JP4104836B2 - Semiconductor memory device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、MISFETのチャネルボディを記憶ノードとしてダイナミックにデータ記憶を行う半導体メモリ装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のDRAMは、MISFETとキャパシタによりメモリセルが構成されている。DRAMの微細化は、トレンチキャパシタ構造やスタックトキャパシタ構造の採用により大きく進んでいる。現在、単位メモリセルの大きさ(セルサイズ)は、最小加工寸法をFとして、2F×4F=8F2の面積まで縮小されている。つまり、最小加工寸法Fが世代と共に小さくなり、セルサイズを一般にαF2としたとき、係数αも世代と共に小さくなり、F=0.18μmの現在、α=8が実現されている。
【0003】
今後も従来と変わらないセルサイズ或いはチップサイズのトレンドを確保するためには、F<0.18μmでは、α<8、更にF<0.13μmでは、α<6を満たすことが要求され、微細加工と共に如何にセルサイズを小さい面積に形成するかが大きな課題になる。そのため、1トランジスタ/1キャパシタのメモリセルを6F2や4F2の大きさにする提案も種々なされている。しかし、トランジスタを縦型にしなければならないといった技術的困難や、隣接メモリセル間の電気的干渉が大きくなるといった問題、更に加工や膜生成等の製造技術上の困難があり、実用化は容易ではない。
【0004】
これに対して、キャパシタを用いず、一つのMISFETのチャネルボディを記憶ノードとして、1ビットのメモリセルを構成する半導体メモリは、古くは、1979年に提案されている(P.K.Chatterjee, et.al.,"Circuit Optimization of the taper isolated dynamic gain RAM cell for VLSI memories," ISSCC Tech. Dig. pp.22-23, Feb. 1979)。そのMISFET構造は、p型基板上にn型埋め込み層によって基板とは分離されたp型チャネルボディを持つ。記憶動作の原理は、ゲート電極からの容量カップリングによりn型埋め込み層のホールに対するバリア高さを制御して、基板からチャネルボディへのホールの注入と放出を制御するものである。
【0005】
即ち、データ書き込み時は、ゲートからの容量カップリングによりn型埋め込み層の電位を下げて、基板からチャネルボディへのホール注入を行う。従ってチャネルボディのホール蓄積状態とホール放出状態とを2値データとして記憶することになる。データ保持状態では、ゲートからの容量カップリングによりn型埋め込み層の電位を上げて、チャネルボディのホールが放出されないようにする。
【0006】
この方式では、ゲートからのn型埋め込み層の電位制御を行うために、n型埋め込み層は空乏化してはならず、多数キャリアである電子の存在が不可欠である。従って、n型のドレイン、ソース拡散層の間はこのn型埋め込み層により短絡された形になる。チャネル長が数μmオーダーと大きい場合には、チャネルのオンオフによる抵抗変化に比べて、n型埋め込み層による短絡抵抗の影響を相対的に小さいものとすることが可能であるとしても、現在のようなサブμmのチャネル長を持つMISFETに適用した場合には、n型埋め込み層によるソース、ドレイン間短絡抵抗が無視できず、動作不能となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
一つのMISFETにより1ビットのメモリセルを構成する方式は、その他にも種々提案されているが、トランジスタ構造が複雑であったり、制御が複雑である等の難点があった。
【0008】
この発明は、単純なトランジスタ構造のメモリセルにより、ダイナミック記憶を可能とした半導体メモリ装置とその製造方法を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体メモリ装置は、1ビットのメモリセルが、フローティングのチャネルボディを持つ一つのMISFETにより構成され、前記MISFETはチャネルボディを第1の電位に設定した第1データ状態と第2の電位に設定した第2データ状態とをダイナミックに記憶するものであって、前記MISFETは、チャネルボディとなる第1導電型の第1の半導体層と、この第1の半導体層の底面に接してビルトインポテンシャルにより空乏化する第2導電型の第2の半導体層と、この第2の半導体層の底面に接する第1導電型の第3の半導体層と、前記第1の半導体層の上面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1の半導体層の上面から第2の半導体層に達する深さに形成されたソース及びドレイン拡散層と、前記ゲート電極直下の半導体層内に絶縁膜で囲まれた状態で埋め込まれ、上端が前記絶縁膜を介して前記第1の半導体層に対向する補助ゲート電極とを有することを特徴とする。
【0010】
この発明において具体的には、第1データ状態は、MISトランジスタを5極管動作させることによりドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こすことにより書き込まれ、第2データ状態は、第1のゲートからの容量結合により所定電位が与えられた半導体層とドレインとの間に順方向バイアスを与えることにより書き込まれる。従ってMISFETのソースは、接地電位等の固定電位のまま、データの書き込み、読み出しが行われる。
或いはまた、第1データ状態の書き込み法として、ゲートにより誘起されるドレインリーク(GIDL:Gate−Induced Drain Leakage)電流を利用することもできる。
【0011】
この発明によると、一つのメモリセルは、単純なMISFETにより形成される。MISFETは、ゲート電極下にpnp(又はnpn)構造を有し、その中間層がビルトインポテンシャルにより空乏化することでフローティングになるチャネルボディを持つ。またMISFETは、そのチャネルボディの電位状態によりデータ記憶を行うが、データ書き込みには基板からのキャリア注入によらず、ソースを固定電位として、ドレイン接合の逆バイアス及び順バイアスを利用することができる。従ってドレインに接続されたビット線とゲートに接続されたワード線の制御のみによって、読み出し,書き換え及びリフレッシュの制御が可能である。基板からチャネルボディへのキャリア注入、放出を利用する従来方式と異なり、任意ビット単位でのデータ書き換えも可能である。
【0012】
この発明において好ましくは、補助ゲート電極が、ソース及びドレイン拡散層の間に、第1の半導体層と第2の半導体層のpn接合が両側に残るように埋め込まれるのとする。補助ゲート電極の下端は、第2の半導体層内に位置してもよいし、第3の半導体層に達する深さとしてもよい。
【0014】
この発明はまた、上述した半導体メモリ装置の製造方法であって、第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの内壁に絶縁膜を形成した後、前記トレンチ内に途中の深さまで補助ゲート電極を埋め込む工程と、前記補助ゲート電極の上面に第1のゲート絶縁膜を形成した後、トレンチの側壁を露出させた状態で水素ガス中での熱処理を行って、前記トレンチの上部を前記半導体基板材料の流動により覆う工程と、前記半導体基板の表面部に不純物を導入して、チャネルボディとなる第1導電型の第1の半導体層を形成する工程と、前記半導体基板の前記第1の半導体層の直下に不純物のイオン注入を行って、ビルトインポテンシャルにより空乏化する第2導電型の第の半導体層を形成する工程と、前記トレンチを覆う第1の半導体層の表面に第2のゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板に不純物のイオン注入を行って、前記第2の半導体層に達する深さで第2導電型のソース及びドレイン拡散層を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[実施の形態1]
図1は、基本的な実施の形態によるDRAMセルの構造を示している。メモリセルMCは、nチャネルMISFETにより構成されている。p型シリコン基板10の上にn型層11とp型層12が積層された構造を有し、p型層12をチャネルボディとしてこの上にゲート絶縁膜13を介してゲート電極14が形成されている。ゲート電極14に自己整合されてn型ドレイン、ソース拡散層15,16が形成されている。
【0016】
p型層12、n型層11及びp型基板10により構成されるpnp構造は、n型層11がビルトインポテンシャルにより完全空乏化するように、不純物濃度と厚みが調整される。具体的にこの構造をイオン注入のみで形成するためには、p型シリコン基板10は比較的低濃度のものとし、その表面部にボロン等のp型不純物をイオン注入して、チャネルボディとして必要なしきい値を得るに適当な濃度のp型層12を形成する。更にこのp型層12の直下に砒素等のn型不純物をイオン注入して、n型層11を形成する。これらのイオン注入工程の前後は問わない。
【0017】
そして、p型層12とn型層11の不純物濃度及びn型層11の厚みを最適設定することにより、n型層11がビルトインポテンシャルにより完全空乏化するようにする。ドレイン、ソース拡散層15,16は、表面からn型層11に達する深さに形成する。このとき、ソース、ドレイン拡散層15,16の下にあるn型層11の部分は、基板10との間でのみpn接合を形成することになるが、この部分も基板10との間のビルトインポテンシャルで空乏化させることが好ましい。チャネル幅方向(即ちも図の紙面に直交する方向)については、素子分離絶縁膜で隣接セルとの分離を行ったとすると、p型層12は、空乏化したn型層12と、ドレイン、ソース拡散層15,16及び素子分離絶縁膜により、他から電気的に分離されたフローティング状態になる。
【0018】
このメモリセルMCをマトリクス配列する場合、ゲート電極14はワード線WLに接続され、ソース拡散層16は固定電位線SL(接地電位線)に接続され、ドレイン拡散層15はビット線BLに接続される。この様に構成されるセルアレイの単位セルの等価回路は図2のようになる。
【0019】
このnチャネル型MISFETからなるDRAMセルの動作原理は、フローティングのチャネルボディ(他から分離されたp型層12)の電位制御を利用する。即ち、MISFETを5極管領域で動作させることにより、ドレイン拡散層15から大きな電流を流し、ドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こすと、チャネルボディが多数キャリアであるホールを保持した第1の電位状態に設定することができる。この状態を例えばデータ“1”とする。ドレイン拡散層15とp型層12の間のpn接合を順方向バイアスして、p型層12のホールを放出させることにより、p型層12をより低電位にした第2の電位状態をデータ“0”とする。この間、ソース拡散層16は、固定電位例えば接地電位に保持される。
【0020】
データ“0”,“1”は、チャネルボディの電位の差として、従ってMISFETのしきい値電圧の差として記憶される。即ち、ホール蓄積によりボディの電位が高いデータ“1”状態のしきい値電圧Vth1は、データ“0”状態のしきい値電圧Vth0より低い。ボディに多数キャリアであるホールを蓄積した“1”データ状態を保持するために、ワード線には負のバイアス電圧を印加する。このデータ保持状態は、逆データの書き込み動作(消去)を行わない限り、読み出し動作を行っても変わらない。即ち、キャパシタの電荷蓄積を利用する1トランジスタ/1キャパシタのDRAMと異なり、非破壊読み出しが可能である。
【0021】
データ読み出しの方式には、いくつか考えられる。ワード線電位VWLとチャネルボディ電位VBの関係は、データ“0”,“1”との関係で図3のようになる。従って例えば、データ読み出しの第1の方法は、ワード線WLにデータ“0”,“1”のしきい値電圧Vth0,Vth1の中間になる読み出し電位を与えて、“0”データのメモリセルでは電流が流れず、“1”データのメモリセルでは電流が流れることを利用する。具体的には例えば、ビット線BLを所定の電位VBLにプリチャージして、その後ワード線WLを駆動する。これにより、“0”データの場合、ビット線プリチャージ電位VBLの変化がなく、“1”データの場合はプリチャージ電位VBLが低下する。
【0022】
第2の読み出し方式は、ワード線WLを立ち上げてから、ビット線BLに電流を供給して、“0”,“1”の導通度に応じてビット線電位の上昇速度が異なることを利用する。簡単には、ビット線BLを0Vにプリチャージし、ワード線WLを立ち上げて、ビット線電流を供給する。このとき、ビット線の電位上昇の差をダミーセルを利用して検出することにより、データ判別が可能となる。
【0023】
この発明において、選択的に“0”データを書き込むためには、即ちメモリセルアレイのなかで選択されたワード線WLとビット線BLの電位により選択されたメモリセルのボディのみからホールを放出させるには、ワード線WLとボディの間の容量結合が本質的になる。データ“1”でボディにホールが蓄積された状態は、ワード線を十分負方向にバイアスして、メモリセルのゲート・基板間容量が、ゲート酸化膜容量となる状態(即ち表面に空乏層が形成されていない状態)で保持することが必要である。
【0024】
以上のように、この実施の形態によると。単純な構造のMISFETによりDRAMセルが構成される。埋め込みn型層11は、従来技術で説明した方式のように基板からのキャリア注入のために電位制御するという必要がなく、ビルトインポテンシャルで空乏化された状態とする。従って、短チャネルのMISFETであっても、n型層11によるソース、ドレインの短絡抵抗は問題にならず、微細化が可能である。
また、ドレイン、ソース拡散層15,16の直下のn型層11部分も空乏化させれば、ドレイン、ソース拡散層15,16の接合容量が小さいものとなり、SOI基板を用いた場合と同様に、特性改善が図られる。
【0025】
[実施の形態2]
図4は、より具体的な実施の形態のセルアレイについて、ビット線方向に並ぶ2ビット分の断面構造を示している。但し、図1と対応する部分には図1と同一符号を付してある。p型シリコン基板10は、素子分離絶縁膜21により例えば、2ビット分(二つのMISFET)の範囲が島状の素子形成領域として区画される。n型層11は、実施の形態1で説明したと同様に、基板10にイオン注入により形成され、この上にチャネルボディとなるp型層12が形成される。n型層11を空乏化させる条件とすることも、実施の形態1と同様である。
【0026】
ゲート電極14は、シリコン窒化膜22により上面及び側面が覆われた状態で、紙面に直交する方向に連続的にパターニングされて、ワード線となる。ドレイン拡散層15及びソース拡散層16は、n型層11に達する深さの高濃度(n+)拡散層15a,16aと、これより低濃度で浅い(n型層11に達しない)拡張領域15b,16bを持つ。具体的に拡張領域15b,16bは、ゲート電極14の側面にシリコン窒化膜を形成する前にイオン注入を行うことで形成され、高濃度拡散層15a,16aはゲート電極14の側面にシリコン窒化膜を形成した後にイオン注入を行うことで形成される。
【0027】
この例では、ソース拡散層16は二つのMISFETで共有されている。ソース拡散層16は例えば、図の紙面に直交する方向に連続的に形成して、固定電位線としてもよいし、或いは上部に別途固定電位線を配設して、これに接続してもよい。素子形成された基板上は層間絶縁膜23で覆われ、この上にビット線24が配設される。ビット線24は、層間絶縁膜23に開けられたコンタクト孔を介してドレイン拡散層15に接続される。
【0028】
[実施の形態3]
ここまで説明したDRAMセルは、その動作原理上、データ“0”,“1”のしきい値電圧差をどれだけ大きくできるかが重要なポイントとなる。上記した動作原理から明らかなように、ゲートからの容量結合によりボディ電位を制御することでデータの書き込み及び保持特性が決まるが、ボディ電位に対してしきい値電圧はほぼ平方根で効いてくるため、“0”,“1”データの大きなしきい値電圧差を実現することは容易ではない。しかも、上述した書き込み動作では、“0”書き込みのメモリセルは3極管動作し、チャネルが形成されるとゲート電極とボディは容量結合しなくなり、ボディ電位の制御ができなくなる。
【0029】
そこでこの発明において、好ましくは、チャネル形成に利用される主ゲート電極とは別に、MISFETのチャネルボディに容量結合してボディ電位を制御するための補助ゲート電極を設ける。図5及び図6は、その様な実施の形態のセル構造を図4に対応させて示している。
【0030】
図示のようにゲート電極14の直下のp型層12内に、補助ゲート電極31が埋め込まれている。補助ゲート電極31の周囲は絶縁膜32で囲まれている。補助ゲート電極31の幅(ビット線方向の幅)は、主ゲート電極14のそれより小さく、その両側にp型層12とn型層11のpn接合が残る状態とする。これにより、n型層11は、p型層12との間のビルトインポテンシャルにより空乏化する。
【0031】
補助ゲート電極31の上端は、絶縁膜32を介してp型層12に対向し、p型層12に対して容量カップリングにより電位制御できれるようになっている。補助ゲート電極31がp型層12に対向する部分の絶縁膜32(ゲート絶縁膜)は、主ゲート電極14側のゲート絶縁膜13と同じ膜厚でもよいが、p型層12の補助ゲート電極31側の絶縁膜32は、p型層12に対する容量結合の大きさを最適化するように膜厚が決定される。従って例えば、主ゲート電極14側のゲート絶縁膜13よりも厚くされる。
【0032】
図5の場合、補助ゲート電極31の底面は、p型基板10に達する深さとしており、図6の場合は、補助ゲート電極31の底面がn型層11内に位置するようにしている。図5の構造にすると、n型埋め込み層11によるp型層12の分離特性を劣化させることなく、補助ゲート電極31を動作させることが可能になる。また図6の構造にすると、n型埋め込み層11が補助ゲート電極31で分断されるため、ドレイン・ソース分離特性が向上する。
【0033】
補助ゲート電極31は例えば、主ゲート電極14によるワード線と並行する補助ワード線として連続的に形成することができる。補助ゲート電極31は例えば、ゲート電極14と同期して駆動する。これにより、確実な書き込みを可能とし、且つ“0”,“1”データのしきい値電圧差を大きくすることができる。或いはまた、補助ゲート電極31を例えばソース電位より低い固定電位として、チャネルボディの補助ゲート電極31側を多数キャリア蓄積状態に保つことにより、同様に“0”,“1”データしきい値電圧差を大きくすることができる。
【0034】
より具体的に説明すれば、ワード線WLを負電位にして“1”データを保持するときに、対をなす補助ワード線にも負電位を与えることにより、“1”データの保持状態を良好に保つことができる。ワード線WLの電位を上昇させてデータ書き込みを行う場合には、補助ワード線も上昇させることにより、容量結合によってチャネルボディ電位を上昇させることができ、確実なデータ書き込みを可能とする。“0”データ書き込みの場合には、ワード線WL側にチャネルが形成されても、補助ワード線によりチャネルボディ電位を高くすることができるから、確実な“0”データ書き込みができる。以上により、しきい値電圧差の大きい“0”,“1”データ記憶が可能になる。
【0035】
また、非選択のワード線WLには負電位を与えてデータ保持を行うが、このとき対をなす補助ワード線も負電位とすることによって、チャネルボディ電位を低く制御しているから、同じビット線に沿う他のメモリセルで“0”データ書き込みを行う場合に、“1”データを保持する非選択セルでのデータ破壊も確実に防止される。
【0036】
[実施の形態4]
次に、図5のセル構造を例にとって、図7A〜図7Fを用いてその具体的な製造工程を説明する。図7Aに示すように、p型シリコン基板10にシリコン酸化膜パッド等のマスク(図示せず)を形成し、RIEにより、p型シリコン基板10をエッチングして、補助ゲート埋め込み用のトレンチ41を形成する。続いて、トレンチ41の側壁に絶縁膜32aを形成した後、多結晶シリコンを堆積し、エッチバックして、補助ゲート電極31をトレンチの途中まで埋め込む。多結晶シリコンに代わって、高融点金属等の他の導体層を用いることもできる。
【0037】
その後、埋め込んだ補助ゲート電極31の上面にゲート絶縁膜となる絶縁膜32bを形成する。この絶縁膜32aは、例えば低温ウェット酸化やHDP−CVD等により、周囲の絶縁膜32aより厚く形成する。その後、補助ゲート電極31上部のトレンチ側壁の薄い絶縁膜を除去した後、800℃〜1000℃の水素雰囲気での熱処理を行う。これにより、トレンチ41の上部側壁からシリコンが流動して、図7Dに示すように、トレンチ41の上部が基板10と同じp型単結晶シリコン層42で覆われて全体が平坦になった状態を得ることができる。
【0038】
この様な水素熱処理により溝上部を覆う手法は、シリコン基板内部に空洞を閉じ込める技術として、本出願人により先に提案されている(特開2000−12858)。但し、エピタキシャル成長技術を利用して、トレンチ41の側壁から横方向への結晶成長によりトレンチ41の上部を閉じて、同様の構造を得ることもできる。
【0039】
この後、STI(Shallow Trench Isolation)技術により素子分離絶縁膜(図示せず)を形成した後、図7Eに示すように、砒素(又はリン)をイオン注入して、基板10の内部にn型層11を埋め込み形成する。n型層11により基板10と分離された上部のp型層12(特にトレンチ41上部を覆うp型層42の部分)がチャネルボディとして用いられるが、n型層11をビルトインポテンシャルで空乏化し且つ、必要なしきい値特性を得るためには、p型層12にボロンイオン注入を行って、不純物濃度を調整する。これにより、不純物濃度分布は、図8のようになる。n型層11を比較的低ドーズ量で形成するためには、p型シリコン基板10は低濃度であることが好ましい。そして、n型層11の上部にボロンイオン注入を行って、チャネルボディを必要なp型濃度とすることにより、n型層10をビルトインポテンシャルで空乏化することができる。
【0040】
その後、図7Fに示すように、MISFETを形成する。具体的にはゲート絶縁膜13を形成し、その上にゲート電極材料とシリコン窒化膜22aを積層し、これらの積層膜をパターニングしてゲート電極14を形成する。この状態でイオン注入を行って、ドレイン、ソースのn+型層15a,16aを形成する。更にゲート電極14の側壁を覆うシリコン窒化膜22bを形成し、この状態でイオン注入を行って浅い拡張領域15b,16bを形成する。この後、工程図は示さないが、層間絶縁膜を堆積し、コンタクト孔あけを行い、ビット線を形成する。
【0041】
上では、埋め込み補助ゲート電極31を備えたDRAMセルの製造工程を説明したが、図4に示した補助ゲート電極のないセル構造の場合にも、補助ゲート電極の埋め込み工程を除いて、同様の工程を適用することができる。
【0042】
[実施の形態5]
図4〜図6では、ビット線方向について2ビット単位で素子分離した構造を示したが、ソース拡散層だけでなく、ドレイン拡散層をも隣接セルで共有する形にすれば、ビット線方向の素子分離は要らない。この場合には、セルアレイの単位セル面積をより小さいものとすることが可能になる。
【0043】
図9は、その様な実施の形態のセルアレイのレイアウトであり、図10A及び図10Bは、図9のA−A’及びB−B’断面図である。MISFET構造は、補助ゲート電極がない図4の構造と基本的に同じ場合を示している。但し、ドレイン、ソース拡散層15,16は、単層としている。素子分離絶縁膜21は、図9に示すように、最小加工寸法をFとして、1F×3Fの大きさの矩形パターンでマトリクス配列された状態に埋め込まれる。そして、各矩形の素子分離絶縁膜の両端部を横切って連続するように、ゲート電極14をパターニングして、ライン/スペースが1F/1Fのワード線WLが形成される。
【0044】
このようにワード線WLを形成した後にイオン注入によりドレイン、ソース拡散層15,16を形成すれば、ソース拡散層16は、ワード線WLと並行して連続して共通ソース線SLとなり、且つビット線方向には隣接セルで共有される。ドレイン拡散層15は、ワード線WL方向には素子分離絶縁膜21により隣接セルと分離され、ビット線BL方向には隣接セルで共有する形で形成される。図では、ビット線24も、ライン/スペースが1F/1Fで形成した場合を示している。また図10Aに示すように、ビット線コンタクト孔には、コンタクトプラグ51を埋め込んでいる。
【0045】
この様なセルアレイ構成とすれば、図9に破線で示したように、単位セル面積は、4F2となり、高密度のDRAMセルアレイを得ることができる。セルアレイの等価回路は、図11のようになる。
【0046】
この発明は上記実施の形態に限られない。例えば、図12は、図4の構造を基本として、ソース拡散層16を共通接続するための配線25を形成した例を示している。同様の構造は、図6や図7等に示すセルについても適用することができる。
また上記実施の形態では、nチャネルMISFETを用いたが、pチャネルMISFETを用いることもできる。また実施の形態では、フローティングのチャネルボディを得る方法として、イオン注入によりpnp構造を作るようにしたが、エピタキシャル成長を利用して同様の構造を得ることも可能である。
【0047】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、単純な構造のMISFETをメモリセルとし、そのチャネルボディの電位状態によりダイナミックにデータ記憶を行うようにした、高集積化可能な半導体メモリ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態によるDRAMセルの構造を示す断面図である。
【図2】同DRAMセルの等価回路である。
【図3】同DRAMセルのメモリ動作を説明するための特性図である。
【図4】他の実施の形態によるDRAMセルの構造を示す断面図である。
【図5】他の実施の形態によるDRAMセルの構造を示す断面図である。
【図6】他の実施の形態によるDRAMセルの構造を示す断面図である。
【図7A】実施の形態の製造工程における補助ゲート電極埋め込み用トレンチの形成工程を示す断面図である。
【図7B】同製造工程における補助ゲート電極埋め込み工程を示す断面図である。
【図7C】同製造工程における補助ゲートのゲート絶縁膜形成工程を示す断面図である。
【図7D】同製造工程におけるトレンチ埋め込み工程を示す断面図である。
【図7E】同製造工程におけるn型層イオン注入工程を示す断面図である。
【図7F】同製造工程におけるMISFET形成工程を示す断面図である。
【図8】同製造工程によるチャネルボディ領域の不純物濃度分布を示す図である。
【図9】他の実施の形態によるDRAMセルアレイのレイアウトを示す図である。
【図10A】図9のA−A’断面図である。
【図10B】図9のB−B’断面図である。
【図11】同DRAMセルアレイの等価回路である。
【図12】他の実施の形態によるDRAMセルの構造を示す図である。
【符号の説明】
10…p型シリコン基板、11…n型層、12…p型層(チャネルボディ)、13…ゲート絶縁膜、14…ゲート電極、15(15a,15b)…ドレイン拡散層、16(16a,16b)…ソース拡散層、21…素子分離絶縁膜、22…シリコン窒化膜、23…層間絶縁膜、24…ビット線、31…補助ゲート電極、32…絶縁膜。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device that dynamically stores data using a channel body of a MISFET as a storage node and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a conventional DRAM, a memory cell is composed of a MISFET and a capacitor. The miniaturization of DRAM is greatly advanced by adopting a trench capacitor structure or a stacked capacitor structure. Currently, the size (cell size) of a unit memory cell is reduced to an area of 2F × 4F = 8F 2 where F is the minimum processing dimension. That is, when the minimum processing dimension F is reduced with generation and the cell size is generally αF 2 , the coefficient α is also decreased with generation, and α = 8 is currently realized at F = 0.18 μm.
[0003]
In order to secure the same cell size or chip size trend as before, it is required to satisfy α <8 when F <0.18 μm, and α <6 when F <0.13 μm. How to form a cell size in a small area along with processing becomes a big problem. For this reason, various proposals have been made to make the memory cell of one transistor / one capacitor as large as 6F 2 or 4F 2 . However, there are technical difficulties such as having to make the transistor vertical, problems such as increased electrical interference between adjacent memory cells, and difficulties in manufacturing technology such as processing and film generation, and practical application is not easy. Absent.
[0004]
On the other hand, a semiconductor memory that forms a 1-bit memory cell using a channel body of one MISFET as a storage node without using a capacitor has been proposed in 1979 (PKChatterjee, et.al. "Circuit Optimization of the taper isolated dynamic gain RAM cell for VLSI memories," ISSCC Tech. Dig. Pp.22-23, Feb. 1979). The MISFET structure has a p-type channel body separated from the substrate by an n-type buried layer on a p-type substrate. The principle of the storage operation is to control the injection and emission of holes from the substrate to the channel body by controlling the barrier height with respect to the holes of the n-type buried layer by capacitive coupling from the gate electrode.
[0005]
That is, at the time of data writing, the potential of the n-type buried layer is lowered by capacitive coupling from the gate to inject holes from the substrate to the channel body. Therefore, the hole accumulation state and the hole emission state of the channel body are stored as binary data. In the data holding state, the potential of the n-type buried layer is raised by capacitive coupling from the gate so that holes in the channel body are not emitted.
[0006]
In this method, in order to control the potential of the n-type buried layer from the gate, the n-type buried layer must not be depleted, and the presence of electrons that are majority carriers is essential. Therefore, the n-type drain and source diffusion layers are short-circuited by the n-type buried layer. When the channel length is as large as several μm, the influence of the short-circuit resistance due to the n-type buried layer can be made relatively small compared to the resistance change due to the on / off of the channel. When applied to a MISFET having a sub-μm channel length, the short-circuit resistance between the source and drain due to the n-type buried layer cannot be ignored and the operation becomes impossible.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Various other methods for forming a 1-bit memory cell with one MISFET have been proposed, but have problems such as complicated transistor structure and complicated control.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor memory device capable of dynamic storage by a memory cell having a simple transistor structure and a manufacturing method thereof.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the semiconductor memory device according to the present invention, a 1-bit memory cell is composed of one MISFET having a floating channel body, and the MISFET has a first data state in which the channel body is set to a first potential and a second data state. The second data state set at the potential is dynamically stored, and the MISFET is in contact with the first semiconductor layer of the first conductivity type serving as a channel body and the bottom surface of the first semiconductor layer. A second conductivity type second semiconductor layer depleted by a built-in potential, a first conductivity type third semiconductor layer in contact with the bottom surface of the second semiconductor layer, and a gate on the upper surface of the first semiconductor layer a gate electrode formed through an insulating film, the first semiconductor layer source and drain diffusion layer from the top being formed to a depth reaching the second semiconductor layer and Wherein the semiconductor layer immediately below the gate electrode is buried in a state surrounded by the insulating film, and having an auxiliary gate electrode upper end opposite to the first semiconductor layer through the insulating film.
[0010]
Specifically, in the present invention, the first data state is written by causing impact ionization in the vicinity of the drain junction by operating the MIS transistor in a pentode operation, and the second data state is the capacitance from the first gate. Writing is performed by applying a forward bias between the semiconductor layer to which a predetermined potential is applied by coupling and the drain. Therefore, data is written and read at the source of the MISFET with a fixed potential such as the ground potential.
Alternatively, a gate-induced drain leakage (GIDL) current induced by the gate can be used as a writing method of the first data state.
[0011]
According to the present invention, one memory cell is formed by a simple MISFET. The MISFET has a pnp (or npn) structure under a gate electrode, and has a channel body that floats when its intermediate layer is depleted by a built-in potential. The MISFET stores data according to the potential state of its channel body, but the data junction can use the reverse bias and forward bias of the drain junction with the source as a fixed potential regardless of carrier injection from the substrate. . Therefore, reading, rewriting, and refreshing can be controlled only by controlling the bit line connected to the drain and the word line connected to the gate. Unlike the conventional method using carrier injection and emission from the substrate to the channel body, data can be rewritten in arbitrary bit units.
[0012]
In the present invention, preferably, the auxiliary gate electrode is buried between the source and drain diffusion layers so that the pn junctions of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer remain on both sides. The lower end of the auxiliary gate electrode may be located in the second semiconductor layer or may have a depth reaching the third semiconductor layer.
[0014]
The present invention is also a method of manufacturing a semiconductor memory device as described above, the step of forming a trench in a semiconductor substrate of the first conductivity type, and after forming an insulating film on the inner wall of the trench, A step of embedding the auxiliary gate electrode to a depth, and after forming a first gate insulating film on the upper surface of the auxiliary gate electrode, a heat treatment in hydrogen gas is performed with the sidewalls of the trench exposed, and A step of covering an upper portion with the flow of the semiconductor substrate material, a step of introducing an impurity into a surface portion of the semiconductor substrate to form a first semiconductor layer of a first conductivity type serving as a channel body, by ion implantation of an impurity immediately below the first semiconductor layer, forming a second semiconductor layer of a second conductivity type depleted by a built-in potential, the trench A step of forming a gate electrode on the surface of the first semiconductor layer via a second gate insulating film; and ion implantation of impurities into the semiconductor substrate to a depth reaching the second semiconductor layer. And a step of forming a two-conductivity type source and drain diffusion layer.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 shows the structure of a DRAM cell according to a basic embodiment. The memory cell MC is composed of an n-channel MISFET. The p-type silicon substrate 10 has a structure in which an n-type layer 11 and a p-type layer 12 are laminated. A gate electrode 14 is formed on the p-type layer 12 as a channel body via a gate insulating film 13. ing. N-type drain and source diffusion layers 15 and 16 are formed in self-alignment with the gate electrode 14.
[0016]
In the pnp structure constituted by the p-type layer 12, the n-type layer 11, and the p-type substrate 10, the impurity concentration and thickness are adjusted so that the n-type layer 11 is completely depleted by the built-in potential. Specifically, in order to form this structure only by ion implantation, the p-type silicon substrate 10 is required to have a relatively low concentration, and a p-type impurity such as boron is ion-implanted into the surface portion to form a channel body. A p-type layer 12 having an appropriate concentration is obtained to obtain a suitable threshold value. Further, an n-type impurity such as arsenic is ion-implanted immediately below the p-type layer 12 to form the n-type layer 11. It does not matter before and after these ion implantation steps.
[0017]
Then, the n-type layer 11 is completely depleted by the built-in potential by optimizing the impurity concentration of the p-type layer 12 and the n-type layer 11 and the thickness of the n-type layer 11. The drain and source diffusion layers 15 and 16 are formed to a depth reaching the n-type layer 11 from the surface. At this time, a portion of the n-type layer 11 under the source / drain diffusion layers 15 and 16 forms a pn junction only with the substrate 10, and this portion is also built-in between the substrate 10. It is preferable to deplete with potential. As for the channel width direction (that is, the direction perpendicular to the drawing sheet), the p-type layer 12 includes the depleted n-type layer 12, the drain, the source, and the element isolation insulating film. The diffusion layers 15 and 16 and the element isolation insulating film are in a floating state electrically isolated from others.
[0018]
When the memory cells MC are arranged in a matrix, the gate electrode 14 is connected to the word line WL, the source diffusion layer 16 is connected to the fixed potential line SL (ground potential line), and the drain diffusion layer 15 is connected to the bit line BL. The An equivalent circuit of the unit cell of the cell array configured in this way is as shown in FIG.
[0019]
The operation principle of the DRAM cell composed of this n-channel type MISFET utilizes the potential control of the floating channel body (p-type layer 12 separated from others). That is, when the MISFET is operated in the pentode region and a large current flows from the drain diffusion layer 15 to cause impact ionization in the vicinity of the drain junction, the first potential state in which the channel body holds holes that are majority carriers. Can be set to This state is, for example, data “1”. The second potential state in which the p-type layer 12 is set to a lower potential is obtained by forward biasing the pn junction between the drain diffusion layer 15 and the p-type layer 12 and releasing the holes of the p-type layer 12. Set to “0”. During this time, the source diffusion layer 16 is held at a fixed potential, for example, a ground potential.
[0020]
Data “0” and “1” are stored as a difference in channel body potential, and hence as a difference in threshold voltage of the MISFET. That is, the threshold voltage Vth1 in the data “1” state in which the body potential is high due to hole accumulation is lower than the threshold voltage Vth0 in the data “0” state. In order to maintain the “1” data state in which holes that are majority carriers are accumulated in the body, a negative bias voltage is applied to the word line. This data holding state does not change even if a read operation is performed unless a reverse data write operation (erase) is performed. That is, unlike a one-transistor / one-capacitor DRAM that uses capacitor charge storage, non-destructive readout is possible.
[0021]
There are several possible methods for reading data. The relationship between the word line potential VWL and the channel body potential VB is as shown in FIG. 3 in relation to the data “0” and “1”. Therefore, for example, in the first method of reading data, a read potential that is intermediate between the threshold voltages Vth0 and Vth1 of data “0” and “1” is applied to the word line WL, and a memory cell of “0” data is used. The fact that no current flows and the current flows in the memory cell of “1” data is utilized. Specifically, for example, the bit line BL is precharged to a predetermined potential VBL, and then the word line WL is driven. Thereby, in the case of “0” data, the bit line precharge potential VBL does not change, and in the case of “1” data, the precharge potential VBL decreases.
[0022]
The second read method utilizes the fact that the rising speed of the bit line potential varies depending on the conductivity of “0” and “1” by supplying current to the bit line BL after the word line WL is raised. To do. In brief, the bit line BL is precharged to 0V, the word line WL is raised, and the bit line current is supplied. At this time, it is possible to discriminate data by detecting the difference in potential rise of the bit line using the dummy cell.
[0023]
In the present invention, in order to selectively write "0" data, that is, holes are emitted only from the body of the memory cell selected by the potential of the word line WL and bit line BL selected in the memory cell array. In this case, capacitive coupling between the word line WL and the body becomes essential. In the state where holes are accumulated in the body with data “1”, the word line is sufficiently biased in the negative direction, and the gate-substrate capacitance of the memory cell becomes the gate oxide film capacitance (ie, the surface has a depletion layer). It is necessary to hold it in a state where it is not formed.
[0024]
As described above, according to this embodiment. A DRAM cell is constituted by a MISFET having a simple structure. The buried n-type layer 11 does not need to be controlled in potential for carrier injection from the substrate as in the method described in the prior art, and is in a depleted state with a built-in potential. Therefore, even in a short channel MISFET, the short-circuit resistance between the source and the drain due to the n-type layer 11 does not become a problem and can be miniaturized.
Further, if the n-type layer 11 portion immediately below the drain and source diffusion layers 15 and 16 is also depleted, the junction capacitance of the drain and source diffusion layers 15 and 16 is reduced, and is the same as when using an SOI substrate. The characteristics are improved.
[0025]
[Embodiment 2]
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of two bits aligned in the bit line direction for the cell array of a more specific embodiment. However, the same reference numerals as those in FIG. 1 are assigned to portions corresponding to those in FIG. In the p-type silicon substrate 10, for example, a range of 2 bits (two MISFETs) is partitioned as an island-shaped element formation region by the element isolation insulating film 21. The n-type layer 11 is formed by ion implantation in the substrate 10 as described in the first embodiment, and the p-type layer 12 serving as a channel body is formed thereon. The conditions for depleting n-type layer 11 are the same as in the first embodiment.
[0026]
The gate electrode 14 is continuously patterned in a direction perpendicular to the paper surface with the upper surface and side surfaces covered with the silicon nitride film 22 to form word lines. The drain diffusion layer 15 and the source diffusion layer 16 are high-concentration (n + ) diffusion layers 15 a and 16 a having a depth reaching the n-type layer 11, and an extension region having a lower concentration and shallower (not reaching the n-type layer 11). 15b and 16b. Specifically, the extension regions 15 b and 16 b are formed by ion implantation before forming the silicon nitride film on the side surface of the gate electrode 14, and the high concentration diffusion layers 15 a and 16 a are formed on the side surface of the gate electrode 14. Is formed by performing ion implantation.
[0027]
In this example, the source diffusion layer 16 is shared by two MISFETs. For example, the source diffusion layer 16 may be continuously formed in a direction perpendicular to the drawing sheet as a fixed potential line, or may be separately connected to a fixed potential line provided above. . The substrate on which the element is formed is covered with an interlayer insulating film 23, and a bit line 24 is disposed thereon. The bit line 24 is connected to the drain diffusion layer 15 through a contact hole opened in the interlayer insulating film 23.
[0028]
[Embodiment 3]
In the DRAM cell described so far, an important point is how much the threshold voltage difference between the data “0” and “1” can be increased on the principle of operation. As is clear from the above operating principle, the data writing and holding characteristics are determined by controlling the body potential by capacitive coupling from the gate. However, the threshold voltage works with a square root with respect to the body potential. It is not easy to realize a large threshold voltage difference between “0” and “1” data. In addition, in the above-described write operation, the memory cell in which “0” is written performs a triode operation. When the channel is formed, the gate electrode and the body are not capacitively coupled, and the body potential cannot be controlled.
[0029]
Therefore, in the present invention, preferably, an auxiliary gate electrode for controlling the body potential by capacitive coupling to the channel body of the MISFET is provided separately from the main gate electrode used for channel formation. 5 and 6 show the cell structure of such an embodiment corresponding to FIG.
[0030]
As shown in the figure, an auxiliary gate electrode 31 is buried in the p-type layer 12 immediately below the gate electrode 14. The periphery of the auxiliary gate electrode 31 is surrounded by an insulating film 32. The width of the auxiliary gate electrode 31 (the width in the bit line direction) is smaller than that of the main gate electrode 14, and the pn junction between the p-type layer 12 and the n-type layer 11 remains on both sides thereof. As a result, the n-type layer 11 is depleted by the built-in potential between the n-type layer 11 and the p-type layer 12.
[0031]
The upper end of the auxiliary gate electrode 31 faces the p-type layer 12 through the insulating film 32, and the potential of the p-type layer 12 can be controlled by capacitive coupling. The portion of the insulating film 32 (gate insulating film) where the auxiliary gate electrode 31 faces the p-type layer 12 may have the same thickness as the gate insulating film 13 on the main gate electrode 14 side, but the auxiliary gate electrode of the p-type layer 12 The thickness of the insulating film 32 on the 31 side is determined so as to optimize the magnitude of capacitive coupling to the p-type layer 12. Therefore, for example, it is made thicker than the gate insulating film 13 on the main gate electrode 14 side.
[0032]
In the case of FIG. 5, the bottom surface of the auxiliary gate electrode 31 has a depth reaching the p-type substrate 10, and in the case of FIG. 6, the bottom surface of the auxiliary gate electrode 31 is located in the n-type layer 11. With the structure shown in FIG. 5, the auxiliary gate electrode 31 can be operated without degrading the isolation characteristics of the p-type layer 12 by the n-type buried layer 11. In the structure shown in FIG. 6, the n-type buried layer 11 is divided by the auxiliary gate electrode 31, so that the drain / source isolation characteristics are improved.
[0033]
For example, the auxiliary gate electrode 31 can be continuously formed as an auxiliary word line parallel to the word line formed by the main gate electrode 14. For example, the auxiliary gate electrode 31 is driven in synchronization with the gate electrode 14. As a result, reliable writing is possible and the threshold voltage difference between “0” and “1” data can be increased. Alternatively, the auxiliary gate electrode 31 is set to a fixed potential lower than the source potential, for example, and the auxiliary gate electrode 31 side of the channel body is maintained in the majority carrier accumulation state, thereby similarly causing a difference in data threshold voltage between “0” and “1”. Can be increased.
[0034]
More specifically, when the word line WL is held at a negative potential and “1” data is held, a negative potential is also applied to the auxiliary word line that makes a pair, so that the holding state of “1” data is good. Can be kept in. When data writing is performed by raising the potential of the word line WL, the channel body potential can be raised by capacitive coupling by raising the auxiliary word line, thereby enabling reliable data writing. In the case of “0” data writing, even if a channel is formed on the word line WL side, the channel body potential can be increased by the auxiliary word line, so that reliable “0” data writing can be performed. As described above, data “0” and “1” having a large threshold voltage difference can be stored.
[0035]
In addition, a negative potential is applied to the unselected word line WL to hold data. At this time, the channel word potential is controlled to be low by setting the paired auxiliary word lines to a negative potential. When “0” data is written in another memory cell along the line, data destruction in a non-selected cell that holds “1” data is reliably prevented.
[0036]
[Embodiment 4]
Next, taking the cell structure of FIG. 5 as an example, a specific manufacturing process will be described with reference to FIGS. 7A to 7F. As shown in FIG. 7A, a mask (not shown) such as a silicon oxide film pad is formed on the p-type silicon substrate 10, and the p-type silicon substrate 10 is etched by RIE to form a trench 41 for burying the auxiliary gate. Form. Subsequently, after an insulating film 32a is formed on the sidewall of the trench 41, polycrystalline silicon is deposited and etched back to bury the auxiliary gate electrode 31 partway through the trench. Instead of polycrystalline silicon, other conductor layers such as a refractory metal can be used.
[0037]
Thereafter, an insulating film 32b to be a gate insulating film is formed on the upper surface of the buried auxiliary gate electrode 31. The insulating film 32a is formed thicker than the surrounding insulating film 32a by, for example, low-temperature wet oxidation or HDP-CVD. Then, after removing the thin insulating film on the trench sidewall above the auxiliary gate electrode 31, heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere at 800 ° C. to 1000 ° C. As a result, silicon flows from the upper side wall of the trench 41, and as shown in FIG. 7D, the upper portion of the trench 41 is covered with the same p-type single crystal silicon layer 42 as that of the substrate 10, and the whole is flat. Obtainable.
[0038]
Such a technique for covering the upper part of the groove by hydrogen heat treatment has been previously proposed by the present applicant as a technique for confining a cavity inside a silicon substrate (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12858). However, the same structure can be obtained by closing the upper portion of the trench 41 by crystal growth in the lateral direction from the side wall of the trench 41 using an epitaxial growth technique.
[0039]
Thereafter, an element isolation insulating film (not shown) is formed by STI (Shallow Trench Isolation) technology, and then arsenic (or phosphorus) is ion-implanted as shown in FIG. Layer 11 is formed embedded. The upper p-type layer 12 separated from the substrate 10 by the n-type layer 11 (particularly, the portion of the p-type layer 42 covering the upper portion of the trench 41) is used as a channel body, but the n-type layer 11 is depleted with a built-in potential and In order to obtain necessary threshold characteristics, boron ions are implanted into the p-type layer 12 to adjust the impurity concentration. Thereby, the impurity concentration distribution is as shown in FIG. In order to form the n-type layer 11 with a relatively low dose, it is preferable that the p-type silicon substrate 10 has a low concentration. Then, boron ions are implanted into the upper portion of the n-type layer 11 so that the channel body has a required p-type concentration, whereby the n-type layer 10 can be depleted with a built-in potential.
[0040]
Thereafter, as shown in FIG. 7F, a MISFET is formed. Specifically, the gate insulating film 13 is formed, the gate electrode material and the silicon nitride film 22a are stacked thereon, and the stacked film is patterned to form the gate electrode. In this state, ion implantation is performed to form drain and source n + -type layers 15a and 16a. Further, a silicon nitride film 22b covering the side wall of the gate electrode 14 is formed, and ion implantation is performed in this state to form shallow extended regions 15b and 16b. Thereafter, although not shown in the process diagram, an interlayer insulating film is deposited, contact holes are formed, and bit lines are formed.
[0041]
In the above, the manufacturing process of the DRAM cell provided with the buried auxiliary gate electrode 31 has been described. However, the same structure is applied to the cell structure without the auxiliary gate electrode shown in FIG. A process can be applied.
[0042]
[Embodiment 5]
4 to 6 show a structure in which elements are separated in units of 2 bits in the bit line direction. However, if not only the source diffusion layer but also the drain diffusion layer is shared by adjacent cells, the bit line direction is improved. No element separation is required. In this case, the unit cell area of the cell array can be made smaller.
[0043]
FIG. 9 is a layout of the cell array of such an embodiment, and FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views taken along lines AA ′ and BB ′ of FIG. The MISFET structure is basically the same as the structure of FIG. 4 without the auxiliary gate electrode. However, the drain and source diffusion layers 15 and 16 are single layers. As shown in FIG. 9, the element isolation insulating film 21 is embedded in a matrix array with a rectangular pattern having a size of 1F × 3F, where F is the minimum processing dimension. Then, the gate electrode 14 is patterned so as to continue across both ends of each rectangular element isolation insulating film, thereby forming a word line WL having a line / space of 1F / 1F.
[0044]
If the drain and source diffusion layers 15 and 16 are formed by ion implantation after forming the word line WL in this way, the source diffusion layer 16 becomes a common source line SL continuously in parallel with the word line WL, and a bit. In the line direction, it is shared by adjacent cells. The drain diffusion layer 15 is separated from adjacent cells by the element isolation insulating film 21 in the word line WL direction, and is formed so as to be shared by the adjacent cells in the bit line BL direction. In the figure, the bit line 24 is also shown in the case where the line / space is formed with 1F / 1F. As shown in FIG. 10A, a contact plug 51 is embedded in the bit line contact hole.
[0045]
With such a cell array configuration, as indicated by the broken line in FIG. 9, the unit cell area is 4F 2 , and a high-density DRAM cell array can be obtained. An equivalent circuit of the cell array is as shown in FIG.
[0046]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, FIG. 12 shows an example in which the wiring 25 for commonly connecting the source diffusion layers 16 is formed based on the structure of FIG. A similar structure can be applied to the cells shown in FIGS.
In the above embodiment, an n-channel MISFET is used, but a p-channel MISFET can also be used. In the embodiment, as a method for obtaining a floating channel body, a pnp structure is formed by ion implantation. However, a similar structure can be obtained by using epitaxial growth.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a highly integrated semiconductor memory device in which a MISFET having a simple structure is used as a memory cell and data is dynamically stored according to the potential state of the channel body. it can.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of a DRAM cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an equivalent circuit of the DRAM cell.
FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining a memory operation of the DRAM cell;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a structure of a DRAM cell according to another embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a DRAM cell according to another embodiment.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a structure of a DRAM cell according to another embodiment.
FIG. 7A is a cross-sectional view showing a step of forming an auxiliary gate electrode embedding trench in the manufacturing process of the embodiment;
FIG. 7B is a cross-sectional view showing an auxiliary gate electrode embedding step in the manufacturing step.
FIG. 7C is a cross-sectional view showing a gate insulating film forming step of the auxiliary gate in the manufacturing step.
FIG. 7D is a cross-sectional view showing a trench filling step in the same manufacturing step.
FIG. 7E is a cross-sectional view showing an n-type layer ion implantation step in the same manufacturing step.
FIG. 7F is a cross-sectional view showing a MISFET formation step in the same manufacturing step.
FIG. 8 is a diagram showing an impurity concentration distribution in a channel body region in the same manufacturing process.
FIG. 9 is a diagram showing a layout of a DRAM cell array according to another embodiment.
10A is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 9. FIG.
10B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.
FIG. 11 is an equivalent circuit of the DRAM cell array.
FIG. 12 is a diagram showing a structure of a DRAM cell according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... p-type silicon substrate, 11 ... n-type layer, 12 ... p-type layer (channel body), 13 ... Gate insulating film, 14 ... Gate electrode, 15 (15a, 15b) ... Drain diffused layer, 16 (16a, 16b) ) ... Source diffusion layer, 21 ... Element isolation insulating film, 22 ... Silicon nitride film, 23 ... Interlayer insulating film, 24 ... Bit line, 31 ... Auxiliary gate electrode, 32 ... Insulating film.

Claims (6)

1ビットのメモリセルが、フローティングのチャネルボディを持つ一つのMISFETにより構成され、前記MISFETはチャネルボディを第1の電位に設定した第1データ状態と第2の電位に設定した第2データ状態とをダイナミックに記憶するものであって、
前記MISFETは、チャネルボディとなる第1導電型の第1の半導体層と、
この第1の半導体層の底面に接してビルトインポテンシャルにより空乏化する第2導電型の第2の半導体層と、
この第2の半導体層の底面に接する第1導電型の第3の半導体層と、
前記第1の半導体層の上面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記第1の半導体層の上面から第2の半導体層に達する深さに形成されたソース及びドレイン拡散層と
前記ゲート電極直下の半導体層内に絶縁膜で囲まれた状態で埋め込まれ、上端が前記絶縁膜を介して前記第1の半導体層に対向する補助ゲート電極と
を有することを特徴とする半導体メモリ装置。
A 1-bit memory cell is composed of one MISFET having a floating channel body, and the MISFET has a first data state in which the channel body is set to a first potential and a second data state in which the channel body is set to a second potential. Is dynamically memorized,
The MISFET includes a first semiconductor layer of a first conductivity type serving as a channel body;
A second semiconductor layer of a second conductivity type in contact with the bottom surface of the first semiconductor layer and depleted by a built-in potential;
A third semiconductor layer of the first conductivity type in contact with the bottom surface of the second semiconductor layer;
A gate electrode formed on the upper surface of the first semiconductor layer via a gate insulating film;
A source and drain diffusion layer formed to a depth reaching the second semiconductor layer from the upper surface of the first semiconductor layer ;
A semiconductor memory having an auxiliary gate electrode buried in a semiconductor layer immediately below the gate electrode in a state surrounded by an insulating film and having an upper end opposed to the first semiconductor layer through the insulating film apparatus.
前記第1データ状態は、前記MISFETを5極管動作させてドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こすことにより書き込まれ、
前記第2データ状態は、前記第1のゲート電極からの容量結合により所定電位が与えられたチャネルボディとドレイン拡散層の間に順方向バイアスを与えることにより書き込まれる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
The first data state is written by causing impact ionization in the vicinity of the drain junction by causing the MISFET to operate as a pentode.
The second data state is written by applying a forward bias between a channel body to which a predetermined potential is applied by capacitive coupling from the first gate electrode and a drain diffusion layer. The semiconductor memory device described.
前記補助ゲート電極は、前記ソース及びドレイン拡散層の間に、前記第1の半導体層と第2の半導体層のpn接合が両側に残るように埋め込まれることを特徴とする請求項記載の半導体メモリ装置。The auxiliary gate electrode, between the source and drain diffusion layers, a semiconductor according to claim 1, wherein the pn junction of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, characterized in that the embedded to remain on both sides Memory device. 前記補助ゲート電極は、下端が前記第2の半導体層内に位置するように埋め込まれていることを特徴とする請求項記載の半導体メモリ装置。The auxiliary gate electrode, a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower end is embedded so as to be positioned in the second semiconductor layer. 前記補助ゲート電極は、下端が前記第3の半導体層に達するように埋め込まれていることを特徴とする請求項記載の半導体メモリ装置。The auxiliary gate electrode, a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower end is embedded to reach the third semiconductor layer. 1ビットのメモリセルが、フローティングのチャネルボディを持つ一つのMISFETにより構成され、前記MISFETはチャネルボディを第1の電位に設定した第1データ状態と第2の電位に設定した第2データ状態とをダイナミックに記憶する半導体メモリ装置の製造方法であって、
第1導電型の半導体基板にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの内壁に絶縁膜を形成した後、前記トレンチ内に途中の深さまで補助ゲート電極を埋め込む工程と、
前記補助ゲート電極の上面に第1のゲート絶縁膜を形成した後、トレンチの側壁を露出させた状態で水素ガス中での熱処理を行って、前記トレンチの上部を前記半導体基板材料の流動により覆う工程と、
前記半導体基板の表面部に不純物を導入して、チャネルボディとなる第1導電型の第1の半導体層を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第1の半導体層の直下に不純物のイオン注入を行って、ビルトインポテンシャルにより空乏化する第2導電型の第の半導体層を形成する工程と、
前記トレンチを覆う第1の半導体層の表面に第2のゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に不純物のイオン注入を行って、前記第2の半導体層に達する深さで第2導電型のソース及びドレイン拡散層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体メモリ装置の製造方法。
A 1-bit memory cell is composed of one MISFET having a floating channel body, and the MISFET has a first data state in which the channel body is set to a first potential and a second data state in which the channel body is set to a second potential. A method of manufacturing a semiconductor memory device that dynamically stores
Forming a trench in a first conductivity type semiconductor substrate;
After forming an insulating film on the inner wall of the trench, burying an auxiliary gate electrode to a midway depth in the trench;
After forming the first gate insulating film on the upper surface of the auxiliary gate electrode, heat treatment in hydrogen gas is performed with the sidewalls of the trench exposed, and the upper portion of the trench is covered with the flow of the semiconductor substrate material. Process,
Introducing impurities into a surface portion of the semiconductor substrate to form a first semiconductor layer of a first conductivity type serving as a channel body;
Performing ion implantation of impurities immediately below the first semiconductor layer of the semiconductor substrate to form a second semiconductor layer of a second conductivity type that is depleted by a built-in potential;
Forming a gate electrode on the surface of the first semiconductor layer covering the trench via a second gate insulating film;
Forming a second conductivity type source and drain diffusion layer at a depth reaching the second semiconductor layer by implanting impurities into the semiconductor substrate. Method.
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