JP2006054435A - 集積メモリデバイスおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】容易に製造可能であり、セルのサイズの縮小を可能にするメモリデバイスを提供する。
【解決手段】 本発明の、トンネル電界効果トランジスタ(TFET)と埋込みビット線とを用いたメモリデバイスには、記憶セルの行および列を含む行列が含まれる。各記憶セルには、少なくとも1つのセルトランジスタ(T01〜Tmn)が含まれ、そのセルトランジスタは第1のドープされた領域と第2のドープされた領域とを含んでおり、一方がソース領域(98)であり、もう一方がドレイン領域(152)である。そのメモリデバイスにはワード線(T01〜Tmn)が含まれ、各ワード線は1つの行にあるメモリセルとビット線とに接続されており、各ビット線は1つの列における記憶セルに接続されている。第1のドープされた領域と第2のドープされた領域のドーピングタイプは異なる。
【選択図】 図2

Description

エレクトロニクスが小型化し、精巧になってきたため、より小さなアーキテクチャを用いるデバイスはさらに望ましくなってきている。特に、種々のタイプのメモリデバイスの微細化への研究は引続き行われている。しかしながら、今日の科学技術にはある問題が存在する。その問題の中には、トンネル酸化膜の非スケーラビリティと、短チャンネル効果と、他のスレッショルド電圧の変動とが含まれる。スケーリングにより、電荷保持時間の減少と、結合比の減少と、同一列内のセル間のリークの増加とが得られ得る。その上、メモリアーキテクチャを縮小するための複雑な設計方法により、製造の困難および製造コストが増大する。
(要旨)
前置きとして、容易に製造可能であり、セルのサイズの縮小を可能にするメモリデバイスについて記載する。その上、そのようなデバイスの製造プロセスについて記載する。
メモリデバイスにはマトリックス状に配列された複数の記憶セル(storage cell)が含まれる。そのマトリックスには記憶セルの行と記憶セルの列とが含まれる。各記憶セルには1つまたは複数のセルトランジスタが含まれ得る。各セルトランジスタには第1のドープされた領域と、第2のドープされた領域とが含まれ、第1のドープされた領域はドレイン領域であり、第2のドープされた領域はソース領域であるか、もしくは、第1のドープされた領域がソース領域であり、第2の領域がドレイン領域である。メモリには複数のワード線および複数の第1のビット線とも含まれる。各ワード線はこのマトリックスの1つの行の記憶セルに結合されている。第1のビット線の各々はこのマトリックスの1つの列の記憶セルに結合されている。
メモリデバイスには、少なくとも1つのセルトランジスタが含まれ、そのセルトランジスタは、互いに異なるドーピングタイプのソース領域とドレイン領域とを有する。従って、このトランジスタは、チャンネルとソース/ドレイン領域の1つとの間に形成されるpn接合を介したトンネリングが生じるトンネル電界効果トランジスタ(TFET)として特徴付けられ得る。このチャンネルは、反転チャンネルであり、その反転チャンネルはトランジスタのp−i−n領域(p型にドープされた領域、真性領域、n型にドープされた領域)の真性領域に形成される。真性領域ではなく、ソース/ドレイン領域と比較してドーピング濃度の低いp型にドープされた領域またはn型にドープされた領域を用い得る。ソース/ドレイン領域は、外部電圧と結合されている。従って、トランジスタのチャンネル付近のハローまたはポケットとは異なる。トンネル電流はトランジスタのゲート、特に、フローティングゲートトランジスタのフローティングゲートによる影響を受け得る。
一実施形態において、1つの選択トランジスタのみ、または、記憶セルの1つの記憶トランジスタのみがTFETであり、記憶セルの別のトランジスタは、ソース領域とドレイン領域とが同一ドーピングタイプであるFETである。もしくは、記憶セルのトランジスタの全てがTFETである。
一実施形態によると、1つの記憶セルは、フラッシュメモリセルにある1つのTFETのみを含む。この単一トランジスタフラッシュメモリセルは、同一のドーピングタイプのソース/ドレイン領域を有するFETに既知の問題なしにさらに縮小可能である。
第1の領域および第2の領域は、単結晶領域などの半導体領域である。シリコン、別の元素、または、化合物半導体材料が、その半導体領域において用いられ得る。第1の領域はn型にドープされた領域であり得、その一方で、第2の領域はp型にドープされた領域であり得る。
一実施形態によると、メモリデバイスには複数の第2のビット線が含まれる。第2のビット線の各々は、1つの列のセルトランジスタにおける第2のドープされた領域に結合されている。2つのビット線はSRAMなどのメモリデバイスと電気的に消去可能でプログラマブル読出し専用メモリ(EEPROM)とにおいて用いられ、DRAMにおいては、1つのビット線のみを用いる。
別の実施形態によると、第1のビット線は、記憶セルの上方に設けられたライズド(raised)ビット線であり、第2のビット線は、記憶セルの下方に配置された埋込みビット線である。この実施形態において、ビット線は互いに横方向に配置され、セルのサイズはビット線よりも小さい。
さらなる実施形態によると、第1のドープされた領域には低濃度にドープされた領域と高濃度にドープされた領域とが含まれ、第2のドープされた領域には高濃度にドープされた領域のみが含まれる。従って、トランジスタの1つの側、例えば高電圧側において小さなドーピング濃度の勾配を有し得る。同時に、トランジスタのもう一方の側において低濃度にドープされた領域を省くことにより、第2のドープされた領域のサイズを低減することができる。
別の実施形態によると、第1および第2のドープされた領域がともにシリサイド化されるか第1のドープされた領域のみがシリサイド化される。前者の場合、第2のドープされた領域のシリサイド化を防ぐための処置は必要ない。後者の場合、第2のドープされた領域のシリサイド化のために半導体材料は必要ない。従って、第2のドープされた領域に対して接続抵抗を低くし得る。
別の実施形態によると、各記憶セルには、1つのメモリセルトランジスタが含まれる。第1のビット線の各々は、1つの列におけるセルトランジスタの第1のドープされた領域に結合される。第2のビット線の各々は、1つの列におけるセルトランジスタの第2のドープされた領域に結合される。記憶セルあたりにトランジスタを1つのみ有するメモリデバイスは、2つ以上のトランジスタを有するセルと比較して、セルサイズが最小である。その上、2つのビット線により、失敗率が低く、高速の制御モードが可能になる。
さらなる実施形態において、埋込みビット線は、ドープされたウェルの絶縁されたものであり、ボディ領域と、1つの列における記憶セルのソース領域およびドレイン領域とを含む。TFETと埋込みビット線とを組み合わせることにより、埋込みビット線ウェルとソース領域との優れた電気接続が形成され得る。ウェルと、ウェルにより接続されたドープされた領域とは同一のドーピングタイプを有するため、優れた電気接続、すなわち、低いオーム抵抗の接続を形成するための追加の処置は必要ない。埋込みビット線のドーピング濃度は優れた伝導を提供する。埋込みビット線の最高ドーピング濃度は、チャンネル領域における小さな反転チャンネルの形成を許容し得るソース領域への最大ドーピング濃度より少なくとも1桁小さくあり得る。さらなる実施形態において、ウェルのドーピングタイプは第2のドープされた領域(例えばソース領域)のドーピングタイプと同一である。
さらに別の実施形態によると、第1のビット線の少なくとも1つまたは第2のビット線の1つは記憶セルの下方に埋め込まれたビット線である。双方のビット線が埋め込まれている場合には、金属のビット線は必要ない。埋込みビット線を1つのみ用いる場合には、列のピッチは狭く、ビット線の断面積は、占有側面積が同じと仮定すると、2つの埋込みビット線の場合と比較して大きくなり得る。
別の実施形態において、共通第2の領域は、1つの列において互いに隣接する記憶セルに共通である。それらのトランジスタのフローティングゲート間の第1の距離は、同じ列内の共通第1の領域に隣接するトランジスタのフローティングゲート間の第2の距離よりも短い。第1の距離は、メモリデバイスにおける構造の最小幅と等しくあり得、それは、第2のドープされた領域と埋込みビット線との電気接続のための追加処置を用いる必要がないために可能である。それは、埋込みビット線ウェルにおいて高濃度にドープされたストラップを注入するに十分である。ストラップとウェルのドーピングタイプは同じである。従って、別の領域に重なるシリサイド化された領域は必要ない。
その上、半導体基板においてメモリデバイスを製造するプロセスを示す。メモリデバイスは、複数のメモリセルトランジスタを備えたメモリアレイを備え、そのメモリアレイ内にはトランジスタが行列を成して配置されている。そのプロセスは、本明細書において記載するメモリデバイスの製造に用いられ得る。
この要旨は前置きとしてのみ示したものである。本発明は添付の特許請求の範囲により定められるが、本発明の詳細な記載と共に判断されるべきである。
本発明は、また、以下の解決手段を提供する。
(項目1)
記憶セルの行と記憶セルの列とを含む行列に配置された複数の記憶セルであって、各記憶セルは少なくとも1つのセルトランジスタを含んでおり、各セルトランジスタは第1のドープされた領域と第2のドープされた領域とを含んでおり、該第1および該第2のドープされた領域の一方がドレイン領域であり、該第1および該第2の領域のもう一方がソース領域であり、該第1のドープされた領域が該第2のドープされた領域と異なるドーピン
グタイプを有する、複数の記憶セルと、
複数のワード線であって、各ワード線が1つの行における記憶セルに接続されている、複数のワード線と、
複数の第1のビット線であって、該第1のビット線の各々が1つの列における記憶セルに接続されている、複数の第1のビット線と
を備えた、メモリデバイス。
(項目2)
複数の第2のビット線であって、該第2のビット線の各々が1つの列における上記記憶セルに接続されている、複数の第2のビット線をさらに備えた、項目1に記載のデバイス。
(項目3)
上記第1のビット線が、上記記憶セルの上方にあるライズドビット線であり、上記第2のビット線が埋込みビット線である、項目2に記載のデバイス。
(項目4)
各記憶セルが1つのセルトランジスタを含み、上記第1のビット線の各々が1つの列における該セルトランジスタの上記第1のドープされた領域に接続されており、上記第2のビット線の各々が1つの列における該セルトランジスタの上記第2のドープされた領域に接続されている、項目2に記載のデバイス。
(項目5)
各埋込みビット線が、1つの列における上記セルトランジスタのボディ領域を含むウェルであって、絶縁された、ドープされたウェルである、項目3に記載のデバイス。
(項目6)
各ウェルの上記ドーピングタイプが上記第2のドープされた領域と同じドーピングタイプである、項目5に記載のデバイス。
(項目7)
上記第1のドープされた領域が、低濃度にドープされた領域と、高濃度にドープされた領域とを含んでおり、上記第2のドープされた領域が、高濃度にドープされた領域のみを含んでいる、項目1に記載のデバイス。
(項目8)
上記第1および上記第2のドープされた領域がシリサイド化されている、項目1に記載のデバイス。
(項目9)
上記第1のドープされた領域がシリサイド化されており、上記第2のドープされた領域がシリサイド化されていない、項目1に記載のデバイス。
(項目10)
上記第1または上記第2のビット線のうちの少なくとも1つが上記記憶セルの下方に埋め込まれたビット線である、項目1に記載のデバイス。
(項目11)
共通第2の領域が、1つの列において互いに隣接した記憶セルに共通であり、該隣接した記憶セルのトランジスタのフローティングゲート間の第1の距離が、同じ列における共通第1の領域に隣接したトランジスタのフローティングゲート間の第2の距離よりも短い、項目1に記載のデバイス。
(項目12)
上記第1の距離が上記メモリデバイスの最小構造幅と等しい、項目11に記載のデバイス。
(項目13)
半導体基板においてメモリデバイスを加工する方法であって、該デバイスは行列を成して配置されている複数のメモリセルトランジスタを備えたメモリアレイを有しており、
複数のワード線を形成することであって、各ワード線が1つの行における記憶セルに接続されている、ことと、
各列において第1のドープされた領域と第2のドープされた領域とを形成することであって、該第1および該第2のドープされた領域の一方がドレイン領域であり、該第1および該第2のドープされた領域のもう一方がソース領域であり、該第1のドープされた領域が第1のドーピングタイプを有し、該第2のドープされた領域が該第1のドーピングタイプと異なる第2のドーピングタイプを有する、ことと、
複数の第1のビット線を形成することであって、該第1のビット線の各々が1つの列における記憶セルに接続されている、ことと
を包含する、方法。
(項目14)
上記第2のドーピングタイプの第1のウェルを形成することと、
上記第1のドーピングタイプの第2のウェルを形成することであって、該第2のウェルが該第1のウェルを囲んでいる、ことと、
該第1および該第2のウェルのうちの少なくとも1つを貫通するに十分な深さのある深いトレンチを形成することと
をさらに包含する、項目13に記載の方法。
(項目15)
上記第1のウェルが、上記ソース領域と、上記ドレイン領域と、1つの列における上記メモリセルトランジスタのボディ領域とを含んでいる、項目14に記載の方法。
(項目16)
セルフアラインされたシリサイド化プロセスにおいて、上記第1のドープされた領域と上記第2のドープされた領域とをシリサイド化することをさらに包含する、項目13に記載の方法。
(項目17)
セルフアラインされたシリサイド化プロセスにおいて、上記第1のドープされた領域をシリサイド化し、上記第2のドープされた領域をシリサイド化しないことをさらに包含する、項目13に記載の方法。
(項目18)
セルフアラインされたシリサイド化プロセスにおいて、記憶セルトランジスタの制御ゲートをシリサイド化することをさらに包含する、項目13に記載の方法。
(項目19)
上記第1および上記第2のドープされた領域のセルフアラインされたドーピングのためのマスクとして、上記制御ゲートの上面の上にハードマスクを用いることをさらに包含する、項目18に記載の方法。
(摘要)
トンネル電界効果トランジスタ(TFET)と埋込みビット線とを用いたメモリデバイスについて記載する。そのメモリデバイスには、記憶セルの行および列を含む行列が含まれる。各記憶セルには、少なくとも1つのセルトランジスタが含まれ、そのセルトランジスタは第1のドープされた領域と第2のドープされた領域とを含んでおり、一方がソース領域であり、もう一方がドレイン領域である。そのメモリデバイスにはワード線が含まれ、各ワード線は1つの行にあるメモリセルとビット線とに接続されており、各ビット線は1つの列における記憶セルに接続されている。第1のドープされた領域と第2のドープされた領域のドーピングタイプは異なる。
本明細書において、フラッシュ電気消去可能プログラマブル読出し専用メモリ(Flash−EEPROM)について記載するが、本発明のメモリデバイスは、ダイナミックランダムアクセス記憶装置(DRAM)、スタティックランダムアクセス記憶装置(SRAM)、選択的消去を有するEEPROM、EPROM、読出し専用メモリ(ROM)、または、強誘電体ランダムアクセス記憶装置(FeRAM)や磁気抵抗型RAM(MRAM)などの別のメモリデバイスであり得る。各セルは、EEPROMまたはフラッシュEEPROMの場合には、フローティングゲートトランジスタなどのトランジスタを1つのみ含み得るか、または、複数のトランジスタを含み得る。
図1は、複数のメモリ区分領域12、14を含む集積メモリデバイス10の電気接続図の一部である。メモリ区分領域12、14は、同一の方法により製造される。従って、以下では、メモリ区分領域12の構造のみを詳細に記載する。メモリデバイスは複数のグローバルビット線BL0〜BLmを含み、そのうちの3つのグローバルビット線BL0、BL1、および、BL2が図1に示される。さらなるグローバルビット線16は点により示される。
メモリセル領域12には、ドレイン選択トランジスタTD0〜TDmの1つの行が含まれ、そのうちの3つのドレイン選択トランジスタTD0、TD1、および、TD2が図1に示される。ドレイン選択トランジスタTD0、TD1、および、TD2のゲートは、行方向に配置されたドレイン選択線DSLと電気接続されている。
その上、メモリ区分領域12には、複数のメモリセルトランジスタT01〜Tmnが含まれ、そのうちの15個のメモリセルトランジスタT00〜T24が図1に示される。第1の添え字記号mは、メモリセルトランジスタが配置されている列に関する。第2の添え字記号nは、メモリセルトランジスタが配置されている行に関する。例えば、メモリセルトランジスタT12は、添え字が1の列(ここで、0から数えるために2番目の列)かつ添え字が2の行(ここで、0から数えるため3番目の行)に配置されている。
メモリ区分領域12の各列におけるメモリセルトランジスタのゲート電極は、それぞれ、ワード線WL0〜WLnに接続されている。図1において、5つのワード線WL0〜WL4が示されている。さらなるワード線18は点により示される。
メモリセルトランジスタT00〜T24はフローティングゲートトランジスタである。電荷はフローティングゲートに蓄えられ、フローティングゲートは電気的に絶縁されている。フローティングゲートは、導電性であり得るか、または、電気的に絶縁性である。
メモリ区分領域12には、ソース選択トランジスタTS0〜TSnが含まれ、そのうちの3つのソース選択トランジスタTS0〜TS2が図1に示される。ソース選択トランジスタTS0〜TS2のゲート電極はソース選択線SSLにより電気接続されている。
メモリ区分領域12には、絶縁ウェルW0〜Wmも含まれ、そのうちの3つの絶縁ウェルW0〜W2が図1に示される。絶縁ウェルW0〜Wmは絶縁トレンチG0〜G(m+1)により区切られ、そのうちの4つの絶縁トレンチG0〜G3が図1に示される。例えば、絶縁トレンチG1は、絶縁ウェルW0と絶縁ウェルW1との間に配置されている。
絶縁ウェルW0〜W2の各々には、1つの列にあるメモリセルトランジスタと、1つのドレイン選択トランジスタと、1つのソース選択トランジスタとが配置されている。ドレイン選択トランジスタおよびソース選択トランジスタは、メモリセルトランジスタの選択のために用いられる。例えば、絶縁ウェルW0には、ドレイン選択トランジスタTD0と、メモリセルトランジスタT00〜T04と、ソース選択トランジスタTS0とが含まれる。絶縁ウェルW0〜Wmの各々におけるトランジスタの配置は同じである。従って、以下では、絶縁ウェルW0におけるトランジスタの配置のみについて説明する。
ドレイン選択トランジスタTD0のドレイン電極はビット線BL0に電気接続されている。ドレイン選択トランジスタTD0のソース電極は、ライズドドレイン線20(ビット線とも呼ばれる)により、メモリセルトランジスタT00〜T04のドレイン電極に接続されている。ライズドドレイン線20は、第1の金属レベルM1における絶縁ウェルW0の上方に位置する。すなわち、ライズドビット線は絶縁ウェルW0の形成の後の処理において絶縁ウェルW0の上方に形成される。ライズドドレイン線は、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、または、銅合金などの導電性の材料から成る。
メモリセルトランジスタT00〜T04のソース電極は、それぞれ、接続部分30、40、50、60、および70により、絶縁ウェルW0に電気接続されている。従って、絶縁ウェルW0は、単結晶半導体基板に埋め込まれた埋込みソース線または埋込みビット線の機能を有する。従って、上記のライズドビット線とは逆に、埋込みビット線(絶縁ウェルW0)は第1の金属レベルM1などの1つまたは複数の層の下方に形成される。
ドレイン選択トランジスタTS0のソース電極はグローバルソース線SL0(グローバルビット線とも呼ばれる)に接続されている。グローバルソース線SL0はライズドドレイン線20の上方に、金属レベルM2において配置される。残りの絶縁ウェルW1、W2などは、それぞれ、グローバルソース線SL1、SL2などを有する。
ローカルドレイン線20、22、および、24を用いることにより、ミニセクタ100の形成が可能になり、ミニセクタ100には1つの列全てではなく1つの列の一部にあるメモリセルのみが含まれる。上記のような配置は、メモリデバイス10の消費電力に関して、また、メモリセルの書込速度と、読出速度と、消去速度とに関して、有利である。
図2は、メモリ区分領域12の平面図である。便宜上、全ての図の同一の部分に対して同一の参照記号を用いているということに留意されたい。絶縁トレンチG0〜G3の幅B0は150nm未満である。特定の一例において、幅B0は100nmである。2つの隣接した絶縁トレンチの中心間の距離B2は300nm未満である。例えば、距離B2は250nmであり得る。距離B2は、隣接しているライズドドレイン線20、22もしくは24間の距離、または、隣接した埋込みソース線間の距離でもあるために、距離B2はビット線ピッチとも呼ばれる。上記のような短い距離B2の製造を可能にするために、ドレイン選択トランジスタTD0〜TD2、および、ソース選択トランジスタTS0〜TS2は、ダブルゲートトランジスタまたはトリプルゲートトランジスタなどのマルチプルゲートトランジスタであり得る。一実施形態において、マルチプルゲートトランジスタには、1つまたは複数のソースと1つまたは複数のドレインとの間に2つ以上のゲートが含まれる。
図2において、メモリセルトランジスタT01〜T21のフローティングゲートFG00〜FG21が示されている。選択トランジスタのソース領域S、または、ドレイン領域Dへのコンタクト領域CAは、接続されているソース領域Sまたはドレイン領域Dよりもわずかに狭い。
メモリセルトランジスタT00〜T21の半導体ソース領域Sは、トランジスタT00〜T21の半導体ドレイン領域Dと異なったドーピングタイプを有する。従って、ソース領域Sがn型のドーピングタイプを有する場合には、ドレイン領域Dはp型のドーピングタイプを有し、逆もまた同じである。
メモリセルトランジスタT00〜T21のドレイン領域Dおよびソース領域Sは、ドレイン選択線DSLと、ワード線WL0〜WLmと、ソース選択線SSLとが作成された後に、2つのセルフアラインされた注入により作成される。ドレイン領域Dは、例えば、ソース領域を覆うマスクを用いてドープされる。それにもかかわらず、マスクのエッジがゲート電極の上方に配置され、例えば、そのエッジがゲート電極の上面の上の中央線に沿っている場合、ドレイン領域のドーピングは、メモリセルトランジスタのゲート電極にセルフアラインする。
ドレイン選択トランジスタTD0は、例えば、n型ドレイン領域150と、メモリセルトランジスタT00のドレイン電極でもあるn型ソース領域152(すなわち、双方とも同一のドーピングタイプである)とを有する。メモリセルトランジスタT00〜T21のドレイン電極(例えば、メモリセルトランジスタT20のドレイン電極154)もn型であるが、メモリセルトランジスタT00〜T21のソース領域(例えば、メモリセルトランジスタT20のソース電極98)はp型である。従って、メモリセルトランジスタT00〜T21は、消去および書込のみならず読出も可能なトンネルトランジスタである。読出しモードでは、トンネル電流は、反転チャンネルとソース領域との間のトンネル接合を介して流れる。この接合におけるトンネル電流は、フローティングゲートに蓄えられた電荷による影響を受ける。従って、フローティングゲートの電荷状態を調べることが可能である。
ドレイン選択線DSLの上方に、オプション線160が配置され、オプション線160は、絶縁層によって、ドレイン選択線DSLと電気的に切り離されている。ドレイン選択線DSLには、ドレイン選択トランジスタTD0〜TD2それぞれへの制御ゲート170、172、174などが含まれる。
図2は、3つの断面も示す。A−A’断面は列方向であり、絶縁ウェルW2の中心線と交差する。B−B’断面は行方向であり、メモリセルトランジスタT20のコンタクト部分34と交差する。C−C’断面も行方向であり、メモリセルトランジスタT20のドレイン領域154と交差する。A−A’、B−B’、および、C−C’断面のすべては、メモリデバイス10の作成に用いられる半導体基板の表面の法線方向に平行な平面にある。
さらに、列方向において互いに隣接しており、同一のソース領域に隣接したフローティングゲート間の距離A0は、メモリデバイス10において構造の最小幅である。例えば、その幅は、130nmの技術(換言すると、製造の間において、用いられるフォトレジストを感光するために130nmの波長を用いる技術)に対して100nmであり、90nmの技術に対して70nmである。もしくは、距離A0は、構造の最小幅に、構造の最小幅の約10%のクリアランスディスタンスを足したものよりも短い。列方向において互いに隣接しており、同一のドレイン領域に隣接したフローティングゲート間の距離A2は、構造の最小幅に、構造の最小幅の10%の幅を足したものよりも長く、特に、距離A2は距離A0よりも長い。距離A0は距離A2よりも短くすることができる。それは、メモリセルトランジスタT00〜T24のソース領域には低濃度にドープされたドレイン(LDD)領域が必要ないためである。LDD領域は、シリサイドによるLDD領域の重なり合いが必要ないために、省き得る。シリサイドもまた、埋込みストラップとの電気コンタクトをとるために埋込みストラップと重なり合う必要がない。ストラップはp型のウェル、すなわち、埋込みビット線によりコンタクトされる。その上、このソース領域にはコンタクト領域が必要ないため、距離A2は短い。距離A0が短い理由については、以下に、図3とともに、より詳細に説明する。
図3は、図2のA−A’線に沿った断面図である。メモリデバイス10は、例えば、低濃度にp型にドープされたシリコンから成る単結晶半導体基板200の中または上に配置される。
シリコン基板200において、注入などのドーピング技術により、n型にドープされた層202と、p型にドープされた層204とが生成される。n型にドープされた層202は、基板200において、p型にドープされた層204よりも深部にある。n型にドープされた層202は基板200とp型にドープされた層204の間に配置されている。A−A’断面の近傍において、層202と層204とが、絶縁ウェルW2を形成する。それは、層202と層204とが、図3には示されていないが、A−A’断面図の前方および後方配置されている絶縁トレンチG2とG3とによって区分されているためである。
この実施形態において、基板200内のドーピング濃度は1015ドーピング原子/1立方センチメートル(1015cm−3)である。n型にドープされた層202の最大ドーピング濃度は、1016cm−3よりも大きいが、1020cm−3未満である。p型にドープされた層202の最大ドーピング濃度は、1016cm−3〜1018cm−3の範囲にある。
図3に示されるように、メモリセルトランジスタT20およびT21のゲートスタックには、以下の1)〜5)がその記載の順に基板200から遠くにあるように含まれる。1)厚みが9nmの酸化膜または窒化酸化膜などのフローティングゲート誘電体76、77、2)厚みが100nmの多結晶シリコンからなるフローティングゲートFG20、FG21、3)3つの層(酸化膜層と、窒化膜層または酸窒化膜層と、酸化膜層)のスタックから成るONO誘電体などの制御ゲート誘電体78、79であって、ONO層の厚みは10nmであり、4)ワード線WL0、WL1の一部から形成され、100nmの厚みを有する多結晶シリコンから成る制御ゲート、5)ゲートスタックの上部にあるコバルトシリサイドなどの金属シリコン化合物からなるシリサイド領域80,81。
制御ゲート誘電体78、79のフローティングゲートFG20、FG21の側壁と、制御ゲート(ワード線WL0、WL1)の側壁とは、熱酸化物などの誘電体82、84に覆われている。酸化物または窒化物から成る側壁スペーサは、例えば、誘電体82、84に隣接して配置される。その側壁スペーサは、単一スペーサ、または、二重スペーサである。二重スペーサは、以下により詳細に説明する、LDDおよびHDDドーピング領域の形成のために好適に用いられる。単一スペーサは、HDD領域のみを用いる場合に、用いられる。
メモリセルトランジスタT20およびT21のゲートスタックと、側壁誘電体82、84と、側壁スペーサ86、88とは、誘電体層89に囲まれており、誘電体層89は、酸化シリコン層、TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)層、または、BPSG(Boron Phosphorous Silicate Glass)などのシリケートガラス層などである。もしくは、low−k誘電体層89が用いられ得る。
誘電体層89には、金属M1も含まれる。従って、ライズド(raised)ドレイン線24も含まれる。金属コンタクト90はコンタクトホール内に位置しており、そのコンタクトホールは、誘電体層89をドレイン線24からトランジスタT20のドレイン領域154の上面にあるシリサイド化された領域91へと貫通する。金属コンタクト92は、ドレイン線24と、トランジスタT21のドレイン領域の上面上のシリサイド化された領域93との間に位置する。
メモリセルトランジスタT20、T21のドレイン領域Dには、n型にドープされたLDD領域94、95と、n型にドープされたHDD領域96、97とが含まれる。その領域における最高ドーピング濃度は、例えば、LDD領域94、95においては1017cm−3以上であり、かつ、1019cm−3未満であり、その一方で、HDD領域においては1019cm−3以上である。
メモリセルトランジスタT20およびT21は、ともに共通ソース領域Sを有する。この実施形態において、共通ソース領域には、高濃度にp型にドープされたソース領域98のみが含まれ、ソース領域98の最高ドーピング濃度は1019cm−3以上である。共通ソース領域S,98につながる金属コンタクトはない。ソース領域は、隣接したトレンチG2、G3との間に位置する層204のストリップに電気接続されている。ソース領域98に届く金属コンタクトがないため、この領域98の上面上のシリサイド領域は必要ない。従って、第1の実施形態において、ソース領域98の上面上に配置されるシリサイド領域はない。それにもかかわらず、代替実施形態において、他の領域(すなわち、領域80、81、および、91、93)をシリサイド化するときにシリサイド99の形成を防ぐためにさらなる工程が必要ないために、シリサイド領域99は、ソース領域98の上面上に配置される。シリサイド化された領域は、例えば、ソース領域が、高濃度にドープされた領域と低濃度にドープされた領域とを含む場合に、有利である。
図4は、図2のB−B’線に沿った断面図である。図5は、図2のC−C’線に沿った断面図である。図4および図5から分かるように、境界酸化物などの境界誘電体212を有するトレンチ底面およびトレンチ側壁において、トレンチG0〜G3は基板200に対して電気的に絶縁されている。境界誘電体212の厚みは、トレンチG0、G1などの幅と比較して短い。一例では、境界誘電体212の厚みはわずかに20nmであり、トレンチの幅の3分の1未満である。例えば、トレンチG0〜G3の深部は、多結晶シリコン214で満たされている。示されている実施形態において、トレンチG0〜G3の各々の約3分の2が多結晶シリコン214で満たされている。トレンチG0〜G3の上部領域は、酸化シリコンなどの誘電材料220で満たされている。制御回路、ワード線ドライバ、ビット線ドライバ、または、検出増幅器のメモリ区分領域12、14の外部領域における浅いトレンチに沿って、その上部領域をエッチングすることができる。プロセッサなどの論理回路に組み込まれるように、組み込みメモリデバイス10が製造されている場合には、トレンチの上部領域と浅いトレンチの上部領域の第2のエッチングは同時に行われ得る。代替実施形態において、トレンチは1つの材料のみで満たされているか、または、トレンチG0〜G3の上部も多結晶シリコンで満たされている。
一例では、トレンチG0〜G3の厚みは、0.9μm〜1.5μmの範囲内であり得、約1μmであり得る。トレンチG0〜G3は層204および層202を貫通する。代替実施形態において、トレンチG0〜G3の底面は層202内に位置する。
図4および図5に示されるように、メモリセルトランジスタT20のp型にドープされたソース領域98の先は、p型にドープされた層204のストリップ(strip)であり、そのストリップは、トランジスタT20用の埋込みソース線を形成する。メモリセルトランジスタT20のn型にドープされたドレイン領域96の先もp型にドープされた層204のストリップであり、そのストリップは埋込みソース線を形成する。
様々な動作モードに目を向け、トランジスタT11に対して、プログラミングモードと、消去モードと、読出しモードとについて説明する。別の例では、別の極性または別の値の電圧が用いられる。1つの特別な例では、その例の電圧と±50%しか異ならない電圧を用いる。その上、電位差が同じであるにもかかわらず、電圧配分は異なり得る。例えば、+14Vと−3Vではなく、+8.5Vと−8.5Vとが用いられ得る。その上、または、その代わりに、電圧配分、絶対電圧差は、例えば、+50%〜−50%の範囲内に変更され得る。
プログラミングの間では、トランジスタT11の電圧は、制御ゲート電極に+14Vが結合され、ソース領域、ボディ領域、および、ドレイン領域に−3Vが結合されている。この条件下で、トランジスタT11のフローティングゲート内のトンネル誘電体の全領域を介して、ボディ内の反転チャンネルからトンネル電流が流れる。
プログラミングの間における、トランジスタT11と同一の行にあるがトランジスタT11と別の行にあるトランジスタT21への電圧について説明する。制御ゲート電極に+14Vが結合され、ソース領域、ボディ領域、および、ドレイン領域に+3Vが結合されている。その条件下では、電位差が小さすぎるために、トランジスタT11のフローティングゲートにトンネル電流は流れない。
プログラミングの間における、トランジスタT11と同一の列にあるが別の行にあるトランジスタT12への電圧について説明する。制御ゲート電極には0Vまたは−3Vが結合され、ソース領域、ボディ領域、および、ドレイン領域に−3Vが結合されている。
プログラミングの間における、トランジスタT11と別の行かつ別の列にあるトランジスタT22への電圧について説明する。制御ゲート電極には0Vが結合され、ソース領域、ボディ領域、および、ドレイン領域には+3Vが結合されている。
消去の間には、区分12、14またはミニセクタ100のメモリセルは、全て同時に消去される。もしくは、1つのワード線、または、1つのワード線の一部に結合されたメモリセルのみが消去される。さらなる例では、他のセルを消去することなく、単一セルのみが消去される。全てのトランジスタT00〜T24の消去に対して、そのトランジスタは全て同一の電圧を有する。例えば、トランジスタT11に対する電圧は、制御ゲートに−14Vが結合され、ソース領域、ドレイン領域、および、ボディには+3Vが結合されている。消去の間には、プログラミングプロセスの間に流れる電流と反対向きにトンネル電流が流れる。
読出しモードでは、次の条件がトランジスタT11に有効である。ゲート電極に+2.5Vが結合され、ソース領域とボディ領域に0Vが結合され、ドレイン領域に−1Vまたは1.2Vが結合されるという条件である。その条件下において、トランジスタT11のドレイン電流またはスレッショルド電圧は検出され、増幅される。
EEPROMセルの別のタイプ(例えば、スプリットゲートセルまたはETOX(EPROM tunnel oxide)セル)も用いられ得る。別のプログラミングモード、読出しモード、または、消去モードも可能であり、チャンネルホットエレクトロン(CHE)プログラミングなどがある。
TEOSハードマスクなどのハードマスクのために、制御ゲートまたはワード線WL0〜WL2の上面上に、制御ゲートのダブルインプラントまたはカウンタドーピングなどの製造技術が避けられる。その結果、非常に良く制御された仕事関数が得られ、それにより、セルトランジスタ間のスレッショルド電圧の変動および電流の変動はわずかである。
従来のフラッシュスケーリングは限界に近づいていたが、本明細書に記載されている実施形態を用いることにより、65nm以下の生成構造への縮小をさらに可能にし得る。セルサイズスケーリングに対して、コンタクトを省くことは、一層重要になり得る。しかしながら、高速のアクセスに対して、金属接続を含めて、各セルにおけるソースコンタクトおよびドレインコンタクトを用いることは有利であり得る。従って、メモリセルあたり2つのビット線(BL)を用いることは、高速アクセスに適したフラッシュメモリアーキテクチャ(例えば、UCP(Uniform Channel Programming)フラッシュセル)では望ましくあり得る。しかし、2つの金属線を用いた結果、セルのサイズの1つの方向は、2つの金属M1間のピッチ(または金属M1のピッチ)による制限を受け得る。その上、金属M2は、通常、BLに用いられ、金属M1はパッドをのせるために用いられるため、セルのサイズのx方向は、2つの金属M2のピッチによる制限を受け得る。
トンネル酸化物にスケーラビリティがないために、フラッシュセルトランジスタのスケーリング限界は不利益に影響を受け得る。例えば、従来のトランジスタデバイスよりも短チャンネル効果は激しくなる。パンチスルー電圧、製造(roll off)が原因のVtの変動、および、漏れ電流は、トランジスタの長さをスケーリングする際の主要な問題であり得る。しかしながら、上記の実施形態を用いることにより、これらの制限する問題の全ては打開され得る。
いわゆるSNORアーキテクチャにおいて埋込みストラップを用いることにより、全てのソース領域は、CoSi短絡(埋込みストラップ)によって、分離されたp型ウェルに結合されることが可能になり、分離されたp型ウェルは金属ソース線(すなわちBBLまたは埋込みビット線コンセプトのもの)と置換することが可能になり、また、BLピッチのスケーラビリティがM2のピッチにもはや制限され得ない。実際、今日までは、BLのピッチは2×(M2のピッチ)と等しかった。これらの実施形態は、ソースからp型ウェルへの電気コンタクトを実現するシンプルな方法を示す。
それらの実施形態を用いることにより、セルあたりの2つのコンタクトおよびビット線は避けられ、さらなるセルのサイズの低減が可能になり、ソース側にシリサイドの重なりは必要なく、その重なりは、埋込みビット線に対して、ドレイン側において選択が自由であり、さらなるセルトランジスタの縮小が可能になる。
当然、メモリアーキテクチャのサイズを縮小する際の問題は存在する。その原因には、短チャンネル効果と、酸化膜の厚みのスケーリングとが含まれる。チャンネルのより優れた制御を得るために、トンネル(ゲート)酸化膜のスケーリングは望ましい。しかしながら、スケーリングにより、ビットレートの動きが格段と増加し得て、保持期間が短くなり得る。その上、トンネル酸化膜の厚みをスケーリングすることは、結合比を減少させ得る。トランジスタの長さが短い場合には、漏れの問題がセルの読出しを悪化させる。同じ列にあるセルの漏れは、読出されるセルの電流に寄与する。
本実施形態は、ソースコンタクト領域を確保し、従って、より小さなサイズのセルを可能にする。その上、pソースとp型ウェルとの間には、固有に、優れた接続があるために、nの母材とpウェルコンタクトとの間のシリサイドのストラップは必要ない。トンネル酸化膜(ゲート酸化膜)のスケーリングは必要なく、従って、結合比が高いままで、低いビットレートの動きおよび優れた保持期間が保たれ得る。真性領域が低濃度にドープされたp型領域またはn型領域に置き換えられるために、短チャンネルより小さいが、p−i−n接合の漏れの問題は低減される。TFET(トンネル電界効果トランジスタ)のpin構造のために、標準的なMOSFET(酸化金属半導体)または、IGFET(絶縁ゲートFET)と比較して、ブレイクダウンおよびデバイスのパンチスルー電圧は増大する。
また、パンチスルー電圧が高いために、短チャンネル効果の低減が達成され、それにより、チャンネルの長さのさらなるスケーリングが可能になる。すなわち、NMOSセルトランジスタのnのソースがpのソースに置換される。従って、セルトランジスタはTFETとして動作し、トランジスタのスケーリングにおける酸化膜の厚みのスケーリングの必要を軽減または除去する。それにより、BBLアーキテクチャに有利に働くソースとp型ウェルとの結合がさらに簡単に実現可能になる。
図において示され、記載された実施形態を用いて、本発明を説明してきたが、当業者には、本発明がその実施形態に制限されず、本発明の精神から逸脱することない種々の変化または修正が可能であるということが理解されるべきである。例えば、様々な材料が用いられ、本明細書の至るところに記載した大きさ、ドーピング量、電圧、およびそのほかの数は、代表的なもののみである。同様に、上記の実施形態の製造は、従来の製造装置および技術を用いて実行され得る。従って、本発明の範囲は、添付の請求項およびそれらの均等物によってのみ決定されるべきである。それらの方法を用いて図示され、本明細書において記載された構造の形成は、当業者の技術範囲内である。
フラッシュEEPROM内のメモリセル領域の電気接続図の一部である。 メモリセル領域の平面図である。 図2のA−A’線に沿った断面図である。 図2のB−B’線に沿った断面図である。 図2のC−C’線に沿った断面図である。
符号の説明
10 集積メモリデバイス
12、14 メモリ区分領域
16 グローバルビット線
18 ワード線
20、22、24 ドレイン線
30、40、50、60、70 接続部分
76、77 フローティングゲート誘電体
78、79 制御ゲート誘電体
80、81 シリサイド領域
82、84 誘電体
86、88 側壁スペーサ
89 誘電体層
90、92 金属コンタクト
91、93 シリサイド化された領域
94、95 LDD領域
96、97 n型にドープされたLDD領域
98 p型にドープされたソース領域
99 シリサイド領域
100 ミニセクタ
150 n型ドレイン領域
152 n型ソース領域
154 ドレイン電極
170、172、174 制御ゲート
200 半導体基板
202 n型にドープされた層
204 p型にドープされた層
212 境界誘電体
214 多結晶シリコン
220 誘電材料
BL0〜BLm グローバルビット線
CA コンタクト領域
D ドレイン領域
DSL ドレイン選択線
FG00〜FG21 フローティングゲート
G0〜G(m+1) トレンチ
GL0〜GLm グローバルビット線
M1、M2 金属レベル
S ソース領域
SL0、SL1、SL2 グローバルソース線
SSL ソース選択線
T01〜Tmn メモリセルトランジスタ
TD0〜TDm ドレイン選択トランジスタ
TS0〜TSn ソース選択トランジスタ
W0〜Wm ウェル
WL0〜WLn ワード線

Claims (19)

  1. 記憶セルの行と記憶セルの列とを含む行列に配置された複数の記憶セルであって、各記憶セルは少なくとも1つのセルトランジスタを含んでおり、各セルトランジスタは第1のドープされた領域と第2のドープされた領域とを含んでおり、該第1および該第2のドープされた領域の一方がドレイン領域であり、該第1および該第2の領域のもう一方がソース領域であり、該第1のドープされた領域が該第2のドープされた領域と異なるドーピン
    グタイプを有する、複数の記憶セルと、
    複数のワード線であって、各ワード線が1つの行における記憶セルに接続されている、複数のワード線と、
    複数の第1のビット線であって、該第1のビット線の各々が1つの列における記憶セルに接続されている、複数の第1のビット線と
    を備えた、メモリデバイス。
  2. 複数の第2のビット線であって、該第2のビット線の各々が1つの列における前記記憶セルに接続されている、複数の第2のビット線をさらに備えた、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記第1のビット線が、前記記憶セルの上方にあるライズドビット線であり、前記第2のビット線が埋込みビット線である、請求項2に記載のデバイス。
  4. 各記憶セルが1つのセルトランジスタを含み、前記第1のビット線の各々が1つの列における該セルトランジスタの前記第1のドープされた領域に接続されており、前記第2のビット線の各々が1つの列における該セルトランジスタの前記第2のドープされた領域に接続されている、請求項2に記載のデバイス。
  5. 各埋込みビット線が、1つの列における前記セルトランジスタのボディ領域を含むウェルであって、絶縁され、ドープされたウェルである、請求項3に記載のデバイス。
  6. 各ウェルの前記ドーピングタイプが前記第2のドープされた領域と同じドーピングタイプである、請求項5に記載のデバイス。
  7. 前記第1のドープされた領域が、低濃度にドープされた領域と、高濃度にドープされた領域とを含んでおり、前記第2のドープされた領域が、高濃度にドープされた領域のみを含んでいる、請求項1に記載のデバイス。
  8. 前記第1および前記第2のドープされた領域がシリサイド化されている、請求項1に記載のデバイス。
  9. 前記第1のドープされた領域がシリサイド化されており、前記第2のドープされた領域がシリサイド化されていない、請求項1に記載のデバイス。
  10. 前記第1または前記第2のビット線のうちの少なくとも1つが前記記憶セルの下方に埋め込まれたビット線である、請求項1に記載のデバイス。
  11. 共通第2の領域が、1つの列において互いに隣接した記憶セルに共通であり、該隣接した記憶セルのトランジスタのフローティングゲート間の第1の距離が、同じ列における共通第1の領域に隣接したトランジスタのフローティングゲート間の第2の距離よりも短い、請求項1に記載のデバイス。
  12. 前記第1の距離が前記メモリデバイスの最小構造幅と等しい、請求項11に記載のデバイス。
  13. 半導体基板においてメモリデバイスを加工する方法であって、該デバイスは行列を成して配置されている複数のメモリセルトランジスタを備えたメモリアレイを有しており、
    複数のワード線を形成することであって、各ワード線が1つの行における記憶セルに接続されている、ことと、
    各列において第1のドープされた領域と第2のドープされた領域とを形成することであって、該第1および該第2のドープされた領域の一方がドレイン領域であり、該第1および該第2のドープされた領域のもう一方がソース領域であり、該第1のドープされた領域が第1のドーピングタイプを有し、該第2のドープされた領域が該第1のドーピングタイプと異なる第2のドーピングタイプを有する、ことと、
    複数の第1のビット線を形成することであって、該第1のビット線の各々が1つの列における記憶セルに接続されている、ことと
    を包含する、方法。
  14. 前記第2のドーピングタイプの第1のウェルを形成することと、
    前記第1のドーピングタイプの第2のウェルを形成することであって、該第2のウェルが該第1のウェルを囲んでいる、ことと、
    該第1および該第2のウェルのうちの少なくとも1つを貫通するに十分な深さのある深いトレンチを形成することと
    をさらに包含する、請求項13に記載の方法。
  15. 前記第1のウェルが、前記ソース領域と、前記ドレイン領域と、1つの列における前記メモリセルトランジスタのボディ領域とを含んでいる、請求項14に記載の方法。
  16. セルフアラインされたシリサイド化プロセスにおいて、前記第1のドープされた領域と前記第2のドープされた領域とをシリサイド化することをさらに包含する、請求項13に記載の方法。
  17. セルフアラインされたシリサイド化プロセスにおいて、前記第1のドープされた領域をシリサイド化し、前記第2のドープされた領域をシリサイド化しないことをさらに包含する、請求項13に記載の方法。
  18. セルフアラインされたシリサイド化プロセスにおいて、記憶セルトランジスタの制御ゲートをシリサイド化することをさらに包含する、請求項13に記載の方法。
  19. 前記第1および前記第2のドープされた領域のセルフアラインされたドーピングのためのマスクとして、前記制御ゲートの上面の上にハードマスクを用いることをさらに包含する、請求項18に記載の方法。
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