JP5159816B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばMRAM等のメモリセルトランジスタに適用される半導体記憶装置に関する。
DRAM等の半導体記憶装置の微細化が進むに従い、実質的なゲート長が減少し、トランジスタがオフ状態である場合においても、リーク電流が生じるという問題がある。
この対策として、サドルフィン(Fin)トランジスタが開発されている(例えば特許文献1参照)。このサドルフィントランジスタは、トランジスタの実質的なゲート長Lを増加し、オフリークを低減できるトランジスタとして有用である。しかし、素子の微細化に伴い、サドルフィントレンチの活性領域の厚みが減少されている。このため、活性領域の上面積が狭くなり、活性領域とこれに接触されるコンタクトとの面積が減少し、コンタクト抵抗が増加するという問題を有している。
尚、ソース、ドレイン領域にシリサイド層を形成してコンタクト抵抗を低減する技術が開発されている(例えば特許文献2参照)。
特開2007−184518号公報 特表2009−521113号公報
本発明は、活性領域の接触面積を増大でき、コンタクト抵抗を低減可能な半導体記憶装置を提供しようとするものである。
本発明の半導体記憶装置の態様は、半導体基板内に設けられ、第1の側面、前記第1の側面に平行する第2の側面、及び前記第1、第2の側面を繋ぐ上面を有するフィン状の活性領域と、前記活性領域に形成された溝内及び前記溝を跨いで形成され、前記活性領域と絶縁されたワード線の一部としてのゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記活性領域に位置し、ソース、ドレイン領域としての前記活性領域の少なくとも前記第1の側面に形成されたシリサイド層と、前記シリサイド層に接続され、少なくとも記憶素子を接続するためのコンタクトとを具備し、前記活性領域の幅が前記ゲート電極のゲート幅の2/3以下であることを特徴とする。
本発明の半導体記憶装置の製造の態様は、半導体基板内に、素子分離領域により分離され、第1の側面と前記第1の側面に平行する第2の側面と、前記第1、第2の側面を繋ぐ上面を有するフィン状の活性領域を形成し、前記活性領域に第1の溝を形成し、前記活性領域に隣接する前記素子分離領域に前記第1の溝より深い第2の溝を形成し、前記第1、第2の溝内に、前記活性領域を跨ぎ、前記活性領域から絶縁されたワード線の一部としての第1のゲート電極を形成し、前記ゲート電極の両側の前記活性領域の少なくとも前記第1の側面にシリサイド層を形成し、前記ゲート電極の両側の前記活性領域に形成された前記シリサイド層に少なくとも記憶素子を接続するためのコンタクトを形成することを特徴とする。
本発明は、活性領域の接触面積を増大でき、コンタクト抵抗を低減可能な半導体記憶装置を提供できる。
第1の実施形態に係る半導体記憶装置を示す平面図。 図1に示すII−II線に沿った断面図。 図1に示すIII−III線に沿った断面図。 図1に示すIV−IV線に沿った断面図。 図1の一部を取り出して示す斜視図 記憶素子の一例を示す断面図。 第1の実施形態の製造方法を示す断面図。 図7に続く製造工程を示す断面図。 図8に続く製造工程を示す断面図。 図9に続く製造工程を示す断面図。 図10に続く製造工程を示す断面図。 図11に続く製造工程を示す断面図。 図12に続く製造工程を示す断面図。 図13に続く製造工程を示す断面図。第1の実施形態の変形例を示 第1の実施形態の変形例を示す断面図。 第2の実施形態を示す平面図。 図16のXVII−XVII線に沿った断面図。 図17に続く製造工程を示す断面図。 第2の実施形態の変形例を示す断面図。 第3の実施形態を示す平面図。 第3の実施形態の変形例を示す平面図。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
サドルフィントランジスタは、DRAMで使用されている埋め込みゲートトランジスタのゲート電極の底部に、フィンFETを形成した構造となっている。サドルフィントランジスタのゲート電極は、従来のRCAT(Recess Channel Array Transistor)溝構造を形成した後、STI部分を掘り下げ、フィン構造を形成する。この後、ゲート酸化膜及びゲート電極としてのポリシリコン埋め込むことにより形成される。
しかし、この場合、ゲート電極の深さが深くなるため、深さ方向のシリコンの寄生抵抗が増大する。また、活性領域に接触されるコンタクトは、ポリシリコン層上に例えばチタン(Ti)からなるバリアメタルとタングステン(W)からなるプラグにより構成される。このため、ポリシリコン層とバリアメタルとの間にチタンシリサイド層(TiSix)が形成される。したがって、このチタンシリサイド層は、ゲート電極の側壁間距離×F(F:ゲート電極の幅、活性領域の幅)の面積内に形成される。近時、素子の微細化のため、ゲート電極の側壁間距離、及びFが微細化されている。このため、上記面積が縮小されメモリのセルトランジスタのソース、ドレイン抵抗が増大する傾向にある。このため、オフリークを低減することが可能であるが、電流を増大すること、及び高速動作が困難となっている。
近年、DRAMの代替デバイスとして、MRAMなどの抵抗変化型メモリが注目されている。これらデバイスは書き込みに大電流を必要とし、大電流駆動のトランジスタが求められている。さらに、微細化されたDRAMにおいて問題となるショートチャネル効果の抑制も求められる。しかし、上述した理由により、サドルフィントランジスタをMRAMなどに適用することが困難となっている。
そこで、第1の実施形態は、活性領域の例えば一側面と上面にシリサイド層を形成し、このシリサイド層に接触してコンタクトを形成することにより、コンタクト抵抗を低減している。
図1は、第1の実施形態に係る半導体記憶装置を示す平面図であり、図2、図3、図4は、それぞれ図1に示すII−II線、III−III線、IV−IV線に沿った断面図、図5は図1の一部を取り出して示す斜視図である。
図1乃至図5に示すように、シリコン基板1には複数の活性領域13(AA)が形成されている。これら活性領域13は、素子分離領域としてのSTI(Shallow Trench Isolation)12により分離されている。複数の活性領域13の上方には、複数のセルトランジスタCTのゲート電極14(G)に接続されたワード線WLが形成されている。
ゲート電極14は、図2、図3、図5に示すように、活性領域13内に形成されたRCAT溝17内に埋め込まれたポリシリコン層14aと、サドル14bと、ポリシリコン層14c、及びタングステン層14dにより構成されている。ゲート絶縁膜18は、RCAT溝17の内壁、及びRCAT溝17より下方に位置するサドル溝17a内に形成されている。
また、図2、図5に示すように、RCAT溝17内のゲート電極14aの両側に位置する活性領域13には、ソース、ドレイン(S/D)領域としてのN拡散層が形成されている。すなわち、ソース、ドレイン(S/D)領域は、ワード線WLと直行方向に形成されている。
さらに、図4、図5に示すように、ソース、ドレイン(S/D)領域としての活性領域13の例えば一側面及び上面の一部には、シリサイド層16が形成されている。すなわち、シリサイド層16は、フィン状の活性領域13の例えばワード線方向の一側面及び上面の一部に形成されている。シリサイド層16は、例えば少なくともコバルト、ニッケル、NiPtのうちの1つにより構成されているが、これらに限定されるものではない。
図5に示すように、活性領域13の上面からのシリサイド層16の深さD1は、RCAT溝17の活性領域13の上面からの深さD2のほぼ1/3に設定されている。すなわち、シリサイド層16をチャネル領域に接近させることにより、寄生抵抗を低減することが可能である。
また、活性領域13の側面及び上面にシリサイド層16を形成することにより、活性領域13のワード線WL方向の幅W1は、ゲート電極14の幅W2のほぼ1/2〜2/3以下に設定されている。
図2、図4に示すように、ソース、ドレイン領域を構成するシリサイド層16の側面及び上面に接触する複数のコンタクト(プラグ)15が形成されている。これらコンタクト15は、例えばタングステンにより構成されている。これらコンタクト15は、絶縁膜19内に形成されている。この絶縁膜19は、例えばシリコン窒化膜である。
図6は、記憶素子21の一例を示している。例えばドレインとしてのN拡散層上に形成されたコンタクト15は、下部電極20に接続されている。この下部電極20の上に、例えばMRAMからなる記憶素子21が形成されている。すなわち、記憶素子21は、記憶層21a、絶縁層21b、参照層21cが順次積層されて構成されている。参照層21cの上に上部電極22が形成されている。この上部電極22は、コンタクト23を介してビット線BLに接続されている。また、ソースとしてのN拡散層上に形成されたコンタクト15は、例えばソース線SLに接続されている。記憶素子21の構成は、これに限定されるものではない。
次に、図7乃至図14を参照して、上記構成の半導体記憶装置の製造方法について説明する。
先ず、図7に示すように、シリコン基板11内に、例えばピッチFにより、複数の素子分離領域12(STI)が形成され、これらSTIにより分離された複数の活性領域13が形成される。すなわち、基板11内に複数の溝が形成され、これら溝が例えばシリコン酸化膜により埋め込まれ、素子分離領域12が形成される。
次に、図8に示すように、図示せぬワード線を形成するためのパターンと逆のパターンを用いて、各活性領域13のワード線が形成される領域内に、RCAT溝17が形成されるとともに、各活性領域13に隣接する素子分離領域12内にサドルを形成するためのサドル溝17aが形成される。このサドル溝17aは、RCAT溝17より深く設定されている。この後、RCAT溝17及びサドル溝の内壁にゲート絶縁膜17が形成され、次いで、RCAT溝17、サドル溝内が例えばポリシリコン層14a、14bにより埋め込まれる。
次に、図9に示すように、次にシリコン基板11の全面に、例えばポリシリコン層14c及びタングステン層14dが堆積される。このポリシリコン層14c及びタングステン層14dは、ワード線を形成するためのパターンを用いてエッチングされ、図9に示すように、ワード線WLが形成される。タングステン層14dの上に、例えばシリコン窒化膜(SiN)からなるハードマスク31が形成され、このマスク31を用いて、タングステン層14d及びポリシリコン層14cがエッチングされる。
次に、図10に示すように、ワード線上のシリコン窒化膜31が除去された後、全面に例えばシリコン酸化膜32が形成され、ワード線WL間がシリコン酸化膜32により埋め込まれる。
次に、図11及び図1に示すように、シリコン酸化膜32上にコンタクトを形成するための複数のパターン34が、リソグラフィーにより形成される。このパターン34は、に示すように、活性領域13のパターンに対して半ピッチ(F/2)ずらして形成される。
この後、図12に示すように、上記パターン34を用いて、活性領域13を形成するシリコンに対してシリコン酸化膜の選択比が大きな条件でRIE(Reactive Ion Etching)が行われる。この結果、パターン34間のシリコン酸化膜32、及び活性領域13の一方の側面に隣接する素子分離領域12が除去され、活性領域13の一方の側面、及び上面の一部が露出される。
次いで、パターン34を除去した後、例えばコバルト又はニッケルのような金属が全面にスパッタ、又はCVD(Chemical Vapor Deposition)により形成される。この後、熱処理され、未反応の金属を除去される。
これにより、図13に示すように、露出された活性領域13の一方の側面、及び上面の一部にシリサイド層16が自己整合的に形成される。
次に、全面に図示せぬバリアメタル及び例えばタングステンが例えばCVDにより形成され、パターン34をストッパーとしてCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化される。
これにより、図14に示すように、シリサイド層16に接触されたコンタクト15が形成される。すなわち、このコンタクト15は、活性領域13の一方の側面と上面に形成されたシリサイド層16に接触されている。このため、接触面積を増大することができ、コンタクト抵抗を低減することができる。
尚、本実施形態において、コンタクト15は、セルフアラインプロセスにより形成される。このため、ゲート電極14上にも開口が形成される。しかし、ゲート電極14(ワード線WL)上は、選択性エッチングによりエッチングされず、ゲート電極14間及び活性領域13、素子分離領域12上に開口が形成される。
上記製造工程により、サドルフィン構造を有するトランジスタを形成することができる。この後、コンタクト15の上方に記憶素子21やソース線SL、ビット線BLが形成され、半導体記憶装置が完成される。
尚、ソース、ドレインを構成するN拡散層は、例えば図9に示すワード線の形成工程の後、活性領域13に不純物イオンを注入することにより形成できる。
上記第1の実施形態によれば、サドルフィン構造を有するトランジスタを形成することができる。このため、ゲート長を増加させることができるため、オフリークを低減することが可能である。しかも、活性領域13の一側面及び上面の一部にシリサイド層16を形成し、このシリサイド層16上にコンタクト15を形成している。このため、ソース、ドレイン領域としての活性領域13の上面積が小さく接触面積が小さいサドルフィントランジスタにおいて、活性領域13とコンタクト15との接触面積を増大でき、コンタクト抵抗を低減することが可能である。したがって、第1のサドルフィン構造を有するトランジスタは、電流を増加することが可能であるとともに、動作速度の高速化が可能であり、MRAM等のデバイスに適用することが可能である。
また、活性領域13の上面からの活性領域13の側面に形成されたシリサイド層16の深さは、RCAT溝17の活性領域13の上面からの深さの約1/3に設定され、コンタクト15と活性領域13との接触面が、チャネル領域の高さに接近している。このため、深さ方向のシリコンの寄生抵抗を低減することが可能である。
(変形例)
図15は、第1の実施形態の変形例を示している。
第1の実施形態は、活性領域13の一側面及び上面の一部にシリサイド層16を形成した。これに対して、変形例は、シリサイド層16を形成せずにバリアメタル41を介してコンタクト15を活性領域13の一側面及び上面の一部に接触させている。
すなわち、例えば図12に示すように、活性領域13の一側面と上面の一部を露出させる工程の後、シリサイド処理を行わず、例えばチタンなどのバリアメタル41を形成する。この後、バリアメタル41上にタングステンが埋め込まれることにより、コンタクト15が形成される。
上記変形例によれば、バリアメタル41により活性領域13の一側面及び上面の一部をシリサイド化することができる。このため、第1の実施形態に比べて、若干コンタクト抵抗が高くなるが、変形例の構成によっても、活性領域13とコンタクト15との接触面積を増大でき、従来に比べてコンタクト抵抗を低減することが可能である。
(第2の実施形態)
図16乃至図18は、第2の実施形態を示している。第1の実施形態は、活性領域13の一側面及び上面の一部にシリサイド層16を形成した。これに対して、第2の実施形態は、活性領域13の両側面及び上面全部にシリサイド層16を形成する。
すなわち、第1の実施形態において、図1に示すコンタクトを形成するためのパターン34は、活性領域13の形成ピッチに対して半ピッチずれて形成されていた。これに対して、第2の実施形態は、図16に示すように、コンタクトを形成するための開口パターン40は、活性領域13の形成ピッチに対応して形成され、活性領域13の面積よりも若干大きな開口面積を有している。このようなパターンは、活性領域13と同等の開口を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンをスリミングすることにより形成することができる。
この開口パターン40を用いてエッチングを行った場合、図17に示すように、活性領域13の周囲に位置する素子分離領域13が除去される。このため、活性領域13の両側面及び上面全部が露出される。この後、シリサイド処理が行われる。
これにより、図18に示すように、露出された活性領域13の両側面及び上面全面にシリサイド層16が形成される。この後、シリサイド層16上にコンタクト15が形成される。
第2の実施形態において、活性領域13は両側面及び上面の3面をシリサイド化しているため、活性領域13の幅がシリサイド層16の厚みの2倍より大きく設定できる場合のみ、有効である。
第2の実施形態によれば、活性領域13の3面にシリサイド層16が形成されているため、第1の実施形態に比べて、さらにコンタクト抵抗を低減することが可能である。また、開口パターンのリソグラフィーを半ピッチずらす必要がないため、製造が容易である。
(変形例)
図19は、第2の実施形態の変形例を示している。この変形例は、活性領域13の両側面及び上面にシリサイド層を形成するものである。
第2の実施形態は、図9に示すように、ゲート電極(ワード線WL)を形成した後、ワード線間を絶縁膜により完全に埋め込んだ。これに対して、この変形例は、ワード線間を絶縁膜により完全に埋め込まず、図19に示すように、素子分離領域12上に対応して側壁絶縁膜42が形成される。
すなわち、図19に示すように、ワード線WLの側面に側壁絶縁膜42を形成した後、図16に示すように、コンタクトを形成するための複数のパターン40が形成される。このパターン40は、活性領域13の形成ピッチに対応して形成され、活性領域13の面積よりも若干大きな開口面積を有している。このパターン40及び側壁絶縁膜42をマスクとして、素子分離領域12がエッチングされ、活性領域13の両側に凹部13aが形成される。このため、図17に示すように、活性領域13の両側面及び上面が露出される。
この後、図18に示すように、露出された活性領域13の両側面及び上面にシリサイド層16が形成される。次いで、シリサイド層16上にコンタクト15が形成される。このコンタクト15は、活性領域13の両側面及び上面に形成されたシリサイド層16に接して形成される。したがって、第1の実施形態に比べてシリサイド層16とコンタクト15との接触面積を増加できる。このため、コンタクト抵抗を第1の実施形態より低減することができる。
尚、第2の実施形態において、シリサイド層16を形成せず、第1の実施形態の変形例のように、バリアメタルを形成後、コンタクト15を形成することも可能である。
さらに、図9に示すように、ワード線WLを形成した後、図10に示すようにワード線WL相互間を絶縁膜で埋め込む工程を行わず、図19に示すように側壁絶縁膜42を形成する。この後、素子分離領域12の全面をエッチングし、素子分離領域12の上面の高さを、活性領域12の上面の高さより低くする。すると、活性領域13の両側面及び上面が露出される。この後、活性領域13の露出された両側面及び上面の全面にシサイド層が形成される。このような製造方法によっても、上記変形例と同様の構成を得ることが可能である。
(第3の実施形態)
図20、図21は、第3の実施形態を示している。第1、第2の実施形態は、活性領域13が島状に形成されていた。これに対して、第3の実施形態は、図20、図21に示すように、3つ以上のワード線WLに対して、活性領域13と素子分離領域12とが、ラインアンドスペース(L/S)パターンとなっている。
また、第1、第2の実施形態の場合、一対のワード線の相互間に、ワード線の形成ピッチより広いスペースが形成されている。これに対して、第3の実施形態において、このようなスペースがなく、ワード線と絶縁膜のL/Sパターンにより形成している。
図20において、コンタクトの開口パターン34は、第1の実施形態と同様に、活性領域13の形成ピッチに対して半ピッチずれている。このため、シリサイド層は、第1の実施形態と同様に、活性領域13の一側面と上面の一部に形成される。
また、図21において、コンタクトの開口パターン40は、第2の実施形態と同様に、活性領域13の形成ピッチに一致されている。このため、シリサイド層は、第2の実施形態と同様に、活性領域13の両側面と上面全体に形成される。
第1、第2の実施形態の場合、一対のワード線を含む4つの活性領域13が、素子分離領域12により分離されている。
これに対して、第3の実施形態の場合、一対のワード線を含む4つの活性領域13が、一対のワード線の間に設けられたダミーゲートにより分離される。すなわち、ダミーゲートは、それに接続されたダミーワード線DWLの電位が、例えば0Vに設定され、トランジスタがオフ状態とされている。
第3の実施形態によれば、活性領域13及びワード線WLを、規則度の高いL/Sパターンで形成できる。このため、リソグラフィーが容易であるという利点を有している。
本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において種々変形実施可能なことは勿論である。
11…シリコン基板、12…素子分離領域、13…活性領域、14…ゲート電極、15…コンタクト、16…シリサイド層、17…RCAT溝、18…ゲート絶縁膜、21…記憶素子、34、40…コンタクトの開口パターン、WL…ワード線、BL…ビット線。

Claims (12)

  1. 半導体基板内に設けられ、第1の側面、前記第1の側面に平行する第2の側面、及び前記第1、第2の側面を繋ぐ上面を有するフィン状の活性領域と、
    前記活性領域に形成された溝内及び前記溝を跨いで形成され、前記活性領域と絶縁されたワード線の一部としてのゲート電極と、
    前記ゲート電極の両側の前記活性領域に位置し、ソース、ドレイン領域としての前記活性領域の少なくとも前記第1の側面に形成されたシリサイド層と、
    前記シリサイド層に接続され、少なくとも記憶素子を接続するためのコンタクトと
    を具備し、
    前記活性領域の幅が前記ゲート電極のゲート幅の2/3以下であることを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 前記シリサイド層の深さは、前記溝の深さの1/3に設定されていることを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 前記シリサイド層及び活性領域に接触されるコンタクトは、前記活性領域の幅を1ピッチとした場合、前記ワード線方向に半ピッチずれていることを特徴とする請求項2記載の半導体記憶装置。
  4. 前記シリサイド層は、前記活性領域の第1、第2の側面及び上面に形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  5. 前記活性領域の第1、第2の側面及び上面に形成され前記シリサイド層に接触されるコンタクトを具備することを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置。
  6. 前記コンタクトは底面が少なくともコバルト、ニッケル、NiPtのうちの1つであることを特徴とする請求項3又は5記載の半導体記憶装置。
  7. 半導体基板内に、素子分離領域により分離され、第1の側面と前記第1の側面に平行する第2の側面と、前記第1、第2の側面を繋ぐ上面を有するフィン状の活性領域を形成し、
    前記活性領域に第1の溝を形成し、前記活性領域に隣接する前記素子分離領域に前記第1の溝より深い第2の溝を形成し、
    前記第1、第2の溝内に、前記活性領域を跨ぎ、前記活性領域から絶縁されたワード線の一部としての第1のゲート電極を形成し、
    前記ゲート電極の両側の前記活性領域の少なくとも前記第1の側面にシリサイド層を形成し、
    前記ゲート電極の両側の前記活性領域に形成された前記シリサイド層に少なくとも記憶素子を接続するためのコンタクトを形成する
    ことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
  8. 前記活性領域の幅が前記ゲート電極のゲート幅の2/3以下であることを特徴とする請求項7記載の半導体記憶装置の製造方法。
  9. 前記シリサイド層の深さは、前記第1の溝の深さの1/3に設定されていることを特徴とする請求項8記載の半導体記憶装置の製造方法。
  10. 前記シリサイド層及び活性領域に接触されるコンタクトは、前記活性領域の幅を1ピッチとした場合、前記ワード線方向に半ピッチずれていることを特徴とする請求項9記載の半導体記憶装置の製造方法。
  11. 前記シリサイド層は、前記活性領域の第1、第2の側面及び上面に形成されていることを特徴とする請求項7記載の半導体記憶装置の製造方法。
  12. 前記コンタクトは底面がコバルトであることを特徴とする請求項7又は10記載の半導体記憶装置の製造方法
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