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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に記憶部にDRAMを採用した半導体連想記憶装置(CAM:Content Addressable Memory)に関する。
【0002】
【従来の技術】
図18に、特許文献1に開示された半導体連想記憶装置の部分断面図を示す。
必要なウェルを形成したシリコン基板501の表面に、シャロートレンチアイソレーション(STI)による素子分離絶縁領域502が形成されている。素子分離絶縁領域502に画定された活性領域の表面上に、ゲート絶縁膜503が形成されている。ゲート絶縁膜503の一部の領域上に、論理素子用MOSFETのゲート電極504及びメモリ素子用MOSFETのゲート電極505が形成されている。なお、論理素子用MOSFETは、1つのセルごとに2個配置されるため、図18には、ゲート電極504が2個示されている。
【0003】
ゲート電極504の両側の基板表層部に、ソース及びドレイン領域507が形成され、ゲート電極505の両側の基板表層部にソース及びドレイン領域508が形成されている。ゲート電極504、ソース及びドレイン領域507により論理素子用MOSFETが構成され、ゲート電極505、ソース及びドレイン領域508によりメモリ素子用MOSFETが構成される。
【0004】
化学気相成長(CVD)により形成された酸化シリコン膜511が、ゲート電極504及び505を覆う。酸化シリコン膜511の上に、表面を平坦化された酸化シリコン膜512が形成されている。所定の箇所に、酸化シリコン膜512及び511を貫通するビアホール513が形成されている。
【0005】
酸化シリコン膜512の上に、シリコン層と金属シリサイド層との積層構造を有するビットラインBL及びマッチラインMLが形成されている。ビットラインBLは、ビアホール513内を経由して、メモリ素子用MOSFETのソース及びドレイン領域508の一方に接続されている。マッチラインMLは、他のビアホール513内を経由して、論理素子用MOSFETのソース及びドレイン領域507の一方に接続されている。
【0006】
ビットラインBL及びマッチラインMLを覆うように、酸化シリコン膜512の上に、ボロフォスフォシリケートガラス(BPSG)からなる層間絶縁膜515が形成されている。所定の箇所に、層間絶縁膜515、酸化シリコン膜512及び511を貫通するビアホール516が形成されている。
【0007】
層間絶縁膜515の上に、キャパシタの蓄積電極517が形成されている。蓄積電極517は、ビアホール516内を経由してメモリ素子用MOSFETのソース及びドレイン領域508の一方に接続されるとともに、他のビアホール516内を経由して、論理素子用MOSFETのゲート電極504に接続されている。キャパシタ誘電体膜518が蓄積電極517を覆い、キャパシタ誘電体膜518の上にプレート電極519が形成されている。
【0008】
ビットラインBLをソース及びドレイン領域508の一方に接続するためのビアホール513とゲート電極505との間、及び蓄積電極517をソース及びドレイン領域508の他方に接続するためのビアホール516とゲート電極505との間に、位置あわせ余裕分の間隔が確保されている。
【0009】
【特許文献1】
特開2001−338990号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
CAMの製造コスト削減のために、セルサイズの縮小化が望まれている。さらに、メモリ素子のリフレッシュ特性改善のために、キャパシタ容量の増大が望まれている。
【0011】
本発明の目的は、セルサイズを縮小し、キャパシタ容量を大きくすることが可能な半導体装置を提供することである。
【0012】
本発明の一観点によると、
半導体基板の表面上に、相互に交差する第1及び第2の方向に規則的に配置された複数のセルであって、該セルの各々が、メモリセルトランジスタ、第1のサーチトランジスタ、第2のサーチトランジスタ、及びキャパシタを含み、各トランジスタが、ゲート電極と、その両側に配置された第1及び第2の不純物拡散領域とを含み、該キャパシタが蓄積電極とプレート電極とを含み、該第1のサーチトランジスタと第2のサーチトランジスタとが相互に直列に接続されてサーチ回路を構成し、該メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域が該キャパシタの蓄積電極及び該第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された前記セルと、
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されており、
前記第2のサーチトランジスタの第1の不純物拡散領域、ゲート電極、及び第2の不純物拡散領域が、この順番に第1の方向に沿って並び、前記メモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域、ゲート電極、及び第2の不純物拡散領域、前記第2のサーチトランジスタのゲート電極が、第2の方向に沿ってこの順番に並び、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極が、第2の方向に関して、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域と重なる位置まで延在している半導体装置が提供される。
【0013】
ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインを、キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置することにより、集積度を向上させることが可能になる。また、これらを金属配線で形成することにより、電気抵抗を小さくすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1(A)に、メモリ素子としてDRAMを用いたCAMの等価回路図を示す。繰り返し単位Uと/Uとが、1つのCAMセル(基本単位)を構成する。半導体基板上に、複数のCAMセルが行列状に配置されている。
【0015】
繰り返し単位Uの構成について説明する。繰り返し単位Uは、メモリセルトランジスタTa、第1のサーチトランジスタQa、第2のサーチトランジスタPa、及びキャパシタCaを含む。各トランジスタは、ゲート電極と、第1及び第2の電流端子とを含む。
【0016】
メモリセルトランジスタTaの第2の電流端子がキャパシタCaの蓄積電極及び第1のサーチトランジスタQaのゲート電極に接続されている。キャパシタCaの他方の電極(プレート電極)は接地されている。メモリセルトランジスタTaとキャパシタCaとが1つのメモリセルMCaを構成する。第1のサーチトランジスタQaの第2の電流端子と第2のサーチトランジスタPaの第1の電流端子とが相互に接続され、サーチ回路を構成している。
【0017】
ワードラインWLとビットラインBLとが相互に交差するように配置されている。ワードラインWLとビットラインBLとの交差箇所に1つの繰り返し単位Uが配置される。ワードラインWLは、対応する繰り返し単位UのメモリセルトランジスタTaのゲート電極に接続されている。ビットラインBLは、対応する繰り返し単位UのメモリセルトランジスタTaの第1の電流端子に接続されている。
【0018】
データバスラインDBとマッチラインMLとが相互に交差するように配置されている。データバスラインDBとマッチラインMLとの交差箇所に1つの繰り返し単位Uが配置される。データバスラインDBは、対応する繰り返し単位Uの第2のサーチトランジスタPaのゲート電極に接続されている。マッチラインMLは、対応する第2のサーチトランジスタPaの第2の電流端子に接続されている。
【0019】
グランドラインGNDが、各繰り返し単位Uの第1のサーチトランジスタQaの第1の電流端子に接地電圧を印加する。
繰り返し単位/Uは、繰り返し単位Uと対称的な構成を有し、メモリセルトランジスタTb、第1のサーチトランジスタQb、第2のサーチトランジスタPb、及びキャパシタCbを含む。メモリセルトランジスタTbとキャパシタCbとが1つのメモリセルMCbを構成する。メモリセルトランジスタTbのゲート電極は、対応するワードラインWLに接続されている。第2のサーチトランジスタPbの第2の電流端子は、対応するマッチラインMLに接続されている。第2のサーチトランジスタPbのゲート電極は、データバスラインDBと対をなす反転データバスライン/DBに接続されている。メモリセルトランジスタTbのゲート電極は、ビットラインBLと対をなす反転ビットライン/BLに接続されている。
【0020】
メモリセルMCaのビットラインBLとメモリセルMCbの反転ビットライン/BLに、相補的な情報が供給される。メモリセルトランジスタTa及びTbが、同一のワードラインWLに印加された信号によりオン、オフを制御される。メモリセルトランジスタTa及びTbを介して、それぞれキャパシタCa及びCbに相補的な情報が書き込まれる。なお、後述するように、ドントケア状態を実現するために、ビットラインBLと反転ビットライン/BLとに、相補的ではなく同一の情報(後述するL状態)が供給される場合もある。
【0021】
サーチトランジスタPaとQaとの直列回路、及びサーチトランジスタPbとQbとの直列回路が、それぞれサーチ回路LCa及びLCbを構成する。
キャパシタCa及びCbの蓄積電極の電位が、それぞれサーチトランジスタQa及びQbのゲート電極に印加される。従って、サーチトランジスタQa及びQbのオン、オフ状態が、キャパシタCa及びCbの蓄積電極の電位によって制御される。
【0022】
データバスラインDB及び反転データバスライン/DBは、CAMセルに蓄積されたデータと比較される検索データを搬送する。
なお、図1(C)に示すように、第1のサーチトランジスタP(Pa、Pb)と第2のサーチトランジスタQ(Qa、Qb)は、その配置を交換してもよい。
【0023】
検索及び比較動作においては、マッチラインMLを論理「ハイ(H)」にプリチャージし、データバスラインDB及び反転データバスライン/DBに、それぞれ入力信号及びその相補信号を印加する。第2のサーチトランジスタPa及びPbの一方はオンになり、他方はオフになる。オンになった第2のサーチトランジスタPaまたはPbに直列接続された第1のサーチトランジスタQaまたはQbがオンであれば、プリチャージされたマッチラインMLの電荷が接地線GNDに放電され、マッチラインMLの電位が変化する。これは、検索データと蓄積データとのマッチまたはフィットが生じたことを示す。
【0024】
第2のサーチトランジスタPaまたはPbがオンになっても、それに直列接続された第1のサーチトランジスタQaまたはQbがオフであれば、マッチラインMLの電荷が放電されず、その電位はプリチャージされた状態に保たれる。これは、ミスマッチまたはミスを示す。すなわち、マッチラインMLの電位変化は、H状態のメモリセル(キャパシタCaまたはCb)に接続されたサーチ回路LCaまたはLCbによって制御される。
【0025】
ビットラインBL及び反転ビットライン/BLは、ビットライン駆動回路BLDに接続され、ワードラインWLは、ワードライン駆動回路WLDに接続されている。また、データバスラインDB及び反転データバスライン/DBは、データバスライン駆動回路DBDに接続され、マッチラインMLは、マッチライン駆動回路MLDに接続されている。マッチライン駆動回路MLDは、マッチラインMLごとにセンスアンプを有する。このセンスアンプが、マッチラインMLの電位変化を検出する。なお、データバスライン駆動回路DBDは、外部信号が入力される端子そのものであってもよいし、外部信号を一時的に記憶するバッファ回路等であってもよい。
【0026】
図1(B)に、図1(A)に示したCAMセルの論理値表を示す。DRAMの欄は、メモリセルMCaの記憶情報、より具体的にはキャパシタCaの充電状態を示す。キャパシタCaの蓄積電極(第1のサーチトランジスタQaのゲート電極に接続されている方の電極)が高電位に充電されている時がハイ(H)状態であり、低電位に充電されている時がロー(L)状態に対応する。
【0027】
キャパシタCbは、キャパシタCaに記憶された情報とは相補的な情報を記憶する。メモリセルMCaがH状態である場合、第1のサーチトランジスタQaがオン状態になり、もう一方の第1のサーチトランジスタQbがオフ状態になる。従って、オン状態の第1のサーチトランジスタQaに直列接続された第2のサーチトランジスタPaがオン、すなわちデータバスラインDBがH状態の場合のみ、マッチラインMLの電荷が放電され、電位が低下する。これにより、マッチラインMLがL状態になる。
【0028】
メモリセルMCaがL状態の場合、第1のサーチトランジスタQbがオン状態になる。従って、オン状態の第1のサーチトランジスタQbに直列接続された第2のサーチトランジスタPbがオン、すなわち反転データバスライン/DBがH状態の場合のみ、マッチラインMLの電荷が放電され、電位が低下する。これにより、マッチラインMLがL状態になる。上記の場合以外では、マッチラインMLはH状態に保たれる。
【0029】
また、2組のメモリセルMCa及びMCbが共にL状態の場合には、データバスラインDBの状態に関係なく、マッチラインMLがH状態に維持される。すなわち、データバスラインDBの状態はドントケア(don't care)である。このように、ドントケア状態を含めた3値論理を実現することができる。
【0030】
図2及び図3に、本発明の第1の実施例によるCAMの1つのCAMセルの各層の平面図を示す。
図2(A)に示すように、長方形のCAMセル領域1が、行方向及び列方向に繰り返し配置されている。行方向及び列方向に隣接する2つのCAMセル同士は、線対称なパターンを有する。CAMセル1内の図の左半分及び右半分に、それぞれ図1(A)に示した繰り返し単位U及び/Uが配置される。繰り返し単位Uと/Uとは、相互に線対称の関係を有するため、ここでは繰り返し単位Uの構成について説明し、繰り返し単位/Uの説明は省略する。
【0031】
行方向に延在する活性領域2が、CAMセル1内を通過する。活性領域3a及び3bが、CAMセル1の上側の辺から下方に伸び、活性領域2の手前まで達する。横方向に延在するワードラインWLが、活性領域3a及び3bと交差する。ワードラインWLの両側の活性領域3a内に、ソース及びドレイン領域が配置され、ワードラインWLをゲート電極とするメモリセルトランジスタTaが形成される。このソース及びドレイン領域のうち活性領域2から遠い方の領域を第1の不純物拡散領域7と呼び、活性領域2に近い方の領域を第2の不純物拡散領域8と呼ぶこととする。
【0032】
活性領域3aの延長部分と活性領域2との交差する箇所において、ゲート電極5が活性領域2と交差する。ゲート電極5の両側の活性領域2内に、ソース及びドレイン領域が配置され、第2のサーチトランジスタPaが形成される。ゲート電極5と活性領域2との交差箇所よりも図の左側において、ゲート電極6が活性領域2と交差する。ゲート電極6の両側の活性領域2内にソース及びドレイン領域が配置され、第1のサーチトランジスタQaが形成される。
【0033】
第1のサーチトランジスタQaのソース及びドレイン領域のうちゲート電極5から遠い方の領域を第1の不純物拡散領域9、ゲート電極5に近い方の領域を第2の不純物拡散領域10と呼ぶこととする。第2のサーチトランジスタPaのソース及びドレイン領域のうちゲート電極6に近い方の領域を第1の不純物拡散領域11と呼び、ゲート電極6から遠い方の領域を第2の不純物拡散領域12と呼ぶこととする。第1のサーチトランジスタQaの第2の不純物拡散領域10と、第2のサーチトランジスタPaの第1の不純物拡散領域11とは、共通の不純物拡散領域で構成される。
【0034】
ゲート電極6が図の上方に延在し、列方向に関して、メモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域8と重なる位置まで達する。ゲート電極6の外周の一部が、第2の活性領域8の外周の一部とほぼ重なる。
【0035】
ゲート電極5が、CAMセル領域1の外周まで延在し、外周との交差箇所にビアホールH1が配置されている。第1のサーチトランジスタQaの第1の不純物拡散領域9に対応する位置にビアホールH2が配置されている。メモリセルトランジスタTaの第1の不純物拡散領域7及び第2の不純物拡散領域8に対応する位置に、それぞれビアホールH3及びH4が配置されている。第2のサーチトランジスタPaの第2の不純物拡散領域12に対応する位置にビアホールH5が配置されている。ビアホールH1、H3及びH4は、行方向に関して同じ位置に配置されている。すなわち、列方向に延びる1本の仮想直線上に配置されている。
【0036】
メモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域8及び第1のサーチトランジスタQaのゲート電極6の双方に部分的に重なるように、キャパシタの蓄積電極15が配置されている。蓄積電極15は、ビアホールH4内を経由して、メモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域8に接続されている。
【0037】
繰り返し単位/U内に、繰り返し単位U内のビアホールH1〜H4に対応するビアホールH6〜H9が配置されている。ビアホールH5は、繰り返し単位Uと/Uとの境界線上に配置されており、両者で共有される。繰り返し単位U内のゲート電極5と対称の位置に、メモリセルトランジスタPbのゲート電極14が配置されている。
【0038】
図2(B)に、蓄積電極15を含むキャパシタが配置された層よりも上の第1層目の金属配線層のパターンを示す。ビットラインBL及び反転ビットライン/BLが列方向に延在し、CAMセル領域1内を通過する。ビットラインBLは、ビアホールH3内を経由して、サーチトランジスタTaの第1の不純物拡散領域7に接続されている。ビアホールH3とH1とが、行方向に関して同じ位置に配置されているため、ビットラインBLは、ビアホールH1に近づくに従って行方向の位置を変え、ビアホールH1とH2との間、すなわち図2(A)に示した第1のサーチトランジスタQaのゲート電極6の上方を通過する。
【0039】
反転ビットライン/BLは、ビットラインBLと線対称な形状を有し、ビアホールH8内を経由して、メモリセルトランジスタTbの第1の不純物拡散領域に接続される。
【0040】
ビアホールH1、H2、及びH5に対応する位置に、それぞれ孤立導電膜21、22、23が配置されている。ビアホールH2から列方向にずれた位置に、孤立導電膜22を上層配線に接続するためのビアホールH12が配置されている。ビアホールH5から列方向にずれた位置に、孤立導電膜23を上層配線に接続するためのビアホールH11が配置されている。ビアホールH1と同じ位置に、孤立導電膜21を上層配線に接続するためのビアホールH10が配置されている。
【0041】
図3(C)に、第2層目の配線のパターンを示す。列方向に延在する補助ワードラインWLA、グランドラインGND、及びマッチラインMLが、CAMセル領域1内を通過している。補助ワードラインWLAは、CAMセル領域1の外側の所定の複数の箇所で下層のワードラインWLに接続されている。
【0042】
グランドラインGNDは、ビアホールH12内、図2(B)に示した孤立導電膜22、ビアホールH2内を経由して、図2(A)に示した第1のサーチトランジスタQaの第1の不純物拡散領域9に接続されている。マッチラインMLは、ビアホールH11内、図2(B)に示した孤立導電膜23、及びビアホールH5内を経由して、図2(A)に示した第2のサーチトランジスタPaの第2の不純物拡散領域12に接続されている。ビアホールH10に対応する位置に孤立導電膜31、及び孤立導電膜31を上層配線に接続するためのビアホールH12が配置されている。
【0043】
図3(D)に、第3層目の配線のパターンを示す。列方向に延在するデータバスラインDB及び反転データバスライン/DBが、CAMセル領域1内を通過している。データバスラインDBは、ビアホールH12内、図3(C)に示した孤立導電膜31、ビアホールH10内、図2(B)に示した孤立導電膜21、及びビアホールH1内を経由して、図2(A)に示した第2のサーチトランジスタPaのゲート電極5に接続されている。
【0044】
反転データバスライン/DBは、データバスラインDBと同様の接続構造により、図2(A)に示した繰り返し単位/U内の第2のサーチトランジスタTbのゲート電極に接続されている。
【0045】
次に、図4〜図7を参照して、第1の実施例によるCAMの製造方法について説明する。図4〜図7の各図は、図2(A)の一点鎖線A4−A4における断面図に相当する。
【0046】
図4(A)に示すように、シリコンからなる半導体基板50の表層部に、STIにより素子分離絶縁領域51を形成する。素子分離絶縁領域51により、メモリセルトランジスタ用の活性領域3a及びサーチトランジスタ用の活性領域2が画定される。必要なウェルを形成し、閾値電圧制御のためのイオン注入を行う。
【0047】
活性領域3aの表面上に、酸化シリコンからなる厚さ8nmのゲート絶縁膜55を形成するとともに、もう一方の活性領域2の表面上に酸化シリコンからなる厚さ4nmのゲート絶縁膜56を形成する。
【0048】
以下、2種類の厚さのゲート絶縁膜を形成する方法を簡単に説明する。まず、すべての活性領域の表面上に、水蒸気を用いた熱酸化により、厚いゲート絶縁膜55よりもやや薄い酸化シリコン膜を形成する。活性領域3aの表面をレジストパターンで覆い、もう一方の活性領域2の上に形成された酸化シリコン膜を除去する。
【0049】
レジストパターンを除去し、全面を乾燥酸素によって熱酸化し、活性領域2の表面上に薄いゲート絶縁膜56を形成する。このとき、活性領域3aの表面上に残っている厚いゲート絶縁膜55がやや厚くなる。
【0050】
ゲート絶縁膜55及び56を覆うように、基板全面上に、ゲート電極となる厚さ50nmのアモルファスシリコン膜58をCVDにより形成する。NチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる領域にリン(P)を注入し、PチャネルMOSトランジスタのゲート電極となる領域にボロン(B)を注入する。
【0051】
アモルファスシリコン膜58の上に、厚さ100nmのタングステンシリサイド膜59をCVDにより形成する。さらにその上に、厚さ170nmの酸化シリコン膜60をCVDにより形成する。
【0052】
図4(B)に示すように、ゲート絶縁膜55、56から酸化シリコン膜60までの4層をパターニングし、アモルファスシリコン膜とタングステンシリサイド膜との2層構造を有するゲート電極5、6、14及びワードラインWL等を形成する。ゲート電極5、6、14及びワードラインWLの上には、酸化シリコン膜60が残っている。
【0053】
メモリセルトランジスタのソース及びドレイン領域形成のためのイオン注入、及びサーチトランジスタのソース及びドレインのエクステンション部を形成するためのイオン注入を行う。
【0054】
基板全面を覆うように、厚さ60nmの窒化シリコン膜62を形成する。メモリセルトランジスタTa等の配置される領域をレジストパターンで覆い、窒化シリコン膜62を異方性エッチングする。これにより、メモリセルトランジスタTa等の配置される領域には窒化シリコン膜62が残り、サーチトランジスタPa及びQaのゲート電極5、6の側面上に、窒化シリコン膜62の一部からなるサイドウォールスペーサ63が残る。窒化シリコン膜62の異方性エッチング後、メモリセルトランジスタTaの配置される領域を覆っていたレジストパターンを除去する。
【0055】
サーチトランジスタPa及びQaのソース及びドレイン領域(不純物拡散領域11及び12等)を形成するためのイオン注入を行う。メモリセルトランジスタTaのソース及びドレイン領域(不純物拡散領域7及び8等)は、窒化シリコン膜62を形成する前に行ったイオン注入により形成される。サーチトランジスタPa、Qaのソース及びドレイン領域上に金属シリサイド膜65、例えばCoSi膜を形成する。
【0056】
図4(C)に示すように、基板全面上に厚さ25nmの窒化シリコン膜67を形成する。さらにその上にBPSG膜68を堆積させ、リフロー、及び化学機械研磨(CMP)を行う。CMP後のBPSG膜68の厚さが約700nmになる。
【0057】
図5(D)に示すように、BPSG膜68の上にレジスト膜70を形成する。メモリセルトランジスタTaの不純物拡散領域7及び8の上方に、レジスト膜70を貫通する開口を形成する。基板表面の法線に平行な視線で見たとき、この開口の一部がメモリセルトランジスタTaのゲート電極(ワードラインWL)と重なっていてもよい。レジスト膜70をマスクとして、BPSG膜68をエッチングし、ビアホールH3及びH4を形成する。この時点では、ビアホールH3及びH4の内面に窒化シリコン膜67が露出している。
【0058】
図5(E)に示すように、窒化シリコン膜67及び62を異方性エッチングする。異方性エッチング後、レジスト膜70を除去する。これにより、ビアホールH3及びH4の底面に、それぞれメモリセルトランジスタTaの第1の不純物拡散領域7及び第2の不純物拡散領域8が露出する。ゲート電極(ワードラインWL)の側面上には、窒化シリコン膜62及び67が残り、上面上には酸化シリコン膜60が配置されているため、ワードラインWLはビアホールH3及びH4の内面に露出しない。このように、ビアホールH3及びH4を、ワードラインWLに対して自己整合的に形成することができる。
【0059】
図5(F)に示すように、ビアホールH3及びH4内に、不純物がドープされたアモルファスシリコンからなる導電性プラグを埋め込む。この導電性プラグは、厚さ200nmのアモルファスシリコン膜の堆積とCMPにより形成することができる。
【0060】
BPSG膜68の上に、BPSGからなる厚さ1200nmの層間絶縁膜72を形成する。層間絶縁膜72は、BPSG膜を堆積させた後、リフローさせることにより形成することができる。
【0061】
図6(G)に示すように、層間絶縁膜72、BPSG膜68、窒化シリコン膜67、62、及び酸化シリコン膜60を貫通し、第1のサーチトランジスタQaのゲート電極6の上面まで達するキャパシタ用ホール75を形成する。キャパシタ用ホール75は、図2(A)に示した蓄積電極15と同一の平面形状を有し、ビアホールH4及びゲート電極6に部分的に重なる。ビアホールH4に重なる領域においては、キャパシタ用ホール75の底面に、ビアホールH4内に埋め込まれた導電性プラグの上面が露出する。
【0062】
層間絶縁膜72の上面及びキャパシタ用ホール75の内面を覆うように、不純物がドープされた厚さ50nmのアモルファスシリコン膜を堆積させる。このアモルファスシリコン膜を化学機械研磨することにより、キャパシタ用ホール75の内面上に、蓄積電極15を残す。蓄積電極15は、ビアホールH4内の導電性プラグを介してメモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域8に接続されるとともに、第1のサーチトランジスタQaのゲート電極6に直接接続される。
【0063】
蓄積電極15の表面の粗面化処理を行う。粗面化された蓄積電極15の表面上に、窒化シリコンからなる厚さ5nmのキャパシタ誘電体膜76を形成する。図6(G)では、キャパシタ誘電体膜76は1本の実線で示されている。
【0064】
基板全面上に、不純物がドープされた厚さ100nmのアモルファスシリコン膜を堆積させ、パターニングすることにより、プレート電極77を残す。プレート電極77は、図2(A)に示した蓄積電極15を覆うとともに、複数のCAMセル領域に跨って行方向に延在する。さらに、列方向に隣り合うプレート電極同士が、ビアホールH3及びH7と重ならない位置で、相互に連絡している。
【0065】
図6(H)に示すように、層間絶縁膜72の上に、酸化シリコンからなる厚さ500nmの層間絶縁膜80を形成する。層間絶縁間80は、高密度プラズマを用いたCVDにより酸化シリコン膜を堆積させた後、CMPを行うことにより形成される。
【0066】
メモリセルトランジスタTaの第1の不純物拡散領域7に対応する位置に、層間絶縁膜80及び72を貫通するビアホールH3を形成する。第2のサーチトランジスタPaの第2の不純物拡散領域12に対応する位置に、層間絶縁膜80から窒化シリコン膜67までの積層構造を貫通するビアホールH5を形成する。繰り返し単位/Uの第2のサーチトランジスタPbのゲート電極14に対応する位置に、層間絶縁膜80から酸化シリコン膜60までの積層構造を貫通するビアホールH6を形成する。
【0067】
ビアホールH3、H5、及びH6の内面及び層間絶縁膜80の上面上に、チタニウム(Ti)膜、チタニウムナイトライド(TiN)膜、及びタングステン(W)膜を堆積させ、CMPを行う。これにより、ビアホールH3、H5、及びH6内に埋め込まれた導電性プラグが形成される。
【0068】
図7に示すように、層間絶縁膜80の上に、ビットラインBL及び孤立導電膜23を含む第1層目の配線層を形成する。その上に、補助ワードラインWLA、グランドラインGND、及びマッチラインMLを含む第2層目の配線層を形成する。その上に、データバスラインDB及び反転データバスライン/DBを含む第3層目の配線層を形成する。
【0069】
各配線層の配線は、基板側から順番に厚さ10nmのTi膜、厚さ60nmのTiN膜、厚さ400nmのAlCu合金膜、厚さ5nmのTi膜、及び厚さ70nmのTiN膜が積層された5層構造を有する。また、配線層間の層間絶縁膜は、プラズマCVDにより堆積された酸化シリコンで形成され、その各々の厚さは750nmである。
【0070】
上記第1の実施例では、ビットラインBL、反転ビットライン/BL、データバスラインDB、反転データバスライン/DB、マッチラインML、及びグランドラインGNDが、キャパシタの配置された層よりも上の金属配線層に配置されている。図18に示した従来例のように、ビットラインBLやマッチラインMLがキャパシタの配置された層よりも下のシリコンの配線層で形成されている場合に比べて、配線の電気抵抗を小さくすることができる。また、集積度を高めることが可能になる。
【0071】
また、上記第1の実施例では、図2(A)に示したように、第1のサーチトランジスタQaの第1の不純物拡散領域9、ゲート電極6、第2の不純物拡散領域10、第2のサーチトランジスタPaの第1の不純物拡散領域11、ゲート電極5、及び第2の不純物拡散領域12が、この順番に行方向に沿って並んでいる。メモリセルトランジスタTaの第1の不純物拡散領域7、ゲート電極(ワードラインWL)、第2の不純物拡散領域8、及び第2のサーチトランジスタPaのゲート電極5が、この順番に列方向に沿って並んでいる。
【0072】
第1のサーチトランジスタQaは、メモリセルトランジスタTaと第2のサーチトランジスタPaとを結ぶ列方向の仮想直線の脇に配置されている。そのゲート電極は、列方向に関して、メモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域8と重なる位置まで延在している。
【0073】
第1のサーチトランジスタQaとメモリセルトランジスタTaとが、列方向に延在する1本の仮想直線上に配置された構成(比較例)にすると、蓄積電極15の形状を列方向に長くしなければならなくなる。これに対し、第1の実施例の配置にすることにより、蓄積電極15を行方向に長い形状にすることができる。このため、1つのCAMセルの列方向の長さを短くすることが可能になる。なお、第1の実施例及び比較例のいずれの場合にも、行方向に第1及び第2のサーチトランジスタが並ぶため、第1の実施例の構成にしても、行方向に関してCAMセルの長さは変わらない。このため、CAMセルの面積を小さくすることができる。
【0074】
また、第1の実施例では、図7に示すように、メモリセルトランジスタTaのゲート電極(ワードラインWL)の上に、BPSG膜68と同じエッチング特性を有する酸化シリコン膜(ゲート上部膜)60が配置されている。ワードラインWLとゲート上部膜60との側面を、窒化シリコンからなるサイドウォールスペーサが覆っている。このサイドウォールスペーサが、ビアホールH4の内面の一部を画定している。ゲート上部膜60の上には、窒化シリコン膜(ゲート保護膜)60、67が配置されている。
【0075】
BPSG膜68とはエッチング特性の異なるサイドウォールスペーサ及びゲート保護膜60、67が、図5(D)に示した工程でビアホールH4を形成する時にゲート電極(ワードラインWL)を保護する。また、図5(E)に示した工程で、窒化シリコン膜62及び67を異方性エッチングする時に、ゲート上部膜60がゲート電極(ワードラインWL)を保護する。
【0076】
このように、ビアホールH4がワードラインWLに対して自己整合的に形成される。このため、ワードラインWLとビアホールH4との間に位置あわせ余裕を確保しなくてもよい。これにより、集積度を高めることができる。
【0077】
次に、図8〜図10を参照して、第2の実施例によるCAMについて説明する。
図8(A)に、第1層目の金属配線層のパターンを示す。この配線層よりも下の層の構成は、図2(A)に示した第1の実施例によるCAMの構成と同様である。
【0078】
補助ワードラインWLA及びマッチラインMLが、CAMセル領域1内を行方向に通過する。補助ワードラインWLAは、図2(A)に示したワードラインWLと重なる位置に配置されている。マッチラインMLは、ワードラインWLと、活性領域2との間に配置されている。
【0079】
マッチラインMLから分岐した分岐部MLBが、ビアホールH2内を経由して第1のサーチトランジスタQaの第1の不純物拡散領域9に接続されている。同様に、ビアホールH9内を経由して、図2(A)に示した繰り返し単位/Uの第1のサーチトランジスタQbの第1の不純物拡散領域に接続されている。
【0080】
ビアホールH1から行方向にずれた位置に、上層配線と接続するためのビアホールH21が配置されている。孤立導電膜90が、ビアホールH1とH21とを接続する。ビアホールH5の位置に、孤立導電膜91、及び孤立導電膜91を上層配線に接続するためのビアホールH23が配置されている。ビアホールH3の位置に、孤立導電膜92、及び孤立導電膜92を上層配線に接続するためのビアホールH24が配置されている。
【0081】
繰り返し単位/U内に、線対称なパターンが形成されている。例えば、繰り返し単位U内のビアホールH21及びH24の対称の位置に、それぞれビアホールH22及びH25が配置されている。
【0082】
図8(B)に、第2層目の金属配線層のパターンを示す。列方向に延在するデータバスラインDB及び反転データバスライン/DBが、CAMセル領域1内を通過する。データバスラインDBは、ビアホールH21内、図8(A)に示した孤立導電膜90、及びビアホールH1内を経由して、図2(A)に示した第1のサーチトランジスタQaの第1の不純物拡散領域9に接続されている。反転データバスライン/DBは、同様に図2(A)に示した繰り返し単位/U内の第1のサーチトランジスタQbの第1の不純物拡散領域に接続されている。
【0083】
ビアホールH23の位置に、孤立導電膜95、及び孤立導電膜95を上層配線に接続するためのビアホールH31が配置されている。ビアホールH24の位置に、孤立導電膜96、及び孤立導電膜96を上層配線に接続するためのビアホールH32が配置されている。繰り返し単位/U内においても、ビアホールH25の位置に、孤立導電膜、及びビアホールH33が配置されている。
【0084】
図9(C)に、第3層目の金属配線層のパターンを示す。グランドラインGNDがCAMセル領域1内を行方向に通過する。グランドラインGNDは、ビアホールH31内、図8(B)に示した孤立導電膜95、ビアホールH23内、図8(A)に示した孤立導電膜91、及びビアホールH5内を経由して図2(A)に示した第2のサーチトランジスタPaの第2の不純物拡散領域12に接続されている。
【0085】
ビアホールH32の位置に、孤立導電膜100、及び孤立導電膜100を上層配線に接続するためのビアホールH41が配置されている。繰り返し単位/U内においても同様にビアホールH33の位置に、孤立導電膜とビアホールH42が配置されている。
【0086】
図9(D)に、第4層目の金属配線層のパターンを示す。ビットラインBL及び反転ビットライン/BLが、CAMセル領域1内を列方向に通過している。ビットラインBLは、ビアホールH41内、図9(C)に示した孤立導電膜100、ビアホールH32内、図8(B)に示した孤立導電膜96、ビアホールH24内、図8(A)に示した孤立導電膜92、及びビアホールH3内を経由して図2(A)に示したメモリセルトランジスタTaの第1の不純物拡散領域7に接続されている。反転ビットライン/BLも同様に、ビアホールH42内等を経由して図2(A)に示した繰り返し単位/U内のメモリセルトランジスタTbの第1の不純物拡散領域に接続されている。
【0087】
図10に、第2の実施例によるCAMの断面図を示す。図10の断面図は、図2(A)の一点鎖線A4−A4における断面図に相当する。層間絶縁膜80の上に、補助ワードラインWLA、マッチラインML、孤立導電膜91、92等を含む第1層目の金属配線層が形成されている。その上に、層間絶縁膜を介して、データバスラインDB、孤立導電膜95、96等を含む第2層目の金属配線層が配置されている。
【0088】
その上に、層間絶縁膜を介して、グランドラインGND、孤立導電膜100等を含む第3層目の金属配線層が配置されている。その上に、層間絶縁膜を介して、ビットラインBL、反転ビットライン/BLを含む第4層目の金属配線層が配置されている。
【0089】
上記第2の実施例では、ビットラインBL及び反転ビットライン/BLが、マッチラインML、データバスラインDB、反転データバスライン/DB、及びグランドラインGNDのいずれの配線よりも上の配線層に配置されている。図2(A)に示したように、第2のサーチトランジスタPa及びPbが配置された領域の近傍に、ビアホールH1、H5、H6等が密集している。第1の実施例のようにビットラインBLを第1層目の配線層に配置すると、図2(B)に示すように、ビットラインBLを、ビアホールH1、H5、及びH6の密集する領域を避けて配置しなければならない。このため、1つのCAMセル領域1内に、ビアホールH2、ビットラインBL、ビアホールH1、H6、及び反転ビットライン/BLの5つのパターンを、相互に重ねることなく行方向に配列させなければならない。これらのパターンの間には、位置合わせ余裕分の間隔を確保しなければならない。
【0090】
これに対し、第2の実施例の第1層目の配線層では、図8(A)に示したように、ビアホールH21をビアホールH1から行方向にずらせているが、ビアホールH21をビアホールH1の直上に配置してもよい。この場合には、ビアホールH2、H1、H6の3つのパターンを行方向に配列させればよい。
【0091】
また、第2層目の配線層では、図8(B)に示したように、データバスラインDB、ビアホールH24、H25、及び反転データバスライン/DBの4つのパターンを行方向に配列させればよい。第3及び第4層目の配線層においては、2つのパターンのみを行方向に配列させればよい。このように、第2の実施例の場合には、CAMセル領域1内に、行方向に配列させるべき最大のパターン数は4である。
【0092】
第2の実施例の配線構造を採用すると、第1の実施例の配線構造を採用した場合に比べて、配線層の数を1層分増やさなければならないが、CAMセル領域1の行方向の長さを短くすることが可能になる。特に、第1の実施例の図2(B)に示した第1層目の配線ピッチがCAMセル領域1の行方向の長さを決めている場合に、第2の実施例が有効である。また、周辺回路において4層の金属配線層が採用されている場合には、第2の実施例の配線構造を採用することによる配線層数の実質的な増加はない。
【0093】
次に、図11〜図13を参照して、第3の実施例によるCAMの製造方法について説明する。第3の実施例によるCAMの等価回路は、図1(A)に示した第1の実施例の等価回路と同一である。また、半導体基板表面上の各トランジスタ及びキャパシタの配置も、図2(A)に示した第1の実施例の配置と同様である。図11〜図13の各図は、図2(A)の一点鎖線A4−A4における断面図に相当する。
【0094】
図11(A)に示すように、シリコンからなる半導体基板50の表層部に、STIにより素子分離絶縁領域51を形成する。素子分離絶縁領域51により、メモリセルトランジスタ用の活性領域3a及びサーチトランジスタ用の活性領域2が画定される。必要なウェルを形成し、閾値電圧制御のためのイオン注入を行う。
【0095】
活性領域3aの表面上に、酸化シリコンからなる厚さ8nmのゲート絶縁膜105を形成するとともに、もう一方の活性領域2の表面上に酸化シリコンからなる厚さ4nmのゲート絶縁膜106を形成する。
【0096】
ゲート絶縁膜105及び106を覆うように、基板全面上に、ゲート電極となる厚さ180nmの多結晶シリコン膜108をCVDにより形成する。メモリセルトランジスタが配置される活性領域3a上の多結晶シリコン膜108にリン(P)を注入する。多結晶シリコン膜108の上に、厚さ170nmの酸化シリコン膜109をCVDにより形成する。
【0097】
図11(B)に示すように、酸化シリコン膜109を部分的にエッチングし、メモリセルトランジスタが配置される活性領域3aの上にのみ酸化シリコン膜109を残す。
【0098】
図11(C)に示すように、ゲート絶縁膜105、106、多結晶シリコン膜108、及び酸化シリコン膜109をパターニングし、メモリセルトランジスタTaのゲート電極(ワードラインWL)、第1のサーチトランジスタQaのゲート電極111、及び第2のサーチトランジスタPaのゲート電極110を残す。なお、図の右端の素子分離絶縁領域51の上に、繰り返し単位/Uの第2のサーチトランジスタPbのゲート電極112が示されている。ワードラインWLの上には、酸化シリコン膜109が残っている。
【0099】
基板表層部にイオン注入を行い、メモリセルトランジスタTaのソース及びドレインになる第1の不純物拡散領域115及び第2の不純物拡散領域116、及びサーチトランジスタPa、Qaのソース及びドレインのエクステンション部117を形成する。
【0100】
図12(D)に示すように、基板全面上に厚さ60nmの窒化シリコン膜を堆積させた後、活性領域3aに対応する領域をレジストパターンで覆って異方性エッチングする。活性領域3aの上に、窒化シリコン膜120が残り、サーチトランジスタQa、Pa、Pbのゲート電極111、110、112の側面上に窒化シリコンからなるサイドウォールスペーサ121が残る。
【0101】
基板表層部にイオン注入を行い、第2のサーチトランジスタPaのソース及びドレインになる第1の不純物拡散領域118及び第2の不純物拡散領域119を形成する。図12(D)には現れていないが、第1のサーチトランジスタQaのソース及びドレイン領域も同時に形成される。
【0102】
サーチトランジスタPa、Qaのソース及びドレイン領域上、ゲート電極上に、例えばコバルトシリサイドからなる金属シリサイド膜125を形成する。活性領域3aの上は窒化シリコン膜120で覆われているため、メモリセルトランジスタTaのソース及びドレイン領域の上、及びワードラインWLの上には金属シリサイド膜が形成されない。
【0103】
図12(E)に示すように、基板全面上に厚さ25nmの窒化シリコン膜128を堆積させる。窒化シリコン膜128の上に、BPSG膜の堆積、リフロー、及びCMPを行うことにより、厚さ700nmのBPSG膜129を形成する。
【0104】
図12(F)に示すように、メモリセルトランジスタTaの第1の不純物拡散領域115を露出させるビアホールH51、及び第2の不純物拡散領域116と第1のサーチトランジスタQaのゲート電極111の上面の一部を露出させるビアホールH52を形成する。ビアホールH51及びH52は、BPSG膜129を貫通する穴を形成した後、その穴の内面に露出した窒化シリコン膜128と120とを異方性エッチングすることにより形成される。
【0105】
図13(G)に示すように、ビアホールH51及びH52内に、不純物がドープされたアモルファスシリコンからなる導電性プラグを埋め込む。ビアホールH52内に埋め込まれた導電性プラグは、メモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域116及び第1のサーチトランジスタQaのゲート電極111の双方に電気的に接続される。第1のサーチトランジスタQaのゲート電極111の上面のうち、ビアホールH52内に埋め込まれた導電性プラグに接する領域に隣接した一部の領域上には、窒化シリコン膜120が残っている。
【0106】
BPSG膜129の上に、BPSG膜を堆積させてリフロー処理を行うことにより、厚さ1200nmの層間絶縁膜130を形成する。ビアホールH52の少なくとも一部と重なる位置に、層間絶縁膜130を貫通するキャパシタ用ホール131を形成する。キャパシタ用ホール131の底面に、ビアホールH52内に埋め込まれた導電性プラグの上面が露出する。キャパシタ用ホール131は、ワードラインWLやゲート電極111の上面までは達しない。
【0107】
図13(H)に示すように、キャパシタ用ホール131の配置された位置に、蓄積電極135、キャパシタ誘電体膜、及びプレート電極136からなるキャパシタを形成する。層間絶縁膜130の上に、酸化シリコンからなる厚さ500nmの層間絶縁膜138を形成する。
【0108】
ビアホールH51に対応する位置に、層間絶縁膜138及び130を貫通するビアホールH55を形成する。第2のサーチトランジスタPaの第2の不純物拡散領域119に対応する位置に、第2の不純物拡散領域119上の金属シリサイド膜125を露出させるビアホールH56を形成する。さらに、繰り返し単位/U内の第2のサーチトランジスタTbのゲート電極112の上面を露出させるビアホールH57を形成する。ビアホールH55、H56、及びH57内に導電性プラグを埋め込む。
【0109】
層間絶縁膜138よりも上の金属配線層の構成は、第1または第2の実施例の構成と同様である。
図14に、第3の実施例によるCAMセルの一部分の平面図を示す。蓄積電極135の一部が、ワードラインWLに重なっている。図13(H)に示したように、キャパシタ用ホール131がワードラインWLの上面まで達しない。このような構成にしたことにより、蓄積電極135をワードラインWLに重ねることが可能になる。蓄積電極135の占める領域を広くすることができるため、キャパシタの容量を大きくすることが可能になる。
【0110】
図14では、第1のサーチトランジスタQaのゲート電極111の外周の一部が、メモリセルトランジスタTaの第2の不純物拡散領域116の外周の一部と一致している場合を示した。ゲート電極111が第2の不純物拡散領域116と部分的に重なるような構成にしてもよい。
【0111】
第3の実施例の場合にも、第1の実施例の場合と同様に、ワードラインWLに対してビアホールH52を自己整合的に形成することができる。また、第3の実施例の場合には、サーチトランジスタPa及びQaのゲート電極110及び11の上面に金属シリサイド膜125を形成することができる。
【0112】
次に、図15及び図16を参照して、第4の実施例によるCAMの製造方法について説明する。
図15(A)に示すBPSG膜68よりも下の層の構造は、図5(F)に示した第1の実施例のBPSG膜68よりも下の層の構造と同じである。図15(A)の各構成部分には、図5(F)の対応する構成部分に付された参照符号と同一の参照符号が付されている。
【0113】
図15(B)に示すように、BPSG膜68の上に、厚さ200nmのBPSG膜140を形成する。BPSG膜140に、ビアホールH4内に埋め込まれた導電性プラグの上面まで達するビアホールH61を形成する。さらに、第1のサーチトランジスタQaのゲート電極6の上面まで達するビアホールH62を形成する。
【0114】
図16に示すように、ビアホールH61及びH62内に、不純物がドープされたアモルファスシリコンからなる導電性プラグを埋め込む。BPSG膜140の上に、厚さ1200nmのBPSG膜141を、CVD、リフロー、及びCMPを行うことにより形成する。
【0115】
ビアホールH61及びH62の双方に重なる位置に、BPSG膜141を貫通するキャパシタ用ホール145を形成する。キャパシタ用ホール145が形成された位置に、蓄積電極146、キャパシタ誘電体膜、及びプレート電極147からなるキャパシタを形成する。
【0116】
BPSG膜141の上に、酸化シリコンからなる厚さ500nmの層間絶縁膜150を形成する。図6(H)に示した第1の実施例のビアホールH3、H5及びH6に相当するビアホールを形成する。層間絶縁膜150よりも上の金属配線層の構成は、第1の実施例の場合と同様である。
【0117】
図17に、第4の実施例によるCAMセルの一部の平面図を示す。第3の実施例の場合と同様に、蓄積電極146の一部がワードラインWLと重なっている。これにより、キャパシタの容量を大きくすることができる。
【0118】
第3の実施例の場合には、図11(B)及び(C)に示したように、ゲート電極のパターニング時に、基板表面に段差が形成されている。これに対し、第4の実施例の場合には、ゲート電極のパターニング時に、基板表面が平坦である。このため、微細なゲートパターンを形成する場合に特に有効である。
【0119】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【0120】
上記実施例から、以下の付記に記載された発明が導出される。
(付記1) 半導体基板の表面上に、相互に交差する第1及び第2の方向に規則的に配置された複数のセルであって、該セルの各々が、メモリセルトランジスタ、第1のサーチトランジスタ、第2のサーチトランジスタ、及びキャパシタを含み、各トランジスタが、ゲート電極と、その両側に配置された第1及び第2の不純物拡散領域とを含み、該キャパシタが蓄積電極とプレート電極とを含み、該第1のサーチトランジスタと第2のサーチトランジスタとが相互に直列に接続されてサーチ回路を構成し、該メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域が該キャパシタの蓄積電極及び該第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された前記セルと、
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されている半導体装置。
【0121】
(付記2) 前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、金属で形成されている付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記第2のサーチトランジスタの第1の不純物拡散領域、ゲート電極、及び第2の不純物拡散領域が、この順番に第1の方向に沿って並び、前記メモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域、ゲート電極、及び第2の不純物拡散領域、前記第2のサーチトランジスタのゲート電極が、第2の方向に沿ってこの順番に並び、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極が、第2の方向に関して、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域と重なる位置まで延在している付記1または2に記載の半導体装置。
【0122】
(付記4) 前記ビットラインが、前記キャパシタが配置された層よりも1つ上の配線層に配置され、前記第1及び第2のサーチトランジスタが、前記第1の方向に延在する第1の活性領域内に配置され、該第1及び第2のサーチトランジスタのゲート電極の各々が該第1の活性領域と交差し、前記ビットラインが、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極と前記第1の活性領域との交差箇所と重なる位置で前期第1の活性領域と交差している付記3に記載の半導体装置。
【0123】
(付記5) 前記ビットラインが、前記マッチライン、データバスライン、及びグランドラインのいずれよりも上の配線層に配置されている付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置。
【0124】
(付記6) さらに、前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に重なり、該第1の導電性部材と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜を貫通して該第1の導電性部材の上面まで達し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜及び前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面まで達するキャパシタ用ホールとを含み、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材と前記第1のサーチトランジスタのゲート電極との双方に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含む付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
【0125】
(付記7) さらに、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の上、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上に配置され、前記第1の層間絶縁膜と同じエッチング特性を有するゲート上部膜と、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極とその上のゲート上部膜の側面を覆い、前記第1の層間絶縁膜とは異なるエッチング特性を有する絶縁材料で形成され、前記第1のビアホールの側面の一部を画定する第1のサイドウォールスペーサと、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極上の前記ゲート上部膜と前記第1の層間絶縁膜との間に配置され、前記第1のサイドウォールスペーサと同じ材料で形成されたゲート保護膜と
を有し、前記キャパシタ用ホールが、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極上のゲート上部膜を貫通し、ゲート電極まで達している付記6に記載の半導体装置。
【0126】
(付記8) さらに、前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に重なり、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と
を含み、前記キャパシタが、前記第1の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第1の導電性部材に接続されている付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
【0127】
(付記9) 前記ワードラインが、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を延在して構成され、
さらに、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第1の導電性部材及び前記ワードラインに重なり、該第1の導電性部材の上面まで達し、前記第1の層間絶縁膜は貫通しないキャパシタ用ホールと
を含み、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含む付記8に記載の半導体装置。
【0128】
(付記10) さらに、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の上面上に配置され、絶縁材料からなるゲート上部膜と、
前記ゲート上部膜の上面と、前記第1の層間絶縁膜との間に配置され、前記第1の層間絶縁膜とは異なるエッチング特性を有する絶縁材料で形成された第1の保護膜と、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極及びゲート上部膜の側面、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の側面を覆い、前記第1の保護膜と同一材料で形成され、前記第1のビアホールの側面を画定するサイドウォールスペーサと、
前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面のうち前記第1の導電性部材に接する領域に隣接した一部の領域を覆い、前記第1の保護膜と同一の材料で形成された第2の保護膜と
を有する付記8または9に記載の半導体装置。
【0129】
(付記11) さらに、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の上面上、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面上に配置され、絶縁材料で形成されたゲート上部膜と、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の側面とその上のゲート上部膜の側面、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極とその上のゲート上部膜の側面を覆い、前記ゲート上部膜とはエッチング特性の異なる絶縁材料で形成されたサイドウォールスペーサと、
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達し、側面の一部が前記サイドウォールスペーサで画定された第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を貫通し、前記第1の導電性部材の上面まで達する第2のビアホールと、
前記第2の層間絶縁膜、前記第1の層間絶縁膜、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極上のゲート上部膜を貫通し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第3のビアホールと、
前記第2のビアホール内に埋め込まれた第2の導電性部材と、
前記第3のビアホール内に埋め込まれた第3の導電性部材と
を含み、前記キャパシタが前記第2の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第2の導電性部材及び第3の導電性部材に接触する付記1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
【0130】
(付記12) 半導体基板の表面上に、相互に交差する第1及び第2の方向に規則的に配置された複数のセルであって、該セルの各々が、メモリセルトランジスタ、第1のサーチトランジスタ、第2のサーチトランジスタ、及びキャパシタを含み、各トランジスタが、ゲート電極と、その両側に配置された第1及び第2の不純物拡散領域とを含み、該キャパシタが蓄積電極とプレート電極とを含み、該第1のサーチトランジスタと第2のサーチトランジスタとが相互に直列に接続されてサーチ回路を構成し、該メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域が該キャパシタの蓄積電極及び該第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された前記セルと、
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に部分的に重なり、該第1の導電性部材と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜を貫通して該第1の導電性部材の上面まで達し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜及び前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面まで達するキャパシタ用ホールとを有し、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含む半導体装置。
【0131】
(付記13) 半導体基板の表面上に、相互に交差する第1及び第2の方向に規則的に配置された複数のセルであって、該セルの各々が、メモリセルトランジスタ、第1のサーチトランジスタ、第2のサーチトランジスタ、及びキャパシタを含み、各トランジスタが、ゲート電極と、その両側に配置された第1及び第2の不純物拡散領域とを含み、該キャパシタが蓄積電極とプレート電極とを含み、該第1のサーチトランジスタと第2のサーチトランジスタとが相互に直列に接続されてサーチ回路を構成し、該メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域が該キャパシタの蓄積電極及び該第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された前記セルと、
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に重なり、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と
を有し、前記キャパシタが、前記第1の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第1の導電性部材に接続されている半導体装置。
【0132】
(付記14) 前記ワードラインが、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を延在して構成され、
さらに、前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第1の導電性部材及び前記ワードラインに重なり、該第1の導電性部材の上面まで達し、前記第1の層間絶縁膜は貫通しないキャパシタ用ホールと
を含み、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含む付記13に記載の半導体装置。
【0133】
(付記15) 半導体基板の表面上に、相互に交差する第1及び第2の方向に規則的に配置された複数のセルであって、該セルの各々が、メモリセルトランジスタ、第1のサーチトランジスタ、第2のサーチトランジスタ、及びキャパシタを含み、各トランジスタが、ゲート電極と、その両側に配置された第1及び第2の不純物拡散領域とを含み、該キャパシタが蓄積電極とプレート電極とを含み、該第1のサーチトランジスタと第2のサーチトランジスタとが相互に直列に接続されてサーチ回路を構成し、該メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域が該キャパシタの蓄積電極及び該第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された前記セルと、
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の上面上、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面上に配置され、絶縁材料で形成されたゲート上部膜と、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の側面とその上のゲート上部膜の側面、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極とその上のゲート上部膜の側面を覆い、前記ゲート上部膜とはエッチング特性の異なる絶縁材料で形成されたサイドウォールスペーサと、
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達し、側面の一部が前記サイドウォールスペーサで画定された第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を貫通し、前記第1の導電性部材の上面まで達する第2のビアホールと、
前記第2の層間絶縁膜、前記第1の層間絶縁膜、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極上のゲート上部膜を貫通し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第3のビアホールと、
前記第2のビアホール内に埋め込まれた第2の導電性部材と、
前記第3のビアホール内に埋め込まれた第3の導電性部材と
を含み、前記キャパシタが前記第2の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第2の導電性部材及び第3の導電性部材に接触する半導体装置。
【0134】
(付記16) 前記ワードラインが、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を延在して構成され、
さらに、前記第2の層間絶縁膜の上に形成された第3の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第2の導電性部材、前記第3の導電性部材及び前記ワードラインに重なり、該第2及び第3の導電性部材の上面まで達し、前記第2の層間絶縁膜は貫通しないキャパシタ用ホールと
を含み、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含む付記15に記載の半導体装置。
【0135】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、メモリ素子にDRAMを用いたCAMの集積度を高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (A)は、本発明の実施例によるCAMの等価回路図であり、(B)は、論理値表であり、(C)は、実施例の変形例の等価回路図である。
【図2】 (A)は、第1の実施例によるCAMの金属配線層よりも下層のレイアウトを示す平面図であり、(B)は第1層目の金属配線層の平面図である。
【図3】 (A)は、第1の実施例によるCAMの第2層目の金属配線層の平面図であり、(B)は、第3層目の金属配線層の平面図である。
【図4】 第1の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その1)である。
【図5】 第1の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その2)である。
【図6】 第1の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その3)である。
【図7】 第1の実施例によるCAMの断面図である。
【図8】 (A)は、第1層目の金属配線層の平面図であり、(B)は、第2層目の金属配線層の平面図である。
【図9】 (C)は、第3層目の金属配線層の平面図であり、(D)は、第4層目の金属配線層の平面図である。
【図10】 第2の実施例によるCAMの断面図である。
【図11】 第3の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その1)である。
【図12】 第3の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その2)である。
【図13】 第3の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その3)である。
【図14】 第3の実施例によるCAMの金属配線層よりも下層の一部のレイアウトを示す平面図である。
【図15】 第4の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その1)である。
【図16】 第4の実施例によるCAMの製造方法を説明するための製造途中の基板の断面図(その2)である。
【図17】 第4の実施例によるCAMの金属配線層よりも下層の一部のレイアウトを示す平面図である。
【図18】 従来のCAMの一部の断面図である。
【符号の説明】
1 CAMセル領域
2、3a、3b 活性領域
5、6、14 ゲート電極
7、8、9、10、11、12 不純物拡散領域
15 蓄積電極
21、22、23、31 孤立導電膜
50 半導体基板
51 素子分離絶縁領域
55、56 ゲート絶縁膜
58 アモルファスシリコン膜
59 タングステンシリサイド膜
60 酸化シリコン膜
62、67 窒化シリコン膜
63 サイドウォールスペーサ
65 金属シリサイド膜
68 BPSG膜
70 レジスト膜
72、80 層間絶縁膜
75 キャパシタ用ホール
76 キャパシタ誘電体膜
77 プレート電極
90、91、92、95、96、100 孤立導電膜
105、106 ゲート絶縁膜
108 多結晶シリコン膜
109 酸化シリコン膜
110、111、112 ゲート電極
115、116、118、119 不純物拡散領域
117 エクステンション部
120 窒化シリコン膜
121 サイドウォールスペーサ
125 金属シリサイド膜
128 窒化シリコン膜
129 BPSG膜
130 層間絶縁膜
131 キャパシタ用ホール
135 蓄積電極
136 プレート電極
138 層間絶縁膜
140、141 BPSG膜
145 キャパシタ用ホール
146 蓄積電極
147 プレート電極
150 層間絶縁膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a content addressable memory (CAM) that employs a DRAM as a storage unit.
[0002]
[Prior art]
FIG. 18 is a partial cross-sectional view of the semiconductor associative memory device disclosed in
An element
[0003]
Source and
[0004]
A
[0005]
On the
[0006]
An interlayer
[0007]
A
[0008]
Between the
[0009]
[Patent Document 1]
JP 2001-338990 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In order to reduce the manufacturing cost of CAM, it is desired to reduce the cell size. Furthermore, it is desired to increase the capacitor capacity in order to improve the refresh characteristics of the memory element.
[0011]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing a cell size and increasing a capacitor capacity.
[0012]
According to one aspect of the invention,
A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells comprising a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
Have
The bit line, the data bus line, the match line, and the ground line are arranged in a wiring layer above the layer in which the capacitor is arranged.And
The first impurity diffusion region, the gate electrode, and the second impurity diffusion region of the second search transistor are arranged in this order along the first direction, and the first impurity diffusion region of the memory cell transistor, The gate electrode, the second impurity diffusion region, and the gate electrode of the second search transistor are arranged in this order along the second direction, and the gate electrode of the first search transistor is related to the second direction. , Extending to a position overlapping with the second impurity diffusion region of the memory cell transistorA semiconductor device is provided.
[0013]
By arranging the bit line, the data bus line, the match line, and the ground line in the wiring layer above the layer in which the capacitor is arranged, it is possible to improve the degree of integration. In addition, the electrical resistance can be reduced by forming these with metal wiring.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1A shows an equivalent circuit diagram of a CAM using a DRAM as a memory element. Repeat units U and / U constitute one CAM cell (basic unit). A plurality of CAM cells are arranged in a matrix on the semiconductor substrate.
[0015]
The configuration of the repeating unit U will be described. The repeating unit U includes a memory cell transistor Ta, a first search transistor Qa, a second search transistor Pa, and a capacitor Ca. Each transistor includes a gate electrode and first and second current terminals.
[0016]
The second current terminal of the memory cell transistor Ta is connected to the storage electrode of the capacitor Ca and the gate electrode of the first search transistor Qa. The other electrode (plate electrode) of the capacitor Ca is grounded. Memory cell transistor Ta and capacitor Ca constitute one memory cell MCa. The second current terminal of the first search transistor Qa and the first current terminal of the second search transistor Pa are connected to each other to constitute a search circuit.
[0017]
The word line WL and the bit line BL are arranged so as to cross each other. One repeating unit U is arranged at the intersection of the word line WL and the bit line BL. The word line WL is connected to the gate electrode of the memory cell transistor Ta of the corresponding repeating unit U. The bit line BL is connected to the first current terminal of the memory cell transistor Ta of the corresponding repeating unit U.
[0018]
The data bus line DB and the match line ML are arranged so as to cross each other. One repeating unit U is arranged at the intersection of the data bus line DB and the match line ML. The data bus line DB is connected to the gate electrode of the second search transistor Pa of the corresponding repeating unit U. The match line ML is connected to the second current terminal of the corresponding second search transistor Pa.
[0019]
The ground line GND applies a ground voltage to the first current terminal of the first search transistor Qa of each repeating unit U.
The repeating unit / U has a symmetric configuration with the repeating unit U and includes a memory cell transistor Tb, a first search transistor Qb, a second search transistor Pb, and a capacitor Cb. Memory cell transistor Tb and capacitor Cb constitute one memory cell MCb. The gate electrode of the memory cell transistor Tb is connected to the corresponding word line WL. The second current terminal of the second search transistor Pb is connected to the corresponding match line ML. The gate electrode of the second search transistor Pb is connected to the inverted data bus line / DB paired with the data bus line DB. The gate electrode of the memory cell transistor Tb is connected to the inverted bit line / BL paired with the bit line BL.
[0020]
Complementary information is supplied to the bit line BL of the memory cell MCa and the inverted bit line / BL of the memory cell MCb. The memory cell transistors Ta and Tb are controlled to be turned on / off by a signal applied to the same word line WL. Complementary information is written into the capacitors Ca and Cb via the memory cell transistors Ta and Tb, respectively. As will be described later, in order to realize the don't care state, the same information (L state described later) may be supplied to the bit line BL and the inverted bit line / BL instead of being complementary.
[0021]
A series circuit of search transistors Pa and Qa and a series circuit of search transistors Pb and Qb constitute search circuits LCa and LCb, respectively.
The potentials of the storage electrodes of the capacitors Ca and Cb are applied to the gate electrodes of the search transistors Qa and Qb, respectively. Therefore, the on / off states of the search transistors Qa and Qb are controlled by the potentials of the storage electrodes of the capacitors Ca and Cb.
[0022]
The data bus line DB and the inverted data bus line / DB carry search data to be compared with data stored in the CAM cell.
As shown in FIG. 1C, the arrangement of the first search transistor P (Pa, Pb) and the second search transistor Q (Qa, Qb) may be exchanged.
[0023]
In the search and comparison operation, the match line ML is precharged to logic “high (H)”, and the input signal and its complementary signal are applied to the data bus line DB and the inverted data bus line / DB, respectively. One of the second search transistors Pa and Pb is turned on, and the other is turned off. If the first search transistor Qa or Qb connected in series to the turned on second search transistor Pa or Pb is on, the charge of the precharged match line ML is discharged to the ground line GND, and the match line The ML potential changes. This indicates that a match or fit between the search data and the stored data has occurred.
[0024]
Even if the second search transistor Pa or Pb is turned on, if the first search transistor Qa or Qb connected in series to the second search transistor Pa or Pb is turned off, the charge of the match line ML is not discharged and its potential is precharged. It is kept in the state. This indicates a mismatch or miss. That is, the potential change of the match line ML is controlled by the search circuit LCa or LCb connected to the memory cell (capacitor Ca or Cb) in the H state.
[0025]
The bit line BL and the inverted bit line / BL are connected to the bit line driving circuit BLD, and the word line WL is connected to the word line driving circuit WLD. The data bus line DB and the inverted data bus line / DB are connected to the data bus line driving circuit DBD, and the match line ML is connected to the match line driving circuit MLD. The match line drive circuit MLD has a sense amplifier for each match line ML. This sense amplifier detects a potential change of the match line ML. The data bus line driving circuit DBD may be a terminal itself to which an external signal is input, or may be a buffer circuit that temporarily stores the external signal.
[0026]
FIG. 1B shows a logical value table of the CAM cell shown in FIG. The column of DRAM indicates storage information of the memory cell MCa, more specifically, a charge state of the capacitor Ca. When the storage electrode of the capacitor Ca (the electrode connected to the gate electrode of the first search transistor Qa) is charged to a high potential, it is in a high (H) state, and is charged to a low potential. Corresponds to the low (L) state.
[0027]
Capacitor Cb stores information complementary to the information stored in capacitor Ca. When the memory cell MCa is in the H state, the first search transistor Qa is turned on, and the other first search transistor Qb is turned off. Therefore, only when the second search transistor Pa connected in series to the first search transistor Qa in the on state is on, that is, when the data bus line DB is in the H state, the charge of the match line ML is discharged and the potential is lowered. . As a result, the match line ML is in the L state.
[0028]
When the memory cell MCa is in the L state, the first search transistor Qb is turned on. Therefore, only when the second search transistor Pb connected in series to the first search transistor Qb in the on state is on, that is, when the inverted data bus line / DB is in the H state, the charge of the match line ML is discharged and the potential is reduced. descend. As a result, the match line ML is in the L state. Except for the above case, the match line ML is kept in the H state.
[0029]
When the two sets of memory cells MCa and MCb are both in the L state, the match line ML is maintained in the H state regardless of the state of the data bus line DB. That is, the state of the data bus line DB is “don't care”. In this way, ternary logic including the don't care state can be realized.
[0030]
FIGS. 2 and 3 are plan views of each layer of one CAM cell of the CAM according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2A, rectangular
[0031]
An
[0032]
The
[0033]
Of the source and drain regions of the first search transistor Qa, a region far from the
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
A
[0037]
Via hole H in repeating unit U within repeating unit / U1~ HFourVia hole H corresponding to6~ H9Is arranged. Beer Hall HFiveAre arranged on the boundary line between the repeating units U and / U, and are shared by both. The
[0038]
FIG. 2B shows a pattern of the first metal wiring layer above the layer where the capacitor including the
[0039]
The inversion bit line / BL has a shape symmetrical with the bit line BL, and the via hole H8And is connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor Tb.
[0040]
Beer Hall H1, H2And HFiveIsolated
[0041]
FIG. 3C shows a wiring pattern of the second layer. The auxiliary word line WLA, the ground line GND, and the match line ML extending in the column direction pass through the
[0042]
Ground line GND is via hole H12Among them, the isolated
[0043]
FIG. 3D shows a third-layer wiring pattern. A data bus line DB and an inverted data bus line / DB extending in the column direction pass through the
[0044]
The inverted data bus line / DB is connected to the gate electrode of the second search transistor Tb in the repeating unit / U shown in FIG. 2A by the same connection structure as the data bus line DB.
[0045]
Next, a method for manufacturing a CAM according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Each of FIGS. 4 to 7 corresponds to a cross-sectional view taken along one-dot chain line A4-A4 in FIG.
[0046]
As shown in FIG. 4A, an element
[0047]
A
[0048]
Hereinafter, a method of forming two types of thickness of the gate insulating film will be briefly described. First, a silicon oxide film slightly thinner than the thick
[0049]
The resist pattern is removed, and the entire surface is thermally oxidized with dry oxygen to form a thin
[0050]
An
[0051]
A
[0052]
As shown in FIG. 4B, the four layers from the
[0053]
Ion implantation for forming the source and drain regions of the memory cell transistor and ion implantation for forming extension portions of the source and drain of the search transistor are performed.
[0054]
A
[0055]
Ion implantation is performed to form source and drain regions (
[0056]
As shown in FIG. 4C, a
[0057]
As shown in FIG. 5D, a resist
[0058]
As shown in FIG. 5E, the
[0059]
As shown in FIG. 5 (F), the via hole HThreeAnd HFourA conductive plug made of amorphous silicon doped with impurities is embedded therein. This conductive plug can be formed by depositing an amorphous silicon film having a thickness of 200 nm and CMP.
[0060]
On the
[0061]
As shown in FIG. 6G, the capacitor reaches the upper surface of the
[0062]
An amorphous silicon film having a thickness of 50 nm doped with impurities is deposited so as to cover the upper surface of the
[0063]
The surface of the
[0064]
An amorphous silicon film with a thickness of 100 nm doped with impurities is deposited on the entire surface of the substrate and patterned to leave the
[0065]
As shown in FIG. 6H, an
[0066]
A via hole H that penetrates the interlayer insulating
[0067]
Beer Hall HThree, HFiveAnd H6A titanium (Ti) film, a titanium nitride (TiN) film, and a tungsten (W) film are deposited on the inner surface and the upper surface of the
[0068]
As shown in FIG. 7, a first wiring layer including the bit line BL and the isolated
[0069]
The wiring of each wiring layer is a laminate of a 10 nm thick Ti film, a 60 nm thick TiN film, a 400 nm thick AlCu alloy film, a 5 nm thick Ti film, and a 70 nm thick TiN film in order from the substrate side. Having a five-layer structure. The interlayer insulating film between the wiring layers is formed of silicon oxide deposited by plasma CVD, and the thickness of each is 750 nm.
[0070]
In the first embodiment, the bit line BL, the inverted bit line / BL, the data bus line DB, the inverted data bus line / DB, the match line ML, and the ground line GND are above the layer where the capacitor is disposed. Arranged in the metal wiring layer. Compared to the case where the bit line BL and the match line ML are formed of a silicon wiring layer below the layer in which the capacitor is disposed as in the conventional example shown in FIG. be able to. In addition, the degree of integration can be increased.
[0071]
In the first embodiment, as shown in FIG. 2A, the first impurity diffusion region 9, the
[0072]
The first search transistor Qa is arranged on the side of a virtual straight line in the column direction connecting the memory cell transistor Ta and the second search transistor Pa. The gate electrode extends to a position overlapping the second impurity diffusion region 8 of the memory cell transistor Ta in the column direction.
[0073]
If the first search transistor Qa and the memory cell transistor Ta are arranged on one virtual straight line extending in the column direction (comparative example), the shape of the
[0074]
In the first embodiment, as shown in FIG. 7, a silicon oxide film (gate upper film) 60 having the same etching characteristics as the
[0075]
Sidewall spacers and gate
[0076]
In this way, via hole HFourAre formed in a self-aligned manner with respect to the word line WL. Therefore, word line WL and via hole HFourIt is not necessary to secure a positioning margin between the two. Thereby, the integration degree can be increased.
[0077]
Next, a CAM according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 8A shows a pattern of the first metal wiring layer. The configuration of the layers below this wiring layer is the same as the configuration of the CAM according to the first embodiment shown in FIG.
[0078]
The auxiliary word line WLA and the match line ML pass through the
[0079]
A branch portion MLB branched from the match line ML is a via hole H.2And is connected to the first impurity diffusion region 9 of the first search transistor Qa. Similarly, via hole H9And is connected to the first impurity diffusion region of the first search transistor Qb of the repeating unit / U shown in FIG.
[0080]
Beer Hall H1Via hole H for connection to upper layer wiring at a position shifted in the row direction fromtwenty oneIs arranged. The isolated
[0081]
A line-symmetric pattern is formed in the repeating unit / U. For example, the via hole H in the repeating unit Utwenty oneAnd Htwenty fourOf the via holes Htwenty twoAnd Htwenty fiveIs arranged.
[0082]
FIG. 8B shows a pattern of the second metal wiring layer. A data bus line DB and an inverted data bus line / DB extending in the column direction pass through the
[0083]
Beer Hall Htwenty threeAnd the via hole H for connecting the isolated
[0084]
FIG. 9C shows a pattern of the third metal wiring layer. The ground line GND passes through the
[0085]
Beer Hall H32And the via hole H for connecting the isolated
[0086]
FIG. 9D shows a pattern of the fourth metal wiring layer. The bit line BL and the inverted bit line / BL pass through the
[0087]
FIG. 10 is a sectional view of a CAM according to the second embodiment. The cross-sectional view in FIG. 10 corresponds to the cross-sectional view along dashed-dotted line A4-A4 in FIG. A first metal wiring layer including auxiliary word lines WLA, match lines ML, isolated
[0088]
A third metal wiring layer including the ground line GND, the isolated
[0089]
In the second embodiment, the bit line BL and the inverted bit line / BL are arranged on the wiring layer above any wiring of the match line ML, the data bus line DB, the inverted data bus line / DB, and the ground line GND. Has been placed. As shown in FIG. 2A, a via hole H is formed in the vicinity of the region where the second search transistors Pa and Pb are arranged.1, HFive, H6Etc. are dense. When the bit line BL is arranged in the first wiring layer as in the first embodiment, the bit line BL is connected to the via hole H as shown in FIG.1, HFiveAnd H6Must be placed avoiding crowded areas. Therefore, a via hole H is formed in one CAM cell region 1.2, Bit line BL, via hole H1, H6, And the inverted bit line / BL must be arranged in the row direction without overlapping each other. Between these patterns, it is necessary to secure an interval for an alignment margin.
[0090]
On the other hand, in the first wiring layer of the second embodiment, as shown in FIG.twenty oneBeer hole H1Is shifted in the row direction from via hole Htwenty oneBeer hole H1It may be arranged immediately above. In this case, via hole H2, H1, H6These three patterns may be arranged in the row direction.
[0091]
Further, in the second wiring layer, as shown in FIG. 8B, the data bus line DB, the via hole Htwenty four, Htwenty fiveAnd the inverted data bus line / DB may be arranged in the row direction. In the third and fourth wiring layers, only two patterns need be arranged in the row direction. Thus, in the case of the second embodiment, the maximum number of patterns to be arranged in the row direction in the
[0092]
When the wiring structure of the second embodiment is adopted, the number of wiring layers must be increased by one as compared with the case where the wiring structure of the first embodiment is adopted. It becomes possible to shorten the length. In particular, the second embodiment is effective when the wiring pitch of the first layer shown in FIG. 2B of the first embodiment determines the length of the
[0093]
Next, with reference to FIGS. 11-13, the manufacturing method of CAM by 3rd Example is demonstrated. The equivalent circuit of the CAM according to the third embodiment is the same as the equivalent circuit of the first embodiment shown in FIG. The arrangement of the transistors and capacitors on the surface of the semiconductor substrate is the same as that of the first embodiment shown in FIG. Each of FIGS. 11 to 13 corresponds to a cross-sectional view taken along one-dot chain line A4-A4 in FIG.
[0094]
As shown in FIG. 11A, an element
[0095]
A
[0096]
A
[0097]
As shown in FIG. 11B, the
[0098]
As shown in FIG. 11C, the
[0099]
Ions are implanted into the surface layer of the substrate, and the first
[0100]
As shown in FIG. 12D, after a silicon nitride film having a thickness of 60 nm is deposited on the entire surface of the substrate, the region corresponding to the
[0101]
Ions are implanted into the surface layer portion of the substrate to form a first
[0102]
A
[0103]
As shown in FIG. 12E, a
[0104]
As shown in FIG. 12F, a via hole H that exposes the first
[0105]
As shown in FIG. 13G, the via hole H51And H52A conductive plug made of amorphous silicon doped with impurities is embedded therein. Beer Hall H52The conductive plug embedded therein is electrically connected to both the second
[0106]
By depositing a BPSG film on the
[0107]
As shown in FIG. 13H, a capacitor including the
[0108]
Beer Hall H51Via hole H penetrating
[0109]
Above the interlayer insulation film 138ofThe configuration of the metal wiring layer is the same as that of the first or second embodiment.
FIG. 14 shows a plan view of a part of a CAM cell according to the third embodiment. A part of the
[0110]
FIG. 14 shows a case where a part of the outer periphery of the
[0111]
Also in the case of the third embodiment, as in the case of the first embodiment, a via hole H is formed with respect to the word line WL.52Can be formed in a self-aligning manner. In the case of the third embodiment, the
[0112]
Next, with reference to FIG.15 and FIG.16, the manufacturing method of CAM by the 4th Example is demonstrated.
The structure of the layer below the
[0113]
As shown in FIG. 15B, a
[0114]
As shown in FIG.61And H62A conductive plug made of amorphous silicon doped with impurities is embedded therein. A
[0115]
Beer Hall H61And H62A
[0116]
On the
[0117]
FIG. 17 is a plan view of a part of the CAM cell according to the fourth embodiment. As in the case of the third embodiment, a part of the
[0118]
In the case of the third embodiment, as shown in FIGS. 11B and 11C, a step is formed on the substrate surface during patterning of the gate electrode. On the other hand, in the case of the fourth embodiment, the substrate surface is flat when the gate electrode is patterned. Therefore, it is particularly effective when forming a fine gate pattern.
[0119]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
[0120]
The invention described in the following supplementary notes is derived from the above embodiments.
(Supplementary note 1) A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of which is a memory cell transistor, a first search A transistor, a second search transistor, and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode The first search transistor and the second search transistor are connected in series with each other to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to the gate electrode of the search transistor;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
Have
A semiconductor device in which the bit line, data bus line, match line, and ground line are arranged in a wiring layer above the layer in which the capacitor is arranged.
[0121]
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to
(Supplementary Note 3) The first impurity diffusion region, the gate electrode, and the second impurity diffusion region of the second search transistor are arranged along the first direction in this order, and the first impurity diffusion region of the memory cell transistor The impurity diffusion region, the gate electrode, the second impurity diffusion region, and the gate electrode of the second search transistor are arranged in this order along the second direction, and the gate electrode of the first search transistor is 3. The semiconductor device according to
[0122]
(Supplementary Note 4) The bit line is disposed in a wiring layer that is one layer higher than the layer in which the capacitor is disposed, and the first and second search transistors extend in the first direction. Each of the gate electrodes of the first and second search transistors intersects the first active region, and the bit line is connected to the gate electrode of the first search transistor and the first electrode. 4. The semiconductor device according to
[0123]
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to any one of
[0124]
(Supplementary Note 6) Further, the first and second search transistors, a first interlayer insulating film covering the gate electrode of the memory cell transistor,
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching a second impurity diffusion region of the memory cell transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
In a region overlapping with the first conductive member and the gate electrode of the first search transistor when viewed in a line of sight parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate, In the region that penetrates through the second interlayer insulating film to the upper surface of the first conductive member and overlaps the gate electrode of the first search transistor, the second interlayer insulating film and the first interlayer insulating film A capacitor hole penetrating through the interlayer insulating film and reaching the upper surface of the gate electrode of the first search transistor,
The capacitor is
A storage electrode that covers an inner surface of the capacitor hole and is connected to both the first conductive member and a gate electrode of the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
A plate electrode constituting the capacitor together with the storage electrode via the capacitor dielectric film;
The semiconductor device according to any one of
[0125]
(Appendix 7) Furthermore,
A gate upper film disposed on the gate electrode of the memory cell transistor and on the gate electrode of the first search transistor and having the same etching characteristics as the first interlayer insulating film;
The gate electrode of the memory cell transistor and the side surface of the gate upper film on the gate electrode are formed of an insulating material having etching characteristics different from that of the first interlayer insulating film, and a part of the side surface of the first via hole is formed. A first sidewall spacer defining;
A gate protective film disposed between the gate upper film on the gate electrode of the memory cell transistor and the first interlayer insulating film, and formed of the same material as the first sidewall spacer;
7. The semiconductor device according to
[0126]
(Supplementary Note 8) Further, the first and second search transistors, a first interlayer insulating film covering a gate electrode of the memory cell transistor,
The second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor when viewed through a line parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate through the first interlayer insulating film A first via hole overlapping and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole;
The semiconductor device according to any one of
[0127]
(Supplementary Note 9) The word line is configured to extend the gate electrode of the memory cell transistor,
further,
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
When viewed in a line of sight parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate, the first interlayer insulating film overlaps the first conductive member and the word line and reaches the upper surface of the first conductive member. Is a capacitor hole that does not penetrate
Including
The capacitor is
A storage electrode that covers an inner surface of the capacitor hole and is connected to a gate electrode of the first conductive member and the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
A plate electrode constituting the capacitor together with the storage electrode via the capacitor dielectric film;
The semiconductor device according to appendix 8, which includes:
[0128]
(Appendix 10) Furthermore,
A gate upper film made of an insulating material, disposed on the upper surface of the gate electrode of the memory cell transistor;
A first protective film formed between an upper surface of the gate upper film and the first interlayer insulating film and formed of an insulating material having an etching characteristic different from that of the first interlayer insulating film;
The side surface of the gate electrode and the gate upper film of the memory cell transistor and the side surface of the gate electrode of the first search transistor are covered with the same material as the first protective film, and the side surface of the first via hole is formed. Defining sidewall spacers;
A second region formed of the same material as the first protective film, covering a part of the upper surface of the gate electrode of the first search transistor adjacent to the region in contact with the first conductive member. With protective film
The semiconductor device according to appendix 8 or 9, wherein
[0129]
(Appendix 11) Furthermore,
A gate upper film formed of an insulating material and disposed on an upper surface of the gate electrode of the memory cell transistor and an upper surface of the gate electrode of the first search transistor;
The side surface of the gate electrode of the memory cell transistor and the side surface of the gate upper film thereon, and the side surface of the gate electrode of the first search transistor and the gate upper film thereon are covered. Sidewall spacers formed of different insulating materials;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor, a part of a side surface of which is defined by the sidewall spacer;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
A second via hole penetrating the second interlayer insulating film and reaching the upper surface of the first conductive member;
A third via hole that penetrates the second interlayer insulating film, the first interlayer insulating film, and the gate upper film on the gate electrode of the first search transistor and reaches the gate electrode of the first search transistor When,
A second conductive member embedded in the second via hole;
A third conductive member embedded in the third via hole;
The capacitor is disposed on the second interlayer insulating film, and the storage electrode of the capacitor is in contact with the second conductive member and the third conductive member. The semiconductor device described.
[0130]
(Supplementary note 12) A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of which is a memory cell transistor, a first search A transistor, a second search transistor, and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode The first search transistor and the second search transistor are connected in series with each other to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to the gate electrode of the search transistor;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching a second impurity diffusion region of the memory cell transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
A region that partially overlaps the first conductive member and the gate electrode of the first search transistor and overlaps the first conductive member when viewed in a line of sight parallel to the normal line of the surface of the semiconductor substrate In the region which penetrates through the second interlayer insulating film and reaches the upper surface of the first conductive member and overlaps the gate electrode of the first search transistor, the second interlayer insulating film and the A capacitor hole passing through the first interlayer insulating film and reaching the upper surface of the gate electrode of the first search transistor,
The capacitor is
A storage electrode that covers an inner surface of the capacitor hole and is connected to a gate electrode of the first conductive member and the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
A plate electrode constituting the capacitor together with the storage electrode via the capacitor dielectric film;
A semiconductor device including:
[0131]
(Supplementary note 13) A plurality of cells regularly arranged in the first and second directions intersecting each other on the surface of the semiconductor substrate, each of which is a memory cell transistor, a first search A transistor, a second search transistor, and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode The first search transistor and the second search transistor are connected in series with each other to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to the gate electrode of the search transistor;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
The second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor when viewed through a line parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate through the first interlayer insulating film A first via hole overlapping and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole;
And the capacitor is disposed on the first interlayer insulating film, and the storage electrode of the capacitor is connected to the first conductive member.
[0132]
(Additional remark 14) The said word line is comprised extending the gate electrode of the said memory cell transistor,
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
When viewed in a line of sight parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate, the first interlayer insulating film overlaps the first conductive member and the word line and reaches the upper surface of the first conductive member. Is a capacitor hole that does not penetrate
Including
The capacitor is
A storage electrode that covers an inner surface of the capacitor hole and is connected to a gate electrode of the first conductive member and the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
A plate electrode constituting the capacitor together with the storage electrode via the capacitor dielectric film;
14. The semiconductor device according to appendix 13, including
[0133]
(Supplementary Note 15) A plurality of cells regularly arranged in a first direction and a second direction intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells being a memory cell transistor, a first search A transistor, a second search transistor, and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode The first search transistor and the second search transistor are connected in series with each other to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to the gate electrode of the search transistor;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
A gate upper film formed of an insulating material and disposed on an upper surface of the gate electrode of the memory cell transistor and an upper surface of the gate electrode of the first search transistor;
The side surface of the gate electrode of the memory cell transistor and the side surface of the gate upper film thereon, and the side surface of the gate electrode of the first search transistor and the gate upper film thereon are covered. Sidewall spacers formed of different insulating materials;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor, a part of a side surface of which is defined by the sidewall spacer;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
A second via hole penetrating the second interlayer insulating film and reaching the upper surface of the first conductive member;
A third via hole that penetrates the second interlayer insulating film, the first interlayer insulating film, and the gate upper film on the gate electrode of the first search transistor and reaches the gate electrode of the first search transistor When,
A second conductive member embedded in the second via hole;
A third conductive member embedded in the third via hole;
And the capacitor is disposed on the second interlayer insulating film, and the storage electrode of the capacitor is in contact with the second conductive member and the third conductive member.
[0134]
(Supplementary Note 16) The word line is configured to extend the gate electrode of the memory cell transistor,
A third interlayer insulating film formed on the second interlayer insulating film;
When viewed in a line of sight parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate, the second conductive member, the third conductive member, and the word line overlap with each other, and the second and third conductive members A capacitor hole that reaches the top surface and does not penetrate the second interlayer insulating film;
Including
The capacitor is
A storage electrode that covers an inner surface of the capacitor hole and is connected to a gate electrode of the first conductive member and the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
A plate electrode constituting the capacitor together with the storage electrode via the capacitor dielectric film;
15. The semiconductor device according to
[0135]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to increase the degree of integration of a CAM using a DRAM as a memory element.
[Brief description of the drawings]
1A is an equivalent circuit diagram of a CAM according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a logical value table, and FIG. 1C is an equivalent circuit diagram of a modification of the embodiment. .
2A is a plan view showing a layout below a metal wiring layer of a CAM according to the first embodiment, and FIG. 2B is a plan view of a first metal wiring layer.
3A is a plan view of a second metal wiring layer of the CAM according to the first embodiment, and FIG. 3B is a plan view of a third metal wiring layer.
FIG. 4 is a sectional view (No. 1) of a substrate in the middle of manufacturing for explaining the CAM manufacturing method according to the first embodiment;
FIG. 5 is a sectional view (No. 2) of the substrate in the middle of manufacturing, for explaining the method of manufacturing the CAM according to the first embodiment.
FIG. 6 is a sectional view (No. 3) of the substrate in the middle of manufacturing, for explaining the method of manufacturing the CAM according to the first embodiment.
FIG. 7 is a sectional view of a CAM according to the first embodiment.
8A is a plan view of a first metal wiring layer, and FIG. 8B is a plan view of a second metal wiring layer.
FIG. 9C is a plan view of the third metal wiring layer, and FIG. 9D is a plan view of the fourth metal wiring layer.
FIG. 10 is a sectional view of a CAM according to a second embodiment.
FIG. 11 is a sectional view (No. 1) of a substrate in the middle of manufacturing for explaining the method of manufacturing the CAM according to the third embodiment.
FIG. 12 is a sectional view (No. 2) of the substrate in the middle of manufacturing for explaining the method of manufacturing the CAM according to the third embodiment.
FIG. 13 is a sectional view (No. 3) of the substrate in the middle of manufacturing for explaining the method for manufacturing the CAM according to the third embodiment.
FIG. 14 is a plan view showing a part of the layout below the metal wiring layer of the CAM according to the third embodiment;
FIG. 15 is a sectional view (No. 1) of a substrate in the middle of manufacturing, for explaining the manufacturing method of the CAM according to the fourth embodiment;
FIG. 16 is a sectional view (No. 2) of the substrate in the middle of manufacturing for explaining the manufacturing method of the CAM according to the fourth embodiment;
FIG. 17 is a plan view showing a part of the layout below the metal wiring layer of the CAM according to the fourth embodiment;
FIG. 18 is a partial cross-sectional view of a conventional CAM.
[Explanation of symbols]
1 CAM cell area
2, 3a, 3b active region
5, 6, 14 Gate electrode
7, 8, 9, 10, 11, 12 Impurity diffusion region
15 Storage electrode
21, 22, 23, 31 Isolated conductive film
50 Semiconductor substrate
51 Element isolation insulating region
55, 56 Gate insulation film
58 Amorphous silicon film
59 Tungsten silicide film
60 Silicon oxide film
62, 67 Silicon nitride film
63 Sidewall spacer
65 Metal silicide film
68 BPSG membrane
70 resist film
72, 80 Interlayer insulation film
75 Capacitor hole
76 Capacitor dielectric film
77 Plate electrode
90, 91, 92, 95, 96, 100 Isolated conductive film
105, 106 Gate insulating film
108 Polycrystalline silicon film
109 Silicon oxide film
110, 111, 112 Gate electrode
115, 116, 118, 119 Impurity diffusion region
117 Extension part
120 Silicon nitride film
121 Side wall spacer
125 Metal silicide film
128 Silicon nitride film
129 BPSG membrane
130 Interlayer insulation film
131 Capacitor hole
135 Storage electrode
136 Plate electrode
138 Interlayer insulation film
140, 141 BPSG membrane
145 Capacitor hole
146 Storage electrode
147 Plate electrode
150 Interlayer insulation film
Claims (9)
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されており、
前記第2のサーチトランジスタの第1の不純物拡散領域、ゲート電極、及び第2の不純物拡散領域が、この順番に第1の方向に沿って並び、前記メモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域、ゲート電極、及び第2の不純物拡散領域、前記第2のサーチトランジスタのゲート電極が、第2の方向に沿ってこの順番に並び、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極が、第2の方向に関して、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域と重なる位置まで延在している半導体装置。A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells comprising a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells,
The bit line, data bus line, match line, and ground line are disposed in a wiring layer above the layer in which the capacitor is disposed ;
The first impurity diffusion region, the gate electrode, and the second impurity diffusion region of the second search transistor are arranged in this order along the first direction, and the first impurity diffusion region of the memory cell transistor, The gate electrode, the second impurity diffusion region, and the gate electrode of the second search transistor are arranged in this order along the second direction, and the gate electrode of the first search transistor is related to the second direction. A semiconductor device extending to a position overlapping with the second impurity diffusion region of the memory cell transistor .
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されており、
前記ビットラインが、前記マッチライン、データバスライン、及びグランドラインのいずれよりも上の配線層に配置されている半導体装置。 A plurality of cells regularly arranged in first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells being a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
A word line and a bit line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
Have
The bit line, data bus line, match line, and ground line are disposed in a wiring layer above the layer in which the capacitor is disposed;
The bit line, the match line, the data bus lines, and semi-conductor devices that are located in the wiring layer above the one of the ground lines.
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されており、
さらに、前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に重なり、該第1の導電性部材と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜を貫通して該第1の導電性部材の上面まで達し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜及び前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面まで達するキャパシタ用ホールとを含み、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材と前記第1のサーチトランジスタのゲート電極との双方に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含む半導体装置。 A plurality of cells regularly arranged in first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells being a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
A word line and a bit line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
Have
The bit line, data bus line, match line, and ground line are disposed in a wiring layer above the layer in which the capacitor is disposed;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching a second impurity diffusion region of the memory cell transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
In a region overlapping with the first conductive member and the gate electrode of the first search transistor when viewed in a line of sight parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate, In the region that penetrates through the second interlayer insulating film to the upper surface of the first conductive member and overlaps the gate electrode of the first search transistor, the second interlayer insulating film and the first interlayer insulating film A capacitor hole penetrating through the interlayer insulating film and reaching the upper surface of the gate electrode of the first search transistor,
The capacitor is
A storage electrode that covers an inner surface of the capacitor hole and is connected to both the first conductive member and a gate electrode of the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
The capacitor via the dielectric layer, wherein the storage electrode with including semiconductors devices and a plate electrode constituting the capacitor.
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されており、
さらに、前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に重なり、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と
を含み、前記キャパシタが、前記第1の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第1の導電性部材に接続されている半導体装置。 A plurality of cells regularly arranged in first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells being a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
A word line and a bit line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
Have
The bit line, data bus line, match line, and ground line are disposed in a wiring layer above the layer in which the capacitor is disposed;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
The second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor when viewed through a line parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate through the first interlayer insulating film A first via hole overlapping and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole, wherein the capacitor is disposed on the first interlayer insulating film, and a storage electrode of the capacitor is the first conductive member semiconductors devices it is connected to.
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
を有し、
前記ビットライン、データバスライン、マッチライン、及びグランドラインが、前記キャパシタの配置された層よりも上の配線層に配置されており、
さらに、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の上面上、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面上に配置され、絶縁材料で形成されたゲート上部膜と、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の側面とその上のゲート上部膜の側面、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極とその上のゲート上部膜の側面を覆い、前記ゲート上部膜とはエッチング特性の異なる絶縁材料で形成されたサイドウォールスペーサと、
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達し、側面の一部が前記サイドウォールスペーサで画定された第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を貫通し、前記第1の導電性部材の上面まで達する第2のビアホールと、
前記第2の層間絶縁膜、前記第1の層間絶縁膜、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極上のゲート上部膜を貫通し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第3のビアホールと、
前記第2のビアホール内に埋め込まれた第2の導電性部材と、
前記第3のビアホール内に埋め込まれた第3の導電性部材と
を含み、前記キャパシタが前記第2の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第2の導電性部材及び第3の導電性部材に接触する半導体装置。 A plurality of cells regularly arranged in first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells being a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
A word line and a bit line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells;
Have
The bit line, data bus line, match line, and ground line are disposed in a wiring layer above the layer in which the capacitor is disposed;
further,
A gate upper film formed of an insulating material and disposed on an upper surface of the gate electrode of the memory cell transistor and an upper surface of the gate electrode of the first search transistor;
The side surface of the gate electrode of the memory cell transistor and the side surface of the gate upper film thereon, and the side surface of the gate electrode of the first search transistor and the gate upper film thereon are covered. Sidewall spacers formed of different insulating materials;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor, a part of a side surface of which is defined by the sidewall spacer;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
A second via hole penetrating the second interlayer insulating film and reaching the upper surface of the first conductive member;
A third via hole that penetrates through the second interlayer insulating film, the first interlayer insulating film, and the gate upper film on the gate electrode of the first search transistor and reaches the gate electrode of the first search transistor When,
A second conductive member embedded in the second via hole;
A third conductive member embedded in the third via hole, wherein the capacitor is disposed on the second interlayer insulating film, and the storage electrode of the capacitor is the second conductive member and you contact with the third conductive member semiconductors devices.
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと、
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に部分的に重なり、該第1の導電性部材と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜を貫通して該第1の導電性部材の上面まで達し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極と重なる領域においては、前記第2の層間絶縁膜及び前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面まで達するキャパシタ用ホールとを有し、
前記キャパシタが、
前記キャパシタ用ホールの内面を覆い、前記第1の導電性部材及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に接続された蓄積電極と、
前記蓄積電極の表面を覆うキャパシタ誘電体膜と、
前記キャパシタ誘電体膜を介して、前記蓄積電極とともに前記キャパシタを構成するプレート電極と
を含み、
さらに、前記プレート電極を覆う第3の層間絶縁膜を有し、
前記ビットライン、前記データバスライン、前記マッチライン、及び前記グランドラインが、前記第3の層間絶縁膜の上に配置される半導体装置。A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells comprising a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells ;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching a second impurity diffusion region of the memory cell transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
A region that partially overlaps the first conductive member and the gate electrode of the first search transistor when viewed in a line of sight parallel to the normal line of the surface of the semiconductor substrate, and overlaps the first conductive member In the region which penetrates through the second interlayer insulating film to the upper surface of the first conductive member and overlaps the gate electrode of the first search transistor, the second interlayer insulating film and the A capacitor hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching the upper surface of the gate electrode of the first search transistor;
The capacitor is
A storage electrode covering an inner surface of the capacitor hole and connected to the first conductive member and a gate electrode of the first search transistor;
A capacitor dielectric film covering the surface of the storage electrode;
Via the capacitor dielectric film, looking contains a plate electrodes constituting the capacitor with the storage electrode,
Furthermore, it has a third interlayer insulating film covering the plate electrode,
The semiconductor device in which the bit line, the data bus line, the match line, and the ground line are disposed on the third interlayer insulating film .
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記半導体基板の表面の法線に平行な視線で見たとき、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極に重なり、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と
を有し、前記キャパシタが、前記第1の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第1の導電性部材に接続されており、
さらに、前記キャパシタを覆う第3の層間絶縁膜を有し、
前記ビットライン、前記データバスライン、前記マッチライン、及び前記グランドラインが、前記第3の層間絶縁膜の上に配置される半導体装置。A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells comprising a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells; a first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
The second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor when viewed through a line parallel to the normal of the surface of the semiconductor substrate through the first interlayer insulating film A first via hole overlapping and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor and the gate electrode of the first search transistor;
A first conductive member embedded in the first via hole, the capacitor being disposed on the first interlayer insulating film, and a storage electrode of the capacitor being the first conductive member Connected to the member ,
A third interlayer insulating film covering the capacitor;
The semiconductor device in which the bit line, the data bus line, the match line, and the ground line are disposed on the third interlayer insulating film .
相互に交差するように配置されたワードラインとビットラインであって、該ワードラインとビットラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルのメモリセルトランジスタのゲート電極に接続されたワードラインと、対応するセルのメモリセルトランジスタの第1の不純物拡散領域に接続されたビットラインと、
相互に交差するように配置されたデータバスラインとマッチラインであって、該データバスラインとマッチラインとの交差箇所に1つのセルが対応し、対応するセルの第2のサーチトランジスタのゲート電極に接続されたデータバスラインと、対応するサーチ回路の一方の第1の端子に接続されたマッチラインと、
前記複数のセルのサーチ回路の他方の第2の端子に接地電圧を印加するグランドラインと
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の上面上、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極の上面上に配置され、絶縁材料で形成されたゲート上部膜と、
前記メモリセルトランジスタのゲート電極の側面とその上のゲート上部膜の側面、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極とその上のゲート上部膜の側面を覆い、前記ゲート上部膜とはエッチング特性の異なる絶縁材料で形成されたサイドウォールスペーサと、
前記第1及び第2のサーチトランジスタ、前記メモリセルトランジスタのゲート電極を覆う第1の層間絶縁膜と、
前記第1の層間絶縁膜を貫通し、前記メモリセルトランジスタの第2の不純物拡散領域まで達し、側面の一部が前記サイドウォールスペーサで画定された第1のビアホールと、
前記第1のビアホール内に埋め込まれた第1の導電性部材と、
前記第1の層間絶縁膜の上に形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜を貫通し、前記第1の導電性部材の上面まで達する第2のビアホールと、
前記第2の層間絶縁膜、前記第1の層間絶縁膜、及び前記第1のサーチトランジスタのゲート電極上のゲート上部膜を貫通し、該第1のサーチトランジスタのゲート電極まで達する第3のビアホールと、
前記第2のビアホール内に埋め込まれた第2の導電性部材と、
前記第3のビアホール内に埋め込まれた第3の導電性部材と
を含み、前記キャパシタが前記第2の層間絶縁膜の上に配置され、該キャパシタの蓄積電極が前記第2の導電性部材及び第3の導電性部材に接触する半導体装置。A plurality of cells regularly arranged in a first and second directions intersecting each other on a surface of a semiconductor substrate, each of the cells comprising a memory cell transistor, a first search transistor, a second search transistor, Each search transistor and a capacitor, each transistor including a gate electrode and first and second impurity diffusion regions disposed on both sides thereof, the capacitor including a storage electrode and a plate electrode, One search transistor and a second search transistor are connected to each other in series to form a search circuit, and the second impurity diffusion region of the memory cell transistor includes the storage electrode of the capacitor and the first search transistor. The cell connected to a gate electrode;
Word lines and bit lines arranged so as to intersect each other, and one cell corresponds to the intersection of the word line and the bit line and is connected to the gate electrode of the memory cell transistor of the corresponding cell A word line and a bit line connected to the first impurity diffusion region of the memory cell transistor of the corresponding cell;
A data bus line and a match line arranged so as to cross each other, and one cell corresponds to the intersection of the data bus line and the match line, and the gate electrode of the second search transistor of the corresponding cell A data bus line connected to, a match line connected to one first terminal of the corresponding search circuit,
A ground line for applying a ground voltage to the other second terminal of the search circuit of the plurality of cells; an upper surface of the gate electrode of the memory cell transistor; and an upper surface of the gate electrode of the first search transistor. An upper gate film made of an insulating material;
The side surface of the gate electrode of the memory cell transistor and the side surface of the gate upper film thereon, and the side surface of the gate electrode of the first search transistor and the gate upper film thereon are covered. Sidewall spacers formed of different insulating materials;
A first interlayer insulating film covering the first and second search transistors and the gate electrode of the memory cell transistor;
A first via hole penetrating through the first interlayer insulating film and reaching the second impurity diffusion region of the memory cell transistor, a part of a side surface of which is defined by the sidewall spacer;
A first conductive member embedded in the first via hole;
A second interlayer insulating film formed on the first interlayer insulating film;
A second via hole penetrating the second interlayer insulating film and reaching the upper surface of the first conductive member;
A third via hole that penetrates through the second interlayer insulating film, the first interlayer insulating film, and the gate upper film on the gate electrode of the first search transistor and reaches the gate electrode of the first search transistor When,
A second conductive member embedded in the second via hole;
A third conductive member embedded in the third via hole, wherein the capacitor is disposed on the second interlayer insulating film, and the storage electrode of the capacitor is the second conductive member and A semiconductor device in contact with the third conductive member.
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