JP5522622B2 - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体記憶装置及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP5522622B2
JP5522622B2 JP2009065907A JP2009065907A JP5522622B2 JP 5522622 B2 JP5522622 B2 JP 5522622B2 JP 2009065907 A JP2009065907 A JP 2009065907A JP 2009065907 A JP2009065907 A JP 2009065907A JP 5522622 B2 JP5522622 B2 JP 5522622B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
bit line
adjacent
silicon pillars
pillars
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009065907A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2010219386A5 (ja
JP2010219386A (ja
Inventor
和弘 野島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PS4 Luxco SARL
Original Assignee
PS4 Luxco SARL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PS4 Luxco SARL filed Critical PS4 Luxco SARL
Priority to JP2009065907A priority Critical patent/JP5522622B2/ja
Priority to US12/726,920 priority patent/US8415738B2/en
Publication of JP2010219386A publication Critical patent/JP2010219386A/ja
Publication of JP2010219386A5 publication Critical patent/JP2010219386A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5522622B2 publication Critical patent/JP5522622B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C13/00Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
    • G11C13/0002Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements
    • G11C13/0004Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using resistive RAM [RRAM] elements comprising amorphous/crystalline phase transition cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7827Vertical transistors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/01Manufacture or treatment
    • H10B12/02Manufacture or treatment for one transistor one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/05Making the transistor
    • H10B12/053Making the transistor the transistor being at least partially in a trench in the substrate
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B63/00Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices
    • H10B63/30Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B63/34Resistance change memory devices, e.g. resistive RAM [ReRAM] devices comprising selection components having three or more electrodes, e.g. transistors of the vertical channel field-effect transistor type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

本発明は半導体記憶装置及びその製造方法に関し、特に、シリコンピラーを用いた縦型トランジスタを有する半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
これまで、半導体記憶装置の集積度向上は、主にトランジスタの微細化によって達成されてきたが、トランジスタの微細化はもはや限界に近づいており、これ以上トランジスタサイズを縮小すると、短チャネル効果などによって正しく動作しないおそれが生じている。
このような問題を根本的に解決する方法として、半導体基板を立体加工し、これによりトランジスタを3次元的に形成する方法が提案されている。中でも、半導体基板の主面に対して垂直方向に延びるシリコンピラーをチャネルとして用いるタイプの3次元トランジスタは、占有面積が小さく且つ完全空乏化によって大きなドレイン電流が得られるという利点を有しており、4F(Fは最小加工寸法)の最密レイアウトも実現可能である(特許文献1〜4参照)。
特開2008−288391号公報 特開2008−300623号公報 特開2008−311641号公報 特開2009−010366号公報
シリコンピラーを用いた縦型トランジスタの具体的な構造には各種のものがあるが、そのうちのひとつにおいては、マトリクス状に多数配置されたシリコンピラーの間にビット線が配線される。各ビット線は隣接する各シリコンピラーの上端又は下端と電気的に接続されるが、接続されるのは延伸方向片側に位置する各シリコンピラーのみである。このような接続は、具体的にはビット線を覆う絶縁用酸化膜の一部に開口部を設けることによって実現される。
しかしながら、シリコンピラーを用いた縦型トランジスタは上述したように4Fの最密レイアウトを実現するためのものであるため、ビット線を覆う絶縁用酸化膜も大変薄く作られており、上記開口部を形成するためにはF値以下の加工精度が必要になる。そのため、開口部の形成には非常な困難が伴う。
本発明による半導体記憶装置は、マトリクス状に配置され、それぞれの側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつそれぞれの上端が記憶素子と電気的に接続される複数のシリコンピラーと、各シリコンピラーの間を互いに直交する方向に配線されたビット線及びワード線とを備え、前記ビット線は、両側のシリコンピラーの下端と、1行おきに電気的に接続し、前記ワード線は、両側のシリコンピラー側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と、1列おきに電気的に接続することを特徴とする。
また、本発明の他の一側面による半導体記憶装置は、直交する第1のビット線及び第1のワード線と、それぞれの側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつそれぞれの上端が記憶素子と電気的に接続される第1乃至第4のシリコンピラーとを備え、前記第1及び第2のシリコンピラーは、前記第1のビット線を挟んで隣り合い、前記第3及び第4のシリコンピラーは、前記第1のビット線を挟んで隣り合い、前記第1及び第3のシリコンピラーは、前記第1のワード線を挟んで隣り合い、前記第2及び第4のシリコンピラーは、前記第1のワード線を挟んで隣り合い、前記第1のビット線は前記第3及び第4のシリコンピラーの下端と電気的に接続し、前記第1のワード線は前記第1及び第3のシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と電気的に接続することを特徴とする。
また、本発明による半導体記憶装置の製造方法は、ワード線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラーの下部を接続するシリコンブリッジを有し、ビット線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラーが、互いに逆方向のシリコンピラーと前記シリコンブリッジにより接続されるマトリクス状のシリコンピラー群を形成するとともに、シリコンピラー間のビット線配線領域に少なくとも前記シリコンブリッジの上面と同じ高さまで絶縁層を形成する第1の工程と、前記ビット線配線領域をエッチングすることにより、前記シリコンブリッジ内及び前記絶縁層内を貫くビットトレンチを形成する第2の工程と、前記ビットトレンチ内にビット線を形成する第3の工程とを備えることを特徴とする。
また、本発明の他の一側面による半導体記憶装置の製造方法は、シリコンピラー形成領域をワード線延伸方向に2つずつマスクするための複数のサブマスクパターンを有し、かつ各サブマスクパターンがビット線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラー形成領域を、互いに逆方向のシリコンピラー形成領域とともにマスクする第1のマスクパターンを用い、第1の深さまでシリコン基板をエッチングする第1の工程と、前記エッチングにより形成された溝を埋める絶縁層を形成する第2の工程と、ビット線配線領域以外の領域をマスクする第2のマスクパターンを用い、前記第1の深さより浅い第2の深さまで、前記絶縁層が形成された前記シリコン基板をエッチングする第3の工程と、前記ビット線配線領域をエッチングすることにより、前記シリコン基板内及び前記絶縁層内にビットトレンチを形成する第4の工程と、前記ビットトレンチ内にビット線を形成する第5の工程とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、ビット線とシリコンピラーとが接続する部分において、片側のみに開口部を設ける必要がなくなる。したがって、開口部の形成が容易になる。また、ビット線を両側のシリコンピラーと一列おきに電気的に接続し、かつワード線を両側のシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と1列おきに接続するようにしたので、メモリセルの選択及び読み書きを好適に実施できる。
本発明の実施の形態による半導体記憶装置の平面図である。 図1のB−B’線断面図である。 図1のC−C’線断面図である。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の模式的な平面図である。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の平面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の平面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の平面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の平面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態の変形例による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の実施の形態の変形例による半導体記憶装置の側斜視断面図であり、製造工程の一部を示している。 本発明の背景技術による半導体記憶装置の平面図である。 図25のA−A’線断面図である。
本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する前に、本発明の背景技術による半導体記憶装置の構造について説明する。
図25は、背景技術による半導体記憶装置1の平面図である。また、図26は、図25のA−A’線断面図である。図25に示すように、半導体記憶装置1は、2F間隔(中心距離)でマトリクス状に配置された多数のシリコンピラー2を有する。これらシリコンピラー2の間には、列方向(図25に示したY方向)に延伸する多数のビット線BLが設けられる。また、行方向(図25に示したX方向)には、一連のシリコンピラーと交差しつつ延伸するワード線WLが設けられる。ビット線BL、ワード線WLのピッチはともに2Fである。
各シリコンピラー2はセルトランジスタとして機能するものであり、ワード線WLがこのセルトランジスタのゲート電極となる。これに対応し、各シリコンピラー2の側面にはゲート絶縁膜3が設けられている。
セルトランジスタのソース・ドレイン領域となる部分は、各シリコンピラー2の上端と下端とに設けられた不純物拡散領域4,5である。上端の不純物拡散領域4は、キャパシタなどの図示しない記憶素子と電気的に接続されている。一方、下端の不純物拡散領域5はビット線BLと接続されている。
ビット線BLと不純物拡散領域5との接続について詳しく説明する。ビット線BLは他の構成要素と絶縁分離するために絶縁膜7で覆われているが、その一部に開口部8を有する。ビット線BLと不純物拡散領域5とは、この開口部8を介して接続する。開口部8は、ビット線BLから見てX方向一方側(図25では右側)に隣接するシリコンピラー2との間に設けられており、したがって、ビット線BLはX方向一方側に隣接する一連のシリコンピラー2と接続している。
セルトランジスタの動作について説明する。ある記憶素子に対して読み書きを行う場合、その記憶素子と接続されているシリコンピラー2のゲート電極であるワード線WLを活性化させる。すると、シリコンピラー2の上端の不純物拡散領域4と下端の不純物拡散領域5との間にチャネル6ができ、ビット線BLと記憶素子とが電気的に接続される。これにより、ビット線BLを用いて記憶素子の読み書きができるようになる。
さて、ビット線BLと不純物拡散領域5とを接続するための開口部8の大きさは、図25及び図26から明らかなように、最小加工寸法Fに比べて非常に小さい。したがって、背景技術による半導体記憶装置1には、開口部8の形成が難しいという問題がある。本実施の形態による半導体記憶装置は、このような問題に鑑み、ビット線BLとシリコンピラーとを電気的に接続するための開口部の形成を容易化するものである。
以下、本実施の形態による半導体記憶装置の構造について説明する。
図1は、本実施の形態による半導体記憶装置10の平面図である。また、図2,図3はそれぞれ、図1のB−B’線断面図,C−C’線断面図である。半導体記憶装置10はP型のシリコン基板上に形成されるものであり、図1に示すように、2F間隔(中心距離)でマトリクス状に配置された多数のシリコンピラー11を有している。これらシリコンピラー11の間には、列方向(図1に示したY方向)に延伸する多数のビット線BLと、行方向(図1に示したX方向)に延伸する多数のワード線WLとが設けられる。ビット線BL、ワード線WLのピッチはともに、背景技術と同じ2Fである。
シリコンピラー11の側壁には、ゲート絶縁膜12を介してゲート電極13が形成される。ゲート電極13の上端の一部分にはゲートコンタクト14が設けられており、このゲートコンタクト14により、ゲート電極13とワード線WLとが接続する。
ゲートコンタクト14の配置について説明する。ゲートコンタクト14は、図3に示すように、Y方向に隣り合う2つのシリコンピラー11のゲート電極間に設けられ、これらを互いに接続する。これにより、これら2つのシリコンピラー11のゲート電極は、同一のワード線WLに接続することになる。
また、ある行に属する一連のシリコンピラー11に着目すると、ゲートコンタクト14によって接続される相手は、1つずつ互いに異なる方向に位置するシリコンピラー11となっている。これにより、ワード線WLは、両側のシリコンピラー11の側壁にそれぞれ形成されたゲート電極13と1列おきに電気的に接続することになるとともに、隣り合うワード線WLは、互いに1列ずつずれた位置にあるシリコンピラー11の側壁に形成されたゲート電極13と接続することになる。言い換えれば、各ワード線WLが接続するゲート電極13は、隣り合う他のワード線WLとは異なるシリコンピラー11の側壁に形成されたゲート電極13となっている。
シリコンピラー11の上端には、ソース・ドレイン領域の一方となるN型の不純物拡散領域15が設けられている。この不純物拡散領域15は、図2及び図3に示したエピタキシャル層17及びコンタクトプラグ18を介して記憶素子と電気的に接続している。なお、半導体記憶装置10がDRAM(Dynamic Random Access Memory)である場合、この記憶素子としてキャパシタを用いる。一方、半導体記憶装置10がPRAM(Phase change Random Access Memory)である場合、この記憶素子として相変化膜を用いる。図2及び図3には、記憶素子としてキャパシタを用いる例を示している。この場合、同図に示すようにコンタクトプラグ18上には円筒形状の下部電極60が設置され、その内部には、容量絶縁膜61を介して上部電極62が設置される。上部電極62は、基準電位配線PLに接続している。
シリコンピラー11の下端には、露出したビット線BLを取り囲むようにして、ソース・ドレイン領域の他方となるN型の不純物拡散領域16が設けられている。
ビット線BLと不純物拡散領域16との接続について詳しく説明する。ビット線BLは他の構成要素と絶縁分離するためにシリコン酸化膜19で覆われているが、シリコン酸化膜19は一部に開口部20を有している。ビット線BLと不純物拡散領域16とは、この開口部20を介して接続する。開口部20は、図1に示すように、ビット線BLから見て両側に隣接するシリコンピラー11との間に1行おきに設けられている。したがって、ビット線BLは、両側のシリコンピラー11と1行おきに電気的に接続している。
また、ある列に属する一連のシリコンピラー11に着目すると、開口部20によって接続されるビット線BLは、1つずつ互いに異なる方向に位置するビット線BLとなっている。同じことをビット線BLから見ると、隣り合うビット線BLは、互いに1行ずつずれた位置にあるシリコンピラー11と接続している。言い換えれば、各ビット線BLが接続するシリコンピラー11は、隣り合う他のビット線BLと異なるシリコンピラー11となっている。
以上の構成により実現されるセルトランジスタの動作について説明する。ある記憶素子に対して読み書きを行う場合、その記憶素子と接続されているシリコンピラー11のゲート電極13に接続しているワード線WLを活性化させる。すると、これらのシリコンピラー11の上端の不純物拡散領域15と下端の不純物拡散領域16との間に、図2に示したようなチャネル21ができる。つまり、これらのシリコンピラー11それぞれによって構成されるセルトランジスタがオン状態となる。したがって、これらのシリコンピラー11に接続している記憶素子は、ビット線BLと接続された状態になる。
図4は、セルトランジスタの動作について説明するための図であり、半導体記憶装置10の模式的な平面図である。同図では、図1に示した構成要素のうち、シリコンピラー11、ワード線WL、ゲートコンタクト14、ビット線BL、及び開口部20のみを抜き出して描いている。また、同図中では、シリコンピラー11(同図では、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13も含めて、1つの四角形で表している。)、ワード線WL、ビット線BLの符号に下付きの添え字を付している。以下の図4の説明では、この添え字を引用することにより、これらを特定することにする。
図4の例において例えばワード線WLを活性化すると、シリコンピラー1121,1123,1131,1133においてチャネル21(図2)が形成される。つまり、シリコンピラー1121,1123,1131,1133それぞれによって構成されるセルトランジスタがオン状態となる。したがって、シリコンピラー1121,1123,1131,1133はそれぞれ、ビット線BL,BL,BL,BLと電気的に接続される。つまり、1つのビット線BLに1つの記憶素子が接続されることになるので、ビット線BLを用いて記憶素子の読み書きができるようになる。
以上説明したように、半導体記憶装置10では、ビット線BLとシリコンピラー11とが接続する部分において、図26に示したような片側のみの開口部を設ける必要がない。具体的には、半導体記憶装置10では、ビット線BLとシリコンピラー11とが接続する部分において、ビット線BLは両側のシリコンピラー11と接続するので、図2に示したように、上面を除く全面を開口部とすることができる。したがって、開口部の形成が容易になる。
また、ビット線BLを両側のシリコンピラー11と一行おきに電気的に接続し、かつワード線WLを両側のシリコンピラー11の側壁にそれぞれ形成されたゲート電極13と1列おきに接続するようにしたので、上記したように、ビット線BLを用いて記憶素子の読み書きができる。したがって、半導体記憶装置10では、メモリセルの選択及び読み書きを好適に実施できることになる。
次に、半導体記憶装置10の製造方法について、図5〜図22を参照しながら説明する。なお、図5〜図22のうち、図5,図6,図16,図18は、半導体記憶装置10の平面図である。この4つの図以外の各図は、図1中のD線に沿う断面図を含む、半導体記憶装置10の側斜視断面図である。
まず、図5及び図6はそれぞれ、シリコンピラー11を形成するための第1及び第2のマスクパターンを示す図である。シリコンピラー11は、これら第1及び第2のマスクパターンを用いて、いわゆるダブルパターニング法により形成される。
図5に一点鎖線で示した矩形の領域11pは、シリコンピラー形成領域を示している。図5に示すように、第1のマスクパターンは、シリコンピラー形成領域11pをX方向に2つずつマスクするための複数のサブマスクパターン30(3F×Fのパターン)を有する。各サブマスクパターン30は、Y方向に隣り合う2つのシリコンピラー形成領域11pを、互いに逆方向のシリコンピラー形成領域11pとともにマスクする。
一方、第2のマスクパターンは、図6に示すように、ビット線配線領域以外の領域をマスクするものであり、具体的には幅F,間隔Fの縞状パターン31を有する。なお、図6に一点鎖線で示した矩形の領域30は、図5に示したサブマスクパターン30である。
初めに、P型のシリコン基板上に薄いシリコン酸化膜を介してシリコン窒化膜を堆積させ、図5に示した第1のマスクパターン状にパターニングする。具体的には、図5に示すように、X方向に3Fの長さを有し、Y方向にFの長さを有するパターン30を、X方向Y方向ともに間隔Fで、マトリクス状に形成する。なお、隣り合う行では、X方向に2Fずつずらしてパターン30を形成する。
次に、シリコン基板を、深さ200nm程度(第1の深さ)まで選択的にエッチングする。その結果、XY平面内の断面が1F×3Fの大きさであるシリコンピラー11aが形成される。その後、図7に示すように、シリコンピラー11aの間をシリコン酸化膜19(絶縁層)で埋め、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などによって表面を平坦化する。
次に、再度薄いシリコン酸化膜を介してシリコン窒化膜を堆積させ、図6に示した第2のマスクパターン状にパターニングする。具体的には、図6に示すように、幅F,間隔Fの縞状パターン31を形成する。なお、縞の長手方向はY方向とする。
次に、パターン30、シリコン酸化膜19、及びシリコン基板を、シリコンピラー11aの下端から50nmの深さ(第2の深さ)までエッチングする。このエッチングでは、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン基板を等速でエッチングする必要があるが、これは複数ステップを有するドライエッチング法によって実現する。エッチングの結果、図8に示すように、XY平面内の断面が1F×1Fの大きさであるシリコンピラー11が、図1に示したようなマトリクス状に形成される。そして、X方向に隣り合う2つのシリコンピラー11の下部にはこれらを接続するシリコンブリッジ11bが形成され、さらに、Y方向に隣り合う2つのシリコンピラー11は、互いに逆方向のシリコンピラー11とシリコンブリッジ11bにより接続されることになる。
次に、表面の熱酸化を行い、図9に示すように全面にシリコン酸化膜33を形成する。このシリコン酸化膜33は、表面保護のために形成するものである。続いて、窒化シリコンを堆積し、エッチバックを行うことで、シリコンピラー11の側壁に厚さ5nm程度のサイドウォール窒化膜34(絶縁膜)を形成する。なお、図9においてサイドウォール窒化膜34の上端がシリコン酸化膜33の上面よりも低い位置にあるが、これはプロセスの結果として生ずる形状である。
次に、サイドウォール窒化膜34をストッパーとして用いてシリコン酸化膜19及びシリコン基板のエッチングを行うことにより、シリコンピラー11の間に、図10に示すような、シリコンブリッジ11b内及びシリコン酸化膜19内を貫いてX方向に延伸する溝35(ビットトレンチ)を形成する。このエッチングでも、シリコン酸化膜とシリコン基板とを等速でエッチングする必要があるので、複数ステップを有するドライエッチング法を用いる。
溝35を形成したら、次にこの溝35の中に、ビット線BLとなる高濃度ポリシリコン36(高濃度の不純物がドープされたドープドポリシリコン。)を成膜し、エッチバックする。このとき、ポリシリコンからの不純物拡散により、高濃度ポリシリコン36周辺のシリコンピラー11内に、N型の不純物拡散領域16が形成される。その後、図11に示すように、高濃度ポリシリコン36の表面を酸化し、ビット線BLと上層とを分離するためのシリコン酸化膜37を形成する。
以上の工程が完了したら、シリコン酸化膜33、サイドウォール窒化膜34、及び縞状パターン31(第2のマスクパターン)を除去する。そして、図12に示すように、シリコンピラー11の間にシリコン酸化膜38を埋め込み、CMP法などによりパターン30(第1のマスクパターン)の表面が露出する程度に平坦化する。
次に、ゲート電極を形成するために、シリコン酸化膜38の全面エッチバックを行う。このとき、図13に示すように、厚さβ程度のシリコン酸化膜38(絶縁膜)を残すようにする。このシリコン酸化膜38は、ビット線BLと上層とを分離するというシリコン酸化膜37と同様の目的の他、ビット線BL形成の際に行った異種材料のエッチングにより生じた段差を吸収する目的で形成されるものである。βの具体的な値は、例えば20nmである。
次に、シリコンピラー11の側面を酸化し、図14に示すようにゲート絶縁膜12を形成する。そして、全面にポリシリコンを成膜してエッチバックすることにより、シリコンピラー11の周囲に、図14に示すようなゲート電極13を形成する。なお、ゲート電極13の膜厚は、隣り合うシリコンピラー11間でゲート電極13が接触することのないような値(ゲート電極13の分離が確保されるような値)に設定する。具体的な例を挙げると、例えば最小加工寸法Fが40nmである場合、ゲート電極13の膜厚は15nmとすることが好適である。
次に、図15に示すように、シリコンピラー11間の空間にシリコン酸化膜39を埋め込み、CMP法などによりパターン30(第1のマスクパターン)の表面が露出する程度に平坦化する。そして、シリコン酸化膜39のエッチバックにより図15に示すようなゲートコンタクト穴40を形成し、その内部に窒化チタンとタングステンの積層膜を成膜し、エッチバックすることによってゲートコンタクト14を形成する。このゲートコンタクト14は、Y方向に隣り合う2つのシリコンピラー11の側壁にそれぞれ形成されたゲート電極13を、X方向及びY方向それぞれについて1列おきに接続する。
なお、シリコン酸化膜39のエッチバックには、図16に示すマスクパターンを用いる。このマスクパターンはゲートコンタクト穴40を形成するためのサブマスクパターンを有しており、例えばフォトリソグラフィー法によって形成するものである。なお、図16のマスクパターンを用いて露光を行う際には、ハッチングされていない領域がマスクされるように露光することになる。
次に、ゲートコンタクト穴40をシリコン酸化膜で埋め、このシリコン酸化膜とシリコン酸化膜39とをエッチバックすることにより、シリコンピラー11の間に、図17に示すようなY方向に延伸する溝42を形成する。このエッチバックには、図18に示す幅F,間隔Fの縞状パターンを有するマスクパターンを用いる。縞状パターンの長手方向はX方向である。また、溝42の深さは、ゲートコンタクト14の表面が露出する程度とする。そして、全面にシリコン酸化膜を積層してエッチバックすることにより、溝42の側壁に、図17に示すようなサイドウォール酸化膜43を形成する。このサイドウォール酸化膜43を形成するのは、後の工程(図19)でパターン30を除去する際、穴の内面にワード線材料が露出するのを防止するためである。さらに、溝42の内部にワード線WLとなる配線材料44(ポリシリコンや窒化チタンとタングステンの積層膜など。)を成膜し、エッチバックする。これにより、ゲートコンタクト14と電気的に接続するワード線WLが形成される。
次に、図19に示すように、溝42内部をシリコン酸化膜45で埋め、CMP法などにより平坦化する。その後、パターン30を構成するシリコン窒化膜を熱燐酸を用いたウェットエッチングにより除去し、その結果生じた穴の内部にサイドウォール窒化膜46をエッチバックにより形成する。このエッチバックでは、図20に示すように、シリコンピラー11の上面に形成されているシリコン酸化膜(パターン30を構成するシリコン酸化膜)も除去されるようにする。そして、シリコンピラー11の上面からシリコンのエピタキシャル結晶成長を行ってエピタキシャル層17を形成する。さらに、イオン注入によってシリコンピラー11の上端にN型の不純物拡散領域15を形成する。
次に、図21に示すように、シリコン酸化膜47を成膜し、容量コンタクト形成のためのコンタクトホール48を形成する。そして、このコンタクトホール48にタングステンなどの容量コンタクト材料を埋め込むことにより、図22に示すようにコンタクトプラグ18を形成する。その後、さらに上層にセルキャパシタを形成することにより、メモリセルが完成する。
以上説明した製造方法によれば、ビット線BLとシリコンピラー11とを接続するための開口部を、容易に形成できる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何等限定されるものではなく、本発明が、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施され得ることは勿論である。
例えば、上記実施の形態ではビット線BLに高濃度ポリシリコンを用いたが、金属材料によりビット線BLを構成することも可能である。この場合、図10に示した状態においてシリコンウエットエッチングを行うことで、図23に示すように、シリコン酸化膜19がない部分の溝35を広げる。そして、図24に示すように、その部分の内壁面をポリシリコン膜49で覆う。具体的には、全面に高濃度ポリシリコンを成膜し、サイドウォール窒化膜34を利用してエッチングを行うことで、ポリシリコン膜49を形成する。このとき、ポリシリコンからの不純物拡散により、高濃度ポリシリコン36周辺のシリコンピラー11内に、不純物拡散領域16が形成される。
その後、溝35の中にビット線BLとなる金属材料(タングステンなど。)を成膜し、エッチバックすることにより、ビット線BLを形成する。そして、シリコン酸化膜33、サイドウォール窒化膜34、及び縞状パターン31(第2のマスクパターン)を除去し、シリコンピラー11の間にシリコン酸化膜38を埋め込み、CMP法などによりパターン30(第1のマスクパターン)の表面が露出する程度に平坦化する。以降の工程は、図13以降の工程と同様である。
なお、ポリシリコン膜49と上記金属材料の間にシリサイド及び金属窒化物を形成することとしてもよい。この場合、CVD法によりチタンなどの高融点金属材料をポリシリコン膜49上に堆積することでシリサイドを形成し、さらにアンモニア雰囲気とすることで金属窒化物(窒化チタン)を形成する。そして、その上にタングステンなどの金属材料を成膜すればよい。このようにシリサイドを用いることで、ビット線BLの直流抵抗を低減することができる。
また、ポリシリコンを用いずにビット線BLを構成することも可能である。この場合、図22の状態でリン処理を行い、気相から直接シリコン基板に不純物を拡散させることにより、不純物拡散領域16を形成する。その後は、上記と同様にして、溝35内にシリサイド、窒化チタン、及びタングステンを形成することで、ビット線BLを形成することになる。
BL ビット線
F 最小加工寸法
PL 基準電位配線
WL ワード線
10 半導体記憶装置
11,11a シリコンピラー
11b シリコンブリッジ
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 ゲートコンタクト
15,16 不純物拡散領域
17 エピタキシャル層
18 コンタクトプラグ
19 絶縁膜
19,33,37〜39 シリコン酸化膜
20 開口部
21 チャネル
30 第1のマスクパターン
31 第2のマスクパターン
34 サイドウォール窒化膜
35,42 溝
36 高濃度ポリシリコン
40 ゲートコンタクト穴
43 サイドウォール酸化膜
44 配線材料
45 シリコン酸化膜
46 サイドウォール窒化膜
47 シリコン酸化膜
49 ポリシリコン膜
60 下部電極
61 容量絶縁膜
62 上部電極

Claims (14)

  1. マトリクス状に配置され、それぞれの側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつそれぞれの上端が記憶素子と電気的に接続される複数のシリコンピラーと、
    各シリコンピラーの間を互いに直交する方向に配線されたビット線及びワード線とを備え、
    前記ビット線は、両側のシリコンピラーの下端と、1行おきに電気的に接続し、
    前記ワード線は、両側のシリコンピラー側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と、1列おきに電気的に接続し、
    前記ビット線は、隣り合う他のビット線とは異なるシリコンピラーに接続し、
    前記ワード線は、隣り合う他のワード線とは異なるシリコンピラーの側壁に形成されたゲート電極に接続することを特徴とする半導体記憶装置。
  2. マトリクス状に配置され、それぞれの側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつそれぞれの上端が記憶素子と電気的に接続される複数のシリコンピラーと、
    各シリコンピラーの間を互いに直交する方向に配線されたビット線及びワード線とを備え、
    前記ビット線は、両側のシリコンピラーの下端と、1行おきに電気的に接続し、
    前記ワード線は、両側のシリコンピラー側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と、1列おきに電気的に接続し、
    隣り合うビット線は、互いに1行ずつずれた位置にあるシリコンピラーに接続し、
    隣り合うワード線は、互いに1列ずつずれた位置にあるシリコンピラーの側壁に形成されたゲート電極に接続することを特徴とする半導体記憶装置。
  3. 直交する第1のビット線及び第1のワード線と、
    それぞれの側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつそれぞれの上端が記憶素子と電気的に接続される第1乃至第4のシリコンピラーとを備え、
    前記第1及び第2のシリコンピラーは、前記第1のビット線を挟んで隣り合い、
    前記第3及び第4のシリコンピラーは、前記第1のビット線を挟んで隣り合い、
    前記第1及び第3のシリコンピラーは、前記第1のワード線を挟んで隣り合い、
    前記第2及び第4のシリコンピラーは、前記第1のワード線を挟んで隣り合い、
    前記第1のビット線は前記第3及び第4のシリコンピラーの下端と電気的に接続し、
    前記第1のワード線は前記第1及び第3のシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と電気的に接続することを特徴とする半導体記憶装置。
  4. 前記第1のビット線に平行な第2のビット線と、
    それぞれの側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつそれぞれの上端が記憶素子と電気的に接続される第5及び第6のシリコンピラーとをさらに備え、
    前記第1及び第2のビット線は、前記第2及び第4のシリコンピラーを挟んで隣り合い、
    前記第2及び第5のシリコンピラーは、前記第2のビット線を挟んで隣り合い、
    前記第4及び第6のシリコンピラーは、前記第2のビット線を挟んで隣り合い、
    前記第5及び第6のシリコンピラーは、前記第1のワード線を挟んで隣り合い、
    前記第2のビット線は前記第2及び第5のシリコンピラーの下端と電気的に接続し、
    前記第1のワード線は前記第1、第3、第5、及び第6のシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と電気的に接続することを特徴とする請求項に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記第1のワード線に平行な第2のワード線と、
    側壁にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成され、かつ上端が記憶素子と電気的に接続される第7のシリコンピラーとをさらに備え、
    前記第1及び第2のワード線は、前記第3、第4、及び第6のシリコンピラーを挟んで隣り合い、
    前記第7のシリコンピラーは、前記第1及び第2のビット線の間に位置し、
    前記第4及び第7のシリコンピラーは、前記第2のワード線を挟んで隣り合い、
    前記第2のビット線は前記第2、第5、及び第7のシリコンピラーの下端と電気的接続し、
    前記第2のワード線は前記第4及び第7のシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成されたゲート電極と電気的に接続することを特徴とする請求項に記載の半導体記憶装置。
  6. ワード線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラーの下部を接続するシリコンブリッジを有し、ビット線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラーが、互いに逆方向のシリコンピラーと前記シリコンブリッジにより接続されるマトリクス状のシリコンピラー群を形成するとともに、シリコンピラー間のビット線配線領域に少なくとも前記シリコンブリッジの上面と同じ高さまで絶縁層を形成する第1の工程と、
    前記ビット線配線領域をエッチングすることにより、前記シリコンブリッジ内及び前記絶縁層内を貫くビットトレンチを形成する第2の工程と、
    前記ビットトレンチ内にビット線を形成する第3の工程とを備えることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
  7. 前記第1の工程は、
    各シリコンピラー及び各シリコンブリッジの形成領域をマスクする第1のマスクパターンを用い、第1の深さまでシリコン基板をエッチングする工程と、
    前記エッチングにより形成された溝を埋める絶縁層を形成する工程と、
    前記ビット線配線領域以外の領域をマスクする第2のマスクパターンを用い、前記第1の深さより浅い第2の深さまで、前記絶縁層が形成された前記シリコン基板をエッチングする工程とを備えることを特徴とする請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  8. 前記第2の工程は、各シリコンピラーの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程を含み、前記サイドウォール絶縁膜の形成後に、前記ビット線配線領域をエッチングすることを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  9. 各シリコンピラーの前記ビット線上方の側壁に、前記ビット線との間に絶縁膜を介して、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する第4の工程と、
    ビット線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成された前記ゲート電極を、ビット線延伸方向及びワード線延伸方向それぞれについて1列おきに接続するゲートコンタクトを形成する第5の工程と、
    前記ゲートコンタクトと電気的に接続するワード線を形成する第6の工程とを備えることを特徴とする請求項6乃至8のいずれか一項に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  10. 各シリコンピラーの上部に拡散層を形成する第7の工程をさらに備えることを特徴とする請求項に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  11. シリコンピラー形成領域をワード線延伸方向に2つずつマスクするための複数のサブマスクパターンを有し、かつ各サブマスクパターンがビット線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラー形成領域を、互いに逆方向のシリコンピラー形成領域とともにマスクする第1のマスクパターンを用い、第1の深さまでシリコン基板をエッチングする第1の工程と、
    前記エッチングにより形成された溝を埋める絶縁層を形成する第2の工程と、
    ビット線配線領域以外の領域をマスクする第2のマスクパターンを用い、前記第1の深さより浅い第2の深さまで、前記絶縁層が形成された前記シリコン基板をエッチングする第3の工程と、
    前記ビット線配線領域をエッチングすることにより、前記シリコン基板内及び前記絶縁層内にビットトレンチを形成する第4の工程と、
    前記ビットトレンチ内にビット線を形成する第5の工程とを備えることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
  12. 前記第4の工程は、前記第1乃至第3の工程により形成された各シリコンピラーの側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程を含み、前記サイドウォール絶縁膜の形成後に、前記ビット線配線領域をエッチングすることを特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  13. 各シリコンピラーの前記ビット線上方の側壁に、前記ビット線との間に絶縁膜を介して、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する第6の工程と、
    ビット線延伸方向に隣り合う2つのシリコンピラーの側壁にそれぞれ形成された前記ゲート電極を、ビット線延伸方向及びワード線延伸方向それぞれについて1列おきに接続するゲートコンタクトを形成する第7の工程と、
    前記ゲートコンタクトと電気的に接続するワード線を形成する第8の工程とを備えることを特徴とする請求項11又は12に記載の半導体記憶装置の製造方法。
  14. 各シリコンピラーの上部に拡散層を形成する第9の工程をさらに備えることを特徴とする請求項13に記載の半導体記憶装置の製造方法。
JP2009065907A 2009-03-18 2009-03-18 半導体記憶装置及びその製造方法 Expired - Fee Related JP5522622B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009065907A JP5522622B2 (ja) 2009-03-18 2009-03-18 半導体記憶装置及びその製造方法
US12/726,920 US8415738B2 (en) 2009-03-18 2010-03-18 Semiconductor memory device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009065907A JP5522622B2 (ja) 2009-03-18 2009-03-18 半導体記憶装置及びその製造方法

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2010219386A JP2010219386A (ja) 2010-09-30
JP2010219386A5 JP2010219386A5 (ja) 2012-02-23
JP5522622B2 true JP5522622B2 (ja) 2014-06-18

Family

ID=42736764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009065907A Expired - Fee Related JP5522622B2 (ja) 2009-03-18 2009-03-18 半導体記憶装置及びその製造方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8415738B2 (ja)
JP (1) JP5522622B2 (ja)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5350681B2 (ja) * 2008-06-03 2013-11-27 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
JP2010219326A (ja) * 2009-03-17 2010-09-30 Elpida Memory Inc 半導体記憶装置及びその製造方法
KR101607265B1 (ko) * 2009-11-12 2016-03-30 삼성전자주식회사 수직 채널 트랜지스터의 제조방법
US8467220B2 (en) * 2010-01-14 2013-06-18 Jai Hoon Sim DRAM device and manufacturing method thereof
US20110254085A1 (en) * 2010-04-16 2011-10-20 Hynix Semiconductor Inc. Semiconductor integrated circuit device having reduced unit cell area and method for manufacturing the same
WO2012121265A1 (en) 2011-03-10 2012-09-13 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Memory device and method for manufacturing the same
JP2013026382A (ja) * 2011-07-20 2013-02-04 Elpida Memory Inc 半導体装置の製造方法
WO2014084006A1 (ja) * 2012-11-27 2014-06-05 ピーエスフォー ルクスコ エスエイアールエル 半導体装置
US9240346B2 (en) * 2013-03-14 2016-01-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Double patterning method
KR20140129787A (ko) * 2013-04-30 2014-11-07 에스케이하이닉스 주식회사 하드마스크구조물 및 그를 이용한 반도체장치의 미세 패턴 형성 방법
US20150097228A1 (en) * 2013-10-07 2015-04-09 Nanya Technology Corporation Method for manufacturing semiconductor device
US9397094B2 (en) * 2014-09-25 2016-07-19 International Business Machines Corporation Semiconductor structure with an L-shaped bottom plate
US10083877B1 (en) * 2017-10-25 2018-09-25 Sandisk Technologies Llc Vertical field effect transistors including two-tier select gates and method of making the same
KR20230079124A (ko) * 2020-10-05 2023-06-05 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 산화물 반도체 물질을 갖는 반도체 디바이스의 제조 방법

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2518147B2 (ja) * 1993-04-02 1996-07-24 日本電気株式会社 半導体メモリ装置とその製造方法
EP0899790A3 (de) * 1997-08-27 2006-02-08 Infineon Technologies AG DRAM-Zellanordnung und Verfahren zu deren Herstellung
JP5600373B2 (ja) 2007-05-17 2014-10-01 ピーエスフォー ルクスコ エスエイアールエル 半導体装置及びその製造方法
US7842999B2 (en) * 2007-05-17 2010-11-30 Elpida Memory, Inc. Semiconductor memory device and method of manufacturing the same
US7910986B2 (en) * 2007-05-31 2011-03-22 Elpida Memory, Inc. Semiconductor memory device and data processing system
JP2008300623A (ja) 2007-05-31 2008-12-11 Elpida Memory Inc 半導体装置及びその製造方法、並びに、データ処理システム

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010219386A (ja) 2010-09-30
US8415738B2 (en) 2013-04-09
US20100237407A1 (en) 2010-09-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5522622B2 (ja) 半導体記憶装置及びその製造方法
KR102471722B1 (ko) 반도체 메모리 장치
JP5679628B2 (ja) 半導体装置及びその製造方法
US8372724B2 (en) Device and manufacturing method thereof
US20070284623A1 (en) Semiconductor device having vertical channel transistor
KR101073073B1 (ko) 수직게이트를 구비한 반도체장치 및 그 제조 방법
US9209192B2 (en) Semiconductor device and method of fabricating the same
US20150371895A1 (en) Method for manufacturing smeiconductor device
WO2014123170A1 (ja) 半導体装置及びその製造方法
TW201442210A (zh) 半導體裝置及其製造方法
TW201448213A (zh) 半導體裝置及其製造方法
JP5430981B2 (ja) 半導体記憶装置及びその製造方法
JP2010287716A (ja) 半導体装置及びその製造方法
US9397044B2 (en) Semiconductor device and method for forming the same
TW202423259A (zh) 半導體記憶體裝置
JP2012054453A (ja) 半導体装置の製造方法
JP2011023652A (ja) 半導体記憶装置
KR101218904B1 (ko) 메모리 소자 및 이의 제조 방법
JP2010129972A (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP2015035619A (ja) 半導体装置
TW201445704A (zh) 半導體裝置及其製造方法
JP2013243342A (ja) 半導体装置およびその製造方法
JP2010080755A (ja) 半導体装置
JP2013175584A (ja) 半導体装置の製造方法
JP5902110B2 (ja) 半導体装置の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120105

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120105

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20130730

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130822

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131112

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131114

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140212

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140311

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140401

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5522622

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees