JP4927716B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に電荷蓄積領域を複数有するトランジスタを用いた不揮発性メモリである半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、データの書換えが可能な半導体装置である不揮発性メモリが広く利用されている。このような不揮発性メモリの技術分野においては、高記憶容量化のためメモリセルの微細化、メモリを構成するトランジスタの電気的特性の揺らぎの低減を目的とした技術開発が進められている。不揮発性メモリとして、ONO(Oxide/Nitride/Oxide)膜に電荷を蓄積されるMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Silicon)型やSONOS(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon)型フラッシュメモリがある。さらに、その中に、高記憶容量化を目的に、1つのトランジスタに2以上の電荷蓄積領域を有するフラッシュメモリが開発されている。
例えば、特許文献1には、ゲート電極と半導体基板の間に2つの電荷蓄積領域を有するトランジスタが開示されている。このトランジスタはソースとドレインを入れ替えて対称的に動作させる。これより、ソース領域とドレイン領域を区別しない構造を有している。さらに、ビットラインがソース領域およびドレイン領域を兼ねており、半導体基板に埋め込まれた構造となっている。これにより、メモリセルの微細化を図っている。
上記従来技術について図1を用い説明する。図1は従来技術のメモリセルの上視図である。半導体基板に埋め込まれたビットライン44が上下方向に延在している。半導体基板上にはONO膜(図示せず)が形成されている。ワードライン46はONO膜上に形成され、ビットライン44の幅方向に延在している。
ビットライン44は例えば砒素のイオン注入による拡散層で形成されるため、比較的抵抗が高い。ビットライン44の抵抗が高いと、書き込み消去特性が悪化する。そこで、ワードライン46複数本毎にコンタクトホール48を設けビットライン44と配線層(図示せず)とが接続する。配線層は金属で形成され低抵抗なため、書き込み消去特性が悪化することを防止することができる。
ビットライン44と配線層とを接続するコンタクトホール48は、ビットラインコンタクト領域28に設けられている。ビットラインコンタクト領域28はワードライン46の長手方向に延在している。ビットラインコンタクト領域28の間には、複数(図では2本)のワードライン46にわたりビットライン44と配線層とを接続するコンタクトホール18がないワードライン領域26が設けられている。
ビットライン44はトランジスタ50のソース領域およびドレイン領域を含んでいる。またワードライン46はトランジスタ50のゲート電極を含んでいる。ビットライン44(ソース領域およびドレイン領域)間のワードライン46(ゲート電極)下のONO膜中に電荷を蓄積することにより不揮発性メモリとして機能する。また、トランジスタ50のONO膜には2つの電荷蓄積領域を有する。
米国特許第6011725号明細書
しかしながら、従来技術においては、コンタクトホール48とビットライン44の合わせがずれコンタクトホール48がビットライン44から外れると、ビットライン44と半導体基板間で接合電流が流れてしまう。これを防止するため、コンタクトホール48とビットライン44の合わせ余裕を確保するとメモリセルの微細化に反する。このように、メモリセルの微細化が困難であった。
本発明は、コンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保し、メモリセルの微細化が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、基板に埋め込まれたビットラインと、前記ビットライン上を交差し、前記ビットラインの幅方向に延在したワードラインと、前記ワードライン上を交差し、前記ビットラインの長手方向に延在した配線層と、前記ワードラインの長手方向に延在し、複数の前記ワードラインを配置したワードライン領域間に設けられたビットラインコンタクト領域と、を具備し、前記ビットラインコンタクト領域において、前記配線層は1本おきに、前記ビットラインと接続している半導体装置である。本発明によれば、ビットラインコンタクト領域において、配線層には1本おきにビットラインと接続されるため、ビットラインと接続されていない配線層の下に、配線層に接続されたビットラインを拡げることができる。これにより、コンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保できる。よって、ビットラインの間隔を狭くしメモリセルを微細化することが可能な半導体装置を提供することができる。
本発明は、前記ビットラインコンタクト領域において、前記配線層と接続するビットラインは、前記ビットラインコンタクト領域内に前記ワードライン領域内の前記ビットラインの幅より幅の広いコンタクトパッドを有する半導体装置とすることができる。本発明によれば、ビットラインがビットラインコンタクト領域にコンタクトパッドを有することにより、さらにコンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保できる。これより、さらにメモリセルを微細化することが可能な半導体装置を提供することができる。
本発明は、前記ビットラインの幅方向に隣接する前記コンタクトパッド間は電気的に分離されている半導体装置とすることができる。本発明は、前記電気的な分離は、トレンチ分離領域で素子分離されている半導体装置とすることができる。本発明によれば、コンタクトホールがコンタクトパッドから外れたとしても、コンタクトホールはトレンチ分離領域上に形成され接合電流が流れることはない。よって、さらにコンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保できる。これより、さらにメモリセルを微細化することが可能な半導体装置を提供することができる。
本発明は、第1のビットラインコンタクト領域内で前記ビットラインと分離している前記配線層は、前記ワードライン領域を挟んで隣の第2のビットラインコンタクト領域内で、前記ビットラインと接続する半導体装置とすることができる。本発明は、前記ビットラインは、1つの前記ビットラインコンタクト領域でのみ1つの前記配線層と接続しており、前記ビットラインコンタクト領域の両側の前記ワードライン領域に延在する半導体装置とすることができる。本発明は、前記ビットライン長手方向に隣接する前記ビットラインは、前記ビットラインコンタクト領域において、電気的に分離されている半導体装置とすることができる。本発明は、前記電気的な分離は、トレンチ分離領域で素子分離されている半導体装置とすることができる。
本発明は、前記ワードライン領域内に設けられたトランジスタに接続された2つの前記ビットラインは、それぞれ、前記ワードライン領域の相対する両側に形成された前記ビットラインコンタクト領域において前記配線層に接続されている半導体装置とすることができる。本発明は、前記ビットラインは、ソース領域およびドレイン領域を兼ね、前記ワードラインは、前記半導体基板上に形成されたONO膜上に設けられたゲート電極を兼ねる半導体装置とすることができる。
本発明は、半導体基板内に埋め込まれたビットラインを形成する工程と、前記ビットライン上を交差し、前記ビットラインの幅方向に延在するワードラインを形成する工程と、前記ワードライン上を交差し、前記ビットラインの長手方向に延在した配線層を形成する工程と、を具備し、前記配線層を形成する工程は、前記配線層を、前記ワードラインの長手方向に延在し複数の前記ワードラインを配置したワードライン領域間に設けられたビットラインコンタクト領域において、1本おきに前記ビットラインと接続する工程を含む半導体装置の製造方法である。本発明によれば、ビットラインコンタクト領域において、配線層には1本おきにビットラインと接続されるため、ビットラインと接続されていない配線層の下には、配線層に接続されたビットラインを拡げることができる。これにより、コンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保できる。よって、ビットラインの間隔を狭くしメモリセルを微細化することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
本発明は、前記ビットラインを形成する工程は、コンタクトパッドを形成する工程を含み、前記コンタクトパッドは、前記ビットラインコンタクト領域において前記配線層と接続すべき前記ビットラインに含まれ、前記ビットラインコンタクト領域内に前記ワードライン領域内の前記ビットラインの幅より幅の広い半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、ビットラインがビットラインコンタクト領域にコンタクトパッドを有することにより、さらにコンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保できる。これより、さらにメモリセルを微細化することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
本発明は、隣接する前記コンタクトパッド間が形成されるべき領域にトレンチ分離領域を形成する工程を具備する半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、コンタクトホールがコンタクトパッドから外れたとしても、コンタクトホールはトレンチ分離領域上に形成され接合電流が流れることはない。よって、さらにコンタクトホールとビットラインの合わせ余裕を確保できる。これより、さらにメモリセルを微細化することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
本発明は、前記ビットラインを形成する工程は、前記ビットラインと前記ビットラインに隣接する前記トレンチ分離領域にイオンを注入する工程を含む半導体装置の製造方法とすることができる。本発明によれば、トレンチ分離領域とビットラインの合わせがずれた場合も、トレンチ分離領域とビットラインは接して形成することができる。これにより、接合電流をより確実に防止することができる。これより、さらにメモリセルを微細化することが可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
本発明は、前記半導体基板上にONO膜を形成する工程を具備し、前記ワードラインを形成する工程は、前記ONO膜上にゲート電極を含む前記ワードラインを形成する工程である半導体装置の製造方法とすることができる。
本発明によれば、ビットラインコンタクト領域において、配線層は1本おきにビットラインと接続されるため、ビットラインと接続されていない配線層の下には、配線層に接続されたビットラインを拡げることができる。これにより、コンタクトホールとビットラインの合わせ余裕が大きくなる。よって、ビットラインの間隔を狭くしメモリセルを微細化することが可能な半導体装置を提供することができる。
図1は従来技術に係るフラッシュメモリのメモリセルの上視図である。 図2は実施例1に係るフラッシュメモリのメモリセルの上視図(その1)である。 図3は実施例1に係るフラッシュメモリのメモリセルの断面図である。 図4は実施例1に係るフラッシュメモリのメモリセルの上視図(その2)である。 図5は従来技術と実施例1に係るフラッシュメモリのビットラインを比較した図であり、(a)は従来技術のビットラインの上視図、(b)は実施例1のビットラインの上視図である。 図6は実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法を示す上視図(その1)である。 図7は実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法を示す断面図(その1)である。 図8は実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法を示す上視図(その2)である。 図9は実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法を示す断面図(その2)である。 図10は実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法を示す上視図(その3)である。 図11は実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法を示す断面図(その3)である。 図12は実施例2に係るフラッシュメモリの製造方法を示す上視図(その1)である。 図13は実施例2に係るフラッシュメモリの製造方法を示す上視図(その2)である。 図14は実施例2に係るフラッシュメモリの製造方法を示す断面図である。 図15は実施例2に係るフラッシュメモリの製造方法を示す上視図(その3)である。
以下、図面を参照に実施例について説明する。
図2は実施例1に係るフラッシュメモリのメモリセルの上視図(保護膜、配線層、層間絶縁膜は図示せず)である。ここで、図2はビットライン14の配置、形状を理解しやすくするため配線層22を図示していない。図3(a)は図4のビットラインコンタクト領域28のA−A断面図、図3(b)は図4の配線層22領域のB−B断面図である。図4は図2に配線層22を図示した上視図である。半導体基板10にビットライン14が埋め込まれている。ONO膜12が半導体基板10上に形成されている。ワードライン16は、ONO膜12上に形成され、ビットライン14上を交差しビットライン14の長手方向に延在している。ワードライン領域26には、複数(図2では2本)のワードライン16が配置されている。ビットラインコンタクト領域28は、ワードライン16の長手方向に延在し、ワードライン領域26間に設けられている。
ビットライン14はトランジスタ52のソース領域およびドレイン領域を含んでいる。またワードライン16はトランジスタ52のゲート電極を含んでいる。ビットライン14(ソース領域およびドレイン領域)間のワードライン16(ゲート電極)下のONO膜12中に電荷を蓄積することにより不揮発性メモリとして機能する。また、トランジスタ52のONO膜12には従来技術と同様に2つの電荷蓄積領域を有することができる。
ビットラインコンタクト領域28において、配線層22は1本おきにコンタクトホール18が形成されビットライン14に接続している。そして、コンタクトホール18を介し配線層22に接続されたビットライン14は、ビットラインコンタクト領域28内にワードライン領域内26のビットライン14幅より幅の広いコンタクトパッド15を有している。さらに、隣接するコンタクトパッド15は半導体基板10により電気的に分離されている。
図5は従来技術のビットライン44(図5(a))と実施例1のビットライン14(図5(b))の上視図である。実施例1のビットライン14はコンタクトパッド15を有している。これは以下の理由による。図2より、ビットラインコンタクト領域28において、配線層22は1本おきにコンタクトホール18が形成される。このため、コンタクトホール18が形成されていない配線層22下で、配線層22に接続されたビットライン14を拡げることができる。よって、ビットラインコンタクト領域28において、コンタクトホール18を介し配線層22と接続されたビットライン14は、幅の広いコンタクトパッド15を有することができる。
これより、コンタクトホール18とビットライン14の合わせが図5中の矢印のようにずれたとしても、コンタクトホール18がビットライン14(コンタクトパッド15)から外れることを防止している。これにより、ビットライン14間隔を従来技術より小さいくすることができる。例えば、ビットライン14の間隔のみ考えると、従来技術に比べ、約1/2のビットライン間隔とすることができる。よって、メモリセルの微細化が図れる。
このように、ビットラインコンタクト領域28に、コンタクトパッド15を設けることができたのは、さらに、以下のような理由による。ビットラインコンタクト領域内28a(第1のビットラインコンタクト領域)でビットライン14と分離している配線層22は、ワードライン領域26を挟んで隣のビットラインコンタクト領域28b(第2のビットラインコンタクト領域)内で、ビットライン14と接続している。さらに、ビットライン14は、1つのビットラインコンタクト領域28でのみ1つの配線層22と接続しており、ビットラインコンタクト領域28の両側のワードライン領域26に延在している。
これらより、ビットライン14は配線層22と接続していないビットラインコンタクト領域28まで延在する必要がない。すなわち、ビットライン14長手方向に隣接するビットライン14は、ビットラインコンタクト領域28において、電気的に分離されている。図5(b)のように、実施例1のビットライン14は長さを短くできる。以上より、ビットラインコンタクト領域28において、配線層22と接続するビットライン14は、その領域28内で、配線層22の下まで、コンタクトパッド15を拡げることができた。
別の観点では、従来技術においては、トランジスタ50を流れる電流は、ビットラインコンタクト領域28aおよび28bより供給される。トランジスタはビットラインコンタクト領域28aよりにあるため、その電流は主に図1の矢印のように、ビットラインコンタクト領域28aから供給され、28aに至る。これに対し、実施例1においては、トランジスタ52を流れる電流は、図2の矢印のように、ビットラインコンタクト領域28aから供給され、ビットラインコンタクト領域28bに至る。すなわち、ワードライン領域26内に設けられたトランジスタ52に接続された2つのビットライン14は、それぞれ、前記ワードライン領域26の相対する両側に形成されたビットラインコンタクト領域28において配線層22に接続されている。
これにより、ビットライン14は配線層22と接続していないビットラインコンタクト領域28まで延在する必要がない。そこで、ビットラインコンタクト領域28において、配線層22と接続するビットライン14は、その領域28内で、配線層22の下まで、コンタクトパッド15を拡げることができた。
次に、実施例1に係るフラッシュメモリの製造方法について図6から11を用い説明する。まず、P型シリコン半導体基板10(または、半導体基板に形成されたP型領域)上にONO膜12として、酸化シリコン膜からなるトンネル酸化膜、窒化シリコン膜からなるトラップ層、酸化シリコン膜からなるトップ酸化膜を、例えばCVD法を用い形成する。ONO膜12上に、フォトレジスト24を塗布し、通常の露光技術を用い所定の領域を開口する。フォトレジスト24をマスクに例えば砒素をイオン注入し、熱処理することにより半導体基板10に埋め込まれたビットライン14を形成する。
図6および図7はこのときの図であり、図6は上視図、図7(a)はビットラインコンタクト領域28のA−A断面図、図7(b)は配線層22が形成される領域のB−B断面図である。ビットライン14の形成と同時に、コンタクトパッド15を形成する。コンタクトパッド15は、ビットラインコンタクト領域28において配線層22と接続すべきビットライン14に含まれており、さらに、ビットラインコンタクト領域28内にワードライン領域26内のビットライン14の幅より幅が広い。また、隣接するコンタクトパッド15間が形成されるべき領域は半導体基板10により素子分離されている。
次に、図8および図9を用い説明する。図8は上視図、図9(a)はビットラインコンタクト領域28のA−A断面図、図9(b)はワードライン16の領域のB−B断面図、図9(c)は配線層22が形成される領域のC−C断面図である。フォトレジスト24を除去する。その後、ONO膜12上に多結晶シリコン膜を形成し、所定領域を通常の露光技術、エッチング技術を用い除去する。これによりビットライン14上を交差するワードライン16が形成される。図9(b)において、ワードライン16下のビットライン14間の半導体基板10がチャネルとなる。ワードライン16下のビットライン14がソース領域およびドレイン領域となる。チャネル上のワードライン16がゲート電極となる。ワードライン領域26には複数(図10では2本)のワードライン16が配置されている。
次に、図10および図11を用い説明する。図10は上視図(層間絶縁膜は図示せず)、図11(a)はビットラインコンタクト領域28のA−A断面図、図11(b)は配線層22が形成される領域のB−B断面図である。ONO膜12およびワードライン16上に層間絶縁膜20として、例えばBPSG(Boro-Phospho Silicated Glass)等の酸化シリコン膜をCVD法により形成する。層間絶縁膜20の所定領域に、通常の露光技術およびエッチング技術を用い、コンタクトホール18を形成する。
次に、コンタクトホール18内を、例えばTi/WNまたはTi/TiN並びにWで埋込む。ワードライン16上を交差する配線層22を例えばAlを用い形成する。これにより、配線層22を、ワードライン16の長手方向に延在し複数のワードライン16を配置したワードライン領域26間に設けられたビットラインコンタクト領域28において、1本おきにビットライン14と接続する。層間絶縁膜20および配線層22上に保護膜34を形成する。以上により実施例1に係るフラッシュメモリのメモリセルが完成する。
図12から15は実施例2に係るフラッシュメモリのメモリセルおよびその製造方法を示す図である。図12、図13および図15は上視図、図14は図13のA−A断面図である。図12において、P型シリコン半導体基板10の所定の領域に通常のSTI(Shallow Trench Isolation)法を用い、半導体基板10にトレンチ分離領域30を形成する。トレンチ分離領域30は半導体基板10に溝(トレンチ)部を形成し、溝部に酸化シリコン膜を形成し埋め込んだ領域である。半導体を除去し酸化シリコン膜を形成しているため、リーク電流を抑えることが出来る。
トレンチ分離領域30は例えば以下の方法で形成する。所定領域の半導体基板10をドライエッチング法によりエッチングし、溝部を形成する。その後、全面に熱酸化法又はCVD法により酸化シリコン膜を形成する。CMP(Chemical Mechanical Polish)法又は選択的なエッチングにより平坦化する。これにより、溝部に酸化シリコン膜が埋め込まれ、トレンチ分離領域30が形成される。ビットラインコンタクト領域28であって、配線層22にコンタクトホール18が形成されない領域にトレンチ分離領域30が形成されている。すなわち、隣接するコンタクトパッド35間が形成されるべき領域にトレンチ分離領域を形成する。
図13において、半導体基板10上に実施例1と同様にONO膜12を形成する。ONO膜12上にフォトレジスト32を形成する。このとき、フォトレジスト32の開口部は、ビットラインコンタクト領域28にワードライン16の延在方向に連続して形成され、配線層22を形成する領域に配線層22の延在方向に連続して形成される。このように、フォトレジスト32の開口部は格子状となっている。半導体基板10に、例えば砒素をイオン注入しビットライン34を形成する。図14のように、トレンチ分離領域30に注入された砒素は活性化することはない。よって、ビットライン34はトレンチ分離領域30に接して形成することができる。
その後、実施例1と同じ製造方法により実施例2に係るフラッシュメモリが完成する。図15は完成したフラッシュメモリのメモリセルの上視図であり、保護膜、配線層、層間絶縁膜、ワードラインは図示いていない。実施例1と同様にビットライン34はコンタクトパッド35を有している。隣接するコンタクトパッド35間にトレンチ分離領域30が設けられている以外は実施例1と同様である。すなわち、前記ビットラインの幅方向に隣接するコンタクトパッド35間およびビットライン34長手方向に隣接するビットライン34間はトレンチ分離領域30で電気的に素子分離されている。これにより、コンタクトホール18とビットライン34の合わせがずれて、コンタクトホール18がコンタクトパッド35から外れたとしても、ビットライン34と半導体基板10の間に接合リークが流れることはない。これにより、実施例1よりさらにビットライン34間隔を小さくでき、メモリセルの微細化が可能となる。
また、図13および図14のように、ビットライン34を形成する工程は、ビットライン34とビットライン34に隣接するトレンチ分離領域30に例えば砒素イオンを注入することによりビットライン34を形成している。これにより、ビットライン34とトレンチ分離領域30を接して形成することができる。よって、トレンチ分離領域30とビットライン34の合わせがずれたとえしても、ビットライン34と半導体基板10の間に接合電流が流れることを防止することができる。実施例2においては、フォトレジスト32の開口部は格子状であったが、開口部は少なくともビットライン34とビットライン34に隣接するトレンチ分離領域30を含んでいることが好ましい。ここで、ビットライン34に隣接するトレンチ分離領域30とは、例えばトレンチ分離領域30とビットライン34の合わせ余裕程度の範囲のことである。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Claims (3)

  1. 半導体基板に埋め込まれたビットラインと、
    前記ビットラインの上方において前記ビットラインと交差するように、前記ビットラインの幅方向に延在したワードラインと、
    前記ワードラインの上方において前記ワードラインと交差するように、前記ビットラインの長手方向に延在した配線層と、
    前記ワードラインの長手方向に延在し、複数の前記ワードラインを配置したワードライン領域間に設けられたビットラインコンタクト領域と、を具備し、
    前記ビットラインコンタクト領域において、前記配線層は1本おきに、前記ビットラインと接続しており、
    前記ビットラインコンタクト領域において、前記配線層と接続するビットラインは、前記ビットラインコンタクト領域内に前記ワードライン領域内の前記ビットラインの幅より幅の広いコンタクトパッドを有し、
    前記ビットラインの幅方向に隣接する前記コンタクトパッド間は電気的に分離されており、
    前記ビットラインコンタクト領域は、第1のビットラインコンタクト領域と第2のビットラインコンタクト領域とを含み、
    前記第1のビットラインコンタクト領域内で前記ビットラインから分離している前記配線層は、前記ワードライン領域を挟んで前記第1のビットラインコンタクト領域のにある前記第2のビットラインコンタクト領域内で、前記ビットラインと接続し、
    前記ビットラインは、1つの前記ビットラインコンタクト領域でのみ1つの前記配線層と接続しており、前記ビットラインコンタクト領域の両側の前記ワードライン領域に延在し、
    前記ビットライン長手方向に隣接する前記ビットラインは、前記ビットラインコンタクト領域において、電気的に分離されており、
    前記ワードライン領域内に設けられたトランジスタに接続された2つの前記ビットラインは、それぞれ、前記ワードライン領域の相対する両側に形成された前記ビットラインコンタクト領域において前記配線層に接続しており、
    前記ビットラインは、ソース領域およびドレイン領域を兼ね、前記ワードラインは、前記半導体基板上に形成されたONO膜上に設けられたゲート電極を兼ねる、半導体装置。
  2. 前記コンタクトパッド同士の電気的な分離は、トレンチ分離領域で素子分離されている
    、請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記ビットライン同士の電気的な分離は、トレンチ分離領域で素子分離されている、請求項1記載の半導体装置。
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