JP2007194267A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】セル面積を縮小してもデータ保持特性の優れた半導体記憶装置を提供することである。
【解決手段】本発明の1態様による半導体装置は、半導体基板中に設けられたソース、ドレイン及びチャネル領域と、該チャネル領域の半導体基板表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを含むトランジスタと、前記チャネル領域に接続されたキャパシタと、前記ゲート電極に電気的に接続された第1の配線と、前記ドレインに電気的に接続された第2の配線とを具備する。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体記憶装置に係り、特に、トレンチキャパシタを有する半導体記憶装置に関する。
半導体記憶装置では、メモリセルのアレイトランジスタのゲート電極及びアクティブエリア、例えば、ソース、ドレイン、チャネル領域、を半導体基板の表面に平面的に形成してきている。DRAM(dynamic random access memory)では、1つのメモリセルのサイズは、例えば、8F又は6Fが主流である。ここで、Fは、リソグラフィ技術の最小加工寸法である。したがって、半導体記憶装置は、最小加工寸法をシュリンクさせることにより、セルサイズの微細化、チップサイズの微細化を進めてきている。
しかし、加工寸法のシュリンクに伴いトランジスタのゲート長も短くなるために、アレイトランジスタのカットオフ特性の劣化が生じる。
半導体記憶装置を高密度化するために、垂直トランジスタを用いたメモリセル構造が、特許文献1に開示されている。この構造では、半導体基板に形成した深いトレンチの底部にn型ポリシリコンを有する記憶キャパシタを形成し、その上部のトレンチ内に垂直トランジスタのゲート電極を設ける。垂直トランジスタのソース、ドレイン及びチャネル領域は、ゲート電極に面するトレンチの1側面の半導体基板中に垂直方向に並べて設けられる。これにより、メモリセルのサイズを6Fに縮小している。しかしながら、このようなメモリセルは、深いトレンチを形成することが必要であるというプロセス上の問題がある。これに加えて、さらに微細化を進めると、チャネル領域内にホールが蓄積されトランジスタの動作が不安定になるという問題もある。
チャネル領域に蓄積されたホールを積極的に利用する別の構造のメモリセルに、フローティングボディセル(FBC:Floating Body Cell)がある。(例えば、特許文献2参照)FBCメモリは、チャネル領域にホールが蓄積されるとnチャネルトランジスタの閾値電圧が低下することを利用した、キャパシタを用いないメモリセルである。このメモリセルは、SOI(Silicon on Insulator)基板を使用した半導体記憶装置で主に使用されている。SOI半導体記憶装置では、チャネル領域(ボディ部)が絶縁膜上に形成されるため、必然的にフローティングなる。FBCでは、ホールを蓄積するチャネル領域の面積は制限があるため、蓄積容量を大ききすることができない。
特開2002−26147公報 特開2004−335031公報
本発明は、セル面積を縮小してもデータ保持特性の優れた半導体記憶装置を提供する。
本発明の1態様による半導体装置は、半導体基板中に設けられたソース、ドレイン及びチャネル領域と、該チャネル領域の半導体基板表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを含むトランジスタと、前記チャネル領域に接続されたキャパシタと、前記ゲート電極に電気的に接続された第1の配線と、前記ドレインに電気的に接続された第2の配線とを具備する。
本発明の他の1態様による半導体装置は、半導体基板に設けられた複数のトレンチと、前記トレンチに挟まれた柱状半導体基板領域に深さ方向に設けられたドレイン、チャネル領域及びソースと、該柱状半導体基板領域の該チャネル領域の一方の側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを含むトランジスタと、前記チャネル領域に接続され、前記柱状半導体基板領域の他方の側面に設けられたキャパシタと、前記ゲート電極に電気的に接続された第1の配線と、前記ドレインに電気的に接続された第2の配線とを具備する。
本発明により、セル面積を縮小してもデータ保持特性の優れた半導体記憶装置が提供される。
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、一貫して対応する部分は、対応する参照符号で示している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。
本発明の1実施形態による半導体記憶装置は、トレンチの1側面を利用した垂直トランジスタと、垂直トランジスタのチャネル領域に接続されたキャパシタと、を具備するフローティングボディセル(FBC:Floating Body Cell)型のDRAMである。従来技術のDRAMキャパシタは、ソースに接続されており、本実施形態は、新規なDRAMメモリセル構造を提供する。さらに、本実施形態では、キャパシタは、正電荷すなわちホールを蓄積するため、p型半導体を使用する。この点でも、n型半導体を使用し、負電荷すなわちエレクトロンを蓄積する従来技術のDRAMキャパシタとは異なる。以下に、本実施形態の半導体記憶装置を、図1及び図2を参照して説明する。
図1は、本実施形態の半導体記憶装置100の平面レイアウトの一例を説明するために示す図である。図1には、4個のメモリセルが示されており、1つのユニットセルの大きさは、縦、横がそれぞれ2Fであり、面積は、4Fである。ここで、Fは、リソグラフィ技術の最小加工寸法である。このメモリセルでは、図1の縦方向に延びるワード線(WL)と横方向に延びるビット線(BL)との交点にトレンチキャパシタ(DT)を配置している。トレンチキャパシタ(DT)は、トレンチの底部に形成され、その上方に垂直トランジスタのゲート電極(GC)が形成される。このゲート電極(GC)は、トレンチ内部のワード線(WL)の下方の位置に配置される。したがって、ワード線(WL)の幅のほぼ半分がトレンチキャパシタ(DT)と重なる。ビット線(BL)に接続するビット線コンタクト(CB)は、2つのユニットセル領域にまたがって形成され、その面積のほぼ半分がトレンチキャパシタ(DT)と重なるように形成される。このように、各構成要素の平面的な重なりを大きくすることによって、セルの平面上の面積を縮小して、4Fのユニットセル面積を実現している。
図2は、図1に切断線A−Aで示した、ビット線(BL)に沿って切断した本実施形態の半導体記憶装置100の断面の一例を説明するために示す図である。
半導体基板10に2つのトレンチ20a,20bが形成される。トレンチの底部に、p型ポリシリコン32、36を埋め込んでトレンチキャパシタ(DT)が形成される。トレンチキャパシタ(DT)は、従来技術のキャパシタほど蓄積容量を大きくする必要がないため、浅いトレンチで充分に機能する。トレンチキャパシタ(DT)の上方に絶縁膜44を介して隣接するアレイトランジスタのゲート電極(GC)52,58が形成される。ゲート電極(GC)の上部に金属、例えば、タングステン(W)60をポリシリコン58上に重ねた構造の、ワード線(WL)が形成される。
2つのトレンチ20a,20bに挟まれた柱状のp型半導体基板10のほぼ上半分にアレイトランジスタのソース(WB)56、チャネル領域(CR)及びドレイン(DR)68が形成される。ソース(WB)は、半導体基板の表面から少し深い位置にn型拡散層を埋め込んで埋め込みソース(WB)として形成される。埋め込みソース(WB)の上方がp型のチャネル領域(CR)であり、半導体基板の表面の一部にn型拡散層によりドレイン(DR)が形成される。チャネル領域(CR)は、トレンチの底部に形成されたトレンチキャパシタ(DT)に接続されるが、電位を制御するための配線には接続されず、フローティングである。このようにアレイトランジスタを、トレンチ20の側壁を利用した垂直トランジスタとして形成することにより、セル面積を縮小している。同時に、表面の加工寸法とは独立にゲート長を設計できるようにしている。ワード線(WL)方向の隣接するメモリセル間の領域、すなわち、図1にSTIで示した領域には、図2に示した破線T−Tより上の部分に素子分離(STI)が形成される。したがって、ソース(WB)は、上半分が素子分離により分離されるが、下半分はワード線(WL)方向に接続され、セル内で共通ソース線(WB)として機能する。
上記に説明したように、メモリセルの各構成要素の重なりを大きくすることによって、セルの平面上の面積を縮小して、4Fを実現している。
本実施形態の半導体記憶装置の動作原理の一例を図3を参照して説明する。本実施形態のメモリセルは、SOI基板を使用したFBCのように、ソース−ドレイン間を流れる電流によるインパクトイオン化により生じたホールをトレンチキャパシタ(DT)に蓄積する。蓄積されたホールの量が大きくなると、図3(a)に実線で示したようにnチャネルトランジスタの閾値電圧が低下することを利用して、メモリセルの情報を検出する。
本実施形態のキャパシタを有するFBC型DRAMセルは、SOI基板を使用したものよりもホールの蓄積容量を大きくできるため、メモリセルトランジスタの閾値電圧の変化量を大きくでき、メモリセルの動作を安定化させることができる。さらに、キャパシタにエレクトロンを蓄積してその電荷量によりメモリセルの情報を判断している従来型のキャパシタより蓄積容量が少なくても、安定したメモリ動作が可能である。その結果、従来型のような深いトレンチを形成する必要がなく、トレンチの加工が容易になる。
本実施形態の半導体記憶装置100の動作の一例を、下記に説明する。このメモリセルでは、トレンチキャパシタにホールが蓄積された状態が“1”であり、ホールが消去された状態が“0”である。ここで、ビット線電圧(=ドレイン電圧)をVbl、ソース電圧をVs、ゲート電圧をVg、基板電圧をVsubで表す。
データ“1”の書き込みは、例えば、Vbl=2.3V、Vs=0V、Vg=1.5V、Vsub=0Vに設定して行う。この条件下では、ソース−ドレイン間を流れる電流Idが大きくなり、図3(b)に示したように、ドレイン端近傍でインパクトイオン化が生じる。この結果生じたホールが、トレンチキャパシタに蓄積され、データ“1”が書き込まれる。なお、Vsubは、ソースに対して順バイアスにならないように設定すれば、0Vでなくてもよい。
データ“0”の書き込みは、例えば、Vbl=−1.5V、Vs=0V、Vg=1.5V、Vsub=0Vに設定して行う。この条件下では、チャネル領域とドレインとのpn接合が順バイアスになり、図3(c)に示したように、トレンチキャパシタに蓄積されているホールがドレインを通ってビット線に流れ出す。その結果、トレンチキャパシタのホールが消去されたデータ“0”が書き込まれる。
前記の書き込み後、例えば、Vg=−1.5Vにし、Vbl=0V、Vs=0V、Vsub=0Vに設定することにより、データを保持できる。
データの読み出しは、インパクトイオン化が生じないような小さなIdが流れる条件に設定し、Idの大きさを検出することによりデータが“1”であるか“0”であるかを判断する。読み出しの条件は、例えば、Vbl=0.2V、Vs=0V、Vg=1.5V、Vsub=0Vである。図3(a)に示したように、検出されたIdが大きければ、データは“1”であり、Idが小さければ“0”である。
次に、本実施形態による半導体記憶装置100の製造工程の一例を図4から図5に示した工程断面図を参照して説明する。図面には、代表的な工程断面図のみを示してあり、本明細書の記載では、図に示される部分のみに参照符号を付けて説明している。
図4(a)は、半導体基板10に形成したトレンチ20の底部にトレンチキャパシタ(DT)になるp型の第1のポリシリコン32を埋め込んだ図である。ここまでの工程は、従来技術による工程とほぼ同じであるため、簡単に説明する。
まず、半導体基板10、例えば、シリコン基板10の表面全面に第1のシリコン窒化膜(Si膜)12を、例えば、CVD(chemical vapor deposition)により堆積する。この第1のSi膜12にキャパシタ用のトレンチのパターンをリソグラフィ及びエッチングにより形成する。第1のSi膜12をマスクとして異方性ドライエッチング(RIE:reactive ion etching)によりシリコン基板10に所望の深さのトレンチ20を形成する。
さらに、トレンチ20の内側を含む全面に薄い第1の非晶質シリコン膜(a−Si膜)、第1の酸化膜(SiO膜)及び第2のSi膜を例えば、CVDにより堆積する。トレンチ20の下部にだけレジストを形成してトレンチ20の上部の第2のSi膜を露出させる。基板10の表面及び露出したトレンチ20の上部の第2のSi膜をエッチングして選択的に除去する。そして、トレンチ20内部のレジストを除去する。トレンチ20下部の第2のSi膜をマスクとしてLOCOS(local oxidation of silicon)酸化を行い、第1のa−Si膜及びシリコン基板10をLOCOS酸化して、トレンチ20上部及び第1のSi膜12上にカラー酸化膜28を形成する。その後LOCOS酸化のマスクとして使用した第2のSi膜を除去して、シリコン基板10を露出させる。ここで、必要であればトレンチ20の下部のシリコン基板10を等方性エッチングによりエッチングして、トレンチの下部を上部よりも太くすることができる。
トレンチ20下部のシリコン基板10に拡散層(図示せず)を、例えば、ガスドーピングにより形成する。拡散層は、トレンチ20の内部に形成するトレンチキャパシタ(DT)の電極として作用する。ドープする不純物は、p型又はn型不純物のいずれでもよい。
その後、表面のカラー酸化膜28をRIEにより除去し、トレンチ20内壁を含む全面にキャパシタ誘電体膜30、例えば、Si膜を、例えば、CVDにより堆積する。そして、トレンチ20内部をp型の第1のポリシリコン32で埋め、カラー酸化膜28のほぼ中央の位置の高さまで第1のポリシリコン32をエッチバックする。このようにして、図4(a)に示した構造を形成できる。
次に、第1のポリシリコン32より上方のトレンチ20内壁のキャパシタ誘電体膜30及びカラー酸化膜28を除去して、トレンチ20の側壁上部のシリコン基板10を露出させる。全面に界面膜(図示せず)、例えば、ごく薄いSiO膜又はSi膜を形成し、p型の第2のポリシリコン36を、例えば、CVDにより堆積する。なお、この界面膜を形成しないで、第2のポリシリコン36を堆積することもできる。第2のポリシリコン36をエッチバックしてトレンチ20内の第1のポリシリコン32上にトレンチ20の側壁に接するように第2のポリシリコン36を残す。
全面に第3のSi膜38及び第2のa−Si膜を、例えば、CVDにより堆積する。BFイオンを一方向から角度を付けて斜めにイオン注入を行い、トレンチ20の片側の側面及び底面のほぼ半分の面積にBFイオンをドープする。BFが注入されていない第2のa−Si膜だけを、アルカリ系のウェットエッチング、例えば、コリンにより除去し、BFを注入した片側の側面及び底面の一部にだけ第2のa−Si膜を残す。
残された第2のa−Si膜を熱酸化して、第2のSiO膜42を形成する。第2のSiO膜42をマスクとしてトレンチ20底面に露出した第3のSi膜38及び第2のポリシリコン36をRIEにより除去する。このようにして図4(b)に示した構造を形成できる。
次に、マスクに使用した第2のSiO膜42及び第3のSi膜38を除去し、全面に第3のSiO膜44、第4のSi膜、及び第3のa−Si膜を、例えば、CVDにより堆積する。前記のイオン注入と同様に、第3のa−Si膜の前記と同じ方向のトレンチの片側の側面及び底面全体にBFを注入するために、斜めの一方向及び上方向からイオン注入を行う。BFが注入されなかった一方のトレンチ側面の第3のa−Si膜をウェットエッチングより除去する。
残された第3のa−Si膜をマスクとして前記の側面に露出した第4のSi膜を除去して第3のSiO膜44を露出させる。次に、残りの第3のa−Si膜を除去してその下の第4のSi膜を露出させる。この第4のSi膜をマスクとして前記の一方のトレンチ側面の第3のSiO膜44を除去して側面のシリコン基板10を露出させる。
露出されたトレンチ20の側面のシリコン基板10に、ゲート酸化膜50を、例えば、熱酸化により形成する。そして、トレンチ20内を埋めるようにゲート電極(GC)になるn型又はドープしない第3のポリシリコン52を堆積し、シリコン基板10表面の第1のSi膜12の厚さの中央付近まで第3のポリシリコン52をエッチバックする。このようにして、図5(a)に示した構造を形成できる。
次に、紙面に垂直な方向の隣接するメモリセルを分離するために素子分離用の溝をリソグラフィ及びエッチングにより形成する。素子分離(STI)は、図1にSTIで示したように、ビット線と平行な方向に形成する。素子分離溝の深さは、トレンチキャパシタ(DT)の第1のポリシリコン32の上面がわずかにエッチングされる程度の深さ、すなわち、図5(b)に破線T−Tで示した深さとすることができる。素子分離溝を埋めるように、全面に素子分離絶縁膜、例えば、CVD−SiO膜を堆積し、表面を、例えば、CMPにより第1のSi膜12をストッパとして平坦化する。この素子分離により、紙面に垂直な方向の隣接するメモリセルが分離される。
素子分離SiO膜をエッチバックして第3のポリシリコン52表面を露出させる。全面を平坦になるように表面に突き出している第1のSi膜12をその厚さの半分程度エッチングする。
その後、n型不純物、例えば、リン(P)を高エネルギーでイオン注入して、素子分離の底面よりも一部が深くなるようにシリコン基板10にソース56を形成する。ソース拡散層56は、素子分離の下にも形成されてセル内の共通ソース線(WB)になる。
全面にゲート電極(GC)の一部になる第4のポリシリコン58を、例えば、CVDで堆積し、その上にタングステン(W)60を、例えば、スパッタリングにより堆積する。さらに、第5のSi膜62を全面に堆積する。第5のSi膜62にゲート電極(GC)のパターンをリソグラフィ及びエッチングにより形成する。第5のSi膜62をマスとして、タングステン60及び第4のポリシリコン58をエッチングしてゲート電極(GC)を形成する。ゲート電極(GC)は、ゲート酸化膜50を形成したトレンチの側面を覆って形成される。トレンチ20間のシリコン基板10上では、第1のSi膜12のほぼ半分の領域が露出し、トレンチ内では、第2のポリシリコン36上の第3のSiO膜44が露出する。
ゲート電極(GC)の側面を覆うように全面に側壁SiO膜64及び第6のSi膜66を、例えば、CVDにより堆積する。平面部分に形成された第6のSi膜66をRIEによりエッチングして、ゲート電極(GC)の側壁にスペーサ66を形成する。
ゲート電極(GC)をマスクとしてシリコン基板10の表面にn型不純物、例えば、ヒ素(As)をイオン注入して、ドレイン68を形成する。このようにして、図5(b)に示した構造を形成できる。
次に、ゲート電極(GC)とトレンチの側壁との間の隙間を埋めるように、第5のSiO膜70を、例えば、CVDにより堆積して、表面を、例えば、CMPにより平坦化する。ビット線コンタクトを形成する領域の第5のSiO膜70をリソグラフィ及びエッチングにより除去して、ドレイン68上の第1のSi膜12を露出させる。露出した第1のSi膜12を除去してドレイン68を露出させた後、全面に第5のポリシリコン72を、例えば、CVDにより堆積して、ゲート電極(GC)間の溝を埋める。第5のポリシリコン72の表面を、例えば、CMPにより平坦化して、さらに、第5のSi膜62がわずかに突き出すように第5のポリシリコン72を後退させる、すなわち、リセスする。
全面に厚い第6のSiO膜74を、例えば、CVDにより堆積して、表面を、例えば、CMPにより平坦化する。第6のSiO膜74中に第5のポリシリコン72に達するビット線コンタクトホールをリソグラフィ及びエッチングにより形成する。コンタクトホールを電極用金属、例えば、タングステン(W)で埋めてコンタクト電極76(CB)を形成する。さらに、全面に配線用金属、例えば、タングステン(W)を堆積し、リソグラフィ及びエッチングによりビット線78(BL)を形成する。このようにして、図2に示した、構造を形成できる。
その後、多層配線の形成等の半導体装置に必要な工程を行って、本実施形態の半導体記憶装置100を完成する。
前述のように、本発明により、セル面積を4Fに縮小することが可能であり、データ保持特性に優れた半導体記憶装置を提供することができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、種々の変形を行って実施することができる。それゆえ、本発明は、ここに開示された実施形態に制限することを意図したものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の実施形態にも適用でき、広い範囲に適用されるものである。
図1は、本実施形態の半導体記憶装置100の平面レイアウトの一例を説明するために示す図である。 図2は、図1に切断線A−Aで示した、ビット線(BL)に沿って切断した本実施形態の半導体記憶装置100の断面の一例を説明するために示す図である。 図3(a),(b),(c)は、本実施形態の半導体記憶装置の動作原理の一例を説明するために示す図である。 図4(a),(b)は、本実施形態による半導体記憶装置の製造工程の一例を説明するために示す工程断面図である。 図5(a),(b)は、図4(b)に続く半導体記憶装置の製造工程の一例を説明するために示す工程断面図である。
符号の説明
10…半導体(シリコン)基板,12…第1のSi膜,20…トレンチ,28…カラーSiO膜,30…キャパシタ誘電体膜,32…第1のポリシリコン,36…第2のポリシリコン,38…第3のSi膜,42…第2のSiO膜,44…第3のSiO膜,46…第4のSi膜,50…ゲート酸化膜,52…第3のポリシリコン,56…ソース,58…第4のポリシリコン,60…タングステン,62…第5のSi膜,64…側壁SiO膜,66…第6のSi膜,68…ドレイン,70…第5のSiO膜,72…第5のポリシリコン,74…第6のSiO膜,76…コンタクト電極,78…ビット線。

Claims (5)

  1. 半導体基板中に設けられたソース、ドレイン及びチャネル領域と、該チャネル領域の半導体基板表面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを含むトランジスタと、
    前記チャネル領域に接続されたキャパシタと、
    前記ゲート電極に電気的に接続された第1の配線と、
    前記ドレインに電気的に接続された第2の配線と
    を具備することを特徴とする、半導体記憶装置。
  2. 半導体基板に設けられた複数のトレンチと、
    前記トレンチに挟まれた柱状半導体基板領域に深さ方向に設けられたドレイン、チャネル領域及びソースと、該柱状半導体基板領域の該チャネル領域の一方の側面にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極とを含むトランジスタと、
    前記チャネル領域に接続され、前記柱状半導体基板領域の他方の側面に設けられたキャパシタと、
    前記ゲート電極に電気的に接続された第1の配線と、
    前記ドレインに電気的に接続された第2の配線と
    を具備することを特徴とする、半導体記憶装置。
  3. 前記キャパシタは、p型半導体により構成され、前記ソース及びドレインは、n型半導体により構成されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。
  4. 前記チャネル領域及びキャパシタは、フローティングであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記半導体基板内で複数のソースに共通に接続された共通ソース線をさらに具備することを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体記憶装置。
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