JP2013504179A - 階層ビット線を有する半導体メモリ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 DRAMメモリセルのセル容量に記憶されたデータの検出に使用されるセンス増幅器に、より短いビット線を配線すること。
【解決手段】 ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)素子は、異なる金属層に形成されたローカルビット線およびグローバルビット線を有する階層ビット線構造を有する。ローカルビット線は、複数のローカルビット線区分に分けられ、ビット線絶縁スイッチが、ローカルビット線区分を、グローバルビット線に接続するように、またはグローバルビット線から切断するように構成される。その結果、長さ当たりでより低い静電容量を有するグローバルビット線が、メモリセルのセル容量から離れたセンス増幅器への信号のルーティングに使用されるため、長さ当たりでより高い静電容量を有するローカルビット線を短くすることができる。
【選択図】 図2

Description

背景
本開示は、階層ビット線を有するダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)素子に関する。
DRAMのフィーチャサイズがさらに縮小するにつれて、DRAMメモリセルのセル容量に対するビット線の寄生容量の比率を低く保つために、DRAMメモリセルをアドレス指定するビット線も短くなりつつある。したがって、DRAMメモリセルのセル容量に記憶されたデータの検出に使用されるセンス増幅器に、より短いビット線を配線することが技術的な課題となっている。
一実施形態によるDRAMメモリセルアレイの構造を示す。 一実施形態によるDRAMメモリセルの断面図である。 一実施形態によるDRAMメモリセルを製造するプロセスを示す。 一実施形態によるDRAMメモリセルを製造するプロセスを示す。 一実施形態によるDRAMメモリセルを製造するプロセスを示す。 一実施形態によるDRAMメモリセルを製造するプロセスを示す。 一実施形態によるDRAMメモリセルを製造するプロセスを示す。
実施形態の詳細な説明
本開示の実施形態は、異なる金属層に形成されたローカルビット線およびグローバルビット線を有する階層ビット線構造を有するダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)素子を提供する。ローカルビット線は、複数のローカルビット線区分に分離され、ビット線絶縁スイッチが、関連付けられたグローバルビット線にローカルビット線区分を接続または切断するように形成され構成される。より具体的には、一実施形態では、DRAMは、複数のワード線、それぞれが複数のローカルビット線区分を含む複数のローカルビット線、ワード線とローカルビット線との交点にある複数のメモリセルであって、各メモリセルがセルアクセストランジスタおよびセル容量を含み、各ローカルビット線区分が所定数のメモリセルのセルアクセストランジスタに結合される、複数のメモリセル、それぞれがローカルビット線のうちの1つに関連付けられた複数のグローバルビット線、ならびにそれぞれがローカルビット線区分のうちの1つに関連付けられ、関連付けられたローカルビット線区分をグローバルビット線のうちの1つに接続するように構成された複数のビット線絶縁スイッチを備える。本明細書における実施形態によるDRAMを使用する場合、長さ当たりでより低い静電容量を有するグローバルビット線が、信号をメモリセルのセル容量からDRAM素子の離れたセンス増幅器にルーティングするために使用されるため、長さ当たりでより高い静電容量を有するローカルビット線をより短くすることができる。
これより、例が添付図に示される本開示のいくつかの実施形態を参照する。実際的に同様または同じような参照番号が、図において使用可能な場合は常に、同様または同じような機能を示し得ることに留意する。図は、例示のみを目的として本開示の実施形態を示す。以下の説明から、本明細書において説明される開示の原理から逸脱せずに、本明細書に示される構造および方法の代替の実施形態を利用し得ることを当業者は容易に認識するであろう。
図1は、一実施形態によるDRAMメモリセルアレイの構造を示す。DRAM100は、ローカルビット線(例えば、ローカルビット線110)とワード線116、118、120との交点に配置された複数のメモリセルを含む。例えば、セルアクセストランジスタ102およびセル容量262は1つのメモリセルを形成し、セルアクセストランジスタ104およびセル容量264は別のメモリセルを形成し、セルアクセストランジスタ106およびセル容量266はさらに別のメモリセルを形成し、これらはすべてローカルビット線110に接続される。セル容量262、264、266の一端部は、セルアクセストランジスタ102、104、106に結合され、他端部はプレートコンタクト(例えば、プレートコンタクト122)に結合される。
図1の実施形態によるDRAMは、階層ビット線構造を利用する。すなわち、各ローカルビット線110には、ローカルビット線110と略平行して配置される対応するグローバルビット線114が付随する。図2においてより詳細に示されるように、ローカルビット線110は、グローバルビット線114が形成される金属層とは異なる金属層に製造される。ローカルビット線110には、セルアクセストランジスタ102、104、106の接合静電容量およびグローバルビット線114とセルプレートコンタクト122との寄生容量も装荷されるため、他のグローバルビット線の近傍ワイヤならびにグローバルビット線114が形成される金属層の上下の金属レベルへの静電容量のみを有するグローバルビット線114の典型的な長さ当たりの静電容量(0.3pF/mm)よりも大きな長さ当たりの静電容量(例えば、80fF/100μm=0.8pF/mm)を有する。
図2を参照してより詳細に後述するように、ローカルビット線110は複数の区分に分けられ、各ビット線区分110は、特定数のみのメモリセルに結合される。図1の実施形態では、ビット線区分110は、セルアクセストランジスタ102、104、106を介して3つのメモリセルに接続される。他のメモリセルは、ローカルビット線の他の区分(図1に示されず)に接続される。さらに、ビット線絶縁スイッチ108が、必要に応じてグローバルビット線114にローカルビット線区分110を接続または切断するために追加される。ローカルビット線区分110およびグローバルビット線114のペア毎に1つのビット線絶縁スイッチ108があり、したがって、ビット線絶縁スイッチはピッチ上に形成される。すなわち、ローカルビット線110自体と同じ密度でDRAMメモリセルアレイ上に詰められる。ビット線絶縁スイッチ108がオンになると、ローカルビット線区分110はグローバルビット線114に接続される。しかし、ビット線絶縁スイッチ108がオフになると、ローカルビット線区分110およびグローバルビット線114は、互いに電気的に切断される。
少なくとも1つのビット線絶縁スイッチ108は、ローカルビット線110のあらゆるビット線区分とグローバルビット線114との間に接続され、関連付けられたローカルビット線区分110をグローバルビット線114に接続することに関与する。ローカルビット線110とは異なり、グローバルビット線114は複数の区分に分けられないことに留意する。すなわち、単一のグローバルビット線114が、ローカルビット線の複数の区分110に結合されたすべてのメモリセルと並行して使用される。もちろん、DRAM100の異なる列アドレス上の異なるローカルビット線に対応する複数のグローバルビット線が存在する。
各セルアクセストランジスタ102、104、106は、関連付けられたワード線116、118、120で論理ハイ電圧をアサートすることによりオンにすることができる。ワード線116、118、120の選択は、DRAM100の行アドレスに基づく。同様に、ビット線絶縁スイッチ108は、関連付けられたスイッチ線122で論理ハイ電圧をアサートすることによりオンにすることができる。DRAM100上の制御回路(ここでは図示せず)は、駆動中のワード線116、118、120に対応する行アドレスから明らかである、ローカルビット線のどの区分110がデータを読み取るために現在駆動中であるかに基づいて、ローカルビット線区分110をグローバルビット線114に接続するために、どのスイッチ122をアクティブ化するかを決定する。現在駆動中のメモリセルを含むローカルビット線区分110に接続されたビット線絶縁スイッチ108のみがオンにされて、そのローカルビット線区分110をグローバルビット線114に接続する。他のローカルビット線区分に対応する他のビット線絶縁スイッチは、オフにされる。
セル容量102、104、106に記憶されているデータを検出するセンス増幅器は、ローカルビット線区分110ではなくむしろグローバルビット線114に結合される。DRAMメモリセル(例えば、トランジスタ102および容量262ら構成されるメモリセル)から読み出されたデータは、メモリセルから、メモリセルが配置されているローカルビット線110の対応する区分に渡され、次に、ビット線絶縁スイッチ108および抵抗性ビア導電体124を介してグローバルビット線114に渡される。このようにして、長さ当たりでより低い静電容量を有するグローバルビット線114が、セル容量102、104、106から離れたセンス増幅器への信号のルーティングに使用されるため、長さ当たりでより高い静電容量を有するローカルビット線110を短くすることができる。配線の長さの大部分をなすグローバルビット線114が長さ当たりで低い静電容量を有するため、通常、DRAM素子上で大きなスペースを占めるセンス増幅器を、DRAMから読み出される信号の完全性に悪影響を及ぼすことなく、メモリセルから離れて配置することもできる。その結果、多数のセンス増幅器をローカルビット線110の近傍に配置する必要がない。
図2は、一実施形態によるDRAMメモリセルの断面図である。図2の断面図は、ビット線のうちの1つに沿ったDRAMメモリセルの構造に対応する。ハッチングなしで示される図2の特徴が、基板260を除き、二酸化ケイ素等の絶縁材料に対応することに留意する。
DRAMは、ビット線とワード線との交点に配置される複数のメモリセルを含む。例えば、セルアクセストランジスタ102およびセル容量262は1つのメモリセルを形成し、セルアクセストランジスタ104およびセル容量264は別のメモリセルを形成し、セルアクセストランジスタ106およびセル容量266はさらに別のメモリセルを形成し、これらはすべてローカルビット線区分110に接続される。セル容量262、264、266の一端部は、セルアクセストランジスタ102、104、106に結合され、他端部はセルプレート122に結合される。例えば、セル容量262は、セルプレート電極112、容量誘電体212、および容量電極214からなり、容量コンタクト272を介してセルアクセストランジスタ102に接続される。別の例では、セルアクセストランジスタ102は、基板260に形成されるトランジスタ拡散領域226、228からなり、セルアクセストランジスタ102のゲート電極として機能するワード線116に印加される電圧に従ってオンまたはオフにされる。セルアクセストランジスタ102、104、106は、ビット線コンタクト(例えば、ビット線コンタクト274)を介してローカルビット線区分110に接続される。ローカルビット線区分110は、ビット線コンタクト276を介してビット線絶縁スイッチ108にも結合される。
ビット線絶縁スイッチ108は、セルアクセストランジスタ102、104、106を形成するものと同じタイプのトランジスタ拡散234、240を使用して製造される。ビット線絶縁スイッチ108は、ビア導電体124を通して、オンされるか、それともオフされるかに応じて、グローバルビット線114に対してローカルビット線区分110(およびローカルビット線区分110に接続されたセルアクセストランジスタ102、104、106)を接続または切断する。ビット線絶縁スイッチ108は、関連付けられたスイッチ線122での論理ハイ電圧をアサートすることによりオンにすることができる。ビア導電体124は、DRAMセルに存在する典型的な容量開口部に製造することができるが、容量誘電体を導電材料で置換することにより製造することができる。ビア導電体124は、DRAM素子の製造中にどのみち利用可能な金属レベルで、または製造プロセス中に別の金属レベルを追加することにより製造することができる。したがって、ビット線絶縁スイッチ108とビア導電体124との組み合わせは、セルアクセストランジスタおよびセル容量から構成される典型的なDRAMメモリセルが占めるスペースを超える基板260上のスペースを占めず、DRAM製造プロセスのコストをそれ程追加しない。
図2の実施形態は、1つのローカルビット線区分110およびビット線絶縁スイッチ108に結合された3つのメモリセルならびに2つのローカルビット線区分110、210が1つのグローバルビット線114に対応する例を示すが、これは単に説明を簡単にするためである。実際のDRAM用途では、異なる数のメモリセルを1つのローカルビット線区分およびビット線絶縁スイッチに結合することができ、異なる数のローカルビット線区分が1つのグローバルビット線に対応することができる。例えば、実際のDRAM用途では、256ビットまたは512ビットに対応するグローバルビット線の長さは、3〜5つのビット線区分に対応することができ、おおよそ50〜180個のメモリセルをこれらのローカルビット線区分のそれぞれ1つに接続することができる。グローバルビット線毎に3つよりも少数(例えば、1または2つ)のローカルビット線区分を有すると、各ローカルビット線区分の長さが対応するグローバルビット線の長さに近すぎるようになるため、所望のビット線静電容量よりも高くなり得る。他方、グローバルビット線毎に多すぎるローカルビット線区分(例えば、10、11、12、または13)を有しても、これらの多くのローカルビット線区分を対応するグローバルビット線に接続するために必要な追加のビット線絶縁スイッチが必要とする長さオーバーヘッドにより、所望のビット線静電容量よりも高くなり得る。
DRAM構造の他方の側に、別のローカルビット線区分210が、ローカルビット線区分110から電気的に分離されて(切断されて)形成される。ローカルビット線区分210は、セルアクセストランジスタ282およびセル容量288から構成されるメモリセル、ローカルビット線区分、セルアクセストランジスタ284およびセル容量286から構成される別のメモリセル、ならびにさらに他のメモリセル(図示せず)に結合される。別のビット線絶縁スイッチ(図2に示されず)は、ローカルビット線区分210(およびローカルビット線区分210に接続されたセルアクセストランジスタ282、284)をグローバルビット線114に接続する。
図2に示されるように、ローカルビット線区分110、210は、グローバルビット線114が形成される金属層とは異なる金属層に製造される。ローカルビット線110、210は、グローバルビット線114の典型的な長さ当たりの静電容量(0.3pF/mm)よりも大きな長さ当たりの静電容量(例えば、80fF/100μm=0.8pF/mm)を有する。
DRAM上の制御回路(ここでは図示せず)が、どのメモリセルおよびビット線絶縁スイッチが読み出し動作または書き込み動作のために駆動するかを決定する。例えば、容量262およびセルアクセストランジスタ102から構成されるメモリセルからのデータを読み出すべき場合、DRAMコントローラは、ワード線116を論理ハイ電圧に駆動する。ワード線116に対応する行数に基づいて、DRAMコントローラは、セルアクセストランジスタ102が接続されたローカルビット線区分110に対応するスイッチ線122をオンにすべきであり、したがって、スイッチ線122も同様に論理ハイ電圧に駆動することを決定する。その結果、セルアクセストランジスタ102およびビット線絶縁スイッチ108がオンになる。セル容量262に蓄えられた電荷が読み出され、容量コンタクト272、トランジスタ拡散226、トランジスタ拡散228、ビット線コンタクト274、ローカルビット線区分110、ビット線コンタクト276、トランジスタ拡散234、トランジスタ拡散240、ビア導電体278、下部コンタクト236、ビア導電体124、上部コンタクト206を含む経路を通ってグローバルビット線114に渡される。上述したように、センス増幅器(図2に示されず)は、グローバルビット線114に結合され、セル容量262から読み出されたデータを検出する。
DRAMセルへの書き込み動作も同様にして実行される。例えば、データを容量262およびセルアクセストランジスタ102から構成されるメモリセルに書き込むべき場合、DRAM素子上の制御回路(図示せず)は、ワード線116を論理ハイ電圧に駆動する。ワード線116に対応する行数に基づいて、DRAMコントローラは、セルアクセストランジスタ102が接続されたローカルビット線区分110に対応するスイッチ線122をオンにすべきであり、したがって、スイッチ線122も同様に論理ハイ電圧に駆動することも決定する。その結果、セルアクセストランジスタ102およびビット線絶縁スイッチ108もオンになる。容量262に電荷として蓄えるべき書き込みデータは、メモリコントローラからグローバルビット線114、上部コンタクト206、ビア導電体124、下部コンタクト236、ビアコンタクト278、トランジスタ拡散240、トランジスタ拡散234、ビット線コンタクト276、ローカルビット線区分110、ビット線コンタクト274、トランジスタ拡散228、トランジスタ拡散226、および容量コンタクト272に駆動される。
図2に示されるように、より高い長さ当たりの静電容量を有するローカルビット線区分110、210をより短くする一方で、より低い長さ当たりの静電容量を有するグローバルビット線114をより長くし、セル容量262、264、266から離れたセンス増幅器(図2に示されず)への信号のルーティングに使用される。配線の長さの大部分をなすグローバルビット線114が低い長さ当たりの静電容量を有するため、通常、DRAM素子上で大きなスペースを占めるセンス増幅器は、グローバルビット線レベルで、DRAMから読み出される信号の完全性に悪影響を及ぼすことなく、メモリセルから離れて製造される。その結果、多数のセンス増幅器をローカルビット線区分110、210の近傍に配置する必要がない。本明細書における実施形態によるDRAMは、より少数のセンス増幅器で、かつ有効ビット線長の増大によりコストを低減して、またはビット線静電容量を低減し、同じビット線長での性能を増強させて製造することができる。ビア導電体124を形成する追加の金属層およびプロセスステップが必要であり得るが、恩恵は、ビア導電体124の形成で発生する追加コストを凌駕する。
図3A、図3B、図3C、図3D、および図3Eは、一実施形態によるDRAMメモリセルを製造するプロセスを示す。図3Aを参照すると、セルアクセストランジスタおよびゲート絶縁スイッチゲートおよび拡散(例えば、ワード線218およびトランジスタ拡散230)が、チャネルドープの埋め込み、ゲートスタックの構築およびパターニング、ならびに拡散の埋め込みの通常プロセスを使用して基板260内および基板260上に形成される。例えば、基板260はp型シリコンであることができ、トランジスタ拡散230はn+型拡散であることができる。ローカルビット線区分110、210は、標準のメタライゼーションプロセスおよびパターニングによっても形成される。ビット線開口部302も形成されて、1つのローカルビット線上のローカルビット線区分110、210を分離する。
次に、図3Bを参照すると、容量コンタクト272、容量電極214、および容量誘電体212が形成されて、メモリセルのセル容量を形成する。ビット線絶縁スイッチ108に対応する容量コンタクト278および容量電極290も、メモリセルのセル容量に対応する他の容量コンタクト272および容量電極214と同じプロセスで一緒に形成されることに留意する。
図3Cを参照すると、開口部304が、ビット線絶縁スイッチ108に隣接して容量誘電体212内に形成される。次に、プレート電極112が形成されて、セル容量の製造が完了する。同じメタライゼーションプロセス中、プレート電極112と同時に、ビア導電体124も形成され、開口部304にもビア導電体材料124が充填される。このようにして、ビアコンタクト278はビア導電体124に接触する。
図3Dを参照すると、セルプレート202が、セル容量のプレート電極112およびビア導電体124上に形成される。セルプレート202はパターニングもされて、開口部306を作成し、それにより、セルプレート202はビット線絶縁スイッチ108において分離される。
最後に、図3Eを参照すると、グローバルビット線114が形成されて、ビア導電体124に接続し、それにより、ビット線絶縁スイッチ108およびビア導電体124を通して、ローカルビット線区分110、210をグローバルビット線に接続することができる。したがって、図3A〜図3Fを参照して説明されたプロセスによれば、ローカルビット線が、各ローカルビット線区分に対応するビット線絶縁スイッチを介してグローバルビット線に結合し得る区分に分割される階層ビット線を有するDRAMセルを製造することができる。
この開示を読めば、本開示の開示される原理を通して、階層ビット線を有するDRAMのさらに追加の代替の構造および機能設計を当業者は理解するであろう。したがって、本開示の特定の実施形態および用途を図示し説明したが、本開示が本明細書において開示される厳密な構造および構成要素に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に規定される本開示の趣旨および範囲から逸脱せずに、当業者に明白になる様々な修正、変更、および変形を本明細書において開示される本開示の方法および装置の構成、動作、および詳細に対して行い得る。

Claims (16)

  1. ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)素子であって、
    複数のワード線と、
    それぞれが複数のローカルビット線区分を含む複数のローカルビット線と、
    前記ワード線と前記ローカルビット線との交点にある複数のメモリセルであって、各メモリセルは、セルアクセストランジスタおよびセル容量を含み、各ローカルビット線区分は、所定数の前記メモリセルの前記セルアクセストランジスタに結合する、複数のメモリセルと、
    それぞれが前記ローカルビット線のうちの少なくとも1つに関連付けられた複数のグローバルビット線と、
    それぞれが、前記ローカルビット線区分のうちの少なくとも1つに関連付けられ、前記関連付けられたローカルビット線区分を前記グローバルビット線のうちの1つに接続するように構成される複数のビット線絶縁スイッチと、
    を備える、DRAM素子。
  2. 前記ビット線絶縁スイッチは、前記ローカルビット線区分のうちの関連付けられた1つと前記グローバルビット線のうちの前記1つとの間に接続される、請求項1に記載のDRAM素子。
  3. 前記ローカルビット線区分は互いに電気的に切断される、請求項1に記載のDRAM素子。
  4. 前記グローバルビット線は、長さ当たりの静電容量が、前記ローカルビット線よりも低い、請求項1に記載のDRAM素子。
  5. 前記ローカルビット線は、前記グローバルビット線が形成される第2の層とは異なる第1の層に形成される、請求項1に記載のDRAM素子。
  6. 前記ビット線絶縁スイッチは、前記メモリセルの前記セルアクセストランジスタと略同じサイズおよび構造を有する、請求項1に記載のDRAM素子。
  7. 複数のビア導電性要素をさらに備え、各ビア導電性要素は、対応するビット線絶縁スイッチと対応するグローバルビット線との間に結合される、請求項1に記載のDRAM素子。
  8. 前記ビア導電性要素は前記セル容量の代わりに形成される、請求項7に記載のDRAM素子。
  9. 前記ビット線絶縁スイッチは、前記ワード線と略平行するピッチに形成されたスイッチ線に印加される電圧に従ってオンまたはオフになる、請求項1に記載のDRAM素子。
  10. DRAM素子を製造する方法であって、
    半導体基板上に複数のセルアクセストランジスタおよび複数のビット線絶縁スイッチを形成するステップ、
    前記セルアクセストランジスタおよび前記ビット線絶縁スイッチのそれぞれに対応する複数のビット線コンタクトを形成するステップ、
    複数のローカルビット線を形成するステップ、
    前記ローカルビット線のそれぞれにビット線開口部を作成して、各ローカルビット線内に複数のローカルビット線区分を形成するステップ、
    前記セルアクセストランジスタのそれぞれに対応する複数のセル容量を形成するステップ、ならびに
    それぞれが、前記ローカルビット線のうちの1つに関連付けられ、前記ビット線絶縁スイッチのうちの対応する1つを介して1つまたは複数のローカルビット線区分に結合される複数のグローバルビット線を形成するステップ、
    を含む、方法。
  11. 前記ビット線絶縁スイッチは、前記ローカルビット線区分のうちの関連付けられた1つと前記グローバルビット線のうちの関連付けられた1つとの間に形成され接続される、請求項10に記載の方法。
  12. 前記グローバルビット線は、長さ当たりの静電容量が、前記ローカルビット線よりも低くなるように形成される、請求項10に記載の方法。
  13. 前記ローカルビット線は、前記グローバルビット線が形成される第2の層とは異なる第1の層に形成される、請求項10に記載の方法。
  14. 複数のビア導電性要素を形成するステップをさらに含み、各ビア導電性要素は、対応するビット線絶縁スイッチと対応するグローバルビット線との間に結合される、請求項10に記載の方法。
  15. 前記ビア導電性要素は前記セル容量に代えて形成される、請求項14に記載の方法。
  16. 前記セル容量に結合されたセルプレートを形成するステップ、
    前記セルプレート内に開口部を形成して、前記ビア導電性要素から前記セルプレートを分離するステップ、
    をさらに含む、請求項14に記載の方法。
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