JP5236676B2 - スタティック・ランダム・アクセス・メモリ - Google Patents

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本発明は、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ(Static Random Access Memory:SRAM)に関するものである。
近年、微細加工技術等の進展によってLSI(大規模集積回路)の高速化および高集積化が進んでいる。そして、CMOS型SRAMのメモリセルは、例えば後述する図5に示すように構成されるが、このSRAMについて高速化と低電圧化を両立させる技術が各種提案されている(例えば、特許文献1,2)。
すなわち、特許文献1では、CMOS型SRAMにおいて、ワード線とメモリセル内のアクセストランジスタのウェルとを直接接続し、又はワード線とメモリセル内のアクセストランジスタのウェルとドライバトランジスタのウェルとを直接接続する等によって、サブスレッショルド電流の低減を図る技術が開示されている。
また、特許文献2では、CMOS型SRAMにおいて、ワード線とメモリセル内のアクセストランジスタのウェルとを直接接続し、さらにドライバトランジスタのゲート電極とウェルとを直接接続し、安定した低電圧動作を可能にする技術が開示されている。
特開平11−16363号公報 特開2000−114399号公報
ところで、LSIでは、パフォーマンス向上のため、サイズおよび電源電圧のスケーリングを行っているが、これらのスケーリングは、スタティックノイズマージン(SNM)の低下を引き起こすので、リード時に誤動作を生じさせるという問題がある。以下、図5〜図7を参照して説明する。なお、図5は、SRAMのメモリセルの一般的な構成例を示す回路図である。図6は、スタティックノイズマージン(SNM)を説明する特性図である。図7は、スタティックノイズマージン(SNM)の電源電圧依存性を説明する特性図である。
図5に示すように、SRAMのメモリセルは、NMOSトランジスタである一対のドライバトランジスタ111,112と、PMOSトランジスタである一対のロードトランジスタ113,114と、NMOSトランジスタである一対のアクセストランジスタ116,117とを備えている。
ドライバトランジスタ111,112のソース電極はそれぞれ接地(GND)に接続されている。また、ロードトランジスタ113,114のソース電極はそれぞれ電源VDDに接続されている。ドライバトランジスタ111のドレイン電極はロードトランジスタ113のドレイン電極とアクセストランジスタ116のドレイン電極とに接続されている。この接続点を以降「ノードN1」と称する。アクセストランジスタ116のソース電極はビット線119に接続され、ゲート電極はワード線118に接続されている。
ドライバトランジスタ112のドレイン電極はロードトランジスタ114のドレイン電極とアクセストランジスタ117のドレイン電極とに接続されている。この接続点を以降「ノードN2」と称する。アクセストランジスタ117のソース電極は反転ビット線120に接続され、ゲート電極はワード線118に接続されている。
ドライバトランジスタ111のゲート電極とロードトランジスタ113のゲート電極は共通に接続されるとともに、ノードN2に接続されている。また、ドライバトランジスタ112のゲート電極とロードトランジスタ114のゲート電極は共通に接続されるとともに、ノードN1に接続されている。
以上の構成において、リード動作を考える。メモリセルのノードN1は“L”レベルに設定され、ノードN2は“H”レベルに設定されているとする。つまりドライバトランジスタ111はオン動作状態にあり、ドライバトランジスタ112はオフ動作状態にある。ビット線119と反転ビット線120は、共に“H”レベルにプリチャージされ、ワード線118が“L”レベルから“H”レベルに立ち上がると、ノードN1は“L”レベルであるので、アクセストランジスタ116がオン動作を行い、アクセストランジスタ116からドライバトランジスタ111を介して接地(GND)に向けてカラム電流が流れる。
ノードN1の電位“L”レベルは、通常、接地(GND)レベルに近い値となり、そのためドライバトランジスタ112はオフ動作状態を維持するが、ノイズ等によってノードN1の電位がドライバトランジスタ112のしきい値電圧まで上昇する可能性がある。
この場合には、ドライバトランジスタ112が僅かにオン動作状態に移行し、ノードN2の電位を“H”レベルから“L”レベルに向けて低下させてしまう。そうすると、アクセストランジスタ117がオン動作状態に移行するので、ビット線119と反転ビット線120との電位差をセンスアンプで読み取れなくなり、リードの誤動作を生じさせる。
図6では、横軸にノードN1の電位VN1が示され、縦軸にノードN2の電位VN2が示されている。図6に示すように、一方の電位を固定して他方の電位を変化させると、ノードN2の電位VN2は特性125のように変化し、ノードN1の電位VN1は特性126のように変化し、両者を重ねるとめがね状のアイカーブが得られる。目の部分127の開きの大きさがスタティックノイズマージン(SNM)を示し、目の部分127の開きが小さくなるとスタティックノイズマージン(SNM)は低下する。
図7では、横軸に電源電圧Vddが示され、縦軸にスタティックノイズマージン(SNM)が示されている。図7に示すように、スタティックノイズマージン(SNM)は、電源電圧Vddに依存し、電源電圧Vddの低下に伴いスタティックノイズマージン(SNM)は低下する。要するに、高速動作と低電圧動作とを両立させる場合には、スタティックノイズマージン(SNM)の低下を回避する措置を講ずる必要がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、スタティックノイズマージンの低下を抑制する構造を備えたスタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)を得ることを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明にかかるスタティック・ランダム・アクセス・メモリは、スタティック・ランダム・アクセス・メモリのメモリセルにおける一対のロードトランジスタは、それぞれ、第1のSiGe膜がシリコン基板のソース領域と第1のシリサイド膜との間に存在し、第2のSiGe膜がシリコン基板のドレイン領域と第2のシリサイド膜との間に存在し、前記第1のSiGe膜ならびに前記第2のSiGe膜の表面は、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間のチャネル領域のシリコン基板の表面よりも低い位置に存在することを特徴とする。
本発明によれば、高速動作と低電圧動作とを両立させる場合に、スタティックノイズマージンの低下を抑制することができるので、リード時に誤動作が生ずるのを低減できるという効果を奏する。
図1は、本発明の実施の形態1によるSRAMのメモリセルの要部構成を示す断面図である。 図2は、図1に示すメモリセルの製造方法を説明する工程図(その1)である。 図3は、図1に示すメモリセルの製造方法を説明する工程図(その2)である。 図4は、本発明の実施の形態2によるSRAMのメモリセルの要部構成を示す断面図である。 図5は、SRAMのメモリセルの一般的な構成例を示す回路図である。 図6は、スタティックノイズマージン(SNM)を説明する特性図である。 図7は、スタティックノイズマージン(SNM)の電圧依存性を説明する特性図である。
以下に、本発明にかかるスタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるSRAMのメモリセルの要部構成を示す断面図である。図1では、バルク型メモリセルにおける片方のドライバトランジスタであるNMOSトランジスタ30と対応するロードトランジスタであるPMOSトランジスタ40との断面構造が示されている。
図1おいて、NMOSトランジスタ30が形成されるP型ウェル31とPMOSトランジスタ40が形成されるN型ウェル41との接合部には、所定深さの絶縁膜(SiO2膜)が形成されている。
P型ウェル31では、ソース領域を構成するN+拡散層32aとドレイン領域をN+拡散層32bとの表面にシリサイド膜33a,33bが堆積されている。そして、ゲート電極35は、ポリシリコン膜36の上面にシリサイド膜37が堆積され、サイドウォール38で囲まれている。これらは、一般的な構造である。
一方、N型ウェル41では、ソース領域を構成するP+拡散層42aでは、SiGe膜43aがエピタキシャル成長によって形成され、その表面側にシリサイド膜44aが堆積されている。また、ドレイン領域をP+拡散層42bでは、SiGe膜43bがエピタキシャル成長によって形成され、その表面側にシリサイド膜44bが堆積されている。そして、ゲート電極45では、ポリシリコン膜46の上面にSiGe膜43cがエピタキシャル成長によって形成され、その上面にシリサイド膜47が堆積され、サイドウォール48で囲まれている。
SiGe膜43a,43bの深さは、ソース領域42aおよびドレイン領域42bの接合深さよりも浅いが、サイドウォール48よりも中に入り込んでいる。なお、SiGe膜43a,43b,43cは、SiGeC膜でもよい。
次に、図2と図3を参照して、図1に示すメモリセルの製造方法を説明する。図2において、(1)シリコン基板50のNMOSトランジスタ作成領域51にSiNを数百nm堆積してSiN膜55を形成しレジスト膜56で被覆してパターニングする。また、シリコン基板50のPMOSトランジスタ作成領域52にSiO2を数十nm堆積してSiO2膜53を形成し、レジスト膜54で被覆してパターニングする。
(2)分離部のエッチングを約200nm〜300nm行い、酸化膜(SiO2)56,57を500nm程度堆積する。(3)CMP(化学的機械的研磨)を行い、SiO2膜53とSiN膜55の上部を覆う酸化膜(SiO2)56,57を除去するとともに、SiO2膜53とSiN膜55とを研磨する。(4)SiO2膜53とSiN膜55とを除去し、ウェル注入を行う。NMOSトランジスタ作成領域51では、以下のようにボロンBを注入し、図1に示したP型ウェル31を形成する。すなわち、「B数百keV、数e13cm-2」「B数十keV、数e13cm-2」「B数十keV、数e12cm-2〜13cm-2」で注入を行う。また、PMOSトランジスタ作成領域52では、以下のようにリンPと砒素Asを注入し、図1に示したN型ウェル41を形成する。すなわち、「P数百keV、数e13cm-2」「As数十keV、数e12cm-2〜13cm-2」で注入を行う。
(5)表面の酸化膜を除去してゲート酸化膜を数nm堆積し、その上にポリシリコン膜58a,58bを数十nm〜数百nm堆積し、パターニングを行う。(6)酸化膜を10nm程度堆積した後にサイドウォール59の形成を行い、両トランジスタの作成領域において、ソース領域60a、およびドレイン領域60bの注入を行う。具体的には、NMOSトランジスタ作成領域51では、「As数keV、数e14cm-2〜15nm-2」で注入を行う。また、PMOSトランジスタ作成領域52では、「B数eV、数e14cm-2〜15nm-2」で注入を行う。(7)さらに、酸化膜を50nm程度堆積した後にサイドウォール62の形成を行う。
図3において、(8)酸化膜63を数十nm程度堆積し、NMOSトランジスタ作成領域51をレジスト膜64で被覆する。(9)PMOSトランジスタ作成領域52において、ソース領域、ドレイン領域およびゲート電極を数十nmエッチングする。その後、レジスト膜64を除去する。
(10)PMOSトランジスタ作成領域52において、エッチングしたソース領域、ドレイン領域およびゲート電極にSiGe膜65,67,66をエピタキシャル成長によって形成する。前記したように、SiGe膜に代えてSiGeC膜でもよい。
(11)PMOSトランジスタ作成領域52をレジスト68で被覆し、NMOSトランジスタ作成領域51を被覆する酸化膜をエッチングして除去する。(12)PMOSトランジスタ作成領域52上のレジスト膜68を除去し、ソース領域およびドレイン領域の注入を行う。すなわち、NMOSトランジスタ作成領域51では「As数keV、数e15nm-2」で注入を行い、ソース領域69およびドレイン領域70を形成する。また、PMOSトランジスタ作成領域52では「B数百eV、数e15nm-2」で注入を行い、ソース領域72およびドレイン領域71を形成する。
(13)ソースドレインアニールを1000℃程度で、1秒以内行い、ソースドレイン上およびゲート電極上をシリサイド膜73で被覆する。(14)その後、ソースドレイン上およびゲート電極上を絶縁膜75で被覆し、ソース領域およびドレイン領域を電極パッド76,77,78,79に配線する。
以上のようにして、PMOSトランジスタ、つまり、バルク型のメモリセルにおける一対のロードトランジスタそれぞれのソース領域およびドレイン領域とシリサイド膜との間にそれぞれ双方に接触するSiGe膜またはSiGeC膜をエピタキシャル成長によって介在させ、ゲート電極のポリシリコン膜とシリサイド膜との間に双方に接触するSiGe膜またはSiGeC膜をエピタキシャル成長によって介在させることができる。
図1において、このように、PMOSトランジスタ40では、ソース領域42aとドレイン領域42bにおいて、シリサイド膜の下方にSiGe膜やSiGeC膜をエピタキシャル成長によって形成することで、チャネルに圧縮応力を印加することができる。これによって、PMOSトランジスタ40、つまりロードトランジスタの電流駆動能力を向上させることができる。
その結果、SRAMの読み出し時に、オフ動作状態にあるドライバトランジスタがノイズによって僅かにオン動作したとしても、対応するオン動作状態のロードトランジスタは電流駆動能力が高まっているので、電位低下を抑制することができる。したがって、スタティックノイズマージン(SNM)の低下を抑制することができ、リード時の誤動作を低減することができる。なお、PMOSトランジスタ40のN型ウェル41に対向するビット線を接続すれば、一層効果的に電位低下を抑制することができる。
実施の形態2.
図2は、本発明の実施の形態2によるSRAMのメモリセルの要部構成を示す断面図である。この実施の形態2では、SOI型のメモリセルへの適用例が示される。すなわち、図2において、シリコン基板81の上面には、埋め込み酸化膜82が形成され、この埋め込み酸化膜82の上部にNMOSトランジスタ83とPMOSトランジスタ84とが形成される。
図2おいて、NMOSトランジスタ83が形成されるP型ウェル85とPMOSトランジスタ84が形成されるN型ウェル94とは、埋め込み酸化膜82上に形成されるが、両者の接合部には絶縁膜(SiO2膜)が形成されている。
P型ウェル85では、ソース領域を構成するN+拡散層84とドレイン領域をN+拡散層86との表面にシリサイド膜87,88が堆積されている。そして、ゲート電極89はポリシリコン90の上面にシリサイド膜91が堆積され、サイドウォール92で囲まれている。これらは、一般的な構造である。
一方、N型ウェル94では、ソース領域を構成するP+拡散層95では、SiGe膜96aがエピタキシャル成長によって形成され、その表面側にシリサイド膜97が堆積されている。また、ドレイン領域をP+拡散層93では、SiGe膜96bがエピタキシャル成長によって形成され、その表面側にシリサイド膜98が堆積されている。そして、ゲート電極99では、ポリシリコン膜100の上面にSiGe膜96cがエピタキシャル成長によって形成され、その上面にシリサイド膜101が堆積され、サイドウォール102で囲まれている。
SiGe膜96a,96bの深さは、ソース領域95およびドレイン領域93の接合深さよりも浅いが、サイドウォール102よりも中に入り込んでいる。なお、SiGe膜96a,96b,96cは、SiGeC膜でもよい。
この実施の形態2によるメモリセルも、基本的には、図2、図3に示した工程で作成することができる。このように、SOI型のPMOSトランジスタ84において、ソース領域95とドレイン領域93において、シリサイド膜の下方にSiGe膜やSiGeC膜をエピタキシャル成長によって形成すると、チャネルに圧縮応力を印加することができる。これによって、PMOSトランジスタ84、つまりロードトランジスタの電流駆動能力を向上させることができる。
その結果、実施の形態1にて説明したように、SRAMのリード時に、オフ動作状態にあるドライバトランジスタがノイズによって僅かにオン動作したとしても、対応するオン動作状態のロードトランジスタは電流駆動能力が高まっているので、電位低下を抑制することができる。したがって、スタティックノイズマージン(SNM)の低下を抑制することができ、リード時の誤動作を低減することができる。
そして、SOI型であるので、実施の形態1よりも速度性能を向上させることができ、ソフトエラー耐性を向上させることができる。なお、PMOSトランジスタ84のN型ウェル94に対向するビット線を接続すれば、一層効果的に電位低下を抑制することができる。
以上のように、この発明にかかるSRAMは、スタティックノイズマージンの低下を抑制できるSRAMとして有用であり、特に、高速動作と低電圧動作とを両立させる場合に好適である。
30,83 NMOSトランジスタ(ドライバトランジスタ)
40,84 PMOSトランジスタ(ロードトランジスタ)
42a,95 ソース領域
42b,93 ドレイン領域
43a,43b,43c,96a,96b,96c SiGe膜(SiGeC膜)
44a,44b,47,97,98,101 シリサイド膜
45,99 ゲート電極
46,100 ポリシリコン膜

Claims (14)

  1. スタティック・ランダム・アクセス・メモリのメモリセルにおける一対のロードトランジスタは、それぞれ、
    第1のSiGe膜がシリコン基板のソース領域と第1のシリサイド膜との間に存在し、
    第2のSiGe膜がシリコン基板のドレイン領域と第2のシリサイド膜との間に存在し、
    前記第1のSiGe膜ならびに前記第2のSiGe膜の表面は、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間のチャネル領域のシリコン基板の表面よりも低い位置に存在する
    ことを特徴とするスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  2. 前記第1のSiGe膜が前記ソース領域と前記第1のシリサイド膜の両方に接し、
    前記第2のSiGe膜が前記ドレイン領域と前記第2のシリサイド膜の両方に接する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  3. 前記ロードトランジスタのゲート電極の両側壁には2重のサイドウォールが存在し、
    前記第1のSiGe膜は前記ゲート電極からソース領域側の前記2重のサイドウォールの外側のサイドウォール直下まで存在せず、
    前記第2のSiGe膜は前記ゲート電極からドレイン領域側の前記2重のサイドウォールの外側のサイドウォール直下まで存在していない、
    ことを特徴とする請求項2に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  4. 第3のSiGe膜が前記ゲート電極のポリシリコン膜と第3のシリサイド膜との間に存在する
    ことを特徴とする請求項に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  5. 前記第3のSiGe膜が前記ゲート電極のポリシリコン膜と前記第3のシリサイド膜の両方に接する、
    ことを特徴とする請求項に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  6. 前記第1のシリサイド膜は、前記ソース領域との間に前記第1のSiGe膜を介し、前記第1のシリサイド膜は、前記ソース領域とは接しておらず、
    前記第2のシリサイド膜は、前記ドレイン領域との間に前記第のSiGe膜を介し、前記第のシリサイド膜は、前記ドレイン領域とは接していない、
    ことを特徴とする請求項に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  7. 半導体基板、埋め込み絶縁層及びSOI層からなるSOI構造である、
    ことを特徴とする請求項1〜のいずれか一つに記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  8. スタティック・ランダム・アクセス・メモリのメモリセルにおける一対のロードトランジスタは、それぞれ、
    第1のSiGeC膜がシリコン基板のソース領域と第1のシリサイド膜との間に存在し、
    第2のSiGeC膜がシリコン基板のドレイン領域と第2のシリサイド膜との間に存在し、
    前記第1のSiGeC膜ならびに前記第2のSiGeC膜の表面は、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間のチャネル領域のシリコン基板の表面よりも低い位置に存在する
    ことを特徴とするスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  9. 前記第1のSiGeC膜が前記ソース領域と前記第1のシリサイド膜の両方に接し、
    前記第2のSiGeC膜が前記ドレイン領域と前記第2のシリサイド膜の両方に接する
    ことを特徴とする請求項に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  10. 前記ロードトランジスタのゲート電極の両側壁には2重のサイドウォールが存在し、
    前記第1のSiGe膜は前記ゲート電極からソース領域側の前記2重のサイドウォールの外側のサイドウォール直下まで存在せず、
    前記第2のSiGe膜は前記ゲート電極からドレイン領域側の前記2重のサイドウォールの外側のサイドウォール直下まで存在していない、
    ことを特徴とする請求項9に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  11. 第3のSiGeC膜が前記ゲート電極のポリシリコン膜と第3のシリサイド膜との間に存在する
    ことを特徴とする請求項10に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  12. 前記第3のSiGeC膜が前記ゲート電極のポリシリコン膜と前記第3のシリサイド膜の両方に接する
    ことを特徴とする請求項11に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  13. 前記第1のシリサイド膜は、前記ソース領域との間に前記第1のSiGeC膜を介し、前記第1のシリサイド膜は、前記ソース領域とは接しておらず、
    前記第2のシリサイド膜は、前記ドレイン領域との間に前記第のSiGeC膜を介し、前記第のシリサイド膜は、前記ドレイン領域とは接していない、
    ことを特徴とする請求項10に記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
  14. 半導体基板、埋め込み絶縁層及びSOI層からなるSOI構造である
    ことを特徴とする請求項13のいずれか一つに記載のスタティック・ランダム・アクセス・メモリ。
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