JP6120739B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置に関するものである。
高集積化および微細化により、半導体装置を構成する微細素子が複数、平面視において重なるよう多層化する傾向が強まっている。半導体装置の多層化に伴い、半導体基板の表面上に形成されるトランジスタの活性領域およびゲート電極と、当該トランジスタより上側の層とが、コンタクトプラグと呼ばれる導電層により電気的に接続される技術が往々にして用いられる。
このようなコンタクトプラグを有する半導体装置として、たとえばSRAM(Static Random Access Memory)が挙げられる。SRAMをさらに集積化する目的で、SRAMとDRAM(Dynamic Random Access Memory)との構成および機能を併せ持つ、いわゆるAdvanced SRAMが、たとえば特開2004−79696号公報(特許文献1)に開示されている。
特開2004−79696号公報
Advanced SRAMにおいては、ドライバトランジスタのゲート電極にプラグを介在して接続されたコンタクトパターン、アクセストランジスタのソース/ドレイン領域にプラグを介在して接続されたコンタクトパターンなどがある。
高集積化が進み、半導体装置を構成する微細素子の寸法および各パターン間のマージンが縮小すれば、上記のコンタクトパターン同士のマージンが縮小し、これらのコンタクトパターン同士が接触して、ショートを起こす可能性がある。これらのコンタクトパターン同士がショートを起こせば、半導体装置としての機能を損なう可能性がある。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、半導体装置は、半導体基板と、ビット線と、ワード線と、複数の第1のコンタクトパターンと、複数の第2のコンタクトパターンとを備える。半導体基板は主表面を有し、ビット線は主表面上に延在する。ワード線は平面視においてビット線と交差するように主表面上に延在する。複数の第1のコンタクトパターンは、平面視においてビット線が延在する方向に細長いコンタクトパターンとワード線が延在する方向に細長いコンタクトパターンとの少なくともいずれかを含む。複数の第2のコンタクトパターンは、平面視においてビット線およびワード線が延在する方向の各々に対して傾斜した方向に細長い。複数の第1のコンタクトパターンおよび複数の第2のコンタクトパターンは主表面上の同一層に形成される。複数の第2のコンタクトパターンのうち少なくとも1対の第2のコンタクトパターンは、1対の第2のコンタクトパターンのそれぞれの延在方向に関して一直線状に並ぶように、かつ少なくとも部分的に同一のワード線に平面視で重なるように、配置されている。
一実施の形態においては、複数の第2のコンタクトパターンがビット線およびワード線が延在する方向の各々に対して傾斜した方向に細長い。このため、複数の第2のコンタクトパターンがビット線およびワード線が延在する方向に細長い場合に比べて、複数の第2のコンタクトパターンのそれぞれに隣り合う第1のコンタクトパターンとの距離を広くすることができる。このため、複数の第2のコンタクトパターンのそれぞれと、これらのそれぞれに隣り合う第1のコンタクトパターンとのショート、および半導体装置の機能の劣化を抑制することができる。
一実施の形態に係る半導体装置の概略平面図である。 一実施の形態に係る半導体装置を構成するメモリセルの等価回路図である。 図2の等価回路を具体的に説明するための概略断面図である。 一実施の形態に係る図3のメモリセル領域の一部の領域における、活性領域、プラグ層、ゲートコンタクトおよびゲート電極の配置を示す概略平面図である。 一実施の形態に係る図4と同一の領域における、図4に示す各構成要素と、その上層のビット線、ワード線およびコンタクトとを重ね合わせた概略平面図である。 図4および図5のVI−VI線に沿う部分における、一実施の形態の半導体装置を構成するトランジスタと、トランジスタの接続層およびコンタクトパターンの態様を示す概略断面図である。 図5の比較例の概略平面図である。
以下、実施の形態について図に基づいて説明する。
図1を参照して、一実施の形態の半導体装置DVは、たとえばシリコン単結晶からなる半導体ウェハなどの半導体基板SUBの主表面上に複数種類の回路が形成された半導体チップである。一例として、半導体装置DVを構成する回路として、メモリセルアレイ(メモリ領域)と、周辺回路領域と、パッド領域PDとを有している。
メモリセルアレイはSRAMを含む、半導体装置DVの主要なメモリ領域である。平面視におけるメモリセルアレイの外部には周辺回路領域およびパッド領域PDが形成されている。パッド領域PDはたとえばメモリセルアレイの外部に、互いに間隔をあけて複数形成されている。
次に、本実施の形態としての半導体装置の構成について図2のメモリセルを挙げて説明する。
図2を参照して、本実施の形態における半導体装置は、ビット線対BLおよびZBLと、ワード線WLと、フリップフロップ回路と、1対のアクセストランジスタT5,T6とを有するSRAM(スタティック型メモリセル)をメモリ領域に有する。
フリップフロップ回路は、ドライバトランジスタT1,T2と、負荷トランジスタT3,T4とを有している。ドライバトランジスタT1および負荷トランジスタT3は一方のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)インバータを形成し、ドライバトランジスタT2および負荷トランジスタT4は他方のCMOSインバータを形成している。フリップフロップ回路は、これらの2つのCMOSインバータからなる。SRAMはフリップフロップ回路を有することにより、情報として蓄えられた電荷を所定の周期で元に戻すいわゆるリフレッシュと呼ばれる処理を不要とする半導体記憶装置である。本実施の形態におけるSRAMはさらに、DRAM(Dynamic Random Access Memory)としてのキャパシタC1,C2を有している。
フリップフロップ回路を構成するドライバトランジスタT1,T2は、たとえばnチャネル型のMOSトランジスタである。負荷トランジスタT3,T4は、たとえばpチャネル型のTFT(Thin Film Transistor)である。またアクセストランジスタT5,T6は、たとえばnチャネル型のMOSトランジスタである。このように本実施の形態のSRAMは、負荷トランジスタがTFTであり、かつDRAMとしてのキャパシタが付加された、いわゆるAdvanced SRAMである。
フリップフロップ回路においては、ドライバトランジスタT1および負荷トランジスタT3のゲート電極とキャパシタC1の一方電極とが互いに電気的に接続され、これらはアクセストランジスタT6のソース電極Sと電気的に接続される。アクセストランジスタT6のソース電極SはドライバトランジスタT2および負荷トランジスタT4のドレイン電極Dと電気的に接続されており、これらが接続された領域は第1の記憶ノード部として機能する。
ドライバトランジスタT2および負荷トランジスタT4のゲート電極とキャパシタC2の一方電極とが互いに電気的に接続され、これらはアクセストランジスタT5のソース電極Sと電気的に接続される。アクセストランジスタT5のソース電極SはドライバトランジスタT1および負荷トランジスタT3のドレイン電極Dと電気的に接続されており、これらが接続された領域は第2の記憶ノード部として機能する。
ドライバトランジスタT1,T2のソース電極SはGND電位に電気的に接続されており、負荷トランジスタT3,T4のソース電極Sは、電圧Vccを印加するVcc配線(電源供給配線)に電気的に接続されている。さらにキャパシタC1,C2の各々の他方電極は、上記電圧Vccの1/2である電圧Vcc/2を印加するVcc/2配線に電気的に接続されている。1対のビット線対BLおよびZBLのそれぞれは、1対のアクセストランジスタT5およびT6のドレイン電極Dと接続される。
次に、図2に示す半導体装置のより具体的な構成について、図3の概略断面図を用いて説明する。ただし図3の断面図は、特定の領域における断面の態様を示す図ではなく、図2に示すトランジスタやキャパシタなどの各要素が半導体装置内で呈する形を説明するために寄せ集めたものである。
図3を参照して、一実施の形態の半導体装置は、たとえばシリコンからなる半導体基板SUBの一方の主表面に形成されている。
半導体基板SUBの主表面にはメモリ領域と周辺回路領域とが形成されている。メモリ領域は上記の図1のSRAM(特にAdvanced SRAM)が形成される領域であり、周辺回路領域とは図1のSRAMが形成される領域の周辺の、たとえば信号入出力回路が形成される領域である。
メモリ領域は分離領域と活性領域とを有している。メモリ領域の半導体基板SUBの表面の一部には、分離領域としてのSTI(Shallow Trench Isolation)が形成されている。このSTIは、半導体基板SUBの表面に形成された溝内に絶縁層SIを埋め込むことにより形成されている。
メモリ領域における分離領域以外のSTIが形成されていない領域はいわゆる活性領域である。活性領域は半導体基板SUBの表面において分離領域に取り囲まれるように形成されている。メモリ領域における1つの活性領域と、当該1つの活性領域と互いに隣り合う他の活性領域とは、当該1つの活性領域と他の活性領域との間に挟まれる分離領域により、互いに電気的に分離されている。
メモリ領域内において半導体基板SUB内には、たとえばp型の導電性不純物が注入されたp型ウェル領域PWLが形成されている。
それぞれの活性領域における半導体基板SUBの表面には複数の(n型)MOSトランジスタが形成されており、当該トランジスタは、1対のソース/ドレイン領域S/Dを有している。たとえば図3のメモリ領域の左側および右側の領域S/Dは、アクセストランジスタのソース領域S(図2のソース電極Sに対応)とドライバトランジスタのドレイン領域D(図2のドレイン電極Dに対応)とが平面的に重なりあった領域であり、アクセストランジスタとドライバトランジスタとが当該領域S/Dを共有している。そしてこれらの領域S/Dが図3における活性領域に形成されている。また図3の中央の活性領域に形成される領域Dは、アクセストランジスタT5(T6)のドレイン領域Dであり、ビット線BL(またはZBL)と接続されている。
上記のMOSトランジスタなどが形成された半導体基板SUBの主表面を覆うように、たとえばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜II1が形成されている。ソース領域Sおよび/またはドレイン領域Dとそれらの領域より上側の層とを電気的に接続するプラグ層BSが複数、互いに間隔をあけて形成されている。プラグ層BSは、層間絶縁膜II1の一部の領域に形成された開口部内を埋める、たとえば導電性不純物が添加された多結晶シリコンにより形成されている。プラグ層BSは、たとえば半導体基板SUBの主表面の1対のソース/ドレイン領域S/Dに達するように、層間絶縁膜II1の比較的下側の領域を主表面に直交する方向(図3の上下方向)に延在するように形成されている。
層間絶縁膜II1の上に、たとえばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜II2が形成されている。この層間絶縁膜II2の上面に接するように、たとえばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜II3が形成されている。さらにその上にはたとえばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜II4,II5,II6が順次形成されている。また層間絶縁膜II6の上面に接するようにたとえばシリコン窒化膜からなる層間絶縁膜I1が形成されている。さらに層間絶縁膜I1の上面に接するように、たとえばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜II7,II8,II9,II10が順次形成されている。
層間絶縁膜II2の上には(上面に接するように)、互いに間隔をあけて複数(たとえば5つ)の配線COLが形成されている。配線COLは図3の紙面奥行き方向に延在している。配線COLの上面および側面を覆うように被覆絶縁膜CLが形成されており、配線COLと被覆絶縁膜CL(側壁絶縁膜SWを含む)とを含む配線構造LEが形成されている。
複数の配線COLの中には、ビット線対BL,ZBLとして機能するものと、グランド線GNDとして機能するものとが混在している。ビット線対BL,ZBLとして機能する配線COLは、たとえば図3のメモリ領域の中央にあるアクセストランジスタT5,T6の各ドレイン領域Dと電気的に接続されている。また、グランド線GNDとして機能する配線COLは、たとえばドライバトランジスタT1,T2の各ソース領域Sと電気的に接続されている。
層間絶縁膜II2および配線構造LEを覆うように層間絶縁膜II3が形成されており、層間絶縁膜II3上には、下層配線2Gが形成されている。下層配線2Gは図2における第1及び第2の記憶ノード部に相当する。
またメモリ領域には、プラグ層BSと配線COLとの間を接続するビット線コンタクト1Bと、プラグ層BSと下層配線2Gとの間を接続するストレージノードコンタクトSCとが形成されている。ここではこれらをまとめてコンタクトパターンCTとしている。
コンタクトパターンCTは、プラグ層BSと同様に、層間絶縁膜II1の一部の領域に形成された開口部内を埋める、たとえば導電性不純物が添加された多結晶シリコンまたはタングステンなどにより形成される。コンタクトパターンCTは、たとえばプラグ層BSに達するように、層間絶縁膜II1の比較的上側の領域を主表面に直交する方向に延在するように形成されている。
より詳細には、ビット線コンタクト1Bはビット線BLから、層間絶縁膜II2,II1を貫通して真下のプラグ層BSに達するように、主表面に直交する方向に延在している。ストレージノードコンタクトSCは下層配線2Gから、層間絶縁膜II3,II2を貫通しかつ層間絶縁膜II1の一部を貫通して真下のプラグ層BSに達するように、主表面に直交する方向に延在している。ストレージノードコンタクトSCは図3において隣り合う1対の配線構造LEの間の領域を貫通している。
下層配線2Gは、たとえばストレージノードコンタクトSCにより、より上層に形成されるキャパシタとより下層に形成されたトランジスタとを電気的に接続するために配置される配線である。下層配線2Gは、概ねキャパシタと平面視において重なる領域に形成されることが好ましい。下層配線2Gは、たとえば不純物イオンを有する多結晶シリコン膜から構成されることが好ましい。また下層に形成されるトランジスタがたとえばnチャネル型トランジスタである場合には、下層配線2Gは当該トランジスタTGとの電気的な接続を容易にするため、たとえばn型の不純物イオンを含む多結晶シリコンから構成されていてもよい。
層間絶縁膜II4上には、多結晶シリコン層TPが形成されている。多結晶シリコン層TPは不純物イオンが導入された多結晶シリコンよりなる半導体層であり、SRAMの負荷トランジスタT3,T4(図2参照)としてのTFTのチャネル領域と、そのチャネル領域を挟む1対のソース/ドレイン領域とを有している。また多結晶シリコン層TPには、TFTに電源を供給するための電源供給配線の一部が含まれる。多結晶シリコン層TPは、概ねキャパシタと平面視において重なる領域に形成されることが好ましい。
層間絶縁膜II5上には、TFTのゲート電極層TDが形成されている。ゲート電極層TDは不純物イオンを有する多結晶シリコンを含む半導体層であることが好ましい。
ゲート電極層TDと下層配線2Gとの電気的な接続は、データノードコンタクトDBと呼ばれる導電層によりなされることが好ましい。このデータノードコンタクトDBはゲート電極層TDから下層配線2Gに向けて延在する途中で、多結晶シリコン層TPの端部と接し、多結晶シリコン層TPと電気的に接続されるものである。データノードコンタクトDBは、SRAMのフリップフロップ回路(クロスカップル)を形成するための導電層であり、たとえばゲート電極層TDと同様に不純物イオンを有する多結晶シリコンを含む半導体層により形成される。データノードコンタクトDBは、ゲート電極層TDから下層配線2Gまで、層間絶縁膜を貫通するように、半導体基板SUBの表面に略垂直な方向に延在するように形成されることが好ましい。
データノードコンタクトDBは、ゲート電極層TDより上方の層、たとえばゲート電極層TDとキャパシタとを電気的に接続するように形成されてもよく、下層配線2Gより下方の層、たとえば下層配線2Gとプラグ層BSとを電気的に接続するように形成されてもよい。この場合データノードコンタクトDBは、たとえばキャパシタからゲート電極層TD、多結晶シリコン層TPおよび下層配線2Gを貫通し、プラグ層BSに達するように形成されてもよい。
層間絶縁膜II6上には、キャパシタが形成される。キャパシタは、データノードコンタクトDBの上面に接することにより、データノードコンタクトDBと電気的に接続されている。キャパシタは、下部電極NDと、誘電体層DEと、上部電極CPとを有している。下部電極NDは、データノードコンタクトDBに接続されている。上部電極CPは、誘電体層DEを介在して下部電極NDと対向している。
キャパシタより上方の、たとえば層間絶縁膜II8上および層間絶縁膜II9上には、メタル配線MTLが形成されている。メタル配線MTLはたとえばアルミニウム、アルミニウム銅の合金、銅、タングステンなどからなり、その上面および下面が、たとえばタンタル、チタン、窒化チタンなどからなるバリアメタルBRLにて覆われることが好ましい。また上記のメタル配線MTL同士の接続や、メタル配線MTLとビット線BLとの接続は、たとえば銅やタングステンなどからなるメタルコンタクト導電層MCTによりなされることが好ましい。
一方、周辺回路領域にはたとえばn型の導電性不純物が注入されたn型ウェル領域NWLが形成されているが、これはp型ウェル領域PWLであってもよい。周辺回路領域にもメモリ領域と同様に分離領域と活性領域とが形成されている。分離領域はメモリ領域と同様STIにより形成されている。また活性領域における半導体基板SUBの表面には複数の(p型)MOSトランジスタTGが形成されている。トランジスタTGは、1対のソース/ドレイン領域S/Dと、ゲート絶縁膜GIと、ゲート電極GEと、絶縁層ILとを有している。1対のソース/ドレイン領域S/Dの各々は半導体基板SUBの表面に互いに距離を隔てて形成されている。ゲート絶縁膜GIは1対のソース/ドレイン領域S/Dに挟まれる半導体基板SUBの表面上に形成されている。ゲート電極GEおよび絶縁層ILはゲート絶縁膜GI上に形成されており、ゲート電極GEと絶縁層ILとがこの順に積層された積層構造を有している。
ゲート電極GEはたとえば多結晶シリコン層PSとタングステンシリサイド層WSとがこの順に積層されたいわゆるポリサイド構造となっており、後述するメモリ領域のゲート電極GE1およびゲート電極GE2と同一層であり同一の構成を有している。絶縁層ILはたとえばシリコン酸化膜および/またはシリコン窒化膜からなり、当該絶縁層ILをマスクとしてゲート電極GEがエッチングされる。このゲート電極GE、絶縁層ILの側壁には側壁絶縁膜SWが形成されている。側壁絶縁膜SWはたとえばシリコン窒化膜からなることが好ましいが、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との組合せでもよい。なお、絶縁層ILおよび側壁絶縁膜SWはメモリセル部の特にプラグ層BSを形成するための開口が形成される領域では自己整合技術を行なう際のエッチングのストッパ膜となる。
なお図3においてはゲート電極GE上に絶縁層ILが形成されるが、図3の断面図に示されない紙面奥行き方向に延びる領域において、ゲート電極GEは他の配線と電気的に接続されている。また詳細な説明を省略するが、周辺回路領域のそれぞれのトランジスタTGは、コンタクト導電層CTC、ビット線BLと同一の層としての導電層、およびメタルコンタクト導電層MCT、などを介してメタル配線MTLと電気的に接続されている。
次に図4〜図5を参照しながら、図3に示す半導体装置の、特にメモリ領域の平面態様について、より詳細に説明する。なお図4〜図5には形成用のマスクの態様を示しているため、たとえば実製品において円形として形成される領域が図4〜図5中では矩形のパターンとして示される場合がある。
図4を参照して、これは図3の半導体装置のメモリ領域内の一部の領域を平面視した場合のプラグ層、ゲートコンタクト、ゲート電極およびそれより下層(半導体基板SUB側)における各構成要素の配置のみが示される。図5を参照して、これは図4と同一の領域を平面視した場合の図4に示す各構成要素とそれより上層(半導体基板SUBと反対側)における各構成要素との配置が示される。ただし図5においても、図3のビット線BLより上層の構造は図示が省略されている。
主に図4を参照して、メモリ領域における活性領域ACRは、メモリ領域の半導体基板SUBの主表面に複数、互いに間隔をあけて形成されている。この活性領域ACRの平面形状は任意であるが、ドライバトランジスタなどの素子の配置および、当該素子と電気的に接続するための接続層としてのプラグ層BSの配置を考慮して活性領域ACRの平面形状が決定されることが好ましい。たとえば図4においては、複数の活性領域ACRは基本的に図の上下方向に長く延び、図の左右方向に一定の幅を有する矩形に近い形状であるが、図の上下方向に関する中央部において、図の上下方向に関する端部よりも図の左右方向の幅がやや広くなった突起部を有している。図の左右方向に関して互いに隣り合う1対の活性領域ACRの間で突起部が互いに反対方向(右側または左側)を向いている。また突起部はおよそ図の左右方向に関して隣り合う活性領域ACRが分断された領域(すなわち絶縁層SIが形成された分離領域)と対向する。
複数のゲート電極GE1は、図2のアクセストランジスタT5,T6のゲート電極であり、これらはメモリ領域内における半導体基板SUBの主表面に、図4の左右方向に関して基本的に途切れることなく一直線状に延在している。図4においては2本のゲート電極GE1が平面視においてその延在する方向に交差する方向(図の上下方向)に関して一定の間隔をあけて配置されている。
複数のゲート電極GE2は、図2のドライバトランジスタT1,T2のゲート電極であり、これらはメモリ領域内における半導体基板SUBの主表面に、ゲート電極GE1とほぼ平行となるように、図の左右方向に延在している。これらのゲート電極GE2は、図の左右方向に関して一定の長さを有するように分断されており、またその延在する方向に交差する図の上下方向に関して一定の間隔をあけて配置されている。図の上下方向に関して互いに隣り合う1対のゲート電極GE2の間隔と、1つのゲート電極GE2と図の上下方向に関してゲート電極GE2に隣り合う1つのゲート電極GE1との間隔はほぼ等しくなっている。
なおこれらのドライバトランジスタT1,T2およびアクセストランジスタT5,T6は、図3中に明示されないが図3の活性領域に形成されたソース/ドレイン領域S/Dを含むMOSトランジスタに対応する。
プラグ層BSは活性領域ACR内において、各アクセストランジスタのゲート電極GE1および各ドライバトランジスタのゲート電極GE2を除く領域に形成されている。つまり活性領域ACR内において、ゲート電極GE1,GE2に挟まれた領域などを埋めるように、プラグ層BSが形成されている。
言い換えれば、プラグ層BSはドライバトランジスタおよびアクセストランジスタの各々のソース/ドレイン領域に接続するように形成されている。このためプラグ層BSは、平面視においてソース/ドレイン領域と重複している。
一方、活性領域ACRでない、半導体基板SUBの主表面上に絶縁層SIが形成された分離領域には、ドライバトランジスタのゲート電極GE2と平面的に重なるように、ゲートコンタクトCGが形成されている。
図5を参照して、平面視において図の左右方向に延びる複数のワード線WLが、半導体基板SUBの主表面上に、互いに間隔をあけて並ぶように延在している。ワード線WLはたとえば、アクセストランジスタT5,T6を形成するゲート電極GE1(と同一のもの)として存在する。また平面視においてワード線WLと交差(たとえば直交)するように、すなわち図の上下方向に延びる複数の配線BL,ZBL,GNDが、半導体基板SUBの主表面上に、互いに間隔をあけて並ぶように延在(並走)している。
図5においては1対のビット線BL,ZBLが互いに間隔をあけて並走し、これらのビット線BL,ZBLのそれぞれからこの間隔とほぼ同じ間隔だけ、隣り合うビット線BL,ZBLが配置される方向と反対方向に離れた場所に、グランド線GNDが、これと隣り合うビット線BL,ZBLとほぼ同じ方向に延びるように(たとえば平行となるように)並走している。言い換えれば図5の左右方向に関して、ビット線BL、ビット線ZBL、グランド線GNDの順に、この周期が繰り返されるように複数のビット線BL(ZBL)とグランド線GNDとが、互いにほぼ平行となるように並走している。
基本的に図5においては、その上下方向の中央部を図の左右方向に延びる図示されない直線に関して、その上側の領域と下側の領域とが線対称となっている。また図5中の上下方向に関しては互いに隣り合う1対のワード線WL間の距離を、図5中の左右方向に関しては互いに隣り合うビット線BL(ZBL)およびグランド線GND間の距離の3倍を1つの単位として形成される矩形に囲まれた領域をユニットセルとして、基本的にそのユニットセルにおける各構成要素のパターンが平面的に繰り返されている。
図5および、図5中に示す屈曲されたVI−VI線に沿う領域の概略断面図である図6を参照して、図5のVI−VI線部には、ドライバトランジスタT1(図2参照)と、アクセストランジスタT5(図2参照)と、ドライバトランジスタT2(図2参照)のゲート電極GE2とが、図6の左側からこの順に並んでいる。図6の左側半分は活性領域ACRに属し、図6の右側半分は分離領域SIに属している。また図6は図3のVI−VI線に沿う部分の概略断面図でもある。
図6に示すように、ドライバトランジスタは1対のソース/ドレイン領域S/Dと、ゲート絶縁膜GIと、ゲート電極GE2と、絶縁層ILと、側壁絶縁膜SWとを有している。ゲート電極GE2は多結晶シリコン層PSとタングステンシリサイド層WSとがこの順に積層された構成を有している。またアクセストランジスタも同様に1対のソース/ドレイン領域S/Dと、ゲート絶縁膜GIと、ゲート電極GE1と、絶縁層ILと、側壁絶縁膜SWとを有している。ゲート電極GE1は多結晶シリコン層PSとタングステンシリサイド層WSとがこの順に積層された構成を有している。メモリ領域におけるゲート電極GE1およびゲート電極GE2は、上記の周辺回路領域におけるゲート電極GEと同一層であり同一の構成を有している。
活性領域ACRの半導体基板SUB(p型ウェル領域PWL)にはドライバトランジスタおよびアクセストランジスタの1対のソース/ドレイン領域S/Dが形成されている。図6の左側のドライバトランジスタのドレイン領域と、アクセストランジスタのソース領域とは共通の不純物領域により構成されており、この領域はたとえば図2のドライバトランジスタT1のドレイン領域DとアクセストランジスタT5のソース領域Sとの交点に相当する。したがって図6の左側のドライバトランジスタはたとえば図2のドライバトランジスタT1に、図6のアクセストランジスタはたとえば図2のアクセストランジスタT5に相当すると考えることができる。
図6の右側のドライバトランジスタは少なくともVI−VI線上においてはゲート電極GE2が分離領域SI上に位置し、左側のドライバトランジスタT1とは異なるドライバトランジスタT2(図2参照)に相当すると考えることができる。
図2、図5および図6を参照して、ドライバトランジスタT1のソース領域S上には、ソース領域S(半導体基板SUBの主表面)と上層とを電気的に接続するプラグ層BS(第1の接続層)が形成されている。このプラグ層BSの上面と接するように、グランドコンタクト1G(第1のコンタクトパターン)が形成されている。グランドコンタクト1Gは図2のドライバトランジスタT1のソース領域Sが接続されるGND電位(すなわち図5のグランド線GND)に接続されている。
次に、ドライバトランジスタT1のドレイン領域DおよびアクセストランジスタT5のソース領域Sが重なる領域の上には、当該領域と上層とを電気的に接続するプラグ層BS(第1の接続層)が形成されている。このプラグ層BSの上面と接するように、ストレージノードコンタクトSC(第1のコンタクトパターン)が形成されている。
また、アクセストランジスタT5のドレイン領域D上には、ドレイン領域D(半導体基板SUBの主表面)と上層とを電気的に接続するプラグ層BS(第2の接続層)が形成されている。このプラグ層BSの上面と接するように、ビット線コンタクト1B(第2のコンタクトパターン)が形成されている。ビット線コンタクト1Bは図2のアクセストランジスタT5のドレイン領域Dが接続されるビット線BLに接続されている。
またドライバトランジスタT2のゲート電極GE2は、分離領域SI上にてゲートコンタクトCG(第1の接続層)と接続されている。ゲートコンタクトCGは活性領域におけるプラグ層BSと同一の層から分離して形成される導電層であり、分離領域のゲート電極GE2と重畳するように形成されることでゲート電極GE2を他の領域に取り出すためのコンタクトとして用いられるものである。したがってゲートコンタクトCGはゲート電極GE2と接触するように形成される。しかしゲートコンタクトCGを形成するための開口部は通常、自己整合技術ではなく通常の写真製版技術およびエッチングにより形成されるものであるため、ゲート電極GE2の位置に対して多少ずれる(踏み外す)ように形成されることが多い。図6においてはゲート電極GE2のおよそ右側半分の領域と重なるように(ゲート電極GE2に対して平面視における位置をやや踏み外すように)ゲートコンタクトCGが形成されている。
このゲートコンタクトCGの上面と接するように、ストレージノードコンタクトSC(第1のコンタクトパターン)が形成されている。ドライバトランジスタT1のプラグ層BS上のストレージノードコンタクトSCと、ドライバトランジスタT2のゲートコンタクトCG上のストレージノードコンタクトSCとが、図6の図示されている領域よりも上層において、同一の下層配線2GおよびデータノードコンタクトDB(図3参照)に接続され、SRAMのフリップフロップ回路(クロスカップル)を形成している。このように同一の下層配線2GおよびデータノードコンタクトDBにより複数のストレージノードコンタクトSCが互いに電気的に接続された部分は、図2において、ドライバトランジスタT1のドレイン領域DとアクセストランジスタT5のソース領域Sとがつながった部分と、ドライバトランジスタT2のゲート電極とが接続された上記の第2の記憶ノード部に相当する。
分離領域SIの表面上にはたとえばシリコン窒化膜のライナー膜LFが形成され、このライナー膜LFがゲート電極GE2を覆うように形成されてもよい。
以上より、基本的に活性領域においては、半導体基板SUBの主表面に接続される接続層はプラグ層BSであり、活性領域上でないゲート電極においては、半導体基板SUBの主表面に接続される接続層はゲートコンタクトCGである。
再度図5および図6を参照して、プラグ層BSおよびゲートコンタクトCGは、半導体基板SUBの主表面に複数形成される。また第1のコンタクトパターン1G,SCと第2のコンタクトパターン1Bとはともに複数存在する。したがって複数の第1のコンタクトパターン1G,SCのそれぞれはプラグ層BSまたはゲートコンタクトCGのそれぞれの上面と接するように形成され、複数の第2のコンタクトパターン1Bのそれぞれはプラグ層BSのそれぞれの上面と接するように形成される。
複数のプラグ層BSと複数のゲートコンタクトCGとは互いに同一層から分離して形成されている。また複数の第1のコンタクトパターン1G,SCのそれぞれと、複数の第2のコンタクトパターン1Bのそれぞれとは、半導体基板SUBの主表面上の互いに同一層から分離して形成されている。
再度図5を参照して、第1のコンタクトパターンとは平面視においてビット線BLが延在する方向(図の上下方向)またはワード線WLが延在する方向(図の左右方向)に細長いコンタクトパターンであり、グランドコンタクト1GとストレージノードコンタクトSCとの双方を含む概念である。また第2のコンタクトパターンとは平面視においてビット線BLおよびワード線WLが延在する方向の各々に対して傾斜した方向に細長いコンタクトパターンであり、ここでは具体的にはビット線コンタクト1Bを意味する。なおここでたとえば「コンタクトパターンがビット線BLが延在する方向に細長い」とは、コンタクトパターンはその長手寸法がビット線BLが延在する方向に沿っていることを意味する。
より具体的には、図5において、グランドコンタクト1G、ストレージノードコンタクトSCおよびビット線コンタクト1Bはいずれも、一の方向に細長い平面形状を有している。グランドコンタクト1Gは、図5の左右方向すなわちワード線WLの延在する方向に細長い第1のコンタクトパターンである。ストレージノードコンタクトSCは、図5の上下方向すなわちビット線BLの延在する方向に細長い第1のコンタクトパターンである。ビット線コンタクト1Bは、図5の斜め方向すなわちビット線BLおよびワード線WLの双方に対して傾斜した方向に細長い第2のコンタクトパターンである。
グランドコンタクト1Gはその延在する方向がワード線WLの延在する方向(図5の左右方向)に沿い、かつグランド線GNDの1つと部分的に重なるように配置されている。
ストレージノードコンタクトSCはその延在する方向がビット線BLの延在する方向(図5の上下方向)に沿い、かつ互いに隣り合う1対のビット線BLの間に挟まれるように配置されている。すなわちストレージノードコンタクトSCはビット線BL(ZBL)およびグランド線GNDと重ならないように配置されることが好ましい。これによりストレージノードコンタクトSCとビット線BLとがショートを起こす可能性が低減される。
ビット線コンタクト1Bはその延在する方向がビット線BLの延在する方向とワード線WLの延在する方向とのおのおのに対して傾斜しており、かつビット線BLの1つと部分的に重なるように配置されている。
なおプラグ層BSおよびゲートコンタクトCGは、斜めに配置されるビット線コンタクト1Bの真下のものも含め、いずれもたとえば矩形状を有する場合、その縁部はビット線BLおよびワード線WLの延在する方向に沿うように形成されている。つまり、たとえばビット線コンタクト1Bは平面視においてビット線BLおよびワード線WLの延在する方向に対して斜め方向に細長く延びるが、その真下に接するプラグ層BSは斜め方向に延びることなくビット線BLおよびワード線WLの延在する方向に沿うように形成されている。
次に傾斜するように配置されたビット線コンタクト1Bの寸法および傾斜角度について説明する。
図5においては(第1および第2のコンタクトパターンに相当する)グランドコンタクト1G,ストレージノードコンタクトSCおよびビット線コンタクト1Bはいずれも平面視において一の方向に細長く延びる矩形状を有している。しかしたとえばこれらのコンタクトパターン1G,SC,1Bは平面視において一の方向に長い寸法を有し、一の方向に交差する方向に上記長い寸法(長手寸法)よりも短い寸法(短手寸法)を有する、任意の平面形状とすることができ、たとえば楕円の平面形状であってもよい。
また図6に示すように、これらのコンタクトパターンCT(グランドコンタクト1G,ストレージノードコンタクトSCおよびビット線コンタクト1B)は通常、いわゆるドライエッチングにより形成される孔部を導電材料で充填することにより形成される。このため、深さ方向に進むにつれ(下層側ほど)その平面視におけるサイズが小さくなる形状(言い換えれば深さ方向に向けてテーパを有する断面形状)を有している。なお図5の平面図においては、深さ方向に関して一定の深さ(たとえばプラグ層BSの最上面と同じ深さ)の位置における平面形状およびサイズを示している。
ここではこれらのコンタクトパターン1G,SC,1Bの平面的な短手寸法と長手寸法との比率が(1):(1.23以上)であることが好ましい。たとえば、平面視におけるある方向の寸法(径)が100nmであるコンタクトパターンCTを寸法誤差±10%として管理する場合、当該寸法(径)の最大値は110nmとなり、最小値は90nmとなる。たとえば一方の寸法(径)が最大値の110nmであり他方の寸法(径)が90nmである場合、短手寸法(径)に対する長手寸法(径)の比率が110/90=1.22以上であればそのコンタクトパターンCTは細長い平面形状であると定義できる。
またビット線コンタクト1Bは、平面視において、ビット線BLまたはワード線WLの延在する方向に対して傾斜する角度が10°以上80°以下であることが好ましく、その中でも30°以上60°以下であることが特に好ましい。たとえば10°以上傾斜することにより、ビット線コンタクト1Bの平面視における寸法誤差以上のショートマージンが存在する場合においてもショートを抑制することができる。一例として図5のビット線コンタクト1Bは、その長手寸法の方向が、ビット線BLおよびワード線WLのそれぞれの延在する方向に対して約45°傾いている。なお上記のように図5の上下方向の中央部を左右方向に延びる直線に対して上側の領域と下側の領域とが線対称となっているため、図5の上半分のビット線コンタクト1Bは右側が上がるように延びており、図5の下半分のビット線コンタクト1Bは右側が下がるように延びている。
次に、図7の比較例を参照しながら、本実施の形態の作用効果について説明する。
図7を参照して、これは図5と同様の構成を有しているが、ビット線コンタクト1Bの構成において図5と異なっている。具体的には、ビット線コンタクト1Bが、グランドコンタクト1Gと同様に、その長手寸法がワード線WLの延在する方向に沿うように形成されている。
なお、これ以外の本実施の形態の構成は、実施の形態1の構成とほぼ同じであるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。
図7の比較例の場合、SRAMの微細化が進み半導体装置の各構成要素間のマージンが縮小され続ければ、特に図7中に丸点線で示す部分のように、ビット線コンタクト1Bとこれに隣り合う(分離領域SIにおけるゲートコンタクトCG上の)ストレージノードコンタクトSCとが互いに接触し、これらの間にショートが発生する可能性がある。ビット線コンタクト1BとストレージノードコンタクトSCとは半導体基板SUBの同一層に形成されるため、両者の半導体基板SUBの主表面に対する高さがほぼ等しい。このため、両者が平面視において接近すれば比較的容易にショートを起こす可能性がある。
そこで一実施の形態においては、図4および図5に示すように、上記ビット線コンタクト1Bの延在方向がワード線WLおよびビット線BLの延在する方向に対して傾斜するように配置される。このようにすれば、ビット線コンタクト1Bとこれに隣り合うストレージノードコンタクトSCとの間に図6に示す絶縁膜(層間絶縁膜II1,II2)が介在することになる。したがって、たとえSRAMの微細化が進み半導体装置の各構成要素間のマージンが縮小されても、互いに同一層に形成されるビット線コンタクト1BとストレージノードコンタクトSCとが接触せず電気的に絶縁された状態を確保することができる。
ビット線コンタクト1Bは長手寸法を有する細長い平面形状により、確実にビット線BLを横切り、ビット線BLと平面的に重なる構成とすることができるため、ビット線BLと電気的に接続可能な構成とすることができる。
ただしたとえば図中のグランドコンタクト1Gなど、図5を構成する複数のコンタクトパターンの中には、ビット線コンタクト1Bと同様に長手方向を傾斜させれば却って他のコンタクトパターンCTとショートする可能性が高まる可能性がある。そこで図5中のグランドコンタクト1Gは傾斜させることなくワード線WLの延在する方向に細長くなるように形成されている。
またビット線コンタクト1Bはビット線BLと平面的に重なることによりビット線BLと電気的に接続されることが望ましく、グランドコンタクト1Gはグランド線GNDと平面的に重なることによりグランド線GNDと電気的に接続されることが望ましい。このためこれらを確実に平面的に重ねる目的で、グランドコンタクト1Gは図5の左右方向(すなわちグランド線GNDの延在する方向に交差する方向)に細長くなるよう形成されている。このようにすれば横方向の寸法が長くなるため、グランドコンタクト1Gの位置が多少ずれたとしても、より確実に縦方向に延びるグランド線GNDと重なる態様とすることができる。ビット線コンタクト1Bは傾斜方向に細長いが、細長い形状を有することにより、ビット線コンタクト1Bの位置が多少ずれたとしても、(少なくともたとえばビット線コンタクト1BがストレージノードコンタクトSCと同様にビット線BLに平行に延在する場合に比べて)確実に縦方向に延びるビット線BLと重なる態様とすることができる。
ビット線コンタクト1Bおよびグランドコンタクト1Gと逆に、ストレージノードコンタクトSCはビット線BLなどと平面的に重ならないことが好ましい。ストレージノードコンタクトSCはクロスカップルを構成する一部分であり、ビット線BLと電気的に接続されると機能を阻害する可能性がある。このためストレージノードコンタクトSCは互いに隣り合う1対のビット線BLの間に配置することにより、ビット線BLとの接触を抑制することができる。またストレージノードコンタクトSCは、ビット線BLの延在する方向に細長くなるように形成することにより、ビット線BLとの接触を抑制することができる。
このように複数の第1のコンタクトパターンは、平面視においてビット線BLの延在する方向に細長いコンタクトパターンであるストレージノードコンタクトSCと、平面視においてワード線WLの延在する方向に細長いコンタクトパターンであるグランドコンタクト1Gとの双方を含んでいる。つまり、当該半導体装置においては必要に応じて図の上下方向、左右方向、および傾斜方向と、異なる方向に細長いコンタクトパターンが混在している。このようにすれば、パターン上の要請にかかわらずすべてのコンタクトパターンを同様に傾斜させたり同方向に延在させた場合に比べて、より確実にコンタクトパターン間のショートを抑制することができる。また必要に応じて、ビット線BLなどと電気的に接続されるべき(平面的に重なるべき)コンタクトパターンCTと接続されるべきでない(平面的に重なるべきでない)コンタクトパターンCTとを区別して、SRAMの要求される機能を発揮させることができる。
なお上記のように、特にアクセストランジスタのソース/ドレイン領域の一方(図2においてはドレイン領域D)とビット線BLとを接続する(第3のコンタクトパターンとしての)ビット線コンタクト1Bが、ビット線BLおよびワード線WLの延在方向に対して傾斜方向に細長くなるよう形成されることが好ましい。これは上記ビット線コンタクト1Bは、特にこれに隣り合う(活性領域上でないゲート電極上の)ストレージノードコンタクトSCとの距離が短く、両者の間でショートを来しやすいためである。上記のように傾斜させ、ビット線コンタクト1BとストレージノードコンタクトSCとの距離を広くすることにより、ショートの発生を抑制できる。
なお以上においてはSRAM、特にAdvanced SRAMに一実施の形態を適用した場合について説明したが、これに限らず、たとえばDRAMに一実施の形態を適用することも可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
1B ビット線コンタクト、1G グランドコンタクト、2G 下層配線、ACR 活性領域、BL,ZBL ビット線、BS プラグ層、C1,C2 キャパシタ、CG ゲートコンタクト、CT コンタクトパターン、DV 半導体装置、GND グランド線、II1,II2 層間絶縁膜、IL 絶縁層、LF ライナー膜、PD パッド領域、PWL p型ウェル領域、SC ストレージノードコンタクト、SI 絶縁層、SUB 半導体基板、T1,T2 ドライバトランジスタ、T3,T4 負荷トランジスタ、T5,T6 アクセストランジスタ、WL ワード線。

Claims (4)

  1. 主表面を有する半導体基板と、
    前記主表面上に延在するビット線と、
    平面視において前記ビット線と交差するように前記主表面上に延在するワード線と、
    平面視において前記ビット線が延在する方向に細長いコンタクトパターンと前記ワード線が延在する方向に細長いコンタクトパターンとの少なくともいずれかを含む複数の第1のコンタクトパターンと、
    平面視において前記ビット線および前記ワード線が延在する方向の各々に対して傾斜した方向に細長い複数の第2のコンタクトパターンとを備え、
    前記複数の第1のコンタクトパターンおよび前記複数の第2のコンタクトパターンは前記主表面上の同一層に形成されており、
    前記複数の第2のコンタクトパターンのうち少なくとも1対の第2のコンタクトパターンは、前記1対の第2のコンタクトパターンのそれぞれの延在方向に関して一直線状に並ぶように、かつ少なくとも部分的に同一のワード線に平面視で重なるように、配置されている、半導体装置。
  2. 前記複数の第1のコンタクトパターンは、平面視において前記ビット線の延在する方向に細長いコンタクトパターンと、平面視において前記ワード線の延在する方向に細長いコンタクトパターンとの双方を含む、請求項1に記載の半導体装置。
  3. スタティック型メモリセルのアクセストランジスタをさらに備え、
    前記アクセストランジスタは、1対のソース/ドレイン領域を含み、
    前記複数の第2のコンタクトパターンは、前記アクセストランジスタの前記1対のソース/ドレイン領域の一方と前記ビット線とを接続する、請求項1に記載の半導体装置。
  4. それぞれが前記主表面に接続される複数の第1の接続層および複数の第2の接続層をさらに備え、
    前記複数の第1のコンタクトパターンのそれぞれは、前記複数の第1の接続層のそれぞれの上面と接するように形成され、前記複数の第2のコンタクトパターンのそれぞれは、前記複数の第2の接続層のそれぞれの上面と接するように形成される、請求項1に記載の半導体装置。
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