JP2012212755A

JP2012212755A - 半導体記憶装置

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Publication number: JP2012212755A
Application number: JP2011077126A
Authority: JP
Inventors: Takehide Shirato; 猛英白土
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-11-01

Abstract

【課題】ＳＯＩ構造のＤＲＡＭの提供
【解決手段】
半導体基板１上に第１の絶縁膜２が設けられ、第１の絶縁膜２上に第２の絶縁膜３が選択的に設けられ、第２の絶縁膜３上より、第２の絶縁膜３が設けられていない領域上に延在して選択的に半導体層（６、７、８）が設けられ、半導体層の一部７の全周囲にゲート絶縁膜１４を介し、第１の絶縁膜２上に包囲構造のゲート電極１５が選択的に設けられ、ゲート電極１５に自己整合し、直下に空孔を有する半導体層の一部８及び残りの半導体層の一部６にソースドレイン領域（１０、１１、１２、１３）が設けられた構造のＭＩＳ電界効果トランジスタと、ソース領域１１上に電荷蓄積電極１７が設けられ、電荷蓄積電極１７の側面及び上部にはキャパシタ絶縁膜１９を介してセルプレート電極(対向電極)２０が設けられた構造のスタック型キャパシタとにより構成されたＤＲＡＭ。
【選択図】図２

Description

本発明はＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造の半導体記憶装置に係り、特に半導体基板（バルクウエハー）に容易な製造プロセスにより、低コストのＳＯＩ基板を形成し、このＳＯＩ基板に、高速、低電力、高性能、高信頼且つ高集積なメモリーセルを構成したＤＲＡＭ(ダイナミックランダムアクセスメモリー)に関する。

図２８は従来の半導体記憶装置（ＤＲＡＭ）のビット線に沿う方向の模式側断面図で、ｐ型のシリコン基板を使用して形成した慣例的な横型のＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ及びスタック型キャパシタからなるメモリーセルの一部を示しており、５１はｐ型のシリコン基板、５２はｐ型不純物ウエル領域、５３は素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜、５４はｎ^＋型ソース領域、５５はｎ型ソース領域、５６はｎ^＋型ドレイン領域、５７はｎ型ドレイン領域、５８はゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）、５９はゲート電極、６０はサイドウォール、６１は電荷蓄積電極、６２はキャパシタ絶縁膜、６３はセルプレート電極(対向電極)、６４はＰＳＧ膜、６５は導電プラグ、６６はバリアメタル、６７はバリアメタル、６８はＡｌ配線、６９はバリアメタル、７０はタングステン膜、７１はバリアメタル、７２は絶縁膜、７３は絶縁膜を示している。
同図においては、ｐ型のシリコン基板５１に選択的に形成されたｐ型不純物ウエル領域５２上にゲート酸化膜５８を介してゲート電極５９が設けられ、ゲート電極５９に自己整合してサイドウォール６０が設けられており、ｐ型のシリコン基板５１にはゲート電極５９に自己整合してｎ型ソース領域５５及びｎ型ドレイン領域５７が、サイドウォール６０に自己整合してｎ^＋型ソース領域５４及び共通のｎ^＋型ドレイン領域５６が、それぞれ設けられている慣例的な横型のＭＩＳ電界効果トランジスタが形成されている。またこのＭＩＳ電界効果トランジスタのｎ^＋型ソース領域５４の一部に積層されたバリアメタル７１を有するタングステン膜７０の上面に接し、絶縁膜７２に選択的に設けられた開孔部の側壁および底部に電荷蓄積電極６１が設けられ、電荷蓄積電極６１の側壁および底部に設けられたキャパシタ絶縁膜６２を介してセルプレート電極６３が設けられているスタック型キャパシタが形成されている。慣例的な横型のＭＩＳ電界効果トランジスタ及びスタック型キャパシタからなるＤＲＡＭのメモリーセルを構成している。
それぞれの領域を微細化すること、ｎ^＋型ソース領域上にスタック型キャパシタを形成すること及び隣接する２メモリーセルに共通なｎ^＋型ドレイン領域を設けること等により、キャパシタ容量の増加及びビット線容量の低減を目指した高集積化を計っているが、半導体基板にＰＮ接合を有するＭＩＳ電界効果トランジスタを形成しているため、接続するメモリーセル数に伴い、大きなＰＮ接合容量がつくので、ビット線容量を低減できないことにより、キャパシタの蓄積電荷量を検出するセンスアンプの検出能力の向上が難しかったこと（センスアンプで感知できる信号量を増加するためには、キャパシタ容量に対するビット線容量比を低く抑えることが必要）、局所的なα線照射により大きな半導体基板に電子正孔対をつくりやすく、発生した電子をキャパシタに取り込むため、蓄積電荷量を変化させることによるα線ソフトエラー耐性が低かったこと、ＰＮ接合リーク及びサブスレッショルドリークを防止しにくいことにより、電荷保持特性が悪いため、データーを再書き込みするリフレッシュ動作を短時間で繰り返さなければならなかったこと、ビット線に大きなＰＮ接合容量がつくため、１本のビット線に接続するメモリーセル数を増加させられないことによる高集積化が難しかったこと等の問題点が顕著になりつつある。
上記問題点の解決手段として、ＳＯＩ構造のＤＲＡＭに関する試みもあるが、安価な半導体基板を使用して、容易なプロセスにより、絶縁膜上に単結晶半導体層を形成し、単結晶半導体層の下面に存在してしまうバックチャネルを完全に制御できるＳＯＩ構造のＭＩＳ電界効果トランジスタを形成できる技術に乏しかったことである。
またＭＩＳ電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇により、高温での速度特性が劣化し、保障温度範囲における速度特性を保障できなくなりつつあるという問題には何らの対策も講じられていなかった。

応用物理第６５巻第１１号（１９９６）１１０６〜１１１３

本発明が解決しょうとする課題は、従来例に示されるように、半導体基板にＰＮ接合を有するＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）を形成しているため
（１）接続するメモリーセル数に伴い、大きなＰＮ接合容量がつくので、ビット線容量を低減できないことによるセンスアンプの検出能力の向上が難しかったこと。
（２）局所的なα線照射により、大きな半導体基板に電子正孔対をつくりやすいことによるα線ソフトエラー耐性が低かったこと。
（３）ＰＮ接合リーク及びサブスレッショルドリークを防止しにくいことにより、電荷保持特性が悪いため、データーを再書き込みするリフレッシュ動作を短時間で繰り返さなければならなかったこと。
（４）ビット線に大きなＰＮ接合容量がつくため、１本のビット線に接続するメモリーセル数を増加させられないことによる高集積化が難しかったこと。
及び従来例には示されていないが、
（５）安価な半導体基板を使用して、容易なプロセスにより、絶縁膜上に単結晶半導体層を形成し、単結晶半導体層の下面に存在してしまうバックチャネルを完全に制御できるＳＯＩ構造のＭＩＳ電界効果トランジスタを形成できる技術に乏しかったこと。
（６）ＭＩＳ電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇により、キャリアの散乱等により移動度が低下し、高温での速度特性が劣化するため、保障温度範囲における速度保障が難しかったこと。
等の問題が顕著になりつつあり、現状技術によるメモリーセルの微細化及びキャパシタ容量の減少防止（キャパシタ絶縁膜の薄膜化及び高誘電率材料の導入）だけでは、さらなる大規模記憶装置の製造が困難になってきたことである。

上記課題は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に選択的に設けられた第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上より、前記第２の絶縁膜が設けられていない領域上に延在して選択的に設けられた半導体層と、前記半導体層の一部の全周囲にゲート絶縁膜を介し、前記第１の絶縁膜上に設けられた包囲構造のゲート電極と、前記ゲート電極に自己整合し、前記半導体層に設けられた、直下に空孔を有するソースドレイン領域とからなるＭＩＳ電界効果トランジスタと、前記ソース領域（あるいはドレイン領域）上に設けられた電荷蓄積電極と、前記電荷蓄積電極の側面及び上部にキャパシタ絶縁膜を介して設けられたセルプレート電極(対向電極)とからなるスタック型キャパシタとを備え、前記ＭＩＳ電界効果トランジスタ及びスタック型キャパシタとにより構成した本発明の半導体記憶装置（ＤＲＡＭ）によって解決される。

以上説明のように本発明によれば、通常の安価な半導体基板を使用して、半導体基板上に絶縁膜を介して完全空乏型の単結晶半導体層（Ｓｉ）を設け、一部の半導体層の周囲にゲート酸化膜を介して包囲型ゲート電極を有するチャネル領域を設け、残りの半導体層にソースドレイン領域を設けたＳＯＩ構造のＭＩＳ電界効果トランジスタを有するＤＲＡＭを形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減（実質ゼロ）及び空乏層容量の低減によりビット線容量の低減化によるセンスアンプの検出能力の向上、薄膜の完全空乏型の半導体層にソースドレイン領域を形成できることによるα線ソフトエラー耐性の強化、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性の改善により、閾値電圧の低減化による低電力化等が可能である。
また成長するシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）の膜厚により、３段階形成する半導体層の膜厚を決定できるため、大口径ウエハーによる製造にも対応できる、完全空乏型（薄膜）のＳＯＩ構造の単結晶半導体層を容易に形成することが可能である。
また下地の絶縁膜の影響のない結晶性が良好な半導体層にのみチャネル領域を形成できるため、安定した特性を持つＳＯＩ構造のＭＩＳ電界効果トランジスタを形成することが可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられたゲート電極により半導体層を包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、完全なチャネル制御が可能で、電流リークを防止でき、蓄積電荷の消失を低減できることによる保持特性の改善（リフレッシュ動作の緩和）、また４面（上下面及びチャネル幅方向の２側面）にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることによる高速化が可能である。
またＳＯＩ構造の半導体層に形成したソースドレイン領域下に放熱用の空孔を設けることにより、ＭＩＳ電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇を抑制し、高温での速度特性の劣化を改善することも可能である。
またＭＩＳ電界効果トランジスタのソースドレイン領域と半導体基板間の容量を、空孔を設けることにより低減でき（空気とシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）との誘電率の相違で約１／４になる）、さらなるビット線容量の低減によるセンスアンプの検出能力の向上あるいは１本のビット線に接続できるメモリーセルを増加させることによる高集積化が可能である。
またソース領域に自己整合して積層型の電荷蓄積電極を形成できることによる高集積化が可能である。
またチャネル領域を形成する微細な半導体層に自己整合して、ＭＩＳ電界効果トランジスタの構成要素（低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜及び包囲型ゲート電極）及び放熱用且つビット線容量低減の空孔を微細に形成することも可能である。
また格子定数の小さなＳｉ層を、左右から格子定数の大きなＳｉＧｅ層により挟んだ構造の半導体層を形成することもできるため、左右のＳｉＧｅ層から歪みＳｉ層の格子定数を広げることが可能で、キャリアの移動度を増加させることができることによる、ＭＩＳ電界効果トランジスタの高速化が可能である。
また半導体層と金属層の化合物である、いわゆるメタルソースドレイン領域（サリサイド層）に形成することも可能で、ソースドレイン領域の抵抗を低減することにより高速化を可能にすることもできる。
また筒状構造の電荷蓄積電極の内側面及び外側面にキャパシタ絶縁膜を介してセルプレート電極(対向電極)を形成することも可能で、表面上の占有面積を増やすことなく、キャパシタ容量をほぼ２倍にできるため、センスアンプの検出能力を向上させることによる高性能化あるいは高集積化が可能となる。
即ち、高速大容量通信、携帯情報端末、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ包囲型ゲート電極及び空孔を有するＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを得ることができる。
本発明者は当該技術を、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長を利用した、絶縁膜上の包囲型ゲート電極及び空孔付きスタックキャパシタ型ＤＲＡＭ（ＳｔａｃｋｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒＴｙｐｅＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙｗｉｔｈＳｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇＧａｔｅａｎｄＣａｖｉｔｙＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造と命名し、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ（エスディーラムサッグコイン）と略称する。

本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の模式平面図本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の模式側断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の模式側断面図（ｑ−ｑ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の模式側断面図（ｒ−ｒ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の模式側断面図（ｓ−ｓ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｑ−ｑ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｑ−ｑ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｒ−ｒ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｒ−ｒ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第１の実施例の製造方法の工程断面図（ｐ−ｐ矢視断面図）本発明の半導体記憶装置における第２の実施例の模式側断面図（ビット線に沿う方向）本発明の半導体記憶装置における第３の実施例の模式側断面図（ビット線に沿う方向）本発明の半導体記憶装置における第４の実施例の模式側断面図（ビット線に沿う方向）本発明の半導体記憶装置における第５の実施例の模式側断面図（ビット線に沿う方向）本発明の半導体記憶装置における第６の実施例の模式側断面図（ビット線に沿う方向）従来の半導体記憶装置の模式側断面図

本願発明は、
（１）Ｓｉ基板上に選択的にＳｉ層を縦（垂直）方向にエピタキシャル成長させる。
（２）縦（垂直）方向エピタキシャルＳｉ層の側面の一部から絶縁膜上に横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層を成長させる。（第１段階の横（水平）方向エピタキシャル成長）
（３）チャネル部に相当する箇所のＳｉ層及びその周囲の絶縁膜を除去する開孔部を形成する。
（４）露出したＳｉ層の側面間にチャネル領域形成用のＳｉ層を成長する。（第２段階の横（水平）方向エピタキシャル成長）
（５）チャネル形成用のＳｉ層の周囲にゲート絶縁膜を介して包囲型ゲート電極を平坦に埋め込む。
（６）包囲型ゲート電極に自己整合してソースドレイン領域形成用のＳｉ層の一部及び直下の絶縁膜を除去する開孔部を形成する。
（７）露出した一部のソースドレイン領域形成用のＳｉ層とチャネル領域形成用のＳｉ層の側面間及び１対のチャネル領域形成用のＳｉ層の側面間に再度ソースドレイン領域形成用のＳｉ層を成長し、直下部に空孔を形成する。（第３段階の横（水平）方向エピタキシャル成長）
（８）包囲型ゲート電極に自己整合してソースドレイン領域を形成する。
等によりＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）を形成する。
（９）包囲型ゲート電極の側壁に形成されたサイドウォールに自己整合してソース領域が形成されたＳｉ層上に電荷蓄積電極を形成する。
（１０）電荷蓄積電極の全側面及び上面にキャパシタ絶縁膜を成長する。
（１１）キャパシタ絶縁膜を介して電荷蓄積電極に対向するセルプレート電極(対向電極)を形成する。
等の技術を使用して、
シリコン基板上にシリコン窒化膜が設けられ、シリコン窒化膜上には、選択的にシリコン酸化膜が設けられ、シリコン酸化膜上より、シリコン酸化膜が設けられていない領域上に延在して選択的に半導体層（第１、第２及び第３段階の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層からなる半導体層）が設けられ、
第２段階成長のＳｉ層の全周囲にはゲート酸化膜を介して、シリコン窒化膜上に包囲型ゲート電極（ワード線）が設けられ、包囲型ゲート電極の上面部の側壁にはサイドウォールが設けられ、直下に空孔を有する第３段階成長のＳｉ層には概略ｎ型及びｎ^＋型ソースドレイン領域が設けられている構造のＭＩＳ電界効果トランジスタが形成され（第１段階成長のＳｉ層にもｎ^＋型ソース領域の一部が設けられている）、ｎ^＋型ソース領域上にはバリアメタルを有する柱状構造の電荷蓄積電極が設けられ、電荷蓄積電極の全側面及び上部にはキャパシタ絶縁膜を介してセルプレート電極が設けられた構造からなるスタック型キャパシタが形成され、１つのＭＩＳ電界効果トランジスタ及び１つのスタック型キャパシタによりＤＲＡＭの１メモリーセルを構成し、ミラー反転した隣接する１メモリーセルとともに２メモリーセルを形成したものである。

以下本発明を図示実施例により具体的に説明する。
全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主要な絶縁膜のみに記載し、配線は若干の前後のずれを含んで描かれており、また発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向のサイズは正確な寸法を示していない。
図１〜図２２は本発明の半導体記憶装置の第１の実施例で、図１はＤＲＡＭのメモリーセルの模式平面図(一点鎖線で囲んだものがメモリーセル１つ分)、図２はビット線に沿う方向の模式側断面図(ｐ−ｐ矢視断面図)、図３はワード線に沿う方向の模式側断面図(ｑ−ｑ矢視断面図)、図４はワード線に平行方向で、ビット線の接続部の模式側断面図(ｒ−ｒ矢視断面図)、図５はワード線に平行方向で、キャパシタの模式側断面図(ｓ−ｓ矢視断面図)、図６〜図２２は製造方法の工程断面図である。

図１〜図５はシリコン（Ｓｉ）基板を使用し、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路の一部を示しており、１は１０^１５ｃｍ^−３程度のｐ型のシリコン（Ｓｉ）基板、２は１００ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、３は１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、４は５０ｎｍ程度の素子分離領域のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、５は空孔、６は１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型の第１段階の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層、７は１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型の第２段階の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層、８は１０^１７ｃｍ^−３程度のｐ型の第３段階の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層、９は埋め込みシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）（素子分離領域の一部）、１０は１０^２０ｃｍ^−３程度のｎ^＋型ソース領域、１１は５×１０^１７ｃｍ^−３程度のｎ型ソース領域、１２は５×１０^１７ｃｍ^−３程度のｎ型ドレイン領域、１３は１０^２０ｃｍ^−３程度のｎ^＋型ドレイン領域、１４は５ｎｍ程度のゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）、１５は長さ３５ｎｍ程度、厚さ１００ｎｍ程度の包囲型ゲート電極（ＷＳｉ、ワード線）、１６は２５ｎｍ程度のサイドウォール（ＳｉＯ_２）、１７は高さ３５０ｎｍ程度の電荷蓄積電極（選択化学気相成長タングステンシリサイド膜）、１８は１０ｎｍ程度のバリアメタル（ＴｉＮ）、１９は５ｎｍ程度のキャパシタ絶縁膜（Ｔａ_２Ｏ_５）、２０はセルプレート電極(対向電極、Ｗ)、２１は４００ｎｍ程度の燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）膜、２２は１００ｎｍ程度の燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）膜、２３は２０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、２４は１０ｎｍ程度のバリアメタル（ＴｉＮ）、２５は導電プラグ（Ｗ）、２６は５００ｎｍ程度の層間絶縁膜（ＳｉＯＣ）、２７は１０ｎｍ程度のバリアメタル（ＴａＮ）、２８は５００ｎｍ程度のＣｕ配線（Ｃｕシード層含む、ビット線）、２９は２０ｎｍ程度のバリア絶縁膜、ＢＬはビット線、ＷＬはワード線、ＳＣはスタック型キャパシタを示している。

図１はマトリックス状に形成されたＤＲＡＭのメモリーセルの模式平面図で、一点鎖線で囲まれたものがメモリーセル１つ分を示し、一部の太線は、絶縁膜上に形成されたエピタキシャル半導体層、エピタキシャル半導体層に形成されたソースドレイン領域及びエピタキシャル半導体層上に形成されたスタック型キャパシタを明確にするために誇張して示している。
図２〜図５においては、ｐ型のシリコン基板１上にシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２が設けられ、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２上には、選択的にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３が設けられ、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３上には素子分離領域のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４及びｐ型の一対のＳｉ層６が設けられ、一対のＳｉ層６にそれぞれ１側面を接してｐ型の一対の第１のＳｉ層８が設けられ、一対の第１のＳｉ層８にそれぞれ１側面を接してｐ型の一対のＳｉ層７が設けられ、一対のＳｉ層７間にｐ型の第２のＳｉ層８が挟まれている構造からなる半導体層が島状に絶縁分離されて設けられている。第１及び第２のＳｉ層８直下には空孔５が設けられ、一対のＳｉ層７の残りの周囲にはゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）１４を介して包囲型ゲート電極（ＷＳｉ）１５が設けられ、包囲型ゲート電極１５の上面部の側壁にはサイドウォール１６が設けられ、第１及び第２のＳｉ層８には、概略ｎ型ソースドレイン領域（１１、１２）及びｎ^＋型ソースドレイン領域（１０、１３）が設けられ（Ｓｉ層６にもｎ^＋型ソース領域１０が設けられている）、ｐ型のＳｉ層７には、概略チャネル領域が設けられている（実際にはｎ型ソースドレイン領域（１１、１２）が若干横方向拡散されている）構造からなる２つのＭＩＳ電界効果トランジスタが設けられ、またｎ^＋型ソース領域１０上には、バリアメタル（ＴｉＮ）１８を有する柱状構造の電荷蓄積電極（ＷＳｉ）１７が設けられ、電荷蓄積電極（ＷＳｉ）１７の全側面及び上部にはキャパシタ絶縁膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１９を介してセルプレート電極（Ｗ）２０が設けられた構造からなる２つのスタック型キャパシタが形成されている。１つのＭＩＳ電界効果トランジスタ及び１つのスタック型キャパシタによりＤＲＡＭの１メモリーセルが構成され、ミラー反転した隣接する１メモリーセルとともに２メモリーセルが形成されている。２メモリーセルにおいて、ｎ^＋型ドレイン領域１３を共通とし、この共通のｎ^＋型ドレイン領域１３にはバリアメタル（ＴｉＮ）２４を有する導電プラグ（Ｗ）２５を介してバリアメタル（ＴａＮ）２７を有するＣｕ配線２８からなるビット線が接続されている。また隣り合う包囲型ゲート電極１５どうしは直接接続され、ワード線を形成している。

したがって、通常の安価な半導体基板を使用して、半導体基板上に絶縁膜を介して完全空乏型の単結晶半導体層を設け、一部のＳｉ層の周囲にゲート酸化膜を介して包囲型ゲート電極を有するチャネル領域を設け、残りのＳｉ層にソースドレイン領域を設けたＳＯＩ構造のＭＩＳ電界効果トランジスタを有するＤＲＡＭを形成できるため、ソースドレイン領域の接合容量の低減（実質ゼロ）及び空乏層容量の低減によりビット線容量の低減化によるセンスアンプの検出能力の向上、薄膜の完全空乏型の半導体層にソースドレイン領域を形成できることによるα線ソフトエラー耐性の強化、ソースドレイン領域の耐圧改善及びサブスレッショルド特性の改善により、閾値電圧の低減化による低電力化等が可能である。
また成長するシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）の膜厚により、３段階形成するＳｉ層の膜厚を決定できるため、大口径ウエハーによる製造にも対応できる、完全空乏型（薄膜）のＳＯＩ構造の単結晶半導体層を容易に形成することが可能である。
また下地の絶縁膜の影響のない結晶性が良好なＳｉ層にのみチャネル領域を形成できるため、安定した特性を持つＳＯＩ構造のＭＩＳ電界効果トランジスタを形成することが可能である。
またゲート酸化膜を介して設けられたゲート電極によりＳｉ層を包囲して形成できるため、チャネル以外の電流経路を遮断でき、完全なチャネル制御が可能で、電流リーク（特にバックチャネルリーク）を防止でき、蓄積電荷の消失を低減できることによる保持特性の改善（リフレッシュ動作の緩和）、また４面（上下面及びチャネル幅方向の２側面）にチャネルを形成できるため、表面(上面)の占有面積を増やすことなくチャネル幅を増加できるため、駆動電流を増加させることによる高速化が可能である。
またＳＯＩ構造の半導体層に形成したソースドレイン領域下に放熱用の空孔を設けることにより、ＭＩＳ電界効果トランジスタの高速化によって発生する熱による温度上昇を抑制し、高温での速度特性の劣化を改善することも可能である。
またＭＩＳ電界効果トランジスタのソースドレイン領域と半導体基板間の容量を、空孔を設けることにより低減でき（空気とシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）との誘電率の相違で約１／４になる）、さらなるビット線容量の低減によるセンスアンプの検出能力の向上あるいは１本のビット線に接続できるメモリーセルを増加させることによる高集積化が可能である。
またソース領域に自己整合して積層型の電荷蓄積電極を形成できることによる高集積化が可能である。
またチャネル領域を形成する微細なＳｉ層に自己整合して、ＭＩＳ電界効果トランジスタの構成要素（低濃度及び高濃度のソースドレイン領域、ゲート酸化膜及び包囲型ゲート電極）及び放熱用且つビット線容量低減の空孔を微細に形成することも可能である。
即ち、高速大容量通信、携帯情報端末、各種電子機械機器、宇宙関連機器等に対応可能な半導体集積回路の製造を可能とする、高速、高信頼、高性能及び高集積を併せ持つ包囲型ゲート電極及び空孔を有するＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを得ることができる。

次いで本発明に係る半導体装置における第１の実施例の製造方法について図２〜図２２を参照して説明する。ビット線に沿う方向の模式側断面図(ｐ−ｐ矢視断面図)、を用いて説明するが、主要な工程においてはワード線に沿う方向の模式側断面図(ｑ−ｑ矢視断面図)、ワード線に平行方向で、ビット線の接続部の模式側断面図(ｒ−ｒ矢視断面図)及びワード線に平行方向で、キャパシタの模式側断面図(ｓ−ｓ矢視断面図)も適宜追加して説明する。ただし、ここでは本発明の半導体記憶装置の形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製造方法の記述は省略する。

図６（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
化学気相成長により、ｐ型のシリコン基板１上にシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２を１００ｎｍ程度成長する。次いで化学気相成長により、１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３を成長する。次いで化学気相成長により、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４を５０ｎｍ程度成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３及びシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト（図示せず）を除去する。

図７（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いで露出したｐ型のシリコン基板１上にｐ型の縦（垂直）方向エピタキシャルＳｉ層３０を成長する。次いで化学的機械研磨（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ以後ＣＭＰと略称）し、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４の平坦面より突出したｐ型の縦（垂直）方向エピタキシャルＳｉ層３０を平坦化する。次いで選択化学気相成長法により５０ｎｍ程度のタングステン膜３１を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いでレジスト（図示せず）を除去する。

図８（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いで露出したｐ型の縦（垂直）方向エピタキシャルＳｉ層３０の側面にｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層６（第１段階の横（水平）方向エピタキシャル成長）を成長し、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４の開孔部を埋め込む。ここで残されたシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４は素子分離領域となる。

図９（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いでｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層６の表面を９００℃程度で酸化し、２０ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）（図示せず）を成長する。次いで熱酸化したシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）（図示せず）及びシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４をマスク層として、タングステン膜３１及びｐ型の縦（垂直）方向エピタキシャルＳｉ層３０を順次異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。次いで化学気相成長により、６０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）９を成長する。次いでシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４及びＳｉ層６の平坦面上のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）９及び熱酸化したシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）（図示せず）を化学的機械研磨（ＣＭＰ）し、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）９を開孔部に平坦に埋め込む。（この領域も素子分離領域の一部となる。）

図１０（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)及び図１１（ワード線に沿う方向、ｑ−ｑ矢視断面図)
次いで化学気相成長により、１００ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３２を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３２、ｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層６、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４及びシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３を選択的に順次異方性ドライエッチングし、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２の一部を露出する開孔部を形成する。この際シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２がエッチングのストッパー膜となる。次いでレジスト（図示せず）を除去する。（図１１における破線は、紙面の奥のＳｉ層６を示している。）

図１２（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)及び図１３（ワード線に沿う方向、ｑ−ｑ矢視断面図)
次いで露出したｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層６の側面間にｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層７を成長し、下部に空孔を有するＳｉ層７（第２段階の横（水平）方向エピタキシャル成長）を形成する。（この際、空孔直上は下地の影響が全くない単結晶シリコン層となる。）次いで露出しているＳｉ層７の全周囲を酸化し、５ｎｍ程度のゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）１４を成長する。次いでＳｉ層７に閾値電圧制御用の硼素のイオン注入をおこなう。次いで化学気相成長により、ゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）１４の全周囲を含む全面に、開孔部を完全に埋め込むように１００ｎｍ程度のタングステンシリサイド膜（ＷＳｉ）を成長する。次いで化学的機械研磨（ＣＭＰ）し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３２上に成長したタングステンシリサイド膜（ＷＳｉ）を除去し、平坦化する。こうして開孔部に平坦に埋め込まれた包囲型ゲート電極（ＷＳｉ）１５が形成される。

図１４（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)及び図１５（ワード線に平行方向、ｒ−ｒ矢視断面図)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）及び包囲型ゲート電極１５をマスク層として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３２、Ｓｉ層６及びシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３を選択的に順次異方性ドライエッチングし、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２の一部を露出する開孔部を形成する。この際シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２がエッチングのストッパー膜となる。次いでレジスト（図示せず）を除去する。（図１５における破線は、紙面の奥のＳｉ層７を示している。）

図１６（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)及び図１７（ワード線に平行方向、ｒ−ｒ矢視断面図)
次いで露出したＳｉ層６とＳｉ層７の側面間及び１対のＳｉ層７の側面間にｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層８を成長し、下部に空孔５を有するＳｉ層８（第３段階の横（水平）方向エピタキシャル成長）を形成する。

図１８（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いでシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３２をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、５ｎｍ程度のイオン注入用のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２、図示せず）を成長する。次いで包囲型ゲート電極（ＷＳｉ）１５をマスク層として、ｎ型ソースドレイン領域（１１、１２）形成用の燐のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２、図示せず）をエッチング除去する。次いで化学気相成長により、２５ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）を成長する。次いで全面異方性ドライエッチングし、包囲型ゲート電極（ＷＳｉ）１５の上面部の側壁にのみサイドウォール（ＳｉＯ_２）１６を形成する。次いで化学気相成長により、５ｎｍ程度のイオン注入用のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２、図示せず）を成長する。次いでサイドウォール（ＳｉＯ_２）１６及び包囲型ゲート電極（ＷＳｉ）１５をマスク層として、ｎ^＋型ソースドレイン領域（１０、１３）形成用の砒素のイオン注入をおこなう。次いでイオン注入用のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２、図示せず）をエッチング除去する。次いでＲＴＰ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）法によりアニールをおこない、ｎ型ソースドレイン領域（１１、１２）及びｎ^＋型ソースドレイン領域（１０、１３）を形成する。

図１９（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いで化学気相成長により、５ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３３を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３３を選択的に異方性ドライエッチングし、ｎ^＋型ドレイン領域１３及び包囲型ゲート電極１５上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３３を残す。次いでレジスト（図示せず）を除去する。次いで露出したｎ^＋型ソース領域１０上に選択化学気相成長法により３５０ｎｍ程度のタングステンシリサイド膜１７を成長する。次いでサイドウォール（ＳｉＯ_２）１６に接している濡れ性の悪いタングステンシリサイド膜１７を１０ｎｍ程度等方性ドライエッチングする。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるＴｉＮ１８を１０ｎｍ程度成長する。次いで全面異方性ドライエッチングし、タングステンシリサイド膜１７の側壁にのみバリアメタル（ＴｉＮ）１８を残す。こうして絶縁膜に対して密着性の良い、バリアメタル（ＴｉＮ）１８を有するタングステンシリサイド膜（電荷蓄積電極）１７を形成する。

図２０（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いで化学気相成長により、５ｎｍ程度のキャパシタ絶縁膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１９を成長する。次いで化学気相成長により、４００ｎｍ程度のタングステン（Ｗ）２０を成長する。次いで化学的機械研磨（ＣＭＰ）し、平坦化する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、タングステン（Ｗ）２０、キャパシタ絶縁膜（Ｔａ_２Ｏ_５）１９及びシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）３３を順次異方性ドライエッチングし、セルプレート電極(対向電極、Ｗ)２０を形成する。次いでレジスト（図示せず）を除去する

図２１（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いで化学気相成長により、４００ｎｍ程度のＰＳＧ膜２１を成長する。次いでセルプレート電極(対向電極、Ｗ)２０上のＰＳＧ膜２１を化学的機械研磨（ＣＭＰ）し、平坦化する。次いで化学気相成長により、１００ｎｍ程度のＰＳＧ膜２２を成長する。次いで化学気相成長により、２０ｎｍ程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２３を成長する。

図２２（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)
次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２３、ＰＳＧ膜２２及びＰＳＧ膜２１を順次異方性ドライエッチングし、ビアを形成する。次いでレジスト（図示せず）を除去する。次いでスパッタにより、バリアメタルとなるＴｉＮ２４を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン（Ｗ）２５を成長する。次いで化学的機械研磨（ＣＭＰ）により、ビアに平坦に埋め込み、バリアメタル（ＴｉＮ）２４を有する導電プラグ（Ｗ）２５を形成する。

図２（ビット線に沿う方向、ｐ−ｐ矢視断面図)、図３（ワード線に沿う方向、ｑ−ｑ矢視断面図)、図４（ワード線に平行方向、ｒ−ｒ矢視断面図)及び図５（ワード線に平行方向、ｓ−ｓ矢視断面図)
次いで化学気相成長により、５００ｎｍ程度の層間絶縁膜（ＳｉＯＣ）２６を成長する。次いで露光描画装置による通常のリソグラフィー技術を利用し、レジスト（図示せず）をマスク層として、層間絶縁膜（ＳｉＯＣ）２６を異方性ドライエッチングし、開孔部を形成する。（この際、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２３がエッチングストッパー膜となる。）次いでレジスト（図示せず）を除去する。次いで化学気相成長により、１０ｎｍ程度のバリアメタル（ＴａＮ）２７を成長する。次いでスパッタにより、Ｃｕシード層を成長する。次いで電解メッキ法により５００ｎｍ程度のＣｕを成長する。次いで化学的機械研磨（ＣＭＰ）し、開孔部にＣｕを平坦に埋め込み、バリアメタル（ＴａＮ）２７を有するＣｕ配線２８を形成する。次いで化学気相成長により、Ｃｕのバリア絶縁膜となるシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）２９を成長し、本願発明の３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタにより構成したＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路を完成する。

図２３はシリコン（Ｓｉ）基板を使用し、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路の一部を示しており、１〜２９は図２（ただしビット線に沿う方向の側断面図であるため２６は描かれていない）と同じ物を、３４はサリサイド層（ＣｏＳｉ_２）を示している。
同図においては、メタルソースドレインとなるサリサイド層（ＣｏＳｉ_２）が形成されていること以外は図２とほぼ同じ構造の包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルが形成されている。
本実施例においては第１の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、製造方法はやや複雑になるが、ソースドレイン領域の抵抗を低減できるため、より高速化が可能である。

図２４はシリコン（Ｓｉ）基板を使用し、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路の一部を示しており、１〜５、９〜２９は図２（ただしビット線に沿う方向の側断面図であるため２６は描かれていない）と同じ物を、３５はｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉＧｅ層（第１段階成長の半導体層）、３６はｐ型の横（水平）方向エピタキシャル歪みＳｉ層（第２段階成長の半導体層）、３７はｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉＧｅ層（第３段階成長の半導体層）を示している。
同図においては、Ｓｉ層６及びＳｉ層８がそれぞれＳｉＧｅ層３５及びＳｉＧｅ層３７に置き換わり、Ｓｉ層７が歪みＳｉ層３６に置き換わって形成されていること以外は図２とほぼ同じ構造の包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルが形成されている。
本実施例においては第１の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、また格子定数の小さなＳｉ層を、左右から格子定数の大きなＳｉＧｅ層により挟んだ構造の半導体層を形成できるため、左右のＳｉＧｅ層から歪みＳｉ層（チャネル領域）の格子定数を広げることが可能で、キャリアの移動度を増加させることができるので、より高速化が可能である。

図２５はシリコン（Ｓｉ）基板を使用し、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路の一部を示しており、１〜２９は図２（ただしビット線に沿う方向の側断面図であるため２６は描かれていない）と同じ物を示している。
同図においては、２つメモリーセルに対し共通のビット線を接続するドレイン領域上に、バリアメタルを有する選択気相成長タングステン膜（ただしこちらは電荷蓄積電極ではない）が形成されていること以外は図２とほぼ同じ構造の包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルが形成されている。
本実施例においては第１の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、またビット線抵抗を低減できるため、より高速化が可能である。

図２６はシリコン（Ｓｉ）基板を使用し、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路の一部を示しており、１〜２９は図２（ただしビット線に沿う方向の側断面図であるため２６は描かれていない）と同じ物を示している。
同図においては、ｎ型ドレイン領域１２及びｎ^＋型ドレイン領域１３が形成されているＳｉ層８の直下部にのみ空孔５が形成され、ｎ型ソース領域１１及びｎ^＋型ソース領域１０は直下部に空孔が形成されていないＳｉ層６に形成されていること以外は図２とほぼ同じ構造の包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルが形成されている。
本実施例においては第１の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、多少なりとも電荷蓄積電極側の蓄積容量を増すことができるため、センスアンプの検出能力を向上させることが可能である。

図２７はシリコン（Ｓｉ）基板を使用し、３段階横（水平）方向エピタキシャル成長による、ＳＤＲＡＭＳＵＧＣＯＩＮ構造に形成した包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルを含む半導体集積回路の一部を示しており、１〜１６、１９〜２９は図２（ただしビット線に沿う方向の側断面図であるため２６は描かれていない）と同じ物を、３８は筒状構造の電荷蓄積電極（ＴｉＮ）を示している。
同図においては、バリアメタルを有する選択気相成長タングステン膜からなる電荷蓄積電極の替りに筒状構造の電荷蓄積電極が形成されていること以外は図２とほぼ同じ構造の包囲型ゲート電極及び空孔を有するＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタ（トランスファーゲート）及びスタック型キャパシタからなるＳＯＩ構造のＤＲＡＭのメモリーセルが形成されている。
本実施例においては第１の実施例とほぼ同じ効果を得ることができ、また筒状構造の電荷蓄積電極の内側面及び外側面にキャパシタ絶縁膜を介してセルプレート電極(対向電極)を形成できるため、表面上の占有面積を増やすことなく、キャパシタ容量をほぼ２倍にできることにより、高性能化あるいは高集積化が可能となる。（図２の柱状構造の選択気相成長タングステン膜を除去したあとのバリアメタル（ＴｉＮ）を電荷蓄積電極とし、キャパシタ絶縁膜を介してセルプレート電極(対向電極)を形成すれば自己整合して筒状構造の電荷蓄積電極を有するキャパシタの形成は可能である。）

上記実施例においては、半導体層を成長させる場合に化学気相成長を使用しているが、これに限定されず、分子線成長法（ＭＢＥ）によっても、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によっても、原子層結晶成長法（ＡＬＥ）によっても、また他のいかなる結晶成長法を利用してもよい。
上記実施例のすべては、ＮチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタを形成する場合について記載しているが、ＰチャネルのＭＩＳ電界効果トランジスタを形成してもよい。
またゲート電極、ゲート酸化膜、バリアメタル、導電プラグ、電荷蓄積電極、キャパシタ絶縁膜、セルプレート電極(対向電極)、配線、絶縁膜等は上記実施例に限定されず、同様の特性を有する材料であればどのような材料を使用してもよい。
また上記実施例においては、ＤＲＡＭのメモリーセルパターン形状に関し、極めて単純な長方形及び直方体のパターンを使用しているが、これに限定されず、さらに高集積化が可能なパターン形状を使用してもよい。
また上記実施例においては、サイドウォール部以外のソース領域上に自己整合して電荷蓄積電極を形成しているが、これには限定されず、マスク工程を使用することにより、どのようなキャパシタを形成してもよい。

本願発明のＳＯＩ基板に形成したＭＩＳ電界効果トランジスタのチャネル領域は、すべてＳｉ半導体層で形成しているが、化合物半導体層によるＳＯＩ（この場合は、広義のＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒを意味する）構造にＭＩＳ電界効果トランジスタのチャネル領域を形成することも可能である。
また本願発明のトランスファーゲートとしての構造は、ＭＩＳ電界効果トランジスタばかりでなく、他の電界効果トランジスタ、液晶用のＴＦＴ（ＴｈｉｎＦｉｌｍＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等に利用できる可能性がある。
また本発明の半導体記憶装置はＤＲＡＭとしてばかりでなく、システムＬＳＩに搭載される半導体記憶装置として使用することも可能である。

１ｐ型のシリコン（Ｓｉ）基板
２シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）
３シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）
４素子分離領域のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）
５空孔
６ｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層（第１段階成長の半導体層）
７ｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層（第２段階成長の半導体層）
８ｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉ層（第３段階成長の半導体層）
９埋め込みシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）
１０ｎ^＋型ソース領域
１１ｎ型ソース領域
１２ｎ型ドレイン領域
１３ｎ^＋型ドレイン領域
１４ゲート酸化膜（ＳｉＯ_２）
１５ゲート電極（ＷＳｉ）
１６サイドウォール（ＳｉＯ_２）
１７電荷蓄積電極（Ｗ）
１８バリアメタル（ＴｉＮ）
１９キャパシタ絶縁膜（Ｔａ_２Ｏ_５）
２０セルプレート電極(対向電極、Ｗ)
２１燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）膜
２２燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）膜
２３シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）
２４バリアメタル（ＴｉＮ）
２５導電プラグ（Ｗ）
２６層間絶縁膜（ＳｉＯＣ）
２７バリアメタル（ＴａＮ）
２８Ｃｕ配線（Ｃｕシード層含む）
２９バリア絶縁膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）
３０ｐ型の縦（垂直）方向エピタキシャルＳｉ層
３１選択化学気相成長導電膜（Ｗ）
３２シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）
３３シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）
３４サリサイド層（ＣｏＳｉ_２）
３５ｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉＧｅ層（第１段階成長の半導体層）
３６ｐ型の横（水平）方向エピタキシャル歪みＳｉ層（第２段階成長の半導体層）
３７ｐ型の横（水平）方向エピタキシャルＳｉＧｅ層（第３段階成長の半導体層）
３８筒状構造の電荷蓄積電極（Ｗ）

Claims

半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に選択的に設けられた第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上より、前記第２の絶縁膜が設けられていない領域上に延在して選択的に設けられた半導体層と、前記半導体層の一部の全周囲にゲート絶縁膜を介し、前記第１の絶縁膜上に設けられた包囲構造のゲート電極と、前記ゲート電極に自己整合し、前記半導体層に設けられた、直下に空孔を有するソースドレイン領域とからなるＭＩＳ電界効果トランジスタと、前記ソース領域（あるいはドレイン領域）上に設けられた電荷蓄積電極と、前記電荷蓄積電極の側面及び上部にキャパシタ絶縁膜を介して設けられたセルプレート電極(対向電極)とからなるスタック型キャパシタとを備えてなることを特徴とする半導体記憶装置。
前記半導体層が歪み構造を有し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。