JP5462863B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体メモリ及びメモリシステムに関するものであり、特にFeRAM(強誘電体メモリ:Ferro Electric Random Access Memory)を搭載した半導体記憶装置に関する。
強誘電体メモリとは、強誘電体の分極反転を利用して情報を強誘電体キャパシタに保持するメモリであり、電源を断っても保持された情報が消失しない不揮発メモリである。
半導体記憶装置では、メモリ領域以外に周辺回路領域が設けられている。この周辺回路領域は、CMOSトランジスタから構成されるロジック回路や電源回路、A/D変換回路などの様々な回路が設けられている。これらの回路の電源電圧を安定化させるなどの目的で平滑容量が搭載される。メモリを搭載する製造プロセスにおいては、これらの平滑容量をメモリセルのメモリキャパシタと同一材料で同時に形成する構成が採られている。例えば、特許文献1及び特許文献2では、メモリとして機能しないダミーメモリセルのメモリキャパシタを平滑容量として機能させている。
特開2008−10765号公報 特開2003−332532号公報
しかしながら、半導体記憶装置では小型化と高集積化の要望が益々高まっており、電源電圧を安定化させるなどの目的で搭載が必要な平滑容量の占有面積が無視できなくなってきており、高集積化の課題である。
また、不揮発メモリであるFeRAMメモリ装置では、電源途絶時のデータ保護、例えば所定の電圧以上で書込み及び読み出し動作を完了させるなどを行うために、非常に大きな平滑容量が必要となっており、その占有面積が課題である。
前記課題を解決するため、請求項1記載の半導体記憶装置では、列方向に並んで配置した複数のビット線と、行方向に並んで配置した複数のワード線と、前記ビット線と前記ワード線との交差点に配置され、前記ビット線とプレート配線との間に直列接続された選択素子と第1の容量素子とを有し、前記選択素子の制御端子を前記ワード線に接続した複数のメモリセルとからなるメモリセルアレイとを備え、前記第1の容量素子の下層において、2つ以上の前記メモリセルにまたがって、第2の容量素子を具備し、前記選択素子は第1のMOSトランジスタであり、前記第2の容量素子は第2のMOSトランジスタであることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、前記請求項1記載の半導体記憶装置において、前記選択素子に接続される前記第1の容量素子の電極の短辺の長さと長辺の長さが異なることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、前記請求項1又は2記載の半導体記憶装置において、前記メモリセルアレイの周囲に記憶素子として使用しないダミーメモリセルアレイを備え、前記ダミーメモリセルアレイのビット線と前記第2の容量素子の端子とが接続されることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、前記請求項1記載の半導体記憶装置において、前記第1のMOSトランジスタのゲート酸化膜厚より前記第2のMOSトランジスタのゲート酸化膜厚が薄いことを特徴とする。
請求項5記載の発明は、前記請求項1又は4記載の半導体記憶装置において、前記第1のMOSトランジスタのソースとドレインの方向と、前記第2のMOSトランジスタのソースとドレインの方向とは、異なることを特徴とする。
請求項6記載の発明は、前記請求項1、4及び5の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記第1及び第2のMOSトランジスタは、NMOSトランジスタであることを特徴とする。
請求項7記載の発明は、前記請求項1及び4〜6の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記第1のMOSトランジスタの前記制御端子は、ゲート電極であることを特徴とする。
請求項8記載の発明は、前記請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記第2の容量素子の第1の端子の接続電位は電源電圧であり、前記第2の容量素子の第2の端子の接続電位は接地電位であることを特徴とする。
請求項9記載の発明は、前記請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記第2の容量素子の第1の端子の接続電位は、ワード線を駆動する電源電圧であり、前記第2の容量素子の第2の端子の接続電位は接地電位であることを特徴とする。
請求項10記載の発明は、前記請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記第2の容量素子の第1の端子の接続電位は、周辺回路部に搭載する内部電源回路の電源電圧であり、前記第2の容量素子の第2の端子の接続電位は接地電位であることを特徴とする。
請求項11記載の発明は、前記請求項1〜10の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記第1の容量素子は、強誘電体容量であることを特徴とする。
請求項12記載の発明は、前記請求項1〜11の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記複数のビット線は、前記第1の容量素子よりも下方に配置されることを特徴とする。
請求項13記載の発明は、前記請求項1〜11の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、記複数のビット線は、前記第1の容量素子よりも上方に配置されることを特徴とする。
請求項14記載の発明は、前記請求項1〜13の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、前記複数のメモリセルは、第1のメモリセルと第2のメモリセルとを含み、前記第1のメモリセルの選択素子は、前記第1のメモリセルに含まれる第1の容量素子が接続される第1の拡散領域と、ビット線に接続される第2の拡散領域とを有し、前記第2のメモリセルの選択素子は、前記第2のメモリセルに含まれる第1の容量素子が接続される第3の拡散領域と、ビット線に接続される第4の拡散領域とを有し、前記第1のメモリセルの選択素子のゲート電極と前記第2のメモリセルの選択素子のゲート電極とは、異なるワード線に接続されており、前記第1の拡散領域と前記第3の拡散領域との間に、前記第2の容量素子が配置されることを特徴とする。
以上により、請求項1記載の発明では、複数のメモリセル領域にまたがって第2の容量素子を形成するので、第2の容量素子を大容量の平滑容量として搭載することが可能になる。また、第2の容量素子はメモリセルアレイ内に複数配置できるので、非常に大きな平滑容量を、面積を増加させることなく搭載できると共に、第2の容量素子をMOSトランジスタで構成するので、プロセスの工程を追加することなく第2の容量を搭載できる。
また、請求項2記載の半導体記憶装置では、第1の容量素子の選択素子に接続される電極の短辺と長辺の長さを変更することにより、第1の容量素子のメモリ特性(例えば保持電荷量)と、メモリセル面積とを維持したまま、隣接する2本のワード線の間隔を増大できるので、第2の容量素子の容量を増大でき、より大容量の平滑容量を搭載できる。
更に、請求項3記載の半導体記憶装置では、メモリセルアレイの周囲に記憶素子として使用しないダミーメモリセルアレイを備えた場合には、そのダミーメモリセルアレイのビット線と第2の容量素子の端子とを接続するので、第2の容量の端子接続を、面積を増加させることなく行うことが可能になる。
また、請求項4記載の半導体記憶装置では、選択素子と第2の容量素子とは、ゲート酸化膜圧が異なるMOSトランジスタであり、前記選択素子は、電源電圧を第1の容量素子に印加できるように、(電源電圧+MOS閾値電圧)以上の耐圧のMOSトランジスタが使用され、一方、前記第2の容量素子は平滑容量として使用する関係上、電源電圧の耐圧が確保できていれば問題なく、従って、第2の容量素子(平滑容量)のゲート酸化膜圧を電源電圧の耐圧が確保できる膜厚まで薄膜化したMOSトランジスタで構成でき、より大容量の平滑容量を搭載できる。
更に、請求項5記載の半導体記憶装置では、第1のMOSトランジスタである選択素子のソースとドレインの方向と、第2のMOSトランジスタである第2の容量素子のソースとドレインの方向とが異なるように配置されるので、第2の容量素子のMOSトランジスタのソースとドレインの面積を小さくすることが可能になり、より大容量の平滑容量を搭載できる。
以上説明したように、請求項1〜14記載の発明の半導体記憶装置によれば、メモリセルアレイに大容量の平滑容量を配置できるので、電源電圧の安定化などに必要な平滑容量を、面積を増加させることなく搭載できる。
本発明の第1の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第2の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 同メモリセルアレイのB−B’断面図及び平面図である。 同メモリセルアレイのC−C’断面図及び平面図である。 本発明の第3の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第4の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第5の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第6の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第7の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第8の実施形態の半導体記憶装置に備えるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図である。 本発明の第1の実施形態の半導体記憶装置の全体概略構成を示す図である。
(実施形態1)
図11は、本発明の半導体記憶装置を概略構成を示す。同図において、901はメモリセルアレイ、902は周辺回路領域である。
図1は、本発明の請求項1、4、7を適用した第1の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示す。同平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイを示している。メモリセルの構成をこれ等のA−A’断面図及び平面図を用いて説明する。
同図において、100は基板、109は行方向に延びるビット線、WLは列方向に延びるワード線である。前記ビット線109とワード線WLとの各交差点には、各々、メモリセルが配置される。以下、行方向に隣接する第1及び第2のメモリセルA及びBについて説明する。
前記メモリセルAは、第1の容量素子としての強誘電体メモリ容量素子Cと、選択素子としてのトランスファゲートTGとを備える。
前記メモリセルAの強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、101はプレート配線(上部電極)、102は強誘電体、103は下部電極である。また、トランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、105及び107は前記トランスファゲートTGの拡散領域、106はゲート電極である。前記トランスファゲートTGの一方の拡散領域(第1の拡散領域)105は下部電極コンタクト104を介して強誘電体メモリ容量素子Cの下部電極103に接続され、前記トランスファゲートTGの他方の拡散領域(第2の拡散領域)107はビット線コンタクト108を介してビット線109に接続されていて、これ等強誘電体メモリ容量素子CとトランスファゲートTGとが前記ビット線109とプレート配線(上部電極)との間に直列接続されている。前記トランスファゲートTGのゲート電極(制御端子)106は前記ワード線WLに接続される。
一方、前記メモリセルAに隣接するメモリセルBも、メモリセルAと同様の構成であって、第1の容量素子としての強誘電体メモリ容量素子Cと、選択素子としてのトランスファゲートTGとを備え、メモリセルBのトランスファゲートTGのゲート電極106に接続されるワード線WLは、メモリセルAのトランスファゲートTGのゲート電極106に接続されるワード線WLとは異なる。メモリセルBについての詳細な説明は、メモリセルAの構成と同一部分に同一の符号を付して省略する。
そして、前記2つのメモリセルA、Bを含む列方向の多数個のメモリセルにまたがって、それ等の各強誘電体メモリ容量素子Cの下層には、メモリセルAのトランスファゲートTGの強誘電体メモリ容量素子Cに接続された拡散領域(第1の拡散領域)105と、隣接するメモリセルBのトランスファゲートTGの強誘電体メモリ容量素子Cに接続された拡散領域(第3の拡散領域)105との間を含む列方向の領域において、第2の容量素子としての平滑容量SCが配置されている。
前記平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、列方向に延びるゲート電極112と、拡散領域113とを備えて、MOSトランジスタ容量を構成している。前記平滑容量SCにおいて、メモリセルアレイ901の一端部にはコンタクト114が配置されて平滑容量SCの拡散領域113が接地電位に接続され、メモリセルアレイ901の他端部にはコンタクト115が配置されて平滑容量SCのゲート電極112が電源電位に接続される。尚、図1において、130及び131は素子分離領域である。
このように、2つのメモリセルA、Bを含む複数個のメモリセル間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極112を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域113を行方向に配置することにより、強誘電体メモリ容量素子Cの領域に平滑容量SCを配置することが可能になる。
(実施形態2)
図2は、本発明の請求項1、4、6及び7を適用した第2の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示す。同平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイを示している。以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。
同図において、200は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、201はプレート配線(上部電極)、202は強誘電体、203は下部電極、204はトランスファゲートTGの拡散領域205への下部電極コンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、205及び207は前記トランスファゲートTGの拡散領域、206はゲート電極であってワード線WLに接続されている。また、208はビット線コンタクト、209はビット線であり、拡散領域207とビット線209とはビット線コンタクト208で接続される。
そして、平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、ゲート電極212と、拡散領域213とにより、MOSトランジスタ容量を構成している。230及び231は素子分離領域である。メモリセルアレイ901の端部でコンタクト214を配置して平滑容量SCの拡散領域213を接地電位に接続し、コンタクト215で平滑容量SCのゲート電極212を電源電位に接続している。
図3は、メモリセルアレイのB−B’断面図及び平面図を示す。同図において、251及び252は素子分離領域、253は接地電位に接続された配線である。拡散領域213をコンタクト214を介して接地電位に接続している。
図4は、メモリセルアレイのC−C’断面図及び平面図を示す。同図において、261は素子分離領域、263は電源電位VDDに接続された配線である。ゲート電極212をコンタクト215を介して配線263の電源電位VDDに接続している。
このように、メモリセルAとメモリセルBとの間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極212を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域213を列方向に配置することにより、強誘電体メモリ容量素子Cの領域に、実施形態1に対してより大容量の平滑容量SCを配置することが可能になる。
(実施形態3)
図5は、本発明の請求項1、2、4、6、7を適用した第3の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示す。同平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイを示している。以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。
同図において、300は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、301はプレート配線(上部電極)、302は強誘電体、303は下部電極、304はトランスファゲートTGの拡散領域305への下部電極コンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、305及び307は前記トランスファゲートTGの拡散領域、306はトランスファゲートTGのゲート電極であってワード線WLに接続されている。308はビット線コンタクト、309はビット線であり、拡散領域307とビット線309とはビット線コンタクト308で接続される。
そして、平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、ゲート電極312と、拡散領域313とを有し、MOSトランジスタ容量を構成している。330及び331は素子分離領域である。メモリセルアレイ901の端部でコンタクト314を配置して平滑容量SCの拡散領域313を接地電位に接続し、コンタクト315で平滑容量SCのゲート電極312を電源電位に接続する。
図5において、Cap_X3及びCap_Y3は、強誘電体メモリ容量素子Cの下部電極303の行方向サイズ及び列方向サイズである。前記サイズCap_X3及びCap_Y3の積は、強誘電体メモリ容量素子Cの面積であり、メモリ特性を満足するように設定される。このとき、Cap_X3> Cap_Y3と設定することにより、メモリセルAとメモリセルBとの下部電極コンタクト304が接続される拡散領域305の間隔をより大きくすることができる。
このように、メモリセルAとメモリセルBとの間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極312を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域313を列方向に配置し、かつ強誘電体メモリ容量素子Cの下部電極303の形状を長方形にすることにより、強誘電体メモリ容量素子Cの領域に、実施形態2に対してより大容量の平滑容量SCを配置することが可能になる。
(実施形態4)
図6は、本発明の請求項1、2、3、4、6、7を適用した第4の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示す。同平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイ440と、ダミーメモリセルアレイ420、421とを示しており、メモリセルアレイ周囲にダミーメモリセルアレイが必要な場合に本発明を適用した実施形態である。
以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。同図において、400は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、401はプレート配線(上部電極)、402は強誘電体、403は下部電極、404はトランスファゲートTGの拡散領域405への下部電極コンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、405及び407は前記トランスファゲートTGの拡散領域、406はゲート電極であってワード線WLに接続されている。408はビット線コンタクト、409はビット線であり、前記拡散領域407とビット線409とはビット線コンタクト408で接続される。
また、平滑容量SCは、ゲート電極412と、拡散領域413とを有し、MOSトランジスタ容量を構成している。尚、430及び431は素子分離領域である。
更に、420及び421はダミーメモリセルアレイ、422及び423はダミービット線であってその電位は接地電位である。一方のダミーメモリセルアレイ420にコンタクト415を配置して、平滑容量SCの拡散領域413をダミービット線422に接続して接地電位に設定している。また、前記ダミーメモリセルアレイ420の端部にコンタクト414を配置して、平滑容量SCのゲート電極412を、ワード線WLを駆動する電源電位VDDに接続している。尚、この電源電位VDDは、図11に示した周辺回路領域902に配置される周辺回路部(図示せず)内に搭載する内部電源回路の電源電圧としても良い。
このように、メモリセルAとメモリセルBとの間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極412を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域413を列方向に配置して平滑容量SCを構成し、ダミーメモリセルアレイ420のダミービット線422を利用して前記平滑容量SCの拡散領域413の電位を接続する。従って、平滑容量SCの拡散領域413の接続をダミーメモリセルアレイ420で行うことにより、平滑容量SCの拡散領域413のコンタクトを配置するスペースを削減でき、メモリセルアレイ901のより一層の面積削減ができる。
(実施形態5)
図7は、本発明の請求項1、2、3、4、6、7を適用した第5の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示す。同平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイ540と、ダミーメモリセルアレイ520、521とを示しており、メモリセルアレイ周囲にダミーメモリセルアレイが必要な場合に本発明を適用した実施形態である。
以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。同図において、500は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリCにおいて、501はプレート配線(上部電極)、502は強誘電体、503は下部電極、504はトランスファゲートTGの拡散領域505への下部電極コンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、505及び507は前記トランスファゲートTGの拡散領域、506はゲート電極であってワード線WLに接続されている。508はビット線コンタクト、509はビット線であり、拡散領域507とビット線509とはビット線コンタクト508で接続される。
また、平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、ゲート電極(第1の端子)512と、拡散領域(第2の端子)513とを有し、MOSトランジスタ容量を構成している。530及び531は素子分離領域である。
更に、520及び521はダミーメモリセルアレイ、522はダミービット線であってその電位は接地電位である。523はダミービット線であってその電位は電源電位である。
ダミーメモリセルアレイ520にコンタクト515が配置されて平滑容量SCの拡散領域513がダミービット線522を介して接地電位に接続される。また、ダミーメモリセルアレイ521にコンタクト514が配置されて、平滑容量SCのゲート電極512がダミービット線523を介して電源電位に接続される。
このように、メモリセルAとメモリセルBとの間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極512を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域513を列方向に配置して平滑容量SCを構成する。そして、ダミーメモリセル520のダミービット線522を利用して平滑容量SCの拡散領域513を接地電位に接続し、平滑容量SCのゲート電極512をダミーメモリセル521のダミービット線523を利用して電源電位に接続する。平滑容量SCの端子接続をダミーメモリセルアレイ部で行うことにより、端子接続スペースを削減でき、実施形態4よりもメモリセルアレイの面積削減ができる。
(実施形態6)
図8は、本発明の請求項1、4、5、6、7を適用した第6の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示す。同平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイを示している。以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。
同図において、600は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、601はプレート配線(上部電極)、602は強誘電体、603は下部電極、604はトランスファゲートTGの拡散領域605への下部電極コンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、605及び607は前記トランスファゲートTGの拡散領域、606はゲート電極であってワード線WLに接続されている。608はビット線コンタクト、609はビット線であり、拡散領域607とビット線609とはビット線コンタクト608で接続される。
また、平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、ゲート電極612と、拡散領域613とを有し、MOSトランジスタ容量を構成している。そして、このMOSトランジスタ容量のゲート酸化膜厚は、前記トランスファゲートTGのゲート酸化膜厚よりも薄くすることが本実施形態の特徴点である。例えば、前記トランスファゲートTGは、強誘電体メモリ容量素子Cの下部電極603に所望の書込み電圧を印加する必要があるため、電源電圧と同じレベルの書き込み電圧を印加する場合には、トランスファゲートTGのゲート電圧を(電源電圧+MOSの閾値電圧)以上にする必要がある。このため、トランスファゲートTGのゲート酸化膜の耐圧は(電源電圧+閾値電圧)以上必要になる。しかし、平滑容量SCは目的の電源に対する耐圧があれば良い。従って、電源電圧に対して平滑容量SCを構成する場合は、耐圧は通常の電源電圧に対して確保できていれば良い。よって、平滑容量SCのゲート酸化膜圧は、トランスファゲートTGのゲート酸化膜圧よりも薄くでき、例えばトランスファゲートTGのゲート酸化膜厚tをt=7nmに設定し、平滑容量SCのゲート酸化膜厚tをt=3.5nmとした場合には、約2倍の容量値を確保できる。
(実施形態7)
図9は、本発明の請求項1、4、6、7を適用した第7の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示し、ビット線が強誘電体メモリ容量素子Cよりも上方に配置される場合の実施形態である。前記平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイを示している。以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。
同図において、700は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、701はプレート配線(上部電極)、702は強誘電体、703は下部電極であり、上部電極701と強誘電体702と下部電極703とにより強誘電体メモリ容量素子Cを形成する。704はトランスファゲートTGの拡散領域705への下部電極コンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、705及び507は前記トランスファゲートTGの拡散領域、706はゲート電極であってワード線WLに接続されている。708はビット線コンタクト、709はビット線であり、拡散領域707とビット線709とはビット線コンタクト708で接続される。
また、平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、ゲート電極712と、拡散領域713とを有し、MOSトランジスタ容量を構成している。730及び731は素子分離領域である。メモリセルアレイ901の端部でコンタクト714を配置して平滑容量SCの拡散領域713を接地電位に接続し、コンタクト715で平滑容量SCのゲート電極712を電源電位に接続する。
このように、ビット線709を強誘電体メモリ容量素子Cよりも上方に配置した構成においても、メモリセルAとメモリセルBとの間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極712を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域713を列方向に配置することにより、強誘電体メモリ容量素子Cの領域に、平滑容量SCを配置することが可能になる。
(実施形態8)
図10は、本発明の請求項1、4、6、7を適用した第8の実施形態による半導体記憶装置におけるメモリセルアレイのA−A’断面図及び平面図を示し、ビット線が強誘電体メモリ容量素子Cよりも上方に配置され、強誘電体メモリ容量素子Cがプレーナ型の場合の実施形態である。前記平面図は、メモリセルアレイ901の一部の4行2列のメモリセルアレイを示している。以下、複数のメモリセルの構成をA−A’断面図のメモリセルAを用いて説明する。
同図において、800は基板である。第1の容量素子である強誘電体メモリ容量素子Cにおいて、801はプレート配線(上部電極)、802は強誘電体、803は下部電極であり、上部電極801と強誘電体802と下部電極803とにより強誘電体メモリ容量素子Cを形成する。840はプレート配線(上部電極)コンタクト、841は第1配線層である。804はトランスファゲートTGの拡散領域805へのコンタクトである。
選択素子であるトランスファゲートTGは、第1のNMOSトランジスタで構成されていて、805及び807は前記トランスファゲートTGの拡散領域、806はゲート電極であってワード線WLに接続されている。808はビット線コンタクト、809はビット線であり、拡散領域807とビット線809とはビット線コンタクト808で接続されている。
また、平滑容量SCは、第2のNMOSトランジスタで構成されていて、ゲート電極812と、拡散領域813とを有し、MOSトランジスタ容量を構成している。830及び831は素子分離領域である。メモリセルアレイ901の端部でコンタクト814を配置して平滑容量SCの拡散領域813を接地電位に接続し、コンタクト815で平滑容量SCのゲート電極812を電源電位に接続している。
このように、ビット線809を誘電体メモリ容量素子Cよりも上方に配置した構成で、誘電体メモリ容量素子Cがプレーナ型の構成においても、メモリセルAとメモリセルBとの間にまたがって、電源に接続した共通のゲート電極812を配置し、ソース・ドレインとして拡散領域813を列方向に配置することにより、強誘電体メモリ容量素子Cの領域に、平滑容量SCを配置することが可能になる。
以上説明したように、本発明は、回路の電源電圧を安定化させるなどの目的で必要となる平滑容量をメモリセルアレイ部に搭載できて、チップ面積を削減できるので、例えば強誘電体を用いた半導体メモリやDRAM等の半導体記憶装置として有用である。
TG トランスファゲート(選択素子)
105〜805 トランスファゲートの拡散領域
106〜806 トランスファゲートのゲート電極
107〜807 トランスファゲートの拡散領域
C 強誘電体メモリ容量素子(第1の容量素子)
101〜801 プレート配線(上部電極)
102〜802 強誘電体
103〜803 下部電極
104〜804 コンタクト
100〜800 基板
108〜808 ビット線コンタクト
109〜809 ビット線
WL ワード線
SC 平滑容量(第2の容量素子)
112〜812 平滑容量のゲート電極
113〜813 平滑容量の拡散領域
114〜814、
115〜815 平滑容量素子へのコンタクト
130〜830、
131〜831 素子分離領域
840 プレート配線(上部電極)コンタクト
841 第1配線層
420、421 ダミーメモリセルアレイ

Claims (14)

  1. 列方向に並んで配置した複数のビット線と、
    行方向に並んで配置した複数のワード線と、
    前記ビット線と前記ワード線との交差点に配置され、前記ビット線とプレート配線との間に直列接続された選択素子と第1の容量素子とを有し、前記選択素子の制御端子を前記ワード線に接続した複数のメモリセルとからなるメモリセルアレイとを備え、
    前記第1の容量素子の下層において、2つ以上の前記メモリセルにまたがって、第2の容量素子を具備し、
    前記選択素子は第1のMOSトランジスタであり、前記第2の容量素子は第2のMOSトランジスタである
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 前記請求項1記載の半導体記憶装置において、
    前記選択素子に接続される前記第1の容量素子の電極の短辺の長さと長辺の長さが異なる
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  3. 前記請求項1又は2記載の半導体記憶装置において、
    前記メモリセルアレイの周囲に記憶素子として使用しないダミーメモリセルアレイを備え、
    前記ダミーメモリセルアレイのビット線と前記第2の容量素子の端子とが接続される
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  4. 前記請求項1記載の半導体記憶装置において、
    前記第1のMOSトランジスタのゲート酸化膜厚より前記第2のMOSトランジスタのゲート酸化膜厚が薄い
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  5. 前記請求項1又は4記載の半導体記憶装置において、
    前記第1のMOSトランジスタのソースとドレインの方向と、前記第2のMOSトランジスタのソースとドレインの方向とは、異なる
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  6. 前記請求項1、4及び5の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記第1及び第2のMOSトランジスタは、NMOSトランジスタである
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  7. 前記請求項1及び4〜6の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記第1のMOSトランジスタの前記制御端子は、ゲート電極である
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  8. 前記請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記第2の容量素子の第1の端子の接続電位は電源電圧であり、前記第2の容量素子の第2の端子の接続電位は接地電位である
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  9. 前記請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記第2の容量素子の第1の端子の接続電位は、ワード線を駆動する電源電圧であり、前記第2の容量素子の第2の端子の接続電位は接地電位である
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  10. 前記請求項1〜7の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記第2の容量素子の第1の端子の接続電位は、周辺回路部に搭載する内部電源回路の電源電圧であり、前記第2の容量素子の第2の端子の接続電位は接地電位である
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  11. 前記請求項1〜10の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記第1の容量素子は、強誘電体容量である
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  12. 前記請求項1〜11の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記複数のビット線は、前記第1の容量素子よりも下方に配置される
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  13. 前記請求項1〜11の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記複数のビット線は、前記第1の容量素子よりも上方に配置される
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  14. 前記請求項1〜13の何れか1項に記載の半導体記憶装置において、
    前記複数のメモリセルは、第1のメモリセルと第2のメモリセルとを含み、
    前記第1のメモリセルの選択素子は、前記第1のメモリセルに含まれる第1の容量素子が接続される第1の拡散領域と、ビット線に接続される第2の拡散領域とを有し、
    前記第2のメモリセルの選択素子は、前記第2のメモリセルに含まれる第1の容量素子が接続される第3の拡散領域と、ビット線に接続される第4の拡散領域とを有し、
    前記第1のメモリセルの選択素子のゲート電極と前記第2のメモリセルの選択素子のゲート電極とは、異なるワード線に接続されており、
    前記第1の拡散領域と前記第3の拡散領域との間に、前記第2の容量素子が配置される
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
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