzelle zu verringern,ist zwischen denselben ein flacher Isolationsgraben 56 vorgesehen.
    [0051] EineWortleitung wird aktiviert, indem an dieselbe und damit an allemit der Wortleitung verbundene Gates 24 eine erste vorbestimmteSpannung angelegt wird, bei der der Halbleiterstreifen 20 undder Kanal-Bereich 40 leitfähig werden. Vorzugsweise weisenalle anderen Wortleitungen gleichzeitig eine zweite vorbestimmteSpannung auf, bei der der Halbleiterstreifen und der Kanal-Bereichelektrisch isolierend sind.
    [0052] Dadurchwird jede Bitleitung 54 mit genau einer inneren Kondensatorelektrode 16 einereinzigen Speicherzelle verbunden. Über die Bitleitung 54 wird dieLadung des Grabenkondensators abgetastet, um die Speicherzelle auszulesen,oder aufgefrischt oder durch eine neue Ladung ersetzt, um Informationin die Speicherzelle zu schreiben.
    [0053] Dieinnere Kondensatorelektrode 16 ist in 3 alshomogene und bis zur Oberfläche 12 des Substrats 10 reichendeStruktur dargestellt. Abweichend davon kann funktional und/oderstrukturell zwischen der dem Bereich 52 unmittelbar gegenüberliegendeninneren Kondensatorelektrode und einem sich daran homogen oder inhomogenanschließendenund bis zur Oberfläche 12 unddem Halbleiterstreifen 20 erstreckenden zweiten Halbleiterbereich unterschiedenwerden, ohne dass dies jedoch Einfluss auf die Funktion des erfindungsgemäßen Speicherbauelementshätte.
    [0054] Beider Herstellung des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleiterschalterswerden zunächstin dem Substrat 10 an der Oberfläche 12 des Substrats 10 dererste Halbleiterbereich 14, der zweite Halbleiterbereich 16 unddie Isolierschicht 18 zwischen dem ersten Halbleiterbereich 14 unddem zweiten Halbleiterbereich 16 erzeugt. Anschließend wirdder Halbleiterstreifen 20 auf der Oberfläche 12 desSubstrats 10 erzeugt. Darüber werden dann das Gate-Dielektrikum 22 unddas Gate 24 erzeugt. Wenn das Substrat 10 während derProzessierung getempert oder aus einem anderem Grund einer hohenTemperatur ausgesetzt wird, bei der Dotierstoffe der Halbleiterbereiche 14, 16 innicht mehr vernachlässigbarerWeise diffundieren, wird der Halbleiterstreifen 20 vorzugsweiseerst nach diesem Schritt erzeugt.
    10 Substrat 12 Oberfläche 14 ersterHalbleiterbereich 16 zweiterHalbleiterbereich 18 Isolierschicht 20 Halbleiterstreifen 22 Gate-Dielektrikum 24 Gate 30 Bauelement-Halbleiterschicht 32 dritterHalbleiterbereich 34 Kontakt 36 Kontakt 38 Isolator 40 Kanal-Bereich 50 vergrabeneHalbleiterschicht 52 Bereich 54 Bitleitung 56 flacherIsolationsgraben 221,222 Gate-Dielektrikum 241,242 Gate 381,382 Isolator
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] Feldeffekt-Halbleiterschalter mit: einerHalbleiterschicht (10) mit einer Oberfläche (12); einemersten und einem zweiten Halbleiterbereich (14, 16)in der Halbleiterschicht (10), die nebeneinander an derOberfläche(12) der Halbleiterschicht (10) angeordnet sind; einerIsolierschicht (18) zwischen dem ersten Halbleiterbereich(14) und dem zweiten Halbleiterbereich (16); einemHalbleiterstreifen (20) auf der Oberfläche (12) der Halbleiterschicht(10), der mit dem ersten Halbleiterbereich (14)und dem zweiten Halbleiterbereich (16) überlappt und an diese angrenzt; einemGate (24), das mit dem Halbleiterstreifen (20) zumindestim Bereich der Isolierschicht überlappt; und einemGate-Dielektrikum (22), welches das Gate (24) vondem Halbleiterstreifen (20), dem ersten Halbleiterbereich(14) und dem zweiten Halbleiterbereich (16) isoliert, wobeider Halbleiterstreifen (20) und das Gate (24) hinsichtlichseiner lateralen Ausdehnung so ausgebildet sind, dass der Halbleiterstreifen(20) bei einer ersten vorbestimmten Gate-Spannung elektrischisolierend ist und bei einer zweiten vorbestimmten Gate-Spannungelektrisch leitfähigist, wodurch der erste und der zweite Halbleiterbereich (14, 16)bei der ersten vorbestimmten Gate-Spannung von einander elektrischisoliert und bei der zweiten vorbestimmten Gate-Spannung durch denHalbleiterstreifen (20) elektrisch leitfähig miteinanderverbunden sind.
    [2] Feldeffekt-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, beidem die Isolierschicht (18) bis zu der Oberfläche (12)der Halbleiterschicht (10) reicht.
    [3] Feldeffekt-Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder2, bei dem das Gate (24) mit dem ersten Halbleiterbereich(14) und/oder dem zweiten Halbleiterbereich (16)jeweils zumindest teilweise überlappt.
    [4] Feldeffekt-Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis3, bei dem der Halbleiterstreifen (20) eine Dicke von 50nm oder weniger aufweist.
    [5] Feldeffekt-Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis4, bei dem der erste Halbleiterbereich (14) eine Transistorelektrodeist.
    [6] Feldeffekt-Halbleiterschalter nach einem der Ansprüche 1 bis4, bei dem der erste Halbleiterbereich (14) einen Kanal-Bereich (40)umfasst, der an die Oberfläche(12) der Halbleiterschicht (10) grenzt, wobeidas Gate (24) den Kanal-Bereich (40) vollständig überlapptund der erste Halbleiterbereich (14) und der Kanal-Bereich(40) an eine Transistorelektrode (32) angrenzen.
    [7] Feldeffekt-Halbleiterschalter nach Anspruch 6, beidem der zweite Halbleiterbereich (16) eine weitere Transistorelektrodeist.
    [8] Integriertes Halbleiterbauelement mit einem Feldeffekt-Halbleiterschalternach einem der Ansprüche1 bis 7.
    [9] Speicherbauelement, mit: einem Feldeffekt-Halbleiterschalter(14, 16, 18, 20, 22, 24)nach einem der Ansprüche1 bis 5 als Auswahltransistor; und einem Speicherkondensator(18, 52), wobei der zweite Halbleiterbereich(16) mit einer Kondensatorelektrode des Speicherkondensators verbundenist.
    [10] Speicherbauelement nach Anspruch 9, bei dem derSpeicherkondensator ein Grabenkondensator ist, dessen innere Kondensatorelektrodemit dem zweiten Halbleiterbereich (16) verbunden ist.
    [11] Speicherbauelement nach Anspruch 10, bei dem einSubstrat (10) eine Bauelement-Halbleiterschicht (30)an der Oberfläche(12) und eine leitfähigeSchicht (52), die unter der Bauelement-Halbleiterschicht(30) angeordnet und von dieser isoliert ist, aufweist,wobei die äußere Kondensatorelektrode desGrabenkondensators mit der vergrabenen leitfähigen Schicht (52)verbunden und von der Bauelement-Halbleiterschicht(30) isoliert ist, wobei die Isolierschicht (18)die Dielektrikumschicht des Kondensators ist.
    [12] Speicherbauelement nach einem der Ansprüche 9 bis11, bei dem der erste Halbleiterbereich (14) oder die Transistorelektrode(32) mit einer Bitleitung (54) und das Gate (24)mit einer Wortleitung verbunden sind.
    [13] Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekt-Halbleiterschalters,mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats (10)mit einer Oberfläche(12); Erzeugen eines ersten Halbleiterbereichs (14)in dem Substrat (10) an der Oberfläche (12) des Substrats (10); Erzeugeneines zweiten Halbleiterbereichs (16) in dem Substrat (10)an der Oberfläche(12) des Substrats (10) benachbart zu dem erstenHalbleiterbereich (14); Erzeugen einer Isolierschicht(18) zwischen dem ersten Halbleiterbereich (14)und dem zweiten Halbleiterbereich (16); Erzeugen einesHalbleiterstreifens (20), der mit dem ersten Halbleiterbereich(14) und dem zweiten Halbleiterbereich (16) überlapptund an diese angrenzt, auf der Oberfläche (12) des Substrats;und Erzeugen eines Gate-Dielektrikums (22) und eines Gates(24) überdem Halbleiterstreifen (20), wobei das Gate-Dielektrikumdas Gate (24) von dem Halbleiterstreifen (20)isoliert, und wobei das Gate (24) mit dem ersten Halbleiterbereich(14) und dem zweiten Halbleiterbereich (16) jeweilszumindest teilweise überlappt, wobeider Halbleiterstreifen (20) so ausgebildet ist, dass erbei einer ersten vorbestimmten Gate-Spannung elektrisch isolierendund bei einer zweiten vorbestimmten Gate-Spannung elektrisch leitfähig ist.
    [14] Verfahren nach Anspruch 13, ferner mit einem Schrittdes Erwärmensdes Substrats (10), wobei der Halbleiterstreifen (20)nach dem Schritt des Erwärmenserzeugt wird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    DE102004012629B4|2010-07-29|
    US7402859B2|2008-07-22|
    US20050205946A1|2005-09-22|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-10-13| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2009-01-08| 8127| New person/name/address of the applicant|Owner name: QIMONDA AG, 81739 MUENCHEN, DE |
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    2016-10-01| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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