JP2007059554A - Semiconductor memory device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関し、特に、マスクROM構造を備えた半導体記憶装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor memory device having a mask ROM structure and a manufacturing method thereof.
一般的なCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスに複雑な製造工程を付加することなく、CMOSトランジスタ回路が形成された半導体基板と同じ基板上に形成可能な半導体記憶装置として、マスクROMが知られている。マスクROMは、各メモリセルとビット線との電気的な接続を、その製造工程において選択的に行うことにより、ユーザーが要求するプログラムを物理的な構造により組み込んだ半導体記憶装置である。 Mask ROM is known as a semiconductor memory device that can be formed on the same substrate as a semiconductor substrate on which a CMOS transistor circuit is formed without adding a complicated manufacturing process to a general CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) process. Yes. The mask ROM is a semiconductor memory device in which a program requested by a user is incorporated by a physical structure by selectively making electrical connection between each memory cell and a bit line in the manufacturing process.
マスクROMには、高集積化に優れているNAND型と、高速化に優れているNOR型がある。上述のように、製造段階でプログラムが組み込まれるマスクROMは、主として、当該プログラムを読み出して使用することを目的として形成されるので、高速動作に有利なNOR型が選択されることが多い。 The mask ROM includes a NAND type that is excellent in high integration and a NOR type that is excellent in high speed. As described above, the mask ROM into which the program is incorporated at the manufacturing stage is formed mainly for the purpose of reading and using the program, so that the NOR type that is advantageous for high-speed operation is often selected.
図4は、NOR型のマスクROMを構成するメモリセルアレイを示す回路図である。図4に示すように、当該メモリセルアレイ30は、半導体基板上にMOS(Metal Oxide Semiconductor)型等の電界効果トランジスタからなるメモリセル31がマトリクス状に配設され、メモリセル31の各列のゲート電極がワード線WLk(kは0〜n)に接続されるとともに、メモリセル31の各行のドレインが、選択的に、すなわち、組み込まれるべきプログラムに応じてビット線BLk(kは0〜n)に接続される。なお、各メモリセル31を構成する電界効果トランジスタのソース領域は接地されている。
FIG. 4 is a circuit diagram showing a memory cell array constituting a NOR type mask ROM. As shown in FIG. 4, in the
このように構成された、マスクROMに組み込まれたプログラム(データ)を読み出す場合、ワード線WLk、及びビット線BLkでメモリセル31を構成する任意のトランジスタが選択される。
When reading the program (data) built in the mask ROM configured as described above, an arbitrary transistor constituting the
ここで、図5により、ワード線WL1及びビット線BL1に「High(例えば、5V)」の信号を印加し、他のワード線及びビット線に「Low(例えば、0V)」の信号を印加した場合に選択される、座標(WL1,BL1)に位置するトランジスタT11を例としてデータの読み出しを説明する。当該座標のトランジスタT11は、ワード線WL1が「High」であるのでON状態となり、ビット線BL1がトランジスタT11を介して接地される。このため、ビット線BL1に印加された「High」の信号の電位と、トランジスタT11のソース領域の接地電位との間に生じる電位差により電流(図中の破線)が流れる。この結果、ビット線BL1の出力側には、センスアンプ回路SA1を介して「Low」の信号が出力される。 Here, referring to FIG. 5, a signal of “High (for example, 5V)” is applied to the word line WL1 and the bit line BL1, and a signal of “Low (for example, 0V)” is applied to the other word lines and bit lines. Data reading will be described by taking the transistor T11 located at the coordinates (WL1, BL1), which is selected in this case, as an example. The transistor T11 at the coordinate is turned on because the word line WL1 is “High”, and the bit line BL1 is grounded through the transistor T11. Therefore, a current (broken line in the drawing) flows due to a potential difference generated between the potential of the “High” signal applied to the bit line BL1 and the ground potential of the source region of the transistor T11. As a result, a “Low” signal is output to the output side of the bit line BL1 via the sense amplifier circuit SA1.
また、図6は、ワード線WL1及びビット線BL2に「High」の信号を印加し、他のワード線及びビット線に「Low」の信号を印加した場合のデータの読み出しを説明する図である。図6に示すように、選択された座標(WL1,BL2)に位置するトランジスタT12は、ビット線BL2に電気的に接続されていないので、ワード線WL1に印加される信号が、「High」であっても「Low」であっても、ビット線BL2がトランジスタT12を介して接地されることがない。したがって、トランジスタT12が選択された場合、ビット線BL1の出力側には、センスアンプ回路SA2を介して「High」の信号が出力されることになる。 FIG. 6 is a diagram for explaining data reading when a “High” signal is applied to the word line WL1 and the bit line BL2, and a “Low” signal is applied to the other word lines and bit lines. . As shown in FIG. 6, since the transistor T12 located at the selected coordinates (WL1, BL2) is not electrically connected to the bit line BL2, the signal applied to the word line WL1 is “High”. Even if it is “Low”, the bit line BL2 is not grounded via the transistor T12. Therefore, when the transistor T12 is selected, a “High” signal is output to the output side of the bit line BL1 via the sense amplifier circuit SA2.
以上のように、この種のマスクROMはビット線BLkの電位により、メモリセル31に組み込まれたデータを判断しており、上述の動作を繰り返すことでメモリセルに書き込まれた情報を復元している。
As described above, this type of mask ROM determines the data incorporated in the
図7(a)は、従来構造のマスクROMを備えた半導体記憶装置のメモリセルアレイの要部回路図であり、図7(b)は、図7(a)に示す回路部分の概略断面図である。 FIG. 7A is a principal circuit diagram of a memory cell array of a semiconductor memory device having a mask ROM having a conventional structure, and FIG. 7B is a schematic cross-sectional view of the circuit portion shown in FIG. is there.
図7(b)に示すように、半導体基板に形成されたSTI(Shallow Trench Isolation)等の素子分離領域1によって区画された素子領域20に、2個一対のMOSトランジスタの共通のソース領域5と、それぞれのMOSトランジスタに対応するドレイン領域4(4a、4b)が形成されている。ソース領域5と各ドレイン領域4との間には、ワード線WLkとなるゲート電極3(3a、3b)が形成されている。また、ゲート電極3の両側には例えばシリコン酸化膜等からなるサイドウォール2が形成されている。
As shown in FIG. 7B, a
また、素子領域20及び素子分離領域1上には、層間絶縁膜6(6a、6b、6c)、金属配線8(8a、8b、8c)、及び層間絶縁膜6に形成されたビアホール内を充填するコンタクトプラグ7(7a、7b、7c)を形成する配線工程が繰り返され、多層配線構造が形成されている。この構成では、ビット線BLkとして使用している最上層の金属配線8cをメモリセル31のドレイン領域4に、記憶させるプログラムに応じて選択的に接続することでマスクROMが構成されている。
In addition, on the
すなわち、ドレイン領域4に最上層配線8cを接続させる場合は最上層の層間絶縁膜6cにビアホール及びコンタクトプラグ7cが形成され、接続させない場合は最上層の層間絶縁膜6cにビアホール及びコンタクトプラグ7cが形成されない構成である。この構成により、最上層の層間絶縁膜6cにコンタクトプラグ7cが存在する場合は、ビット線BLkとして使用している最上層配線8cとトランジスタのドレイン領域4とが接続され、対応するメモリセル31は最上層配線8cを接地させることができる。一方、最上層の層間絶縁膜6cにコンタクトプラグ7cが存在しない場合は、ビット線BLkとして使用している最上層配線8cと対応するトランジスタのドレイン領域4とが接続されないため、対応するメモリセル31は最上層配線8cを接地させることができない。
That is, when the
本構成では、最上層の層間絶縁膜6cに、コンタクトプラグ7cが形成されるビアホールを形成するフォトマスクを用いた1回のフォトリソグラフィ工程のみでマスクROMへのデータ書き込みを行うことができるので、マスクROMを製造する一般的な手法となっている。
In this configuration, data can be written into the mask ROM only in one photolithography process using a photomask for forming a via hole in which the
ところで、半導体装置の微細化が進行すると、層間絶縁膜6に形成されるヴィアホール径も当然に縮小される。このとき、層間絶縁膜6の膜厚を減少させることなく、ヴィアホール径を減少させると、ヴィアホールのアスペクト比が高くなるため、コンタクトプラグ7となる導電膜によりヴィアホールを完全に埋め込むことが困難となる。このため、層間絶縁膜6は、ヴィアホール径の縮小に伴って薄層化されている。
By the way, when the miniaturization of the semiconductor device proceeds, the via hole diameter formed in the
上述したように、特定のトランジスタのドレイン領域4とビット線BLkを接続するか否かは、最上層の層間絶縁膜6cにコンタクトプラグ7cを形成するか否かにより決定される。ここで、コンタクトプラグ7cを形成しない場合、層間絶縁膜6cの薄膜化が行われると、最上層配線8c(ビット線BLk)と第2層目配線8bとの間に形成される寄生容量9の容量値が大きくなる。このような寄生容量9は最上層配線8cの信号伝播速度を低下させるため、特に、高速でのメモリへのアクセスが要求される場合に問題となる。また、最上層のコンタクトプラグ7cを形成するか否かはマスクROMに書き込むデータに依存するため、コンタクトプラグ7cが形成されない場所(寄生容量9が形成される場所)は、マスクROMの全面に均一に分布するとは限らない。このため、信号伝播速度もマスクROM内の位置によって異なり、半導体装置の動作安定性を損なう恐れもある。
As described above, whether or not the drain region 4 of a specific transistor is connected to the bit line BLk is determined by whether or not the
この対策として、図8に示すように、最上層配線8cを接地させないメモリセル31bにおいて、製造工程でのROMへのデータ書き込みを最上層のコンタクトプラグ7cだけでなく、その下層のコンタクトプラグ7a、7bも形成しない構成が考えられる。本構成によると、最上層配線8cとメモリセルのドレイン領域4との間の絶縁膜の膜厚が厚くなり、寄生容量9は低減されることになる。
As a countermeasure, as shown in FIG. 8, in the memory cell 31b in which the
また、他の対策法として、図9に示すように、最上層配線8cを接地させるメモリセルと、接地させないメモリセルとにおいて、コンタクトプラグ7の構成は、最下層から最上層まで同じ構成とし、それぞれのメモリセル31に、異なる閾値電圧を有するトランジスタを採用した構成が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。すなわち、ビット線を接地させないメモリセルを構成するトランジスタには、ゲート電極3に「High」の信号が入力された場合であってもトランジスタがON状態とならない高い閾値電圧を有するトランジスタ12が使用され、ビット線を接地させるメモリセルを構成するトランジスタには、ゲート電極3に「High」の信号が入力された場合にON状態となる閾値電圧を有するトランジスタ11が使用される。
As another countermeasure, as shown in FIG. 9, in the memory cell that grounds the uppermost layer wiring 8c and the memory cell that is not grounded, the configuration of the
本構成では、ワード線WLkに「High」の信号が印加されても、閾値電圧を高くしたトランジスタはON状態にならないので、結果としてビット線BLkに印加された電圧がセンスアンプ回路SAkから出力されることになる。したがって、ビット線BLkを接地させるメモリセルと、接地させないメモリセルとが、同一のコンタクトプラグ7の構成を有していても、図4に示した回路と等価な回路が構成することができる。
In this configuration, even if a “High” signal is applied to the word line WLk, the transistor having a higher threshold voltage is not turned on. As a result, the voltage applied to the bit line BLk is output from the sense amplifier circuit SAk. Will be. Therefore, even if the memory cell that grounds the bit line BLk and the memory cell that is not grounded have the
なお、メモリセルの閾値電圧を高くするには、全メモリセルを、一旦、通常電圧で作動するトランジスタ11として形成した後、特定のトランジスタのみにゲート電極3上からゲート電極3を通して追加イオン(Nチャネル型MOSトランジスタの場合はP型不純物)の注入を実施し不純物拡散領域13を形成する(図9参照)。この工程は、上記した例のように、層間絶縁膜6上の配線工程の処理ではなく、トランジスタの形成工程においてチャネル領域の不純物濃度を調整することにより、データの書き込みを実施することから、上述のような寄生容量9は発生しない。
In order to increase the threshold voltage of the memory cells, all the memory cells are once formed as the
なお、上述のような、微細なトランジスタが形成されるCMOSプロセスでは、Pチャネルトランジスタにおいて生じる短チャネル効果を抑制する目的で、Pチャンネルトランジスタのゲート材料にP型のシリコン膜が使用され、Nチャンネルトランジスタのゲート電極にN型のシリコン膜が使用されるデュアルゲート構造が採用されている(例えば、特許文献2参照)。
マスクROMを備えた半導体記憶装置は、書き込むデータの内容に応じて、フォトリソグラフィにおいて使用するフォトマスクが変更される。図8に示した事例では、書き込むデータが変わると、複数のレイヤ(層間絶縁膜6a、6b、6c)についてヴィアホールを形成するためのフォトマスクを変更する必要がある。したがって、本手法を採用した場合には、製造コストが増大するという問題が生じる。
In a semiconductor memory device including a mask ROM, a photomask used in photolithography is changed according to the contents of data to be written. In the case shown in FIG. 8, when the data to be written is changed, it is necessary to change the photomask for forming the via hole for a plurality of layers (
また、図9に示した閾値電圧の異なるトランジスタを形成する手法では、通常のCMOSプロセスの製造工程に、マスクROMの形成に特有の閾値電圧が大きいトランジスタを形成するための工程が加わるため、上記と同様に、製造コストが増大するという問題がある。 Further, in the method of forming transistors having different threshold voltages shown in FIG. 9, a process for forming a transistor having a large threshold voltage peculiar to the formation of the mask ROM is added to the manufacturing process of the normal CMOS process. Similar to the above, there is a problem that the manufacturing cost increases.
本発明は、上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、マスクROMにおいて、構造が縮小化された場合であっても、半導体記憶装置の高速動作を阻害する寄生容量が増大することを抑制でき、また、製造コストを増大させることなく、安定した高速動作を実現できる半導体記憶装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。 The present invention has been proposed in view of the above-described conventional circumstances, and in the mask ROM, even when the structure is reduced, the parasitic capacitance that hinders the high-speed operation of the semiconductor memory device is increased. It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, which can suppress the above-described problem and can realize a stable high-speed operation without increasing the manufacturing cost.
前記課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、半導体基板上にマトリクス状にメモリセルが形成され、各メモリセルの出力側と導出線が選択的に接続された半導体記憶装置を前提としている。そして、本発明に係る半導体記憶装置は、半導体基板上に、前記メモリセルの出力側と導出線(ビット線)との間に形成されたダイオードと、前記ダイオードのPN接合を選択的に短絡する導電膜とを備えた構造を有している。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following technical means. First, the present invention is premised on a semiconductor memory device in which memory cells are formed in a matrix on a semiconductor substrate, and the output side of each memory cell and a lead-out line are selectively connected. The semiconductor memory device according to the present invention selectively short-circuits the diode formed between the output side of the memory cell and the lead-out line (bit line) on the semiconductor substrate and the PN junction of the diode. A structure including a conductive film.
前記メモリセルが、ソース領域が接地されたトランジスタで構成される場合、前記ダイオードは、前記トランジスタのドレイン領域と導出線との間に配置することができる。 When the memory cell is formed of a transistor whose source region is grounded, the diode can be disposed between the drain region of the transistor and a lead-out line.
また、前記ダイオードは、半導体基板に形成された素子分離領域上に形成されることが好ましい。当該ダイオードは、ポリシリコンやアモルファスシリコン等のシリコンを主成分とする材料で構成することができる。このとき、前記導電膜は金属シリサイド膜で構成することができる。例えば、前記金属シリサイド膜は、タングステン、チタン、コバルト、ニッケルの中から選択された少なくとも1種の金属元素を含む金属シリサイドとすることができる。 The diode is preferably formed on an element isolation region formed on a semiconductor substrate. The diode can be made of a material whose main component is silicon such as polysilicon or amorphous silicon. At this time, the conductive film may be formed of a metal silicide film. For example, the metal silicide film may be a metal silicide containing at least one metal element selected from tungsten, titanium, cobalt, and nickel.
上記構成は、前記メモリセルが、デュアルゲート構造を有するCMOSプロセスにより構成されたトランジスタ回路と、同一の半導体基板上に搭載される場合に好適である。 The above configuration is suitable when the memory cell is mounted on the same semiconductor substrate as the transistor circuit configured by a CMOS process having a dual gate structure.
本構成によれば、マスクROMに書き込まれたデータを読み出すために、ワード線及びビット線でメモリセルが選択された際に、当該メモリセルが導電膜により短絡されたダイオードを介してビット線に接続されていれば、ビット線が接地されるため「Low」の信号が出力される。一方、選択されたメモリセルが、導電膜で短絡されていないダイオードを介してビット線に接続されている場合、当該ダイオードにより、ビット線が接地されることがないため、「High」の信号が出力される。 According to this configuration, when a memory cell is selected by a word line and a bit line in order to read data written in the mask ROM, the memory cell is connected to the bit line via a diode short-circuited by a conductive film. If they are connected, the bit line is grounded, so that a “Low” signal is output. On the other hand, when the selected memory cell is connected to the bit line through a diode that is not short-circuited by the conductive film, the bit line is not grounded by the diode, so that a signal of “High” is output. Is output.
また、各メモリセルにおいて、構造上の差異は、ダイオード上に導電膜が配置されているか否かである。すなわち、ダイオード上に導電膜を形成するか否かを規定する1つのマスクにより、データを書き込むことが可能である。このため、一般的なCMOSプロセスから、工程数を増やすことなくデータの書き込みができるため、製造コストが増大することがない。さらに、構造を微細化した場合であっても、微細化に伴って寄生容量が増大することがないため、ビット線の配線遅延等が不要に増大することがなく、高速動作に適したマスクROMを具備した半導体記憶装置を提供することができる。 In each memory cell, the structural difference is whether or not a conductive film is disposed on the diode. That is, data can be written with one mask that defines whether or not a conductive film is formed over the diode. For this reason, data can be written from a general CMOS process without increasing the number of steps, so that the manufacturing cost does not increase. Furthermore, even if the structure is miniaturized, the parasitic capacitance does not increase with the miniaturization, so that the bit delay of the bit line does not increase unnecessarily, and the mask ROM suitable for high-speed operation A semiconductor memory device including the above can be provided.
一方、他の観点では、本発明は、上記構成を有する半導体記憶装置の製造方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上にマトリクス状にメモリセルが形成され、各メモリセルの出力側と導出線が選択的に接続された半導体記憶装置の製造方法であって、半導体基板上に形成された絶縁膜上にシリコン膜を形成する工程、前記各メモリセルの出力側と前記導出線との間に、前記シリコン膜からなるダイオードを形成する工程、及び前記ダイオードに、当該ダイオードのPN接合を短絡する導電膜を選択的に形成する工程とを含む。 On the other hand, in another aspect, the present invention can provide a method for manufacturing a semiconductor memory device having the above-described configuration. In other words, the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor memory device in which memory cells are formed in a matrix on a semiconductor substrate, and the output side of each memory cell and a lead-out line are selectively connected. A step of forming a silicon film on an insulating film formed on a semiconductor substrate; a step of forming a diode made of the silicon film between an output side of each memory cell and the lead-out line; and And selectively forming a conductive film for short-circuiting the PN junction of the diode on the diode.
本発明によれば、メモリセルの出力側とビット線との間に逆方向に配置されたダイオード上に、導体膜を形成するか否かにより、メモリセルにデータを記憶させることができる。このため、各メモリセルは、同一の配線構造によりビット線に接続されているため、構造が微細化され層間絶縁膜が薄層化された場合であっても、寄生容量が不要に増大することがない。加えて、メモリセルに記憶させるデータに依存して寄生容量が変動することもないため、安定した高速動作が可能である。 According to the present invention, data can be stored in a memory cell depending on whether or not a conductor film is formed on a diode disposed in the opposite direction between the output side of the memory cell and the bit line. For this reason, since each memory cell is connected to the bit line by the same wiring structure, parasitic capacitance is unnecessarily increased even when the structure is miniaturized and the interlayer insulating film is thinned. There is no. In addition, since the parasitic capacitance does not vary depending on the data stored in the memory cell, stable high-speed operation is possible.
また、前記ダイオードは一般的なCMOSプロセスのゲート電極形成工程で形成可能であり、前記導体膜は、一般的なCMOSプロセスのゲート電極及びトランジスタのソース領域及びドレイン領域に金属シリサイド層を形成する工程で形成可能である。したがって、一般的なCMOSプロセスの製造工程に、新たな工程を付加することなく形成することができる。 The diode can be formed by a general CMOS process gate electrode forming step, and the conductive film is formed by forming a metal silicide layer on a gate electrode of a general CMOS process and a source region and a drain region of a transistor. Can be formed. Therefore, it can be formed without adding a new process to the manufacturing process of a general CMOS process.
さらに、書き込むデータの内容に応じたフォトマスクの変更は、導体膜を形成するための1つのマスク変更だけで良いため、製造コストが増大することもない。 Furthermore, since the change of the photomask according to the contents of the data to be written is only one mask change for forming the conductor film, the manufacturing cost does not increase.
以下、本発明を適用した半導体記憶装置を図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図1(a)は、本発明の一実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセル部の要部回路図である。また、図1(b)は、当該メモリセル部の概略断面図である。なお、本実施形態では、NチャネルトランジスタがN型シリコンからなるゲート電極を備えるとともに、PチャネルトランジスタがP型シリコンからなるゲート電極を備えたデュアルゲート構造を形成するCMOSプロセスにより形成される半導体記憶装置を説明する。 Hereinafter, a semiconductor memory device to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. Here, FIG. 1A is a principal circuit diagram of the memory cell portion of the semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the memory cell portion. In the present embodiment, the N-channel transistor includes a gate electrode made of N-type silicon and the P-channel transistor forms a dual gate structure having a gate electrode made of P-type silicon. The apparatus will be described.
図1(b)に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルは、従来と同様、半導体基板100に形成されたSTI等からなる素子分離領域1によって区画された素子領域20に、2個一対のメモリセルに共通のソース領域5と、それぞれのメモリセルを構成するトランジスタに対応するドレイン領域4(4a、4b)が形成された構造を有している。さらに、上記ソース領域5と2つのドレイン領域4a、4bの間に、ワード線WLkとなるゲート電極3(3a、3b)が形成されている。また、ゲート電極3の両側にはサイドウォール2が形成されている。なお、本実施形態では、メモリセルはNチャネル型トランジスタにより構成されている。
As shown in FIG. 1B, the memory cell of the semiconductor memory device according to the present embodiment has an
また、複数層(この場合3層)の絶縁膜6(6a、6b、6c)、金属配線8(8a、8b、8c)及びコンタクトプラグ9(9a、9b、9c)からなる配線構造も従来と同じである。 Also, a wiring structure comprising a plurality of layers (in this case, three layers) of insulating films 6 (6a, 6b, 6c), metal wirings 8 (8a, 8b, 8c) and contact plugs 9 (9a, 9b, 9c) is also conventional. The same.
さて、本発明では、メモリアレイを構成するトランジスタのドレイン領域4と最上層金属8c(以下、適宜ビット線8cという。)との接続構造が従来と異なっている。
In the present invention, the connection structure between the drain region 4 of the transistors constituting the memory array and the
すなわち、図1(a)及び図1(b)に示すように、上記構成に加えて、上記素子分離領域1上に、PN接合よりなるダイオード40(40a、40b)が形成され、各ダイオード40には絶縁膜でサイドウォール21が形成されている。上記ドレイン領域4aは最下層の層間絶縁膜6aを貫通するヴィアホール内に形成されたコンタクトプラグ71a、72aと、層間絶縁膜5aの上部配線81aを介してダイオード40aのアノード41(P型不純物拡散領域41)に接続される。同様に、上記ドレイン領域4bは層間絶縁膜5aを貫通するヴィアホール内に形成されたコンタクトプラグ71b、72bと、層間絶縁膜6aの上部配線81bを介してダイオード40bのアノード41(P型不純物拡散領域41)に接続される。
That is, as shown in FIG. 1A and FIG. 1B, in addition to the above-described configuration, a diode 40 (40a, 40b) made of a PN junction is formed on the
ビット線8cは複数層の層間絶縁膜6を介した最上層に配設されており、前記ダイオード40のカソード42(N型不純物拡散領域42)が、層間絶縁膜6を貫通するコンタクトプラグ7と層間金属配線8a、8bを介してビット線8cに接続された構成となっている。なお、ダイオード40は、ビット線に「High」の信号が印加された場合に、逆電圧が印加される状態に配置される。
The
さらに、ポリシリコンやアモルファスシリコン等にシリコン膜により構成されるゲート電極3の低抵抗化、並びに、ドレイン領域4及びソース領域5のコンタクト抵抗低減のため、本実施形態では、ゲート電極3、ドレイン領域4、及びソース領域5の上面に金属シリサイド層51が形成されている。加えて、金属シリサイド層51は、記憶されるプログラムに応じて、ダイオード40のアノード41とカソード42とに渡って選択的に形成される。これによって、メモリセルを構成する各トランジスタのドレイン領域4とビット線8cと接続するか否かが決定される。すなわち、ダイオード40上に金属シリサイド層51を形成したときは(この場合ダイオード40a)、上記アノード42とビット線8cが接続され、結果として、ドレイン領域4とビット線8cが接続されたことになる。一方、金属シリサイド層51を形成しないときは(この場合ダイオード40b)、たとえ、ビット線8cに「High」の信号が印加されても、当該ダイオード40には逆方向電圧が印加されたことになり、ドレイン領域4とビット線8cとが接続されない状態が形成されることになる。
Furthermore, in this embodiment, in order to reduce the resistance of the gate electrode 3 composed of a silicon film such as polysilicon or amorphous silicon, and to reduce the contact resistance of the drain region 4 and the
図2及び図3は、本実施形態に係る半導体記憶装置の製造工程を示す工程断面図である。 2 and 3 are process cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the semiconductor memory device according to the present embodiment.
図2(a)に示すように、まず、STI等により素子分離領域1が形成された半導体基板100の表面に、窒化シリコン(Si3N4)や酸化シリコン(SiO2)等からなるゲート絶縁膜101が形成される。その後、素子分離領域1に囲まれた素子領域20に、通常のCVD(Chemical Vapor Deposition)法により膜厚150〜300nmの不純物を含まない多結晶シリコン膜102が堆積される(図2(b))。次いで、多結晶シリコン膜102上にゲート電極3a、3b、並びにダイオード40a、40bに対応するレジストパターン103がフォトリソグラフィ等により形成された後、レジストパターン103をエッチングマスクとして多結晶シリコン膜102の異方性エッチングが行われ、ゲート電極3に対応するパターン113(以下、ゲート部113という。)、及びダイオード40に対応するパターン140(以下、ダイオード部140という。)が形成される(図2(b)→(c))。
As shown in FIG. 2A, first, gate insulation made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon oxide (SiO 2 ), or the like is formed on the surface of the
次いで、LP−CVD(Low Presser-CVD)法により、半導体基板100の全面に膜厚100〜200nmのシリコン酸化膜104が堆積され、この酸化膜104が異方性エッチング(エッチバック)されることにより、上記ゲート部113の側面にサイドウォール2が形成されるとともに、ダイオード部140の側面にサイドウォール21が刑しえされる(図2(d)→(e))。
Next, a
続いて、ダイオード40のP型不純物拡散領域41(以下、P層41という)に対応する部分を被覆するとともに、図示しないPチャネルMOSトランジスタの形成領域を被覆するレジストパターン105が形成され、当該レジストパターン105、上記サイドウォール2、及びゲート部113をマスクとして、砒素等のN型不純物イオンが3e15atoms/cm2程度のドーズ量でイオン注入される。これにより、ダイオード部140にN型不純物拡散領域42(以下、N層42という。)が形成されるとともに、NチャネルMOSトランジスタのドレイン領域4、及びソース領域5が形成される。このとき、ゲート部113にもN型の不純物が導入され、N型シリコンからなるゲート電極3が形成される(図2(f))。
Subsequently, a resist
次いで、半導体基板100上にP型不純物拡散領域を形成するため、Nチャネルトランジスタ形成領域、及びダイオード40のN層42を被覆するレジストパターン106が形成された後、当該レジストパターン106をマスクとして、ボロン等のP型不純物イオンが3e15程度atoms/cm2程度のドーズ量でイオン注入される。
Next, in order to form a P-type impurity diffusion region on the
以上の工程により、半導体基板100上には、Nチャネルトランジスタ、及びPチャネルトランジスタのそれぞれのソース5領域、ドレイン領域4、及びゲート電極3が形成されるとともに、PN接合を有するダイオード40が形成される(図3(a))。
Through the above process, the
次に、LP−CVD法により全面に膜厚30〜50nmのシリコン酸化膜を堆積し、この酸化膜に対してフォトリソグラフィ及びエッチングを行い、トランジスタ形成領域、並びに記憶すべきデータに依存して選択される所定のダイオード40のP層41、N層42の両方に跨る領域に開口を有する酸化膜パターン107が形成される。この後、Ti、W、Co、Ni等の高融点金属からなるシリサイド形成材料108が全面に堆積され後、熱処理を施して金属シリサイド層51を形成する(図3(b)→(c))。
Next, a silicon oxide film having a film thickness of 30 to 50 nm is deposited on the entire surface by LP-CVD, and photolithography and etching are performed on the oxide film, which is selected depending on the transistor formation region and data to be stored. An
上記ダイオード40上に金属シリサイド層51を形成する工程は、シリサイドを形成する半導体装置においては、必ず実施される工程であり、本発明で特別に追加された工程ではない。
The process of forming the
続いて、全面に通常のCVD法により最下層の層間絶縁膜6aとなるBPSG(Boro-Phospho-Silicate Glass)膜が1000〜2000nmの膜厚で堆積され、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法等による平坦化が行われる。そして、当該層間絶縁膜6a上にヴィアホール形成位置に開口を有するレジストパターンをエッチングマスクとした異方性エッチングによりヴィアホールが形成された後、CVD法により例えば200〜500nmのタングステンが半導体基板100の全面に堆積される。この後、ヴィアホール内に充填されたタングステン以外の不要なタングステンを、CMP法により除去することでタングステンからなるコンタクトプラグ7、71、72が形成される(図3(d))。
Subsequently, a BPSG (Boro-Phospho-Silicate Glass) film to be the lowermost
次に、スパッタ法により全面に例えば膜厚300〜500nmのAl、Cuを主成分とした金属膜が堆積される。このとき、金属膜の上層及び下層にはTiを主成分としたバリアメタルが具備されることは勿論である。次いで、フォトリソグラフィ及びエッチングにより上記金属膜のパターニングが行われ、最下層の金属配線8a及び81が形成される(図3(e))。このとき、素子分離領域1上のダイオード40のP層41と、メモリセルを構成するトランジスタのドレイン領域4とが接続される。ここで、上記したように、ダイオード40のP層41とN層42とが金属シリサイド層51で接続されている場合もあり、されていない場合もあることは勿論である。
Next, a metal film mainly composed of Al and Cu having a film thickness of 300 to 500 nm is deposited on the entire surface by sputtering. At this time, it goes without saying that the upper and lower layers of the metal film are provided with a barrier metal mainly composed of Ti. Next, the metal film is patterned by photolithography and etching to form the
次に、プラズマCVD法により全面に膜厚1000〜3000nmのシリコン酸化膜が堆積された後、CMP法による平坦化が行われ、第2層目の層間絶縁膜6bが形成される。この後、上記コンタクトプラグ7aを形成する手順と同様の手法により、層間絶縁膜6bにヴィアホール、及びタングステン等からなるコンタクトプラグ7bが形成され、さらに、第2層目の金属配線8bが形成される。
Next, after a silicon oxide film having a film thickness of 1000 to 3000 nm is deposited on the entire surface by plasma CVD, planarization by CMP is performed to form a second
同様に、最上層の層間絶縁膜6c、コンタクトプラグ7cが形成され、その上に最上層の金属配線8cが形成されることにより、図1(b)に示す構造を有する半導体記憶装置が完成する。
Similarly, the uppermost
これにより、ダイオード40のN層42とビット線8cとが接続される。ここで、ダイオード40上に、P層41とN層42とに跨って金属シリサイド層51が形成されている場合には、上記ドレイン領域4が直接ビット線8cと接続されたことになる。一方、上記金属シリサイド層51が形成されていない場合には、ダイオード40には、逆方向電圧が印加されるため、メモリセルとビット線8cとは切断された状態を形成することになる。したがって、金属シリサイド層51を形成しない場合は、当該メモリセルが選択された際に、ビット線8cが接地されることがない。
Thereby, the
以上説明したように、本発明によれば、メモリセルの出力側とビット線との間に逆方向に配置されたダイオード上に、導体膜を形成するか否かにより、メモリセルにデータを記憶させることができる。このため、各メモリセルは、同一の配線構造によりビット線に接続されているため、構造が微細化され層間絶縁膜が薄層化された場合であっても、寄生容量が不要に増大することがない。加えて、メモリセルに記憶させるデータに依存して寄生容量が変動することもないため、安定した高速動作が可能である。 As described above, according to the present invention, data is stored in the memory cell depending on whether or not a conductor film is formed on the diode disposed in the reverse direction between the output side of the memory cell and the bit line. Can be made. For this reason, since each memory cell is connected to the bit line by the same wiring structure, parasitic capacitance is unnecessarily increased even when the structure is miniaturized and the interlayer insulating film is thinned. There is no. In addition, since the parasitic capacitance does not vary depending on the data stored in the memory cell, stable high-speed operation is possible.
また、前記ダイオードは一般的なCMOSプロセスのゲート電極形成工程で形成可能であり、前記導体膜は、一般的なCMOSプロセスのゲート電極及びトランジスタのソース領域及びドレイン領域に金属シリサイド層を形成する工程で形成可能である。したがって、一般的なCMOSプロセスの製造工程に、新たな工程を付加することなく形成することができる。 The diode can be formed by a general CMOS process gate electrode forming step, and the conductive film is formed by forming a metal silicide layer on a gate electrode of a general CMOS process and a source region and a drain region of a transistor. Can be formed. Therefore, it can be formed without adding a new process to the manufacturing process of a general CMOS process.
さらに、書き込むデータの内容に応じたフォトマスクの変更は、導体膜を形成するための1つのマスク変更だけで良いため、製造コストが増大することもない。 Furthermore, since the change of the photomask according to the contents of the data to be written is only one mask change for forming the conductor film, the manufacturing cost does not increase.
なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。例えば、上記では、メモリセルをNチャネルトランジスタにより構成したが、Pチャネルトランジスタにより構成することも可能である。この場合、ダイオードは、ビット線に印加される電位により相対的に逆方向バイアスが印加される方向に形成される。また、構造を微細化した際の層間絶縁膜の薄層化による寄生容量の増大を抑制するという観点では、上記ダイオードは、PN接合ダイオードに限るものではなく、ショットキーバリアダイオードであってもよく、金属シリサイド膜に代えて、いかなる導体膜を使用してもよい。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and applications are possible within the scope of the effects of the present invention. For example, in the above description, the memory cell is configured by an N-channel transistor, but may be configured by a P-channel transistor. In this case, the diode is formed in a direction in which a reverse bias is applied relatively by a potential applied to the bit line. From the viewpoint of suppressing an increase in parasitic capacitance due to the thinning of the interlayer insulating film when the structure is miniaturized, the diode is not limited to a PN junction diode, and may be a Schottky barrier diode. Any conductive film may be used in place of the metal silicide film.
また、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、上記各工程に採用したプロセスは、他の等価なプロセスに置換することができる。 In addition, the processes employed in the above steps can be replaced with other equivalent processes without departing from the technical idea of the present invention.
1 素子分離領域(STI)
2 サイドウォール
3 ゲート電極
4 ドレイン領域
5 ソース領域
6 層間絶縁膜
7 コンタクトプラグ
8 金属配線
9 寄生容量
40 ダイオード
41 P層(P型多結晶シリコン)
42 N層(N型多結晶シリコン)
51 金属シリサイド層
BL0〜BLn ビット線
WL0〜WLn ワード線
SA0〜SAn センスアンプ回路
1 Device isolation region (STI)
2 Side wall 3 Gate electrode 4
42 N layer (N-type polycrystalline silicon)
51 Metal Silicide Layers BL0 to BLn Bit Lines WL0 to WLn Word Lines SA0 to SAn Sense Amplifier Circuit
Claims (8)
前記半導体基板上に、前記メモリセルの出力側と導出線との間に形成されたダイオードと、
前記ダイオードのカソードとアノードとを選択的に短絡する導電膜と、
を備えたことを特徴とする半導体記憶装置。 In a semiconductor memory device in which memory cells are formed in a matrix on a semiconductor substrate, and the output side of each memory cell and a lead-out line are selectively connected,
A diode formed on the semiconductor substrate between the output side of the memory cell and a lead-out line;
A conductive film that selectively short-circuits the cathode and anode of the diode;
A semiconductor memory device comprising:
半導体基板上に形成された絶縁膜上にシリコン膜を形成する工程と、
前記各メモリセルの出力側と前記導出線との間に、前記シリコン膜からなるダイオードを形成する工程と、
前記ダイオードに、当該ダイオードのカソードとアノードとを短絡する導電膜を選択的に形成する工程と、
を含む半導体記憶装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor memory device in which memory cells are formed in a matrix on a semiconductor substrate, and an output side of each memory cell and a lead-out line are selectively connected,
Forming a silicon film on an insulating film formed on a semiconductor substrate;
Forming a diode made of the silicon film between the output side of each memory cell and the lead-out line;
Selectively forming, on the diode, a conductive film that short-circuits the cathode and anode of the diode;
A method for manufacturing a semiconductor memory device.
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