DE4113325C2 - Verfahren zum Herstellen einer Speichermatrix aus Zellen mit schwimmenden Gates - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen ei­ ner Speichermatrix aus Zellen mit schwimmenden Gates.

Nicht-flüchtige Halbleiter-Speicherzellen mit schwimmen­ den Gates, die von einer Isolierschicht, wie etwa Silizi­ umdioxid vollständig umgeben sind, sind bekannt. Diese Zel­ len werden als EPROMs, EEPROMs, Flash-EPROMs und Flash- EEPROMs bezeichnet. Abhängig von ihrem Arbeitsgrundprinzip finden zum Übertragen von Ladung auf ein schwimmendes Gate- Element (vorzugsweise Polysilizium) verschiedene Mechanismen Anwendung, wie etwa Lawineninjektion, Kanalinjektion, Tunne­ lung etc.. Im allgemeinen umfaßt ein EPROM oder ein EEPROM ein Siliziumsubstrat mit Source- und Drain-Bereichen, die zwischen sich einen Kanal bilden. Das schwimmende Polysili­ ziumgate ist über dem Kanal angeordnet und von dem Substrat (Kanal) durch eine relativ dünne Gate-Isolatorschicht ge­ trennt. Ein Steuergate ist über dem schwimmenden Gate ange­ ordnet und gegen letzteres isoliert. Beispiele für diese Art von Bauteilen sind in den US-PS 3 500 142 und 4 203 158 of­ fenbart. Sämtliche nichtflüchtigen Halbleiter-Speicherzellen arbeiten mit kapazitiver Speicherung von Elektronen (d. h. Ladung) auf dem schwimmenden Gate. Im Falle einer Flash- EPROM- oder EEPROM-Zelle kann die gesamte Speichermatrix zum gleichen Zeitpunkt elektrisch gelöscht werden. Die US-PS 4 698 787 (Mukherjee et al.) offenbart ein elektrisch löschbares, programmierbares Speicherbauteil, das durch In­ jektion heißer Elektronen aus dem Kanal auf das schwimmende Gate programmiert und durch Fowler-Nordheim-Tunneln von dem schwimmenden Gate zu dem Substrat gelöscht wird.

Das Bedürfnis nach EPROM-Speicherarrays mit höherer Dichte hat zur Entwicklung des kontaktlosen Speicherzellen­ arrays geführt. Beim kontaktlosen Array arbeiten die Zellen mit langgestreckten Source/Drain-Bereichen, die oft als Bit- Leitungen bezeichnet werden. Diese Zellen benötigen häufig eine Schaltung für eine virtuelle Masse zum Abtasten (Lesen) und Programmieren. Die US-PS 4 780 424 der Anmelderin be­ schreibt ein Beispiel für diesen Arraytyp sowie ein Verfah­ ren zu dessen Herstellung. Eine kontaktlose Kreuzungspunkt- Zelle, deren schwimmendes Gate sich selbsttätig ausrichtet gegenüber Wortleitungen und Bit-Leitungen innerhalb eines Arrays, ist ferner in dem Artikel "A New Self-Aligned Field Oxide Cell For Multi-Mega Bit EPROMs" von O. Bellezza et al., IEDM 1989, Seiten 579-582 beschrieben.

Entsprechend der Basis-Architektur dieser Arrays sind die schwimmenden Gates über einem dünnen, auf dem Substrat zwischen den Source- und Drain-Bereichen aufgewachsenen Ga­ teoxid ausgebildet. Die Source- und Drain-Bereiche bilden die Bit-Leitungen der Matrix. Wortleitungen werden im we­ sentlichen senkrecht zu den Source/Drain-Bit-Leitungen defi­ niert, wobei die Matrixkontakte beabstandet sind, um mehrere Wortleitungen zu bedienen, beispielsweise 16, 32, 64, etc.. Eine EPROM-Zellenstruktur, die sich zur Verwendung in einer Matrix-Architektur mit virtueller Masse eignet und die asym­ metrisch dotierte Source- und Drain-Halbleiterübergänge nutzt, ist beschrieben in dem Aufsatz "An Asymmetrical Lightly-Doped Source (ALDS) Cell For Virtual Ground High Density EPROMs" von K. Yoshikawa et al., IEDM 1988, Seiten 432-435, sowie in EP 0 364 769 (Yoshikawa). In der EP 0 364 769 ist ein Verfahren zum Herstellen eines EEPROM beschrie­ ben, bei dem in einer ersten Richtung strukturierte dicke Oxidbereiche sich mit Gate-Oxidbereichen abwechseln. Senk­ recht zu dieser Oxidstreifenstruktur werden (in einer zwei­ ten Richtung) Polysiliziumstreifen für die späteren Floa­ ting-Gates strukturiert. Die neben den Floating-Gate-Struk­ turen freiliegenden Oxidbereiche werden dann vollständig bis auf das Substrat hinunter weggeätzt, dann wird das Substrat dotiert und in die Gräben (in der zweiten Richtung) eine Silizidschicht eingebracht. Die Gräben werden dann teilweise mit einer Isolatorschicht gefüllt. Auf diese Struktur wird eine zweite Polysiliziumschicht für die Steuergates aufgebracht, welche dann in der ersten Richtung strukturiert wird, wobei die Steuergate-Polysiliziumschicht, eine Zwischenisolatorschicht und die vorher strukturierte Floating-Gate-Polysiliziumschicht bis auf die darunterlie­ gende dicke Oxidschicht weggeätzt werden.

Zwar sind die Vorteile der kontaktlosen Arrayarchitektur offensichtlich, jedoch bedarf es noch der Verbesserung von Merkmalen, die die Leistung und Herstellbarkeit dieser Art von Array nachteilig beeinflussen. Beispielsweise sind das Layout und/oder die Prozeßarchitektur gebräuchlicher kon­ taktloser EPROM-Arrays im allgemeinen nicht mit der Integra­ tion von Wolfram-Wortleitungen kompatibel.

Aufgabe der Erfindung ist die Überwindung der genannten Nachteile. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung überwindet die genannten Nachteile durch Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen einer nichtflüch­ tigen Halbleiter-Speichermatrix mit ultrahoher Dichte (z. B. 64 Mbit), die sich für Multi-Megabit-EPROM- sowie Flash- EPROM-Anwendungen eignet. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Architektur ist kompatibel mit der Inte­ gration von Wolfram-Metall-Wortleitungen. Diese Anordnung verwendet Wortleitungs-Graben-Verbindungen (strukturiert in der Array-Planarisierungsebene), die entweder zum Teil oder vollständig mit Wolfram oder irgendeinem alternativen Leiter gefüllt werden können.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen von Speicherzellen mit schwimmendem Gate von ultrahoher Dichte und kontaktloser Bauart auf der Basis eines Silizium­ substrats. Bei einer Ausführungsform werden zu Beginn Feld­ oxidbereiche über dem Substrat ausgebildet, um die Kanalbe­ reiche der einzelnen Zellen zu definieren. Zwischen den Feldoxidbereichen werden Gateoxidbereiche ausgebildet. So­ dann wird eine erste Polysiliziumschicht abgeschieden, die das Substrat vollständig bedeckt. Auf der ersten Polysilizi­ umschicht wird anschließend eine Isolatorschicht abgeschie­ den, gefolgt von einer zweiten Polysiliziumschicht. Über den darunterliegenden Oxidbereichen entsteht also eine Poly- 2/Isolator/Poly-1-Struktur. Diese Struktur wird zunächst ge­ ätzt, um langgestreckte Stapel auszubilden, die sich in ei­ ner ersten Richtung erstrecken. Die Poly-2/Isolator/Poly-1- Stapel werden sodann erneut geätzt, und zwar in einer zwei­ ten Richtung, um eine Mehrzahl von Inselelementen zu definieren, von denen jedes über einem Gateoxidbereich ausgebil­ det ist. Die Inselelemente umfassen eine Isolatorschicht, die eingebettet ist zwischen einem ersten und einem zweiten Polysiliziumelement. Jedes Inselelement ist einer der Zellen innerhalb der Matrix zugeordnet, wobei die Inselelemente durch Gräben voneinander getrennt sind, die sich nach unten entweder bis zu den Feldoxidbereichen (in einer Richtung) oder den Substratbereichen (in der Querrichtung) erstrecken. Folglich bildet die erste Polysiliziumschicht die schwimmenden Gates der Zellen, wahrend die zweite Polysiliziumschicht Verwendung findet als Steuergates für die Zellen.

Wenn die Inselelemente vollständig ausgebildet sind, werden Dotanden in das Substrat eingebracht, um langge­ streckte, parallele, beabstandete Source/Drain-Bereiche seitlich neben den Kanalbereichen der Zellen zu bilden. Die Gräben werden sodann mit Isolatormaterial gefüllt. In diese Füll-Isolatorschicht wird dann eine Mehrzahl von Wortlei­ tungsgräben über der Matrix strukturiert und mit dem Wort­ leitungsmaterial gefüllt. Jede Wortleitung stellt einen elektrischen Kontakt zu den Steuergateelementen her, die ei­ ner einzelnen Reihe von Zellen innerhalb der Matrix zugeord­ net sind.

Einer der Hauptvorteile der Erfindung liegt in der Fle­ xibilität. Dies gilt insbesondere für die Ausbildung der Wortleitungen in der Matrix. Erfindungsgemäß kann eine Viel­ zahl von hoch-leitfähigen Materialien, wie etwa Aluminium, Polysilizium, Wolfram, Wolframsilizid etc. dazu verwendet werden, Wortleitungen mit niedrigem Widerstand für die kon­ taktlose Architektur herzustellen. Die sich ergebende kon­ taktlose Matrix weist beträchtlich weniger Kontakte auf, als sie für gebräuchliche Zellarchitekturen erforderlich sind. Dies steigert die Fähigkeit, eine beträchtlich höhere Ma­ trixdichte zu erzielen. Außerdem setzt die Erfindung selbstausrichtende Source/Drain-Bit-Leitungs-Diffusionen in einer Konfiguration ohne vergrabene Schichten ein, um die erzielbare Zellendichte weiter zu steigern. Durch die Ver­ wendung einer nicht-vergrabenen Konfiguration bietet die Zellenarchitektur die Möglichkeit, die Source/Drain-Bereiche zu silizidieren (beispielsweise Titan, umgewandelt in Titan­ silizid), was ebenfalls zur Erhöhung der gesamten Zellen­ dichte beiträgt.

Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zu­ sammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat, über dem eine Oxidschicht ausgebildet ist, wobei über dieser eine Siliziumnitridschicht abgeschieden worden ist;

Fig. 2 das Substrat gemäß Fig. 1 nach der Ausbildung von Fotolack-Maskenelementen und dem Ätzen der darunter befindlichen Nitridschicht, wobei außerdem eine Borionen-Feldimplantation gezeigt ist;

Fig. 3 das Substrat gemäß Fig. 2 nach dem Aufwachsen von Feldoxidbereichen und dem anschließenden Entfernen der Siliziumnitridschicht;

Fig. 4 das Substrat gemäß Fig. 3 nach dem Ausbilden dünner Gateoxidbereiche, dem Abscheiden einer ersten Poly­ siliziumschicht, gefolgt von einer Inter-Polysili­ zium-Isolatorschicht und sodann einer zweiten Poly­ siliziumschicht;

Fig. 5 das Substrat gemäß Fig. 4 nach dem Ausbilden von Fotolack-Maskenelementen und dem Ätzen der darunter befindlichen zweiten Polysiliziumschicht, der Inter-Polysilizium-Isolatorschicht und der ersten Polysiliziumschicht;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Substrates nach Fig. 5, und zwar unter Darstellung der langge­ streckten Stapel, die durch den vorhergehenden Ätz­ schritt ausgebildet worden sind.

Fig. 7 ebenfalls in perspektivischer Ansicht das Substrat gemäß Fig. 6 nach einem zweiten Ätzschritt zur Aus­ bildung beabstandeter Inselelemente;

Fig. 8 in perspektivischer Darstellung das Substrat gemäß Fig. 7 nach dem Ausbilden von Abstands-Oxidbereichen entlang der seitlichen Wandbereiche der Insel­ elemente;

Fig. 9 das Substrat gemäß Fig. 8 nach dem Planarisieren der Oberfläche und dem nachfolgenden Ätzen zur Aus­ bildung langgestreckter Öffnungen;

Fig. 10 das Substrat gemäß Fig. 9 nach dem Ausbilden der Wortleitungen;

Offenbart wird ein Verfahren zum Herstellen kontaktlo­ ser, nichtflüchtiger Halbleiter-Speicherzellen. Die folgende Beschreibung enthält eine Vielzahl spezieller Details, wie etwa spezielle Dotierungsniveaus, Dimensionen etc., um ein gründliches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Fachmann diese speziellen Details nicht anwenden muß, um die Erfindung zu praktizie­ ren. An anderen Stellen sind bekannte Verfahrensschritte nicht im einzelnen beschrieben, um das Verständnis der Er­ findung nicht unnötig zu erschweren. Beispielsweise wurde, da sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausbilden einer Speichermatrix richtet, auf eine detaillierte Diskussion derjenigen Verfahrensschritte verzichtet, die die Periphe­ riezellen (z. B. Decoder etc.) betreffen.

Gemäß Fig. 1 wird das gesamte Substrat anfänglich einer thermischen Oxidationsbehandlung unterworfen, um über einem p-Epitaxie-Siliziumsubstrat 10 eine Oxidschicht 11 aufwach­ sen zu lassen. Die Dicke der Oxidschicht 11 beträgt vorzugs­ weise 65 nm, was ausreichend ist, um das darunter befindliche Substrat während der nachfolgenden Bearbeitungsschritte zu schützen. Nach dem Aufwachsen der Oxidschicht 11 wird eine Siliziumnitridschicht 12 über dem Substrat ausgebildet. Die Dicke der Nitridschicht 12 liegt in der Regel in der Größen­ ordnung von 140 nm, kann sich jedoch ändern in Abhängigkeit von der speziellen Bearbeitungsfolge, die im Einzelfall an­ gewendet wird. Der Zweck der Nitridschicht 12 besteht darin, eine Maskierschicht für das nachfolgende Aufwachsen von Feldoxiden zu bilden.

Gemäß Fig. 2 wird eine einzige Fotolack-Maskierschicht 14 dazu verwendet, die Feldoxidationsbereiche innerhalb der Matrix zu definieren. Der aktive Kanalbereich für die Bauteile innerhalb der Matrix befindet sich weit unterhalb der Nitridschicht 12. An diesem Punkt des Verfahrens wird eine Feldimplantation vor dem Aufwachsen des Feldoxids durchge­ führt. Diese Feldimplantation besteht in der Regel aus einer hochenergetischen Borimplantation. Vorzugsweise wird Bor mit einer Energie von 70 keV implantiert, und zwar mit einer Do­ sis von etwa 5 × 10¹² Atomen/cm². Diese Borimplantation wird in Fig. 2 durch die Pfeile 15 angedeutet. Es sei darauf hin­ gewiesen, daß die Borimplantation 15 durch die Oxidschicht 11 hindurch in das Substrat 10 erfolgt.

Nach der Bor-Feldimplantation werden die Maskierelemente 14 entfernt, woraufhin das Aufwachsen des Feldoxids statt­ findet. Vorzugsweise wird die Feldoxidation in einem Ofen bei 920°C unter feuchter O₂-Atmosphäre durchgeführt. Das Aufwachsen des Oxids setzt sich fort, bis ein Feldoxid von etwa 320 nm Dicke entstanden ist. Wenn die angestrebte Dicke erreicht ist, werden die Nitridelemente 12 entfernt. Das Er­ gebnis ist in Fig. 3 gezeigt. Demnach sind Feldoxidbereiche 17 durch die sehr viel dünnere Oxidschicht 11 gegeneinander abgesetzt. Das Borimplantat ist durch die gestrichelt ge­ zeichneten Bereiche 16 wiedergegeben, die sich direkt unter­ halb der Feldoxidbereiche 17 befinden. (Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Feldimplantatbereiche 16 in den nachfolgenden Figuren nicht explizit dargestellt.)

An dieser Stelle des Verfahrens sei darauf hingewiesen, daß die Feldoxidationsschritte langgestreckte, parallele, beabstandete Feldoxidbereiche 17 erzeugt haben. Diese Berei­ che erstrecken sich in einer Richtung vollständig über die Matrix. Dies bedeutet, daß die Maskierelemente 14 ihrerseits langgestreckte, parallele Streifen bilden, die sich über die Breite der Matrix erstrecken. Die Wichtigkeit dieses Aspekts der Erfindung wird noch in der weiteren Diskussion deutlich.

Gemäß Fig. 3 ist der Matrixabschnitt des Substrats 10 nach dem Aufwachsen des Feldoxids vollständig mit einer Siliziumdio­ xidschicht überzogen, die entweder aus Bereichen 17 oder Berei­ chen 11 besteht. Anschließend wird das Substrat einer Rest- oder Deckoxidätzung unterzogen, die die Dicke der Feldoxidbe­ reiche 17 vermindert und die Oxidbereiche 11 entfernt. Nach dem Aufwachsen eines Opfer-Oxids über den freiliegenden Abschnitten des Substrates 10 und dessen anschließender Ätzung kann mit dem Aufwachsen eines dünnen Gateoxids fortgefahren werden. Das Auf­ wachsen und Ätzen des Opfer-Oxids trägt dazu bei, irgendwelches unerwünschtes Siliziumnitrid zu entfernen, welches sich während der Feldoxidation auf dem Substrat gebildet haben kann, und das, falls man es nicht entfernt, die folgenden Bearbeitungs­ schritte stören könnte.

Das Gateoxid 19 ist ein hochwertiges thermisches Oxid, das vorzugsweise eine Dicke von etwa 11,5 nm annimmt. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Dicke typisch ist für Flash-Anwendungen, sich für andere Bauteilstrukturen oder Anwendungen jedoch än­ dern kann. Ebenso wie die Feldoxidbereiche 17 sind die dünnen Gateoxidbereiche 19 vorzugsweise langgestreckt, parallel und im Abstand zueinander angeordnet, wobei sie sich vollständig über die Matrix erstrecken.

Nach Ausbildung des Gateoxids 19 wird eine Polysilizium­ schicht 21 über dem Substrat abgeschieden. Die Dicke der Poly­ siliziumschicht 21 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 150 nm. Direkt über der Poly-Schicht 21 wird eine Inter-Polysi­ lizium-Isolatorschicht 22 ausgebildet. Die Inter-Polysilizium- Isolatorschicht 22 kann Siliziumdioxid umfassen oder vorzugs­ weise aus einem Siliziumdioxid/Siliziumnitrid/Siliziumdioxid- Stapel (ONO-Stapel) bestehen. Auch können andere Materialien oder Isolatoren verwendet werden, die vergleichbare Resultate erzielen. Es sei darauf hingewiesen, daß, wie dargestellt, die Schichten 21 und 22 sich kontinuierlich über die Fläche des Substrates nach Fig. 4 erstrecken. Die effektive Oxiddicke der Inter-Polysilizium-Isolatorschicht 22 beträgt bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4 etwa 28 nm.

Nach Ausbildung der Schicht 22 wird eine zweite Polysilizi­ umschicht 23 gleichförmig über dem Substrat abgeschieden, und zwar vorzugsweise in einer Dicke von etwa 150 nm. Alternativ be­ steht die Möglichkeit, dickere Polysiliziumschichten (beispielsweise 250 bis 500 nm) auszubilden. Nach dem bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel wird eine Wolfram-Silizid-Schicht oben auf der zweiten Polysiliziumschicht ausgebildet. Die Wolfram- Silizid-Schicht ist ihrerseits etwa 200 nm dick.

Erfindungsgemäß ist es wünschenswert, die Gesamtdicke der zweiten Polysiliziumschicht und der Wolframschicht bei etwa 350 nm oder mehr zu halten. Diese Dicke bietet einen angemesse­ nen Spielraum während des nachfolgenden Ätzschrittes, um die Steuergates freizulegen, ohne die darunter befindlichen schwim­ menden Gate-Elemente ebenfalls freizulegen. Anders ausgedrückt, erlaubt ein dickes Steuergateelement Abweichungen in den Oxid- Ätzraten und in der Filmdicke bei späteren Bearbeitungsschrit­ ten. Dieser Aspekt der Erfindung wird später noch eingehender diskutiert. Es genügt der Hinweis, daß die Steuergateelemente entweder eine einzelne zweite Polysiliziumschicht 23 mit einer Dicke von etwa 350 nm umfassen können, oder aber eine Kombina­ tion aus Schichten, deren Gesamtdicke in etwa denselben Wert hat. Vorzugsweise umfaßt die Schicht 23 eine zweite Polysilizi­ umschicht (beispielsweise 150 nm), kombiniert mit einer Wolfram­ silizid-Schicht (beispielsweise 200 nm), um eine Gesamtdicke der Steuergates zu erhalten, die in der Größenordnung von 350 nm liegt.

Gemäß Fig. 5 dienen Fotolack-Maskierelemente 25 dazu, die Steuergateelemente und die schwimmenden Gate-Elemente der Zel­ len innerhalb der Matrix zu definieren. Diejenigen Abschnitte der Schicht 23, der Inter-Polysilizium-Isolatorschicht 22 und der ersten Polysiliziumschicht 21, die nicht mit Fotolackele­ menten 25 überdeckt sind, werden anisotrop weggeätzt. Der Ätzschritt stoppt an den Feldoxidbereichen. Die Polysilizium- und Isolatorbereiche unterhalb der Maskierelemente 25 sind während des Ätzschrittes geschützt mit dem Ergebnis, daß langge­ streckte, parallele, beabstandete Poly-1/ONO/Poly-2-Stapel 24 über den Gateoxidbereichen 19 ausgebildet werden.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Substrates nach Fig. 5, woraus die Erstreckung der Stapel 24 deutlicher wird. Diese Darstellung zeigt, daß sich die Stapel 24 in der­ selben Richtung wie die Feldoxidbereiche 17 und die dünnen Ga­ teoxidbereiche 19 über die Matrix erstrecken. Die Stapel 24 sind direkt über dem Gateoxid 19 angeordnet, wobei sie seitlich die Feldoxidbereiche 17 überlappen. Nach dem letzten Ätzschritt bleibt die Oberseite der Feldoxidbereiche 17 frei.

Direkt im Anschluß an die Ausbildung der parallelen Stapel 24 dient eine Fotolack-Maskierschicht dazu, die Stapel 24 in einer zweiten Richtung senkrecht zu der des ersten Ätzschrittes (d. h., senkrecht zu den Stapeln 24) zu ätzen. Die Maskierele­ mente selbst umfassen langgestreckte Streifen aus Fotolack, die sich in dieser zweiten Richtung über die Matrix erstrecken. Er­ neut wird eine anisotrope Plasma-Ätzung eingesetzt, um diejeni­ gen Abschnitte der zweiten Polysiliziumschicht 23, der Inter- Polysilizium-Isolatorschicht 22 und der ersten Polysilizium­ schicht 21 zu entfernen, die nicht von der überlagernden Foto­ lack-Maskierschicht geschützt sind. Unter Benutzung derselben Maskierschicht wird eine zusätzliche Ätzung durchgeführt, um diejenigen Abschnitte des Feldoxids zu entfernen, die nicht durch Fotolack geschützt sind. Das Ergebnis ist in Fig. 7 dar­ gestellt, wobei die Matrix aus einer Mehrzahl von beabstandeten Inselelementen 27 besteht. Jedes der Inselelemente ist einer einzelnen Zelle innerhalb der Matrix zugeordnet. Die Zellen und die Inselelemente sind dementsprechend in Reihen und Spalten innerhalb der Matrix angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, daß der zusätzliche Ätzschritt, der zum Entfernen der Abschnitte der Feldoxidbereiche 17 zwischen den Inselelementen 27 dient, langgestreckte, parallele Bereiche des Substrates 10 freilegt. Wie deutlich zu sehen, erstrecken sich diese freigelegten Be­ reiche in der besagten zweiten Richtung. Ferner sei darauf hin­ gewiesen, daß das Ätzmittel, das zum Entfernen der freigelegten Abschnitte des Feldoxids 17 dient, auch diejenigen Abschnitte des dünnen Gateoxids 19 entfernt, die in denselben Öffnungen liegen. Die Öffnungen oder Gräben 26 gemäß Fig. 7 dienen bei nachfolgenden Ionen-Implantationsschritten dazu, Bit-Leitungen in der Matrix auszubilden.

Als nächstes werden, während sich die Fotolack-Maskier­ schicht der vorhergehenden Ätzschritte noch an ihrem Platz be­ findet, die freiliegenden Abschnitte des Substrates 10 einer Arsen-Ionenimplantation unterworfen, um n⁺-Drain-Bereiche 30 und n⁺-Source-Bereiche 31 zu erzeugen. Bei diesen Source- bzw. Drain-Bereichen 31 und 30 handelt es sich um langgestreckte, parallele, voneinander beabstandete Bereiche, die im wesentli­ chen senkrecht zu derjenigen Richtung verlaufen, in der die Stapel 24 und die Oxidbereiche 17 ursprünglich ausgebildet wor­ den sind. Vorzugsweise wird die Arsen-Implantation mit einer Energie von 35 keV und einer Dosis von 4 × 10¹⁵ Atomen/cm² durch­ geführt.

Im Anschluß an die Source/Drain-Implantation in die Gräben 26 werden die n⁺-Drain-Bereiche 30 mit einem Fotolack-Maskiere­ lement bedeckt, um sie während des nachfolgenden Ionenimplanta­ tionsschrittes abzuschirmen. Die Source-Bereiche werden sodann einer zusätzlichen Phosphor-Implantation unterworfen, die durch die Gräben 26 hindurch einwirkt. Vorzugsweise wird der Phosphor mit einer Energie von 35 keV und einer Dosis von 6 × 10¹⁴ Ato­ men/cm² implantiert. Dies ergibt tiefere Source-Bereiche 32. Als Ergebnis dieser zusätzlichen Phosphor-Implantation ist der Source-pn-Übergang tiefer und allmählicher im Vergleich zu dem flacheren Senken-Halbleiterübergang. Der relativ tiefere und allmählichere Halbleiterübergang beruht auf der raschen Diffu­ sionsfähigkeit des Phosphors im Silizium. Als Folge erstreckt sich jeder Source-Bereich zum Teil unter die zugehörigen schwimmenden Gate-Elemente (nämlich die Elemente 21) jenseits der Grenzen des Diffusionsbereichs 31. Dies erleichtert das Tunneln von Elektronen vom schwimmenden Gate zur Quelle während der Löschvorgänge. (Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß es sich bei der zusätzlichen Phosphor-Implantation um einen wahl­ weise anwendbaren Schritt handelt, der in der Regel nur dann erforderlich wird, wenn Flash-Bauteile oder EEPROMs hergestellt werden. Bei normalen EPROMs kann er entfallen.)

Wenn die Source- und Drain-Bit-Leitungsbereiche implantiert worden sind und eine nachfolgende Source/Drain-Reoxidation durchgeführt worden ist, wird eine Niedrigtemperatur-CVD-Oxid­ schicht über dem Substrat abgeschieden, und zwar in einer Dicke von etwa 350 nm. Nach einer anisotropen Rückätzung bildet das verbleibende Niedrigtemperatur-Oxid isolierende Abstandshalter- Bereiche entlang den Seitenwandabschnitten der Inselelemente 27. Diese Seitenwand-Abstandshalter-Oxidbereiche sind in Fig. 8 als Abstandshalter 34 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Abstandshalter 34 vorzugsweise automatisch entstehen, und zwar bei der Herstellung von Peripheriebauteilen. Die Peri­ pheriebauteile bilden üblicherweise diejenigen Mittel, die den Zugriff auf die einzelnen Zellen der Matrix und deren Program­ mierung gestatten. Die Abstandshalter 34 können in der Matrix dazu dienen, die Ausbildung von Siliziden entlang der Seiten­ wandabschnitte der Inselelemente 27 zu verhindern, die im Falle anderer Verfahrensführung entstehen können. Da das Abstandshal­ ter-Oxid eine langsamere Ätzrate als BPSG hat, schaffen die Ab­ standshalter 34 außerdem eine zusätzliche Schutzgrenze gegen ein Freilegen der Inter-Polysilizium-Isolatorschicht während eines späteren Ätzschrittes (der in kürze noch näher erläutert wird). Es sei darauf hingewiesen, daß die Abstandshalter 34 bei alternativen Ausführungsformen oder Herstellungsabläufen aus dem Verfahrensfluß herausgelassen werden können, ohne daß die Matrix Schaden erleidet.

Nach der Ausbildung der Abstandshalter 34 und einem zweiten Reoxidationsschritt wird das gesamte Substrat mit einer Ablage­ rung aus Bor-Phosphor-Silikatglas (BPSG) abgedeckt. Die Dicke der BPSG-Schicht reicht aus, die Gräben 26 zu füllen und die Inselelemente 27 vollständig zu überdecken. Als nächstes wird ein thermischer Verdichtungsschritt durchgeführt, um die Fläche des Substrates relativ eben zu machen.

Vorzugsweise wird zum Planarisieren eine BPSG-Schicht mit einer Dicke von größenordnungsmäßig 500 nm bis 1500 nm abgeschie­ den. Sollte diese Dicke der BPSG-Schicht nicht ausreichen, die Fläche des Substrates vollständig zu planarisieren, so kann nach Wahl eine Abscheidung von aufgeschleudertem Glas (spin-on- glass; SOG) dazu dienen, die Topographie vollständiger zu eb­ nen. Vorzugsweise wird, und zwar in Verbindung mit einer BPSG- Schicht von 530 nm, eine Opfer-SOG-Schicht verwendet, um die Kriterien der Matrixplanarisierung und der Grabenrückätzung zu erfüllen. Das SOG wird abgetragen (bei etwa 50 : 1 HF) nach Bil­ dung der Grabenwege, jedoch vor Abscheidung der Wortleitungs- Leiter, um eine annehmbare Kontakthöhe zu erhalten.

Fig. 9 zeigt eine Schicht 35, die die Zellen der Matrix überdeckt und die Fläche des Substrates vollständig einebnet. Nach dem Abscheiden der Isolatorschicht 35 wird das Substrat maskiert, und es wird eine Mehrzahl von langgestreckten, paral­ lelen, beabstandeten Gräben 38 in die Isolatorschicht 35 einge­ schnitten. Die Gräben 38 werden so ausgebildet, daß sie die Steuergateelemente 23 freilegen, die den Zellenreihen innerhalb der Matrix zugeordnet sind. Diese Öffnungen 38 dienen dazu, die Wortleitungen innerhalb der Matrix auszubilden. Da die Steuer­ gateelemente 23 beträchtlich breiter sind als die Gräben 38, ist die erfindungsgemäße Wortleitung-Steuergate-Ausbildung weitgehend ausrichtungsunempfindlich. Hinzu kommt, daß die Grä­ ben 38 die Steuergateelemente 23 auch nur teilweise überlappen können, ohne daß sich nachteilige Effekte ergeben.

Es sei darauf hingewiesen, daß sich die Gräben 38 in derselben Richtung wie die ursprünglichen Stapel 24 erstrecken (nämlich im wesentlichen senkrecht zu den n⁺-Drain-Bit-Leitun­ gen 30 und den n⁺-Source-Bit-Leitungen 31). Vorzugsweise wird eine zeitgesteuerte Plasma-Ätzung angewendet, um die Oberfläche der Polysilizium-Elemente 23 freizulegen. Dabei muß darauf ge­ achtet werden, daß eine Überätzung der Schicht 35 vermieden wird, was sonst dazu führen könnte, daß die Isolatorschicht 22 oder die schwimmenden Gate-Elemente 21 freigelegt werden. Dies ist einer der Gründe dafür, daß die Dicke der Steuergateele­ mente 23 vorzugsweise größenordnungsmäßig 350 nm oder mehr be­ trägt. Ein dickes Steuergateelement bietet eine komfortable Fehlertoleranz während des Ätzverfahrens. Vorzugsweise findet bei der Ausbildung der Gräben 38 eine Trockenätzung mit End­ punktermittlung statt (d. h., es wird ermittelt, wann die Ober­ flächen der Poly-2-Elemente 23 freigelegt sind).

Sobald die Öffnungen 38 in der Isolatorschicht 35 definiert sind, kann die Ausbildung der Wortleitungen erfolgen. Irgendein Leiter, wie etwa dotiertes Polysilizium, Wolfram, Wolframsili­ zid, Aluminium, Aluminiumlegierungen etc., kann über dem Sub­ strat abgeschieden werden, um die Gräben 38 mindestens teil­ weise auszufüllen, wodurch ein elektrischer Kontakt zu jedem der Steuergateelemente 23 innerhalb der Matrix hergestellt wird. Fotolithographische Maskiertechniken dienen dazu, Wort­ leitungen 40 gemäß Fig. 10 zu definieren. Es sei darauf hinge­ wiesen, daß sich die Wortleitungen 40 parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht zu den darunterliegenden Bit-Leitun­ gen über die Matrix erstrecken. Vorzugsweise umfassen die Wort­ leitungen 40 eine dünne Polysiliziumschicht, gefolgt von einer dicken Wolfram-Silizid-Schicht zur Ausbildung von Leitern mit niedrigem Widerstand.

Bei alternativer Verfahrensführung geschieht das Ausbilden der Wortleitungen lediglich dadurch, daß Wolfram (oder irgend­ ein anderer Leiter) mit einer geeigneten Haftschicht über dem Substrat abgeschieden wird, um die Gräben 38 zu füllen. Anschließend erfolgt ein Deckschicht-Rückätzen des Wolframs, um letzteres lediglich in den Grabenwegen 38 zu belassen.

Hervorzuheben ist die Flexibilität, die durch die Erfindung ermöglicht wird. Wenn die Steuergate-Wortleitungen in der be­ schriebenen Weise ausgebildet werden, und zwar unter Benutzung von Grabenwegen, die in einer nach der Matrixbildung aufge­ brachten BPSG-Planarisierschicht definiert sind, so erleichtert dies den Einsatz hochleitfähiger Metalle bei der Ausbildung der Wortleitungen. Beispielsweise können die Wortleitungen 40 auch arbeiten als erste Metallisierschicht für die Peripherie-Bau­ teile innerhalb der integrierten Schaltung. Außerdem können die Wortleitungen neben dem oben erwähnten Wolfram-Silizid auch verschiedenste andere Metalle umfassen, und zwar aufgrund der Tatsache, daß eine nachfolgende Hochtemperaturbearbeitung (beispielsweise Reoxidation) vermieden wird. Bekannte Verfahren sind normalerweise beschränkt in der Wahl der Wortleitungs-Lei­ ter, da sie im Anschluß an die Ausbildung der Wortleiter in der Regel weitere Hochtemperatur-Oxidationsschritte durchlaufen müssen. Bei hohen Temperaturen zeigen Metalle, wie etwa Alumi­ nium und Wolfram, nachteilige Effekte. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Wortleitungen vermeidet es also, das Wortlei­ tungsmetall einer oxidierenden Atmosphäre unter hoher Tempera­ tur (nämlich der Gate-Reoxidation) auszusetzen.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Ka­ pazität der Wortleitungen gegenüber den Source/Drain-Bit-Lei­ tungen minimiert wird durch die Isolatorbrücke, die durch die Schicht 35 während des Planarisierschrittes ausgebildet wird. Dementsprechend sind die Wortleitungen von dem Substrat immer um einen Abstand entfernt, der ungefähr gleich der Dicke der Schicht 23, der Schicht 22, der Schicht 21 und des Gateoxids 19 ist.

Nach einer alternativen Ausführungsmöglichkeit wird die BPSG-Planarisierung der Matrix durchgeführt im Anschluß an die selbstausrichtende n⁺-Source/Drain-Implantation und die Reoxidation. Sodann wird das BPSG rückgeätzt, nämlich bis auf die Poly-2-Fläche, woraufhin eine dritte Polysiliziumschicht (nämlich "Poly-3") abgelagert und dotiert wird. Hieran schließt sich sofort eine Ablagerung/Ausbildung einer Wolf­ ram-Silizid-Schicht an. Der gesamte Stapel, bestehend aus Wortleitung, Steuergate, Inter-Polysilizium-Isolatorschicht und schwimmendem Gate, wird sodann maskiert und geätzt, wo­ durch eine selbstausrichtende Inselstruktur entsteht, die die Wortleitungen enthält. Daraufhin ist eine zweite Zellen- Reoxidation erforderlich, um die Gatekanten abzudichten, be­ vor BPSG (oder ein ähnliches Planarisiermaterial, beispiels­ weise TEOS) in die Öffnungen der Matrix eingefüllt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Notwendigkeit, an diesem Punkt des Verfahrens einen Reoxidationsschritt durchzufüh­ ren, die Verwendung von Metallen, wie etwa Aluminium oder Wolfram, als Wortleitungsmaterialien bei dieser Ausführungs­ möglichkeit ausschließt.

Claims (15)

1. Verfahren zum Herstellen einer Speichermatrix aus Zellen mit schwimmenden Gates in einem Siliziumsubstrat (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps mit den Schritten:

• - Ausbilden von Feldoxidbereichen (17) auf dem Substrat, die die Kanalbereiche der Zellen definieren;
• - Ausbilden von Gateoxidbereichen (19) auf dem Substrat über den Kanalbereichen;
• - Abscheiden einer ersten Polysiliziumschicht (21) über dem Substrat;
• - Ausbilden einer Isolatorschicht (22) über der ersten Polysiliziumschicht (21);
• - Abscheiden einer zweiten Polysiliziumschicht (23) über der Isolatorschicht;
• - Ätzen der zweiten Polysiliziumschicht, der Isolator­ schicht und der ersten Polysiliziumschicht zum Ausbilden ei­ ner Mehrzahl von Inselelementen (27) über den Gateoxidberei­ chen, wobei jedes der Inselelemente (27) die Isolatorschicht zwischen den beiden Polysiliziumschichten umfaßt und einer der Zellen in der Matrix zugeordnet ist, wobei ferner die Inselelemente durch Gräben (26) voneinander getrennt sind und wobei die erste Polysiliziumschicht (21) die schwimmen­ den Gate-Elemente und die zweite Polysiliziumschicht (23) die Steuergateelemente der Zellen umfassen;
• - Einführen von Dotiermitteln in das Substrat zum Aus­ bilden beabstandeter Source/Drain-Bereiche (30, 31, 32) ei­ nes zweiten Leitfähigkeitstyps neben den Kanalbereichen der Zellen;
• - Füllen der Gräben (26) mit Isolatormaterial (35); und
• - Ausbilden einer Mehrzahl von Wortleitungen (40) über der Matrix, wobei die Wortleitungen einen elektrischen Kon­ takt zu den Steuergateelementen (23) herstellen, die einer Reihe der Zellen zugeordnet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllschritt folgende Schritte umfaßt:

• - Abscheiden einer Isolatorschicht (35) über dem Substrat (1C), um die Gräben (26) zu füllen und die Insel­ elemente (27) zu überdecken;
• - Maskieren der Isolatorschicht;
• - Ätzen der Isolatorschicht (35) zum Ausbilden einer Mehrzahl langgestreckter, paralleler, beabstandeter Öffnun­ gen (38) in der Isolatorschicht über den Steuergateelemen­ ten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die Feldoxidbereiche (17) so ausgebildet werden, daß sie sich streifenförmig in einer ersten Richtung über die Matrix erstrecken, wobei die Gateoxidbereiche (19) zwischen den streifenförmigen Feldoxidbereichen ausgebildet werden,
daß die beabstandeten Source/Drain-Bereiche (30-32) so ausgebildet werden, daß sie sich in einer zweiten Richtung über die Matrix erstrecken, wobei die zweite Richtung im we­ sentlichen senkrecht zu der ersten Richtung verläuft, und
daß die Wortleitungen (40) in der ersten Richtung ausge­ bildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzschritt folgende Schritte umfaßt:

• - Ätzen der zweiten Polysiliziumschicht (23), der Isola­ torschicht (22) und der ersten Polysiliziumschicht (21) zur Ausbildung einer Mehrzahl langgestreckter, paralleler, beab­ standeter Stapel (24), die sich in der ersten Richtung über die Matrix erstrecken;
• - Ausbilden von Maskenelementen, die über den Stapeln in der zweiten Richtung strukturiert sind;
• - Ätzen der freiliegenden Abschnitte der Stapel (24), wodurch die Inselelemente (27) und die Gräben (26) entste­ hen; und
• - Ätzen der freiliegenden Abschnitte der Feldoxidberei­ che (17).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierschritt vor dem Entfernen der Maskenelemente durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatorschicht (22) eine Oxid/Nitrid/Oxid-Zusammen­ setzung umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß direkt nach dem Dotierschritt das Substrat (10) reoxidiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Füllschritt aufgebrachte Isolatorschicht (35) ge­ ätzt wird, indem die Isolatorschicht (35) in einer ersten Richtung zur Bildung einer Mehrzahl langgestreckter, paral­ leler, beabstandeter Öffnungen (38) in der Isolatorschicht (35) über den Steuergateelementen (23) anisotrop geätzt wird und daß das Ätzen der Isolatorschicht (35) gestoppt wird, nachdem die Oberfläche der Steuergateelemente (23) freige­ legt worden ist und bevor die Seiten der zwischen den Poly­ silizium-Schichten (21, 23) aufgebrachten Isolatorschicht (22) freigelegt worden sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp den p-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp den n-Typ bildet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bildung der Feldoxidbereiche (17) eine Bor-Feldimplantation (15) durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Wortleitungen (40) ausgewählt wird aus einer Gruppe, die Aluminium, Polysili­ zium, Titan, Wolfram und Wolframsilizid umfaßt.

12. Verfähren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierschritt zur Bildung der Sour­ ce/Drain-Bereiche folgende Implantationsschritte umfaßt:

• - Implantieren einer ersten Ionenspezies in die Source- und Drain-Bereiche (30, 31); und
• - Implantieren einer zweiten Ionenspezies in die Source- Bereiche (32) derart, daß die Source-Bereiche im Vergleich zu den Drain-Bereichen tiefer und weniger abrupt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Ionenspezies Arsen und die zweite Ionenspezies Phosphor umfaßt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gateoxid (19) etwa 11,5 nm dick ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbilden der Inselelemente (27) ein Abstandsoxid (34) an deren Seitenwandabschnitten ausgebildet wird.