JP2009277695A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、たとえばメモリセルの数が増大し、ワード線の長さが長くなったとしても、動作速度の高速化を図ることができる、半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る半導体記憶装置は、SRAMセル101とワード線ドライバー102とを備えている。さらに、SRAMセル101において、第一のコンタクト45,46を介して、アクセストランジスタQ5,Q6の第一のボディー領域およびドライバートランジスタの第二のボディー領域と、アクセストランジスタQ5,Q6のゲート電極とを電気的に接続する。さらに、第二のコンタクト148,180を介して、PMOSトランジスタQ51の第三のボディー領域と、PMOSトランジスタQ51のゲート電極とを電気的に接続する。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明に係る半導体記憶装置は、SRAMセル101とワード線ドライバー102とを備えている。さらに、SRAMセル101において、第一のコンタクト45,46を介して、アクセストランジスタQ5,Q6の第一のボディー領域およびドライバートランジスタの第二のボディー領域と、アクセストランジスタQ5,Q6のゲート電極とを電気的に接続する。さらに、第二のコンタクト148,180を介して、PMOSトランジスタQ51の第三のボディー領域と、PMOSトランジスタQ51のゲート電極とを電気的に接続する。
【選択図】 図1
Description
この発明は、半導体記憶装置に係る発明であり、特に、SRAM(Static Random Access Memory)に関するものである。
SOI(Silicon On Insulator)基板を用いたMOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)において、動作速度の高速化を図る手段として、たとえば、特許文献1が提案されている。
特許文献1に係る技術では、SRAMセルのアクセストランジスタのゲート電極の上には、ワード線に接続するコンタクトが形成される。当該コンタクトは、素子分離絶縁膜を突き抜けてSOI層にまで達する。ドライバートランジスタのボディー領域とアクセストランジスタのボディー領域とは、素子分離絶縁膜下方のSOI層を介して互いに電気的に接続している。よって、アクセストランジスタは、そのゲート電極とボディー領域との間がコンタクトで接続されたDTMOS(Dynamic Threshold voltage MOS)構造となる。また、コンタクトは、さらにドライバートランジスタのボディー領域にも電気的に接続する。
上記のように、特許文献1に係る技術では、アクセストランジスタのボディー領域とドライバートランジスタのボディー領域とは、各々ワード線に接続されている。したがって、データの読み出し時にワード線がハイレベルに遷移したとき、同時に各ボディー領域が上昇する。よって、アクセストランジスタおよびドライバートランジスタのしきい値電流が低下するので、カラム電流が増加し、動作速度の高速化が可能となる。
しかし、SRAMメモリセルの増大に伴いワード線の長さが長くなると、ワード線の立ち上がりに時間がかかってしまう。したがって、ビット線の引き抜き速度をいくら速くしても、当該ワード線の立ち上がり時間の遅延により、動作速度の高速化に限界がある。
そこで、本発明は、たとえばメモリセルの数が増大し、ワード線の長さが長くなったとしても、動作速度の高速化を図ることができる、半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明に係る1の実施の形態においては、以下の半導体記憶装置が開示されている。すなわち、SRAMセルとワード線ドライバーとを、備えている。さらに、SRAMセルにおいて、第一のコンタクトを介して、アクセスMOSトランジスタの第一のボディー領域およびドライバーMOSトランジスタの第二のボディー領域と、アクセスMOSトランジスタのゲート電極と、ワード線とを電気的に接続する。さらに、ワード線ドライバーにおいて、第二のコンタクトを介して、PMOSトランジスタの第三のボディー領域とPMOSトランジスタのゲート電極とを電気的に接続する。
上記実施の形態によれば、SRAMセルのソフトエラー耐性が向上する。また、ワード線ドライバーにおいて、ボディー領域が電位制御されていない構成と比べて、ワード線の立ち上がり速度を向上させることができる。これにより、SRAMセルにおけるデータの読み出し速度を向上させることができる。つまり、SRAMセルの数が増大し、ワード線の長さが長くなったとしても、当該SRAMセルの動作速度の高速化を図ることができる。
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
<実施の形態1>
図1は、本実施に係る半導体記憶装置の構成を示す回路図である。図1に示すように、当該半導体記憶装置は、SRAMのメモリセル(以下、SRAMセルと称する)101とワード線ドライバー102とを有している。
図1は、本実施に係る半導体記憶装置の構成を示す回路図である。図1に示すように、当該半導体記憶装置は、SRAMのメモリセル(以下、SRAMセルと称する)101とワード線ドライバー102とを有している。
図1に示すように、SRAMセル101は、以下の構成を有している。
ドライバートランジスタQ1およびドライバートランジスタQ2は、駆動用のNMOSトランジスタ(以下、ドライバーMOSトランジスタと称する)である。ロードトランジスタQ3およびロードトランジスタQ4は、負荷用のPMOSトランジスタ(以下、ロードMOSトランジスタと称する)である。ドライバートランジスタQ1とロードトランジスタQ3とにより、1対のインバータを構成している。また、ドライバートランジスタQ2とロードトランジスタQ4とにより、1対のインバータを構成してしている。また、前記各インバータは、相互に接続されてフリップフロップ回路を構成している。
アクセストランジスタQ5およびアクセストランジスタQ6は、データの転送用のNMOSトランジスタ(以下、アクセスMOSトランジスタと称する)である。上記フリップフロップ回路とアクセストランジスタQ5,Q6とによって、SRAMセル101が構成される。
なお、ワード線WLとアクセストランジスタQ5,Q6のゲート電極とが、電気的に接続されている。また、ビット線BLとアクセストランジスタQ5のドレイン電極(またはソース電極)とが、電気的に接続されている。また、ビット線BL(バー)とアクセストランジスタQ6のドレイン電極(またはソース電極)とが、電気的に接続されている。また、ドライバートランジスタQ1,Q2のソース電極は、接地(GND)に接続されている。さらに、ロードトランジスタQ3,Q4のソース電極は、固定電源(Vdd)に接続されている。
さらに、本発明に係るSRAMセル101では、次のような接続関係を有する。
アクセストランジスタQ5のボディー領域およびドライバートランジスタQ1のボディー領域が、ワード線WLおよびアクセストランジスタQ5のゲート電極と電気的に接続されている。また、アクセストランジスタQ6のボディー領域およびドライバートランジスタQ2のボディー領域が、ワード線WLおよびアクセストランジスタQ6のゲート電極と電気的に接続されている。
ここで、アクセストランジスタQ5,Q6のボディー領域が、第一のボディー領域と把握できる。また、ドライバートランジスタQ1,Q2のボディー領域が、第二のボディー領域と把握できる。さらに、アクセストランジスタQ5、Q6のゲート電極が、第一のゲート電極と把握できる。
また、上記ワード線WLを選択レベルに駆動するワード線ドライバー102は、以下の構成を有している。
図1に示すように、当該ワードドライバー102は、CMOS構造を有している。つまり、固定電源(Vdd)と接地(GND)との間に、P型MOSトランジスタ(以下、PMOSトランジスタと称する)Q51とN型MOSトランジスタ(以下、NMOSトランジスタと称する)Q52とが直列に接続されている。当該PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとで、インバータが構成されている。
また、PMOSトランジスタQ51のゲート電極とNMOSトランジスタQ52のゲート電極とは、電気的に共通接続されている。ここで、前記各ゲート電極には、入力信号INが印加される。また、PMOSトランジスタQ51のドレイン電極とNMOSトランジスタQ52のドレイン電極とは、電気的に共通接続されている。そして、前記ドレイン電極の共通接続点には、ワード線WLが接続されている。
また、本発明に係るワード線ドライバー102では、PMOSトランジスタQ51のゲート電極が、PMOSトランジスタQ51のボディー領域と電気的に接続されている。ここで、PMOSトランジスタQ51のゲート電極が、第二のゲート電極と把握できる。また、PMOSトランジスタQ51のボディー領域が、第三のボディー領域であると把握できる。
図2は、SOI基板に形成されたSRAMセル101の上面図である。また、図3は、前記と同じSOI基板に形成されたワード線ドライバー102の上面図である。ここで、SOI基板は、シリコン基板、埋め込み酸化膜(BOX:Buried Oxide)層、およびシリコン層(SOI層)がこの順に積層された積層構造を有している。
まず、図2の構成について説明する。
図2に示すように、SRAMセル101は、半導体層(SOI層)に横方向(ワード線(不図示)の延在方向)に並ぶ、第1Pウェル領域、第1Nウェル領域および第2Pウェル領域を備える。これらのPウェル領域およびNウェル領域には、その上面部に形成された素子分離絶縁膜S1,S2によって規定された各活性領域21,22,23,24が形成される。
具体的に、第1Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域21とNウェル領域に形成されるP+型の活性領域23とは、完全分離絶縁膜(以下、完全分離膜と称する)S2により分離されている。また、Nウェル領域に形成されるP+型の活性領域23とNウェル領域に形成されるP+型の活性領域24とは、部分分離絶縁膜(以下、部分分離膜と称する)S1により分離されている。また、Nウェル領域に形成されるP+型の活性領域24と第2Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域22とは、完全分離膜S2により分離されている。なお、活性領域21の図面左側および活性領域22の図面右側には各々、部分分離膜S1が形成されている。
ここで、部分分離膜S1および完全分離膜S2は、共にSOI層に形成されている。部分分離膜S1の底部は、BOX層にまで到達していない。他方、完全分離膜S2の底部は、BOX層にまで到達している。
第1Pウェル領域の活性領域21には、ドライバートランジスタQ1とアクセストランジスタQ5とが形成される。第2Pウェル領域の活性領域22には、ドライバートランジスタQ2とアクセストランジスタQ6とが形成される。Nウェル領域の活性領域23には、ロードトランジスタQ3が形成される。Nウェル領域の活性領域24には、ロードトランジスタQ4が形成される。
活性領域21〜24上には、それぞれ横方向に延びるゲート電極31,32,33,34が形成される。ゲート電極31は、ドライバートランジスタQ1とロードトランジスタQ3のゲートとして機能する。ゲート電極32は、ドライバートランジスタQ2とロードトランジスタQ4のゲートとして機能する。ゲート電極(第一のゲート電極と把握できる)33,34はそれぞれ、アクセストランジスタQ5,Q6のゲートとして機能する。このようなレイアウトにすることにより、各活性領域21〜24および各ゲート電極31〜34は単純な形状となるため、SRAMセル101の形成面積の縮小化に適している。
ドライバートランジスタQ1,Q2のソース領域は、それぞれコンタクト35,36を介して接地(GND)に接続される。ロードトランジスタQ3,Q4のソース領域は、それぞれコンタクト37,38を介して固定電源(Vdd)に接続される。
ゲート電極31上のコンタクト39は、ロードトランジスタQ4のドレイン領域にも達しており、上層配線(不図示)を介して、ドライバートランジスタQ2のドレイン領域上のコンタクト40に接続する。同様に、ゲート電極32上のコンタクト41は、ロードトランジスタQ3のドレイン領域にも達しており、上層配線(不図示)を介して、ドライバートランジスタQ1のドレイン領域上のコンタクト42に接続する。
アクセストランジスタQ5のソース/ドレイン領域の一方は、ドライバートランジスタQ1のドレイン領域に繋がっており、他方はコンタクト43を介してビット線BLに接続する。同様に、アクセストランジスタQ6のソース/ドレイン領域の一方は、ドライバートランジスタQ2のドレイン領域に繋がっており、他方はコンタクト44を介してビット線BL(バー)に接続する。
そして、ゲート電極33は、コンタクト(第一のコンタクトと把握できる)45を介してワード線WLと電気的に接続する。また、ゲート電極34は、コンタクト(第一のコンタクトと把握できる)46を介してワード線WLと電気的に接続する。
さらに、本実施の形態に係るSRAMセル101では、コンタクト45は、アクセストランジスタQ5のボディー領域(第一のボディー領域と把握できる)と電気的に接続する。また、当該コンタクト45は、ドライバートランジスタQ1のボディー領域(第二のボディー領域と把握できる)にも電気的に接続する。加えて、コンタクト46は、アクセストランジスタQ6のボディー領域(第一のボディー領域と把握できる)と電気的に接続する。また、当該コンタクト46は、ドライバートランジスタQ2のボディー領域(第二のボディー領域と把握できる)にも電気的に接続する。
ドライバートランジスタQ1、ロードトランジスタQ3およびアクセストランジスタQ5を、組Aとする。また、ドライバートランジスタQ2、ロードトランジスタQ4およびアクセストランジスタQ6を、組Bとする。すると、本実施の形態のSRAMセル101においては、組Aと組Bとが、図2の如く対称にレイアウトされ、さらに、互いに同様の構造を有している。
次に、図3の構成について説明する。
図3に示すように、ワード線ドライバー102は、半導体層(SOI層)に横方向(ワード線(不図示)の延在方向)に並ぶ、第3Pウェル領域、第2Nウェル領域および第4Pウェル領域を備える。これらのPウェル領域およびNウェル領域には、その上面部に形成された素子分離絶縁膜S1,S2によって規定された各活性領域111,112,112,114が形成される。
具体的に、第3Pウェル領域に形成されるP+型の活性領域111と第3Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域112とは、部分分離膜S1により分離されている。また、第3Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域112と第2Nウェル領域に形成されるP+型の活性領域113とは、完全分離膜S2により分離されている。また、第2Nウェル領域に形成されるP+型の活性領域113と第4Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域114とは、部分分離膜S1と完全分離膜S2とにより分離されている。
第3Pウェル領域の活性領域112には、NMOSトランジスタQ52が形成される。また、第2Nウェル領域の活性領域113には、PMOSトランジスタQ51が形成される。
活性領域112,113上には、それぞれ横方向に延びるゲート電極131,132が形成される。活性領域112上に形成されるゲート電極131および活性領域113上に形成されるゲート電極(第二のゲート電極と把握できる)132は、複数である。電極部130から、ゲート電極131,132は各々、枝分かれして形成されている。当該意味において、各ゲート電極131,132は、枝ゲート電極と把握できる。当該ゲート電極構成により、電極部130を介して、各ゲート電極131と各ゲート電極132は、等電位となる。なお、ゲート電極131は、NMOSトランジスタQ52のゲートとして機能する。ゲート電極132は、PMOSトランジスタQ51のゲートとして機能する。ここで、電極部130には、コンタクト147を介して、入力信号INが入力される。
NMOSトランジスタQ52のソース領域は、コンタクト136,137,138および点線で輪郭が図示されている上層配線121を介して、接地(GND)に接続される。PMOSトランジスタQ51のソース領域は、コンタクト140,141,142および点線で輪郭が図示されている上層配線123を介して、固定電源(Vdd)に接続される。
NMOSトランジスタQ52のドレイン領域は、コンタクト143,144,145,146および点線で輪郭が図示されている上層配線120を介して、PMOSトランジスタQ51のドレイン領域に接続される。ここで、コンタクト143,144は、活性領域112上に形成される。また、コンタクト145,146は、活性領域113上に形成される。なお、上層配線120は、ワード線WLと接続される。
さらに、本実施の形態に係るワード線ドライバー102では、コンタクト(第二のコンタクトと把握できる)148は、PMOSトランジスタQ51のボディー領域(第三のボディー領域と把握できる)と電気的に接続する。ここで、当該コンタクト148は、複数(図3では2本)のゲート電極(第二のゲート電極および枝ゲート電極と把握できる)132と、電気的に接続している。
図4は、図2に示したSRAMセル101のA−A断面に沿った断面構成を示す図である。つまり図4は、ドライバートランジスタQ1およびアクセストランジスタQ5の断面図である。
なお、ドライバートランジスタQ2およびアクセストランジスタQ6の構成は、当該図4と同じである。また、図3に示したワード線ドライバー102のA−A断面に沿った断面構成も、以下の点の除いて図4の構成と同じである。つまり、SOI層13に形成される完全分離膜S2の有無の点および活性領域21の導電型の点で、両構成は相違する。図3で示したワード線ドライバー102のA−A断面に沿った断面構成では、図4の完全分離膜S2の形成箇所は、活性領域113が形成される。したがって、以下の説明においては、説明簡略化のため図4の構成についてのみ説明を行う。
上記でも説明したように、また図4からも分かるように、SOI基板は、シリコン基板11、BOX層12、およびSOI層13の積層構造である。
SOI層13の表面内には、選択的に部分分離膜S1および完全分離膜S2が形成されている。上述したように、部分分離膜S1の底部は、BOX層12は到達しない。他方、完全分離膜S2の底部は、BOX層12に到達する。当該部分分離膜S1および当該完全分離膜S2によって、活性領域21が規定される。活性領域21の上面には、ゲート絶縁膜15が各々形成されている。各ゲート絶縁膜15の上には、ゲート電極31およびゲート電極33が各々形成される。ゲート電極31は、ポリシリコン層31aおよびシリサイド層31bによる2層構造である。同様に、ゲート電極33は、ポリシリコン層33aおよびシリサイド層33bによる2層構造である。
ゲート電極31,33の側面部には、サイドウォール膜SWが形成されている。そして、当該サイドウォール膜SWおよびゲート電極31,33を覆うように、シリコン酸化膜16,18から成る層間絶縁膜が形成される。さらに、当該層間絶縁膜を貫通して、コンタクト45が配設される。当該コンタクト45は、上層のワード線(不図示)に接続する。また、当該コンタクト45は、部分分離膜S1をも貫通しており、ゲート電極33の上面/側面、およびSOI層13(活性領域21)にも接続している。ここで、コンタクト45は、チタン膜B1および窒化チタン膜B2から成るバリヤメタル膜と、タングステンから成る導電膜D1から構成されている。
活性領域21において、ゲート電極31下のP型領域は、ドライバートランジスタQ1のボディー領域である。これに対して、活性領域21において、ゲート電極33下のP型領域は、アクセストランジスタQ5のボディー領域である。図4に示すように、ドライバートランジスタQ1のボディー領域およびアクセストランジスタQ5のボディー領域は、部分分離膜S1の下のSOI層13(Pウェル)を介して、相互に電気的に接続している。
したがって、コンタクト45は、ゲート電極33に接続すると共に、アクセストランジスタQ5のボディー領域とドライバートランジスタQ1のボディー領域の両方にも電気的に接続することになる。言い換えれば、アクセストランジスタQ5は、そのゲート電極とボディー領域との間がコンタクト45で接続された、いわゆるDTMOS構造を有している。そして、当該コンタクト45は、さらにドライバートランジスタQ1のボディー領域にも接続している。
図4に示した構成によれば、ワード線WLの電位が高くなるSRAMセル101の駆動時には、ドライバートランジスタQ1のボディー電位およびアクセストランジスタQ5のボディー電位も高くなる。したがって、ドライバートランジスタQ1およびアクセストランジスタQ5の動作しきい値電圧が下がり、電流駆動能力が向上する。つまり、ドライバートランジスタQ1とアクセストランジスタQ5の両方で、DTMOSと同様の効果が得られる。したがって、SRAMセル101の動作しきい値電圧が下がり、SRAMセル101の動作速度性能は向上する。
さらに、ワード線WLの電位が0VになるSRAMセル101のスタンバイ時は、ドライバートランジスタQ1のボディー電位およびアクセストランジスタQ5のボディー電位も0Vに固定されることとなる。よって、当該SRAMセル101のソフトエラー耐性が向上する。これらの効果を得るために形成されるボディー領域へのコンタクトは、コンタクト45の1つのみである。よって、ドライバートランジスタQ1およびアクセストランジスタQ5それぞれにDTMOSを適用する場合に比較して、形成面積の増大を抑制することができる。
図示は省略したが、上記の通り、ドライバートランジスタQ2およびアクセストランジスタQ6も、図4に示した構成と同様の構成を有している。つまり、図2に示したコンタクト46は、ワード線WLとゲート電極34との間を接続すると共に、アクセストランジスタQ6のボディー領域およびドライバートランジスタQ2のボディー領域の両方に電気的に接続している。よって、上記した図4に示した構成に起因する効果は、ドライバートランジスタQ2およびアクセストランジスタQ6においても得られる。
また、図示は省略したが、PMOSトランジスタQ51も、上記相違点以外は図4に示した構成と同様の構成を有している。つまり、図3に示したコンタクト148は、ゲート電極132とPMOSトランジスタQ51のボディー領域との両方に電気的に接続している。よって、ワード線ドライバーの構成において、PMOSトランジスタのゲート電極とPMOSトランジスタのボディー領域とが電気的に接続されない構成(比較例と称する:図5参照)と比較して、次の効果を有する。
従来技術でも説明したように、上記比較例の構成の場合には、SRAMセル101の増大に伴いワード線WLの長さが長くなると、ワード線WLの立ち上がりに時間がかかってしまう(図6参照)。したがって、ビット線の引き抜き速度をいくら速くしても、当該ワード線WLの立ち上がり時間の遅延により、動作速度の高速化に限界がある(図7参照)。
そこで、本実施の形態に係るワード線ドライバー102では、上記のように、PMOSトランジスタQ51のゲート電極132とPMOSトランジスタQ51のボディー領域とが、コンタクト148を介して電気的に接続している。ここで、コンタクト45,46,148は、部分分離膜S1を介して、各ボディー領域と接続する。
したがって、ワード線ドライバー102におけるPMOSトランジスタQ51の駆動能力を向上させることができる。よって、ボディー領域が電位制御されていない上記比較例の構成と比べて、本実施の形態に係るワード線ドライバー102は、ワード線WLの立ち上がり速度を向上させることができる(図8参照)。これにより、SRAMセル101が上記比較例の構成と接続されている場合よりも、本実施の形態の方が、SRAMセル101におけるデータの読み出し速度を向上させることができる(図9参照)。
つまり、本実施の形態に係る半導体記憶装置(より具体的にワード線ドライバー101)を採用する。これにより、SRAMセル101の数が増大し、当該増加に伴いワード線WLの長さが長くなったとしても、SRAMセル101の動作速度の高速化を図ることができる。
次に、本実施の形態に係る半導体記憶装置の製造方法について、工程断面図を用いて説明する。ここで、各工程断面図の(A)は、図2に示すA−A断面に沿った断面構成である。これに対して、各工程断面図の(B)は、図2に示すB−B断面に沿った断面構成である。
なお、図2(SRAMセル101)のA−A断面と図3(ワード線ドライバー102)のA−A断面との相違点は、上記の通りである。また、図2(SRAMセル101)のB−B断面と図3(ワード線ドライバー102)のB−B断面とは、SOI層13のウェル、活性領域等の導電型は異なるものの、形状自体は同様である。したがって、図2のA−A断面および図2のB−B断面から、図3のA−A断面およびB−B断面の工程も容易に推測できる。
また、図2のA−A断面および図2のB−B断面以外の図2,3のその他の構成部分の工程も、後述する図2のA−A断面および図2のB−B断面の工程説明から容易に推測できる。よって、以下の説明では、図2のA−A断面および図2のB−B断面の構成に着目した各工程の説明を行う。
まず、シリコン基板11上に、100〜500nm程度の膜厚のBOX層12、および50〜500nm程度の膜厚のSOI層13を積層したSOI基板を準備する(図10参照)。次に、当該SOI層13に対し、P型ウェルおよびN型ウェル形成用の不純物注入を行う。ここで、図2のA−A断面および図2のB−B断面では、第1Pウェル領域形成のための不純物注入が行われる。次に、SOI層13上に、数十nm程度の膜厚を有するシリコン酸化膜51を形成する(図11参照)。さらに、当該シリコン酸化膜51上に、数百nm程度の膜厚を有するシリコン窒化膜52を形成する(図11参照)。
次に、シリコン窒化膜52上に、所定の形状にパターニングされたレジスト53を形成する。そして、当該レジスト53をマスクとして使用して、シリコン窒化膜52、シリコン酸化膜51およびSOI層13をエッチングする(図12参照)。当該エッチングおいて、SOI層13を完全に除去せず、所定の膜厚のSOI層13を残存させる(図12参照)。すなわち、部分分離膜S1が形成される領域のSOI層13は、完全には除去しない図12参照)。
レジスト53を除去した後、図13の(A)に示すように、SOI層13の一部上およびシリコン窒化膜52上に、所定の形状にパターニングされたレジスト53Aを形成する。そして、当該レジスト53Aをマスクとして使用して、シリコン窒化膜52、SOI層13をエッチングする(図13参照)。当該エッチングおいて、所定の領域のSOI層13を完全に除去する(図13参照)。すなわち、完全分離膜S2が形成される領域のSOI層13を、完全に除去する(図13参照)。なお、図2のB−B断面構成内には、完全分離膜S2が存在しない。したがって、図13では、B−B断面における当該工程図は、省略する。
レジスト53Aを除去した後、工程途中のSOI基板上の全面に、膜厚500nm程度のシリコン酸化膜54を形成する(図14参照)。次に、CMP(ChemicalMechanicalPolishing)法によりシリコン酸化膜54の上面を平坦化し、さらにSOI層13上のシリコン窒化膜52およびシリコン酸化膜51を除去する(図15参照)。その結果、SOI層13の凹部内に残留したシリコン酸化膜54が、部分分離膜S1および完全分離膜S2となる。さらに、各分離膜S1,S2間の領域(SOI層13の凸部)が活性領域21となる(図15参照)。
次に、図15に示した活性領域21に、トランジスタQ1,Q5のチャネル領域を形成するためのイオン注入を行う。当然に、他の活性領域22〜4,111〜114に対してもトランジスタのチャネル領域形成のためのイオン注入を行う。たとえば、NMOSトランジスタを形成する活性領域に対しては、たとえばボロン(B)を注入エネルギー数十keV、ドーズ量1013/cm2程度の条件で注入する。PMOSトランジスタを形成する活性領域に対しては、たとえばリン(P)を注入エネルギー数百keV、ドーズ量1013/cm2程度の条件で注入する。
次に、製造途中のSOI基板上に、熱酸化膜55およびポリシリコン膜56を形成する(図16参照)。そして、熱酸化膜55およびポリシリコン膜56をパターニングする。これにより、図17に示すように、所定の領域の活性領域21上に、ゲート酸化膜15とゲート電極(ポリシリコン層)31a,33aとの積層体を形成する。図17では、A−A断面において、二つの前記積層体が形成されており、B−B断面では、当該積層体は形成されない。
次に、各トランジスタのLDDを形成するためのイオン注入を行う。NMOSトランジスタに対しては、たとえば砒素(As)を、注入エネルギー数keV、ドーズ量1014〜15/cm2程度の条件で注入する。PMOSトランジスタに対しては、BF2を注入エネルギー数keV、ドーズ量1014〜15/cm2程度の条件で注入する。
次に、図18に示すように、上記積層体(31a,33a,15)の側面部に、サイドウォール膜SWを形成する。次に、各トランジスタのソース/ドレイン領域を形成するためのイオン注入を行う。NMOSトランジスタに対しては、たとえば砒素(As)を、注入エネルギー数十keV、ドーズ量1015/cm2程度の条件で注入する。PMOSトランジスタに対しては、ボロンを注入エネルギー数keV、ドーズ量1015/cm2程度の条件で注入する。
次に、図18に示すように、A−A断面構成のポリシリコン層33a,31aの上部およびB−B断面構成の活性領域21(より具体的には、当該活性領域21のソース/ドレイン領域)の上部をシリサイド化する。これにより、活性領域21のソース/ドレイン領域上部にシリサイド層57が形成される(図18(B)参照)。さらに、ポリシリコン層31a,33a上にシリサイド層31b,33bが形成される(図18(A)参照)。つまり、ポリシリコン層31a,33aとシリサイド層31b,33bとの2層構造である、ゲート電極31,33が形成される。
なお、ソース/ドレイン領域形成のためのイオン注入では、ゲート電極31,33がマスクとなる。よって、SOI層13におけるゲート電極31,33下方領域にはソース/ドレインが形成されず、その領域はボディー領域になる。
そして、全面にシリコン窒化膜16を数十nm形成し、その上にシリコン酸化膜18を数百nm程度形成する(図19参照)。
次に、シリコン酸化膜18上にコンタクト42,45の形成領域上方を開口したレジスト58を形成する(図20参照)。そして、当該レジスト58をマスクとして使用して、シリコン酸化膜16,18をエッチングする。なお、シリコン酸化膜16上にシリコン窒化膜が形成されている場合には、シリコン酸化膜18のエッチングの際にシリコン窒化膜はエッチングストッパとなる。上記エッチング処理により、図20に示すように、部分分離膜S1またはシリサイド膜57にまで達するコンタクトホール42a,45aが、形成される。なお、図20(A)から分かるように、コンタクトホール45aの形成に際して、ゲート電極33片側面のサイドウォール膜SWも除去される。よって、コンタクトホール45aからは、ゲート電極33の上面の一部と片側面部が露出する。
レジスト58を除去した後、図21に示すように、コンタクトホール42aを埋め込むことができる、レジスト59を形成する。つまり、ボディー領域と電気的に接続するコンタクト45が形成されるコンタクトホール45a以外のコンタクトホール42aを、レジスト59で充填する。
この工程においてレジスト59のパターンとしては、図5に示した活性領域21を形成するためのレジスト53と同じものでもよい。そうすれば、本工程のための特別なフォトマスクを準備する必要がない。図5のレジスト53は、従来のSRAMセルの製造でも使用されるものである。したがって、従来のSRAMセルの製造と同じだけのフォトマスクを準備すればよいことになる。当然前記の場合、レジスト59は、活性領域21の上方のシリコン酸化膜18上にも形成される(図21(A)参照)。
次に、レジスト59に対してエッチバック処理を施す。これにより、図22に示すように、シリコン酸化膜18上面のレジスト59を除去する。なお、当該エッチバック処理により、エッチング制御精度に依存して、コンタクトホール42a内のレジスト59も一部除去され得る。
次に、レジスト59をマスクとして使用して、コンタクトホール45aの底部をさらにエッチングする。つまり、図22に示したコンタクトホール45aの底部から露出している部分分離膜S1をエッチングする。これにより、図23に示すように、コンタクトホール45aの底面からは、SOI層13(より具体的には、ボディー領域)が露出する。ここで、当該エッチング工程により、シリコン酸化膜18の上面も若干エッチバックされる。
次に、レジスト59を除去し、図24に示すように、再びコンタクトホール42aを埋め込むことができる、レジスト60を形成する。つまり、ボディー領域と電気的に接続するコンタクト45が形成されるコンタクトホール45a以外のコンタクトホール42aを、レジスト60で充填する。この工程で使用するレジスト60のパターンとしても、図5のレジスト53と同じものを使用する。そうすれば、本工程のための特別なフォトマスクを準備する必要はない。
次に、レジスト60をマスクとして使用して、コンタクトホール45aの底部から露出するSOI層13に対して、イオン注入処理を行う。当該イオン注入処理は、コンタクト45とSOI層13との間の接続を、ショットキー接合とするためのものである。
SRAMセル101において、ボディー領域と接続されるコンタクトは、コンタクト45,46である。他方、ワード線ドライバー102において、ボディー領域と接続されるコンタクトは、コンタクト148である。コンタクト45,46が配設されるコンタクトホールの底面に対しては、たとえば、ボロンを注入エネルギー数keV、ドーズ量1010〜15/cm2の条件で、上記ショットキー接合のためのイオン注入を行う。これに対して、コンタクト148が配設されるコンタクトホールの底面に対しては、たとえば、リンまたは砒素を注入エネルギー数十keV、ドーズ量1010〜15/cm2の条件で、上記ショットキー接合のためのイオン注入を行う。
次に、レジスト60を除去し、各コンタクトホール42a,45a内にTi膜B1とTiN膜B2とが当該順に形成されたバリヤメタル膜を形成する。そして、各コンタクトホール42a,45aを充填するように、バリヤメタル膜上にタングステン等の導電膜D1を形成する。これにより、図25に示すように、コンタクトホール42a,45a内にコンタクト42,45が形成される。ここで、レジスト60をマスクとして使用したイオン注入処理により、コンタクト45とSOI層13(ボディー領域)との間の接続は、ショットキー接合となる。
その後、シリコン酸化膜18の上に、各コンタクトに接続するビット線、ワード線などの必要な配線およびそれらを覆う層間絶縁膜等を形成する。以上までの工程により、図2のA−A断面構成および図2のB−B断面構成を有する、本実施の形態に係る半導体記録装置が形成される。
上記ショットキー接続のためのイオン注入処理(イオン種、注入エネルギー、ドーズ量を例示したイオン注入)により、コンタクト(第一のコンタクト)45とSOI層(第一、第二のボディー領域)13との間での接続は、第一のショットキー接合となる。同様に、コンタクト(第一のコンタクト)46とSOI層(第一、第二のボディー領域)13との間での接続も、第一のショットキー接合となる。また、コンタクト(第二のコンタクト)148とSOI層(第三のボディー領域)13との間での接続は、第二のショットキー接合となる。
つまり、図26に示すように、PMOSトランジスタQ51のゲート電極とPMOSトランジスタQ51の第三のボディー領域との間に、ショットキーダイオードSD1が形成される。これに対して、アクセストランジスタQ5,Q6のゲート電極とアクセストランジスタQ5,Q6の第一のボディー領域との間に、ショットキーダイオードSD2が形成される。また、アクセストランジスタQ5,Q6のゲート電極とドライバートランジスタQ1,Q2の第二のボディー領域との間に、上記ショットキーダイオードSD2が形成される。
ここで、図26に示すように、ショットキーダイオードSD2(つまり、第一のショットキー接合)の順方向は、上記第一のボディー領域および第二のボディー領域から、ワード線WLに向かう方向である。これに対して、ショットキーダイオードSD1(つまり、第二のショットキー接合)の順方向は、PMOSトランジスタのゲート電極(第二のゲート電極)から、上記第三のボディー領域に向かう方向である。
上記ショットキーダイオードSD1、SD2が形成されなかったなら、SRAMセル101側では、上記第二のボディー領域から接地(GND)へ向かってリーク電流が流れてしまう(図27参照)。これに対して、ワード線ドライバー102側では、固定電源(Vdd)から第三のボディー領域に向かってリーク電流が流れてしまう(図27参照)。したがって、上記ショットキーダイオードSD1、SD2が形成されなかった場合には、当該リーク電流に起因して、半導体記憶装置の消費電力が増大してしまう。
そこで、図26に示すように、上記ショットキーダイオードSD1、SD2を各々形成する。つまり、上記ショットキー接合の形成を実現する。これにより、上記各リーク電流が流れることを抑制することができる。つまり、より消費電力の低減を図ることができる半導体記憶装置を提供することができる。
なお、本実施の形態では、コンタクトホール45aの底面からSOI層13を露出させる際に使用するレジスト59と、ショットキー接合形成のためのイオン注入の際に使用するレジスト60とを、それぞれ別個に形成した。しかし、たとえばコンタクトホール45aの底面からSOI層13を露出させた後、レジスト59を除去せずに、それをそのままショットキー接合形成のためのイオン注入のマスクとして使用してもよい。それにより、レジスト60を形成する工程が省略できるので、製造工程が簡略化される。
<実施の形態2>
実施の形態1では、図26に示すように、ドライバートランジスタQ1,Q2のボディー領域とコンタクト45,46との接合は、第一のショットキー接合(ショットキーダイオードSD2)であることに言及した。また、PMOSトランジスタQ51のボディー領域とコンタクト148との接合は、第二のショットキー接合(ショットキーダイオードSD1)であることに言及した。また、第一のショットキー接合の順方向の向きおよび第二のショットキー接合の順方向の向きについても言及した。
実施の形態1では、図26に示すように、ドライバートランジスタQ1,Q2のボディー領域とコンタクト45,46との接合は、第一のショットキー接合(ショットキーダイオードSD2)であることに言及した。また、PMOSトランジスタQ51のボディー領域とコンタクト148との接合は、第二のショットキー接合(ショットキーダイオードSD1)であることに言及した。また、第一のショットキー接合の順方向の向きおよび第二のショットキー接合の順方向の向きについても言及した。
本実施の形態では、図28に示すように、上記ショットキーダイオードSD1の逆方向電流値RI1は、上記ショットキーダイオードSD2の逆方向電流値RI2よりも大きい、ことを特徴とする。たとえば、逆方向電流値RI2は、1×10-11〜1×10-6μA程度であるのに対して、逆方向電流値RI1は、当該逆方向電流値RI2の5倍以上である。
次の例示するイオン注入処理を実施することにより、逆方向電流値RI1を、逆方向電流値RI2より大きく設定することができる。
つまり、ウェル濃度を個々に適正に設定する。さらに、実施の形態1で説明したショットキー接合のためのイオン注入処理(イオン種、注入エネルギー、ドーズ量を例示したイオン注入)行う。これらにより、コンタクト45,46とSOI層13(ボディー領域)と間におけるショットキーバリヤと比較して、コンタクト148とSOI層13(ボディー領域)との間におけるショットキーバリヤを小さくできる。よって、逆方向電流値RI1を、逆方向電流値RI2より大きく設定することができる。
SRAMセル101形成領域におけるボディー容量と、ワード線ドライバー102形成領域におけるボディー容量は、異なり、後者のボディー容量の方が5倍以上大きくなる。したがって、逆方向電流値RI1を逆方向電流値RI2と同じにしてしまうと、ワード線ドライバー102においてボディーバイアスをほとんどかけることができなくなってしまう。
そこで、本実施の形態では、逆方向電流値IR1を、逆方向電流値IR2よりも大きくしている(たとえば、5倍以上大きく設定する)。これにより、ワード線ドライバー102におけるボディーバイアスの印加を実現することができる。よって、半導体記憶装置の電流駆動能力を向上させることができる。
なお上記の実施の形態1〜2においては、SRAMセルがアクセストランジスタのボディー領域とドライバートランジスタのボディー領域とは、各々ワード線に接続されている場合について説明した。しかし、本発明は当該SRAMセルに限定されるものではなく、広く特許文献1の図1の一般的なSRAMセルに適用することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
<実施の形態3>
実施の形態1では、SRAMセル101を有するSOI基板に形成されたワード線ドライバー102の上面方向から見た一構成例を、図3に示した。本実施の形態では、SOI基板に形成されたワード線ドライバー102の上面方向から見た他の構成例について説明する。図29は、SOI基板に形成されたワード線ドライバー102の構成を示す上面図である。
実施の形態1では、SRAMセル101を有するSOI基板に形成されたワード線ドライバー102の上面方向から見た一構成例を、図3に示した。本実施の形態では、SOI基板に形成されたワード線ドライバー102の上面方向から見た他の構成例について説明する。図29は、SOI基板に形成されたワード線ドライバー102の構成を示す上面図である。
図29に示すように、ワード線ドライバー102は、半導体層(SOI層13)に横方向(ワード線(不図示)の延在方向)に並ぶ、第3Pウェル領域、第2Nウェル領域および第4Pウェル領域を備える。これらのPウェル領域およびNウェル領域には、その上面部に形成された素子分離絶縁膜S1,S2によって規定された各活性領域111,112,112,114が形成される。
具体的に、第3Pウェル領域に形成されるP+型の活性領域111と第3Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域112とは、部分分離膜S1により分離されている。また、第3Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域112と第2Nウェル領域に形成されるP+型の活性領域113とは、完全分離膜S2と部分分離膜S1とにより分離されている。また、第2Nウェル領域に形成されるP+型の活性領域113と第4Pウェル領域に形成されるN+型の活性領域114とは、完全分離膜S2により分離されている。
第3Pウェル領域の活性領域112には、NMOSトランジスタQ52が形成される。また、第2Nウェル領域の活性領域113には、PMOSトランジスタQ51が形成される。
活性領域112,113上には、それぞれ横方向に延びるゲート電極131,132が形成される。活性領域112上に形成されるゲート電極131および活性領域113上に形成されるゲート電極(第二のゲート電極と把握できる)132は、複数である。コンタクト180から、ゲート電極131,132は各々、枝分かれして形成されている。当該意味において、各ゲート電極131,132は、枝ゲート電極と把握できる。当該ゲート電極構成により、コンタクト180を介して、各ゲート電極131と各ゲート電極132は、等電位となる。なお、ゲート電極131は、NMOSトランジスタQ52のゲートとして機能する。ゲート電極132は、PMOSトランジスタQ51のゲートとして機能する。ここで、コンタクト180には、入力信号INが入力される。
NMOSトランジスタQ52のソース領域は、コンタクト136,137,138および点線で輪郭が図示されている上層配線121を介して、接地(GND)に接続される。PMOSトランジスタQ51のソース領域は、コンタクト140,141,142および点線で輪郭が図示されている上層配線123を介して、固定電源(Vdd)に接続される。
NMOSトランジスタQ52のドレイン領域は、コンタクト143,144,145,146および点線で輪郭が図示されている上層配線120を介して、PMOSトランジスタQ51のドレイン領域に接続される。ここで、コンタクト143,144は、活性領域112上に形成される。また、コンタクト145,146は、活性領域113上に形成される。なお、上層配線120は、ワード線WLと接続される。
さらに、本実施の形態に係るワード線ドライバー102では、コンタクト(第二のコンタクトと把握できる)180は、PMOSトランジスタQ51のボディー領域(第三のボディー領域と把握できる)と電気的に接続する。ここで、当該コンタクト180は、複数(図29では3本)のゲート電極(第二のゲート電極および枝ゲート電極と把握できる)132と、電気的に接続している。
また、当該コンタクト180は、部分分離膜S1を貫通しており、およびSOI層13(第三のボディー領域)にも接続している。つまり、コンタクト180は、PMOSトランジスタQ51のゲート電極132の一部と電気的に接続すると共に、PMOSトランジスタQ51のボディー領域とも電気的に接続する。
図3,29の構成から分かるように、ワード線ドライバー102において、PMOSトランジスタQ51の活性領域113とNMOSトランジスタQ52の活性領域112とは、完全分離膜S2により電気的に分離されている。したがって、SOI層13に発生する寄生容量の低減を図ることができる。
また、図3,29の構成から分かるように、ワード線ドライバー102において、PMOSトランジスタQ52のゲート電極は、複数の枝ゲート電極132により枝分かれして配設されている。そして、少なくとも2以上の枝ゲート電極132の端部同士が、同一のコンタクト148,180により接続されている。したがって、一の枝ゲート電極132にのみコンタクト148,180が接続されている構成と比較して、上記構成の方が、全ての枝ゲート電極132における電位伝播の即応性を向上させることができる。
13 SOI層、21,22,23,24,111,112,113,114 活性領域、33,34,132 ゲート電極、45,46,148,180 コンタクト、101 SRAMセル、102 ワード線ドライバー、Q1,Q2 ドライバートランジスタ、Q3,Q4 ロードトランジスタ、Q5,Q6 アクセストランジスタ、Q51 PMOSトランジスタ、Q52 NMOSトランジスタ、S1 部分分離膜、S2 完全分離膜、SD1,SD2 ショットキー接合ダイオード、RI1,RI2 逆方向電流値。
Claims (11)
- SRAMセルと、
前記SRAMに接続されるワード線と、
前記ワード線を選択レベルに駆動するワード線ドライバーとを、備えており、
前記SRAMセルは、
アクセスMOSトランジスタと、
ドライバーMOSトランジスタと、
前記ワード線と前記アクセスMOSトランジスタのゲート電極である第一のゲート電極とを接続する第一のコンタクトとを、備えており、
前記ワード線ドライバーは、
PMOSトランジスタと、
前記PMOSトランジスタのゲート電極である第二のゲート電極と接続する第二のコンタクトとを、備えており、
前記第一のコンタクトは、
前記アクセスMOSトランジスタのボディー領域である第一のボディー領域および前記ドライバーMOSトランジスタのボディー領域である第二のボディー領域に電気的に接続し、
前記第二のコンタクトは、
前記PMOSトランジスタのボディー領域である第三のボディー領域に電気的に接続する、
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第一のコンタクトと前記第二のボディー領域との接合は、第一のショットキー接合であり、
前記第二のコンタクトと前記第三のボディー領域との接合は、第二のショットキー接合であり、
前記第一のショットキー接合の順方向は、
前記第二のボディー領域から、前記ワード線に向かう方向であり、
前記第二のショットキー接合の順方向は、
前記第二のゲート電極から、前記第三のボディー領域に向かう方向である、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第二のショットキー接合の逆方向電流値は、
前記第一のショットキー接合の逆方向電流値よりも大きい、
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。 - 前記半導体記憶装置は、
シリコン基板、埋め込み酸化膜、およびSOI層が当該順に積層されたSOI基板に形成されており、
前記第一のコンタクトおよび前記第二のコンタクトは、
前記埋め込み酸化膜に達しない、前記シリコン基板に形成される部分分離絶縁膜を貫通して、前記第一乃至第三のボディー領域と接続する、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記半導体記憶装置は、
シリコン基板、埋め込み酸化膜、およびSOI層が当該順に積層されたSOI基板に形成されており、
前記ワード線ドライバーは、
NMOSトランジスタを、さらに備えており、
前記PMOSトランジスタの活性領域と前記NMOSトランジスタの活性領域とは、
前記埋め込み酸化膜に達する、前記シリコン基板に形成される完全分離絶縁膜により、電気的に分離されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第二のゲート電極は、
複数の枝ゲート電極により枝分かれして配設されており、
少なくとも2以上の前記枝ゲート電極の端部同士が、前記第二のコンタクトにより接続されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - SRAMセルと、
前記SRAMに接続されるワード線と、
前記ワード線を選択レベルに駆動するワード線ドライバーとを、備えており、
前記ワード線ドライバーは、
PMOSトランジスタと、
前記PMOSトランジスタのゲート電極と接続するコンタクトとを、備えており、
前記コンタクトは、
前記PMOSトランジスタのボディー領域に電気的に接続する、
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記コンタクトと前記ボディー領域との接合は、
ショットキー接合であり、
前記ショットキー接合の順方向は、
前記ゲート電極から、前記ボディー領域に向かう方向である、
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置。 - 前記半導体記憶装置は、
シリコン基板、埋め込み酸化膜、およびSOI層が当該順に積層されたSOI基板に形成されており、
前記コンタクトは、
前記埋め込み酸化膜に達しない、前記シリコン基板に形成される部分分離絶縁膜を貫通して、前記ボディー領域と接続する、
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置。 - 前記半導体記憶装置は、
シリコン基板、埋め込み酸化膜、およびSOI層が当該順に積層されたSOI基板に形成されており、
前記ワード線ドライバーは、
NMOSトランジスタを、さらに備えており、
前記PMOSトランジスタの活性領域と前記NMOSトランジスタの活性領域とは、
前記埋め込み酸化膜に達する、前記シリコン基板に形成される完全分離絶縁膜により、電気的に分離されている、
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置。 - 前記ゲート電極は、
複数の枝ゲート電極により枝分かれして配設されており、
少なくとも2以上の前記枝ゲート電極の端部同士が、前記コンタクトにより接続されている、
ことを特徴とする請求項7に記載の半導体記憶装置。
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JP2014216629A (ja) * | 2013-04-30 | 2014-11-17 | 富士通セミコンダクター株式会社 | 半導体装置及び半導体装置の製造方法 |
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