JP4755946B2 - 半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体記憶装置およびその製造方法に関する。
1T(Transistor)−1C(Capacitor)からなるDRAM(Dynamic Random Access Memory)に代わり、フローティングボディ内の多数キャリアの数によってデータを記憶するFBC(Floating Body Cell)が開発されている(特許文献1)。FBCは、通常のDRAMにとって不可欠なキャパシタが不要であるため、メモリセル構造が単純である。よって、FBCは、製造し易いという利点を有する。
通常、FBCは、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成されたMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)から構成されている。SOI基板は、通常のバルクシリコン基板に比較して高価であるため、FBCの製造コストは高くなるという問題があった。また、バルク基板上にLSIを形成する際に用いられてきた設計環境(例えば、SPICE MODEL等)は、そのままSOI基板に適用することができない。従って、メモリ領域以外のLSI領域では、設計環境をSOI基板に適するように変更する必要があった。さらに、メモリ領域以外のLSI領域では、入出力回路などの高耐圧トランジスタ特性およびESD(Electrostatic Discharge)特性が劣化することがあった。
特開2002−246571号公報 Tsutomu Sato et al. "A New Substrate Engineering for the Formation of Empty Space in Silicon (ESS) Induced by Silicon Surface Migration" IEDM1999 20.6.1~20.6.4
従来の設計環境を活用することができ、製造コストの低い半導体記憶装置およびその製造方法を提供する。
本発明に係る実施形態に従った半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板に複数のトレンチを形成し、前記半導体基板を水素雰囲気中において熱処理することによって、前記複数のトレンチの上部の開口を塞ぎつつ該複数のトレンチの下部の空間を互いに結合し、空洞上に設けられた半導体層を形成し、素子分離形成領域にある前記半導体層をエッチングし、前記半導体層の側面および底面に絶縁膜を形成し、前記半導体層の下の空洞に電極材料を充填し、前記素子分離形成領域における前記電極材料上に絶縁膜を形成することによって素子分離を形成し、前記半導体層上にメモリ素子を形成することを具備し、
前記複数のトレンチは、前記メモリ素子のソース形成領域には設けられず、前記メモリ素子のドレイン形成領域およびボディ形成領域に設けられていることを特徴とする
本発明に係る実施形態に従った半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面領域に形成されたソースおよびドレインと、前記ソースの下に設けられ、前記ソースと前記半導体基板との間に介在する支柱と、前記ソースと前記ドレインとの間に設けられ、データを記憶するために電荷を蓄積または放出するフローティングボディと、前記フローティングボディ上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、前記ドレインおよび前記フローティングボディの下に設けられ、前記ドレイン、前記フローティングボディおよび前記半導体基板から電気的に絶縁されたプレート電極とを備え、前記ドレインおよび前記ボディは前記プレート電極によって前記半導体基板から電気的に絶縁されており、前記ソースは、前記支柱を介して前記半導体基板に電気的に接続されている。
本発明による半導体記憶装置およびその製造方法を提供は、従来の設計環境を活用することができ、製造コストを低く抑えることができる。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1から図14は、本発明に係る第1の実施形態に従ったFBCメモリの製造方法を示す断面図である。これらの図面で示す構造は、メモリ領域におけるメモリセルの構造である。メモリ領域以外のロジック(LSI)は、通常のバルクシリコン上に形成され、後述するSON(Silicon On Nothing)構造またはSOI構造上には設けられないため、図示されていない。図1、図3、図5、図7、図9、図11および図13は、各工程における平面図である。図2(A)、図4(A)、図6(A)、図8(A)、図10(A)、図12(A)および図14は、それぞれ図1、図3、図5、図7、図9、図11および図13のA−A線に沿ったに断面図である。図2(B)、図4(B)、図6(B)、図8(B)、図10(B)および図12(B)は、それぞれ図1、図3、図5、図7、図9および図11のB−B線に沿ったに断面図である。
まず、半導体基板としてのバルクシリコン基板10上にハードマスク21として用いられるシリコン窒化膜を堆積する。次に、リソグラフィ技術およびRIE(Reactive Ion Etching)を用いて、ハードマスク21に複数の開口を設ける。さらに、ハードマスク21をマスクとして用いて、シリコン基板10をRIEでエッチングする。これにより、図1、図2(A)および図2(B)に示すように、複数のトレンチ22がシリコン基板10に形成される。本実施形態では、トレンチ22は、等間隔にマトリクス状に設けられている。トレンチ22の開口径は、例えば、0.5μmであり、その深さは、例えば、1.0μmである。隣り合うトレンチ22の間隔は、例えば、0.5μmである。
ハードマスク21の除去後、シリコン基板10を水素雰囲気中において熱処理する。この熱処理は、例えば、1100℃の水素雰囲気中において300Torrの気圧のもと、約3分間実行される。これにより、図3に示すように、トレンチ22の上部の開口が塞がれ、なおかつ、図4(A)および図4(B)に示すようにトレンチ22の下部の空間が互いに結合される。従って、シリコン基板10上に空洞25が設けられ、その空洞25上には半導体層としてのシリコン層26が形成される。この構造は、いわゆる、シリコン・オン・ナッシング(SON)構造である。即ち、水素雰囲気中の熱処理によって、ロジック領域におけるバルクシリコンの状態を維持しつつ、メモリ領域にSON構造を形成することができる。
水素雰囲気中における熱処理によって、トレンチ22の表面のシリコンが表面エネルギーを最小にするように流動し、トレンチ22の内部空間が球状に変形する。これにより、トレンチ22の開口部が次第に塞がり、シリコン層26が形成される。さらに、隣接するトレンチ22の内部空間が互いに接続されることによって、空洞25が形成される。シリコン層26は、その周囲のバルク基板との境界部分において支持されている。
次に、図5および図6(A)に示すように、ハードマスク27として用いられるシリコン窒化膜を堆積する。リソグラフィ技術およびRIEを用いてアクティブエリアAAを被覆するようにこのシリコン窒化膜をライン・スペース状にパターニングする。このパターニングによって形成されたハードマスク27を用いて、素子分離形成領域IAにあるシリコン層26をRIEでライン・スペース状にエッチングする。これにより、図6(B)に示すように、素子分離形成領域IAにおいて、空洞25が外部とつながる。
次に、シリコン基板10を酸化する。このとき、空洞25が素子分離形成領域IAを介して外部と通じているため、図8(A)および図8(B)に示すように、空洞25の内面およびシリコン層26の表面が酸化される。従って、シリコン酸化膜30が、シリコン層26の側面、シリコン層26の底面、並びに、空洞25の底面に形成される。シリコン酸化膜30の膜厚は、例えば、10nmである。
次に、CVD(Chemical Vapor Deposition)を用いて、電極材料としてのポリシリコン層31を堆積する。これにより、図7、図8(A)および図8(B)に示すように、空洞25はポリシリコンによって充填される。空洞25内のポリシリコン層31は、プレート電極として用いられる。
次に、ポリシリコン層31をエッチバックすることにより、図10(A)および図10(B)に示すように、シリコン層26の表面レベルよりも上にあるポリシリコン層31を除去する。このとき、空洞25および素子分離形成領域IAに充填されたポリシリコン層31を残置する。続いて、素子分離形成領域IAにおいて露出されているポリシリコン層31の表面を酸化する。これにより、図9および図10(B)に示すように、素子分離形成領域IAに素子分離としてのシリコン酸化膜32を形成する。
次に、シリコン層26上にゲート絶縁膜35を形成する。続いて、ポリシリコンを堆積し、リソグラフィ技術およびRIEを用いてこのポリシリコンをパターニングする。これにより、図11、図12(A)および図12(B)に示すようにゲート電極36が形成される。
次に、ゲート電極36をマスクとして用いて不純物をイオン注入し、それにより、LDD(Lightly Diffused Drain)をシリコン層26内に形成する。続いて、ゲート電極36の側面に側壁絶縁膜37を形成する。さらに、側壁絶縁膜37をマスクとして用いて不純物をイオン注入し、それにより、ソース・ドレイン拡散層38をシリコン層26内に形成する。
次に、ソース・ドレイン拡散層38およびゲート電極36上に金属(例えば、ニッケル)を堆積し、シリコンとニッケルとを反応させる。これにより、ソース・ドレイン拡散層30上にシリサイド層39が形成され、ゲート電極36上にシリサイド層40が形成される。
その後、公知の方法を用いて、図13および図14に示すように、層間絶縁膜42、コンタクト43、ソース線SLおよびビット線BLを形成する。ソース線SLおよびビット線BLの形成と同時に、ロジック領域の配線も形成する。以上のようにして、FBCメモリが形成される。尚、ゲート電極36は、ワード線WLとして機能する。ポリシリコン層31はプレート電極として機能する。
ワード線WL(ゲート電極36)の下にあるフローティングボディFBは、ソース・ドレイン拡散層38、ゲート絶縁膜35、シリコン酸化膜30および素子分離32によって囲まれている。従って、フローティングボディFBは、電気的に浮遊状態となっている。
ワード線WLおよびビット線BLに電位を与えると、ドレイン拡散層とフローティングボディFBとの境界部でインパクトイオン化が生じる。インパクトイオン化によって生じた電荷がフローティングボディBFに蓄積される。例えば、FBCがn型FETである場合には、ホールがフローティングボディBFに蓄積される。インパクトイオン化によって生じた電子は、ドレインへ排出される。
FBCは、フローティングボディFB内の電荷の多少によってデータ“0”または“1”を格納する。データ保持状態のとき、プレート電極としてのポリシリコン層31に電位を与えることによって、データ保持特性を向上させることができる。
本実施形態による製造方法は、バルクシリコン基板10を用いてSOI構造を有するFBCメモリを形成することができる。従って、この製造方法は、低コストでFBCメモリを製造することができる。
本実施形態による製造方法は、FBCメモリをSOI構造上に形成し、一方、ロジック領域のLSIを通常のバルク基板上に直接(直に)形成することができる。よって、周辺ロジック回路に影響を与えることなく、FBCメモリの特性のみを改善することができる。その結果、ロジック領域については、既存の設計環境を活用することができる。これは、半導体記憶装置の設計開発の効率が向上するにつながる。
本実施形態では、ロジック領域のLSIを通常のバルク基板上に直接(直に)形成する。バルク基板上に形成されたロジック回路は、SOI基板上に形成されたロジック回路よりも耐圧特性およびESD特性において優れている。よって、本実施形態による半導体記憶装置は、入出力回路などの高耐圧を必要とする装置として適用することもできる。
メモリ領域において、プレート電極としてのポリシリコン層31とフローティングボディFBとの間のシリコン酸化膜30の膜厚は、10nmである。このシリコン酸化膜30が薄いほど、データ読出し動作における信号量(データ“0”と“1”との電位差)は増大する。また、シリコン酸化膜30が薄いほど、フローティングボディFB内での電荷保持特性は改善し、FBCメモリの動作が安定する。電荷保持時間が長いと、リフレッシュ動作の頻度を少なくすることができるので、高速動作および低消費電力につながる。従って、FBCメモリの特性の観点において、シリコン酸化膜30は薄い方が好ましい。例えば、SOI基板を用いた場合、ロジック領域のBOX(Buried Oxide)層の膜厚を薄くすると、基板とチャネル部との間の寄生容量が増大する。このため、FBCのパフォーマンスが劣化するおそれがある。しかし、本実施形態によれば、メモリ領域だけにプレート電極を形成し、周辺ロジック回路はバルク基板上に形成される。よって、本実施形態は、周辺ロジック回路に影響を与えることなく、FBCメモリの動作を安定化させることができる。
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、メモリ領域全体をSOI構造とした。しかし、ソース領域は、バルク基板上に設けられていても、FBCメモリの特性において問題はない。従って、第2の実施形態では、ソース拡散層をバルク基板上に形成する。
図15から図28は、本発明に係る第2の実施形態に従ったFBCメモリの製造方法を示す断面図である。これらの図面で示す構造は、メモリ領域におけるメモリセルの構造であり、メモリ領域以外のロジック領域についての図示は省略されている。ロジック領域にはSON構造は設けられず、ロジック領域のLSIは通常のバルクシリコン基板上に形成される。図15、図17、図19、図21、図23、図25および図27は、各工程における平面図である。図16(A)、図18(A)、図20(A)、図22(A)、図24(A)、図26(A)および図28は、それぞれ図15、図17、図19、図21、図23、図25および図27のA−A線に沿ったに断面図である。図16(B)、図18(B)、図20(B)、図22(B)、図24(B)および図26(B)は、それぞれ図15、図17、図19、図21、図23および図25のB−B線に沿ったに断面図である。
まず、半導体基板としてのバルクシリコン基板10上にハードマスク21として用いられるシリコン窒化膜を堆積する。次に、リソグラフィ技術およびRIEを用いて、ハードマスク21に複数の開口を設ける。このとき、第1の実施形態では、開口がメモリ形成領域にマトリクス状に等間隔に形成された。しかし、第2の実施形態では、メモリのソース形成領域には開口が設けられない。ハードマスク21をマスクとして用いて、シリコン基板10をRIEでエッチングする。これにより、図15、図16(A)および図16(B)に示すように、複数のトレンチ22がシリコン基板10に形成される。
トレンチ22の開口径は、例えば、0.5μmである。その深さは、例えば、1.0μmである。ソース形成領域以外では、隣り合うトレンチ22の間隔は、例えば、0.5μmである。ソース形成領域においては、隣り合うトレンチ22の間隔は、開口径の2倍以上である。例えば、第2の実施形態では、ソース形成領域において隣り合うトレンチ22の間隔は、1μm以上である。
ハードマスク21の除去後、シリコン基板10を水素雰囲気中において熱処理する。この熱処理は、例えば、1100℃の水素雰囲気中において300Torrの気圧のもと、約3分間実行される。これにより、図17に示すように、トレンチ22の上部の開口が塞がれ、なおかつ、図18(A)および図18(B)に示すようにトレンチ22の下部の空間が互いに接続される。従って、シリコン基板10上に空洞25が設けられ、空洞25の上には半導体層としてのシリコン層26が形成される。
一方、ソース形成領域には、トレンチが形成されていないため、ロジック領域と同様にバルク基板の状態を維持する。ソース形成領域にはシリコンからなる支柱50が形成される。ソース形成領域以外のメモリ領域はSON構造に形成される。シリコン層26は、メモリ領域とロジック領域との境界部分において支持されているだけでなく、支柱50によっても支持されている。よって、シリコン層26の機械的強度が保持され、シリコン層26が空洞25内へ陥没しない。
次に、図19および図20(A)に示すように、ハードマスク27として用いられるシリコン窒化膜を堆積する。リソグラフィ技術およびRIEを用いてアクティブエリアAAを被覆するようにこのシリコン窒化膜をライン・スペース状にパターニングする。このパターニングによって形成されたハードマスク27を用いて、素子分離形成領域IAにあるシリコン層26をRIEでライン・スペース状にエッチングする。これにより、図20(B)に示すように、素子分離形成領域IAにおいて、空洞25が外部とつながる。
次に、シリコン基板10を酸化する。このとき、空洞25が素子分離形成領域IAを介して外部と通じているため、図22(A)および図22(B)に示すように、空洞25の内面およびシリコン層26の表面が酸化される。これにより、シリコン酸化膜30が、シリコン層26の側面、シリコン層26の底面、並びに、空洞25の底面に形成される。シリコン酸化膜30の膜厚は、例えば、10nmである。
次に、CVDを用いて、電極材料としてのポリシリコン層31を堆積する。これにより、図21、図22(A)および図22(B)に示すように、空洞25はポリシリコンによって充填される。空洞25内のポリシリコン層31は、プレート電極として用いられる。
次に、図10(A)および図10(B)に示すように、ポリシリコン層31をエッチバックすることにより、シリコン層26の表面レベルよりも上にあるポリシリコン層31を除去する。このとき、空洞25および素子分離形成領域IAに充填されたポリシリコン層31を残置する。続いて、素子分離形成領域IAにおいて露出されたポリシリコン層31の表面を酸化する。これにより、図23および図24(B)に示すように、素子分離形成領域IAに素子分離としてのシリコン酸化膜32が形成される。
次に、シリコン層26上にゲート絶縁膜35を形成する。続いて、ポリシリコンを堆積し、リソグラフィ技術およびRIEを用いて図25、図26(A)および図26(B)に示すようにゲート電極36を形成する。
次に、ゲート電極36をマスクとして用いて不純物をイオン注入し、それにより、LDDをシリコン層26内に形成する。続いて、ゲート電極36の側面に側壁絶縁膜37を形成する。さらに、側壁絶縁膜37をマスクとして用いて不純物をイオン注入し、それにより、ソース層51およびドレイン層52をシリコン層26内に形成する。
次に、ソース層51、ドレイン層52およびゲート電極36上に金属(例えば、ニッケル)を堆積し、シリコンとニッケルとを反応させる。これにより、ソース層51およびドレイン層52上にシリサイド層39が形成され、ゲート電極36上にシリサイド層40が形成される。
その後、公知の方法を用いて、図27および図28に示すように、層間絶縁膜42、コンタクト43、ソース線SLおよびビット線BLを形成する。ソース線SLおよびビット線BLの形成と同時に、ロジック領域の配線も形成する。このように、FBCメモリが形成される。尚、ゲート電極36は、ワード線WLとして機能する。ポリシリコン層31はプレート電極として機能する。
ソース拡散層51は、シリコン基板10と逆導電型であるため、ソース拡散層51とシリコン基板10との間にはpn接合が存在する。このpn接合に順方向のバイアスが印加されることはない。従って、メモリ素子のソースは、シリコン基板10に接続されていてもメモリ素子の特性上差し支えない。メモリセルの動作に関する問題は発生しない。
第2の実施形態のソース形成領域にはシリコンからなる支柱50が形成されている。ソース形成領域以外のメモリ領域は、SOI構造を有する。シリコン層26は、メモリ領域とロジック領域との境界部分において支持されているだけでなく、支柱50によっても支持されている。よって、シリコン層26は、その後の酸化工程におけるストレスに強く、空洞25内へ陥没しない。第2の実施形態は、さらに、第1の実施形態と同様の効果を有する。
第2の実施形態によるFBCメモリでは、プレート電極31がドレイン層52およびフローティングボディFBの下にのみ設けられ、ソース層51の下には設けられていない。ソース層51は、支柱50を介してシリコン基板10に電気的に接続されている。支柱50は、導電材料または絶縁材料のいずれの材料を用いてもよい。プレート電極31は、ドレイン層52、フローティングボディFDおよびシリコン基板10から電気的に絶縁されている。さらに、ドレイン層52およびフローティングボディFBはプレート電極31によってシリコン基板10から電気的に絶縁されている。
上述の通り、メモリ素子のソースは、シリコン基板10に接続されていてもメモリ素子の特性上差し支えない。また、シリコン層26は、メモリ領域とロジック領域との境界部分において支持されているだけでなく、支柱50によっても支持されているので、機械的ストレスに強い。従って、第2の実施形態によるFBCメモリは製造しやすいという効果を有する。
第1の実施形態に従ったFBCメモリの製造方法を示す断面図。 図1に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図2に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図3に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図4に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図5に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図6に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図7に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図8に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図9に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図10に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図11に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図12に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図13に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 第2の実施形態に従ったFBCメモリの製造方法を示す断面図。 図15に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図16に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図17に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図18に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図19に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図20に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図21に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図22に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図23に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図24に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図25に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図26に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。 図27に続く、FBCメモリの製造方法を示す断面図。
符号の説明
10…シリコン基板
22トレンチ
25空洞
26シリコン層
30シリコン酸化膜
31ポリシリコン(プレート電極)
32シリコン酸化膜(STI)
AAアクティブエリア
IA素子分離領域

Claims (4)

  1. 半導体基板に複数のトレンチを形成し、
    前記半導体基板を水素雰囲気中において熱処理することによって、前記複数のトレンチの上部の開口を塞ぎつつ該複数のトレンチの下部の空間を互いに結合し、空洞上に設けられた半導体層を形成し、
    素子分離形成領域にある前記半導体層をエッチングし、
    前記半導体層の側面および底面に絶縁膜を形成し、
    前記半導体層の下の空洞に電極材料を充填し、
    前記素子分離形成領域における前記電極材料上に絶縁膜を形成することによって素子分離を形成し、
    前記半導体層上にメモリ素子を形成することを具備し、
    前記複数のトレンチは、前記メモリ素子のソース形成領域には設けられず、前記メモリ素子のドレイン形成領域およびボディ形成領域に設けられていることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
  2. 前記複数のトレンチは、前記半導体基板のメモリ形成領域の表面にマトリクス状に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  3. 前記メモリ素子は、電気的に浮遊状態のフローティングボディを含み、該フローティングボディ内の多数キャリアの数によってデータを記憶するフローティングボディセルであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  4. 半導体基板と、
    前記半導体基板の表面領域に形成されたソースおよびドレインと、
    前記ソースの下に設けられ、前記ソースと前記半導体基板との間に介在する支柱と、
    前記ソースと前記ドレインとの間に設けられ、データを記憶するために電荷を蓄積または放出するフローティングボディと、
    前記フローティングボディ上に設けられたゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
    前記ドレインおよび前記フローティングボディの下に設けられ、前記ドレイン、前記フローティングボディおよび前記半導体基板から電気的に絶縁されたプレート電極とを備え、
    前記ドレインおよび前記ボディは前記プレート電極によって前記半導体基板から電気的に絶縁されており、
    前記ソースは、前記支柱を介して前記半導体基板に電気的に接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。
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