JP3095450B2 - ダイナミック型半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents

ダイナミック型半導体記憶装置およびその製造方法

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JP3095450B2 JP03134961A JP13496191A JP3095450B2 JP 3095450 B2 JP3095450 B2 JP 3095450B2 JP 03134961 A JP03134961 A JP 03134961A JP 13496191 A JP13496191 A JP 13496191A JP 3095450 B2 JP3095450 B2 JP 3095450B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的]
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スタックト・キャパシ
タ型のダイナミック型半導体記憶装置(DRAM)とそ
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】DRAMを高集積化するためには、個々
のメモリセルの占有面積を小さくする必要がある。一
方、DRAMの情報記憶の信頼性を保証するためには、
キャパシタの面積はある程度以上大きいことが必要であ
る。このため従来より、トレンチ・キャパシタ構造やス
タックト・キャパシタ構造が種々提案されている。
【0003】図9は、スタックト・キャパシタ構造のD
RAMセル一例である(Y.Takemae et al“A 1MB
DRAM with 3-Dimensional Stacked Capacito
r Cells ”,IEEE Int. Solid-State Circuit Conf. Te
ch. Dig. p250 1985)。
【0004】p型シリコン基板20の素子分離絶縁膜2
1で囲まれた領域に、ゲート絶縁膜22を介してワード
線となるゲート電極23が配設されている。ゲート電極
23を挟んで基板にはドレイン層24とソース層25が
形成されている。ソース層25にコンタクトするように
蓄積ノード電極25が配設されている。蓄積ノード電極
25は、一方の端部は絶縁膜24により分離されてゲー
ト電極23上にまで配設され、他方の端部は素子分離絶
縁膜21上にまで配設されている。ドレイン層24に
は、図では省略されているが、ビット線が接続される。
【0005】この様に蓄積ノード電極をゲート電極上お
よび素子分離絶縁膜上にまで延在させることによって、
平面構造の拡散層のみで蓄積ノード電極を構成するDR
AMセルに比べると、大きいキャパシタ面積が得られ
る。
【0006】しかしながら、この構造でも、さらにゲー
ト長を短くしてDRAMセル面積を小さくした時にはキ
ャパシタ面積の確保、従ってキャパシタ容量の確保に限
界が生じる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来のス
タックト・キャパシタ構造では、キャパシタ面積の確保
に限界があり、DRAMの更なる高集積化が難しい。本
発明は、この様な問題を解決して一層の高集積化を可能
としたスタックト・キャパシタ構造のDRAMとその製
造方法を提供することを目的とする。 [発明の構成]
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明に係るDRAM
は、基板上にビット線が配設され、その基板上に島状に
パターニングされてビット線に繋がるドレイン層となる
第1導電型半導体層が設けられる。第1導電型半導体層
の表面には選択的に第2導電型の活性層が形成され、更
にこの活性層内に第1導電型のソース層が形成される。
活性層上にはゲート絶縁膜を介してワード線となるゲー
ト電極が形成される。ソース層上からゲート電極上にま
たがって、ゲート電極とは層間絶縁膜により分離された
状態でかつソース層にコンタクトする蓄積ノード電極が
設けられ、この蓄積ノード電極上にキャパシタ絶縁膜を
介してセル・プレートが配設された構造を有する。
【0009】本発明の製造方法は、半導体基板上に、基
板とは電気的に分離されたビット線を形成する工程、ビ
ット線が形成された基板上にビット線と電気的に接続さ
れる第1導電型半導体層を形成し、これを各メモリセル
領域毎に島状に分割する工程、各島状の第1導電型半導
体層表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する
工程、ゲート電極をマスクとして第1導電型半導体層に
不純物を二重拡散して第2導電型の活性層とその内部に
位置する第1導電型ソース層を形成する工程、ゲート電
極表面を層間絶縁膜で覆い、ソース層からゲート電極上
にまたがってソース層にコンタクトとする蓄積ノード電
極を形成する工程、およびその蓄積ノード電極にキャパ
シタ絶縁膜を介して対向するセル・プレートを配設する
工程、を有することを特徴とする。
【0010】
【作用】本発明によるDRAMセルは、島状の半導体層
の底部にビット線が配設され、上部にワード線が配設さ
れた構造になっている。したがって島状半導体層の上面
にはビット線コンタクトが必要でなく、したがってキャ
パシタは、島状半導体層のゲート電極が形成された上面
全面を覆い、更に側面にわたって形成することができ
る。これにより、従来のスタックト・キャパシタ構造に
比べてより小さいセル面積で大きいキャパシタ面積を確
保することができる。
【0011】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
【0012】図1は、本発明の一実施例に係るDRAM
の一つのセル部の断面構造である。シリコン基板1上
に、シリコン酸化膜2により分離されたビット線3が配
設されている。ビット線3はたとえば、酸化膜2に溝が
形成され、この溝に多結晶シリコン,金属のたは金属シ
リサイド等が埋め込まれた構造とする。このビット線3
が配設された基板上に、ビット線3に接続されたn型シ
リコン層4が島状をなして形成されている。この島状の
n型シリコン層4は、MOSFETのドレイン層とな
る。
【0013】n型シリコン層4の表面にはゲート酸化膜
7を介してゲート電極8が形成されている。ゲート電極
8は紙面に垂直方向に連続的に配設されてワード線とな
る。このゲート電極8をマスクとしてp型不純物とn型
不純物が二重拡散されて、p型活性層5(51 ,52 )
とその中にn型ソース層6(61 ,62)が形成されてい
る。n型ソース層6とn型シリコン層4により挟まれた
領域のp型活性層5の表面をチャネル領域として、nチ
ャネルMOSFETが構成されている。
【0014】この様にしてMOSFETが構成された島
状のシリコン層4を覆うように信号電荷を蓄積する蓄積
ノード電極11が形成されている。蓄積ノード電極11
は、図示のようにn型シリコン層4の側面から上面にわ
たって、各セル毎に独立に形成されている。蓄積ノード
電極11は、ゲート電極8との間は層間絶縁膜9により
分離され、またシリコン層4の側面およびビット線3の
上面ともそれぞれ絶縁膜101 ,102 により分離され
て、ゲート電極8の両側でn型ソース層6にのみコンタ
クトしている。蓄積ノード電極11の表面にはキャパシ
タ絶縁膜12が形成され、この上に複数のメモリセルに
共通のセル・プレート13が形成されている。
【0015】このDRAMセルは、ゲート電極8に例え
ば5Vの電圧を印加すると、その下のp型活性層5の表
面に反転チャネルが形成されて、n型ソース層6とn型
シリコン層4の間が導通状態になる。これにより、キャ
パシタとn型シリコン層4の下に配設されたビット線3
との間で情報電荷の授受が行われる。
【0016】この実施例においては、ゲート電極8を含
めたシリコン層4の上面および側面をすべて有効にキャ
パシタ面積として利用している。したがって小さいセル
面積で大きなキャパシタ容量を得ることができる。
【0017】図2は、図1の一部を変形した実施例であ
る。この実施例では、ゲート電極8直下のn型ソース層
6の間に非常に浅いp型活性層53 が形成されてい。そ
の他、先の実施例と同じである。
【0018】この実施例のDRAMセルは、トランジス
タ動作が先の実施例と異なる。すなわちこの実施例で
は、ゲート電極8にある正の電圧を印加すると、p型活
性層53 の表面に反転層ができる。ビット線3すなわち
n型シリコン層4が正の“H”レベルであると、p型活
性層53 の表面反転層の電子が薄いp型活性層53 をパ
ンチスルーしてn型シリコン層4に流れる。
【0019】この動作モードは、チャネルに沿ってキャ
リアが走行する通常のMOSFETと異なり、チャネル
のキャリアが垂直方向に流れるものでから、不純物散乱
がない。従って、高速動作が行われる。図1のDRAM
構造を得るための具体的に製造工程例を、図3〜図8を
用いて以下に説明する。
【0020】図3に示すように、シリコン基板1上に酸
化膜2を形成し、この酸化膜2を反応性イオンエッチン
グ法によって選択エッチングしてストライプ状の複数の
溝を形成し、この溝に多結晶シリコン,金属または金属
シリサイドを埋め込んでビット線3を形成する。ビット
線3を埋め込んだ状態で基板面は平坦に保たれる。
【0021】その後、図4に示すように、ビット線3が
形成された基板上にn型シリコン層4を形成したSOI
構造を得る。このSOI構造は、具体的には例えば、エ
ピタキシャル成長により、または多結晶シリコンもしく
はアモルファス・シリコンを堆積し、これをレーザ・ア
ニール等で再結晶化する方法により形成する。或いは、
別に単結晶シリコン基板を用意して、これらを貼り合わ
せてもよい。そしてn型シリコン層4の表面に、熱酸化
によりシリコン酸化膜71 を形成し、さらにその上にC
VDによりシリコン窒化膜72 を形成する。
【0022】次いで、図5に示すように、窒化膜71 ,
酸化膜72 続いてn型シリコン層4を順次反応性イオン
エッチングによりエッチングして、各メモリセル領域に
島状にn型シリコン層4をパターン形成する。但し、こ
の段階で各n型シリコン層4の間は完全には分離せず、
図示のように所定厚みのシリコン層4′を残す。
【0023】その後、図6に示すようにシリコン窒化膜
72 をマスクとして用いて熱酸化を行って、n型シリコ
ン層4の側面に酸化膜101 を形成し、また各島状シリ
コン層4を底部でつないでいたシリコン層4′の部分を
酸化膜102 に変換する。この酸化膜102 により、後
に形成されるワード線等とビット線3の分離がなされ
る。
【0024】なお、ビット線3に多結晶シリコンを用い
た場合には、n型シリコン層4を島状に分離する際に上
述したようにシリコン層4′を残す必要はない。多結晶
シリコンを酸化して容易に酸化膜を形成することができ
るからである。
【0025】次に、図7に示すように、多結晶シリコン
を堆積しパターニングして、各島状のn型シリコン層4
上にゲート電極8を形成する。ここでは、シリコン酸化
膜71 とシリコン窒化膜72 の積層膜をそのままゲート
絶縁膜として用いているが、これらを一旦エッチング除
去して改めて熱酸化によりゲート酸化膜を形成しても良
い。ゲート電極8は、図7(a) に示すように、ビット線
3とは直交する方向に連続的にパターン形成されてワー
ド線となる。
【0026】その後、ゲート電極8をマスクとして、ボ
ロンと砒素の二重拡散によって、p型活性層5とn型ソ
ース層6を形成する。具体的には、ボロンと砒素を同時
に或いは別々にイオン注入した後、熱処理することによ
り、この構造が得られる。その後ゲート電極8の表面に
は層間絶縁膜となる酸化膜9を形成する。
【0027】次に、図8に示すように、n型ソース層6
の表面の窒化膜72 と酸化膜71 をエッチング除去した
後、第2層多結晶シリコンを堆積し、これを各メモリセ
ル領域に残すようにパターニングして蓄積ノード電極1
1を形成する。蓄積ノード電極11は、n型ソース層6
に接続され、島状のメモリセル領域全体を覆う状態にパ
ターン形成される。
【0028】そして蓄積ノード電極11の表面に熱酸化
によってキャパシタ絶縁膜12を形成した後、全面に第
3層多結晶シリコンを堆積してセル・プレート13を形
成する。
【0029】以上のようにしてこの実施例によれば、島
状のメモリセル領域の上面および側面の全体を覆うよう
にキャパシタが形成され、小さいセル占有面積で大きい
キャパシタ容量を持つDRAMを得ることができる。
【0030】本発明は、上記実施例に限られるものでは
ない。例えば実施例では、ビット線を下地基板とは絶縁
膜により分離された埋込み構造としたが、基板とはpn
接合により分離された拡散層配線とすることも可能であ
る。その場合、n型シリコン層4の形成に当たっては、
ビット線領域を露出させそれ以外の領域は酸化膜で覆わ
れた状態でシリコンのエピタキシャル成長を行えば、ビ
ット線領域が種結晶となって良質の単結晶シリコン層を
得ることができる。
【0031】また実施例では、ゲート電極が島状シリコ
ン層を横切って配設されてそのままワード線として用い
られた。これに対して、ゲート電極を各島状シリコン層
の中央部にパターン形成して、これを取囲むようにp型
活性層とn型ソース層を形成することもできる。この場
合にはゲート電極とは別にこれを接続するワード線が必
要になる。更に、各部の導電型を逆にしてもよいし、図
2の実施例におけるp型層53 を真性半導体層としても
よい。その他本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施することができる。
【0032】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、小さ
いセル面積で大きなキャパシタの実効面積を確保したス
チックト・セル構造のDRAMを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るDRAMのセル構造を
示す断面図。
【図2】他の実施例に係るDRAMのセル構造を示す断
面図。
【図3】図1のDRAMの製造工程を示す図。
【図4】図1のDRAMの製造工程を示す図。
【図5】図1のDRAMの製造工程を示す図。
【図6】図1のDRAMの製造工程を示す図。
【図7】図1のDRAMの製造工程を示す図。
【図8】図1のDRAMの製造工程を示す図。
【図9】従来のスタックト・セル構造例を示す図。
【符号の説明】
1…シリコン基板、 2…酸化膜、 3…ビット線、 4…n型シリコン層、 51 ,52 …p型活性層、 61 ,62 …n型ソース層、 71 …シリコン酸化膜、 72 …シリコン窒化膜、 8…ゲート電極(ワード線)、 9…層間絶縁膜、 101 ,102 …酸化膜、 11…蓄積ノード電極、 12…キャパシタ絶縁膜、 13…セル・プレート。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−86979(JP,A) 特開 昭63−21865(JP,A) 特開 昭63−177458(JP,A) 特開 昭63−311755(JP,A) 特開 平1−198065(JP,A) 特開 昭60−117659(JP,A) 特開 昭60−47459(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/108 H01L 21/8242

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板と、前記基板上に配設されたビット線
    と、前記基板上に島状に形成されて前記ビット線に繋が
    るドレイン層となる第1導電型半導体層と、前記第1導
    電型半導体層の表面に選択的に形成された第2導電型の
    活性層と、前記活性層表面に形成された第1導電型のソ
    ース層と、前記活性層上にゲート絶縁膜を介して形成さ
    れてワード線となるゲート電極と、 前記ソース層上か
    ら前記ゲート電極上にまたがって配設され、前記ゲート
    電極とは層間絶縁膜により分離された状態でかつ前記ソ
    ース層にコンタクトする蓄積ノード電極と、前記蓄積ノ
    ード電極上にキャパシタ絶縁膜を介して配設されたセル
    ・プレートと、を備えたことを特徴とするダイナミック
    型半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】半導体基板上に、基板とは電気的に分離さ
    れたビット線を形成する工程と、前記ビット線が形成さ
    れた基板上に前記ビット線と電気的に接続される第1導
    電型半導体層を形成し、これを各メモリセル領域毎に島
    状に分割する工程と、前記第1導電型半導体層表面にゲ
    ート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記
    ゲート電極をマスクとして前記第1導電型半導体層に不
    純物を二重拡散して第2導電型の活性層とその内部に位
    置する第1導電型ソース層を形成する工程と、前記ゲー
    ト電極表面を層間絶縁膜で覆い、前記ソース層から前記
    ゲート電極上にまたがって前記ソース層にコンタクトと
    する蓄積ノード電極を形成する工程と、前記蓄積ノード
    電極にキャパシタ絶縁膜を介して対向するセル・プレー
    トを配設する工程と、を備えたことを特徴とするダイナ
    ミック型半導体記憶装置の製造方法。
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