JPH0276257A - 半導体メモリ素子 - Google Patents

半導体メモリ素子

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JPH0276257A
JPH0276257A JP63227945A JP22794588A JPH0276257A JP H0276257 A JPH0276257 A JP H0276257A JP 63227945 A JP63227945 A JP 63227945A JP 22794588 A JP22794588 A JP 22794588A JP H0276257 A JPH0276257 A JP H0276257A
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JP
Japan
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electrode
capacitor
semiconductor substrate
film
charge
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Pending
Application number
JP63227945A
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English (en)
Inventor
Katsuji Iguchi
勝次 井口
Akio Kawamura
川村 昭男
Masahiko Urai
浦井 正彦
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/30DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/31DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor
    • H10B12/318DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor the storage electrode having multiple segments

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、半導体メモリ素子に関し、更に詳しくは、
ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(以下、D
RAMと称す)のメモリセル構造に関する。
〈従来の技術〉 高集積化の先端を走るDRAMは、ここ3年内に4倍の
割合で記憶容量が増大しており、今後、4Mb、l 6
Mb、64Mbと順次容量か増加していくと予想される
。このような集積度の向上を図る上で、DRAMの記憶
単位であるメモリセルを縮小して行く必要がある。一方
、放射線によるソフトエラーを防止すると共に、十分な
S/N比の信号を確保するためには、メモリセル内の電
荷蓄積容量はある最低値以上を保たねばならない。この
ため、電荷蓄積コンデンサを半導体表面に形成する事は
4MbDRAM以降不可能となっており、この電荷蓄積
コンデンサを、半導体基板に形成された穴とか溝の内部
や、半導体基板表面に形成されたMOSトランジスタ上
に形成する三次元構造メモリセルか一般化しつつある。
〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、電極蓄積コンデンサを、半導体基板に形成さ
れた穴とか溝、いわゆるトレンチの内部に形成する方式
は、トレンチの深さに応じて電荷蓄積容量を増すことが
できるため、メモリセルを縮小する上では有利であるが
、深いトレンチを再現性よく形成することが技術的に非
常に困難であるため、生産面で有利とはいえない。一方
、電荷蓄積コンデンサをMOSトランジスタ上に形成す
るいわゆるスタック型メモリセルは、比較的生産向きで
はあるが、上記トレンチを利用する場合に比べてコンデ
ンサ容量を大きくできないため、16 Mb、 64 
Mbと高集積化していく上で不利であった。これは、ス
タック型メモリセルの電荷蓄積電極をなす多結晶シリコ
ン膜の膜厚が0.3μm程度と比較的薄く、電荷の大部
分が上記電極の上面に蓄積されているため、セル面積の
縮小により蓄積電荷量か急激に減少するためである。
そこで、この発明の目的は、64Mbと高集積化する場
合にも最低値以上の電荷蓄積容量を保つことかできるよ
うにしたスタック型メモリセルを有する半導体メモリ素
子を提供することにある。
く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、第1の発明の半導体メモリ素
子は、半導体基板表面に形成されたトランジスタの一方
の端子に、上記半導体基板上に形成されたコンデンサの
一方の電極を接続したメモリセルを複数個有する半導体
メモリ素子であって、上記コンデンサの一方の電極は、
断面が柱状をしており、その電極の上記半導体基板表面
に垂直な側面部に蓄積できる電荷量が、その電極に蓄積
できる電荷量全体の60%以上を占めるように形成され
たことを特徴としている。
また、第2の発明の半導体メモリ素子は、半導体基板表
面に形成されたトランジスタの一方の端子に、上記半導
体基板上に形成されたコンデンサの一方の電極を接続し
たメモリセルを複数個有する半導体メモリ素子であって
、上記コンデンサの一方の電極がカップ状に形成され、
上記コンデンサの他方の電極が上記カップ状の電極の内
面と外面に対向するよう形成されたことを特徴としてい
る。
なお、第1および第2の発明共、半導体基板としてはp
型又はn型のSi基板が好ましく、p型Si基板がより
好ましい。また、コンデンサの第1の電極としては燐又
はひ素をドーピングした多結晶シリコンが好ましい。さ
らに、コンデンサの誘電体膜の材質は、S i 02 
、 S l 3 N 4 、 Si ON 、 T a
 t Os 、 T iO*及びこれらの複合膜等が好
ましく、その膜厚は単位面積当たりの容量が2X10−
’F/e1m”からIXl 0−”F /am’の範囲
に入る膜厚が好ましい。
く作用〉 第1の発明においては、半導体基板上に形成されたコン
デンサが、断面が柱状をした一方の電極に蓄積できる電
荷量全体の60%以上を、その電極の上記半導体基板表
面に垂直な側面部に蓄積する。
また、第2の発明においては、半導体基板上に形成され
たコンデンサが、カップ状に形成された一方の電極と、
その電極の内面と外面に対向するように形成された他方
の電極との間に電荷を蓄積する。
従って、第11第2の発明共、セル面積の縮小に抗して
、従来並の電荷蓄積容量を維持することができるため、
2μが程度の面積のスタック型メモリセルの実現が可能
となり、64MbDRAMにも利用可能となる。
〈実施例〉 以下、この発明を図示の実施例により詳細に説明する。
第1の発明の実施例 第1図は本実施例における64MbDRAMに適用可能
なメモリセルの作製工程を示す図である。
この第1図の(A −1)、(B −1)、(C−1)
、(D −1)はそれぞれ平面図であり、(A−2)、
(B−2)。
(C−2)、(D−2)はそれぞれ上記各平面図のX−
X線断面図である。
上記各平面図の一点鎖線で囲まれた領域(2,0μm 
x 1.0μm)は一つのメモリセルの領域を示してい
る。このメモリセルは機能的には一つのNチャンネルト
ランジスタ(T)と一つのコンデンサ(C)から構成さ
れる。このトランジスタは、ドレイン領域がビット線と
接続され、ソース領域がコンデンサと接続される。そし
て、このトランジスタのゲート電極となるワード線が高
レベルにある時に導通し、上記ワード線が低レベルにあ
るときにオーブン状態となる。上記トランジスタが導通
した状態において、ビット線とコンデンサの間で電荷の
やり取りが起き、信号の書き込み、読み出しがおこなわ
れる。
第1図の(D−1)、(D−2)に示すように、上記ト
ランジスタ(T)はP型シリコン基板lをチャンネルと
し、このシリコン基板lの表面にひ素拡散層よりなるソ
ース領域5とドレイン領域6が形成されている。そして
、このチャンネルの上にはゲート酸化膜3を介してゲー
ト電極となるワード線4が走っている。このワード線4
は燐ドープ多結晶シリコンより構成されている。一方、
コンデンサ(C)はシリコン基板1上に、層間絶縁膜7
゜7°を介してワード線4.4°を部分的に覆うように
形成されており、トランジスタのソース領域5と接続さ
れた第1の電極8と、この第1の電極8と5iOz膜1
0によって分離され、複数メモリセル間の共通配線とな
るプレート電極11とから構成されている。上記第1の
電極8は、その表面積の80%を側面積が占めるように
形成され、コンデンサに蓄えられる電荷の80%以上が
電極側面部に蓄積されるようになっている。
本実施例では、64MbDRAM用メモリセルを対象と
して、0.3μmルールでセル設計をしているが、16
MbDRAMメモリセルとしては0.5μmルールでセ
ル設計をすることにより、セル面積が5μe以下のメモ
リセルを実現できる。この場合、第1の電極の高さは0
.5μm程度となり、全電荷の60%程度が第1の電極
の側面部に蓄積される。
次に、製造方法について説明する。パターン描画は電子
ビーム描画装置を用いて行った。主としてトランジスタ
に関る製造工程は公知のものと大差ないためここでは図
示していない。
第1図の(A−1)および(A−2)はそれぞれトラン
ジスタ部形成後のメモリセルの平面図と断面図である。
本実施例では素子分離にいわゆるBOX法を用いた。す
なわち、p型Si基板lの素子分離領域2に深さ0.6
μmの溝(トレンチ)を形成し、溝側壁にイオン注入法
により浅くボロン(B)を注入し、次いで熱酸化法によ
り100人の5iOy膜を形成し、さらにLPCVD法
によりSin、膜を堆積し、最後にエッチバック法によ
り平坦化し、素子分離領域2の形成を完了する。次ぎに
トランジスタのゲート絶縁膜さらにゲート電極となるワ
ード線形成工程に入る。なお、本実施例では折り返しビ
ット線構成をとっている。又、ワード線材料は多結晶シ
リコン、ポリサイド、高融点金属等が利用可能であるが
、本実施例では燐ドープ多結晶シリコンを用いた。まず
、トランジスタ領域上の平坦化時のエツチングストッパ
として用いた多結晶シリコンマスク等を剥離したのち、
熱酸化法により100人厚0ゲート酸化膜3.3°を形
成する。次いで、燐ドープ多結晶シリコンを0.4μm
厚堆積し、続けて0.3μm厚のCV D  S iO
を膜(SiO2膜7,7°、7゛°の一部)を堆積する
。この2層膜をワード線パターン4.4’、4°゛、4
°°°へ加工した後、燐(P)をイオン注入法により2
0KeVのエネルギーで3 K 10 ”cm−”注入
し、0.1μm厚のL P CV D  S iOを膜
を堆積し、エッチバックにより、ゲート電極スペーサ(
SiO!膜7.7’、7°゛の一部となる)を形成し、
さらにひ素(As)を30KeVで5 X I O15
am−”注入した。以上の工程によりLDD(Ligh
tly Doped Drain−ライトリ ドープド
 ドレイン)構造のトランジスタのソース領域5.5°
、5°°及びドレイン領域6.6°、6′°が形成でき
る。さらに、L P CV D  S i O*膜を0
.1μm厚堆積し、エッチバック工程により、ワード側
側壁にのみSiO*膜を残す。この5ift膜及び前述
のゲート電極スペーサ5iOy膜、CVD−5iO3膜
よりなるSiO*膜7.7°、7°°によってワード線
は完全に覆われ、同時にソース領域、ドレイン領域上の
開口部は他から相互に絶縁分離された構造となる。
次ぎに、コンデンサの作製工程を説明する。まず、第1
図の(B−1)、(B−2)に示すように、燐ドープ多
結晶シリコンを1μm厚堆積し、RIE法により、トラ
ンジスタのソース領域5.5’。
5°°等に接続した第1電極8.8’、8°′、8°゛
°とトランジスタのドレイン領域6.6°、6°°に接
続し、後にビット線とら接続する電極9.9’、9°。
へ加工する。そして、第1図の(C−1)、(C−2)
に示すように、第1の誘電体膜となる50人0の5iO
z膜10.10’、l O”を熱酸化法により形成し、
燐ドープ多結晶シリコンを0.1μm厚で堆積し、プレ
ート電極11へ加工する。この時、電極9の周辺はマス
クで覆われていないため、上記燐ドープ多結晶シリコン
はエツチング除去される。
しかし、ソース電極6とプレート電極l!が短絡しなけ
れば、電極9の周囲に上記燐ドープ多結晶シリコンが残
ってもよい。
最後に、第1図の(D−1)、(D−2)に示すように
、LPCVD法及びCVD法によりSiO2膜15を堆
積し、エッチバック法により平坦化し、ビット線とトラ
ンジスタのドレイン6を接続するためのコンタクトホー
ル16,16°、+6”を開口し、At!S i合金を
0.5μm厚堆積し、ビット線17.17’、l 7”
へ加工する。
以上の工程で形成されたメモリセルは、lセル当たり、
2μmx1μm・2μm2の面積を有し、最小寸法は0
.3μmである。レジストマスクにより加工されるパタ
ーンの最大アスペクト比は2.5と小さく、深いトレン
チを掘る場合のような困難さはない。本実施例のメモリ
セルのコンデンサの容量は28fFと実用上問題のない
大きさであった。
蓄積された電荷の保持時間は従来のスタック型セルと同
等であった。
第2の発明の実施例 第2図は本実施例における64MbDRAMに適用可能
なメモリセルの作製工程を示す図である。
この第2図の(A −1)、(B −1)、(C−1)
、(D −1)、(E−1)、(F−1)はそれぞれ平
面図であり、(A−2)、CB−2)、(C−2)、(
D−2)、(E−2)。
(F−2)はそれぞれ上記各平面図のX−X線断面図で
ある。
上記各平面図の一点鎖線で囲まれた領域(2,0μm 
x 1.0μm)は一つのメモリセルの領域を示してい
る。このメモリセルは機能的には一つのNチャンネルト
ランジスタ(T)と一つのコンデンサ(C)から構成さ
れる。このトランジスタは、ドレイン領域がビット線と
接続され、ソース領域がコンデンサと接続される。そ、
して1.このトランジスタのゲート電極となるワード線
が高レベルにある時に導通し、上記ワード線が低レベル
にあるときにオープン状態となる。上記トランジスタが
導通した状態にセいて ビット線とコンデンサの間で電
荷のやり取りが起き、信号の書き込み、読み出しがおこ
なわれる。
第2図の(F −1)、(F iZ)鷲示すように、上
記トランジスタ(T)は、P型シリコン基板、21をチ
ャンネルとし、このシリコン基板21の表面にひ素拡散
層よりなるソース領域25とドレイン領域26が形成さ
れている。そして、このチャンネルの上にはゲート酸化
膜23を介してゲート電極となるワード線24が走って
いる。このワード線24は燐ドープ多結晶シリコンより
構成されている。
一方、コンデンサ(C)はシリコン基板21上に、層間
絶縁膜27.27°を介してワード線24,24°を部
分的に覆うように形成されており、トランジスタのソー
ス領域25と接続されたカップ状の第1の電極34と、
この第1の電極34と誘電体膜36によって分離され、
複数メモリセル間の共通配線となるプレート電極37と
から構成されている。上記カップ状をした第1の電極3
4は、コンデンサに蓄積される電荷の約35%がその電
極内面に蓄積されるようになっている。
本実施例では、64MbDRAM用メモリセルを対象と
して、0.3μmルールでセル設計をしているが、16
MbDRAMメモリセルとしては0.5μmルールでセ
ル設計をすることにより、セル面積が4μm”fffi
度のメモリセルを実現できる。この場合、第1の電極の
外壁の高さは0.5μm程度でよい。
次に、製造方法について説明する。パターン描画は、第
1の発明の実施例と同様、電子ビーム描画装置を用いて
行った。また、主としてトランジスタに関る製造工程は
公知のものと大差ないためここでは図示していない。
第2図の(A−1)および(A−2)はそれぞれトラン
ジスタ部形成後のメモリセルの平面図と断面図である。
ここまでの工程は、第1の発明の実施例の第1図の(A
−1)、(A−2)において説明したしのと同様である
ので説明を省略する。
次に、コンデンサの作製工程を説明する。まず、第2図
の(B −1)、(B −2)に示すように、LPCV
D法により200人の5iOz膜28と300人のSL
N+膜29を堆積し、さらに、LPCVD法とAPCV
D法により平坦部で08μm厚の5iO7膜30を堆積
し、コンデンサ形成部31.31’。
31°°及びドレイン−ビット線接合部32,32°。
32゛の5iOz膜30をエツチング除去する。
次に、第2図の(C−1)、(C−2)に示すように、
コンデンサ形成部31.31’、31”及びドレイン−
ビット線接合部32,32°、32”のSi3N4膜2
9及び5iOy膜30をエツチング除去する。まず、熱
濃燐酸でSi3N+を溶解した後、緩衝沸酸でSiOx
膜をエツチングする。その後、0.2μm厚の多結晶シ
リコン(PolyS i)33を堆積する。
その後、第2図の(D−1)、(D−2)に示すように
、レジストを塗布し露光しないでベーキングし、02R
IEによりエツチングし、Po1ySi膜33の上部表
面を露出する。この時、Po1ySi膜33により形成
されたカップ状の電極の内部には上記レジストが残存し
ている。そして、RIE法によりpolysi膜33の
上面をニー)チングし、5ift膜30の上面を露出さ
せる。次いで、援衝沸酸によりSiOx膜30をエツチ
ング除去する。5iaNa膜29がエツチングストッパ
となり、ワード線を被覆するSiOx膜27.27’、
27°゛はエツチングされない。さらに、気相よりひ素
(As)をPo1ySi膜に拡散し、多結晶シリコン膜
33を低抵抗化する。以上の工程により、コンデンサの
第1の電極をなすカップ状の電極34,34°、34”
°と、ビット線とトランジスタのドレインを接続する電
極35,35°、35°°が形成される。
次に、第2図の(E−1)、(E−2)に示すように、
Po1ySi膜33を熱酸化し、その上にS i3N+
膜を堆積することにより、2層絶縁膜36を形成する。
更に、多結晶シリコン膜37を堆積した後、燐を拡散し
、コンデンサの第2の電極をなすプレート電極へ加工す
る。上記2層絶縁膜36による容量は6.7rF/μm
3である。
最後に、第2図の(F−1)、(F−2)に示すように
、層間絶縁膜38を堆積し、平坦化した後、ビット線コ
ンタクトホール39,39’、39°°を形成し、A1
2S i合金を0.5μm厚堆積し、ビット線40.4
0°、40”へ加工する。
以上の工程で形成されたメモリセルは、lセル当たり、
2μmx1μm=2μm!の面積゛を有し、最小寸法は
0.3μmである。レジストマスクにより加工されるパ
ターンの最大アスペクト比は2と小さく、深いトレンチ
を掘る場合のような困難さはない。本実施例のメモリセ
ルのコンデンサの容量は271Fと実用上問題のない大
きさであった。
蓄積された電荷の保持時間は従来のスタック型セルと同
等かそれより長かった。
〈発明の効果〉 以上より明らかなように、第1の発明の半導体メモリ素
子は、半導体基板表面に形成されたトランジスタの一方
の端子に、上記半導体基板上に形成されたコンデンサの
一方の電極を接続したメモリセルを複数個有し、上記コ
ンデンサの一方の電極は、断面が柱状をしており、その
電極の上記半導体基板表面に垂直な側面部に蓄積できる
電荷量が、その電極に蓄積できる電荷量全体の60%以
上を占めるように形成されているので、従来のスタック
型メモリで−は実現不可能だった大容量コンデンサを実
現でき、セル面積2μ量1償のスタック型メモ1ノセル
により64MbDRAMを実現することができ、また、
さらに記憶容量の大といDRAMの実現もwi−で、あ
る。
また、第2の′鞠晰1の半導体〕そり素子は、半導体基
板表面に形成されたトランジスタの一方の端子に、上記
半導体基板上に形成されたコンデンサの一方の電極を接
続したメモリセルを複数個有し、上記コンデンサの一方
の電極がカップ状に形成され、上記コンデンサの他方の
電極が上記カップ状の電極の内面と外面に対向するよう
形成されているので、第1の発明と同様の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は第1の発明の一実施例の製造工程を説明する図
であり、第1図の(A −1)、(B −1)、(C−
1)、(D−1)は平面図、(A −2)、(B −2
)、(C−2)、(D−2)はそれぞれ上記平面図のX
−X線断面図である。第2図は第2の発明の一実施例の
製造工程を説明する図であり、第2図の(A−1)。 (B−1)、(C−1)、(D−1)、(E−1)、(
F−1)は平面図、(A −2)、(B −2)、(C
−2)、(D −2)。 (E−2)、(F−2)はそれぞれ上記平面図のX−X
線断面図である。 1.21・・・P型シリコン基板、 4.24・・・トランジスタのゲート電極をなすワード
線、 5.25・・・トランジスタのソース領域、6.26・
・・トランジスタのドレイン領域、8.34・・・コン
デンサの第1電極、10.36・・・コンデンサの誘電
体膜、11.37・・・コンデンサの第211極、17
.40・・・ビット線。 特 許 出 願 人  ンヤーブ株式会社代 理 人 
弁理士  青白 葆 ほか1名ll +A−1) (B−11 (A−21 (B−2) 第2 (C−1) (D−+) 35″ (C−2) (D−2)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基板表面に形成されたトランジスタの一方
    の端子に、上記半導体基板上に形成されたコンデンサの
    一方の電極を接続したメモリセルを複数個有する半導体
    メモリ素子であって、上記コンデンサの一方の電極は、
    断面が柱状をしており、その電極の上記半導体基板表面
    に垂直な側面部に蓄積できる電荷量が、その電極に蓄積
    できる電荷量全体の60%以上を占めるように形成され
    たことを特徴とする半導体メモリ素子。
  2. (2)半導体基板表面に形成されたトランジスタの一方
    の端子に、上記半導体基板上に形成されたコンデンサの
    一方の電極を接続したメモリセルを複数個有する半導体
    メモリ素子であって、上記コンデンサの一方の電極がカ
    ップ状に形成され、上記コンデンサの他方の電極が上記
    カップ状の電極の内面と外面に対向するよう形成された
    ことを特徴とする半導体メモリ素子。
JP63227945A 1988-09-12 1988-09-12 半導体メモリ素子 Pending JPH0276257A (ja)

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