JP2007129040A - Semiconductor device comprising dram and non-volatile memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、DRAMと不揮発性メモリとが、同一の半導体チップ上に混載されたものに関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a DRAM and a nonvolatile memory are mixedly mounted on the same semiconductor chip.
近年、半導体装置に対する高機能化および小型化の要求から、同一の半導体チップ上に、ロジック素子とメモリ素子とを混載する技術が開発されている。メモリ素子としては、DRAM、SRAM、及び種々の不揮発性メモリが知られている。ロジック素子とDRAMとを混載する技術は、例えば特許文献1に開示されている。 2. Description of the Related Art In recent years, a technology for mounting a logic element and a memory element on the same semiconductor chip has been developed in response to demands for higher functionality and miniaturization of semiconductor devices. As memory elements, DRAM, SRAM, and various nonvolatile memories are known. A technique for mounting a logic element and a DRAM together is disclosed in Patent Document 1, for example.
また、外部機器に対するファームウェアを格納したり、半導体装置の電源を切る際に演算途中のデータを退避したりするために、ロジック素子とDRAM素子に加えて、不揮発性メモリを同一半導体チップ上に混載する技術が期待されている。 In addition to logic elements and DRAM elements, non-volatile memory is embedded on the same semiconductor chip in order to store firmware for external devices and to save data during computation when the power of the semiconductor device is turned off. Technology to do is expected.
ここで、DRAMと不揮発性メモリとを混載する技術が、特許文献2や特許文献3に開示されている。 Here, Patent Document 2 and Patent Document 3 disclose a technique for mounting a DRAM and a nonvolatile memory together.
本発明者等は、上記の従来技術には、以下の課題があることを見出した。 The present inventors have found that the above-described conventional technology has the following problems.
特許文献2に開示された半導体装置では、フラッシュメモリのコントロールゲートとして機能するポリシリコン膜を形成する必要がある。フラッシュメモリのメモリセルトランジスタ以外のトランジスタ(例えばロジック回路を構成するトランジスタ)には、このポリシリコン膜は不要である。よって、このポリシリコン膜を形成する工程は、工程数を増加させる。工程数の増加は、製造コストの増加および歩留まりの低下を引き起こし、問題である。 In the semiconductor device disclosed in Patent Document 2, it is necessary to form a polysilicon film that functions as a control gate of a flash memory. This polysilicon film is not required for transistors other than the memory cell transistor of the flash memory (for example, a transistor constituting a logic circuit). Therefore, the process of forming this polysilicon film increases the number of processes. The increase in the number of processes is a problem because it causes an increase in manufacturing cost and a decrease in yield.
特許文献3に開示された半導体装置では、DRAM用の容量の容量絶縁膜と、EEPROMのコントロールゲートとフローティングゲートとを絶縁する絶縁膜(以下、不揮発性メモリのコントロールゲートとフローティングゲートとを絶縁する絶縁膜を、CG−FG間絶縁膜と呼ぶ)とが同時に形成されている。容量絶縁膜とCG−FG間絶縁膜とを同時に形成することにより、工程数の増加を防止しているのである。但し、容量絶縁膜とCG−FG間絶縁膜とを同時に形成するために、両絶縁膜の材質及び膜厚が同じになってしまう。 In the semiconductor device disclosed in Patent Document 3, a capacitance insulating film for a DRAM capacitor and an insulating film that insulates the control gate and floating gate of the EEPROM (hereinafter, the control gate and floating gate of the nonvolatile memory are insulated from each other). The insulating film is called a CG-FG insulating film) at the same time. By forming the capacitor insulating film and the CG-FG insulating film at the same time, an increase in the number of processes is prevented. However, since the capacitor insulating film and the CG-FG insulating film are formed at the same time, the material and film thickness of both insulating films are the same.
一般に、DRAMはリフレッシュを行なうので、容量に蓄積された電荷が容量絶縁膜を通して多少リークしても許容される。しかし、記憶ビットの読み出しを確実に行なうために、容量にできるだけ多くの電荷を蓄積することが望まれる。すなわち、DRAMの容量絶縁膜には、リークが多少あったとしても容量のキャパシタンスをできるだけ大きくすることが要求される。 Generally, since DRAM performs refreshing, even if the charge accumulated in the capacitor leaks somewhat through the capacitor insulating film, it is allowed. However, it is desirable to store as much charge as possible in the capacitor in order to reliably read out the stored bit. That is, the capacitance insulating film of the DRAM is required to increase the capacitance of the capacitance as much as possible even if there is some leakage.
一方、不揮発性メモリは、可能な限り長期間、フローティングゲートに蓄えられた電荷を保持する必要がある。すなわち、CG−FG間絶縁膜は、可能な限りリークが少ないことが要求される。 On the other hand, the nonvolatile memory needs to hold the charge stored in the floating gate for as long as possible. That is, the CG-FG insulating film is required to have as little leakage as possible.
しかし、特許文献3の技術では、上述のように容量絶縁膜とCG−FG間絶縁膜の材質および膜厚が同じになるので、容量絶縁膜を最適な材質および膜厚とすると、CG−FG間絶縁膜の要求を満たすことができない。逆もまた同じである。 However, in the technique of Patent Document 3, since the material and the film thickness of the capacitor insulating film and the CG-FG insulating film are the same as described above, if the capacitor insulating film is made of an optimal material and film thickness, CG-FG The requirements for the inter-layer insulating film cannot be satisfied. The reverse is also true.
本発明は、コントロールゲートに配線、フローティングゲートの一部にコンタクトを用いることを一つの特徴とする。さらに、CG−FG間絶縁膜が、容量絶縁膜と異なる層に形成されていることをもう一つの特徴とする。 One feature of the present invention is that a wiring is used for the control gate and a contact is used for a part of the floating gate. Furthermore, another feature is that the CG-FG insulating film is formed in a layer different from the capacitor insulating film.
コントロールゲートとしての配線や、フローティングゲートとしてのコンタクトは、他の配線やコンタクトと同時に形成することができる。よって、製造工程数が増加することが無い。 A wiring as a control gate and a contact as a floating gate can be formed simultaneously with other wirings and contacts. Therefore, the number of manufacturing processes does not increase.
さらに、CG−FG間絶縁膜が、容量絶縁膜と異なる層に形成されていることにより、それぞれの絶縁膜に最適な材質および膜厚を選択することができる。これにより、最大限、DRAMの容量のキャパシタンスを大きくすることができ、不揮発性メモリのフローティングゲートに蓄積された電荷がCG−FG間絶縁膜を通してリークすることを可能な限り防止することができる。 Furthermore, since the CG-FG insulating film is formed in a layer different from the capacitor insulating film, an optimum material and film thickness can be selected for each insulating film. As a result, the capacitance of the DRAM can be increased to the maximum, and the charge accumulated in the floating gate of the nonvolatile memory can be prevented from leaking through the CG-FG insulating film as much as possible.
例えば、本発明は、DRAMと不揮発性メモリとが同一の半導体基板上に混載された半導体装置であって、前記DRAMは、ビット線と、容量絶縁膜を有する容量と、を有し、前記不揮発性メモリは、トランジスタと、前記トランジスタのゲート電極に電気的に接続されたコンタクトと、配線と、前記容量絶縁膜とは異なる層に形成され、前記配線と前記コンタクトとを互いに絶縁する絶縁膜と、を有し、前記配線がコントロールゲートとして機能し、前記コンタクト及び前記ゲート電極とがフローティングゲートとして機能すること、を特徴とする半導体装置である。 For example, the present invention is a semiconductor device in which a DRAM and a nonvolatile memory are mixedly mounted on the same semiconductor substrate, and the DRAM includes a bit line and a capacitor having a capacitor insulating film, and the nonvolatile memory The memory includes a transistor, a contact electrically connected to the gate electrode of the transistor, a wiring, and an insulating film that is formed in a layer different from the capacitor insulating film and insulates the wiring and the contact from each other. In the semiconductor device, the wiring functions as a control gate, and the contact and the gate electrode function as a floating gate.
本発明によれば、製造工程数を増加させること無く、かつ、DRAM及び不揮発性メモリのそれぞれに求められる性能を発揮できる、DRAMと不揮発性メモリが混載された半導体装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device in which a DRAM and a non-volatile memory are mixedly mounted without increasing the number of manufacturing steps and exhibiting the performance required for each of the DRAM and the non-volatile memory.
本発明の半導体装置100の平面模式図を図1に示す。半導体装置100は、半導体基板1、および、同一の半導体基板1上に混載されたDRAM部101、不揮発性メモリ部102、およびロジック演算部103、を有する。又、半導体装置100と外部機器との間の信号の通信(SC1)を行なうためのI/O部104が、同一の半導体基板1上に設けられている。さらに、BIST(Built−In Self Test)回路105も、同一の半導体基板1上に設けられている。
A schematic plan view of a
DRAM部101は、メモリセルアレイ101aと周辺回路を含み。周辺回路は、さらに、Xデコーダ101b、Yデコーダ101c、センスアンプ101d等を含む。また、DRAM部101には、不良ビットが存在した場合に備えるための冗長ビットが用意されている。
不揮発性メモリ部102は、メモリセルアレイ102aと周辺回路を含み。周辺回路は、さらに、Xデコーダ102b、Yデコーダ102c、センスアンプ102d等を含む。
The
The
DRAM部101とロジック演算部103とは、データをやりとりする(SC2)。すなわち、ロジック演算部103で演算した結果をDRAM部101に転送して記憶したり、DRAM部101に記憶されているデータをロジック演算部103に取り込み演算したりする。
The
また、不揮発性メモリ部102には、予めプログラムやデータが記憶されている。ロジック演算部103は、不揮発性メモリ部102から、記憶されたプログラムを読み出し(SC3)、実行する。または、ロジック演算部103は、不揮発性メモリ102に記憶されたデータを読み出し、このデータの演算をしたり、このデータに基づいて様々な処理を行なったりする。
The
BIST回路105は、半導体装置100の電源が投入される際に、DRAM部101に不良ビットが存在するか否かを検査する。BIST回路105により検出された不良ビットの情報は、不揮発性メモリ部102に書き込まれる。DRAM部101へのアクセスを行なう際は、不揮発性メモリ部102に記憶された不良ビットの情報に基づいて、必要に応じて冗長ビットが選択される。
The
これにより、半導体装置100の出荷時にDRAM部101の不良ビットの検査を行った結果、冗長ビットによる置き換えが可能である場合には、ヒューズの切断等による物理的な冗長ビットへの置き換えを行なう必要がなくなり、出荷時の検査工程を削減することが可能となる。
As a result, if defective bits in the
BIST回路105による不良ビットの検査、及び不良ビット情報の不揮発性メモリ部102への書き込みを、半導体装置100に電源が投入される度に毎回行なえば、経時劣化により不良ビットが生じた場合でも、冗長ビットへの置き換えを確実に行うことが可能となる。
If the inspection of defective bits by the
I/O部104は、DRAM101部や不揮発性メモリ部102とデータをやり取りし(SC4)、ロジック部103ともデータのやり取りをする(SC5)。
The I /
本発明の第1の実施の形態の半導体装置100の製造方法を、図2乃至図5を用いて示す。図2乃至図5には、一つのDRAMメモリセル、および一つの不揮発性メモリセルのみを示しており、ロジック演算部103および周辺回路等、その他の部分は省略している。
A method for manufacturing the
図2を参照して、同一の半導体基板1上に、DRAM部101用のトランジスタTr1、及び、不揮発性メモリ部102用のトランジスタTr2を形成する。トランジスタTr1とTr2は、同一の工程で形成される。これは、不揮発性メモリ部102のトランジスタTr2の構造が特殊なものではなく、DRAM部101のトランジスタTr1と同様の構造であるからである。
With reference to FIG. 2, a transistor Tr <b> 1 for the
尚、トランジスタTr1、Tr2は、ロジック演算部103やその他の部分のトランジスタ(図示せず)と同様の構造を有しているため、半導体基板1上の全てのトランジスタを同一の工程で形成することができる。従って、DRAM部101やロジック演算部103に加えて、不揮発性メモリ部102を同一半導体基板上に混載する場合にも、工程数の増加を招くことがない。
Since the transistors Tr1 and Tr2 have the same structure as the
各々のトランジスタTr1,Tr2は、ソース・ドレイン領域SD1、SD2、ゲート絶縁膜GI1,GI2、ゲート電極GE1、GE2、サイドウォールSW1,SW2を有している。また、ソース・ドレイン領域SD1,SD2及びゲート電極GE1,GE2の表面はシリサイド層SL1,SL2が形成されている。シリサイド層SL1、SL2は、コバルトシリサイド、又はニッケルシリサイドである。また、トランジスタTr1、Tr2は、STI(Shallow Trench Isolation)等の素子分離領域により、隣接する回路と分離されている。 Each of the transistors Tr1 and Tr2 has source / drain regions SD1 and SD2, gate insulating films GI1 and GI2, gate electrodes GE1 and GE2, and sidewalls SW1 and SW2. Silicide layers SL1 and SL2 are formed on the surfaces of the source / drain regions SD1 and SD2 and the gate electrodes GE1 and GE2. The silicide layers SL1 and SL2 are cobalt silicide or nickel silicide. The transistors Tr1 and Tr2 are separated from adjacent circuits by an element isolation region such as STI (Shallow Trench Isolation).
次に、図3を参照して、半導体基板1上に、トランジスタTr1,Tr2を覆うように、層間絶縁膜20を形成する。そして、層間絶縁膜20中に、コンタクト310,311,320,321を形成する。
Next, referring to FIG. 3, an
コンタクト310,311,320,321は、タングステン(W)等の金属で形成する。コンタクト310,311は、DRAM部101のトランジスタTr1のソース・ドレイン領域SD1に接続する。コンタクト320は、不揮発性メモリ部102のトランジスタTr2のゲート電極GE2に接続する。コンタクト321は、不揮発性メモリ部102のトランジスタTr2のソース・ドレイン領域SD2に接続する。
The
次いで、層間絶縁膜20上に、絶縁層21を形成する。絶縁層21は、酸化膜や窒化膜で形成する。そして、DRAM部101の絶縁層21中に、ビットコンタクトBCを形成する。
Next, an insulating
次いで、絶縁膜21上に、配線40,41を形成する。配線40,41の形成は、次の手順で行なう。まず、絶縁膜21上にTiN膜及びW膜の積層膜50を形成する。次いで、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の積層膜51を形成する。次いで、フォトリソグラフィ技術により、積層膜50及び51を配線の形状にパターニングする。さらに、シリコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜をエッチバックして、サイドウォール52を形成する。以上の工程により、配線40,41を得る。
Next, wirings 40 and 41 are formed on the insulating
配線40は、DRAMセルのビット線として機能する。ビット線40は、コンタクト310の上に形成される。ビット線40とコンタクト310とは、ビットコンタクトBCをと介して電気的に接続している。従って、ビット線40は、ビットコンタクトBCとコンタクト310とを介して、ソース・ドレイン領域SD1に電気的に接続している。
The
一方、配線41はコンタクト320の上に形成される。配線41とコンタクト320との間にはビットコンタクトは形成しない。すなわち、絶縁層21は、配線41とコンタクト320とを電気的に絶縁する。
On the other hand, the
最終的に、配線41が不揮発性メモリのコントロールゲートとして機能し、コンタクト320とゲート電極GE2とがフローティングゲートとして機能する。そして、絶縁層21がCG−FG間絶縁膜となる。絶縁膜21は、後述の容量絶縁膜と独立に形成されるので、CG−FG間絶縁膜に最適な材質、膜厚とすることが可能となる。
Finally, the
ビット線40とコントロールゲートとして機能する配線41とは同時に形成される。従って、コントロールゲートを形成するための追加の工程が必要なく、工程数の増加を招くことが無い。また、絶縁膜21は、CG−FG間絶縁膜に専用の膜ではなく、その内部にビットコンタクトを形成するための膜を兼ねている。よって、CG−FG間絶縁膜を設けるための追加の工程が必要なく、工程数の増加を招くことが無い。
The
次いで、図4を参照して、ビット線40及び配線41を覆うように、絶縁膜21上に層間絶縁膜22を形成する。そして、層間絶縁膜22中に、コンタクト311,321に接続するように、それぞれコンタクト312,322を形成する。コンタクト312,322は、タングステン(W)等の金属で形成する。
Next, referring to FIG. 4,
次いで、図5を参照して、層間絶縁膜22上に、絶縁層23及び層間絶縁膜24を形成する。そして、DRAM部101において、層間絶縁膜24中に、容量6を形成する。容量6は、下部電極60、容量絶縁膜61、及び上部電極62を有する。下部電極60は、窒化チタン(TiN)等の金属からなる。層間絶縁膜61は、ZrO2、TaO5、HfO2等の材料から選択される。上部電極62は、タングステン(W)等の金属からなる。
Next, referring to FIG. 5, an insulating
本実施の形態においては、不揮発性メモリのCG−FG間絶縁膜である絶縁膜21と独立に容量絶縁膜61を形成する。よって、DRAM容量の容量絶縁膜61に最適な材質・膜厚とすることが可能となる。
In the present embodiment, the
次いで、層間絶縁膜24上に層間絶縁膜25を形成し、コンタクト323及び配線42を形成し、半導体装置100とする。
Next, an
本実施の形態における半導体装置100は、コンタクト320とゲート電極GE2とからなるフローティングゲートに電荷を注入することにより、不揮発の記憶を行なう。例えば、電荷は、ゲート絶縁膜GI2を介して、トランジスタTr2のチャネルからフローティングゲートに注入される。あるいは、電荷は、CG−FG間絶縁膜21を介して、配線41からフローティングゲートに注入されてもよい。すなわち、配線41がプログラミングゲートとして機能するようにしてもよい。
The
また、第1の実施の形態のその他の実施例を、図6に示す。本実施例の半導体装置100にはビット線40とコンタクト310の間にビットコンタクトを設けない。コントロールゲートである配線41と、フローティングゲートであるコンタクト320は、層間絶縁膜20と層間絶縁膜22との間のストッパ膜26により絶縁されている。すなわち、ストッパ膜26がCG−FG間絶縁膜を兼ねている。
Another example of the first embodiment is shown in FIG. In the
本発明の第2の実施の形態の半導体装置100の製造方法を、図7乃至図9を用いて示す。
A method for manufacturing the
本実施の形態の半導体装置100は、絶縁膜21およびビットコンタクトBCの形成までは、第1の実施の形態と同じ工程で製造される。
The
次いで、図7を参照して、絶縁膜21上に配線40,41を形成する。ここで、本実施の形態は、不揮発性メモリ部102の配線41が、コンタクト320の直上ではなく、やや側方にずれた位置に形成する点で第1の実施の形態と異なる。
Next, referring to FIG. 7, wirings 40 and 41 are formed on the insulating
次いで、図8を参照して、配線40,41を覆うようにして、絶縁膜21上に層間絶縁膜22を形成する。そして、層間絶縁膜22中に、コンタクト312,322,324を形成する。コンタクト312,322,324は、それぞれ、コンタクト311,321,320に接続している。そして、コンタクト324は、配線41の側面に形成されたサイドウォール52に接している。すなわち、サイドウォール52が、配線41とコンタクト324とを互いに絶縁している。
Next, referring to FIG. 8, an
最終的に、配線41が不揮発性メモリのコントロールゲートとして機能し、コンタクト320,324とゲート電極GE2とがフローティングゲートとして機能する。そして、サイドウォール52がCG−FG間絶縁膜となる。
Finally, the
尚、図8に示すように、DRAM部101のビット線40の側面にもサイドウォール52が形成されている。これは、ビット線40と周囲のコンタクトとを確実に絶縁するために設けられているものである。すなわち、不揮発性メモリ部102の配線41の側面に形成するサイドウォール52は、ビット線40のサイドウォール52と同時に形成される。よって、CG−FG間絶縁膜を形成するための追加の工程は必要ない。よって、製造工程数は増加しない。
As shown in FIG. 8, sidewalls 52 are also formed on the side surfaces of the bit lines 40 of the
本発明においては、サイドウォール52は、DRAMの容量絶縁膜と独立に形成される。よって、サイドウォールをCG−FG間絶縁膜に最適な材質・膜厚とすることが可能となる。また、本実施の形態においては、コンタクト324の位置によって、CG−FG間絶縁膜の厚みを制御することが可能であるという利点がある。すなわち、CG−FG間絶縁膜の膜厚を薄くしたい場合には、コンタクト324の位置を配線41に近づければよい。
In the present invention, the
次いで、図9を参照して、絶縁膜23、層間絶縁膜24の形成、容量6の形成、層間絶縁膜25の形成、コンタクト323、配線42の形成を行い、本実施の形態にかかる半導体装置100を得ることができる。
Next, referring to FIG. 9, the insulating
1 半導体基板
20,22,24,25 層間絶縁膜
21,23 絶縁膜
310,311,312,320,321,322,323,324 コンタクト
40 ビット線
41 配線
50,51,52 サイドウォール
6 DRAM容量
Tr1,Tr2 トランジスタ
Claims (10)
前記DRAMは、
ビット線と、
容量絶縁膜を有する容量と、
を有し、
前記不揮発性メモリは、
トランジスタと、
配線と、
前記トランジスタのゲート電極に電気的に接続されたコンタクトと、
前記配線と前記コンタクトとを互いに絶縁する絶縁膜と、
を有し、
前記配線がコントロールゲートとして機能し、前記コンタクト及び前記ゲート電極とがフローティングゲートとして機能すること、
を特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a DRAM and a nonvolatile memory are mixedly mounted on the same semiconductor substrate,
The DRAM is
Bit lines,
A capacitor having a capacitive insulating film;
Have
The nonvolatile memory is
A transistor,
Wiring and
A contact electrically connected to the gate electrode of the transistor;
An insulating film that insulates the wiring and the contact from each other;
Have
The wiring functions as a control gate, and the contact and the gate electrode function as a floating gate;
A semiconductor device characterized by the above.
前記容量を構成する下部電極と、
前記下部電極に電気的に接続した容量コンタクトと、
を有し、
前記コンタクトと前記容量コンタクトとが同じレベルの配線層内に形成されていること、
を特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The DRAM is
A lower electrode constituting the capacitor;
A capacitive contact electrically connected to the lower electrode;
Have
The contact and the capacitor contact are formed in the same level wiring layer;
The semiconductor device according to claim 3.
前記配線が第2絶縁膜内に形成され、
前記第1層間絶縁膜と前記第2層間絶縁膜とが前記絶縁膜を介して隣接していること、
を特徴とする請求項5に記載の半導体装置。 The contact is formed in the first interlayer insulating film;
The wiring is formed in the second insulating film;
The first interlayer insulating film and the second interlayer insulating film are adjacent to each other via the insulating film;
The semiconductor device according to claim 5.
前記不揮発性メモリは前記BISTが検出した不良の情報を記憶すること、
を特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一に記載の半導体装置。 A BIST circuit for detecting a failure of the DRAM;
The non-volatile memory stores information on defects detected by the BIST;
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
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