JP2820085B2 - 半導体記憶装置とその製造方法 - Google Patents

半導体記憶装置とその製造方法

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JP2820085B2 JP7292086A JP29208695A JP2820085B2 JP 2820085 B2 JP2820085 B2 JP 2820085B2 JP 7292086 A JP7292086 A JP 7292086A JP 29208695 A JP29208695 A JP 29208695A JP 2820085 B2 JP2820085 B2 JP 2820085B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は1つのセルトランジ
スタと1つの容量とで構成されるメモリセルを備える半
導体記憶装置に関し、特に情報の保持特性が良好でかつ
エラーが抑制されたMOSトランジスタ型DRAM(ダ
イナミック・ランダム・アクセス・メモリ)とその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の1トランジスタ・1容量構成のM
OSトランジスタ型DRAMは、図5に(a)平面図と
(b)BB線拡大断面図を示すように、例えばP型半導
体基板1に素子分離酸化膜2が形成されてメモリセル領
域が画成され、このメモリセル領域にゲート酸化膜4が
形成される。そして、ゲート酸化膜4上にワード線とし
てゲート電極3が形成され、前記半導体基板1にN型ソ
ース・ドレイン領域1S,1Dが形成される。また、ゲ
ート電極3を覆うように層間絶縁膜5が形成され、前記
ドレイン領域5sに対して層間絶縁膜に開口した容量コ
ンタクト孔9を含む領域に蓄積電極6が形成される。こ
の蓄積電極6の表面には容量絶縁膜7が被着され、その
上に容量電極8が形成される。なお、前記ソース領域1
Dにはディジット線14がコンタクト15により接続さ
れる。
【0003】このメモリセルでは、例えば、ゲート電極
3をハイレベルにしてディジット線14をハイレベルに
することにより蓄積電極6にハイの情報が、またディジ
ット線14をロウレベルにすることによりロウの情報が
それぞれ書き込まれる。書き込み後は、ゲート電極3を
ロウレベルにすることで蓄積電極6にデータが保持され
る。このため、このデータは蓄積電極6、容量絶縁膜
7、容量電極8で構成される容量(キャパシタ)の特性
によって保持時間が決定され、通常ではこの特性には限
界があるためデータの保持時間は短時間であり、例えば
100ms毎で周期的にデータの再書き込みを行う必要
がある。
【0004】このようなデータの保持の時間が短いこと
は、蓄積電極6に蓄えた電荷が容量コンタクト9が接続
されているN型ドレイン領域1Sから半導体基板1や隣
接セルやディジット線側のN型ソース領域1Dへ、或い
は蓄積電極6から容量絶縁膜7を通して容量電極8へと
リークすることがその原因となっている。また、これら
のリークが生じる原因としては、蓄積電極6にハイレベ
ルが保持されている場合に、容量コンタクトが接続され
ているN型ソース領域と半導体基板1とで構成されるP
N接合に逆バイアスがかかり、空乏層が広げられ、この
空乏層に、例えば素子分離酸化膜2を形成する際のスト
レスによって結晶欠陥があった場合や、界面準位が含ま
れていたりすると、これがリークの原因となる。また、
容量絶縁膜7が局所的に薄くなっていたりすると、この
部分でトンネル電流が生じてこれがリークの原因とな
る。
【0005】このように、データの保持時間は、リーク
電流と、蓄積される電荷の量との兼ね合いで決定され
る。したがって、キャパシタの容量値は大きいほど有利
となる。しかしながら、近年のDRAMでは、メモリ容
量の増大化に伴って素子の微細化が進み、セル面積が縮
小されてキャパシタの容量値の増大に制約を受けるた
め、データの保持時間を長くすることは困難になる。ま
た、一方では素子の微細化に伴って内部の電界が大きく
されるため、前記したリークは大きくなっており、これ
によりデータの保持時間はむしろ短縮される傾向にあ
る。
【0006】このため、従来では、リークを低減するこ
とでデータ保持時間を長くし、データの再書き込みの周
期を長くしたメモリセルが提案されている。図6はその
一例の(a)平面図と、(b)CC線拡大断面図であ
る。このメモリセルは、SOI(Silicon on Insulato
r) と称せられるもので、半導体基板1の素子領域の全
面に絶縁膜10が形成され、この絶縁膜上に多結晶シリ
コン膜11が形成される。そして、この多結晶シリコン
膜11の上にゲート酸化膜4及びゲート電極3が形成さ
れ、かつ多結晶シリコン膜にN型ソース・ドレイン領域
11D,11Sがそれぞれ形成されている。その上で、
層間絶縁膜5、容量コンタクト9、蓄積電極6、容量絶
縁膜7、容量電極8が形成され、DRAMが形成され
る。
【0007】このSOI型のDRAMでは、ソース・ド
レイン領域11D,11Sが絶縁膜10上の多結晶シリ
コン膜11に形成されて半導体基板1とは直接接触され
ていないため、蓄積電極6に保持された電荷がドレイン
領域11Dから半導体基板1にリークされることが防止
され、保持時間を長くすることが可能となる。特に、こ
の構成では、ノイズや放射線によって半導体基板1に少
数キャリアが注入されたような場合でも、蓄積された電
荷がこの注入された少数キャリアによって中和されてデ
ータ破壊されることがないため、いわゆるソフトエラー
に対して非常に有効なものとなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このS
OI型のDRAMは、ソース・ドレイン領域11D,1
1Sを多結晶シリコン膜11に形成しているため、MO
Sトランジスタのサブスレショルド領域の特性が悪くな
り、ゲート電極3をロウレベルにしたときにドレイン電
流が流れてリークを起こし、データの保持時間に制約を
受けることになる。これは、多結晶シリコン中のグレイ
ンの存在によって多結晶シリコン膜11とゲート酸化膜
4との界面の状態が単結晶シリコンに比較して悪いこ
と、換言すれば界面準位が多いことに起因している。ま
た、このグレインは多結晶シリコンの成長時の温度等の
影響を受け易いため、不揃いなものとなり、特性のばら
つきが大きくなる原因ともなっている。したがって、従
来では多結晶シリコン膜を形成した後にレーザによるア
ニールを行って多結晶シリコンを再結晶化し、グレイン
の均一化を図ってリーク電流のばらつきを抑制する対策
がとられているが、これでも満足できる特性は得られて
いない。
【0009】また、図5に示したようなMOSトランジ
スタ型のDRAMでは、半導体基板1の電位を負にバイ
アスすることでサブスレショルド特性が向上され、リー
クを低減する上では有利とされているが、図6のような
SOI型のDRAMでは多結晶シリコン膜が半導体基板
と分離されているため、基板バイアスをかけることがで
きず、この方策を採用することはできない。因みに、蓄
積容量値が25fFで、3Vでデータの書き込みを行
い、蓄積電荷が半分になったときに読み出しエラーが生
じるとした場合、保持時間を10秒とするための最大リ
ーク電流Icrを試算すると、 Icr=(3×25/2)/10=3.8fA となる。
【0010】本発明の目的は、リーク電流を低減かつ安
定化してデータの保持時間を長くし、かつソフトエラー
の発生を有効に防止することが可能な半導体記憶装置と
その製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体記憶装置
は、1素子DRAMのセルトランジスタの構成として、
半導体基板上に絶縁状態に形成された多結晶シリコント
ランジスタと、前記半導体基板に形成されるMOSトラ
ンジスタとを直列接続した構成とされ、これらのトラン
ジスタは、チャネル領域の一部が前記半導体基板に形成
され、前記チャネル領域の他の部分と前記各トランジス
タのソース・ドレイン領域とが前記半導体基板上の前記
絶縁膜上に形成された多結晶シリコン膜に形成されてい
る。例えば、前記セルトランジスタは、一導電型の半導
体基板の表面絶縁膜上に形成された第1の多結晶シリコ
ン膜と、前記第1の多結晶シリコン膜及び表面絶縁膜に
開設されて前記半導体基板の表面を露呈させる開口部
と、この開口部の内壁において前記第1の多結晶シリコ
ン膜と半導体基板とを接続する第2の多結晶シリコン膜
からなる側壁と、前記開口部において前記半導体基板、
第1及び第2の多結晶シリコン膜上に形成されたゲート
絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極
と、前記開口部を挟んで前記第1の多結晶シリコン膜に
形成された逆導電型の拡散領域とで構成されることを特
徴とする。
【0012】また、本発明の製造方法は、一導電型の半
導体基板上に表面絶縁膜を形成し、かつこの表面絶縁膜
上のメモリセル領域に第1の多結晶シリコン膜を形成す
る工程と、前記第1の多結晶シリコン膜と表面絶縁膜に
前記半導体基板の表面に達する開口部を開設する工程
と、全面に第2の多結晶シリコン膜を形成し、かつこれ
を異方性エッチングして前記開口部の内壁にのみ第2の
多結晶シリコン膜を残して前記第1の多結晶シリコン膜
と半導体基板とを接続する側壁を形成する工程と、少な
くとも前記開口部内の半導体基板の表面、側壁表面、及
び開口部近傍の第1の多結晶シリコン膜の表面を覆うゲ
ート絶縁膜を形成する工程と、前記開口部及びその周辺
部を覆う領域にゲート電極を形成する工程と、前記第1
の多結晶シリコン膜に逆導電型の不純物を導入して逆導
電型の拡散領域を形成する工程とを含んで1素子DRA
Mのセルトランジスタを製造することを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図1は本発明のDRAMの一実施形
態の断面図であり、図2に示す平面図のAA線に沿う拡
大断面図である。図1において、P型半導体基板1に素
子分離酸化膜2を形成してメモリセル領域が画成され、
このメモリセル領域に絶縁膜10と多結晶シリコン膜1
1が積層状態に形成される。そして、この絶縁膜10と
多結晶シリコン膜11には前記半導体基板1の表面に達
する矩形の開口13が開設され、この開口13の内壁に
沿って多結晶シリコンからなる側壁12が形成され、こ
の側壁12により前記多結晶シリコン膜11と半導体基
板1とが電気的に接続される。そして、前記開口13の
内部において前記半導体基板1の表面と側壁12の表面
にわたってゲート酸化膜4が形成され、このゲート酸化
膜4上にワード線としてのゲート電極3が形成される。
【0014】また、前記多結晶シリコン膜11には前記
ゲート電極3の両側領域にN型ソース・ドレイン領域1
1S,11Dが形成され、これにより前記ゲート電極3
とでセルトランジスタが形成される。そして、これら多
結晶シリコン膜11とゲート電極3を覆うように層間絶
縁膜5が形成され、この層間絶縁膜5には前記多結晶シ
リコン膜11のN型ドレイン領域11Dに対応する箇所
にコンタクト孔が開設され、このコンタクト孔を含む領
域に容量コンタクト9とこれと一体の蓄積電極6が形成
される。この蓄積電極6の表面には容量絶縁膜7が形成
され、さらにその上には容量電極8が形成される。ま
た、前記多結晶シリコン膜11のN型ソース領域11S
には図2に示すディジット線14がコンタクト15にお
いて接続される。
【0015】図3及び図4は図1及び図2に示したDR
AMの製造方法を工程順に示す断面図である。先ず、図
3(a)のように、P型半導体基板1の全面に酸化膜1
0を形成し、さらに選択酸化法により厚膜の素子分離酸
化膜2を形成し、DRAM領域を画成する。次いで、図
3(b)のように、全面に第1の多結晶シリコン膜11
を成長した後、これをフォトリソグラフィ技術により選
択エッチングしてDRAM領域の所要箇所にのみ第1の
多結晶シリコン膜11を残存させる。なお、多数個のメ
モリセルが1枚の半導体基板に配列されている場合に
は、第1の多結晶シリコン膜11は各メモリセル毎に分
離された状態で形成される。
【0016】続いて、図3(c)のように、DRAM領
域のMOSトランジスタを形成する領域の前記第1の多
結晶シリコン膜11と絶縁膜10とをフォトリソグラフ
ィ技術により選択エッチングし、矩形の開口13を開設
する。なお、前記第1の多結晶シリコン膜11の選択エ
ッチングと、この開口13をエッチングする際の第1の
多結晶シリコン膜11のエッチングは同時に行うように
してもよい。次いで、図3(d)のように、全面に第2
の多結晶シリコン膜12を成長し、少なくとも前記開口
13を第2の多結晶シリコン膜12で被覆する。
【0017】次いで、図4(a)のように、前記第2の
多結晶シリコン膜12を異方性エッチングし、開口13
の内壁にのみ第2の多結晶シリコン膜12を残し、これ
を側壁12として形成する。このとき、側壁12は前記
第1の多結晶シリコン膜11の側面に接した状態で残さ
れるように形成する。そして、図示は省略するが、開口
13内の半導体基板1の表面に対して不純物のイオン注
入を行い、後に形成されるMOSトランジスタのVtを
コントロールする。しかる上で、第1の多結晶シリコン
膜11と側壁(第2の多結晶シリコン膜)12の表面を
酸化し、ゲート酸化膜4を形成する。
【0018】続いて、図4(b)のように、全面に第3
の多結晶シリコン膜3を成長し、不純物を導入して低抵
抗化する。そして、図4(c)のように、第3の多結晶
シリコン膜3とゲート酸化膜4をフォトリソグラフィ技
術により選択エッチングし、前記開口13位置に残され
た第3の多結晶シリコン膜3をゲート電極3として形成
する。また、これに続いて前記第1の多結晶シリコン膜
11の表面にN型不純物、例えばAs(砒素)をイオン
注入し、かつ熱処理による活性化を行って図4(d)の
ようにN型ソース・ドレイン領域11S,11Dを形成
する。
【0019】しかる後、図1のように、層間絶縁膜5を
被着し、フォトリソグラフィ技術によりコンタクト孔を
開設した後、全面に蓄積電極6及び容量コンタクト9を
構成する導電膜を被着し、かつこれを所要パターンに形
成し、かつその表面に容量絶縁膜7を形成する。例え
ば、蓄積電極6と容量コンタクト9とを第4の多結晶シ
リコン膜で形成し、パターン形成した後にその表面を酸
化して容量絶縁膜7を形成すればよい。そして、全面に
導電膜を形成し、かつ所要のパターンに形成することで
容量電極8を形成し、図1及び図2のDRAMが完成さ
れる。
【0020】このように製造された図1のDRAMで
は、セルトランジスタのゲート電極3をハイレベルにし
てディジット線14をハイレベルとすることで蓄積電極
6にハイのデータを書き込み、ディジット線14をロウ
レベルとすることで蓄積電極6にロウのデータを書き込
むことができる。そして、ゲート電極3をロウレベルと
することで、書き込んだデータの電荷を蓄積電極6に蓄
積し、データを保持することができる。なお、このと
き、ゲート電極3の直下の第1の多結晶シリコン膜11
の領域と第2の多結晶シリコン膜(側壁)12の領域、
及び半導体基板1の領域にわたってチャネルが形成され
る。したがって、前者の各多結晶シリコン膜に形成され
る2つのチャネルは多結晶シリコントランジスタを構成
し、後者の半導体基板1のチャネルはNMOSトランジ
スタとなり、結果としてこのセルトランジスタは、多結
晶シリコントランジスタと通常のMOSトランジスタが
直列接続されたものとして機能される。
【0021】そして、この構成では、蓄積電極6に接続
されているN型ドレイン領域11Dは絶縁膜10上に形
成された第1の多結晶シリコン膜11に形成されてお
り、かつこれは側壁12としての第2の多結晶シリコン
膜を介してのみ半導体基板1に接続されている。したが
って、ゲート電極3の電位がハイレベルとされて半導体
基板にチャネルが形成されない限り、すなわちゲート電
極3の電位がロウレベルに保たれている限りN型ドレイ
ン領域11Dは半導体基板1とは切り離された状態にあ
る。したがって、蓄積電極6に蓄えられた電荷がN型ド
レイン領域11Dから半導体基板1に向けてリークされ
ることが防止でき、データの保持時間を長くすることが
可能となる。また、第1の多結晶シリコン膜11は隣接
するメモリセルとも分離されるため、隣接するメモリセ
ルへのリークもない。また、放射線やノイズ等で半導体
基板1に注入された少数キャリアによるソフトエラーの
発生も殆ど生じることはない。
【0022】また、前記したようにこのDRAMでは、
セルトランジスタは多結晶シリコントランジスタとMO
Sトランジスタが直列接続された構成とされているた
め、多結晶シリコントランジスタのサブスレショルド特
性が悪くてリークが生じる場合でもMOSトランジスタ
においてカットされる。しかも、半導体基板にバイアス
を印加することで基板バイアスが実現できるため、MO
Sトランジスタのサブスレショルド特性自体も改善でき
る。なお、多結晶シリコントランジスタの特性のばらつ
きを改善することは難しいが、MOSトランジスタが直
列とされていることで、多結晶シリコントランジスタの
Vtが著しく低下した場合には、VtはMOSトランジ
スタの値によって決まるため、Vtの低下に対してより
大きなマージンが見込めることになる。したがって、多
結晶シリコントランジスタのVtを予め低めに設定する
ことでDRAMのセルトランジスタ全体のVtの特性ば
らつきを抑制する上では有効となる。
【0023】なお、前記実施形態では容量の構造が積層
型をしたスタック型メモリセルに本発明を適用した例を
説明しているが、本発明は容量の構造に限定されるもの
ではなく、種々の構造の容量のメモリセルに適用でき
る。例えば、半導体基板に形成した溝の内壁を利用して
容量を構成したメモリセルや、半導体基板の表面に設け
た突起を利用して容量を構成したメモリセルにおいても
同様に適用できる。なお、これらの容量構造を採用する
場合には、本発明の製造方法の工程にこれらの容量構造
を製造する工程を付加することになる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、1トラン
ジスタと1容量とで構成されるDRAMのセルトランジ
スタとして、半導体基板上に形成された多結晶シリコン
トランジスタと、半導体基板に形成されたMOSトラン
ジスタとを直列接続した構成とされ、かつこれらのトラ
ンジスタは、チャネル領域の一部が前記半導体基板に形
成され、前記チャネル領域の他の部分と前記各トランジ
スタのソース・ドレイン領域とが前記半導体基板上の前
記絶縁膜上に形成された多結晶シリコン膜に形成されて
いるので、セルトランジスタが駆動されずにデータを容
量に蓄積している状態では多結晶シリコントランジスタ
が半導体基板に接続された状態とはならず、容量の蓄積
電極と半導体基板との間のリークが防止される。したが
って、メモリセルを微細化した場合でも、リーク電流に
よるデータのリークが抑制でき、データの保持時間を長
くして保持特性を改善することができる。また、蓄積電
極が半導体基板に対して絶縁されるため、ソフトエラー
の発生を防止することもできる。さらに、半導体基板に
バイアスを印加することもでき、リークの低減と共に安
定化も実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のDRAMの一実施形態の断面図であ
り、図2のAA線に沿う拡大断面図である。
【図2】図1のDRAMの平面図である。
【図3】図1のDRAMの製造方法を工程順に示す断面
図のその1である。
【図4】図1のDRAMの製造方法を工程順に示す断面
図のその2である。
【図5】従来のDRAMの一例の平面図とそのBB線拡
大断面図である。
【図6】従来のDRAMの他の例の平面図とそのCC線
拡大断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 3 ゲート電極(第3の多結晶シリコン膜) 4 ゲート酸化膜 6 蓄積電極 7 容量絶縁膜 8 容量電極 10 絶縁膜 11 第1の多結晶シリコン膜 11D ドレイン領域 11S ソース領域 12 側壁(第2の多結晶シリコン膜) 13 開口 14 ディジット線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/108 H01L 21/8242 H01L 29/786

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1つのセルトランジスタと、データを蓄
    積する1つの容量とで構成される半導体記憶装置におい
    て、前記セルトランジスタは、半導体基板上に絶縁状態
    に形成された多結晶シリコントランジスタと、前記半導
    体基板に形成されるMOSトランジスタとを直列接続し
    た構成とされ、前記多結晶シリコントランジスタとMO
    Sトランジスタとは、チャネル領域の一部が前記半導体
    基板に形成され、前記チャネル領域の他の部分と前記各
    トランジスタのソース・ドレイン領域とが前記半導体基
    板上の前記絶縁膜上に形成された多結晶シリコン膜に形
    成されていることを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 1つのセルトランジスタと、データを蓄
    積する1つの容量とで構成される半導体記憶装置におい
    て、前記セルトランジスタは、一導電型の半導体基板の
    表面絶縁膜上に形成された第1の多結晶シリコン膜と、
    前記第1の多結晶シリコン膜及び表面絶縁膜に開設され
    て前記半導体基板の表面を露呈させる開口部と、この開
    口部の内壁において前記第1の多結晶シリコン膜と半導
    体基板とを接続する第2の多結晶シリコン膜からなる側
    壁と、前記開口部において前記半導体基板、第1及び第
    2の多結晶シリコン膜上に形成されたゲート絶縁膜と、
    このゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記開
    口部を挟んで前記第1の多結晶シリコン膜に形成された
    逆導電型の拡散領域とで構成されることを特徴とする半
    導体記憶装置。
  3. 【請求項3】 前記容量は蓄積電極と、その表面に形成
    された容量絶縁膜と、この容量絶縁膜上に形成された容
    量電極とで構成され、前記蓄積電極は前記第1の多結晶
    シリコン膜に形成された逆導電型の拡散領域のいずれか
    一方に接続される請求項2に記載の半導体記憶装置。
  4. 【請求項4】 前記セルトランジスタのゲート電極はワ
    ード線として構成され、前記逆導電型の拡散領域の他方
    はディジット線として構成される1素子ダイナミックラ
    ンダムアクセスメモリとして構成される請求項3に記載
    の半導体記憶装置。
  5. 【請求項5】 一導電型の半導体基板上に表面絶縁膜を
    形成し、かつこの表面絶縁膜上のメモリセル領域に第1
    の多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記第1の多結
    晶シリコン膜と表面絶縁膜に前記半導体基板の表面に達
    する開口部を開設する工程と、全面に第2の多結晶シリ
    コン膜を形成し、かつこれを異方性エッチングして前記
    開口部の内壁にのみ第2の多結晶シリコン膜を残して前
    記第1の多結晶シリコン膜と半導体基板とを接続する側
    壁を形成する工程と、少なくとも前記開口部内の半導体
    基板の表面、側壁表面、及び開口部近傍の第1の多結晶
    シリコン膜の表面を覆うゲート絶縁膜を形成する工程
    と、前記開口部及びその周辺部を覆う領域にゲート電極
    を形成する工程と、前記第1の多結晶シリコン膜に逆導
    電型の不純物を導入して逆導電型の拡散領域を形成する
    工程とを含んで1素子ダイナミックランダムアクセスメ
    モリのセルトランジスタを製造することを特徴とする半
    導体記憶装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記ゲート電極や第1の多結晶シリコン
    膜を覆う層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜
    に逆導電型の拡散領域の一方に達するコンタクト孔を開
    設する工程と、このコンタクト孔を含む領域に蓄積電極
    を形成する工程と、この蓄積電極の表面に容量絶縁膜を
    形成する工程と、この容量絶縁膜の表面に容量電極を形
    成する工程を含んで1素子ダイナミックランダムアクセ
    スメモリのメモリセルを製造する請求項5に記載の半導
    体記憶装置の製造方法。
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