JP2003017585A - 半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体記憶装置およびその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、DRAMにおいて、さらなるセル面
積の縮小化やチップの微細化・高集積化に対応できるよ
うにすることを最も主要な特徴としている。 【解決手段】たとえば、p型シリコン基板11の表面部
に、浅い第1の溝12aと深い第2の溝12bとからな
る溝部12を形成し、複数のシリコン柱13を設ける。
そして、第1の溝12aの底部に対応するシリコン台部
14およびシリコン柱13の表面部に、それぞれ、ソー
スないしドレインとなる拡散層領域151,152 を形
成する。また、シリコン柱13に沿って、縦型構造のゲ
ート電極16を配置する。こうして、シリコン柱13の
一側面部13aをチャネル部とする縦型セル・トランジ
スタを構成し、短チャネル効果の抑制とリテンション特
性の改善とを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体記憶装置
およびその製造方法に関するもので、特に、ダイナミッ
ク・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)などのセ
ルの高集積化技術に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体記憶装置、特にDRAMの
微細化・高集積化は以前にも増して加速してきている。
それに伴い、単位記憶素子(メモリセル)の占める面積
は、ますます縮小化されている。
【0003】従来は、メモリセルのセル・トランジスタ
を平面構造のまま縮小してきたが、ここに来て、トラン
ジスタの設計が大変困難になってきているという問題が
ある。すなわち、平面型のセル・トランジスタでは、縮
小化により、短チャネル効果の抑制とリテンション(R
etention)特性の改善とを両立させるのが難し
くなってきており、ほとんど限界にきている。その反
面、セル面積のさらなる縮小化の要求がなされていると
いう現状がある。
【0004】図16は、従来のDRAMのセル構造を示
すものである。なお、同図(a)は8F2 タイプを例に
セル・レイアウトを示す平面図であり、同図(b)は図
(a)の16b−16b線に沿う断面図である。
【0005】図に示すように、1個のメモリセルの占有
面積は、平面型のセル・トランジスタ101、2セルが
共有する1個のビット線コンタクト(CB)103、お
よび、素子分離領域105により決定されている。因み
に、107はアクティブエリア(AA)、109はp型
シリコン基板、111は通過ワード線、113はSiN
膜、115は層間膜、117はキャパシタコンタクト
(ストレージノードコンタクト(CN))、119はビ
ット線(BL)であり、121は、蓄積電極(SN)1
21a、キャパシタ誘電体膜121bおよびプレート電
極(PL)121cからなるセル・キャパシタである。
【0006】この時点における最小加工寸法をFとし、
ゲート電極(ワード線(WL))101aおよびソース
ないしドレインとなる拡散層101bのそれぞれの一辺
をFで設計するとする。その場合、メモリセルの最小占
有面積は、8F2 (縦が2F、横が4F)となる。
【0007】このように、1トランジスタ,1キャパシ
タからなるメモリセルを有するDRAMの微細化・高集
積化は、8F2 タイプのセル・レイアウトにより進展し
てきた。
【0008】しかしながら、平面型のセル・トランジス
タ101は、セル面積の縮小化に伴ってゲート長が縮小
化するため、短チャネル効果を抑制するのが難しくなっ
ている。短チャネル効果を抑制するには、拡散層101
b間のリークを抑えるため、チャネル部のボロン濃度
(基板109がp型の場合)をますます高める必要があ
る。
【0009】一方、DRAMの性能を左右する特性とし
て、ますます厳しいリテンション特性が要求されてい
る。リテンション特性を改善するには、支配要因である
蓄積側の接合リークを減少させればよい。そのために
は、蓄積側の接合付近におけるチャネル部のボロン濃度
(基板109がp型の場合)を下げる必要がある。
【0010】上記したように、一方ではチャネル部の不
純物濃度を高める必要があり、他方ではチャネル部の不
純物濃度を下げる必要があり、そういう意味で、チャネ
ル部の不純物濃度の設計はトレード−オフ(Trade
−off)の関係にあり、両立しなくなっている。
【0011】また、コスト競争の激化に伴い、さらなる
セル面積の縮小化やチップ(DRAM)の微細化・高集
積化が要求されている。しかしながら、図16(a)に
示した従来の8F2 タイプのセル・レイアウトでは、既
に理論限界の真性8F2 のセル面積になっている。よっ
て、要求されるような、さらなるセル面積の縮小化、延
いてはチップの微細化・高集積化の要求に対応できない
という問題があった。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、さらなるセル面積の縮小化やチップの微細
化・高集積化が要求されているものの、8F2 タイプの
セル・レイアウトでは、トランジスタの短チャネル効果
の抑制とリテンション特性の改善とを両立させるのが困
難になってきており、さらなるセル面積の縮小化やチッ
プの微細化・高集積化の要求には対応できないという問
題があった。
【0013】そこで、この発明は、トランジスタの短チ
ャネル効果の抑制とリテンション特性の改善とを両立で
き、さらなるセル面積の縮小化やチップの微細化・高集
積化の要求にも十分に対応することが可能な半導体記憶
装置およびその製造方法を提供することを目的としてい
る。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の半導体記憶装置にあっては、半導体基
板上のメモリセルアレイ領域に形成された、深さの異な
る第1,第2の底部を有するシリコン溝により分離され
た複数のシリコン柱と、前記シリコン溝の第2の底部よ
りも浅い第1の底部に形成された第1の拡散層領域、お
よび、前記シリコン柱の表面部に、前記第1の拡散層領
域と離間して形成された第2の拡散層領域と、前記第1
および第2の拡散層領域に隣接し、前記シリコン柱の少
なくとも一側面部に沿って設けられたゲート電極とを有
するセル・トランジスタと、前記ゲート電極に接続され
たワード線と、前記ワード線と直交する方向に設けら
れ、前記第1の拡散層領域に接続されたビット線と、前
記第2の拡散層領域に接続されたセル・キャパシタとを
具備したことを特徴とする。
【0015】また、この発明の半導体記憶装置にあって
は、半導体基板上のメモリセルアレイ領域に形成され
た、深さの異なる第1,第2の底部を有するシリコン溝
により分離された複数のシリコン柱と、前記シリコン溝
の第2の底部よりも浅い第1の底部に線状に形成された
第1の拡散層領域および前記シリコン柱の表面部に形成
された第2の拡散層領域と、前記第1および第2の拡散
層領域に隣接し、前記シリコン柱の少なくとも一側面部
に沿って設けられたゲート電極とを有するセル・トラン
ジスタと、前記第1の拡散層領域と直交する方向に設け
られ、前記ゲート電極に接続されたワード線と、前記第
2の拡散層領域に接続されたセル・キャパシタとを具備
したことを特徴とする。
【0016】また、この発明の半導体記憶装置の製造方
法にあっては、半導体基板上のメモリセルアレイ領域に
第1の深さを有する第1の溝を設けて、複数のシリコン
柱を形成する工程と、前記第1の溝の底部に、第1の拡
散層領域となる第1の不純物層を形成する工程と、前記
第1の溝内をゲート電極材料により埋め込む工程と、前
記第1の溝内に、前記第1の溝よりも深い、第2の深さ
を有する第2の溝を選択的に設けて、前記シリコン柱の
少なくとも一側面部に沿うゲート電極を形成する工程
と、前記第2の溝内に絶縁膜を埋め込んで素子分離領域
を形成する工程と、前記ゲート電極に接続されるワード
線を形成する工程と、前記シリコン柱の表面部に、第2
の拡散層領域となる第2の不純物層を形成する工程と、
前記第1の拡散層領域に接続されるビット線コンタクト
を形成する工程と、前記ビット線コンタクトに接続され
るビット線を形成する工程と、前記第2の拡散層領域に
接続されるキャパシタコンタクトを形成する工程と、前
記キャパシタコンタクトに接続されるセル・キャパシタ
を形成する工程とを備えてなることを特徴とする。
【0017】さらに、この発明の半導体記憶装置の製造
方法にあっては、半導体基板上のメモリセルアレイ領域
に第1の深さを有する第1の溝を設けて、複数のシリコ
ン柱を形成する工程と、前記第1の溝の底部に、ビット
線となる第1の拡散層領域からなる線状の第1の不純物
層を形成する工程と、前記第1の溝内をゲート電極材料
により埋め込む工程と、前記第1の溝内に、前記第1の
溝よりも深い、第2の深さを有する第2の溝を選択的に
設けて、前記シリコン柱の少なくとも一側面部に沿うゲ
ート電極を形成する工程と、前記第2の溝内に絶縁膜を
埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、前記ゲート
電極に接続されるワード線を形成する工程と、前記シリ
コン柱の表面部に、第2の拡散層領域となる第2の不純
物層を形成する工程と、前記第2の拡散層領域に接続さ
れるキャパシタコンタクトを形成する工程と、前記キャ
パシタコンタクトに接続されるセル・キャパシタを形成
する工程とを備えてなることを特徴とする。
【0018】この発明の半導体記憶装置およびその製造
方法によれば、チャネル部の不純物濃度と蓄積側の接合
付近における不純物濃度とを独立に制御できるようにな
る。これにより、トランジスタの短チャネル効果の抑制
とリテンション特性の改善とを両立させつつ、セル・レ
イアウトを4F2 タイプとすることが可能となるもので
ある。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
【0020】(第1の実施形態)図1および図2
(a),(b)は、本発明の第1の実施形態にかかるD
RAMのセル構造を示すものである。なお、図1はセル
・レイアウトを示す平面図であり、図2(a),(b)
は図1の2a−2a線,2b−2b線にそれぞれ沿う断
面図である。
【0021】図2(a),(b)に示すように、たとえ
ば、p型シリコン基板(半導体基板)11の表面部に
は、メモリセルアレイ領域に対応して、複数の溝部(シ
リコン溝)12が設けられている。複数の溝部12は、
それぞれ、深さの浅い第1の溝12aと、この第1の溝
12aよりも深さの深い第2の溝12bとからなってい
る。複数の溝部12の相互間には、それぞれ、シリコン
柱13が形成されている。各シリコン柱13は、それぞ
れ、最小デザイン・ルールの間隔で、縦/横方向にレイ
アウトされている。
【0022】浅い第1の溝12aは、たとえば図1に示
すように、各シリコン柱13に対して、縦/横方向にそ
れぞれ半ピッチずつづれて配置されている。
【0023】また、図2(a),(b)に示すように、
上記浅い第1の溝12aの底部に対応する各シリコン台
部(第1の底部)14、および、上記各シリコン柱13
の表面部には、それぞれ離間して、セル・トランジスタ
のソースないしドレインとなる拡散層領域(n型不純物
層である第1および第2の拡散層領域)151 ,15 2
が形成されている。
【0024】上記浅い第1の溝12a内には、それぞ
れ、縦型構造のゲート電極16が配置されている。縦型
構造のゲート電極16は、たとえば図2(a)に示すよ
うに、ゲート絶縁膜17をそれぞれ介して、上記シリコ
ン柱13の一側面部13aに沿って設けられている。縦
型構造のゲート電極16は、上記拡散層領域151 ,1
2 とともに、上記シリコン柱13の一側面部13aを
チャネル部とする縦型セル・トランジスタを構成してい
る。また、縦型構造のゲート電極16は、それぞれ、ワ
ード線(WL)18と接続されている。
【0025】上記拡散層領域151 ,152 の一方、た
とえば、上記シリコン台部14上の拡散層領域151
は、図2(b)に示すように、ビット線コンタクト(C
B)19の一端がそれぞれ接続されている。ビット線コ
ンタクト19の他端は、それぞれ、上記各ワード線18
にほぼ直交して配設されたビット線(BL)20に接続
されている。
【0026】上記ワード線18および上記ビット線20
は、それぞれ、上面と側面とがシリコン窒化(SiN)
膜21,22によって覆われている。また、上記溝部1
2内には、それぞれ、シリコン酸化(SiO2 )膜23
が埋め込まれてなる素子分離23’が形成されている。
【0027】上記拡散層領域151 ,152 の他方、た
とえば、上記シリコン柱13上の拡散層領域152
は、キャパシタコンタクト(ストレージノードコンタク
ト(CN))24の一端がそれぞれ接続されている。キ
ャパシタコンタクト24は、それぞれ、縦/横方向に走
る上記ワード線18と上記ビット線20との隙間のスペ
ースを利用して配置されている。キャパシタコンタクト
24の他端は、それぞれ、層間膜25上に設けられたセ
ル・キャパシタ26に接続されている。セル・キャパシ
タ26は、それぞれ、蓄積電極(キャパシタ下部電極)
26a、キャパシタ誘電体膜26b、および、プレート
電極(キャパシタ上部電極(PL))26cから構成さ
れている。
【0028】本実施形態の場合、図1に示すように、ク
ロス・ポイント型セルのレイアウト構成により、ワード
線18とビット線20との交点ごとにメモリセルが配置
されている。各メモリセルは、縦型セル・トランジスタ
とセル・キャパシタ26とからなっている。最小加工寸
法をFとすると、メモリセルの最小占有面積は4F2
なっている(ワード線18のピッチが2F、ビット線2
0のピッチが2F)。
【0029】次に、図3〜図7を参照して、本発明の第
1の実施形態にかかるDRAMの製造工程について説明
する。なお、各図において、(a)は図1の2a−2a
線に沿う断面を、(b)は同じく2b−2b線に沿う断
面を、(c)はアレイ領域の周辺部(周辺回路領域)の
断面を、それぞれ示している。
【0030】まず、図3(a),(b)に示すように、
p型シリコン基板11上に、パッド(Pad)酸化膜3
1、パッド窒化膜32および第2パッド酸化膜33を、
順次、CVD(Chemical Vapour De
position)技術などにより堆積させる。
【0031】次いで、フォトリソグラフィ技術により、
シリコン柱13のレジストパターン(図示していない)
を加工する。そして、それをマスクに、RIE(Rea
ctive Ion Etching)技術により、上
記第2パッド酸化膜33、上記パッド窒化膜32および
上記パッド酸化膜31を順に加工する。
【0032】上記レジストパターンを剥離後、上記第2
パッド酸化膜33、上記パッド窒化膜32および上記パ
ッド酸化膜31をマスクに、RIE技術により、上記シ
リコン基板11をエッチングする。これにより、アレイ
領域に深さの浅い第1の溝12aを形成して、上記シリ
コン柱13を形成する。
【0033】次いで、上記シリコン柱13の側面を酸化
させ、上記ゲート絶縁膜17となる酸化膜17aを形成
する。
【0034】次いで、上記浅い第1の溝12aの底部
(シリコン台部14)に、斜めイオン注入により、拡散
層領域(第1の不純物層)151 を形成する。このイオ
ン注入によって上記酸化膜17aが劣化したならば、そ
れを剥離した後、再度、きれいな酸化膜17aを形成し
直す。
【0035】次いで、多結晶シリコン膜34を全面に堆
積させ、これをCMP(Chemical Mecha
nical Polishing)法によりリセスし、
上記浅い第1の溝12a内に埋め込む。その際、上記第
2パッド酸化膜33がストッパとして利用される。
【0036】この後、図3(c)の膜構成に示すよう
に、アレイ領域の周辺部において、フォトリソグラフィ
技術とウェットエッチング(Wet Etch)処理な
どとにより、上記第2パッド酸化膜33を選択的に除去
する。
【0037】次いで、図3(a)〜(c)に示すよう
に、全面に対し、活性領域を形成するためのレジストパ
ターン(PR)35を加工する。
【0038】次に、図4(c)に示すように、アレイ領
域の周辺部において、上記レジストパターン35をマス
クに、SiN−RIEのエッチング条件により、上記パ
ッド窒化膜32をパターニングする。
【0039】次いで、図4(a),(b)に示すよう
に、アレイ領域において、エッチング条件をPoly−
RIEに変え、引き続き、上記レジストパターン35と
上記第2パッド酸化膜33と上記パッド酸化膜31とを
マスク(Critical Mask)に、上記多結晶
シリコン膜34をパターニングする。こうして、シリコ
ン台部14となる浅い第1の溝12aの底部上に、第1
の溝12aの底部と同形状の縦型構造のゲート電極16
を形成する。
【0040】次いで、図4(b),(c)に示すよう
に、上記パッド酸化膜31と上記酸化膜17aとをRI
E技術により加工し、除去する。そして、図4(a)〜
(c)に示すように、上記レジストパターン35を剥離
後、Si−RIEのエッチング条件により、上記シリコ
ン基板11をエッチングして、素子分離用の深さの深い
第2の溝12bと溝36とを形成する。
【0041】次いで、図1および図4(b)に示すよう
に、フォトリソグラフィ技術とPoly−RIEのエッ
チング条件とにより、上記ゲート電極16の、上記ビッ
ト線コンタクト19に隣接するだろう部分(上記シリコ
ン柱13の一側面部13aを除く部分)を除去する。そ
の後、シリコン酸化膜23をCVD技術などにより全面
に堆積させ、それをCMP技術によりリセスして、上記
各溝12a,12b,36内だけに残す。
【0042】次に、図5(a)〜(c)に示すように、
上記第2パッド酸化膜33の除去、上記ゲート電極16
の上部のリセス、上記パッド窒化膜32の除去を行っ
て、素子分離23’を完成させる。ここで重要なのは、
アレイ領域とその周辺部とにおいて、素子分離23’を
同時に形成することが可能であり、工程が簡略化できる
点である。
【0043】次いで、図5(c)に示すように、アレイ
領域の周辺部において、上記パッド酸化膜31を介して
イオン注入を行い、Nウェル(N−well)領域37
およびPウェル(P−well)領域38をそれぞれ形
成する。次いで、上記パッド酸化膜31を除去した後、
酸化膜からなるゲート絶縁膜39を形成する。このと
き、上記ゲート電極16上に形成された上記酸化膜だけ
を、フォトリソグラフィ技術とWet Etch処理と
により除去する。
【0044】次いで、図5(a),(c)に示すよう
に、アレイ領域でのワード線18および周辺部でのゲー
ト電極(GC)40となる、第2の多結晶シリコン膜と
シリサイド膜またはメタル膜とを、CVD技術などによ
り堆積させる。さらに、その上にキャップとなるシリコ
ン窒化膜21を、CVD技術などにより堆積させる。そ
して、フォトリソグラフィ技術とRIE技術とによっ
て、ゲート(ワード線18およびゲート電極40)の加
工を行う。この後、スペーサとなるシリコン窒化膜22
をCVD技術により堆積させる。そして、それをRIE
技術による側壁残しにより加工する。
【0045】次いで、図5(a),(b),(c)に示
すように、イオン注入により、アレイ領域における上記
シリコン柱13上の拡散層領域(第2の不純物層)15
2 、および、周辺部におけるトランジスタのソースない
しドレインとなる拡散層41,42を、それぞれ形成す
る。
【0046】このようにして、アレイ領域においては、
上記縦型構造のゲート電極16と上記拡散層領域1
1 ,152 とによって、上記シリコン柱13の一側面
部13aをチャネル部とする縦型セル・トランジスタが
構成される。
【0047】次に、全面に層間膜25aを形成した後、
図6(b)に示すように、アレイ領域において、上記シ
リコン台部14上の拡散層領域151 に達する、上記ビ
ット線コンタクト19用のコンタクトホール19aを開
口する。その後、ビット線コンタクト19とシリコン柱
13またはゲート電極16との絶縁をより確実にするた
めに、上記コンタクトホール19a内に、シリコン窒化
膜によるスペーサ(図示していない)を形成する。
【0048】次いで、バリアメタル膜やタングステン膜
などを堆積させ、それをCMP法などにより加工して、
上記ビット線コンタクト19を完成させる。ビット線コ
ンタクト19は、上記ワード線18に対して自己整合的
に形成される。
【0049】次いで、ビット線材料およびキャップとな
るシリコン窒化膜21をCVD技術などにより堆積させ
た後、フォトリソグラフィ技術とRIE技術により、ビ
ット線20の加工を行う。また、ビット線20のスペー
サとなるシリコン窒化膜22をCVD技術により堆積さ
せた後、それをRIE技術による側壁残しにより加工す
る。
【0050】次いで、図6(a),(b)に示すよう
に、アレイ領域において、層間膜25bを堆積させ、そ
れにキャパシタコンタクト24用のコンタクトホール2
4aを開口する。そして、バリアメタル膜やタングステ
ン膜などを堆積させ、それをCMPなどにより加工し
て、キャパシタコンタクト24を完成させる。キャパシ
タコンタクト24は、上記ワード線18と上記ビット線
20とに対して自己整合的に形成される。
【0051】次いで、上記キャパシタコンタクト24上
に、シリンダ構造などの蓄積電極26aを形成する。蓄
積電極26aは、上記シリンダ構造以外の、コンケーブ
(Concave)構造やペデスタル(Pedesta
l)構造など、如何なる構造であっても構わない。
【0052】なお、上記ビット線コンタクト19および
上記ビット線20などの形成と同時に(または、前後し
て)、たとえば図6(c)に示すように、アレイ領域の
周辺部において、上記拡散層41,42にそれぞれつな
がるコンタクト43、上記コンタクト43にそれぞれつ
ながる配線層(M0)44、上記配線層44のキャップ
45およびスペーサ46の形成が行われる。
【0053】次に、図7(a),(b)に示すように、
アレイ領域において、セル・キャパシタ26のキャパシ
タ誘電体膜26bを堆積させ、さらに、セル・キャパシ
タ26のプレート電極26cを堆積させ、それらを加工
する。
【0054】その後、図7(c)に示すように、アレイ
領域の周辺部において、層間膜25cに対して、配線ビ
ア(C1)47や配線層(M1)48などの配線形成工
程が行われる。これにより、図1および図2(a),
(b)に示したようなセル構造を有するDRAMが完成
する。
【0055】上記したように、DRAMセルに、縦型セ
ル・トランジスタを採用するようにしている。
【0056】すなわち、クロス・ポイント型セルのレイ
アウト構成において、各セル・トランジスタを縦型に構
成するようにしている。これにより、チャネル部のボロ
ン濃度と蓄積側の接合付近におけるボロン濃度とを独立
に制御できるようになる。したがって、トランジスタの
短チャネル効果の抑制とリテンション特性の改善とを両
立させつつ、セル・レイアウトを4F2 タイプとするこ
とが可能となるものである。
【0057】特に、トランジスタの短チャネル効果の抑
制とリテンション特性の改善との両立とともに、縦型構
造のゲート電極によってスペースが有効に利用できるよ
うになる。その結果、セル面積を急激に縮小することが
可能となり、DRAMセルを大幅に延命できるようにな
る。
【0058】しかも、セル・キャパシタの形成には、従
来からの周知技術をそのまま利用することが可能であ
る。そのため、ビット線上の平坦性も良く、高歩留りの
プロセスを容易に実現できるといった利点もある。
【0059】(第2の実施形態)図8および図9
(a),(b)は、本発明の第2の実施形態にかかるD
RAMのセル構造を示すものである。なお、図8はセル
・レイアウトを示す平面図であり、図9(a),(b)
は図8の9a−9a線,9b−9b線にそれぞれ沿う断
面図である。
【0060】図に示すように、縦型セル・トランジスタ
における縦型構造のゲート電極16’が、シリコン台部
14(浅い第1の溝12a)に対して自己整合的に形成
されている。この点で、上述の第1の実施形態と大きく
異なっている。
【0061】すなわち、この第2の実施形態は、たとえ
ば、多結晶シリコン膜34を等方性エッチング技術によ
り加工するようにしたものである。これにより、縦型構
造のゲート電極16’を、シリコン台部14に対して自
己整合的に形成できるようになる。したがって、上述し
た第1の実施形態で説明したような、ゲート加工のため
のマスク(Critical Mask)の形成を省略
することが可能となる(図3(a)〜(c)参照)。
【0062】そして、図8に示すように、ビット線コン
タクト19と上記縦型構造のゲート電極16’との間の
絶縁性を確保するため、ビット線20のピッチは、2F
から3Fに緩和されている(Fは、最小加工寸法)。ま
た、セルの最小占有面積は6F2 となっている(ワード
線18のピッチは、2F)。
【0063】上記縦型構造のゲート電極16’は、図8
に示すように、シリコン柱13の一角部(隣接する二側
面部)に沿い、上記シリコン柱13を部分的に取り巻く
ように略L字型に形成される。しかし、図9(b)に示
すように、9b−9b線に沿う断面には、上記縦型構造
のゲート電極16’は存在しない。これにより、ビット
線コンタクト19とのショートを抑制しつつ、縦型セル
・トランジスタのゲート幅を増大できるようになる。し
たがって、上述した第1の実施形態に比較して、縦型セ
ル・トランジスタは高い駆動能力が得られ、高速動作に
適する。
【0064】このように、シリコン柱13の角部を積極
的に利用することによって、縦型セル・トランジスタの
基板バイアス効果を低減できるようになる。その結果、
縦型セル・トランジスタの、サブスレショルドリークの
スロープ特性の改善、並びに、低電圧での高速動作が可
能になる。
【0065】縦型構造のゲート電極16’の形成は、多
結晶シリコン膜34を浅い第1の溝12a内に埋め込ん
だ後(図3(a)参照)、レジストパターン35を付け
たまま、CDE(Chemical Dry Etch
ing)技術などによってサイドエッチングする。こう
して、図9(a),(b)に示すように、シリコン台部
14に対して自己整合的に縦型構造のゲート電極16’
を形成する。この場合、上述の第1の実施形態に示した
縦型構造のゲート電極16よりもやせた(9a−9a線
に沿う断面方向の厚さが薄くて、上記第1の溝12aの
底部よりも小さい)形状の、縦型構造のゲート電極1
6’が形成される。
【0066】その後、上記パッド酸化膜31と上記酸化
膜17aとをRIE技術により加工し、除去する。そし
て、上記レジストパターン35を剥離後、Si−RIE
のエッチング条件により、上記シリコン基板11をエッ
チングする。こうして、アレイ領域における素子分離用
の深さの深い第2の溝12bと周辺部における素子分離
用の溝36とを形成する。続いて、素子分離用のシリコ
ン酸化膜23をCVD技術などにより堆積させ、それを
CMP技術によりリセスして、素子分離23’を形成す
る。
【0067】以降は、上記した第1の実施形態の場合と
同様の工程を実施することにより、図8および図9
(a),(b)に示した構造のDRAMセルが完成す
る。
【0068】(第3の実施形態)図10および図11
(a),(b)は、本発明の第3の実施形態にかかるD
RAMのセル構造を示すものである。なお、図10はセ
ル・レイアウトを示す平面図であり、図11(a),
(b)は図10の11a−11a線,11b−11b線
にそれぞれ沿う断面図である。この場合、ワード線18
のピッチは2F、ビット線20’のピッチは1Fであ
り、セルの最小占有面積は2F2 となっている。
【0069】図に示すように、各ビット線20’が、溝
部12の底部(この場合、深さの浅い第1の溝12aの
底部)にそれぞれ形成された一方の拡散層領域151
らなる線状の配線によって構成されている。この点で、
上述の第1,第2の実施形態と大きく異なっている。
【0070】すなわち、上述の第1,第2の実施形態で
示したビット線20と一方の拡散層領域151 とを兼用
するようにしたのが、この第3の実施形態にかかるDR
AMである。この場合、上述した第1,第2の実施形態
の場合ように、ビット線20と拡散層領域151 とのコ
ンタクト19をセル内でとる必要がなくなる。そのた
め、シリコン柱13や縦型構造のゲート電極16とビッ
ト線コンタクト19との間でのショートを未然に防ぐこ
とができる。特に、深さ方向の制御が難しいビット線コ
ンタクト19の、たとえば、浅くなったり、深すぎたり
によるコンタクト性の悪化も回避できる。したがって、
歩留りの向上が可能となり、また、工程の簡単化も図れ
る。
【0071】この実施形態の場合においても、上述した
第2の実施形態の場合と同様に、縦型構造のゲート電極
16を、シリコン柱13の一角部(隣接する二側面部)
に沿い、上記シリコン柱13を部分的に取り巻くように
略L字型に形成できる。これにより、縦型セル・トラン
ジスタのゲート幅を増大できるようになる。したがっ
て、上述した第1の実施形態に比較して、縦型セル・ト
ランジスタは高い駆動能力が得られ、高速動作に適す
る。
【0072】このように、シリコン柱13の角部を積極
的に利用することによって、縦型セル・トランジスタの
基板バイアス効果を低減できるようになる。その結果、
縦型セル・トランジスタの、サブスレショルドリークの
スロープ特性の改善、並びに、低電圧での高速動作が可
能になる。
【0073】ビット線20’は、以下のようにして形成
される。たとえば、シリコン柱13の側面を酸化させて
ゲート絶縁膜17となる酸化膜17aを形成した後(図
3(a)参照)、斜めイオン注入に代えて、垂直イオン
注入法による拡散層領域(第1の不純物層)151 の形
成が行われる。これにより、浅い第1の溝12aの底部
(シリコン台部14)に、拡散層領域151 ,152
一方を兼用するビット線20’が形成される。
【0074】なお、図4(b)に示した、フォトリソグ
ラフィ技術とPoly−RIEのエッチング条件とによ
り、上記ゲート電極16の、上記ビット線コンタクト1
9に隣接するだろう部分(上記シリコン柱13の一側面
部13aを除く部分)を除去する工程は、省略する。た
だし、センスアンプに接続されるビット線コンタクト
は、アレイ領域の周辺部において、上述の第1の実施形
態に示した工程(図6(b)参照)と同様の工程により
形成する。
【0075】以降は、上記した第1の実施形態の場合と
同様の工程を実施することにより、図10および図11
(a),(b)に示した構造のDRAMセルが完成す
る。
【0076】ここで、クロス・ポイント型セル・レイア
ウトを採用した場合、一般的に雑音耐性が減少し、セン
ス動作のマージンが低下する。これを回避するいくつか
の方法(雑音低減策)があり、それと本発明とを組み合
わせることによって、より安定な動作が達成できる。
【0077】(第4の実施形態)図12は、雑音低減策
の一例である、階層ビット線方式を模式的に示すもので
ある。ここでは、二層の配線(たとえば、ビット線B
L,/BL)を複数の箇所でツイスト(Twist)さ
せた場合の例を示している。
【0078】このように、二層のビット線BL,/BL
を形成するとともに、ビット線BL,/BLの相互を少
なくとも一箇所以上でツイスト(Twist)させるこ
とによって、雑音を打ち消すことが可能である。
【0079】本発明のDRAMにおいては、このような
雑音低減策を採用することにより、より安定した動作が
実現可能となる。
【0080】図13は、本発明の第4の実施形態にかか
るDRAMのセル構造を示すものである。なお、図13
は、図12に示した階層ビット線方式を採用した場合を
例に示す、DRAMの概略断面図である。
【0081】図13に示すように、ビット線に沿う方向
の断面において、たとえば、タングステンなどからなる
配線20aと拡散層領域151 からなる配線20bとに
よって、二層のビット線を形成する。なお、上記配線2
0aと上記配線20bとは断面が異なっている。
【0082】そして、この二層のビット線は、ビット線
コンタクト19により、上記配線20a,20bの相互
が実効的にツイストされている。
【0083】なお、上記した雑音低減策としては、この
二層の階層ビット線方式以外にも、一層ビット線方式や
隣接するビット線をシールドに利用する方法などがあ
り、本発明のDRAMにはあらゆる方法を採用すること
が可能である。
【0084】(第5の実施形態)図14および図15
(a),(b)は、本発明の第5の実施形態にかかるD
RAMのセル構造を示すものである。なお、図14はセ
ル・レイアウトを示す平面図であり、図15(a),
(b)は図14の15a−15a線,15b−15b線
にそれぞれ沿う断面図である。
【0085】上述した第1〜第3の各実施形態において
は、それぞれ、最小加工寸法をFとし、ワード線18の
ピッチが2Fである場合について説明した。しかしなが
ら、この構成の場合、隣接するワード線18の電位変動
からのカップリングによって、非選択セルの蓄積データ
がもれて破壊される可能性がある。
【0086】図14および図15(a),(b)に示す
DRAMは、ビット線20のピッチを2Fから3Fへと
緩和させることによって、蓄積データが破壊されるのを
防ぐようにしたものである。この場合におけるセルの最
小占有面積は、6F2 となる(ワード線18のピッチ
は、2F)。
【0087】図14および図15(a)に示すように、
各シリコン柱13とシリコン柱13のそれぞれに属する
各ワード線18とは、互いに近接して設けられている。
しかし、あるシリコン柱13に属するワード線18とこ
れに隣り合うシリコン柱13との間には、それぞれ、最
小加工寸法F程度のスペースXが設けられる。そのた
め、あるシリコン柱13に属するワード線18によっ
て、これに隣り合うシリコン柱13に形成された縦型セ
ル・トランジスタがオンされることはない。したがっ
て、隣接するワード線18の電位変動からのカップリン
グによって、非選択セルの蓄積データが破壊されるのを
防ぐことができる。
【0088】また、この実施形態の場合、ビット線コン
タクト19と縦型構造のゲート電極16との間隔を広げ
ることも可能である。相互の間隔を広げるようにした場
合においては、ショートを抑制でき、高歩留り化が可能
となる。
【0089】その他、本願発明は、上記(各)実施形態
に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸
脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さら
に、上記(各)実施形態には種々の段階の発明が含まれ
ており、開示される複数の構成要件における適宜な組み
合わせにより種々の発明が抽出され得る。たとえば、
(各)実施形態に示される全構成要件からいくつかの構
成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の
欄で述べた課題(の少なくとも1つ)が解決でき、発明
の効果の欄で述べられている効果(の少なくとも1つ)
が得られる場合には、その構成要件が削除された構成が
発明として抽出され得る。
【0090】
【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、トランジスタの短チャネル効果の抑制とリテンショ
ン特性の改善とを両立でき、さらなるセル面積の縮小化
やチップの微細化・高集積化の要求にも十分に対応する
ことが可能な半導体記憶装置およびその製造方法を提供
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態にかかるDRAMのセ
ル・レイアウトを示す平面図。
【図2】同じく、上記DRAMのセル構造を示す断面
図。
【図3】同じく、上記DRAMの製造方法を説明するた
めに示す工程断面図。
【図4】同じく、上記DRAMの製造方法を説明するた
めに示す工程断面図。
【図5】同じく、上記DRAMの製造方法を説明するた
めに示す工程断面図。
【図6】同じく、上記DRAMの製造方法を説明するた
めに示す工程断面図。
【図7】同じく、上記DRAMの製造方法を説明するた
めに示す工程断面図。
【図8】本発明の第2の実施形態にかかるDRAMのセ
ル・レイアウトを示す平面図。
【図9】同じく、上記DRAMのセル構造を示す断面
図。
【図10】本発明の第3の実施形態にかかるDRAMの
セル・レイアウトを示す平面図。
【図11】同じく、上記DRAMのセル構造を示す断面
図。
【図12】本発明にかかる、階層ビット線方式について
示す模式図。
【図13】本発明の第4の実施形態にかかるDRAMの
セル構造を示す断面図。
【図14】本発明の第5の実施形態にかかるDRAMの
セル・レイアウトを示す平面図。
【図15】同じく、上記DRAMのセル構造を示す断面
図。
【図16】従来技術とその問題点を説明するために示す
DRAMの構成図。
【符号の説明】
11…p型シリコン基板 12…溝部 12a…第1の溝 12b…第2の溝 13…シリコン柱 13a…シリコン柱の一側面部 14…シリコン台部 151 ,152 …拡散層領域 16,16’…縦型構造のゲート電極 17…ゲート絶縁膜 17a…酸化膜 18…ワード線 19…ビット線コンタクト 19a…コンタクトホール 20,20’,BL,/BL…ビット線 20a,20b…配線 21,22…シリコン窒化膜 23…シリコン酸化膜 23’…素子分離 24…キャパシタコンタクト 24a…コンタクトホール 25,25a,25b,25c…層間膜 26…セル・キャパシタ 26a…蓄積電極 26b…キャパシタ誘電体膜 26c…プレート電極 31…パッド酸化膜 32…パッド窒化膜 33…第2パッド酸化膜 34…多結晶シリコン膜 35…レジストパターン 36…溝 37…Nウェル領域 38…Pウェル領域 39…ゲート絶縁膜 40…ゲート電極 41,42…拡散層 43…コンタクト 44…配線層 45…キャップ 46…スペーサ 47…配線ビア 48…配線層 X…スペース

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上のメモリセルアレイ領域に
    形成された、深さの異なる第1,第2の底部を有するシ
    リコン溝により分離された複数のシリコン柱と、 前記シリコン溝の第2の底部よりも浅い第1の底部に形
    成された第1の拡散層領域、および、前記シリコン柱の
    表面部に、前記第1の拡散層領域と離間して形成された
    第2の拡散層領域と、前記第1および第2の拡散層領域
    に隣接し、前記シリコン柱の少なくとも一側面部に沿っ
    て設けられたゲート電極とを有するセル・トランジスタ
    と、 前記ゲート電極に接続されたワード線と、 前記ワード線と直交する方向に設けられ、前記第1の拡
    散層領域に接続されたビット線と、 前記第2の拡散層領域に接続されたセル・キャパシタと
    を具備したことを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記セル・トランジスタと前記セル・キ
    ャパシタとによってメモリセルが形成され、前記メモリ
    セルは、前記ワード線および前記ビット線の交点に存在
    することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装
    置。
  3. 【請求項3】 前記ゲート電極に対応する前記シリコン
    柱の一側面が、前記セル・トランジスタのチャネルとし
    て用いられることを特徴とする請求項1に記載の半導体
    記憶装置。
  4. 【請求項4】 前記第1の拡散層領域と前記ビット線と
    は、ビット線コンタクトを介して接続されることを特徴
    とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
  5. 【請求項5】 前記第2の拡散層領域と前記セル・キャ
    パシタとは、キャパシタコンタクトを介して接続される
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
  6. 【請求項6】 前記キャパシタコンタクトは、前記ワー
    ド線と前記ビット線との間に配設されてなることを特徴
    とする請求項5に記載の半導体記憶装置。
  7. 【請求項7】 前記ゲート電極は、前記シリコン溝の第
    1の底部上に前記第1の底部と同形状に形成された後、
    等方性エッチングにより前記第1の底部よりも小さく形
    成されてなることを特徴とする請求項1に記載の半導体
    記憶装置。
  8. 【請求項8】 前記ビット線は、階層ビット線構造を有
    してなることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶
    装置。
  9. 【請求項9】 前記ビット線は、隣接して設けられる、
    互いに相補の関係にある一対のビット線が少なくとも一
    箇所以上で交差してなることを特徴とする請求項8に記
    載の半導体記憶装置。
  10. 【請求項10】 半導体基板上のメモリセルアレイ領域
    に形成された、深さの異なる第1,第2の底部を有する
    シリコン溝により分離された複数のシリコン柱と、 前記シリコン溝の第2の底部よりも浅い第1の底部に線
    状に形成された第1の拡散層領域および前記シリコン柱
    の表面部に形成された第2の拡散層領域と、前記第1お
    よび第2の拡散層領域に隣接し、前記シリコン柱の少な
    くとも一側面部に沿って設けられたゲート電極とを有す
    るセル・トランジスタと、 前記第1の拡散層領域と直交する方向に設けられ、前記
    ゲート電極に接続されたワード線と、 前記第2の拡散層領域に接続されたセル・キャパシタと
    を具備したことを特徴とする半導体記憶装置。
  11. 【請求項11】 前記セル・トランジスタと前記セル・
    キャパシタとによってメモリセルが形成され、前記メモ
    リセルは、前記ワード線および前記ビット線の交点に存
    在することを特徴とする請求項10に記載の半導体記憶
    装置。
  12. 【請求項12】 前記ゲート電極に対応する前記シリコ
    ン柱の一側面が、チャネルとして用いられることを特徴
    とする請求項10に記載の半導体記憶装置。
  13. 【請求項13】 前記第2の拡散層領域と前記セル・キ
    ャパシタとは、キャパシタコンタクトを介して接続され
    ることを特徴とする請求項10に記載の半導体記憶装
    置。
  14. 【請求項14】 前記キャパシタコンタクトは、前記ワ
    ード線の間に配設されてなることを特徴とする請求項1
    3に記載の半導体記憶装置。
  15. 【請求項15】 前記ゲート電極は、前記シリコン溝の
    底部上に前記第1の底部と同形状に形成された後、等方
    性エッチングにより前記第1の底部よりも小さく形成さ
    れてなることを特徴とする請求項10に記載の半導体記
    憶装置。
  16. 【請求項16】 半導体基板上のメモリセルアレイ領域
    に第1の深さを有する第1の溝を設けて、複数のシリコ
    ン柱を形成する工程と、 前記第1の溝の底部に、第1の拡散層領域となる第1の
    不純物層を形成する工程と、 前記第1の溝内をゲート電極材料により埋め込む工程
    と、 前記第1の溝内に、前記第1の溝よりも深い、第2の深
    さを有する第2の溝を選択的に設けて、前記シリコン柱
    の少なくとも一側面部に沿うゲート電極を形成する工程
    と、 前記第2の溝内に絶縁膜を埋め込んで素子分離領域を形
    成する工程と、 前記ゲート電極に接続されるワード線を形成する工程
    と、 前記シリコン柱の表面部に、第2の拡散層領域となる第
    2の不純物層を形成する工程と、 前記第1の拡散層領域に接続されるビット線コンタクト
    を形成する工程と、 前記ビット線コンタクトに接続されるビット線を形成す
    る工程と、 前記第2の拡散層領域に接続されるキャパシタコンタク
    トを形成する工程と、 前記キャパシタコンタクトに接続されるセル・キャパシ
    タを形成する工程とを備えてなることを特徴とする半導
    体記憶装置の製造方法。
  17. 【請求項17】 前記素子分離領域の形成は、前記メモ
    リセルアレイ領域以外の、周辺回路領域に対しても同時
    に行われることを特徴とする請求項16に記載の半導体
    記憶装置の製造方法。
  18. 【請求項18】 前記キャパシタコンタクトは、前記ワ
    ード線と前記ビット線とに対して自己整合的に形成され
    ることを特徴とする請求項16に記載の半導体記憶装置
    の製造方法。
  19. 【請求項19】 前記ビット線コンタクトは、前記ワー
    ド線に対して自己整合的に形成されることを特徴とする
    請求項16に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  20. 【請求項20】 前記ゲート電極は、前記第1の溝に対
    して自己整合的に形成されることを特徴とする請求項1
    6に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  21. 【請求項21】 半導体基板上のメモリセルアレイ領域
    に第1の深さを有する第1の溝を設けて、複数のシリコ
    ン柱を形成する工程と、 前記第1の溝の底部に、ビット線となる第1の拡散層領
    域からなる線状の第1の不純物層を形成する工程と、 前記第1の溝内をゲート電極材料により埋め込む工程
    と、 前記第1の溝内に、前記第1の溝よりも深い、第2の深
    さを有する第2の溝を選択的に設けて、前記シリコン柱
    の少なくとも一側面部に沿うゲート電極を形成する工程
    と、 前記第2の溝内に絶縁膜を埋め込んで素子分離領域を形
    成する工程と、 前記ゲート電極に接続されるワード線を形成する工程
    と、 前記シリコン柱の表面部に、第2の拡散層領域となる第
    2の不純物層を形成する工程と、 前記第2の拡散層領域に接続されるキャパシタコンタク
    トを形成する工程と、 前記キャパシタコンタクトに接続されるセル・キャパシ
    タを形成する工程とを備えてなることを特徴とする半導
    体記憶装置の製造方法。
  22. 【請求項22】 前記素子分離領域の形成は、前記メモ
    リセルアレイ領域以外の、周辺回路領域に対しても同時
    に行われることを特徴とする請求項21に記載の半導体
    記憶装置の製造方法。
  23. 【請求項23】 前記キャパシタコンタクトは、前記ワ
    ード線に対して自己整合的に形成されることを特徴とす
    る請求項21に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  24. 【請求項24】 前記ゲート電極は、前記シリコン柱の
    二側面部に沿い、前記シリコン柱を部分的に取り巻くよ
    うに形成されることを特徴とする請求項21に記載の半
    導体記憶装置の製造方法。
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