JP3607499B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体集積回路装置に係り、特にメモリセルを構成する容量素子としてトレンチキャパシタを用いたダイナミック型半導体記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイナミック型半導体記憶装置（以下、ＤＲＡＭと称する）のメモリセルは、キャパシタとトランスファ用の絶縁ゲート型トランジスタとから構成されている。ＤＲＡＭの集積度を向上させるには、より小さな面積で値がより大きなキャパシタを形成することが望ましい。その一つの手段として、シリコン基板に形成したトレンチを用いてキャパシタを構成するトレンチキャパシタがある。
【０００３】
トレンチキャパシタのなかでも、ギガビットクラスの超大規模容量ＤＲＡＭまで対応可能なものとして、ＢＥＳＴ（ＢｕｒｉＥｄ ＳＴｒａｐ）セルが注目されている。
【０００４】
ＢＥＳＴセルについては、例えば下記の文献に開示されている。
【０００５】
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ １９９３，ｐｐ．６２７−６３０，
Ａ ０．６ μｍ２ ２５６Ｍｂ Ｔｒｅｎｃｈ ＤＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｗｉｔｈ Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ ＢｕｒｉＥｄ ＳＴｒａｐ （ＢＥＳＴ），Ｌ．Ｎｅｓｂｉｔ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｃ．５−８， １９９３．
ＢＥＳＴセルのトレンチキャパシタは、Ｐ型シリコン基板中にＮ型埋め込みウェルを形成し、このＮ型ウェルに達するようにトレンチを形成し、このトレンチの内部にストレージ電極を形成することにより形成される。Ｎ型埋め込みウェルはプレート電極として機能する。
【０００６】
上記ＢＥＳＴセルは微細に形成できるので、メモリセルアレイの集積密度の向上に有効である。しかし、プレート電極をＮ型埋め込みウェルにより形成するため、メモリセルアレイの周りに形成されるセンスアンプ等の回路を含めたチップのサイズの縮小は困難である。
【０００７】
Ｎ型埋め込みウェルは、基板の深い部分にＮ型不純物を大量に注入し、注入されたＮ型不純物を基板中に広く熱拡散させて形成する。Ｎ型不純物は基板に対して垂直な方向だけでなく、基板に対して水平な方向にも拡散する。このためＮ型埋め込みウェルの平面面積は増大してしまう。
【０００８】
また、Ｎ型埋め込みウェルの形成に長い時間の熱拡散工程が必要であり、製造コストがかさむ、という量産上の不都合もある。
【０００９】
このような事情に鑑み、近年のＢＥＳＴセルは、Ｎ型不純物をトレンチから基板中に固相拡散させてトレンチの周囲にＮ型拡散層を形成し、このＮ型拡散層をプレート電極とするように改良されてきている。
【００１０】
図３０はこの種のＢＥＳＴセル１個分の素子構造を示す断面図である。
【００１１】
図３０に示すように、Ｐ型シリコンからなる半導体基板１４１にはトレンチ１４２が形成されている。このトレンチ１４２に対向した基板１４１の内部にはＮ型不純物が高濃度に導入されたＮ＋ 型拡散領域１４３が形成されている。このＮ＋ 型拡散領域１４３はトレンチキャパシタのプレート電極となる。また、上記トレンチ１４２の内周面上には例えばシリコン酸化膜からなるキャパシタ絶縁膜１４４が形成されており、さらに上部を残してトレンチ４２を埋めるように上記トレンチキャパシタのストレージ電極１４５が形成されている。さらにトレンチ上部にはＮ＋ 型の導電体層１４６が埋設されている。
【００１２】
上記トレンチキャパシタ周辺の基板１４１上にはトランスファトランジスタ１４７と厚いフィールド酸化膜１４８が形成されている。上記トランスファトランジスタ１４７では、基板１４１上にゲート酸化膜１４９とゲート電極１５０とが順次積層形成され、基板表面にはＮ型拡散領域からなるソース領域１５１とドレイン領域１５２が形成されている。そして、上記ソース領域１５１は、上記トレンチ１４２の側壁の一部を介して上記Ｎ＋ 型の導電体層１４６と電気的に接続されている。
【００１３】
上記のようにトレンチキャパシタは、トレンチ１４２の内周面上に形成されたキャパシタ絶縁膜１４４を介してトレンチ内部に形成された電極１４５と、トレンチ１４２と対向するシリコン基板１４１内に形成され対向電極として用いられる高不純物濃度のＮ＋ 型拡散領域１４３とを有している。そして、上記対向電極とトレンチ内部に形成された電極との間には、ＤＲＡＭ内部で使用される電圧の半分の電圧が印加されるようになっている。また、一般に上記キャパシタ絶縁膜１４４の厚さは１０ｎｍ以下と非常に薄くされており、上記Ｎ＋ 型拡散領域１４３における不純物濃度は５×１０１８／ｃｍ３ 以上と十分に高く設定されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＤＲＡＭの高集積化が進んでいくと、上記トレンチの間口が小さくなるために、トレンチを深くしたりしてキャパシタの容量値を大きくする必要がある。上記Ｎ＋ 型拡散領域１４３は、Ｎ型の不純物を含有し、固相拡散源となる絶縁膜をトレンチ内に形成し、この絶縁膜からトレンチ側面を介して基板１４１中に、Ｎ型の不純物を固相拡散させて形成する。この後、上記拡散源となる絶縁膜をトレンチから除去する。この際、間口が小さくて深いトレンチ、即ち高アスペクト比のトレンチであると、このトレンチから上記拡散源となる絶縁膜を充分に除去することが困難である。
【００１５】
上記拡散源となる絶縁膜がトレンチの底、即ちトレンチの先端部分に残ってしまうとトレンチが浅くなる。このため、トレンチキャパシタとして十分な容量値を確保することができず、データの記憶特性が劣化するという問題がある。
【００１６】
なお、現状のトレンチのアスペクト比はほぼ２０（深さ７μｍ程度／間口０．３μｍ程度）である。図３１（Ａ）および図３１（Ｂ）にそれぞれアスペクト比がほぼ２０のトレンチを持つＢＥＳＴセルの断面を示す。
【００１７】
図３１（Ａ）に示すように、トレンチ１４２の間口部分の幅Ｆは約０．３μｍ、その深さＤは約７μｍである。アスペクト比Ｄ／Ｆは約２０であり、非常に高い。このような高アスペクト比のトレンチ１４２は、現在の製造技術では先尖形となる。上記拡散源となる絶縁膜の除去はドライエッチングで行われるのが通常である。トレンチ１４２の間口部分の幅Ｆは広い。このため、トレンチ１４２の外部から未反応の新鮮なエッチャントガスが充分に供給され、上記絶縁膜は容易に除去できる。
【００１８】
これに対し、トレンチ１４２の先端部分の幅は狭いうえ、かつエッチングガスはトレンチ１４２の内部で上記絶縁膜と反応しながらトレンチの先端部分に達する。このため、未反応の新鮮なエッチントガスは間口部分に比べて極めて少なくなり、上記絶縁膜のエッチング効果は格段に落ちてしまう。
【００１９】
例えばこのような事情により、上記絶縁膜をトレンチ１４２から完全に除去することは大変難しい。
【００２０】
このため、図３１（Ｂ）に示すように、固相拡散源となる絶縁膜１６０がトレンチ１４２の底に残ってしまう。上記絶縁膜１６０がトレンチ１４２の底に残ると、トレンチキャパシタＴ．Ｃ．として機能するトレンチ１４２の実効的な深さＤ’は浅くなり、トレンチキャパシタＴ．Ｃ．の容量が低下する。上記絶縁膜１６０を完全に除去するためには充分な時間をかけて上記絶縁膜１６０をエッチングすれば良いが、製造に要する時間が延び、製造コストがかさんでしまう。
【００２１】
ＤＲＡＭのメモリセルは、ギガビットクラス以上のメモリ容量を実現するために、今後も微細化され続ける。そして、トレンチキャパシタにおいては、アスペクト比２０を超えるトレンチが形成されるようになる。このような観点から、上記絶縁膜１６０の除去はさらに困難化することが予想される。
【００２２】
この発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高集積化された場合であっても、容量素子の容量値を十分に大きくすることができる半導体集積回路装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明では、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板内に形成され、前記半導体基板の表面から離間され、前記半導体基板を上部領域と下部領域とに分割する埋め込み層と、前記半導体基板の表面から前記下部領域まで前記埋め込み層を突き抜けて形成されたトレンチと、このトレンチ内に形成され、前記半導体基板の下部領域に容量結合する電極体と、前記下部領域の前記トレンチ周囲の部分に形成された、第１導電型の強度が前記下部領域の第１導電型の強度よりも弱い第１導電型の半導体領域とを具備する。
【００２４】
即ち、この発明では、トレンチ内に形成された電極体を半導体基板の下部領域に容量結合させ、電界効果により半導体基板の下部領域に第２導電型の反転層を形成するようにした。そして、反転層をキャパシタの一方の電極として使用する。
【００２５】
このような発明によれば、キャパシタの一方の電極を、第２導電型の導電型の不純物をトレンチから基板に拡散させて得る構造を解消できる。
さらに、電極体と半導体基板の下部領域との電位差が“負”になると蓄積できる電荷量が減少する事情を改善できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。なお、この説明においては、全図にわたり共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１はこの発明の第１の実施形態に係るダイナミック型メモリセル１個分の素子構造を概略的に示す断面図である。図２はそのダイナミック型メモリセルをアスペクト比約２０で示した図である。
【００２８】
図１、図２に示すように、Ｐ型シリコンからなる半導体基板１１にはトレンチ１２が形成されている。このトレンチ１２のアスペクト比Ｄ／Ｆは、現在の２５６メガビットクラスでは約２０であるが、１ギガビットクラスでは、キャパシタの容量の確保の観点から２０を超えることが予測されている。
【００２９】
図２にアスペクト比Ｄ／Ｆが約２０のトレンチ１２を示す。このトレンチ１２の上部を除いた内周面上には、膜厚が例えば１０ｎｍのシリコン酸化膜からなるキャパシタ絶縁膜１３が形成されている。なお、このキャパシタ絶縁膜１３として、シリコン酸化膜の他にＯＮＯ膜（シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜からなる３層構造絶縁膜）、ＯＮ膜（シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜からなる２層構造絶縁膜）等も使用できる。さらに、上記トレンチ１２の上部を除いた内周面上で上記キャパシタ絶縁膜１３よりも上部には、このキャパシタ絶縁膜１３よりも十分に膜厚が厚い、例えば３０〜４０ｎｍのシリコン酸化膜（カラー酸化膜）１４が形成されている。また、上記トレンチ１２内には、Ｎ型不純物が導入されて低抵抗化された例えば多結晶シリコン層からなる電極１５がトレンチ内部を途中まで埋めるように形成されている。なお、この電極１５として、多結晶シリコン層の他にアモルファスシリコン層（非晶質シリコン層）などが使用可能である。さらに上記トレンチ１２内の上記電極１５の上部には、Ｎ型不純物が導入されて低抵抗化された例えば多結晶シリコン層からなる導電体層１６が形成されている。また、上記導電体層１６の一部を含む基板１１の表面には素子分離用のフィールド絶縁膜１７が形成されている。なお、図２においては、上記導電体層１６を、上記電極１５と一体化して、一つの部材として示している。
【００３０】
上記基板１１の表面から離間した基板内部には、板状のＮ型埋め込み層１８が埋設するように形成されている。このＮ型埋め込み層１８は深さ方向で所定の幅を有しており、上記基板１１の表面からこのＮ型埋め込み層１８の上面までの距離は０．５μｍ以上に設定されている。さらにこのＮ型埋め込み層１８は、その上面が、膜厚が厚い前記シリコン酸化膜１４の下部よりも浅い位置となるように形成されている。上記Ｎ型埋め込み層１８にはＮ型不純物として例えばリン（Ｐ）が導入されており、リンの導入によりそのシート抵抗が１０００Ω以下となるように設定されている。そして、上記基板１１は、この板状のＮ型埋め込み層１８により上部領域１１Ａと下部領域１１Ｂとに電気的に分離されている。
【００３１】
基板１１の上部領域１１Ａの主表面上には、メモリセルのキャパシタに接続される選択トランジスタのＮ型のソース領域１９及びドレイン領域２０が形成されており、ソース領域１９は上記トレンチ１２の側壁部で上記導電体層１６と電気的に接続され、ドレイン領域２０は図示しないビット線に接続されている。
【００３２】
上記ソース、ドレイン領域相互間の基板上にはゲート酸化膜２１とゲート電極（ワード線）２２とが積層形成されている。
【００３３】
すなわち、上記構成でなるＤＲＡＭセルでは、基板１１に形成されたトレンチ１２内にキャパシタが構成されており、ベリード・ストラップ（埋め込みストラップ）として作用する導電体層１６を介してキャパシタの電極１５が絶縁ゲート型トランジスタのソース領域１９に接続された構成とされている。そして、キャパシタの形状は、板状のＮ型埋め込み層１８に試験管状のトレンチが突き刺さっているような形状にされている。
【００３４】
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルをＤＲＡＭチップに集積した具体的な構成の一例を説明する。この具体的な構成の一例の説明は２５６メガビットＤＲＡＭにより行う。
【００３５】
図３はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを用いた２５６メガビットＤＲＡＭチップの平面図である。
【００３６】
図３に示すように、２５６メガビットＤＲＡＭは、例えば１６個の１６メガビットメモリセルアレイＡ１〜Ａ１６により構成される。図３中、“Ｒ／Ｄ”はロウデコーダを示している。また、“Ｃ／Ｄ”はカラムデコーダを示している。
【００３７】
図４は図３に示す１６メガビットメモリセルアレイの平面図である。
【００３８】
図４に示すように、１６メガビットメモリセルアレイは１６個の１メガビットブロックＢ１〜Ｂ１６より構成される。これら１メガビットブロックＢ１〜Ｂ１６各々は１６個の６４キロビットセグメントＳ１〜Ｓ１６より構成される。即ち、１６メガビットメモリセルアレイは６４キロビットセグメントを２５６個集積することにより構成される。
【００３９】
なお、６４キロビットセグメントはメモリセルアレイの一種である。現在、２５６メガビットを超えるような超大規模ＤＲＡＭでは、６４キロビットセグメントような小規模のメモリセルアレイを多数集積し、これによりさらに大規模なメモリセルアレイを構成するようになっている。
【００４０】
図５は図４に示す破線枠Ｖ内の拡大図である。
【００４１】
図５に示すように、６４キロビットセグメントは、ビット線センスアンプ等のビット線系回路１０１、およびワード線ドライバ等のワード線系回路１０２により囲まれている。図５中、“Ｓ／Ａ”はビット線センスアンプ、“ＥＱＬ．”はビット線イコライザ、“ＣＧ”はカラムゲートをそれぞれ示している。
【００４２】
図６は図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【００４３】
図６に示すように、６４キロビットセグメントの下にはＮ型埋め込み層１８が形成されている。基板１１中において、このＮ型埋め込み層１８は各６４キロビットセグメント毎に設けられている。即ち、一つの１６メガビットメモリセルアレイではＮ型埋め込み層１８が２５６個設けられる。さらに図３に示す２５６メガビットＤＲＡＭチップ全体ではＮ型埋め込み層１８の数は４０９６個になる。また、基板１１内にはＮ＋ 型ウェル３２が形成されている。このＮ＋ 型ウェル３２は基板１１の表面からＮ型埋め込み層１８に達する。また、このＮ＋ 型ウェル３２は、図５の平面に示すようにリング状である。リング状のＮ＋ 型ウェル３２はＮ型埋め込み層１８とともに基板１１を上部領域１１Ｂと下部領域１１Ａとにそれぞれ分離する。トレンチ１２は、上部領域１１ＢからＮ型埋め込み層１８を突き抜け、下部領域１１Ａに達する。
【００４４】
図７は図６に示す破線枠ＶＩＩ内の拡大図である。
【００４５】
図７に示すように、基板１１にはＰ＋ 型拡散層３１が形成されている。このＰ＋ 型拡散層３１には配線３５が電気的に接続されている。配線３５には基板電位ＶＳＵＢが供給される。この基板電位ＶＳＵＢは配線３５から上記Ｐ＋ 型拡散層３１を介して基板１１に与えられる。上記基板電位ＶＳＵＢの一例は回路内接地電位ＶＳＳ、即ち０Ｖである。上記基板電位ＶＳＵＢは下部領域１１Ｂにも伝わる。
【００４６】
また、上記Ｎ＋ 型ウェル３２には配線３６が電気的に接続されている。配線３６にはプレート電位ＶＰＬが供給される。このプレート電位ＶＰＬは配線３６から上記Ｎ＋ 型ウェル３２を介してＮ型埋め込み層１８に与えられる。この実施形態における上記プレート電位ＶＰＬは基板電位ＶＳＵＢと同じ、回路内接地電位ＶＳＳ、即ち０Ｖである。
【００４７】
また、基板１１にはＰ＋ 型拡散層３３が形成されている。このＰ＋ 型拡散層３３には配線３７が電気的に接続されている。配線３７にはトランスファトランジスタのバックゲートバイアス電位ＶＢＢが供給される。このバックゲートバイアス電位ＶＢＢは配線３７から上記Ｐ＋ 型拡散層３３を介して上部領域１１Ａに与えられる。上記バックゲートバイアス電位ＶＢＢの一例は負電位、例えば−０．５Ｖである。上部領域１１ＡはＤＲＡＭを動作させる場合に上記負電位となる。このようにトランスファトランジスタのバックゲートバイアス電位ＶＢＢを負電位とする理由は、トランスファトランジスタのサブスレッショルドリークを抑制し、トレンチキャパシタのデータリテンション特性の悪化を防ぐためである。また、上部領域１１Ａは、下部領域１１ＢとＮ型埋め込み層１８およびＮ＋ 型ウェル３２により分離されているために、トランスファトランジスタのバックゲート領域のみが上記バックゲートバイアス電位ＶＢＢとなる。
【００４８】
なお、図７中、参照符号３４に示す絶縁膜は層間絶縁膜である。この層間絶縁膜は配線３５をＰ＋ 型拡散層３１に接続するための開口部、配線３６をＮ＋ 型ウェル３２に接続するための開口部、配線３７をＰ＋ 型拡散層３３に接続するための開口部をそれぞれ有している。
【００４９】
このようにこの発明に係るダイナミック型メモリセルを集積したＤＲＡＭにおいては、Ｎ型埋め込み層１８はメモリセルアレイ毎に設けられる。なお、メモリセルアレイの例として、６４キロビットセグメントを例示したが、メモリセルアレイは、その周囲が他の回路によって囲まれたものであれば良い。
【００５０】
［動 作］
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルを集積したＤＲＡＭの基本的な動作の一例を説明する。以下説明する基本的な動作の一例の説明は、読み出し／書き込み動作時におけるビット線電圧の変化に着目して行う。
【００５１】
図８は６４キロビットセグメントおよびビット線系回路の回路図、図９（Ａ）は“１”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図、図９（Ｂ）は“０”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図である。
【００５２】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを備えたＤＲＡＭを動作させる場合、基板１１の下部領域１１ＢとＮ型埋め込み層１８には同一電位、例えば回路内接地電位ＶＳＳ、即ち基準電位の０Ｖを印加し、基板１１の上部領域１１Ａには負電位、例えば−０．５Ｖを印加する。この状態で下記のように動作させる。
【００５３】
［“１”データ読み出し／書き込み］
図８に示すカラムゲート１１２を“オフ”させた状態で、ＣＭＯＳ型のビット線センスアンプ１１１を駆動するセンスアンプ駆動信号ＳＡＰ、 ／ＳＡＮの電位をそれぞれプリチャージレベル、例えばＶＤＤ／２とし、ビット線センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージされる。ビット線のプリチャージレベルＶＰＲＣＨは、例えばＶＤＤ／２である。
【００５４】
また、センスアンプ駆動信号ＳＡＰは、ＣＭＯＳ型のビット線センスアンプのうち、ＰＭＯＳ部分を駆動する駆動信号、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮは、ＣＭＯＳ型のビット線センスアンプのうち、ＮＭＯＳ部分を駆動する駆動信号である。
【００５５】
次いで、プリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を非活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬはプリチャージレベルでフローティングになる。
【００５６】
次いで、ロウデコーダによりロウアドレスをデコードし、データ読み出し／書き込みを行うワード線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ４）を選択する。選択されたワード線ＷＬにはワード線ドライバＷＤＲＶから正の電位が供給される。例えばワード線ＷＬ２が選択されると、メモリセルＭＣ１１〜ＭＣ４２のうち、ワード線ＷＬ２をゲートするメモリセルのトランスファトランジスタがそれぞれ“オン”する。図８ではメモリセルＭＣ２１、ＭＣ２２である。これにより、プリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ１とメモリセルＭＣ２１のストレージ電極とが電気的に接続され、同様にプリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ２とメモリセルＭＣ２２のストレージ電極とが電気的に接続される。メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタそれぞれに電荷が蓄積されていると、メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタからそれぞれビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２に向けて電荷が放電される。この結果、図９（Ａ）に示すように、ビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２の電位はそれぞれ、プリチャージレベルのビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２に比べて＋ΔＶ高くなる。
【００５７】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から内部電源電圧ＶＤＤ（約２Ｖ）とし、同様にセンスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とし、センスアンプ１１１を活性にする。活性化されたセンスアンプ１１１は、ビット線対間に現れた電位差＋ΔＶを検知し、この電位差＋ΔＶを増幅する。これにより、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位、即ち内部電源電圧ＶＤＤまで実質的に上昇する。一方、ビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位、即ち回路内接地電位ＶＳＳまで実質的に下降する。
【００５８】
ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位が内部電源電圧ＶＤＤに上昇するに連れ、メモリセルＭＣ２１、ＭＣ２２それぞれのストレージ電極の電位が内部電源電圧ＶＤＤまで上昇していく。この結果、メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタは充電され、“１”データが再書き込みされる（データリフレッシュ）。
【００５９】
次いで、ワード線ＷＬ２の電位を下げ、メモリセルＭＣ２１、ＭＣ２２のトランスファトランジスタをオフさせる。
【００６０】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位を内部電源電圧ＶＤＤからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させるとともに、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位を回路内接地電位ＶＳＳからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させる。これにより、センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージレベルＶＰＲＣＨ（ＶＤＤ／２）となり、プリチャージされる。
【００６１】
［“０”データ読み出し／書き込み］
図８に示すカラムゲート１１２を“オフ”させた状態で、ビット線センスアンプ１１１を駆動するセンスアンプ駆動信号ＳＡＰ、 ／ＳＡＮの電位をそれぞれプリチャージレベル、例えばＶＤＤ／２とし、ビット線センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージされる。ビット線のプリチャージレベルＶＰＲＣＨは、例えばＶＤＤ／２である。
【００６２】
次いで、プリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を非活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬはプリチャージレベルでフローティングになる。
【００６３】
次いで、ロウデコーダによりロウアドレスをデコードし、データ読み出し／書き込みを行うワード線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ４）を選択する。選択されたワード線ＷＬにはワード線ドライバＷＤＲＶから正の電位が供給される。例えばワード線ＷＬ３が選択されると、メモリセルＭＣ１１〜ＭＣ４２のうち、ワード線ＷＬ３をゲートするメモリセルのトランスファトランジスタがそれぞれ“オン”する。図８ではメモリセルＭＣ３１、ＭＣ３２である。これにより、プリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ１とメモリセルＭＣ３１のストレージ電極とが電気的に接続され、同様にプリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ２とメモリセルＭＣ３２のストレージ電極とが電気的に接続される。メモリセルＭＣ３１、Ｍ３２のキャパシタそれぞれに電荷が無いと、メモリセルＭＣ３１、Ｍ３２のキャパシタそれぞれにビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２から電荷が充電される。この結果、図９（Ｂ）に示すように、ビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２の電位はそれぞれ、プリチャージレベルのビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２に比べて−ΔＶ低くなる。
【００６４】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から内部電源電圧ＶＤＤ（約２Ｖ）とし、同様にセンスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とし、センスアンプ１１１を活性にする。活性化されたセンスアンプ１１１は、ビット線対間に現れた電位差−ΔＶを検知し、この電位差−ΔＶを増幅する。これにより、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位、即ち回路内接地電位ＶＳＳまで実質的に下降する。一方、ビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位、即ち内部電源電圧ＶＤＤまで実質的に上昇する。
【００６５】
ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位が回路内接地電位ＶＳＳに下降するに連れ、メモリセルＭＣ３１、ＭＣ３２それぞれのストレージ電極の電位が回路内接地電位ＶＳＳまで上昇していく。この結果、メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタは放電され、“０”データが再書き込みされる（データリフレッシュ）。
【００６６】
次いで、ワード線ＷＬ３の電位を下げ、メモリセルＭＣ３１、ＭＣ３２のトランスファトランジスタをオフさせる。
【００６７】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位を内部電源電圧ＶＤＤからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させるとともに、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位を回路内接地電位ＶＳＳからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させる。これにより、センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージレベルＶＰＲＣＨ（ＶＤＤ／２）となり、プリチャージされる。
【００６８】
ＤＲＡＭでは以上のようなデータ読み出し／書き込みを、例えば“ナノ秒”オーダーのサイクルで繰り返すことにより、“１”データ、または“０”データをメモリセルに保持し続ける。
【００６９】
なお、データの読み出し要求があった場合には、カラムデコーダによりカラムアドレスがデコードされ、データ読み出しを行うビット線対（カラム）が選択される。例えばビット線対ＢＬ１、 ／ＢＬ１が選択された場合には、カラム選択信号ＣＳＬ１が“Ｈ”レベルとなって、カラムゲート１１２−１が“オン”する。これにより、データはビット線対ＢＬ１、 ／ＢＬ１からデータ線対ＤＱ、 ／ＤＱに読み出される。なお、カラムゲート１１２（１１２−１、１１２−２）は、ビット線対間の電位差が増幅されている期間、即ち図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すセンス＆リフレッシュ期間に“オン”される。
【００７０】
ここで、上記キャパシタは、図１および図２に示すように、その断面構造上、トレンチ内部の電極１５をゲート電極、キャパシタ絶縁膜１３をゲート絶縁膜、トレンチ１２を中心にして両側に位置する一対のＮ型埋め込み層１８をソース、ドレイン領域とする絶縁ゲート型トランジスタと見做すことができる。そして、上部領域１１ＡとＮ型埋め込み層１８が逆バイアスされているため、ソース領域となる上記一対の一方のＮ型埋め込み層１８から基板１１の下部領域１１Ｂに少数キャリア（この実施形態では電子）が注入される。この結果、下部領域１１Ｂの上記トレンチ１２の基板１１側の側面には少数キャリアによる反転層が形成される。ここでソース、ドレイン領域となるＮ型埋め込み層１８は共に同一電位（基準電位）に設定されているので、熱平衡状態（ｅｑｕｉｂｒｉｕｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ）にあり、ドレイン領域となる上記一対の他方のＮ型埋め込み層１８に少数キャリアが流れ込むことはない。そして、この少数キャリアによる反転層と、キャパシタ絶縁膜１３を介在した上記電極１５によってキャパシタが形成される。すなわち、ソース、ドレイン領域となる一対のＮ型埋め込み層１８間及びＮ型埋め込み層１８と下部領域１１Ｂ間には電位差が生じていないので（共に０Ｖ）、少数キャリアの移動がなく、少数キャリアはチャネル（いわゆるトレンチの界面）に沿って溜まることになる。なお、ここでいうトレンチの界面とは、Ｎ型埋め込み層１８よりも下部に位置する界面を指している。
【００７１】
このように上記構造でなるＤＲＡＭセルでは、従来のようにトレンチに対向した基板内部にキャパシタの一方の電極となるＮ＋型拡散領域を形成する必要がないので、セルの高集積化が進んでいき、トレンチの間口が小さくなってきても、トレンチを深くしてキャパシタの容量値を大きくすることが容易である。すなわち、従来のようにトレンチの内部に固相拡散源となる不純物を含有した絶縁膜を堆積し、この絶縁膜から不純物をトレンチ側面に拡散させる必要がなく、板状のＮ型埋め込み層１８を基板内部に埋め込み、この板状のＮ型埋め込み層１８に試験管状のトレンチ１２を突き刺さすように構成することで十分大きな容量値を得ることができる。この結果、高集積化が進んでも十分なキャパシタ容量値が確保でき、データの記憶特性の劣化を防止することができる。
【００７２】
なお、ソース領域１９とＮ型埋め込み層１８及びその間に存在する基板１１の上部領域１１ＡでＮＰＮ構造が形成されるが、この位置には膜厚が十分に厚いシリコン酸化膜１４が形成されているので、この部分に寄生の絶縁ゲート型トランジスタが形成されることはない。従って、導電体層１６及び電極１５に正極性の電圧が印加された場合でも、ソース領域１９とＮ型埋め込み層１８との間が導通して、電流が流れることはない。
【００７３】
［Ｎ型埋め込み層１８］
次に、Ｎ型埋め込み層１８が形成される位置およびその抵抗値について説明する。
【００７４】
図１０はＮ型埋め込み層１８の不純物プロファイル図である。図１０は、特にＮ型埋め込み層１８をリン（Ｐ）のイオン注入によって形成した場合の不純物プロファイルを示している。
【００７５】
図１０に示す特性Ａ、Ｂはともに、リンのドーズ量を例えば１×１０１３／ｃｍ２ にし、特性Ａはイオンの加速電圧を１．８ＭｅＶに、特性Ｂは１．５ＭｅＶにそれぞれ設定した場合を示している。いずれの場合にも、熱処理を行って注入イオンを活性化した後では、上記Ｎ型埋め込み層１８は深さ方向で所定の幅を有するように形成される。そして、基板１１の主表面からこのＮ型埋め込み層１８の上面までの距離は１μｍ程度にされている。ここで、基板１１の主表面からＮ型埋め込み層１８の上面までの距離をあまり短くすると、絶縁ゲート型トランジスタのソース領域１９とＮ型埋め込み層１８との間でパンチスルーが発生する恐れがあるので、十分な耐圧を確保するために両者間の距離は少なくとも０．５μｍ以上に設定することが好ましい。
【００７６】
図１１はＮ型埋め込み層１８におけるドーズ量とシート抵抗との関係を示す特性図である。図１１は、特にＮ型不純物イオンをリンイオンとした場合の関係について示している。
【００７７】
図１１に示すように、ドーズ量が概略２×１０１３／ｃｍ２ を越えるとＮ型埋め込み層１８のシート抵抗は１０００Ω以下となる。ここで、Ｎ型埋め込み層１８のシート抵抗を１０００Ω以下に設定すると、少数キャリアの発生、消滅が十分に速く起きるため、ＤＲＡＭの動作に支障がないことが実験によって確認されている。従って、Ｎ型埋め込み層１８をリンのイオン注入によって形成する場合には、ドーズ量を２×１０１３／ｃｍ２ 以上としてシート抵抗を１０００Ω以下に設定する。
【００７８】
なお、上記少数キャリアとは下部領域１１Ｂに対する少数キャリアであり、電子である。即ち、Ｎ型埋め込み層１８は少数キャリアの供給源として作用している。この少数キャリアはトレンチ１２に沿った反転層（Ｎ型）を下部領域１１Ｂに形成するものである。Ｎ型埋め込み層１８を少数キャリアの供給源として作用させるためには、そのシート抵抗は１５００Ω以下であれば良い。
【００７９】
［トレンチキャパシタ］
次に、トレンチキャパシタの電圧−容量特性について説明する。
【００８０】
図１２はこの発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を示す特性図である。
【００８１】
図１２に示すように、この発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性は、容量がほぼ一定となる領域（Ｉ）および容量が変化する領域（ＩＩ）とを持つ。概略的に、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差（電圧）が“正”であると容量はほぼ一定であり、反対に“負”であると容量が減少する傾向を示す。これは次の理由によるものと推測される。
【００８２】
図１３（Ａ）はパワーオン前のトレンチキャパシタの状態を示す図、図１３（Ｂ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（Ｉ）を示す図、図１３（Ｃ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（ＩＩ）を示す図である。
【００８３】
図１３（Ａ）に示すように、パワーオン前のトレンチキャパシタは、トレンチ１２の周囲の導電型はＰ型である。なお、Ｎ型埋め込み層１８と下部領域１１Ｂとの間にはＰＮ接合が存在するので空乏層が生じている。
【００８４】
また、図１３（Ｂ）に示すように、パワーオン後、下部領域１１Ｂに対して、ストレージ電極１５の電位が高くなるとトレンチ１２の周囲に空乏層が発生し、さらに空乏層の中にＮ型の反転層が形成され、やがて、トレンチ１２の周囲がＮ型の反転層によっては完全に覆われる。この状態においてはトレンチキャパシタの誘電体膜がキャパシタ絶縁膜１３のみとなるので、その容量は最大値を示すようになる。これが図１２に示す領域（Ｉ）の状態である。
【００８５】
また、図１３（Ｃ）に示すように、パワーオン後、下部領域１１Ｂに対して、ストレージ電極１５の電位が低くなるとＮ型の反転層が消滅し始め、トレンチ１２の周囲はＮ型の反転層によっては完全に覆われなくなる。この状態においては、トレンチキャパシタの誘電体膜はキャパシタ絶縁膜１３の他、空乏層が存在するので、その容量は図１３（Ｂ）に示す状態よりも低下する。これが図１２に示す領域（ＩＩ）の状態である。
【００８６】
なお、トレンチ１２の周囲からＮ型の反転層が完全に消滅し、さらに空乏層も完全に消滅すれば、トレンチキャパシタの誘電体膜はキャパシタ絶縁膜１３のみとなるので、その容量は最大値を示す。しかしながら、ＤＲＡＭは“ナノ秒”のサイクルでデータのリフレッシュを繰り返すので、Ｎ型の反転層および空乏層は完全に消滅しきれない。即ち、“ナノ秒”は非常に短い時間であるために、Ｎ型の反転層を構成する電子が全て再結合しきれない。このため、図１３（Ｃ）に示すように、Ｎ型の反転層と空乏層とが混在した状態が残ってしまうものと推測される。
【００８７】
［この発明に係るダイナミック型メモリセルの第１の使用例］
ところで、ダイナミック型メモリセルにおいて、上記のようにそのキャパシタの容量が変化することは、あまり好ましいことではない。このため、この発明に係るダイナミック型メモリセルおいては、領域（Ｉ）の特性で使用されることが望ましい。
【００８８】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを領域（Ｉ）の特性で使用するための一例は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示したビット線がとり得る電圧の最低値と同じか、それよりもプレート電位ＶＰＬを低くすることである。このようにすれば、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差（電圧）が“負”になることはない。よって、この発明に係るダイナミック型メモリセルを領域（Ｉ）の特性により使用できる。
【００８９】
ところで、ビット線の電位はその回路動作の上では、通常、負電位にならない。例えばビット線が回路動作の上でとり得る最低の電位は、ＮＭＯＳセンスアンプを駆動する駆動信号 ／ＳＡＮの駆動電位ＶＳＡＮである。駆動電位ＶＳＡＮは、通常、回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）である。これに鑑み、具体例としては、上述したようにプレート電位ＶＰＬを回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とする。即ち、Ｎ型埋め込み層１８を回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）にバイアスする。
【００９０】
次に、プレート電位ＶＰＬを回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とした時に、トレンチキャパシタに蓄積できる電荷量について説明する。
【００９１】
図１４（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図、図１５（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図である。なお、条件は、プレート電位ＶＰＬ＝０Ｖ、基板電位ＶＳＵＢ＝０Ｖ、ビット線プリチャージレベル＝１Ｖ、“１”データ書き込みレベル＝２Ｖ、“０”データ書き込みレベル＝０Ｖである。
【００９２】
また、図１４（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図、図１５（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図である。
【００９３】
［“１”データ書き込み］
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル１Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル１Ｖである。この後、ビット線の電位を“１”データ書き込みレベル２Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は１Ｖから２Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１４（Ａ）に斜線に示したものとなる。
【００９４】
［“０”データ書き込み］
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル１Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル１Ｖである。この後、ビット線の電位を“０”データ書き込みレベル０Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は１Ｖから０Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１５（Ａ）に斜線に示したものとなる。
【００９５】
以上のように、プレート電位ＶＰＬを、ビット線がとりう得る電位の最低値と同じか、それよりも低くすることで、この発明に係るダイナミック型メモリセルを、図１２に示す領域（Ｉ）の範囲で使用することができる。これによれば、“１”データ書き込み時および“０”書き込み時の双方において容量Ｃの減少がほとんどなく、この発明に係るダイナミック型メモリセルを最大の容量で使用できる。即ち、“１”データ書き込み時および“０”書き込み時の双方において、充分な電荷を蓄積することができる。
【００９６】
なお、上記第１の使用例では、ビット線の最低電位が回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）としたが、例えば駆動電位ＶＳＡＮが負電位となるような場合、プレート電位ＶＰＬは駆動電位ＶＳＡＮに合わせて、同じ負電位としても良い。
【００９７】
［この発明に係るダイナミック型メモリセルの第２の使用例］
上記第１の使用例では、“１”データ書き込み時および“０”書き込み時の双方において、充分な電荷を蓄積できる利点がある。その反面、プレート電位ＶＰＬとビット線がとりうる電圧の最大値との差が大きくなり、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界が大きくなる、という事情を招く。キャパシタの容量を大きくするための方法の一つとしてキャパシタ絶縁膜１３、即ちキャパシタの誘電体膜の薄膜化がある。しかしながら、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界が大きいと、これの薄膜化も難しくなってくる。このため、この発明に係るダイナミック型メモリセルおいては、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくすることが望ましい。
【００９８】
この発明に係るダイナミック型メモリセルのキャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくするための一例は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示したビット線のプリチャージレベルとプレート電位ＶＰＬとを互いに実質的に等しくすることである。このようにすれば、ストレージ電極１５の電位がプレート電極の電位に対して“正”になった時、反対に“負”になった時の双方において、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界をほぼ等しくできる。これにより、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界は、例えば上記第１の使用例に比べて小さくできる。具体的には、プリチャージレベルおよびプレート電位ＶＰＬの双方を回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とする。プリチャージレベルは、ビット線イコライザに供給されるプリチャージ電位ＶＰＲＣＨである。
【００９９】
図１６（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図、図１７（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図である。なお、条件は、プレート電位ＶＰＬ＝０Ｖ、基板電位ＶＳＵＢ＝０Ｖ、ビット線プリチャージレベル＝０Ｖ、“１”データ書き込みレベル＝１Ｖ、“０”データ書き込みレベル＝−１Ｖである。
【０１００】
また、図１６（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図、図１７（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図である。
【０１０１】
［“１”データ書き込み］
図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル０Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル０Ｖである。この後、ビット線の電位を“１”データ書き込みレベル１Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は０Ｖから１Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１６（Ａ）に斜線に示したものとなる。
【０１０２】
［“０”データ書き込み］
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル０Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル０Ｖである。この後、ビット線の電位を“０”データ書き込みレベル−１Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は０Ｖから−１Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１７（Ａ）に斜線に示したものとなる。以上のように、プレート電位ＶＰＬとビット線プリチャージレベルとを互いに実質的に等しくすることにより、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくすることができる。即ちプレート電位ＶＰＬ（０Ｖ）と“１”データ書き込み時のストレージ電極１５の電位（ほぼ１Ｖ）との電位差、およびプレート電位ＶＰＬ（０Ｖ）と“０”データ書き込み時のストレージ電極１５の電位（ほぼ−１Ｖ）との電位差はともに約１Ｖとなる。
【０１０３】
なお、図１７（Ａ）に示すように、第２の使用例では“０”データ書き込み時、ストレージ電極１５の電位がプレート電位ＶＰＬに対して“負”になるので、上述したように容量Ｃが減少する。これにより、蓄積できる電荷量Ｑは“１”データ書き込み時よりも減少する。このような特性は上述したようにあまり好ましいことではないが、全く使用できないものではない。たとえ容量Ｃが減少する傾向を示しても、結果として電荷量Ｑが“０”データを保持するのに充分な量であれば、何等問題なく、使用することができる。
【０１０４】
また、第１の使用例ではキャパシタ絶縁膜１３に印加される電界が大きくなるが、内部電源の低電圧化も同時に進行している。例えば従来内部電源電圧は５Ｖが一般的であったが、現在、市販されているＬＳＩ製品では３Ｖが主流である。さらに実際には内部電源電圧３Ｖ以下、例えばこの実施形態のように内部電源電圧２Ｖでも充分に動作するようになってきている。今後は２Ｖ以下に低電圧化される。このようにキャパシタ絶縁膜１３に印加される電界は内部電源を低電圧化することでも小さくできる。
【０１０５】
以上のことから、上記第１、第２の使用例のどちらも充分に使用できる。そして、実使用に際しては、いずれか最適なほうを選んで実施されれば良い。
【０１０６】
［この発明に係るダイナミック型メモリセルの第３の使用例］
図１８は、この発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を示す特性図である。なお、図１８は図１２に示した特性図を簡略化して示したものである。
【０１０７】
図１８に示すように、実際には、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になると容量が減少する。この結果、蓄積可能な電荷量は減少する。理想は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”でも“正”でも、その容量が一定になることである。
【０１０８】
この第３の使用例の目的は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になると蓄積できる電荷量が減少する事情を改善し、上記電位差が“負”になった時に、蓄積できる電荷量を増やすことにある。
【０１０９】
図１９（Ａ）は第３の使用例が示す電圧−容量特性の傾向を示す図、図１９（Ｂ）は第３の使用例に係る、プリチャージレベル（ＶＰＲＣＨ）がストレージ電極１５に印加された時のＮ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図である。
【０１１０】
図１９（Ａ）に示すように、第３の使用例は、容量−電圧特性カーブＣ−Ｖを、図中破線に示すように、負の方向にシフトさせるものである。このためには、図１３（Ｂ）に示した反転層を、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になっても消滅させ難くすれば良い。このために、第３の使用例では、図１９（Ｂ）に示すように、基板電位ＶＳＵＢをプリチャージレベル、即ちプリチャージ電位ＶＰＲＣＨよりも低く、かつプレート電位ＶＰＬよりも低くする。上記プリチャージ電位ＶＰＲＣＨは、ビット線イコライザに供給されるプリチャージ電位ＶＰＲＣＨである。これにより、ストレージ電極１５がプリチャージ電位ＶＰＲＣＨになった時において、ストレージ電極１５と下部領域１１Ｂとの間に正の電位差を生じさせることができる。ストレージ電極１５と下部領域１１Ｂとの間に正の電位差が生じていれば、ストレージ電極１５は、トレンチ１２周囲の下部領域１１Ｂに反転層を生じさせる。この後、“０”データ書き込み時には、ストレージ電極１５の電位はプリチャージ電位ＶＰＲＣＨから例えば０Ｖに遷移するが、少なくともストレージ電極１５がプリチャージ電位ＶＰＲＣＨの時には充分な反転層がある。これにより、反転層が消滅し始める状態を、例えば第２の使用例に比べて負の方向にシフトできる。これにより、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になった時に、蓄積できる電荷量を増やすことができる。
【０１１１】
なお、第３の使用例においては、第２の使用例と同様に、プレート電位ＶＰＬがプリチャージ電位ＶＰＲＣＨ（プリチャージレベル）と等しくできる。このため、第２の使用例と同様に、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくできる効果を得ることができる。
【０１１２】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になると蓄積できる電荷量が減少する事情を、構造的な工夫により改善したものである。
【０１１３】
図２０（Ａ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタが示す電圧−容量特性の傾向を示す図、図２０（Ｂ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの断面図である。
【０１１４】
図２０（Ａ）に示すように、第２の実施形態は、容量−電圧特性カーブＣ−Ｖの容量の減少率を、図中破線に示すように、小さくするものである。このためには、図１３（Ｂ）に示した反転層を、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になっても消滅させ難くすれば良い。このために、第２の実施形態では、トレンチ１２の周囲に、Ｐ型の強度が下部領域１１ＢのＰ型の強度よりも弱い領域を形成する。具体的には、図２０（Ｂ）に示すように、トレンチ１２の周囲にＰ型の下部領域１１ＢよりもＰ型不純物濃度が薄いＰ− 型領域１１Ｃを形成する。
【０１１５】
このようにトレンチ１２の周囲に、Ｐ型の強度が下部領域１１ＢのＰ型の強度よりも弱いＰ− 型領域１１Ｃを形成することによって、トレンチ１２の周囲には、より多くの少数キャリア（この実施形態では電子）を含む反転層が形成されるようになる。反転層に含まれる少数キャリアが多ければ、その反転層が消滅するまでにより長い時間を要する。したがって、反転層は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になっても消滅し難くなる。これにより、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になった時に、蓄積できる電荷量を増やすことができる。
【０１１６】
なお、この第２の実施形態は、上述の第１、第２、第３の使用例と組み合わせて使用できる。
【０１１７】
［製造方法］
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの製造方法について説明する。
【０１１８】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭチップは、５つの主要な工程を経て製造される。
【０１１９】
即ちトレンチキャパシタを形成する工程、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）を形成する工程、トランジスタを形成する工程、内部配線を形成する工程、そしてＮ型埋め込み層１８を形成する工程である。このＮ型埋め込み層１８を形成する工程はこの発明に係るダイナミック型メモリセルにおいて特に重要である。この工程を製造シーケンスのどこに組み込むかで、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの製造コストが左右される。
【０１２０】
以下、３つの製造シーケンス例について説明する。
【０１２１】
［第１の製造シーケンス例］
図２１（Ａ）は、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第１の製造シーケンス例を示す図である。
【０１２２】
図２１（Ａ）に示すように、第１の製造シーケンス例は、最初にＮ型埋め込み層１８を形成する。この後、トレンチキャパシタ、ＳＴＩ、トランジスタ、配線を順次形成する。この第１の製造シーケンスは、基板１１の深い部分からその上部に向かって順次装置構造を形成していく方法である。
【０１２３】
上記第１の製造シーケンス例では、基板１１の内部にＮ型埋め込み層１８を形成してからトレンチ１２を形成する。この発明に係るダイナミック型メモリセルを形成するためには、トレンチ１２をＮ型埋め込み層１８に正確にアライメントさせなければならない。しかし、Ｎ型埋め込み層１８は基板１１の深い部分に形成されており、Ｎ型埋め込み層１８は基板１１の表面から見ることができない。このため、Ｎ型埋め込み層１８に対するトレンチ１２のアライメントには、Ｎ型埋め込み層１８の形成に使用されたアライメントマークが使われる。このアライメントマークの代表例は、オリエンテーションフラット等、ウェーハに形成されているシリコン結晶の方向を示すマークである。
【０１２４】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭは、上記第１の製造シーケンスにより形成することができる。
【０１２５】
［第２の製造シーケンス例］
現在のオリエンテーションフラットはアライメントマークとして充分な精度を有している。しかし、最先端の技術を使用して製造されるＬＳＩ製品、即ちＭビットクラス以上の集積度を誇るＤＲＡＭ製品においては、オリエンテーションフラット以上に高精度なマークが必要とされる。このため、Ｎ型埋め込み層１８を形成する前に、ウェーハの表面にオリエンテーションフラット以上の精度を持つアライメントマークを形成する。
【０１２６】
しかしこの方法では、アライメントマークを形成する工程が別途必要であり、製造コストがかさむ事情がある。
【０１２７】
この第２の製造シーケンス例は、アライメントマークを形成せずに、トレンチ１２とＮ型埋め込み層１８との高精度なアライメントを可能にする製造方法を提供することを目的としている。
【０１２８】
図２１（Ｂ）は、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第２の製造シーケンス例を示す図である。
【０１２９】
図２１（Ｂ）に示すように、第２の製造シーケンス例は、最初にトレンチキャパシタを形成する。この後、Ｎ型埋め込み層１８、ＳＴＩ、トランジスタ、配線を順次形成する。
【０１３０】
上記第２の製造シーケンス例では、基板１１の表面からその内部に向かってトレンチ１２を形成してからＮ型埋め込み層１８を形成する。トレンチ１２は基板１１の表面に露呈しており、トレンチ１２は基板１１の表面から見ることができる。即ちトレンチ１２はアライメントマークとして使うことができる。このようにトレンチ１２をアライメントマークとして使用することで、別途アライメントマークを形成しなくても、Ｎ型埋め込み層１８はトレンチ１２に正確にアライメントさせることができる。
【０１３１】
［第３の製造シーケンス例］
製造コストの削減は廉価な製品を市場に供給するための重要な課題である。製造コストを削減するために最も良い方法は、マスクレス、即ちホトリソグラフィ工程を用いないことである。しかしながら、現状のＬＳＩ製造においては、ホトリソグラフィ工程をゼロにすることは不可能である。しかし、マスクの数を削減することは可能である。
【０１３２】
この第３の製造シーケンス例は、マスクの数を削減し、製造コストの圧縮を可能にする製造方法を提供することを目的としている。
【０１３３】
図２１（Ｃ）は、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第３の製造シーケンス例を示す図である。
【０１３４】
図２１（Ｃ）に示すように、第３の製造シーケンス例は、トレンチキャパシタ、ＳＴＩをそれぞれ形成した後に、Ｎ型埋め込み層１８を形成する。この後、トランジスタ、配線を順次形成する。
【０１３５】
上記第３の製造シーケンス例では、トレンチ１２、ＳＴＩを形成してからＮ型埋め込み層１８を形成する。Ｎ型埋め込み層１８はメモリセルアレイが形成される部分の下に形成される。Ｎ型埋め込み層１８を形成するための導電性不純物のイオン注入は、メモリセルのトランスファトランジスタ用の活性領域を通して行われる。トランスファトランジスタを含め、ＬＳＩを構成するためのトランジスタが形成される活性領域には、通常、しきい値電圧を調節するために導電性不純物がイオン注入される。第３の製造シーケンスでは、Ｎ型埋め込み層１８を形成する時点において、活性領域および分離領域がともに完成している。このため、Ｎ型埋め込み層１８を形成するための導電性不純物のイオン注入と、トランスファトランジスタのしきい値電圧を調節するための導電性不純物のイオン注入とを、同じマスクを用いて行うことができる。同じマスクを用いて、Ｎ型埋め込み層１８およびしきい値電圧調節のためのイオン注入を行うことで、マスクの数を削減でき、製造コストを圧縮することができる。
【０１３６】
［メモリセルの製造方法］
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルの製造方法の具体的一例を説明する。以下に説明する製造形成方法は、上記第３の製造シーケンスに従う。
【０１３７】
図２２（Ａ）〜図２８（Ｂ）はそれぞれ、この発明に係るダイナミック型メモリセルを主要な製造工程毎に示す斜視図である。
【０１３８】
まず、図２２（Ａ）に示すように、Ｐ型シリコンからなる半導体基板１１の表面を熱酸化し、バッファ酸化膜（ＳｉＯ２ ）４１を形成する。次いで、バッファ酸化膜４１上に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン膜（Ｓｉ３ Ｎ４ ）４２を形成する。次いで、窒化シリコン膜４２の上にホトレジストを塗布し、図示せぬホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりトレンチの形成パターンに対応した窓を形成する。次いで、このホトレジスト膜をマスクに用いたＲＩＥ法により、窒化シリコン膜４２をエッチングし、窒化シリコン膜４２にトレンチの形成パターンに対応した窓４３を形成する。この工程に使用されるアライメントマークは、ウェーハ（基板１１）に形成された図示せぬオリエンテーションフラット等である。
【０１３９】
次に、図２２（Ｂ）に示すように、上記窒化シリコン膜４２をマスクに用いたＲＩＥ法により基板１１をエッチングし、基板１１に間口Ｆが例えば０．３μｍで深さが７μｍのトレンチ（ディープトレンチ）１２を形成する。
【０１４０】
なお、図２０（Ｂ）に示した第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルを形成する場合には、トレンチ１２を形成した後、このトレンチ１２に対して、基板１１とは反対導電型の不純物、この実施形態ではＮ型の不純物をイオン注入すれば良い。
【０１４１】
次に、図２３（Ａ）に示すように、上記トレンチ１２から露出した基板１１の表面を熱酸化し、膜厚が例えば１０ｎｍ程度の二酸化シリコンからなるキャパシタ絶縁膜１３を形成する。なお、キャパシタ絶縁膜１３は二酸化シリコンに限らず、ＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／ＳｉＯ２ の三層構造からなる膜（ＯＮＯ膜）や、ＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ の二層構造からなる膜（ＯＮ膜）等にすることもできる。次いで、ここまで得られている構造の上に導電性のポリシリコンを堆積し、導電性のポリシリコン膜４４を形成する。このポリシリコン膜４４はトレンチ１２を埋め込む。また、導電性不純物としてＮ型の不純物を含有している。
【０１４２】
次に、図２３（Ｂ）に示すように、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＲＩＥ法により上記ポリシリコン膜４４をエッチバックし、トレンチ１２の上部から上記ポリシリコン膜４４を除去する。なお、トレンチ１２の内部に残されたポリシリコン膜４４はストレージ電極１５となる。
【０１４３】
次に、図２４（Ａ）に示すように、上記窒化シリコン膜４２およびストレージ電極１５をマスクに用いたＣＤＥ法によりキャパシタ絶縁膜１３をエッチングし、トレンチ１２の上部から上記キャパシタ絶縁膜１３を除去する。次いで、ここまで得られている構造の上に二酸化シリコンを堆積し、膜厚が例えば３０〜４０ｎｍ程度の二酸化シリコン膜を形成する。次いで、上記窒化シリコン膜４２およびストレージ電極１５をストッパに用いたＲＩＥ法により二酸化シリコン膜をエッチングし、トレンチ１２の側壁に二酸化シリコン膜を残す。トレンチ１２の側壁に残された二酸化シリコン膜はカラー酸化膜１４となる。
【０１４４】
次に、図２４（Ｂ）に示すように、図２４（Ａ）に示す構造の上にノンドープのポリシリコンを堆積し、ノンドープのポリシリコン膜を形成する。次いで、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＲＩＥ法によりこのノンドープのポリシリコン膜をエッチバックし、トレンチ１２の上部からこのポリシリコン膜を除去する。トレンチ１２の内部に残されたノンドープのポリシリコン膜は、ストレージ電極１５を基板１１の表面に導く導電体層１６（１６Ａ）となる。なお、この工程時においては導電体層１６Ａは高い抵抗値を有する。導電体層１６Ａを構成するポリシリコンがノンドープであるためである。しかしながら、以後の製造過程においてＮ型不純物がストレージ電極１５から拡散（固相拡散）されるために、最終的にはその抵抗値は導電体として機能するように減少される。次いで、上記窒化シリコン膜４２および導電体層１６Ａをマスクに用いたＣＤＥ法によりキャパシタ絶縁膜１３をエッチングし、トレンチ１２の上部から上記カラー酸化膜１４を除去する。これにより、トレンチ１２から基板１１の表面を露出させる。
【０１４５】
次に、図２５（Ａ）に示すように、図２４（Ｂ）に示す構造の上にノンドープのポリシリコンを堆積し、ノンドープのポリシリコン膜を形成する。次いで、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＲＩＥ法によりこのノンドープのポリシリコン膜をエッチバックし、トレンチ１２の上部からこのポリシリコン膜を除去する。トレンチ１２の内部に残されたノンドープのポリシリコン膜は、ストレージ電極１５を基板１１の表面に導く導電体層１６（１６Ｂ）となる。なお、この工程時においては導電体層１６Ｂは導電体層１６Ａと同様に高い抵抗値を有するが、同様に以後の製造過程においてＮ型不純物がストレージ電極１５から拡散（固相拡散）されるために、最終的にはその抵抗値は導電体として機能するように減少される。導電体層１６Ｂは導電体層１６Ａと一体になり、図１に示した導電体層１６を構成する。また、トレンチ１２の側壁を介して導電体層１６Ｂは基板１１に接触される。
【０１４６】
ここまでの工程により、トレンチキャパシタが完成する。次に、ＳＴＩを形成する製造シーケンスに移る。
【０１４７】
ＳＴＩを形成するために、まず、図２５（Ｂ）に示すように、図２５（Ａ）に示す構造の上にホトレジストを塗布し、ホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりＳＴＩの形成パターンに対応した窓を形成する。この結果、互いに孤立したホトレジスト膜４５が複数得られる。複数の孤立したホトレジスト膜４５は各々活性領域となる部分を覆う。この工程では、アライメントマークとしてトレンチ１２を使用する。これにより、形成される活性領域はトレンチ１２に対して高精度にアライメントされる。
【０１４８】
次に、図２６（Ａ）に示すように、ホトレジスト膜４５をマスクに用いたＲＩＥ法により、図２５（Ｂ）に示す構造をエッチングし、図２５（Ｂ）に示す構造に格子状のシャロートレンチ４６を形成する。次いで、ホトレジスト膜４５を除去する。シャロートレンチ４６から突出した部分は活性領域４７となる。
【０１４９】
次に、図２６（Ｂ）に示すように、図２６（Ａ）に示す構造の上に二酸化シリコンを堆積し、二酸化シリコン膜を形成する。この二酸化シリコン膜はシャロートレンチ４６を埋め込む。次いで、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＣＭＰ法により二酸化シリコン膜を後退させ、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）１７を形成する。次いで、窒化シリコン膜４２を除去する。
【０１５０】
以上の図２５（Ｂ）〜図２６（Ｂ）までの工程により、ＳＴＩが完成する。次に、Ｎ型埋め込み層１８を形成する製造シーケンスに移る。
【０１５１】
Ｎ型埋め込み層１８を形成するために、図２７（Ａ）に示すように、図２６（Ｂ）に示す構造の上にホトレジストを塗布し、ホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりＮ型埋め込み層１８の形成パターンに対応した窓を形成する。なお、図２７（Ａ）はメモリセルアレイの一部分を拡大した斜視図であるため、ホトレジスト膜に形成された上記窓は示されない。 図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）はそれぞれ、製造途中のメモリセルアレイ（６４キロビットセグメント）の全体を示す斜視図である。
【０１５２】
図２９（Ａ）に示すように、ホトレジスト膜４８には、Ｎ型埋め込み層１８の形成パターンに対応した窓４９が形成されている。この窓４９は、メモリセルアレイ（６４キロビットセグメント）に対応している。図２３に示す二点鎖線枠５０は、メモリセルアレイ（６４キロビットセグメント）が形成される部分を示している。この工程では、アライメントマークとしてＳＴＩ１７、もしくはトレンチ１２を使用する。これにより、形成されるＮ型埋め込み層１８はトレンチ１２に対して高精度にアライメントされる。次いで、ホトレジスト膜４８をマスクに用いて、Ｎ型埋め込み層１８を形成するためのＮ型不純物を基板１１にイオン注入する。このＮ型不純物は、例えばリンイオンである。このリンイオンは、例えば図１０、図１１を参照して説明したような適切なドーズ量および加速電圧により注入される。
【０１５３】
なお、このとき、上記トレンチ１２の上部をマスクすることにより、トレンチ１２内にイオンが注入されないようにしても良い。
【０１５４】
次いで、ホトレジスト膜４８をマスクに用いて、しきい値電圧を調節するためのＮ型不純物もしくはＰ型不純物をイオン注入する。Ｐ型、Ｎ型どちらの導電性不純物をイオン注入するかは、基板１１の不純物濃度とトランスファトランジスタのしきい値電圧との関係から決定される。図２７（Ａ）に示す点線５１は、しきい値電圧を調節するための導電性不純物が注入された部分を示している。
【０１５５】
また、図２７（Ａ）に示すように、ＳＴＩ１７を形成した後に、Ｎ型埋め込み層１８を形成するためのＮ型不純物を行った場合の構造的特徴は、Ｎ型埋め込み層１８の深さが、ＳＴＩ１７の下と活性領域４７の下とで変わることである。具体的には、活性領域４７の下のＮ型埋め込み層１８は深く、ＳＴＩ１７の下のＮ型埋め込み層１８は浅くなる。
【０１５６】
次に、図２９（Ｂ）に示すように、ホトレジスト膜４８を除去した後、再度ホトレジストを塗布し、ホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりウェル３２の形成パターンに対応した窓５３を形成する。窓５３はリング状である。このため、ホトレジスト膜には格子状の部分５２Ａの部分と、孤立した島状の部分５２Ｂとが得られる。格子状の部分５２Ａは、センスアンプ（Ｓ／Ａ）や、ワード線ドライバ（ＷＤＲＶ）が形成される部分を被覆し、島状の部分５２Ｂはダイナミック型メモリセルが形成される部分を被覆する。この工程では、アライメントマークとしてＳＴＩ１７、もしくはトレンチ１２を使用する。これにより、形成されるウェル３２はトレンチ１２に対して高精度にアライメントされ、結果としてＮ型埋め込み層１８に対して高精度にアライメントされる。次いで、ホトレジスト膜５２Ａ、５２Ｂをマスクに用いて、ウェル３２を形成するためのＮ型不純物を基板１１にイオン注入する。このＮ型不純物は、例えばリンイオンである。
【０１５７】
図２７（Ａ）、図２９（Ａ）に示す工程により、Ｎ型埋め込み層１８が完成する。また、図２９（Ｂ）に示す工程により上記Ｎ型埋め込み層１８を基板１１の表面に導くためのウェル３２が完成する。なお、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタを形成するための図示せぬＮ型ウェル等を形成する工程があるが、この工程はウェル３２の形成と共通に行われても良いし、ウェル３２を形成する前、もしくはウェル３２を形成した後に行われても良い。
【０１５８】
次に、トランジスタを形成する製造シーケンス、および内部配線を形成する製造シーケンスに移る。これらの製造シーケンスは公知の製法にしたがって行われて良いが、引き続きビット線が形成されるまでの具体的な一例を説明することにする。
【０１５９】
まず、図２７（Ｂ）に示すように、バッファ酸化膜４１を除去し、活性領域４７に基板１１の表面を露出させる。次いで、露出した基板１１の表面を熱酸化し、ゲート酸化膜（ＳｉＯ２ ）２１を形成する。次いで、ここまで得られた構造の上に導電性のポリシリコンを堆積し、導電性のポリシリコン膜を形成する。次いで、導電性のポリシリコン膜の上に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン膜６１を形成する。次いで、ホトリソグラフィ法を用いて、窒化シリコン膜６１、導電性のポリシリコン膜２２をパターニングする。これによりワード線２２が形成される。なお、ワード線２２の上面上に形成された窒化シリコン膜６１は、ビット線コンタクト孔をセルフアラインコンタクト技術を用いて形成する際のストッパとなる膜である。次いで、窒化シリコン膜６１、ＳＴＩ１７をマスクに用いて、ソース、ドレイン領域を形成するためのＮ型不純物を基板１１に対してイオン注入する。これにより、ソース領域１９およびドレイン領域２０が形成される。次いで、ここまで得られた構造の上に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン膜６２を形成する。このワード線２２の側面上に形成された窒化シリコン膜６２は、ビット線コンタクト孔に埋め込まれる導電物とワード線２２とのショートを抑制するための膜である。
【０１６０】
次に、図２８（Ａ）に示すように、図２７（Ｂ）に示す構造の上に例えば二酸化シリコンを堆積し、第１層層間絶縁膜６３を形成する。次いで、ホトリソグラフィ法を用いて、ドレイン領域２０に達するビット線コンタクト孔６４を第１層層間絶縁膜６２に形成する。次いで、ビット線コンタクト孔６４を例えばタングステン６６等で埋め込む。
【０１６１】
次に、図２８（Ｂ）に示すように、図２８（Ａ）に示す構造の上に例えば二酸化シリコンを堆積し、第２層層間絶縁膜６７を形成する。次いで、ホトリソグラフィ法を用いて、ビット線の形成パターンに対応した溝６８を第２層間絶縁膜６７に形成する。次いで、溝６８を例えばタングステン６６等で埋め込み、平坦化することによってビット線２３が形成される。
【０１６２】
以上のようにして、この発明に係るダイナミック型メモリセルが完成する。
【０１６３】
なお、上記製造方法において、Ｎ型埋め込み層１８、ソース領域１９、ドレイン領域２０等を活性化するための熱工程を製造工程の最後の方で行えば、製造工程の最初の方でＮ型埋め込み層１８を形成する場合と比べて深さ方向の幅が広がることを防止できる。このため、このＮ型埋め込み層１８のシート抵抗を十分に下げることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、高集積化された場合であっても、容量素子の容量値を十分に大きくすることができる半導体集積回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明に係るダイナミック型メモリセルの断面図。
【図２】図２はこの発明に係るダイナミック型メモリセルをアスペクト比約２０で示す断面図。
【図３】図３はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを用いた２５６メガビットＤＲＡＭチップの平面図。
【図４】図４は図３に示す１６メガビットメモリセルアレイの平面図。
【図５】図５は図４に示す破線枠Ｖ内の拡大図。
【図６】図６は図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】図７は図６に示す破線枠ＶＩＩ内の拡大図。
【図８】図８は６４キロビットセグメントおよびビット線系回路の回路図。
【図９】図９（Ａ）は“１”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図、図９（Ｂ）は“０”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図。
【図１０】図１０はＮ型埋め込み層の不純物プロファイル図。
【図１１】図１１はＮ型埋め込み層におけるドーズ量とシート抵抗との関係を示す特性図。
【図１２】図１２はこの発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を示す特性図。
【図１３】図１３（Ａ）はパワーオン前のトレンチキャパシタの状態を示す図、図１３（Ｂ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（Ｉ）を示す図、図１３（Ｃ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（ＩＩ）を示す図。
【図１４】図１４（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１４（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１５】図１５（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１５（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１６】図１６（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１６（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１７】図１７（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１７（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１８】図１８はこの発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を概略的に示す特性図。
【図１９】図１９（Ａ）は第３の使用例の電圧−容量特性の傾向を示す図、図１９（Ｂ）は第３の使用例に係る、プリチャージレベルがストレージ電極に印加された時のＮ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図２０】図２０（Ａ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性の傾向を示す図、図２０（Ｂ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの断面図。
【図２１】図２１（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第１の製造シーケンス例を示す図、図２１（Ｂ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第２の製造シーケンス例を示す図、図２１（Ｃ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第３の製造シーケンス例を示す図。
【図２２】図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２３】図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２４】図２４（Ａ）および図２４（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２５】図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２６】図２６（Ａ）および図２６（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２７】図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２８】図２８（Ａ）および図２８（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２９】図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）はそれぞれ製造途中のメモリセルアレイの全体を示す斜視図。
【図３０】図３０は従来のダイナミック型メモリセルの断面図。
【図３１】図３１（Ａ）は従来のダイナミック型メモリセルをアスペクト比約２０で示す断面図、図３１（Ｂ）はトレンチの底に固相拡散源膜が残った状態を示す図。
【符号の説明】
１１…半導体基板、
１２…トレンチ、
１３…キャパシタ絶縁膜、
１４…シリコン酸化膜（カラー酸化膜）、
１５…電極、
１６…導電体層、
１７…フィールド絶縁膜（ＳＴＩ）、
１８…Ｎ型埋め込み層、
１９…ソース領域、
２０…ドレイン領域、
２１…ゲート酸化膜、
２２…ゲート電極。
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体集積回路装置に係り、特にメモリセルを構成する容量素子としてトレンチキャパシタを用いたダイナミック型半導体記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイナミック型半導体記憶装置（以下、ＤＲＡＭと称する）のメモリセルは、キャパシタとトランスファ用の絶縁ゲート型トランジスタとから構成されている。ＤＲＡＭの集積度を向上させるには、より小さな面積で値がより大きなキャパシタを形成することが望ましい。その一つの手段として、シリコン基板に形成したトレンチを用いてキャパシタを構成するトレンチキャパシタがある。
【０００３】
トレンチキャパシタのなかでも、ギガビットクラスの超大規模容量ＤＲＡＭまで対応可能なものとして、ＢＥＳＴ（ＢｕｒｉＥｄ ＳＴｒａｐ）セルが注目されている。
【０００４】
ＢＥＳＴセルについては、例えば下記の文献に開示されている。
【０００５】
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ １９９３，ｐｐ．６２７−６３０，
Ａ ０．６ μｍ２ ２５６Ｍｂ Ｔｒｅｎｃｈ ＤＲＡＭ Ｃｅｌｌ Ｗｉｔｈ Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ ＢｕｒｉＥｄ ＳＴｒａｐ （ＢＥＳＴ），Ｌ．Ｎｅｓｂｉｔ ｅｔ ａｌ．，Ｄｅｃ．５−８， １９９３．
ＢＥＳＴセルのトレンチキャパシタは、Ｐ型シリコン基板中にＮ型埋め込みウェルを形成し、このＮ型ウェルに達するようにトレンチを形成し、このトレンチの内部にストレージ電極を形成することにより形成される。Ｎ型埋め込みウェルはプレート電極として機能する。
【０００６】
上記ＢＥＳＴセルは微細に形成できるので、メモリセルアレイの集積密度の向上に有効である。しかし、プレート電極をＮ型埋め込みウェルにより形成するため、メモリセルアレイの周りに形成されるセンスアンプ等の回路を含めたチップのサイズの縮小は困難である。
【０００７】
Ｎ型埋め込みウェルは、基板の深い部分にＮ型不純物を大量に注入し、注入されたＮ型不純物を基板中に広く熱拡散させて形成する。Ｎ型不純物は基板に対して垂直な方向だけでなく、基板に対して水平な方向にも拡散する。このためＮ型埋め込みウェルの平面面積は増大してしまう。
【０００８】
また、Ｎ型埋め込みウェルの形成に長い時間の熱拡散工程が必要であり、製造コストがかさむ、という量産上の不都合もある。
【０００９】
このような事情に鑑み、近年のＢＥＳＴセルは、Ｎ型不純物をトレンチから基板中に固相拡散させてトレンチの周囲にＮ型拡散層を形成し、このＮ型拡散層をプレート電極とするように改良されてきている。
【００１０】
図３０はこの種のＢＥＳＴセル１個分の素子構造を示す断面図である。
【００１１】
図３０に示すように、Ｐ型シリコンからなる半導体基板１４１にはトレンチ１４２が形成されている。このトレンチ１４２に対向した基板１４１の内部にはＮ型不純物が高濃度に導入されたＮ＋ 型拡散領域１４３が形成されている。このＮ＋ 型拡散領域１４３はトレンチキャパシタのプレート電極となる。また、上記トレンチ１４２の内周面上には例えばシリコン酸化膜からなるキャパシタ絶縁膜１４４が形成されており、さらに上部を残してトレンチ４２を埋めるように上記トレンチキャパシタのストレージ電極１４５が形成されている。さらにトレンチ上部にはＮ＋ 型の導電体層１４６が埋設されている。
【００１２】
上記トレンチキャパシタ周辺の基板１４１上にはトランスファトランジスタ１４７と厚いフィールド酸化膜１４８が形成されている。上記トランスファトランジスタ１４７では、基板１４１上にゲート酸化膜１４９とゲート電極１５０とが順次積層形成され、基板表面にはＮ型拡散領域からなるソース領域１５１とドレイン領域１５２が形成されている。そして、上記ソース領域１５１は、上記トレンチ１４２の側壁の一部を介して上記Ｎ＋ 型の導電体層１４６と電気的に接続されている。
【００１３】
上記のようにトレンチキャパシタは、トレンチ１４２の内周面上に形成されたキャパシタ絶縁膜１４４を介してトレンチ内部に形成された電極１４５と、トレンチ１４２と対向するシリコン基板１４１内に形成され対向電極として用いられる高不純物濃度のＮ＋ 型拡散領域１４３とを有している。そして、上記対向電極とトレンチ内部に形成された電極との間には、ＤＲＡＭ内部で使用される電圧の半分の電圧が印加されるようになっている。また、一般に上記キャパシタ絶縁膜１４４の厚さは１０ｎｍ以下と非常に薄くされており、上記Ｎ＋ 型拡散領域１４３における不純物濃度は５×１０１８／ｃｍ３ 以上と十分に高く設定されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＤＲＡＭの高集積化が進んでいくと、上記トレンチの間口が小さくなるために、トレンチを深くしたりしてキャパシタの容量値を大きくする必要がある。上記Ｎ＋ 型拡散領域１４３は、Ｎ型の不純物を含有し、固相拡散源となる絶縁膜をトレンチ内に形成し、この絶縁膜からトレンチ側面を介して基板１４１中に、Ｎ型の不純物を固相拡散させて形成する。この後、上記拡散源となる絶縁膜をトレンチから除去する。この際、間口が小さくて深いトレンチ、即ち高アスペクト比のトレンチであると、このトレンチから上記拡散源となる絶縁膜を充分に除去することが困難である。
【００１５】
上記拡散源となる絶縁膜がトレンチの底、即ちトレンチの先端部分に残ってしまうとトレンチが浅くなる。このため、トレンチキャパシタとして十分な容量値を確保することができず、データの記憶特性が劣化するという問題がある。
【００１６】
なお、現状のトレンチのアスペクト比はほぼ２０（深さ７μｍ程度／間口０．３μｍ程度）である。図３１（Ａ）および図３１（Ｂ）にそれぞれアスペクト比がほぼ２０のトレンチを持つＢＥＳＴセルの断面を示す。
【００１７】
図３１（Ａ）に示すように、トレンチ１４２の間口部分の幅Ｆは約０．３μｍ、その深さＤは約７μｍである。アスペクト比Ｄ／Ｆは約２０であり、非常に高い。このような高アスペクト比のトレンチ１４２は、現在の製造技術では先尖形となる。上記拡散源となる絶縁膜の除去はドライエッチングで行われるのが通常である。トレンチ１４２の間口部分の幅Ｆは広い。このため、トレンチ１４２の外部から未反応の新鮮なエッチャントガスが充分に供給され、上記絶縁膜は容易に除去できる。
【００１８】
これに対し、トレンチ１４２の先端部分の幅は狭いうえ、かつエッチングガスはトレンチ１４２の内部で上記絶縁膜と反応しながらトレンチの先端部分に達する。このため、未反応の新鮮なエッチントガスは間口部分に比べて極めて少なくなり、上記絶縁膜のエッチング効果は格段に落ちてしまう。
【００１９】
例えばこのような事情により、上記絶縁膜をトレンチ１４２から完全に除去することは大変難しい。
【００２０】
このため、図３１（Ｂ）に示すように、固相拡散源となる絶縁膜１６０がトレンチ１４２の底に残ってしまう。上記絶縁膜１６０がトレンチ１４２の底に残ると、トレンチキャパシタＴ．Ｃ．として機能するトレンチ１４２の実効的な深さＤ’は浅くなり、トレンチキャパシタＴ．Ｃ．の容量が低下する。上記絶縁膜１６０を完全に除去するためには充分な時間をかけて上記絶縁膜１６０をエッチングすれば良いが、製造に要する時間が延び、製造コストがかさんでしまう。
【００２１】
ＤＲＡＭのメモリセルは、ギガビットクラス以上のメモリ容量を実現するために、今後も微細化され続ける。そして、トレンチキャパシタにおいては、アスペクト比２０を超えるトレンチが形成されるようになる。このような観点から、上記絶縁膜１６０の除去はさらに困難化することが予想される。
【００２２】
この発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高集積化された場合であっても、容量素子の容量値を十分に大きくすることができる半導体集積回路装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明では、第１導電型の半導体基板と、この半導体基板内に形成され、前記半導体基板の表面から離間され、前記半導体基板を上部領域と下部領域とに分割する埋め込み層と、前記半導体基板の表面から前記下部領域まで前記埋め込み層を突き抜けて形成されたトレンチと、このトレンチ内に形成され、前記半導体基板の下部領域に容量結合する電極体と、前記下部領域の前記トレンチ周囲の部分に形成された、第１導電型の強度が前記下部領域の第１導電型の強度よりも弱い第１導電型の半導体領域とを具備する。
【００２４】
即ち、この発明では、トレンチ内に形成された電極体を半導体基板の下部領域に容量結合させ、電界効果により半導体基板の下部領域に第２導電型の反転層を形成するようにした。そして、反転層をキャパシタの一方の電極として使用する。
【００２５】
このような発明によれば、キャパシタの一方の電極を、第２導電型の導電型の不純物をトレンチから基板に拡散させて得る構造を解消できる。
さらに、電極体と半導体基板の下部領域との電位差が“負”になると蓄積できる電荷量が減少する事情を改善できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。なお、この説明においては、全図にわたり共通の部分には共通の参照符号を付す。
【００２７】
［第１の実施形態］
図１はこの発明の第１の実施形態に係るダイナミック型メモリセル１個分の素子構造を概略的に示す断面図である。図２はそのダイナミック型メモリセルをアスペクト比約２０で示した図である。
【００２８】
図１、図２に示すように、Ｐ型シリコンからなる半導体基板１１にはトレンチ１２が形成されている。このトレンチ１２のアスペクト比Ｄ／Ｆは、現在の２５６メガビットクラスでは約２０であるが、１ギガビットクラスでは、キャパシタの容量の確保の観点から２０を超えることが予測されている。
【００２９】
図２にアスペクト比Ｄ／Ｆが約２０のトレンチ１２を示す。このトレンチ１２の上部を除いた内周面上には、膜厚が例えば１０ｎｍのシリコン酸化膜からなるキャパシタ絶縁膜１３が形成されている。なお、このキャパシタ絶縁膜１３として、シリコン酸化膜の他にＯＮＯ膜（シリコン酸化膜、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜からなる３層構造絶縁膜）、ＯＮ膜（シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜からなる２層構造絶縁膜）等も使用できる。さらに、上記トレンチ１２の上部を除いた内周面上で上記キャパシタ絶縁膜１３よりも上部には、このキャパシタ絶縁膜１３よりも十分に膜厚が厚い、例えば３０〜４０ｎｍのシリコン酸化膜（カラー酸化膜）１４が形成されている。また、上記トレンチ１２内には、Ｎ型不純物が導入されて低抵抗化された例えば多結晶シリコン層からなる電極１５がトレンチ内部を途中まで埋めるように形成されている。なお、この電極１５として、多結晶シリコン層の他にアモルファスシリコン層（非晶質シリコン層）などが使用可能である。さらに上記トレンチ１２内の上記電極１５の上部には、Ｎ型不純物が導入されて低抵抗化された例えば多結晶シリコン層からなる導電体層１６が形成されている。また、上記導電体層１６の一部を含む基板１１の表面には素子分離用のフィールド絶縁膜１７が形成されている。なお、図２においては、上記導電体層１６を、上記電極１５と一体化して、一つの部材として示している。
【００３０】
上記基板１１の表面から離間した基板内部には、板状のＮ型埋め込み層１８が埋設するように形成されている。このＮ型埋め込み層１８は深さ方向で所定の幅を有しており、上記基板１１の表面からこのＮ型埋め込み層１８の上面までの距離は０．５μｍ以上に設定されている。さらにこのＮ型埋め込み層１８は、その上面が、膜厚が厚い前記シリコン酸化膜１４の下部よりも浅い位置となるように形成されている。上記Ｎ型埋め込み層１８にはＮ型不純物として例えばリン（Ｐ）が導入されており、リンの導入によりそのシート抵抗が１０００Ω以下となるように設定されている。そして、上記基板１１は、この板状のＮ型埋め込み層１８により上部領域１１Ａと下部領域１１Ｂとに電気的に分離されている。
【００３１】
基板１１の上部領域１１Ａの主表面上には、メモリセルのキャパシタに接続される選択トランジスタのＮ型のソース領域１９及びドレイン領域２０が形成されており、ソース領域１９は上記トレンチ１２の側壁部で上記導電体層１６と電気的に接続され、ドレイン領域２０は図示しないビット線に接続されている。
【００３２】
上記ソース、ドレイン領域相互間の基板上にはゲート酸化膜２１とゲート電極（ワード線）２２とが積層形成されている。
【００３３】
すなわち、上記構成でなるＤＲＡＭセルでは、基板１１に形成されたトレンチ１２内にキャパシタが構成されており、ベリード・ストラップ（埋め込みストラップ）として作用する導電体層１６を介してキャパシタの電極１５が絶縁ゲート型トランジスタのソース領域１９に接続された構成とされている。そして、キャパシタの形状は、板状のＮ型埋め込み層１８に試験管状のトレンチが突き刺さっているような形状にされている。
【００３４】
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルをＤＲＡＭチップに集積した具体的な構成の一例を説明する。この具体的な構成の一例の説明は２５６メガビットＤＲＡＭにより行う。
【００３５】
図３はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを用いた２５６メガビットＤＲＡＭチップの平面図である。
【００３６】
図３に示すように、２５６メガビットＤＲＡＭは、例えば１６個の１６メガビットメモリセルアレイＡ１〜Ａ１６により構成される。図３中、“Ｒ／Ｄ”はロウデコーダを示している。また、“Ｃ／Ｄ”はカラムデコーダを示している。
【００３７】
図４は図３に示す１６メガビットメモリセルアレイの平面図である。
【００３８】
図４に示すように、１６メガビットメモリセルアレイは１６個の１メガビットブロックＢ１〜Ｂ１６より構成される。これら１メガビットブロックＢ１〜Ｂ１６各々は１６個の６４キロビットセグメントＳ１〜Ｓ１６より構成される。即ち、１６メガビットメモリセルアレイは６４キロビットセグメントを２５６個集積することにより構成される。
【００３９】
なお、６４キロビットセグメントはメモリセルアレイの一種である。現在、２５６メガビットを超えるような超大規模ＤＲＡＭでは、６４キロビットセグメントような小規模のメモリセルアレイを多数集積し、これによりさらに大規模なメモリセルアレイを構成するようになっている。
【００４０】
図５は図４に示す破線枠Ｖ内の拡大図である。
【００４１】
図５に示すように、６４キロビットセグメントは、ビット線センスアンプ等のビット線系回路１０１、およびワード線ドライバ等のワード線系回路１０２により囲まれている。図５中、“Ｓ／Ａ”はビット線センスアンプ、“ＥＱＬ．”はビット線イコライザ、“ＣＧ”はカラムゲートをそれぞれ示している。
【００４２】
図６は図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【００４３】
図６に示すように、６４キロビットセグメントの下にはＮ型埋め込み層１８が形成されている。基板１１中において、このＮ型埋め込み層１８は各６４キロビットセグメント毎に設けられている。即ち、一つの１６メガビットメモリセルアレイではＮ型埋め込み層１８が２５６個設けられる。さらに図３に示す２５６メガビットＤＲＡＭチップ全体ではＮ型埋め込み層１８の数は４０９６個になる。また、基板１１内にはＮ＋ 型ウェル３２が形成されている。このＮ＋ 型ウェル３２は基板１１の表面からＮ型埋め込み層１８に達する。また、このＮ＋ 型ウェル３２は、図５の平面に示すようにリング状である。リング状のＮ＋ 型ウェル３２はＮ型埋め込み層１８とともに基板１１を上部領域１１Ｂと下部領域１１Ａとにそれぞれ分離する。トレンチ１２は、上部領域１１ＢからＮ型埋め込み層１８を突き抜け、下部領域１１Ａに達する。
【００４４】
図７は図６に示す破線枠ＶＩＩ内の拡大図である。
【００４５】
図７に示すように、基板１１にはＰ＋ 型拡散層３１が形成されている。このＰ＋ 型拡散層３１には配線３５が電気的に接続されている。配線３５には基板電位ＶＳＵＢが供給される。この基板電位ＶＳＵＢは配線３５から上記Ｐ＋ 型拡散層３１を介して基板１１に与えられる。上記基板電位ＶＳＵＢの一例は回路内接地電位ＶＳＳ、即ち０Ｖである。上記基板電位ＶＳＵＢは下部領域１１Ｂにも伝わる。
【００４６】
また、上記Ｎ＋ 型ウェル３２には配線３６が電気的に接続されている。配線３６にはプレート電位ＶＰＬが供給される。このプレート電位ＶＰＬは配線３６から上記Ｎ＋ 型ウェル３２を介してＮ型埋め込み層１８に与えられる。この実施形態における上記プレート電位ＶＰＬは基板電位ＶＳＵＢと同じ、回路内接地電位ＶＳＳ、即ち０Ｖである。
【００４７】
また、基板１１にはＰ＋ 型拡散層３３が形成されている。このＰ＋ 型拡散層３３には配線３７が電気的に接続されている。配線３７にはトランスファトランジスタのバックゲートバイアス電位ＶＢＢが供給される。このバックゲートバイアス電位ＶＢＢは配線３７から上記Ｐ＋ 型拡散層３３を介して上部領域１１Ａに与えられる。上記バックゲートバイアス電位ＶＢＢの一例は負電位、例えば−０．５Ｖである。上部領域１１ＡはＤＲＡＭを動作させる場合に上記負電位となる。このようにトランスファトランジスタのバックゲートバイアス電位ＶＢＢを負電位とする理由は、トランスファトランジスタのサブスレッショルドリークを抑制し、トレンチキャパシタのデータリテンション特性の悪化を防ぐためである。また、上部領域１１Ａは、下部領域１１ＢとＮ型埋め込み層１８およびＮ＋ 型ウェル３２により分離されているために、トランスファトランジスタのバックゲート領域のみが上記バックゲートバイアス電位ＶＢＢとなる。
【００４８】
なお、図７中、参照符号３４に示す絶縁膜は層間絶縁膜である。この層間絶縁膜は配線３５をＰ＋ 型拡散層３１に接続するための開口部、配線３６をＮ＋ 型ウェル３２に接続するための開口部、配線３７をＰ＋ 型拡散層３３に接続するための開口部をそれぞれ有している。
【００４９】
このようにこの発明に係るダイナミック型メモリセルを集積したＤＲＡＭにおいては、Ｎ型埋め込み層１８はメモリセルアレイ毎に設けられる。なお、メモリセルアレイの例として、６４キロビットセグメントを例示したが、メモリセルアレイは、その周囲が他の回路によって囲まれたものであれば良い。
【００５０】
［動 作］
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルを集積したＤＲＡＭの基本的な動作の一例を説明する。以下説明する基本的な動作の一例の説明は、読み出し／書き込み動作時におけるビット線電圧の変化に着目して行う。
【００５１】
図８は６４キロビットセグメントおよびビット線系回路の回路図、図９（Ａ）は“１”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図、図９（Ｂ）は“０”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図である。
【００５２】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを備えたＤＲＡＭを動作させる場合、基板１１の下部領域１１ＢとＮ型埋め込み層１８には同一電位、例えば回路内接地電位ＶＳＳ、即ち基準電位の０Ｖを印加し、基板１１の上部領域１１Ａには負電位、例えば−０．５Ｖを印加する。この状態で下記のように動作させる。
【００５３】
［“１”データ読み出し／書き込み］
図８に示すカラムゲート１１２を“オフ”させた状態で、ＣＭＯＳ型のビット線センスアンプ１１１を駆動するセンスアンプ駆動信号ＳＡＰ、 ／ＳＡＮの電位をそれぞれプリチャージレベル、例えばＶＤＤ／２とし、ビット線センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージされる。ビット線のプリチャージレベルＶＰＲＣＨは、例えばＶＤＤ／２である。
【００５４】
また、センスアンプ駆動信号ＳＡＰは、ＣＭＯＳ型のビット線センスアンプのうち、ＰＭＯＳ部分を駆動する駆動信号、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮは、ＣＭＯＳ型のビット線センスアンプのうち、ＮＭＯＳ部分を駆動する駆動信号である。
【００５５】
次いで、プリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を非活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬはプリチャージレベルでフローティングになる。
【００５６】
次いで、ロウデコーダによりロウアドレスをデコードし、データ読み出し／書き込みを行うワード線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ４）を選択する。選択されたワード線ＷＬにはワード線ドライバＷＤＲＶから正の電位が供給される。例えばワード線ＷＬ２が選択されると、メモリセルＭＣ１１〜ＭＣ４２のうち、ワード線ＷＬ２をゲートするメモリセルのトランスファトランジスタがそれぞれ“オン”する。図８ではメモリセルＭＣ２１、ＭＣ２２である。これにより、プリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ１とメモリセルＭＣ２１のストレージ電極とが電気的に接続され、同様にプリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ２とメモリセルＭＣ２２のストレージ電極とが電気的に接続される。メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタそれぞれに電荷が蓄積されていると、メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタからそれぞれビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２に向けて電荷が放電される。この結果、図９（Ａ）に示すように、ビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２の電位はそれぞれ、プリチャージレベルのビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２に比べて＋ΔＶ高くなる。
【００５７】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から内部電源電圧ＶＤＤ（約２Ｖ）とし、同様にセンスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とし、センスアンプ１１１を活性にする。活性化されたセンスアンプ１１１は、ビット線対間に現れた電位差＋ΔＶを検知し、この電位差＋ΔＶを増幅する。これにより、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位、即ち内部電源電圧ＶＤＤまで実質的に上昇する。一方、ビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位、即ち回路内接地電位ＶＳＳまで実質的に下降する。
【００５８】
ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位が内部電源電圧ＶＤＤに上昇するに連れ、メモリセルＭＣ２１、ＭＣ２２それぞれのストレージ電極の電位が内部電源電圧ＶＤＤまで上昇していく。この結果、メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタは充電され、“１”データが再書き込みされる（データリフレッシュ）。
【００５９】
次いで、ワード線ＷＬ２の電位を下げ、メモリセルＭＣ２１、ＭＣ２２のトランスファトランジスタをオフさせる。
【００６０】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位を内部電源電圧ＶＤＤからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させるとともに、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位を回路内接地電位ＶＳＳからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させる。これにより、センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージレベルＶＰＲＣＨ（ＶＤＤ／２）となり、プリチャージされる。
【００６１】
［“０”データ読み出し／書き込み］
図８に示すカラムゲート１１２を“オフ”させた状態で、ビット線センスアンプ１１１を駆動するセンスアンプ駆動信号ＳＡＰ、 ／ＳＡＮの電位をそれぞれプリチャージレベル、例えばＶＤＤ／２とし、ビット線センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージされる。ビット線のプリチャージレベルＶＰＲＣＨは、例えばＶＤＤ／２である。
【００６２】
次いで、プリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を非活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬはプリチャージレベルでフローティングになる。
【００６３】
次いで、ロウデコーダによりロウアドレスをデコードし、データ読み出し／書き込みを行うワード線ＷＬ（ＷＬ１〜ＷＬ４）を選択する。選択されたワード線ＷＬにはワード線ドライバＷＤＲＶから正の電位が供給される。例えばワード線ＷＬ３が選択されると、メモリセルＭＣ１１〜ＭＣ４２のうち、ワード線ＷＬ３をゲートするメモリセルのトランスファトランジスタがそれぞれ“オン”する。図８ではメモリセルＭＣ３１、ＭＣ３２である。これにより、プリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ１とメモリセルＭＣ３１のストレージ電極とが電気的に接続され、同様にプリチャージレベルでフローティングのビット線対ＢＬ２とメモリセルＭＣ３２のストレージ電極とが電気的に接続される。メモリセルＭＣ３１、Ｍ３２のキャパシタそれぞれに電荷が無いと、メモリセルＭＣ３１、Ｍ３２のキャパシタそれぞれにビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２から電荷が充電される。この結果、図９（Ｂ）に示すように、ビット線ＢＬ１、ビット線ＢＬ２の電位はそれぞれ、プリチャージレベルのビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２に比べて−ΔＶ低くなる。
【００６４】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から内部電源電圧ＶＤＤ（約２Ｖ）とし、同様にセンスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位をプリチャージレベルＶＤＤ／２から回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とし、センスアンプ１１１を活性にする。活性化されたセンスアンプ１１１は、ビット線対間に現れた電位差−ΔＶを検知し、この電位差−ΔＶを増幅する。これにより、ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位、即ち回路内接地電位ＶＳＳまで実質的に下降する。一方、ビット線 ／ＢＬ１、 ／ＢＬ２の電位はそれぞれ、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位、即ち内部電源電圧ＶＤＤまで実質的に上昇する。
【００６５】
ビット線ＢＬ１、ＢＬ２の電位が回路内接地電位ＶＳＳに下降するに連れ、メモリセルＭＣ３１、ＭＣ３２それぞれのストレージ電極の電位が回路内接地電位ＶＳＳまで上昇していく。この結果、メモリセルＭＣ２１、Ｍ２２のキャパシタは放電され、“０”データが再書き込みされる（データリフレッシュ）。
【００６６】
次いで、ワード線ＷＬ３の電位を下げ、メモリセルＭＣ３１、ＭＣ３２のトランスファトランジスタをオフさせる。
【００６７】
次いで、センスアンプ駆動信号ＳＡＰの電位を内部電源電圧ＶＤＤからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させるとともに、センスアンプ駆動信号 ／ＳＡＮの電位を回路内接地電位ＶＳＳからプリチャージレベルＶＤＤ／２に遷移させる。これにより、センスアンプ１１１を非活性にする。さらにプリチャージ信号φＥＱＬを“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルとし、ビット線イコライザ１１３を活性にする。これにより、ビット線対ＢＬ、 ／ＢＬ（ＢＬ１、 ／ＢＬ１、ＢＬ２、 ／ＢＬ２）はプリチャージレベルＶＰＲＣＨ（ＶＤＤ／２）となり、プリチャージされる。
【００６８】
ＤＲＡＭでは以上のようなデータ読み出し／書き込みを、例えば“ナノ秒”オーダーのサイクルで繰り返すことにより、“１”データ、または“０”データをメモリセルに保持し続ける。
【００６９】
なお、データの読み出し要求があった場合には、カラムデコーダによりカラムアドレスがデコードされ、データ読み出しを行うビット線対（カラム）が選択される。例えばビット線対ＢＬ１、 ／ＢＬ１が選択された場合には、カラム選択信号ＣＳＬ１が“Ｈ”レベルとなって、カラムゲート１１２−１が“オン”する。これにより、データはビット線対ＢＬ１、 ／ＢＬ１からデータ線対ＤＱ、 ／ＤＱに読み出される。なお、カラムゲート１１２（１１２−１、１１２−２）は、ビット線対間の電位差が増幅されている期間、即ち図９（Ａ）、図９（Ｂ）に示すセンス＆リフレッシュ期間に“オン”される。
【００７０】
ここで、上記キャパシタは、図１および図２に示すように、その断面構造上、トレンチ内部の電極１５をゲート電極、キャパシタ絶縁膜１３をゲート絶縁膜、トレンチ１２を中心にして両側に位置する一対のＮ型埋め込み層１８をソース、ドレイン領域とする絶縁ゲート型トランジスタと見做すことができる。そして、上部領域１１ＡとＮ型埋め込み層１８が逆バイアスされているため、ソース領域となる上記一対の一方のＮ型埋め込み層１８から基板１１の下部領域１１Ｂに少数キャリア（この実施形態では電子）が注入される。この結果、下部領域１１Ｂの上記トレンチ１２の基板１１側の側面には少数キャリアによる反転層が形成される。ここでソース、ドレイン領域となるＮ型埋め込み層１８は共に同一電位（基準電位）に設定されているので、熱平衡状態（ｅｑｕｉｂｒｉｕｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ）にあり、ドレイン領域となる上記一対の他方のＮ型埋め込み層１８に少数キャリアが流れ込むことはない。そして、この少数キャリアによる反転層と、キャパシタ絶縁膜１３を介在した上記電極１５によってキャパシタが形成される。すなわち、ソース、ドレイン領域となる一対のＮ型埋め込み層１８間及びＮ型埋め込み層１８と下部領域１１Ｂ間には電位差が生じていないので（共に０Ｖ）、少数キャリアの移動がなく、少数キャリアはチャネル（いわゆるトレンチの界面）に沿って溜まることになる。なお、ここでいうトレンチの界面とは、Ｎ型埋め込み層１８よりも下部に位置する界面を指している。
【００７１】
このように上記構造でなるＤＲＡＭセルでは、従来のようにトレンチに対向した基板内部にキャパシタの一方の電極となるＮ＋型拡散領域を形成する必要がないので、セルの高集積化が進んでいき、トレンチの間口が小さくなってきても、トレンチを深くしてキャパシタの容量値を大きくすることが容易である。すなわち、従来のようにトレンチの内部に固相拡散源となる不純物を含有した絶縁膜を堆積し、この絶縁膜から不純物をトレンチ側面に拡散させる必要がなく、板状のＮ型埋め込み層１８を基板内部に埋め込み、この板状のＮ型埋め込み層１８に試験管状のトレンチ１２を突き刺さすように構成することで十分大きな容量値を得ることができる。この結果、高集積化が進んでも十分なキャパシタ容量値が確保でき、データの記憶特性の劣化を防止することができる。
【００７２】
なお、ソース領域１９とＮ型埋め込み層１８及びその間に存在する基板１１の上部領域１１ＡでＮＰＮ構造が形成されるが、この位置には膜厚が十分に厚いシリコン酸化膜１４が形成されているので、この部分に寄生の絶縁ゲート型トランジスタが形成されることはない。従って、導電体層１６及び電極１５に正極性の電圧が印加された場合でも、ソース領域１９とＮ型埋め込み層１８との間が導通して、電流が流れることはない。
【００７３】
［Ｎ型埋め込み層１８］
次に、Ｎ型埋め込み層１８が形成される位置およびその抵抗値について説明する。
【００７４】
図１０はＮ型埋め込み層１８の不純物プロファイル図である。図１０は、特にＮ型埋め込み層１８をリン（Ｐ）のイオン注入によって形成した場合の不純物プロファイルを示している。
【００７５】
図１０に示す特性Ａ、Ｂはともに、リンのドーズ量を例えば１×１０１３／ｃｍ２ にし、特性Ａはイオンの加速電圧を１．８ＭｅＶに、特性Ｂは１．５ＭｅＶにそれぞれ設定した場合を示している。いずれの場合にも、熱処理を行って注入イオンを活性化した後では、上記Ｎ型埋め込み層１８は深さ方向で所定の幅を有するように形成される。そして、基板１１の主表面からこのＮ型埋め込み層１８の上面までの距離は１μｍ程度にされている。ここで、基板１１の主表面からＮ型埋め込み層１８の上面までの距離をあまり短くすると、絶縁ゲート型トランジスタのソース領域１９とＮ型埋め込み層１８との間でパンチスルーが発生する恐れがあるので、十分な耐圧を確保するために両者間の距離は少なくとも０．５μｍ以上に設定することが好ましい。
【００７６】
図１１はＮ型埋め込み層１８におけるドーズ量とシート抵抗との関係を示す特性図である。図１１は、特にＮ型不純物イオンをリンイオンとした場合の関係について示している。
【００７７】
図１１に示すように、ドーズ量が概略２×１０１３／ｃｍ２ を越えるとＮ型埋め込み層１８のシート抵抗は１０００Ω以下となる。ここで、Ｎ型埋め込み層１８のシート抵抗を１０００Ω以下に設定すると、少数キャリアの発生、消滅が十分に速く起きるため、ＤＲＡＭの動作に支障がないことが実験によって確認されている。従って、Ｎ型埋め込み層１８をリンのイオン注入によって形成する場合には、ドーズ量を２×１０１３／ｃｍ２ 以上としてシート抵抗を１０００Ω以下に設定する。
【００７８】
なお、上記少数キャリアとは下部領域１１Ｂに対する少数キャリアであり、電子である。即ち、Ｎ型埋め込み層１８は少数キャリアの供給源として作用している。この少数キャリアはトレンチ１２に沿った反転層（Ｎ型）を下部領域１１Ｂに形成するものである。Ｎ型埋め込み層１８を少数キャリアの供給源として作用させるためには、そのシート抵抗は１５００Ω以下であれば良い。
【００７９】
［トレンチキャパシタ］
次に、トレンチキャパシタの電圧−容量特性について説明する。
【００８０】
図１２はこの発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を示す特性図である。
【００８１】
図１２に示すように、この発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性は、容量がほぼ一定となる領域（Ｉ）および容量が変化する領域（ＩＩ）とを持つ。概略的に、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差（電圧）が“正”であると容量はほぼ一定であり、反対に“負”であると容量が減少する傾向を示す。これは次の理由によるものと推測される。
【００８２】
図１３（Ａ）はパワーオン前のトレンチキャパシタの状態を示す図、図１３（Ｂ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（Ｉ）を示す図、図１３（Ｃ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（ＩＩ）を示す図である。
【００８３】
図１３（Ａ）に示すように、パワーオン前のトレンチキャパシタは、トレンチ１２の周囲の導電型はＰ型である。なお、Ｎ型埋め込み層１８と下部領域１１Ｂとの間にはＰＮ接合が存在するので空乏層が生じている。
【００８４】
また、図１３（Ｂ）に示すように、パワーオン後、下部領域１１Ｂに対して、ストレージ電極１５の電位が高くなるとトレンチ１２の周囲に空乏層が発生し、さらに空乏層の中にＮ型の反転層が形成され、やがて、トレンチ１２の周囲がＮ型の反転層によっては完全に覆われる。この状態においてはトレンチキャパシタの誘電体膜がキャパシタ絶縁膜１３のみとなるので、その容量は最大値を示すようになる。これが図１２に示す領域（Ｉ）の状態である。
【００８５】
また、図１３（Ｃ）に示すように、パワーオン後、下部領域１１Ｂに対して、ストレージ電極１５の電位が低くなるとＮ型の反転層が消滅し始め、トレンチ１２の周囲はＮ型の反転層によっては完全に覆われなくなる。この状態においては、トレンチキャパシタの誘電体膜はキャパシタ絶縁膜１３の他、空乏層が存在するので、その容量は図１３（Ｂ）に示す状態よりも低下する。これが図１２に示す領域（ＩＩ）の状態である。
【００８６】
なお、トレンチ１２の周囲からＮ型の反転層が完全に消滅し、さらに空乏層も完全に消滅すれば、トレンチキャパシタの誘電体膜はキャパシタ絶縁膜１３のみとなるので、その容量は最大値を示す。しかしながら、ＤＲＡＭは“ナノ秒”のサイクルでデータのリフレッシュを繰り返すので、Ｎ型の反転層および空乏層は完全に消滅しきれない。即ち、“ナノ秒”は非常に短い時間であるために、Ｎ型の反転層を構成する電子が全て再結合しきれない。このため、図１３（Ｃ）に示すように、Ｎ型の反転層と空乏層とが混在した状態が残ってしまうものと推測される。
【００８７】
［この発明に係るダイナミック型メモリセルの第１の使用例］
ところで、ダイナミック型メモリセルにおいて、上記のようにそのキャパシタの容量が変化することは、あまり好ましいことではない。このため、この発明に係るダイナミック型メモリセルおいては、領域（Ｉ）の特性で使用されることが望ましい。
【００８８】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを領域（Ｉ）の特性で使用するための一例は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示したビット線がとり得る電圧の最低値と同じか、それよりもプレート電位ＶＰＬを低くすることである。このようにすれば、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差（電圧）が“負”になることはない。よって、この発明に係るダイナミック型メモリセルを領域（Ｉ）の特性により使用できる。
【００８９】
ところで、ビット線の電位はその回路動作の上では、通常、負電位にならない。例えばビット線が回路動作の上でとり得る最低の電位は、ＮＭＯＳセンスアンプを駆動する駆動信号 ／ＳＡＮの駆動電位ＶＳＡＮである。駆動電位ＶＳＡＮは、通常、回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）である。これに鑑み、具体例としては、上述したようにプレート電位ＶＰＬを回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とする。即ち、Ｎ型埋め込み層１８を回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）にバイアスする。
【００９０】
次に、プレート電位ＶＰＬを回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とした時に、トレンチキャパシタに蓄積できる電荷量について説明する。
【００９１】
図１４（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図、図１５（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図である。なお、条件は、プレート電位ＶＰＬ＝０Ｖ、基板電位ＶＳＵＢ＝０Ｖ、ビット線プリチャージレベル＝１Ｖ、“１”データ書き込みレベル＝２Ｖ、“０”データ書き込みレベル＝０Ｖである。
【００９２】
また、図１４（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図、図１５（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図である。
【００９３】
［“１”データ書き込み］
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル１Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル１Ｖである。この後、ビット線の電位を“１”データ書き込みレベル２Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は１Ｖから２Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１４（Ａ）に斜線に示したものとなる。
【００９４】
［“０”データ書き込み］
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル１Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル１Ｖである。この後、ビット線の電位を“０”データ書き込みレベル０Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は１Ｖから０Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１５（Ａ）に斜線に示したものとなる。
【００９５】
以上のように、プレート電位ＶＰＬを、ビット線がとりう得る電位の最低値と同じか、それよりも低くすることで、この発明に係るダイナミック型メモリセルを、図１２に示す領域（Ｉ）の範囲で使用することができる。これによれば、“１”データ書き込み時および“０”書き込み時の双方において容量Ｃの減少がほとんどなく、この発明に係るダイナミック型メモリセルを最大の容量で使用できる。即ち、“１”データ書き込み時および“０”書き込み時の双方において、充分な電荷を蓄積することができる。
【００９６】
なお、上記第１の使用例では、ビット線の最低電位が回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）としたが、例えば駆動電位ＶＳＡＮが負電位となるような場合、プレート電位ＶＰＬは駆動電位ＶＳＡＮに合わせて、同じ負電位としても良い。
【００９７】
［この発明に係るダイナミック型メモリセルの第２の使用例］
上記第１の使用例では、“１”データ書き込み時および“０”書き込み時の双方において、充分な電荷を蓄積できる利点がある。その反面、プレート電位ＶＰＬとビット線がとりうる電圧の最大値との差が大きくなり、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界が大きくなる、という事情を招く。キャパシタの容量を大きくするための方法の一つとしてキャパシタ絶縁膜１３、即ちキャパシタの誘電体膜の薄膜化がある。しかしながら、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界が大きいと、これの薄膜化も難しくなってくる。このため、この発明に係るダイナミック型メモリセルおいては、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくすることが望ましい。
【００９８】
この発明に係るダイナミック型メモリセルのキャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくするための一例は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）に示したビット線のプリチャージレベルとプレート電位ＶＰＬとを互いに実質的に等しくすることである。このようにすれば、ストレージ電極１５の電位がプレート電極の電位に対して“正”になった時、反対に“負”になった時の双方において、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界をほぼ等しくできる。これにより、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界は、例えば上記第１の使用例に比べて小さくできる。具体的には、プリチャージレベルおよびプレート電位ＶＰＬの双方を回路内接地電位ＶＳＳ（０Ｖ）とする。プリチャージレベルは、ビット線イコライザに供給されるプリチャージ電位ＶＰＲＣＨである。
【００９９】
図１６（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図、図１７（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量Ｑを示す図である。なお、条件は、プレート電位ＶＰＬ＝０Ｖ、基板電位ＶＳＵＢ＝０Ｖ、ビット線プリチャージレベル＝０Ｖ、“１”データ書き込みレベル＝１Ｖ、“０”データ書き込みレベル＝−１Ｖである。
【０１００】
また、図１６（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図、図１７（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図である。
【０１０１】
［“１”データ書き込み］
図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル０Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル０Ｖである。この後、ビット線の電位を“１”データ書き込みレベル１Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は０Ｖから１Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１６（Ａ）に斜線に示したものとなる。
【０１０２】
［“０”データ書き込み］
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）に示すように、ビット線の電位をプリチャージレベル０Ｖとした後、トランスファトランジスタを“オン”させ、ストレージ電極１５をビット線に接続する。この時のストレージ電極１５の電位はほぼプリチャージレベル０Ｖである。この後、ビット線の電位を“０”データ書き込みレベル−１Ｖに遷移させる。これにともなって、ストレージ電極１５の電位は０Ｖから−１Ｖに遷移する。電荷量Ｑは容量Ｃ×電圧Ｖであるから、この時にトレンチキャパシタに蓄積される電荷量Ｑは図１７（Ａ）に斜線に示したものとなる。以上のように、プレート電位ＶＰＬとビット線プリチャージレベルとを互いに実質的に等しくすることにより、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくすることができる。即ちプレート電位ＶＰＬ（０Ｖ）と“１”データ書き込み時のストレージ電極１５の電位（ほぼ１Ｖ）との電位差、およびプレート電位ＶＰＬ（０Ｖ）と“０”データ書き込み時のストレージ電極１５の電位（ほぼ−１Ｖ）との電位差はともに約１Ｖとなる。
【０１０３】
なお、図１７（Ａ）に示すように、第２の使用例では“０”データ書き込み時、ストレージ電極１５の電位がプレート電位ＶＰＬに対して“負”になるので、上述したように容量Ｃが減少する。これにより、蓄積できる電荷量Ｑは“１”データ書き込み時よりも減少する。このような特性は上述したようにあまり好ましいことではないが、全く使用できないものではない。たとえ容量Ｃが減少する傾向を示しても、結果として電荷量Ｑが“０”データを保持するのに充分な量であれば、何等問題なく、使用することができる。
【０１０４】
また、第１の使用例ではキャパシタ絶縁膜１３に印加される電界が大きくなるが、内部電源の低電圧化も同時に進行している。例えば従来内部電源電圧は５Ｖが一般的であったが、現在、市販されているＬＳＩ製品では３Ｖが主流である。さらに実際には内部電源電圧３Ｖ以下、例えばこの実施形態のように内部電源電圧２Ｖでも充分に動作するようになってきている。今後は２Ｖ以下に低電圧化される。このようにキャパシタ絶縁膜１３に印加される電界は内部電源を低電圧化することでも小さくできる。
【０１０５】
以上のことから、上記第１、第２の使用例のどちらも充分に使用できる。そして、実使用に際しては、いずれか最適なほうを選んで実施されれば良い。
【０１０６】
［この発明に係るダイナミック型メモリセルの第３の使用例］
図１８は、この発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を示す特性図である。なお、図１８は図１２に示した特性図を簡略化して示したものである。
【０１０７】
図１８に示すように、実際には、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になると容量が減少する。この結果、蓄積可能な電荷量は減少する。理想は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”でも“正”でも、その容量が一定になることである。
【０１０８】
この第３の使用例の目的は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になると蓄積できる電荷量が減少する事情を改善し、上記電位差が“負”になった時に、蓄積できる電荷量を増やすことにある。
【０１０９】
図１９（Ａ）は第３の使用例が示す電圧−容量特性の傾向を示す図、図１９（Ｂ）は第３の使用例に係る、プリチャージレベル（ＶＰＲＣＨ）がストレージ電極１５に印加された時のＮ型埋め込み層１８および下部領域１１Ｂの電位の状態を示す図である。
【０１１０】
図１９（Ａ）に示すように、第３の使用例は、容量−電圧特性カーブＣ−Ｖを、図中破線に示すように、負の方向にシフトさせるものである。このためには、図１３（Ｂ）に示した反転層を、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になっても消滅させ難くすれば良い。このために、第３の使用例では、図１９（Ｂ）に示すように、基板電位ＶＳＵＢをプリチャージレベル、即ちプリチャージ電位ＶＰＲＣＨよりも低く、かつプレート電位ＶＰＬよりも低くする。上記プリチャージ電位ＶＰＲＣＨは、ビット線イコライザに供給されるプリチャージ電位ＶＰＲＣＨである。これにより、ストレージ電極１５がプリチャージ電位ＶＰＲＣＨになった時において、ストレージ電極１５と下部領域１１Ｂとの間に正の電位差を生じさせることができる。ストレージ電極１５と下部領域１１Ｂとの間に正の電位差が生じていれば、ストレージ電極１５は、トレンチ１２周囲の下部領域１１Ｂに反転層を生じさせる。この後、“０”データ書き込み時には、ストレージ電極１５の電位はプリチャージ電位ＶＰＲＣＨから例えば０Ｖに遷移するが、少なくともストレージ電極１５がプリチャージ電位ＶＰＲＣＨの時には充分な反転層がある。これにより、反転層が消滅し始める状態を、例えば第２の使用例に比べて負の方向にシフトできる。これにより、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になった時に、蓄積できる電荷量を増やすことができる。
【０１１１】
なお、第３の使用例においては、第２の使用例と同様に、プレート電位ＶＰＬがプリチャージ電位ＶＰＲＣＨ（プリチャージレベル）と等しくできる。このため、第２の使用例と同様に、キャパシタ絶縁膜１３に印加される電界を小さくできる効果を得ることができる。
【０１１２】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になると蓄積できる電荷量が減少する事情を、構造的な工夫により改善したものである。
【０１１３】
図２０（Ａ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタが示す電圧−容量特性の傾向を示す図、図２０（Ｂ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの断面図である。
【０１１４】
図２０（Ａ）に示すように、第２の実施形態は、容量−電圧特性カーブＣ−Ｖの容量の減少率を、図中破線に示すように、小さくするものである。このためには、図１３（Ｂ）に示した反転層を、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になっても消滅させ難くすれば良い。このために、第２の実施形態では、トレンチ１２の周囲に、Ｐ型の強度が下部領域１１ＢのＰ型の強度よりも弱い領域を形成する。具体的には、図２０（Ｂ）に示すように、トレンチ１２の周囲にＰ型の下部領域１１ＢよりもＰ型不純物濃度が薄いＰ− 型領域１１Ｃを形成する。
【０１１５】
このようにトレンチ１２の周囲に、Ｐ型の強度が下部領域１１ＢのＰ型の強度よりも弱いＰ− 型領域１１Ｃを形成することによって、トレンチ１２の周囲には、より多くの少数キャリア（この実施形態では電子）を含む反転層が形成されるようになる。反転層に含まれる少数キャリアが多ければ、その反転層が消滅するまでにより長い時間を要する。したがって、反転層は、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になっても消滅し難くなる。これにより、ストレージ電極１５とプレート電極との電位差が“負”になった時に、蓄積できる電荷量を増やすことができる。
【０１１６】
なお、この第２の実施形態は、上述の第１、第２、第３の使用例と組み合わせて使用できる。
【０１１７】
［製造方法］
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの製造方法について説明する。
【０１１８】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭチップは、５つの主要な工程を経て製造される。
【０１１９】
即ちトレンチキャパシタを形成する工程、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）を形成する工程、トランジスタを形成する工程、内部配線を形成する工程、そしてＮ型埋め込み層１８を形成する工程である。このＮ型埋め込み層１８を形成する工程はこの発明に係るダイナミック型メモリセルにおいて特に重要である。この工程を製造シーケンスのどこに組み込むかで、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの製造コストが左右される。
【０１２０】
以下、３つの製造シーケンス例について説明する。
【０１２１】
［第１の製造シーケンス例］
図２１（Ａ）は、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第１の製造シーケンス例を示す図である。
【０１２２】
図２１（Ａ）に示すように、第１の製造シーケンス例は、最初にＮ型埋め込み層１８を形成する。この後、トレンチキャパシタ、ＳＴＩ、トランジスタ、配線を順次形成する。この第１の製造シーケンスは、基板１１の深い部分からその上部に向かって順次装置構造を形成していく方法である。
【０１２３】
上記第１の製造シーケンス例では、基板１１の内部にＮ型埋め込み層１８を形成してからトレンチ１２を形成する。この発明に係るダイナミック型メモリセルを形成するためには、トレンチ１２をＮ型埋め込み層１８に正確にアライメントさせなければならない。しかし、Ｎ型埋め込み層１８は基板１１の深い部分に形成されており、Ｎ型埋め込み層１８は基板１１の表面から見ることができない。このため、Ｎ型埋め込み層１８に対するトレンチ１２のアライメントには、Ｎ型埋め込み層１８の形成に使用されたアライメントマークが使われる。このアライメントマークの代表例は、オリエンテーションフラット等、ウェーハに形成されているシリコン結晶の方向を示すマークである。
【０１２４】
この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭは、上記第１の製造シーケンスにより形成することができる。
【０１２５】
［第２の製造シーケンス例］
現在のオリエンテーションフラットはアライメントマークとして充分な精度を有している。しかし、最先端の技術を使用して製造されるＬＳＩ製品、即ちＭビットクラス以上の集積度を誇るＤＲＡＭ製品においては、オリエンテーションフラット以上に高精度なマークが必要とされる。このため、Ｎ型埋め込み層１８を形成する前に、ウェーハの表面にオリエンテーションフラット以上の精度を持つアライメントマークを形成する。
【０１２６】
しかしこの方法では、アライメントマークを形成する工程が別途必要であり、製造コストがかさむ事情がある。
【０１２７】
この第２の製造シーケンス例は、アライメントマークを形成せずに、トレンチ１２とＮ型埋め込み層１８との高精度なアライメントを可能にする製造方法を提供することを目的としている。
【０１２８】
図２１（Ｂ）は、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第２の製造シーケンス例を示す図である。
【０１２９】
図２１（Ｂ）に示すように、第２の製造シーケンス例は、最初にトレンチキャパシタを形成する。この後、Ｎ型埋め込み層１８、ＳＴＩ、トランジスタ、配線を順次形成する。
【０１３０】
上記第２の製造シーケンス例では、基板１１の表面からその内部に向かってトレンチ１２を形成してからＮ型埋め込み層１８を形成する。トレンチ１２は基板１１の表面に露呈しており、トレンチ１２は基板１１の表面から見ることができる。即ちトレンチ１２はアライメントマークとして使うことができる。このようにトレンチ１２をアライメントマークとして使用することで、別途アライメントマークを形成しなくても、Ｎ型埋め込み層１８はトレンチ１２に正確にアライメントさせることができる。
【０１３１】
［第３の製造シーケンス例］
製造コストの削減は廉価な製品を市場に供給するための重要な課題である。製造コストを削減するために最も良い方法は、マスクレス、即ちホトリソグラフィ工程を用いないことである。しかしながら、現状のＬＳＩ製造においては、ホトリソグラフィ工程をゼロにすることは不可能である。しかし、マスクの数を削減することは可能である。
【０１３２】
この第３の製造シーケンス例は、マスクの数を削減し、製造コストの圧縮を可能にする製造方法を提供することを目的としている。
【０１３３】
図２１（Ｃ）は、この発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第３の製造シーケンス例を示す図である。
【０１３４】
図２１（Ｃ）に示すように、第３の製造シーケンス例は、トレンチキャパシタ、ＳＴＩをそれぞれ形成した後に、Ｎ型埋め込み層１８を形成する。この後、トランジスタ、配線を順次形成する。
【０１３５】
上記第３の製造シーケンス例では、トレンチ１２、ＳＴＩを形成してからＮ型埋め込み層１８を形成する。Ｎ型埋め込み層１８はメモリセルアレイが形成される部分の下に形成される。Ｎ型埋め込み層１８を形成するための導電性不純物のイオン注入は、メモリセルのトランスファトランジスタ用の活性領域を通して行われる。トランスファトランジスタを含め、ＬＳＩを構成するためのトランジスタが形成される活性領域には、通常、しきい値電圧を調節するために導電性不純物がイオン注入される。第３の製造シーケンスでは、Ｎ型埋め込み層１８を形成する時点において、活性領域および分離領域がともに完成している。このため、Ｎ型埋め込み層１８を形成するための導電性不純物のイオン注入と、トランスファトランジスタのしきい値電圧を調節するための導電性不純物のイオン注入とを、同じマスクを用いて行うことができる。同じマスクを用いて、Ｎ型埋め込み層１８およびしきい値電圧調節のためのイオン注入を行うことで、マスクの数を削減でき、製造コストを圧縮することができる。
【０１３６】
［メモリセルの製造方法］
次に、この発明に係るダイナミック型メモリセルの製造方法の具体的一例を説明する。以下に説明する製造形成方法は、上記第３の製造シーケンスに従う。
【０１３７】
図２２（Ａ）〜図２８（Ｂ）はそれぞれ、この発明に係るダイナミック型メモリセルを主要な製造工程毎に示す斜視図である。
【０１３８】
まず、図２２（Ａ）に示すように、Ｐ型シリコンからなる半導体基板１１の表面を熱酸化し、バッファ酸化膜（ＳｉＯ２ ）４１を形成する。次いで、バッファ酸化膜４１上に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン膜（Ｓｉ３ Ｎ４ ）４２を形成する。次いで、窒化シリコン膜４２の上にホトレジストを塗布し、図示せぬホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりトレンチの形成パターンに対応した窓を形成する。次いで、このホトレジスト膜をマスクに用いたＲＩＥ法により、窒化シリコン膜４２をエッチングし、窒化シリコン膜４２にトレンチの形成パターンに対応した窓４３を形成する。この工程に使用されるアライメントマークは、ウェーハ（基板１１）に形成された図示せぬオリエンテーションフラット等である。
【０１３９】
次に、図２２（Ｂ）に示すように、上記窒化シリコン膜４２をマスクに用いたＲＩＥ法により基板１１をエッチングし、基板１１に間口Ｆが例えば０．３μｍで深さが７μｍのトレンチ（ディープトレンチ）１２を形成する。
【０１４０】
なお、図２０（Ｂ）に示した第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルを形成する場合には、トレンチ１２を形成した後、このトレンチ１２に対して、基板１１とは反対導電型の不純物、この実施形態ではＮ型の不純物をイオン注入すれば良い。
【０１４１】
次に、図２３（Ａ）に示すように、上記トレンチ１２から露出した基板１１の表面を熱酸化し、膜厚が例えば１０ｎｍ程度の二酸化シリコンからなるキャパシタ絶縁膜１３を形成する。なお、キャパシタ絶縁膜１３は二酸化シリコンに限らず、ＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ ／ＳｉＯ２ の三層構造からなる膜（ＯＮＯ膜）や、ＳｉＯ２ ／Ｓｉ３ Ｎ４ の二層構造からなる膜（ＯＮ膜）等にすることもできる。次いで、ここまで得られている構造の上に導電性のポリシリコンを堆積し、導電性のポリシリコン膜４４を形成する。このポリシリコン膜４４はトレンチ１２を埋め込む。また、導電性不純物としてＮ型の不純物を含有している。
【０１４２】
次に、図２３（Ｂ）に示すように、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＲＩＥ法により上記ポリシリコン膜４４をエッチバックし、トレンチ１２の上部から上記ポリシリコン膜４４を除去する。なお、トレンチ１２の内部に残されたポリシリコン膜４４はストレージ電極１５となる。
【０１４３】
次に、図２４（Ａ）に示すように、上記窒化シリコン膜４２およびストレージ電極１５をマスクに用いたＣＤＥ法によりキャパシタ絶縁膜１３をエッチングし、トレンチ１２の上部から上記キャパシタ絶縁膜１３を除去する。次いで、ここまで得られている構造の上に二酸化シリコンを堆積し、膜厚が例えば３０〜４０ｎｍ程度の二酸化シリコン膜を形成する。次いで、上記窒化シリコン膜４２およびストレージ電極１５をストッパに用いたＲＩＥ法により二酸化シリコン膜をエッチングし、トレンチ１２の側壁に二酸化シリコン膜を残す。トレンチ１２の側壁に残された二酸化シリコン膜はカラー酸化膜１４となる。
【０１４４】
次に、図２４（Ｂ）に示すように、図２４（Ａ）に示す構造の上にノンドープのポリシリコンを堆積し、ノンドープのポリシリコン膜を形成する。次いで、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＲＩＥ法によりこのノンドープのポリシリコン膜をエッチバックし、トレンチ１２の上部からこのポリシリコン膜を除去する。トレンチ１２の内部に残されたノンドープのポリシリコン膜は、ストレージ電極１５を基板１１の表面に導く導電体層１６（１６Ａ）となる。なお、この工程時においては導電体層１６Ａは高い抵抗値を有する。導電体層１６Ａを構成するポリシリコンがノンドープであるためである。しかしながら、以後の製造過程においてＮ型不純物がストレージ電極１５から拡散（固相拡散）されるために、最終的にはその抵抗値は導電体として機能するように減少される。次いで、上記窒化シリコン膜４２および導電体層１６Ａをマスクに用いたＣＤＥ法によりキャパシタ絶縁膜１３をエッチングし、トレンチ１２の上部から上記カラー酸化膜１４を除去する。これにより、トレンチ１２から基板１１の表面を露出させる。
【０１４５】
次に、図２５（Ａ）に示すように、図２４（Ｂ）に示す構造の上にノンドープのポリシリコンを堆積し、ノンドープのポリシリコン膜を形成する。次いで、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＲＩＥ法によりこのノンドープのポリシリコン膜をエッチバックし、トレンチ１２の上部からこのポリシリコン膜を除去する。トレンチ１２の内部に残されたノンドープのポリシリコン膜は、ストレージ電極１５を基板１１の表面に導く導電体層１６（１６Ｂ）となる。なお、この工程時においては導電体層１６Ｂは導電体層１６Ａと同様に高い抵抗値を有するが、同様に以後の製造過程においてＮ型不純物がストレージ電極１５から拡散（固相拡散）されるために、最終的にはその抵抗値は導電体として機能するように減少される。導電体層１６Ｂは導電体層１６Ａと一体になり、図１に示した導電体層１６を構成する。また、トレンチ１２の側壁を介して導電体層１６Ｂは基板１１に接触される。
【０１４６】
ここまでの工程により、トレンチキャパシタが完成する。次に、ＳＴＩを形成する製造シーケンスに移る。
【０１４７】
ＳＴＩを形成するために、まず、図２５（Ｂ）に示すように、図２５（Ａ）に示す構造の上にホトレジストを塗布し、ホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりＳＴＩの形成パターンに対応した窓を形成する。この結果、互いに孤立したホトレジスト膜４５が複数得られる。複数の孤立したホトレジスト膜４５は各々活性領域となる部分を覆う。この工程では、アライメントマークとしてトレンチ１２を使用する。これにより、形成される活性領域はトレンチ１２に対して高精度にアライメントされる。
【０１４８】
次に、図２６（Ａ）に示すように、ホトレジスト膜４５をマスクに用いたＲＩＥ法により、図２５（Ｂ）に示す構造をエッチングし、図２５（Ｂ）に示す構造に格子状のシャロートレンチ４６を形成する。次いで、ホトレジスト膜４５を除去する。シャロートレンチ４６から突出した部分は活性領域４７となる。
【０１４９】
次に、図２６（Ｂ）に示すように、図２６（Ａ）に示す構造の上に二酸化シリコンを堆積し、二酸化シリコン膜を形成する。この二酸化シリコン膜はシャロートレンチ４６を埋め込む。次いで、上記窒化シリコン膜４２をストッパに用いたＣＭＰ法により二酸化シリコン膜を後退させ、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）１７を形成する。次いで、窒化シリコン膜４２を除去する。
【０１５０】
以上の図２５（Ｂ）〜図２６（Ｂ）までの工程により、ＳＴＩが完成する。次に、Ｎ型埋め込み層１８を形成する製造シーケンスに移る。
【０１５１】
Ｎ型埋め込み層１８を形成するために、図２７（Ａ）に示すように、図２６（Ｂ）に示す構造の上にホトレジストを塗布し、ホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりＮ型埋め込み層１８の形成パターンに対応した窓を形成する。なお、図２７（Ａ）はメモリセルアレイの一部分を拡大した斜視図であるため、ホトレジスト膜に形成された上記窓は示されない。 図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）はそれぞれ、製造途中のメモリセルアレイ（６４キロビットセグメント）の全体を示す斜視図である。
【０１５２】
図２９（Ａ）に示すように、ホトレジスト膜４８には、Ｎ型埋め込み層１８の形成パターンに対応した窓４９が形成されている。この窓４９は、メモリセルアレイ（６４キロビットセグメント）に対応している。図２３に示す二点鎖線枠５０は、メモリセルアレイ（６４キロビットセグメント）が形成される部分を示している。この工程では、アライメントマークとしてＳＴＩ１７、もしくはトレンチ１２を使用する。これにより、形成されるＮ型埋め込み層１８はトレンチ１２に対して高精度にアライメントされる。次いで、ホトレジスト膜４８をマスクに用いて、Ｎ型埋め込み層１８を形成するためのＮ型不純物を基板１１にイオン注入する。このＮ型不純物は、例えばリンイオンである。このリンイオンは、例えば図１０、図１１を参照して説明したような適切なドーズ量および加速電圧により注入される。
【０１５３】
なお、このとき、上記トレンチ１２の上部をマスクすることにより、トレンチ１２内にイオンが注入されないようにしても良い。
【０１５４】
次いで、ホトレジスト膜４８をマスクに用いて、しきい値電圧を調節するためのＮ型不純物もしくはＰ型不純物をイオン注入する。Ｐ型、Ｎ型どちらの導電性不純物をイオン注入するかは、基板１１の不純物濃度とトランスファトランジスタのしきい値電圧との関係から決定される。図２７（Ａ）に示す点線５１は、しきい値電圧を調節するための導電性不純物が注入された部分を示している。
【０１５５】
また、図２７（Ａ）に示すように、ＳＴＩ１７を形成した後に、Ｎ型埋め込み層１８を形成するためのＮ型不純物を行った場合の構造的特徴は、Ｎ型埋め込み層１８の深さが、ＳＴＩ１７の下と活性領域４７の下とで変わることである。具体的には、活性領域４７の下のＮ型埋め込み層１８は深く、ＳＴＩ１７の下のＮ型埋め込み層１８は浅くなる。
【０１５６】
次に、図２９（Ｂ）に示すように、ホトレジスト膜４８を除去した後、再度ホトレジストを塗布し、ホトレジスト膜を形成する。次いで、このホトレジスト膜に対し、ホトリソグラフィ法によりウェル３２の形成パターンに対応した窓５３を形成する。窓５３はリング状である。このため、ホトレジスト膜には格子状の部分５２Ａの部分と、孤立した島状の部分５２Ｂとが得られる。格子状の部分５２Ａは、センスアンプ（Ｓ／Ａ）や、ワード線ドライバ（ＷＤＲＶ）が形成される部分を被覆し、島状の部分５２Ｂはダイナミック型メモリセルが形成される部分を被覆する。この工程では、アライメントマークとしてＳＴＩ１７、もしくはトレンチ１２を使用する。これにより、形成されるウェル３２はトレンチ１２に対して高精度にアライメントされ、結果としてＮ型埋め込み層１８に対して高精度にアライメントされる。次いで、ホトレジスト膜５２Ａ、５２Ｂをマスクに用いて、ウェル３２を形成するためのＮ型不純物を基板１１にイオン注入する。このＮ型不純物は、例えばリンイオンである。
【０１５７】
図２７（Ａ）、図２９（Ａ）に示す工程により、Ｎ型埋め込み層１８が完成する。また、図２９（Ｂ）に示す工程により上記Ｎ型埋め込み層１８を基板１１の表面に導くためのウェル３２が完成する。なお、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタを形成するための図示せぬＮ型ウェル等を形成する工程があるが、この工程はウェル３２の形成と共通に行われても良いし、ウェル３２を形成する前、もしくはウェル３２を形成した後に行われても良い。
【０１５８】
次に、トランジスタを形成する製造シーケンス、および内部配線を形成する製造シーケンスに移る。これらの製造シーケンスは公知の製法にしたがって行われて良いが、引き続きビット線が形成されるまでの具体的な一例を説明することにする。
【０１５９】
まず、図２７（Ｂ）に示すように、バッファ酸化膜４１を除去し、活性領域４７に基板１１の表面を露出させる。次いで、露出した基板１１の表面を熱酸化し、ゲート酸化膜（ＳｉＯ２ ）２１を形成する。次いで、ここまで得られた構造の上に導電性のポリシリコンを堆積し、導電性のポリシリコン膜を形成する。次いで、導電性のポリシリコン膜の上に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン膜６１を形成する。次いで、ホトリソグラフィ法を用いて、窒化シリコン膜６１、導電性のポリシリコン膜２２をパターニングする。これによりワード線２２が形成される。なお、ワード線２２の上面上に形成された窒化シリコン膜６１は、ビット線コンタクト孔をセルフアラインコンタクト技術を用いて形成する際のストッパとなる膜である。次いで、窒化シリコン膜６１、ＳＴＩ１７をマスクに用いて、ソース、ドレイン領域を形成するためのＮ型不純物を基板１１に対してイオン注入する。これにより、ソース領域１９およびドレイン領域２０が形成される。次いで、ここまで得られた構造の上に窒化シリコンを堆積し、窒化シリコン膜６２を形成する。このワード線２２の側面上に形成された窒化シリコン膜６２は、ビット線コンタクト孔に埋め込まれる導電物とワード線２２とのショートを抑制するための膜である。
【０１６０】
次に、図２８（Ａ）に示すように、図２７（Ｂ）に示す構造の上に例えば二酸化シリコンを堆積し、第１層層間絶縁膜６３を形成する。次いで、ホトリソグラフィ法を用いて、ドレイン領域２０に達するビット線コンタクト孔６４を第１層層間絶縁膜６２に形成する。次いで、ビット線コンタクト孔６４を例えばタングステン６６等で埋め込む。
【０１６１】
次に、図２８（Ｂ）に示すように、図２８（Ａ）に示す構造の上に例えば二酸化シリコンを堆積し、第２層層間絶縁膜６７を形成する。次いで、ホトリソグラフィ法を用いて、ビット線の形成パターンに対応した溝６８を第２層間絶縁膜６７に形成する。次いで、溝６８を例えばタングステン６６等で埋め込み、平坦化することによってビット線２３が形成される。
【０１６２】
以上のようにして、この発明に係るダイナミック型メモリセルが完成する。
【０１６３】
なお、上記製造方法において、Ｎ型埋め込み層１８、ソース領域１９、ドレイン領域２０等を活性化するための熱工程を製造工程の最後の方で行えば、製造工程の最初の方でＮ型埋め込み層１８を形成する場合と比べて深さ方向の幅が広がることを防止できる。このため、このＮ型埋め込み層１８のシート抵抗を十分に下げることができる。
【０１６４】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、高集積化された場合であっても、容量素子の容量値を十分に大きくすることができる半導体集積回路装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明に係るダイナミック型メモリセルの断面図。
【図２】図２はこの発明に係るダイナミック型メモリセルをアスペクト比約２０で示す断面図。
【図３】図３はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを用いた２５６メガビットＤＲＡＭチップの平面図。
【図４】図４は図３に示す１６メガビットメモリセルアレイの平面図。
【図５】図５は図４に示す破線枠Ｖ内の拡大図。
【図６】図６は図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図。
【図７】図７は図６に示す破線枠ＶＩＩ内の拡大図。
【図８】図８は６４キロビットセグメントおよびビット線系回路の回路図。
【図９】図９（Ａ）は“１”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図、図９（Ｂ）は“０”データ読み出し／書き込み時におけるビット線電圧の変化を示す電圧波形図。
【図１０】図１０はＮ型埋め込み層の不純物プロファイル図。
【図１１】図１１はＮ型埋め込み層におけるドーズ量とシート抵抗との関係を示す特性図。
【図１２】図１２はこの発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を示す特性図。
【図１３】図１３（Ａ）はパワーオン前のトレンチキャパシタの状態を示す図、図１３（Ｂ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（Ｉ）を示す図、図１３（Ｃ）はパワーオン後のトレンチキャパシタの状態（ＩＩ）を示す図。
【図１４】図１４（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１４（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１５】図１５（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１５（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１６】図１６（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“１”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１６（Ｂ）は“１”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１７】図１７（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルに“０”データを書き込んだ時の蓄積電荷量を示す図、図１７（Ｂ）は“０”データ書き込み時におけるビット線、Ｎ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図１８】図１８はこの発明に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性を概略的に示す特性図。
【図１９】図１９（Ａ）は第３の使用例の電圧−容量特性の傾向を示す図、図１９（Ｂ）は第３の使用例に係る、プリチャージレベルがストレージ電極に印加された時のＮ型埋め込み層および下部領域の電位の状態を示す図。
【図２０】図２０（Ａ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの電圧−容量特性の傾向を示す図、図２０（Ｂ）はこの発明の第２の実施形態に係るダイナミック型メモリセルが具備するトレンチキャパシタの断面図。
【図２１】図２１（Ａ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第１の製造シーケンス例を示す図、図２１（Ｂ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第２の製造シーケンス例を示す図、図２１（Ｃ）はこの発明に係るダイナミック型メモリセルを具備したＤＲＡＭの第３の製造シーケンス例を示す図。
【図２２】図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２３】図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２４】図２４（Ａ）および図２４（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２５】図２５（Ａ）および図２５（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２６】図２６（Ａ）および図２６（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２７】図２７（Ａ）および図２７（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２８】図２８（Ａ）および図２８（Ｂ）はそれぞれこの発明に係るダイナミック型メモリセルの主要な製造工程における斜視図。
【図２９】図２９（Ａ）および図２９（Ｂ）はそれぞれ製造途中のメモリセルアレイの全体を示す斜視図。
【図３０】図３０は従来のダイナミック型メモリセルの断面図。
【図３１】図３１（Ａ）は従来のダイナミック型メモリセルをアスペクト比約２０で示す断面図、図３１（Ｂ）はトレンチの底に固相拡散源膜が残った状態を示す図。
【符号の説明】
１１…半導体基板、
１２…トレンチ、
１３…キャパシタ絶縁膜、
１４…シリコン酸化膜（カラー酸化膜）、
１５…電極、
１６…導電体層、
１７…フィールド絶縁膜（ＳＴＩ）、
１８…Ｎ型埋め込み層、
１９…ソース領域、
２０…ドレイン領域、
２１…ゲート酸化膜、
２２…ゲート電極。
Claims (16)
- 第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板の表面から離間されて前記半導体基板内に形成された、この半導体基板を上部領域と下部領域とに分割する第２導電型の埋め込み層と、
前記半導体基板の表面から前記下部領域まで前記埋め込み層を突き抜けて形成されたトレンチと、
前記トレンチ内に形成された、前記下部領域に容量結合する電極体と、
前記電極体に接続されたスイッチと、
前記スイッチに接続された回路配線と、
前記下部領域の前記トレンチ周囲の部分に形成された、第１導電型の強度が前記下部領域の第１導電型の強度よりも弱い第１導電型の半導体領域と
を具備することを特徴とする半導体集積回路装置。 - 前記電極体は前記下部領域に第２導電型の反転層を電界効果により形成し、この反転層は前記電極体とともに容量素子を構成することを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路装置。
- 前記埋め込み層は前記反転層を形成するキャリアのソースとして機能することを特徴とする請求項２に記載の半導体集積回路装置。
- 前記埋め込み層は第２導電型の不純物を含んだ拡散層であり、この拡散層のシート抵抗は１５００（Ω／□）以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体集積回路装置。
- 前記埋め込み層は深さ方向に幅を有し、この埋め込み層の上面から前記半導体基板の表面までの距離は０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の半導体集積回路装置。
- 前記埋め込み層はプレート電位の供給を受けることを特徴とする請求項３に記載の半導体集積回路装置。
- 前記プレート電位は前記回路配線が回路構成上とり得る最低の電位以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体集積回路装置。
- 前記最低の電位は前記回路配線に接続されるＮＭＯＳセンスアンプを駆動する駆動信号の電位であることを特徴とする請求項７に記載の半導体集積回路装置。
- 前記プレート電位は前記回路配線のプリチャージレベルと実質的に同じであることを特徴とする請求項６に記載の半導体集積回路装置。
- 前記プリチャージレベルは前記回路配線に接続されるイコライザに供給されるプリチャージ電位であることを特徴とする請求項９に記載の半導体集積回路装置。
- 前記下部領域の電位は、前記回路配線のプリチャージレベル以下、かつプレート電位以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体集積回路装置。
- 前記プレート電位は前記回路配線のプリチャージレベルと実質的に同じであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体集積回路装置。
- 前記プリチャージレベルは前記回路配線に接続されるイコライザに供給されるプリチャージ電位であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体集積回路装置。
- 前記上部領域の電位は、前記下部領域の電位以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体集積回路装置。
- 前記スイッチは前記上部領域をバックゲート領域とした絶縁ゲート型ＦＥＴであることを特徴とする請求項１４に記載の半導体集積回路装置。
- 前記第１導電型の半導体領域の第１導電型の不純物濃度は、前記下部領域の第１導電型の不純物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の半導体集積回路装置。
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