EP0000180B1 - Halbleiter-Zellenstruktur für eine Eimerkettenschaltung sowie Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

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EP0000180B1
EP0000180B1 EP78100214A EP78100214A EP0000180B1 EP 0000180 B1 EP0000180 B1 EP 0000180B1 EP 78100214 A EP78100214 A EP 78100214A EP 78100214 A EP78100214 A EP 78100214A EP 0000180 B1 EP0000180 B1 EP 0000180B1
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ion
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Victor M. Simi
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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor cell structure for a bucket chain circuit and a method for producing the same;
  • the bucket chain circuit consists of a series of such cells connected in series, which transfer charges in a controlled manner from cell to cell.
  • a semiconductor cell structure according to the preamble of claim 1 is known (French patent application 2 161 003), in which a series of cells are connected in series for use in a capacitor store.
  • a first diffusion region of a first cell with a second conductivity type and a second diffusion region of a second cell with the second conductivity type are arranged in a semiconductor substrate of a first conductivity type of low resistance.
  • the surface of the semiconductor substrate is covered with an insulation layer, on which a gate electrode is attached above the space between the diffusion regions.
  • a memory cell consisting of a transistor is known, which consists of a field-spotted transistor, the drain zone of which has an implanted drain region lying outside the channel zone, which is the inversion region represents the storage capacity.
  • field effect transistors are known, to the diffusion-produced source and drain zones of which implanted source and drain regions which have been produced with the aid of self-alignment by the gate electrode.
  • a bucket chain circuit consists of a sequence of switching transistors connected in series, which connect capacitors to one another in that the gates of alternating transistors are acted upon in a sequence by non-overlapping timing pulses.
  • Bucket chain circuits are advantageously implemented in the field-effect transistor technology, as a result of which a bucket chain cell which is simple in structure and in manufacture is achieved.
  • a voltage signal representing the unit of binary information is fed to the source of the first of the series of FET bucket chain cells.
  • the previously reset drain node is bootstrapped so that current flows through the FET and the unit of binary information on the storage capacity is transferred between the first and second cells.
  • Bucket chain cells are not used alone, but in a chain arrangement of a large number of them, which is why the cell must be small in size and must be adaptable to the requirements of production in high-density integrated circuit technology. Since long chains of these cells are necessary for many applications, the transmission efficiency of each cell must be close to 1 and must not be different when transmitting a binary 0 or when transmitting a binary 1 signal.
  • FIG. 1 shows an implementation of a bucket chain cell known from the prior art, in FIG. 1b a cross section of this cell along the line 1 b-1 b and in FIG. 1 c a cross section along the line 1 c-1 c shown by Fig. 1.
  • the bucket chain cell which is shown in FIGS. A 1 to 1 c, has a metal gate which, although it does not have a self-aligned gate, is easier to manufacture tion is as a polycrystalline silicon self-aligned gate arrangements, whereby a more flat top surface contour can be achieved on the photolithography can be made with higher resolution. The illustrated.
  • Bucket chain cell known from the prior art is produced as parts of an integrated circuit in a P-type semiconductor substrate 2 and has an N + -type diffusion zone 4, which serves as its capacitive storage node.
  • the diffusion region 4 ′ is located under the thick oxide layer 6 ir.
  • FIG. 1 b the right side of which serves as a source in the bucket chain arrangement 12 and the left side of which serves as part of the drain for the bucket chain arrangement on the left side of the arrangement 12.
  • the known cell shown in Fig. 1 b has a thick layer 6 of silicon dioxide, which serves to separate the gates 12 and 14 from adjacent bucket chain cells.
  • a thin layer of silicon dioxide Arranged between the thick layers 6 of silicon dioxide is a thin layer of silicon dioxide with a relatively thin part 8, the typical thickness of which is in the order of 50 to 100 nm and a somewhat thicker part 10, which has a customary thickness in the order of approx. 100 nm to 150 nm.
  • the gate metal electrode 12 of the bucket chain cell is attached between the thick layers 6 of silicon dioxide and specifically over the oxide layers 8 and 10.
  • a different oxide layer thickness below the gate electrode 12 of a non-self-aligned gate FET arrangement in the area between the Areas 6 and 8 according to FIG. 1 b are desirable according to the teaching of the prior art in order to reduce parasitic capacitive coupling between the gate 12 and the source diffusion 4 ′.
  • the capacitive storage area of a bucket chain cell can generally be found on part 10 of the thin oxide layer and the field effect switching part of the bucket chain cell is generally arranged on part 8 of the thin oxide layer.
  • the known bucket chain cell shown has disadvantages that are typical of the prior art. In the prior art, the problem has not yet been recognized and has not been solved, which is to combine different logic oxide FET devices as well as bucket ladder circuits with a minimum thickness of the silicon dioxide layer 10 in the capacitive storage area on the same integrated chip, in order thus to combine the capacity to maximize per unit area and at the same time increase the thickness of the oxide layer between the regions 6 and 8 in FIG. 1b in order to minimize the capacitive coupling to the source.
  • the charge migration along a bucket chain as shown in Fig.
  • 1 b is the result of a capacitive bootstraping method in which the amount of charge shift from node to node is a function of the difference in size between the gate-source capacitance Cg s and the gate-drain capacitance Cg d .
  • the larger the Cg d compared to the Cg s the larger the size of the shifted charge. Since the minimum capacity per bucket chain cell is necessary to achieve a detectable output signal for a particular application, the cell must be made larger in area in order to meet the capacity requirements.
  • FIGS. 1 to 1-c Another problem associated with the bucket chain cell known from the prior art, as typified by FIGS. 1 to 1-c, is the impossibility of self-aligning the structural elements of the bucket chain cell, so that the distance X, which is for the Alignment deadances is necessary, which are necessary between the diffusion region 4 and the gate oxide etching stages, is too small. This then necessarily leads to the separation distance between adjacent chains of the bucket chain cells being made larger.
  • Another difficult problem is that channel shorting can occur if adjacent cells within the same bucket ladder circuit are brought too close together. Due to the substantial vertical depth of the diffusion area 4 according to FIG.
  • the separation distance between these diffusion areas 4 and 4' is reduced, so that the threshold voltage for the field effect transistor part of the bucket chain device below the thin oxide layer 8 becomes sensitive to the magnitude of the voltage difference between the diffusion regions 4 and 4 '.
  • This causes the threshold voltage and hence the charge transfer efficiency of the device to be different for binary one signals and for binary zero signals. Since the threshold voltage and the efficiency of charge transfer depend on the logical value of the signal to be transferred, long chains of such bucket chain cells can include a reduction in the transmitted signal, which is particularly evident in the first different bit of a sequence occur.
  • the invention seeks to remedy this.
  • the invention as characterized in the claims, achieves the object of increasing the packing density for bucket chain circuits by means of the cell design, reducing the sensitivity of the threshold voltage of a bucket chain circuit as a function of the voltage magnitude between source and drain, and the overlapping capacitance between gate and source to minimize and maximize the overlapping capacitance between gate and drain in the bucket chain arrangement, furthermore the task of reducing the problems with the short channel effect in a bucket chain circuit and, in addition, using the same integrated chip with both FET logic circuits with reduced parasitic capacitances and with bucket chain circuits to be able to combine maximized gate-drain capacity per unit area.
  • the advantages achieved by the invention are essentially that a cell structure for a bucket ladder circuit is created, which combines a MOS capacitance with a MOS FET, with a threshold voltage whose sensitivity to the source-drain potential is reduced, thus a higher charge transfer efficiency is achieved, the dimensions of the cell can be made smaller, a reduced parasitic capacitance to the substrate is achieved, due to the reduced side wall regions of the ion-implanted drain and thus the overall packing density is increased.
  • the thin overlapping capacitance between gate and drain must be maximized, while at the same time the parasitic capacitances between gate and source and between the diffusion region and the substrate must be kept to a minimum.
  • the current-voltage characteristic related to the threshold voltage of the field effect transistor should be independent of the drain-source voltage and the conductivity in the on state should be very high in order to achieve maximum transmission efficiency at both low and high operating frequencies .
  • the arrangement should be packed as tightly as possible in order to achieve minimum space for optimal bit density and to achieve a high yield of the semiconductor chip. All of these criteria are based on the criteria in FIGS. 2a-2c semiconductor cell for a bucket chain circuit.
  • a capacitive storage area is combined with the switching area of the field effect transistor by using a uniform thickness of thin insulation layer 110 that extends over a drain enlargement 107 that is ion-implanted to form a capacitive storage node for the bucket chain cell.
  • FIGs. 2a and 2b show a sequence of bucket chain cells connected to one another in series, while in FIG. 2c a cell of a pair of adjacent bucket chains is shown.
  • the cells are formed from elements of an integrated circuit in a p-type semiconductor substrate 102, which has a resistance between approximately 1.3 and 1.7 ohm cm. This low resistance substrate helps reduce channel short circuits and electrostatic feedback effects, thereby reducing the sensitivity of the threshold voltage to the source-drain voltage.
  • a thick silicon dioxide insulation layer 106 is formed over the diffusion regions 104 and 104 '.
  • a thin insulation layer 110 made of oxide with a uniform thickness is formed over the semiconductor substrate 102 in the area between the thick insulation layers 106.
  • a junction oxide region between the thin insulation layer 110 and the thick insulation layer below the gate electrode 112 has a greater thickness than the thickness of the thin insulation layer 110 in order to reduce the parasitic capacitance between the gate electrode 112 and the first diffusion region 104 ′.
  • a drain enlargement region 107 is formed by ion implantation of an n-type dopant, such as phosphorus or arsenic, through the thin insulation layer 110 to occupy part of the entire region between the diffusion regions 104 and 104 ', with a channel region 105 having the initial substrate conductivity , the channel region is thus between the implanted drain enlargement region 107 and the first diffusion region 104 '.
  • the thickness of the ion-implanted drain enlargement region 107 is substantially thinner than the depth of the diffusion regions 104 or 104 'below the surface of the semiconductor substrate 102 and is in the order of approximately 50 nm to 200 nm.
  • the gate electrode 112 of Fig. 2b is center-to-center spaced, i.e. between the thick insulation layers 106 and 106 ', the cell periodicity, of 20 ⁇ m, the depth of the second diffusion region 104 below the surface of the substrate is approximately 1.9 ⁇ m, the depth of the ion-implanted drain enlargement region 107 is approximately 100 nm , the length of the drain enlargement region 107 is approximately 8 ⁇ m, the length of the channel region 105 is approximately 5 ⁇ m, the depth of the thick insulation layer 106 is approximately 300 nm below the substrate surface and the thickness of the thin insulation layer 110 is approximately 50 nm A metallic gate electrode 112 is disposed over the thin insulation layer 110, thereby the ones shown in FIGS. 2a-2c structure is completed.
  • FIG. 3a The process for the preparation of the invention and in FIGS. 2a-2c structure is shown below with reference to FIGS. 3a-3e explained.
  • the method begins at FIG. 3a with the aid of a p-conductive silicon substrate 102 with a conductivity of 1.5 ohm cm by growing an initial oxide layer 130 with a thickness a of 300 nm by a conventional thermal oxidation process. Windows or openings 132 and 134 are then etched into oxide layer 130.
  • a photolithographic etching process is then used to form the thick insulation layers 106 and 106 'as shown in Fig. 3c. This step is followed by a gate oxide growth step to form the thin insulation layer 110 shown in Fig. 3c by a dry thermal oxidation process at 900 ° C for about 250 minutes.
  • a thin layer of phosphorus silicate glass is deposited or grown to a thickness of 110 nm on the surface of the insulation layer 110 and heated at 1000 ° C. for 20 minutes in order to remove ion contamination by a gettering process in order to obtain better threshold voltage stability.
  • the result of this step is shown in Fig. 3c.
  • the next step conventionally involves depositing a photoresist layer 131 approximately 1 ⁇ m thick over part of the thin insulation layer 110 and the immediately adjacent part of the thick insulation layer 106 ', as shown in Figure 3d, to thereby achieve an ion implantation mask , through which an ion implantation 133 of phosphorus ions takes place at about 65 KeV.
  • a photoresist layer 131 approximately 1 ⁇ m thick over part of the thin insulation layer 110 and the immediately adjacent part of the thick insulation layer 106 ', as shown in Figure 3d, to thereby achieve an ion implantation mask , through which an ion implantation 133 of phosphorus ions takes place at about 65 KeV.
  • the n-type drain enlargement region 107 which is shown in FIG. 3d, ultimately results after a heating process at 450 ° C. for 10 minutes. This concentration of the drain enlargement region 107 ensures that it remains n-conducting at all desired gate and drain potentials.
  • the final steps in Fig. 3e are photolitho graphic etching process steps for contacting and growing the metallized aluminum copper gate connections and etching the metal structures that complete the manufacturing process.
  • logic circuits in FET technology have been formed on the same integrated chip, which have a reduced gate diffusion capacitance due to the difference in the oxide thicknesses between their channel regions and their diffusion regions.
  • the transmission efficiency is improved at low frequencies in that the changes in the threshold voltage are minimized with regard to the changes in the source-drain potential. This is accomplished in two ways, the first by reducing the resistance of the substrate and the second by reducing the effective junction depth of the ion-implanted drain enlargement regions of high resistance and the drain portion closest to the channel. As the drain-substrate or drain-source voltage increases, the depletion layer grows at the pn junction on the wide n and on the vertical side of the drain that is closest to the channel, and effectively reduces the channel length by a progressive one Spill over into the canal area.
  • the charge carrier concentration on the surface is less variable by the voltage at the gate. This means that the threshold voltage has become sensitive to the source-drain voltage, which corresponds to the known short channel effect.
  • the rate of change in the drain depletion layer thickness is reduced with a change in the drain-substrate voltage, which in turn reduces the rate of change in the effective channel length with respect to the drain-substrate voltage, which ultimately reduces the sensitivity of the threshold voltage to the drain-substrate voltage.
  • the drain depletion layer is limited to an area which surrounds the flat drain enlargement region 107 and is close to the surface of the substrate, at which a much greater possibility of control of the charge carriers by the gate can be maintained. Since the depletion layers between the source and the drain in the channel region are much closer to the surface than in more ideal long-channel FETs, the threshold voltage is much less sensitive to changes in the drain-substrate or drain-source voltage.
  • the insensitivity of the threshold voltage to the source-drain or the drain-substrate voltage is essential for a constant transfer of the same quantity of charge for a given binary value, regardless of the binary value of the preceding or following charge signals.
  • Such a dependency results in a residual charge on the storage node for a first binary value, which is then also transmitted with the charge signal for the opposite binary value, as a result of which incorrectly accumulated charge amplitudes are further transmitted and advanced.
  • the available transmission efficiency improves with the reduced channel resistance, which results from the coexistence of the reduced effective channel length and the increased conductivity of the bucket chain cell according to the invention.
  • Fig. 4 shows the graphical relationship between the sensitivity of the threshold voltage to the drain-source voltage OV T / OVp s in saturated bucket-chain mode, when the drain-source current IDS goes to zero as a function of the effective channel length; this once for two conventional bucket chain arrangements and on the other hand once for the bucket chain cell designed according to the invention.
  • the figure shows that with a bucket chain cell with a 1.5 ohm cm substrate and an ion-implanted drain enlargement area according to the invention, a significantly reduced threshold sensitivity is achieved, and therefore lower transmission losses occur than with a bucket chain cell, which is a 12 ohm cm Substrate and has a flat (0.8 .mu.m) transition, or with a 2 ohm cm substrate and a transition depth of 2.7 .mu.m.
  • the measured transmission loss per stage includes both the loss due to the threshold sensitivity and losses resulting from other sources animals.
  • Arrangements according to the invention, which have seven different channel lengths, have been investigated for this purpose at different charge signal amplitudes ranging from 40 to 100 femto-coulombs, and the resulting transmission losses per stage have been measured and recorded.
  • the diagram shows that the dependence of the charge transfer loss per stage on the charge signal amplitude is relatively small and that the total transfer loss per cell is sufficiently small that a chaining of a large number of such cells can be carried out without the inclusion of a significant signal disturbance.
  • the bucket chain cell structure designed according to the invention has an improved charge transfer efficiency by improving the factors 2, 3a and 3b, as mentioned above.
  • the reduced sidewall region of drain extension region 107 which faces channel region 105, as shown in FIG. 2b, reduces the influence of changes in the thickness of the depletion layer surrounding drain enlargement region 107 on the effective channel length.
  • the reduced sidewall regions of the drain enlargement region 107 for the lateral lateral surfaces that are parallel to the plane of FIG. 2b, reduce the capacitive coupling between the ion-implanted drain enlargement region 107 and the substrate 102.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter-Zellenstrucktur für eine Eimerkettenschaltung sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben; die Eimerkettenschaltung besteht aus einer Reihe von solchen hintereinander geschalteten Zellen, die gesteuert Ladungen von Zelle zu Zelle übertragen.
  • Es ist eine Halbleiter-Zellenstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt (französische Patentanmeldung 2 161 003), bei der für die Verwendung in einem Kondensatorspeicher eine Reihe von Zellen hintereinander geschaltet sind. Bei dieser Zellenstruktur sind in einem Halbleitersubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps niedrigen Widerstands ein erster Diffusionsbereich einer ersten Zelle mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp und davon beabstandet ein zweiter Diffusionsbereich einer zweiten Zelle mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp angeordnet. Desweiteren ist das Halbleitersubstrat an seiner Oberfläche mit einer Isolationsschicht bedeckt, auf der oberhalb des Zwischenraumes zwischen den Diffusionsbereichen eine Gateelektrode angebracht ist. - Die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme und Schwierigkeiten, welche nachfolgend anhand von weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Strukturen erläutert werden, sind dieser bekannten Anordnung zum einen fremd und zum anderen durch diese nicht gelöst.
  • Aus der Zeitschrift IEEE Transactions on Electron Devices Vol 23, Nr. 10, 1976, Seiten 1187 bis 1189 ist eine aus einem Transistor bestehend Speicherzelle bekannt, die aus einem Feldeffeckttransistor besteht, dessen Drainzone einen außerhalb der Kanalzone liegenden implantierten Drainbereich aufweist, der das Inversionsgebiet der Speicherkapazität darstellt. Aus der US-A-3959025 sind Feldeffekttransistoren bekannt, an deren durch Diffusion hergestellte Source- und Drainzonen implantierte Source- und Drain-Gebiete anschließen, die mit Hilfe der Selbstausrichtung durch die Gateelektrode hergestellt worden sind.
  • Eine Eimerkettenschaltung besteht aus einer Folge von hintereinander geschalteten Schalttransistoren, die Kapazitäten dadurch miteinander verbinden, daß die Gates alternierenden Transistoren in einer Folge durch nicht überlappende Zeitgabeimpulse beaufschlagt werden. Eimerkettenschaltungen werden vorteilhafterweise in der Technik der Feldeffekttransistoren ausgeführt, wodurch eine in der Struktur und in der Herstellung einfache Eimerkettenzelle erzielt wird. Ein Spanungs- bzw. Ladungssignal, das die Einheit einer binären Information repräsentiert, wird an der Source der ersten der Reihe von FET-Eimerkettenzellen eingespeist. Wenn der erste Taktimpuls am Gate der ersten Eimerkettenzelle auftritt, wird de vorher rückgestellte Drainknoten im Bootstrapverfahren durchlässig gemacht, so daß Strom durch den FET fließt und die Einheit der Binärinformation zu der Speicherkapazität zwischen der ersten und zweiten Zelle übertragen wird. Danach, wenn der Taktimpuls am Gate der zweiten Eimerkettenzelle auftritt, wird die Einheit der Binärinformation, die am Kapazitätsknoten zwischen der ersten und der zweiten Zelle gespeichert ist, durch die zweite Zelle zu dem vorher rückgestellten Kapazitätsknoten zwischen der zweiten und dritten Zelle übertragen. In diese Weise kann ein Spannungs- bzw. Ladungssignal durch einen Strang von Eimerkettenzellen tranferiert werden, bei Nutzung eines Zweiphasentaktes, um einen seriellen Speicher, eine Signalübertragung oder eine Signalbearbeitungs-Arbeitsweise durchzuführen. Diese Arbeitsweise ist schematisch in Fig. 1d dargestellt. Für jede Ladungsübertragung ist immer eine Zelle vorgesehen, die bei Beginn der Arbeitsweise ohne übertragene Ladung ist. Diese leere Zelle wird auf ein Referenzpotential, das der letzten Zelle in der Kette entspricht, aufgefrischt, wobei dieses in der zum Informationsfluß umgekehrten Richtung fortschreitend durchgeführt wird. Auf diese Weise werden bei einer zweiphasigen Taktgebung 2N Zellen benötigt, um N Bits an Informationen zu speichern. Die Anzahl der Zellen kann auf
    Figure imgb0001
    reduziert werden bei einer mehrphasigen Taktgebung mit m Takten, um N Informationsbits zu speichern.
  • Für den Aufbau einer guten Eimerkettenzelle müssen eine Anzahl von voraussetzungen erfüllt werden. Eimerkettenzellen werden nicht in Alleinstellung verwendet, sondern in kettenförmiger Anordnung einer größer Anzahl von ihnen, weswegen die Zelle in der Dimension klein sein muß und an die Erfordernisse der Herstellung in integrierter Schaltungstechnik hoher Dichte anpaßbar sein muß. Da lange Ketten dieser Zellen für viele Anwendungen notwendig sind, muß die Übertragungseffizienz jeder Zelle nahe bei 1 liegen und darf nicht unterschiedlich sein bei der Übertragung einer binären 0 oder bei der Übertragung eines binären 1--Signals.
  • In Fig. 1 ist eine Implementierung einer aus dem Stand der Technik bekannten Eimerkettenzelle dargestellt, in Fig. 1b ein Querschnitt dieser Zelle entlang der Linie 1 b-1 b und in Fig. 1 c ist ein Querschnitt entlang der Linie 1 c-1 c von Fig. 1 dargestellt. Die Eimerkettenzelle, die in den Figuren a 1 bis 1 c dargestellt ist, weist ein Metallgate auf, das, obwohl es kein Self-Aligned-Gate aufweist, einfacher in der Fabrikation ist als polykristalline Silicium-Self-Aligned-Gate-Anordnungen, wodurch eine ebenere Obenflächenkontur erzielbar ist, auf der Photolithographie mit größerer Auflösung vorgenommen werden kann. Die dargestellte. aus dem Stand der Technik bekannte Eimerkettenzelle ist als Teile einer integrierten Schaltung in einem P-leitenden Halbleitersubstrat 2 hergestellt und weist eine N + leitende Diffusionszone 4 auf, die als ihr kapazitiver Speicherknoten dient. Unter der dicken Oxydschicht 6 ir. Fig. 1 b befindet sich der Diffusionsbereich 4', dessen rechte Seite als Source in der Eimerkettenanordnung 12 dient und dessen linke Seite als Teil der Drain für die Eimerkettenanordnung auf der linken Seite der Anordnung 12 dient. Die in Fig. 1 b dargestellte bekannte Zelle weist eine dicke Schicht 6 aus Siliciumdioxid auf, die zum Trennen der Gates 12 und 14 von benachbarten Eimerkettenzellen dient. Zwischen den dicken Schichten 6 aus Siliciumdioxid ist eine dünne Schicht aus Siliciumdioxid mit einem relativ dünnen Teil 8 angeordnet, deren typische Dicke in der Größenordnung von 50 bis 100 nm liegt und ein etwas dickerer Teil 10, der eine übliche Dicke in der Größenordnung von ca. 100 nm bis 150 nm aufweist. Die Gate-Metallelektrode 12 der Eimerkettenzelle ist zwischen den dicken Schichten 6 aus Siliciumdioxid angebracht und zwar über den Oxidschichten 8 und 10. Eine unterschiedliche Oxidschichtdicke unterhalb der Gate-Elektrode 12 einer Nicht-Self-Aligned-Gate-FET-Anordnung im Bereich zwischen den Bereichen 6 und 8 gemäß Fig. 1 b ist gemäß der Lehre des Standes der Technik wünschenswert, um parasitäre kapaiztive Kopplung zwischen dem Gate 12 und der Source-Diffusion 4' zu reduzieren. In der Tat sind solche Anordnungen auf Chips mit großer Integrationsdichte vorhanden, die auch eine Eimerkettenschaltung enthalten, um andere logische und Eingangs- /Ausgangsoperationen vorzunehmen. Der Herstellprozeß dieser bekannten Art bei der Bildung des dickeren Bereichs beruht auf der verstärketen Oxydationsrate stark dotierten Siliciums, wie beispielsweise solches in den Diffusionsbereichen 4'. Jedoch ist mit diesem Vorteil der Nachteil verbunden, daß die entsprechende Oxidschicht 10 über dem Diffusionsbereich 4 wächst, was gleichzeitig die Kapazität zwischen dem Gate 12 und dem Diffusionsbereich 4 reduziert. Dieser nachteilige Effekt tritt dann besonders in Erscheinung, wenn diese FET-Vorrichtung als ein Element einer Eimerkettenschaltung verwendet wird, da der Ladungsspeicherknoten der Zelle der zwischen dem Gate und dem Diffusionsbereich gebildet ist, eine reduzierte Kapazität pro Flächeneinheit aufweist.
  • Der kapazitive Speicherbereich einer Eimerkettenzelle ist generell an dem Teil 10 der dünnen oxidschicht zu finden und der Feldeffektschaltteil der Eimerkettenzelle ist generell am Teil 8 der dünnen Oxidschicht angeordnet. Die dargestellte bekannte Eimerkettenzelle weist Nachteile auf, die typisch für den Stand der Technik sind. Im Stand der Technik ist das Problem noch nicht erkannt und auch nicht gelöst, welches darin besteht auf demselben integrierten Chip sowohl unterschiedliche logische Oxid-FET-Vorrichtungen als auch Eimerkettenschaltungen mit einer minimalen Dicke der Siliciumdioxidschicht 10 im kapazitiven Speicherbereich zu vereinen, um somit die Kapazität pro Flächeneinheit zu maximieren und gleichzeitig die Dicke der Oxidschicht zwischen den Bereichen 6 und 8 in Fig. 1b zu vergrößern, um die kapazitive Kopplung zur Source zu minimieren. Die Ladungswanderung entlang einer Eimerkette, wie sie in Fig. 1 b als Schaltbild dargestellt ist, ist das Ergebnis eines kapazitiven Bootstraping-Verfahren, bei dem die Größe der Ladungsverschiebung von Knoten zu Knoten eine Funktion der Differenz der Größe zwischen der Gate-Source-Kapazität Cgs und der Gate-Drain-Kapazität Cgd ist. Umso größer Cgd gegenüber Cgs ist, umso größer ist die Größe der verschobenen Ladung. Da die minimale Kapazität pro Eimerkettenzelle zum Erzielen eines detektierbaren Ausgangssignals für eine besondere Anwendung notwendig ist, muß die Zelle bereichsmäßig größer gemacht werden, um die Kapazitätserfordernisse zu erfüllen.
  • Ein anderes mit der aus dem Stand der Technik bekannten Eimerkettenzelle, wie sie typisiert durch Fig. 1 bis 1-c dargestellt ist, verbundenes Problem liegt in der Unmöglichkeit, eine Selbstausrichtung der Strukturelemente der Eimerkettenzelle vorzunehmen, so daß der Abstand X, der für die Ausrichttoteranzen notwendig ist, die zwischen dem Diffusionsbereich 4 und den Gateoxid-Ätzstufen notwendig sind, zu klein ist. Dieses führt notwendigerweise dann dazu, den Trennungsabstand zwischen benachbarten Ketten der Eimerkettenzellen größer zu machen. Andere schwierige Probleme liegen darin, daß ein Kanalkurzschluß auftreten kann, wenn benachbarte Zellen innerhalb derselben Eimerkettenschaltung zu nahe aneinander gebracht werden. Aufgrund der wesentlichen vertikalen Tiefe des Diffusionsbereichs 4 gemäß Fig. 1 b, gegenüber dem Kanalbereich zwischen den Diffusionsbereichen 4 und 4', wird die Trennungsdistanz zwischen diesen Diffusionsbereichen 4 und 4' reduziert, so daß die Schwellwertspannung für den Feldeffekttransistorteil der Eimerkettenvorrichtung unterhalb der dünnen Oxidschicht 8 gegenüber der Größe der Spannungsdifferenz zwischen den Diffusionsbereichen 4 und 4' empfindlich wird. Dies verursacht, daß die Schwellwertspannung und damit die Ladungsübertragungseffizienz der Vorrichtung, unterschiedlich für binäre Eins-Signale und für binäre Null-Signale sind. Da die Schwellwertspannung und die Effizienz der Ladungsübertragung von dem logischen Wert des zu übertragenden' Signals abhängig wird, können lange Ketten solcher Eimerkettenzellen eine Verminderung der übertragenen Signals beinhalten, die besonders offenkundig bei dem ersten untershiedlichem Bit einer Sequenz auftreten.
  • Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, die Packungsdichte für Eimerkettenschaltungen durch die Zellgestaltung zu erhöhen, die Empfindlichkeit der Schwellwertspannung einer Eimerkettenschaltung in Abhängigkeit von der Spannungsgröße zwischen Source und Drain zu reduzieren, die überlappende Kapazität zwischen Gate und Source zu minimieren und die überlappende Kapazität zwischen Gate und Drain in der Eimerkettenanordnung zu maximieren, weiterhin die Aufgabe, die Probleme mit dem kurzen Kanaleffekt in einer Eimerkettenschaltung zu reduzieren und darüber hinaus auf demselben integrierten Chip sowohl FET logische Schaltungen mit reduzierten parasitären Kapazitäten als auch Eimerkettenschaltungen mit maximierter Gate-Drain-Kapazität pro Flächeneinheit vereinen zu können.
  • Die durch die Erfindung erreichten Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß eine Zellenstruktur für eine Eimerkettenschaltung geschaffen ist, die eine MOS-Kapazität mit einem MOS-FET vereint, mit einer Schwellwertspannung, deren Empfindlichkeit gegebüber dem Source-Drainpotential reduziert ist, damit eine höhere ladungsübertragungseffizienz erreicht ist, die Zelle in ihren Abmessungen kleiner gestaltet werden kann, eine reduzierte parasitäre Kapazität zum Substrat erzielt ist, aufgrund der reduzierten Seitenwandbereiche der ionenimplantierten Drain und somit insgesamt die Packungsdichte erhöht ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren erläuterten Ausführungsbeispieles das Lediglich einen Ausführungsweg darstellt, in Aufbau und Wirkungsweise näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen im einzelnen:
    • Fig. 1 a eine Draufsicht auf eine Eimerkettenanordnung, die aus dem Stand der Technik bekannt ist;
    • Fig. 1 eine Seitenansicht des Schnitts entlang der Linie 1 b-1 baus Fig. 1a;
    • Fig. 1 eine Seitenansicht des Schnitts entlang der Linie 1 c-1 c aus Fig. 1 a;
    • Fig. 1 d ein schematisches elektrisches Schaltbild der in Fig. 1 a dargestellten Eimerkettenanordnung;
    • Fig. 2a eine Drausicht auf ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, die die verbesserte Eimerkettenschaltung mit der implantierten Drainvergrößerung zeigt;
    • Fig. 2b eine Seitenansicht des Schnitts entlang der Linie 2b-2b aus Fig. 2a;
    • Fig. 2c eine Seitenansicht des Schnittbildes entlang der Linie 2c-2c aus Fig. 2a;
    • Fig. 2d schematisch ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäß gestalteten Eimerkettenanordnung aus Fig. 2a;
    • Fign. 3a bis 3e zeigen die Folge von Prozeßschritten, die zur Herstellung der in Fig. 2 dargestellten Eimerkettenanordnung vorteilhaft angewendet werden;
    • Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Empfindlichkeit der Eimerkettenanordnung bzw. das Verhältnis, der Schwellwertspannung zu der Source-Drainspannung in Abhängigkeit von der effektiven Kanallänge der Anordnung; und
    • Fig. 5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Übertragungsverlustes pro Stufe von der effektiven Kanallänge bei einer Eimerkettenanordnung der in Fig. 2 gezeigten Ausführung.
  • Die in der Fig. 1 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung ist in der Einleitung vorliegender Beschreibung bereits abgehandelt worden, weswegen jetzt hier nicht näher auf diese mehr eingegangen werden muß.
  • Um für eine Eimerkettananordnung optimale Verhältnisse zu schaffen, muß die dünne überlappende Kapazität zwischen Gate und Drain maximiert werden, während gleichzeitig die parasitären Kapazitäten zwischen Gate und Source sowie zwischen dem Diffusionsbereich und dem Substrat minimal gehalten werden müssen. Zusätzlich sollte die Strom-Spannungscharakteristik, die in Beziehung zur Schwellwertspannung des Feldeffekttransistorens steht, unabhängig von der Drain-Source-Spannung sein und die Leitfähigkeit im durchgeschalteten Zustand sollte sehr hoch sein, um eine maximale Übertragungseffizienz sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Arbeitsfrequenzen zu erzielen. Zusätzlich soll die Anordnung möglichst eng gepackt werden können, um für optimale Bitdichte minimalen Platz zu erreichen und dabei eine hohe Ausbeute des Halbleiterchips zu erzielen. Alle diesen Kriterien werden von der in den Fign. 2a-2c dargestellten Halbleiterzelle für eine Eimerkettenschaltung erfüllt. Bei dieser Anordnung ist ein kapazitiver Speicherbereich mit dem Schaltbereich des Feldeffekttransistors vereint durch Anwendung einer gleichförmigen Dicke der dünnen Isolationsschicht 110, die sich über eine Drain-Vergrößerung 107 erstreckt, die ionenimplantiert ist, um einen kapazitiven Speicherknoten für die Eimerkettenzelle zu bilden.
  • In den Fign. 2a und 2b ist eine Folge von miteinander seriell verbundenen Eimerkettenzellen dargestellt, während in der Fig. 2c eine Zelle von einem Paar benachbarter Eimerketten dargestellt ist. Die Zellen sind aus Elementen eines integrierten Schaltkreises gebildet und zwar in einem p-leitenden Halbleitersubstrat 102, das einen Widerstand zwischen etwa 1,3 und 1,7 Ohm cm aufweist. Dieses Substrat mit niedrigem Widerstand hilft bei der reduzierung der Kanalkurzschlüsse und der elektrostatischen Rückkopplungseffekte, wodurch die Empfindlichkeit der Schwellwertspannung gegenüber der Source-Drainspannung reduziert wird.
  • Ein zweiter Diffusionsbereich 104 als Sourcebereich einer zweiten Zelle, die durch ein Gate 112 angedeutet ist, wird in der Fläche des Halbleitersubstrats gebildet und hat eine n-Leitung durch Dotierung des Substrates mit Phosphor oder Arsen.
  • Ein erster Diffusionsbereich 104' als Sourcebereich für eine erste Zelle, auf der linken Seiten der zweiten Zelle in Fig. 2b, wird durch eindiffundierung von n-Leitungstypen in das p-leitende Substrat gebildet und ist von dem zweiten Diffusionsbereich 104 beabstandet, so daß der Substratbereich zwischen beiden den kapazitiven Speicherknoten und auch den Feldeffekttransistor-Schaltbereich für die erste Zelle bildet. Eine dicke Isolationsschicht 106 aus Siliziumdioxid ist über den Diffusionsbereichen 104 und 104' gebildet. Eine dünne Isolationsschicht 110 mit aus Oxid mit einer gleichförmigen Dicke ist über dem Halbleitersubstrat 102 in dem Bereich zwischen den dicken Isolationsschichten 106 gebildet. Ein Übergansoxidbereich zwischen der dünnen Isolationsschicht 110 und der dicken Isolationsschicht unterhalb der Gateelektrode 112 hat eine größere Dicke als es der Dicke der dünnen Isolationsschicht 110 entspricht, um die parasitäre Kapazität zwischen der Gateelektrode 112 und dem ersten Diffusionsbereich 104' zu reduzieren. Ein Drainvergrößerungsbereich 107 ist durch lonenimplanperung eines n-leitenden Doteriungsstoffes, wie Phosphor oder Arsen, durch die dünne Isolationsschicht 110 hindurch gebildet, um einen Teil des gesamten Bereiches zwischen den Diffusionsbereichen 104 und 104' einzunehmen, wobei ein Kanalbereich 105, der die anfängliche Substratieitfähigkeit aufweist, freigelassen ist, der Kanalbereich liegt somit zwischen dem implantierten Drainvergrößerungsbereich 107 und dem ersten Diffusionsbereich 104'. Die Dicke des ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereichs 107 ist wesentlich dünner als es der Tiefe der Diffusionsbereiche 104 oder 104' unterhalb der Fläche des Halbleitersubstrats 102 entspricht und liegt in der Größenordnung von ca. 50 nm bis 200 nm.
  • Die Gateelektrode 112 aus Fig. 2b weist einen Abstand von Mitte zu Mitte, d.h. zwischen den dicken Isolationsschichten 106 und 106', der Zellenperiodizität, von 20 ,um auf, die Tiefe des zweiten Diffusionsbereichs 104 unterhalb der Oberfläche des Substrats beträgt ca. 1,9 p,m, die Tiefe des ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereichs 107 beträgt ca. 100 nm, die Länge des Drainvergrößerungsbereichs 107 beträgt etwa 8 ,um, die Länge des Kanalbereichs 105 beträgt etwa 5 p,m, die Tiefe der dicken Isolationsschicht 106 beträgt ca. 300 nm unterhalb der Substratoberfläche und die Dicke der dünnen Isolationsschicht 110 beträgt ca. 50 nm. Eine metallische Gateelektrode 112 ist über der dünnen Isolationsschicht 110 angeordnet, wobei dadurch die in den Fign. 2a-2c dargestellten Struktur komplettiert ist.
  • Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen und in den Fign. 2a-2c gezeigten Struktur wird nachfolgend anhand der Fign. 3a-3e erlaütert. Das Verfahren beginnt bei Fig. 3a unter Zuhilfenahme eines p-leitfähigen Siliciumsubstrats 102 mit einer Leitfähigkeit von 1,5 Ohm cm durch Aufwachsen einer Anfangsoxidschicht 130 mit einer Dicke a von 300 nm durch einen konventionellen thermischen Oxydationsprozeß. Fenster bzw. Öffnungen 132 und 134 werden dann in die Oxidschicht 130 geätzt. Die Diffusionsbereiche 104 und 104' werden dann durch Ablagerung/Aufwachsen eines 5 Mol prozentigen Phosphorsilicatglases über der thermischen Oxidschicht 130 unter Freilassung der Fenster 132 und 134 bei einer Temperatur von 870°C für ca. 25 Minuten gebiltdet. Danach folgt der Source-Drain-Eintreibzyklus bei 900°C in einer Dampfatmosphäre für etwa 250 Minuten. Die resultierende Dicke des Phosphorsilicatglases und der thermisch gewachsenen Oxidschicht über den Diffusionsbereichen 104 und 104' ist mit c angegeben und beträgt dann ca. 950 nm. Das Ergebnis dieses Herstellungsschrittes ist in Fig. 3b dargestellt und zeigt, daß eine sehr ebene Oberfläche der Schicht 136 erreicht ist, die eine gute photolithographische Auflösung bietet.
  • Danach wird ein photolithographischer Ätzprozeß angewandt, um die dicken Isolationschichten 106 und 106', wie sie in Fig. 3c dargestellt sind, zu bilden. Diesem Schritt folgt ein Gateoxid-Aufwachsschritt, um die dünne Isolationsschicht 110, die in Fig. 3c dargestellt ist, durch einen trockenen thermischen Oxydationsprozeß bei 900°C für ca. 250 Minuten zu bilden.
  • Eine dünne Phosphorsilicatglasschicht wird bis zu einer Dicke von 110 nm abgelagert bzw. aufgewachsen auf der Oberfläche der Isolationsschicht 110 und bei 1000°C für 20 Minuten aufgeheizt, um durch einen Getterungsprozeß ionenverschmutzungen zu entfernen, um eine bessere Schwellwertspannung-Stabilität zu erhalten. Das Ergebnis dieses Schrittes ist in Fig. 3c dargestellt.
  • Der nächste Schritt beinhaltet in konventioneller Weise die Ablagerung einer Photoresistschicht 131 von etwa 1 um Dicke über einem Teil der dünnen Isolationsschicht 110 und dem direkt benachbarten Teil der dicken Isolationsschicht 106', wie dies in Fig. 3d dargestellt ist, um somit eine lonenimplantationsmaske zu erreichen, durch die hindurch eine lonenimplantierung 133 von Phosphorionen bei ca. 65 KeV erfolgt. Für eine dünne Isolationsschicht 110 mit einer Dicke von ca. 50 nm ergibt sich bei einer 65 KeV Phosphorionenstrahldosis von 1013 Atome/cm2, der n-leitende Drainvergrößerungsbereich 107, der in Fig. 3d dargestellt ist letzlich nach einem Heizprozeß bei 450°C für 10 Minuten. Diese Konzentration des Drainvergrößerungsbereichs 107 stellt sicher, daß sie n-leitend bleibt bei allen gewünschten Gate- und Drain-Potentialen.
  • Die letzten Schritte in Fig. 3e sind photolithographische Ätzverfahrensschritte für die Kontaktierung und das Aufwachsen der metallisierten Gateanschlüsse aus Aluminiumkupfer und das Ausätzen der Metallstrukturen, die den Herstellprozeß vervollständigen.
  • Wahrend der Folge von Prozeßschritten, die in den FiQ. 3a-3e dargestellt sind, um die erfindungsgemäße Eimerkettenzellenstruktur herzustellen, sind auf demselben integrierten Chip logische Schaltungen in FET-Technik gebildet worden, die eine reduzierte Gate-Diffusion-Kapazität aufweisen aufgrund des Unterschiedes der Oxiddicken zwischen ihren Kanalbereichen und ihren Diffusionsbereichen.
  • Bei der erfindungsgemäßen EimerkettenZellenstruktur, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist, ist bei niedrigen Frequenzen die Übertragungseffizienz dadurch verbessert, daß die Veränderungen in der Schwellwertspannung im Hinblick auf die Änderungen des Source-Drainpotentiales minimiert sind. Dies wird auf zwei Wegen erreicht, zum ersten durch Reduzierung des Widerstandes des Substrats und zum zweiten durch Reduzierung der effektiven Übergangstiefe der ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereiche hohen Widerstandes und des dem Kanal am nächsten liegenden Drainteils. Wenn die Drain-Substrat- oder Drain-Source-Spannung ansteigt, dann wächst die Verarmungsschicht an dem pn-Übergang an der breite n und an der vertikalen Seite der Drain, die am nächsten dem Kanal ist, und reduziert effektiv die Kanallänge durch ein progressives Übergreifen in den Kanalbereich. Da der Trennungsabstand zwischen dem Sourcebereich, der die Drain umgibt, mit einem entsprechenden Verarmungsbereich, der die Source umgibt, zusammenfällt und dadurch eine kontinuierliche Verarmungszone unterhalb des Gates gebildet wird, ist die Ladungsträgerkonzentration an der Oberfläche weniger durch die Spannung am Gate veränderbar. Dies bedeutet, daß die Schwellwertspannung gegenüber der Source-Drain-Spannung sensitiv geworden ist, was dem bekannten kurzen Kanaleffekt entspricht.
  • Durch Erhöhung der Substratdotierungskonzentration wird die Änderungsrate an der Drainverarmungsschichtdicke mit einer Änderung in der Drain-Substratspannung reduziert, wodurch wiederum die Änderungsrate der effektiven Kanallänge im Hinblick auf die Drain-Substratspannung reduziert wird, was letzlich die Empfindlichkeit der Schwellwertspannung gegenüber der Drain-Substratspannung vermindert.
  • Durch die erfindungsgemäße Einführung des flachen, ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereichs 107, ist die Drainverarmungsschicht auf einen Bereich begrenzt, der den flachen Drainvergrößerungsbereich 107 umgibt und nahe an der Oberfläche des Substrats liegt, an der eine viel größere Steuermöglichkeit der Ladungsträger durch das Gate aufrechterhalten werden kann. Da die Vereinigung der Verarmungsschichten zwischen der Source und der Drain im Kanalbereich wesentlich näher an der Oberfläche erfolgt als in idealeren langkanaligen FETs, ist die Schwellwertspannung viel weniger sensitiv gegenüber Veränderungen der Drain-Substrat- oder der Drain-Source-Spannung.
  • In einer Eimerkettenzelle ist die Unempfindlichkeit der Schwellwertspannung gegenüber der Source-Drain- oder der Drain-SubstratSpannung wesentlich für eine beständige Übertragung derselben Ladungsquantität für einen gegebenen Binärwert, unabhängig von dem Binärwert der vorhergehenden oder nachfolgenden Ladungssignale. Eine solche Abhängigkeit resultiert in einer Restladung am Speicherknoten für einen ersten binären Wert, der dann mit dem Ladungssignal für den entgegengesetzten Binärwert mitübertragen wird, wodurch fehlerhaft akumulierte Ladungsamplituden weiter übertragen und vorgeschoßen werden. Durch Erhöhung der Substratleitfähigkeit und Einführung des ionenimplantierten Drainverlängerungsbereichs 107 gemäß der Erfindung, ist die Ladungsübertragungseffizienz der Eimerkettenzelle bei niedrigen Frequenzen verbessert.
  • Bei hohen Frequenzen, bei denen die Kanallänge die Übergangszeit für ein Ladungssignal bestimmt, verbessert sich die vorhandene Übertragungseffizienz mit dem reduzierten Kanalwiderstand, der sich aus der Koexistenz der reduzierten effektiven Kanallänge und der gesteigerten Leitfähigkeit der Eimerkettenzelle gemäß der Erfindung ergibt.
  • Fig. 4 zeigt den graphischen Zusammenhang zwischen der Empfindlichkeit der Schwellwertspannung gegenüber der Drain-Sourcespannung OVT/OVps bei gesättigter Eimerkettenbetriebsweise, wenn der Drain-Sourcestrom IDS gegen Null geht in Abhängigkeit von der effektiven Kanallänge; dies einmal für zwei herkömmliche Eimerkettenanordnungen und zum anderen einmal für die erfindungsgemäß gestaltete Eimerkettenzelle. Die Figur zeigt, daß bei einer Eimerkettenzelle mit einem 1,5 Ohm cm Substrat und einem ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereich gemäß der Erfindung eine wesentlich reduzierte SchwellwertSensitivität erzielt wird, und daß deswegen niedrigere Übertragungsverluste auftreten als dies bei einer Eimerkettenzelle der Fall ist, die ein 12 Ohm cm Substrat und einen flachen (0,8 ,um) Übergang aufweist, oder bei einer solchen mit einem 2 Ohm cm Substrat und einer Übergangstiefe von 2,7 ,um.
  • In Fig. 5 ist graphisch wiedergegeben die Beziehung zwischen dem gemessenen Übertragungsveriust pro einzelner Stufe in Abhängigkeit von der effektiven Kanallänge bei der erfindungsgemäßen Anordnung für unter-Signalladungspegel bei einer Arbeitsfrequenz von 200 kHz. Der gemessene Übertragungsverlust pro Stufe schließt sowohl den Verlust aufgrund der Schwellwertsensitivität als auch Verluste ein, die aus anderen Quellen resultieren. Anordnungen gemäß der Erfindung, die sieben verschiedene Kanallängen aufweisen, sind dazu untersucht worden bei verschiedenen Ladungssignalamplituden, die von 40 bis 100 Femto-Coulomb reichen, und ihre dabei entstehenden Ubertragungsverluste pro Stufe sind gemessen und eingetragen worden. Das Schaubild zeigt, daß die Abhängigkeit des Ladungs- übertragungsverlustes pro Stufe von der Ladungssignalamplitude relativ gering ist und daß der gesamte Übertragungsverlust pro Zelle genügend klein ist, so daß eine Verkettung von einer großen Anzahl solcher Zellen ohne den Einschluß einer wesentlichen Signalstörung vorgenommen werden kann.
  • Die Effizienz der Ladungsübertragung in einer Eimerkettenanordnung ist eine Funktion der folgenden Faktoren:
    • 1. Statische Oberflächenverluste aufgrund des Wiedereinfangens von Elektronen und des Ladungsverlustes,
    • 2. Modulation der Schwellwertspannung durch die Drain-Sourcespannung,
    • 3. Parasitäre Kapazitäten zwischen Drain und Substrat, die
      • a) ein kapazitives Aufladen der nachfolgenden Eimerkettenzelle in einer Kettenanordnung bewirken und
      • b) eine kapazitive Aufladung der Gate-Taktleitungen 0A, 0B und 0C verursachen.
  • Die erfindungsgemäß gestaltete EimerkettenZellenstruktur weist eine verbesserte Ladungsübertragungseffizienz durch Verbesserung der Faktoren 2, 3a und 3b auf, wie sie vorstehend genannt wurden. Der reduzierte Seitenwandbereich des Drainverlängerungsbereichs 107, der dem Kanalbereich 105 gegenübersteht, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist, reduziert den Einfluß der Veränderungen in der Dicke der Verarmungsschicht, die den Drainvergrößerungsbereich 107 umgibt, auf die effektive Kanallänge. Die reduzierten Seitenwandbereiche des Drainvergrößerungsbereichs 107, reduzieren für die seitlichen, lateralen Flächen, die parallel zur Ebene der Fig. 2b sind, die kapazitive Kopplung zwischen den ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereich 107 und dem Substrat 102. Diese strukturellen Verbesserungen heben die obere Abschnittfrequenz der Eimerkettenanordnung an und verbessern gleichzeitig deren Ladungsübertragungseffizienz.

Claims (8)

1. Halbleiter-Zellenstruktur für eine Eimerkettenschaltung mit einer Reihe von solchen hintereinander geschalteten Zellen, die gesteuert Ladungen von Zelle zu Zelle übertragen, bei der in einem Halbleitersubstrat (102) eines ersten Leitfähigkeitstyps (P) mit niedrigem Widerstand ein erster Diffusionsbereich (104') einer ersten Zelle mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (N+), und davon beabstandet ein zweiter Diffusionsbereich (104) einer zweiten Zelle mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp (N+) angeordnet sind und das Halbleitersubstrat (102) an seiner Oberfläche mit einer Isolationsschicht (110, 106) bedeckt ist, auf der oberhalb des Zwischenraums zwischen den Diffusionsbereichen (104', 104) eine Gateelektrode (112) angebracht ist, gekennzeichnet durch
a) einen ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereich (107) des zweiten Leitfähigkeitstyps (N+) für die erste Zelle, der zwischen dem ersten (104') und dem zweiten (104) Diffusionsbereich angeordnet, seriell mit dem zweiten Diffusionsbereich (104) verbunden und vom ersten Diffusionsbereich (104') durch einen Kanalbereich (105) getrennt ist, wobei der Drainvergrößerungsbereich (107) eine gegenüber den Diffusionsbereichen (104, 104') geringere Dicke aufweist,
b) eine dünn ausgebildete lsolationsschicht (110) über dem Kanal- (105) und ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereich (107).
c) eine dick ausgebildete Isolationsschicht (106, 106') über den Diffusionsbereichen (104, 104').
2. Halbleiter-Zellenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereiches (107) zwischen 50 und 200 nm beträgt.
3. Halbleiter-Zellenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Isolationsschicht (110) über dem Kanal- (105) und ionenimplaritierten Drainvergrößerungsbereich (107) gleichmäßig dick ist.
4. Halbleiter-Zellenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration für das Substrat (102) so gewählt ist, daß dessen Flächenwiderstand zwischen 1,3 Ohm cm und 1,7 Ohm cm liegt.
5. Halbleiter-Zellenstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe des p-n-Übergangs der Diffusionsbereiche (104, 104') in bezug auf die Oberfläche des Substrats (102) größer als 1,5 µm ist.
6. Halbleiter-Zellenstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der Dotierung des zweiten Leitfähigkeitstyps in dem ionenimplantierten Drainvergrößerungsbereich (107) ca. 1011 Atome/cm2 beträgt.
7. Halbleiter-Zellenstruktur nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einander zugekehrten Seitenwänden der Diffusionsbereiche (104, 104') etwa 13 µm und die Länge des Kanalbereichs (105) etwa 5 ,um beträgt.
8. Verfahren zur Herstellung der Halbleiter-Zellenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anwendung folgender Schritte:
a) Aufwachsen einer ersten SiOz-Schicht (130) auf ein Siliciumsubstrat eines ersten Leitfähigkeitstyps mit relativ niedriger Dotierungskonzentration,
b) Anbringen einer Mehrzahl von voneinander beabstandeten Zellenfenstern (132, 134) in der ersten Si02-Schicht (130),
c) Eindiffundieren einer Mehrzahl von Bereichen eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit relativ hoher Dotierungskonzentration durch die Zellenfenster (132, 134) hindurch, wobei sich die Zellenfenster wieder schließen,
d) Bildung je eines Gate-Fensters in der ersten Si02-Schicht, zwischen benachbarten Paaren von Diffusionsbereichen (104, 104'), wobei die Gatefenster im wesentlichen mit den sich gegenüberstehenden Seiten der Diffusionsbereiche ausgerichtet sind,
e) Aufwachsen einer zweiten SiO2-Schicht in den Gatefenstern und über der ersten SiO2-Schicht, zur Bildung der dünnen Isolationsschicht (110),
f) Bildung einer lonenimplantationsmaske (131) zur Abdeckung der dem zweiten Diffusionsbereich (104) zugewandten Seite des ersten Diffusionsbereiches (104') und eines Teils des benachbarten Gatebereiches unter Freilassung eines Oberflächengebietes für den Drainvergrößerungsbereich (107) in jedem Gatefenster auf der dem ersten Diffusionsbereich (104') zugewandten Seite des zweiten Diffusionsbereichs (104),
g) lonenimplantierung zur Bildung eines flachen Drainvergrößerungsbereiches (107) des zweiten Leitfähigkeitstyps derart, daß er (107) kontinuierlich mit der dem ersten Diffusionsbereich (104') zugewandten Seite des zweiten Diffusionsbereiches (104) verbunden ist,
h) Entfernung der lonenimplantationsmaske (131) und Bildung der Gateelektroden (112) in den entsprechenden Gatefenstern.
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