JPS6034270B2 - 半導体メモリ装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、絶縁ゲート型ランダム・アクセス・メモリと
その製造方法、特に略々平行に走るセンス線と、その間
に絶縁ゲート型電界効果トランジスタとキャパシタとを
有するセルのアレイとで構成されるメモリに関する。

ＮチャンネルシリコンゲートＭＯＳ型ＲＡＭに単一トラ
ンジスタ型の半導体メモリセルを用いた例は、１９７５
王９月３０日発行の米国特許第３，９０９，６３１号あ
るいは１９７３年９月１３日発行の雑誌“Ｅｌｅｃｔｍ
ｎｉｃゞの第１１６頁に記載されている。

この型の装置で最も広く製造されているものは、業界で
は４ＫＲＡＭとして知られ、４０９６すなわちぞ２ビッ
トの容量を持っている。半導体装置製造の経済性につい
て考えれば、製造コストの大半はボンディング、パッケ
ージング、検査、取扱い等に伴なうもので、実際の回路
を構成する４・さなシリコンチップのコストが占める割
合は少ない。もし１枚のチップ上に１舷または１６．３
８４（公４）個のメモリセルが適正歩留で形成されると
すると、ビット当りのコストが非常に安くなる。しかし
、チップの寸法が大きくなるにしたがって歩蟹は悪くな
り、チップの１辺が５肌（２００ミル）を越えると歩留
の低下によって上記の利点がなくなる。したがって、１
個のＲＡＭにおける各ビットまたはセルが占有する面積
を小さくすることが望まれる。本発明の主な目的は、絶
縁ゲート型ランダム・アクセス・メモリのレイアウトを
変えることにより、トランジスタとキャパシタとで構成
されるメモＩＪセルの寸法を小さくすると共に、近接す
る一対のセルで構成する単位領域の縦横比のバランスを
とり、一方向に走るセンス線の間隔と、これに直角な方
向に走る列選択線の間隔とを略略等しく形成できるよう
にすることである。本発明によれば、従来は単一段であ
った多結晶シリコンを２段用いたＮチャンネルシリコン
ゲ−トＭＯＳメモリセルが提供される。

第１段の多結晶シリコンは、一行中のセル用の蓄脊キャ
パシタの上側プレートを提供する。この第１段はバイア
ス電圧供給源に接続され、一行中の全セルに対して共通
である。第２段の多結晶シリコンはＭＯＳトランジスタ
のゲートを提供するとともに、Ｘアドレス線を形成する
上の金属ストリップとゲートの間の接続も与える。金属
ストリップと第２段の多結晶シリコンの間のコンタクト
領域が第１段の多結晶シリコンの一部の上にくるように
、そこにスペースを設けてもよい。本発明の特徴は特許
請求の範囲に記載されているが、本発明自体および他の
特徴や利点は以下の特定の実施例に関する詳細な記載を
添付図面を参照してみると明らかになるだろう。本発明
による一対のＲＡＭセルが第１図に示されている。

各セルはＭＯＳトランジスター ０と蓄積キャパシタ領
域１１を備えており、これは第２図の回路図にも示され
ている。Ｎ＋拡散領域によってセンス線１２を構成し、
これらの線が一行中の多数のセルに接続するＹ線である
。たとえば、線１２に接続されたトランジスター０およ
びキャパシタ１１を各々が有する６４個のセルがある。
×アドレスまたは列選択線１３は金属ストリップであっ
て、この線は一列中の全トランジスタ（たとえば６４個
または１２８個）の全ゲートに接続される。第１図ばか
りでなく第３ａ図および第３ｂ図によりよく示されてい
るように、各ＭＯＳトランジスタ１川まソース（あるい
はドレィン）を形成するＮ＋拡散領域１４を含んでいる
。

このＮ＋領域１４は、細長い連続した拡散領域から成る
センス線１２の一部である。さらに、トランジスタ１川
ま第２段の多結晶シリコンによって作られたゲート１５
を含んでいるが、これについては後述する。ＭＯＳトラ
ンジスタのドレインは、キヤ／ぐシタ１１の下の反転領
域１７によって領域１６に形成される。薄い酸化シリコ
ン層１ ８は、ＭＯＳトランジスター０のゲート絶縁体
およびキャパシ夕１１の議電体として働く。コンデンサ
ー１の上側プレートは、Ｖｄｄ（約十１２Ｖの供給電圧
）に接続された細長いストリップ１９である第１段の多
結晶シリコンによって提供される。第１段の多結晶シリ
コンと第２段の多結晶シリコンは酸化物層２０によって
互いに隔離され、両多結晶シリコン層を含むチップ全体
が厚い酸化物層２１によって覆われる。第３ｂ図に示さ
れるように、列アドレス線１３を形成する金属ストリッ
プが酸化物層２１上にあり、下方に伸びてコンタクト部
２２において第２段の多結晶シリコン層１５とのコンタ
クトを作る。第１図のセルの製造方法を以下に述べる。

出発材料は直径約７５肌（３インチ）、厚さ１２．５帆
（５０ミル）の単結晶半導体シリコンスライスである。
第４ａ図に非常に小さいシリコンスライスのバー３０が
示されているが、これは実寸法を表わすものではない。
第４ａ図から第４ｅ図に示されるバー３０の小領域にセ
ルが１個含まれ（第１図では隣接する２個が示されてい
る）、この領域の幅は２５ミクロン（１ミル）以下であ
る。１舷または１６．３８４個のセルとセンスアンプ、
デコード回路、入出力バッファ、パッド等が含まれると
すると、その占有面積は２５肋２（４０，００び平方ミ
ル）になる。

したがって、実寸法では、第４ａ図から第４ｅ図に示さ
れる種々の層や領域の厚さはそれらの幅に比べて非常に
薄くなる。まず、シリコンスライスを炉に入れ、約９０
０００の水蒸気雰囲気において約１，０００△の薄い酸
化シリコン層３１が形成されるに十分な時間酸化処理を
行なう。

その後、ｈプラズマ放電下のシランとアンモニアの雰囲
気にスライスをさらして、酸化シリコン層３１上に窒化
シリコン層３２を設ける。この窒化シリコン層３２の厚
さも約１，０００Ａである。窒化シリコン層３２上には
、例えばＫＭＥＲ（Ｋｏ船ｋＭｅｔａｌＥｔｃｈＲｅｓ
ｉｓｔ）などを用いてフオトレジスト被覆３３を設ける
。このフオトレジスト被覆３３は、所望の“モード”ま
たはフィールド酸化物領域のパターンを定めるマスクを
通して紫外線に露出される。フオトレジスト被覆３３は
、第４ｂ図の領域３４を残して現像される。その後、ス
ライスは、窒化シリコン層は腐食するがフオトレジスト
領域３４あるいは酸化シリコン層３１は腐食しないフッ
化水素酸溶液のような選択性エッチング剤にさらされる
。次に、スライスはイオン打ち込み工程に向けられ、約
５０ＫｅＶあるいは１００ＫｅＶのビームを用いて棚素
原子が打ち込まれ、フオテトレジスト領域３４と窒化シ
リコン層３２でマスクされていない部分に浅いＰ十領域
３５が形成される。続いて、スライスは長時間の酸化処
理（９００００の水蒸気中に数時間）に向けられ、厚い
フィールド酸化物領域３６が形成される。窒化シリコン
層３２に覆われている部分は酸化を受けないが、露出部
分においてはシリコン表面が約５，０００Ａの深さまで
消滅し、約１０，０００Ａの層３６が成長する。したが
って、最初に形成されたＰ＋領域３５は消滅するが、酸
化の前職素が拡散されて全フィールド酸化物領域３６の
下にＰ十領域３７が形成される。このＰ＋領域３７はチ
ャンネルストップとして働き、寄生トランジスタの形成
を防止するものである。次に、酸化シリコン層３１と同
様にして窒化シリコン層３２が除去され、薄い酸化シリ
コンのゲート層１８が約１０，０００△の厚さに成長す
る。次に、従来の反応装置を用いてスライス全体に多結
晶シリコンを付着し、フオトレジストマスキングとエッ
チングによって、第４ｃ図のようにパターン化して多結
晶シリコン領域１９を定める。この工程で用いられるマ
スクによって第１図の第１段の多結晶シリコンのＶｄｄ
線が定められるとともに、第３ａ図に示される蓄積セル
のＭＯＳトランジスタのエッジ１６もこのマスクによっ
て定められる。次に、スライスに酸化シリコンの低温付
着を施すことにより、第４ｄ図のように酸化シリコン層
２０が形成される。もちろん、この酸化ィリコン層は最
初はスライス全体を覆い、次いで第１段の多結晶シリコ
ン層１９を覆う部分のみを残して選択的に除去される。
酸化シリコン２０のパターンを定めるホトレジストを露
出するマスクのマスク合せは、そのパターンが、ＭＯＳ
トランジスタのエッジ１６を形成するものであるから重
要であることはいうまでもない。もしマスクが第１段の
多結晶シリコン１９の一部を露出させるならば、第２段
の多結晶シリコン１５がＶｄｄ線（第１多結晶シリコン
層）に短絡してしまうだろう。また、もしマスクがエッ
ジ１６を越え過ぎるならば、ＭＯＳトランジスタの抵抗
が不当に大きくなってしまう。したがって、この工程の
後はスライスの熱酸化を行なう必要のある場合もあり得
る。そうすれば、第１段の多結晶シリコン１９の露出エ
ッジは１，０００Ａ程度の薄い熱酸化膜で覆われ、この
酸化膜によって第１および第２段の多結晶シリコンは電
気的に絶縁される。しかしながら、重なった部分の大半
は非常に厚い層２０によって容量的に減結合される。こ
の工程を採用する場合には、ゲート酸化物１８は除去さ
れ、その後第１段の多結晶シリコン１９の露出エッジが
被覆される時再成長される。これらの問題を避けるため
に、多結晶シリコン１５および１９を定めるとともにこ
れらの層間を互いに絶縁する好適な方法を以下に述べる
。まず、スライス全体に第１段の多結晶層１９を付着し
、この層の抵抗を下げるために鱗拡散を行ない、そして
第１段の多結晶層１９をパターン化する前にスライスを
厚い酸化物層２０で覆う。次に、フオトレジストを用い
て厚い酸化物層２０をパターン化し、第１段の多結晶シ
リコンとして残すべき部分以外はすべて露出する。続い
て、多結晶シリコンの露出部をエッチングによって酸化
物層１８まで除去し、そして別のエッチング剤を用いて
酸化物層１８を除去する。次に、酸化物層１８を再成長
させると同時に第１段の多結晶シリコン層１９の露出エ
ッジを酸化させ、第２段の多結晶シリコン層１５が後で
付着される時には、両段の多結晶シリコン層が電気的に
絶縁されるようにする。上記に代わる方法として、２つ
の多結晶シリコン層の間を熟成長酸化物層によって絶縁
することも可能であり、この場合第４ｄ図の酸化物層１
８はなくなり薄い層２０が形成される。この方法はパタ
ーン化を必要としないので、上述のマスク合わせの問題
は避けることができる。次の工程として第２段多結晶シ
リコン１５の付着を行なう。

従来の反応装置を用いて、スライス全体に１０，０００
△程度の厚さの多結晶シリコンを付着する。次に、スラ
イスを再びフオトレジストで覆い、第２段の多結晶シリ
コン層のパターン（すなわち、ＭＯＳトランジスタのゲ
ートとコンタクト２２への接続を定めるマスクを通して
露出する。続いて、現像したフオトレジスト部分をマス
クとして多結晶シリコン層の不要部分をエッチングによ
って除去する。次に、シリコンは腐食するが酸化シリコ
ンは腐食しないエッチング剤を用意し、スライスに対し
て短時間のエッチングを行なうことによりシリコン表面
のＮ＋拡散領域が形成されるべき露出部上に位置するゲ
ート酸化物層１８の残部を除去する。次に、従来技術を
用いてスライスに鱗拡散を行なってＮ＋領域を設ける。

露出された多結晶シリコンはこの工程で高濃度にドープ
される。この拡散の深さは約８０００Ａである。ゲート
酸化物１８のエッジはＭＯＳトランジスタのエッジを定
める。Ｎ＋拡散の後、低温付着によってスライスを厚い
酸化物層２１で覆うことにより、領域１４および３７へ
の不純物拡散が停止する。次に、コンタクト領域２２用
の開□を設けるためにフオトレジストを用いて酸化物層
２１をパターン化し、さらに、スライス全体に薄いアル
ミニウム層を付着しフオトレジストを用いて金属ストリ
ップ１３を残すようパターン化する。これで、製造工程
が実質的に完了する。しかし、この後、スライスに保護
層を設けたり、スクラィブしたり、個々のチップに分割
したり、パッケージにマウントしたりされるのは従来か
ら行なわれている通りである。コンタクト領域がＶｄｄ
線（すなわち、第１段の多結晶シＩＪコン層）上に重ね
られていることにより、セル面積を縮小することが可能
になる。また、キヤパシタ領域をコンタクト領域の直下
に設けることが可能であるため、セル面積をさらに縮小
することができる。また、ある層に対するマスク位置合
わせにおいてはさほど精密度を必要としない。例えば、
第１段の多結晶シリコン層１９を定めるマスクがキャパ
シタ１１を定めるモートのエッジから多少いずれかの方
向にずれたとしてもとしても問題はない。また、第２段
多結晶シリコン層を定めるマスクがＮ十モート領域１４
において第１段の多結晶シリコン層と重なっても差しつ
かえない。閉口２２の位置決めには高精度は要求されず
。金属ストップ１３の位置決めについても同様である。
上記の装置において、ＭＯＳトランジスタのドレィンに
キャパシ夕１１の直下の空乏層のエッジ１６よりも広い
従釆の拡散層を設けることが可能である。

しかしながら、それによってセルの寸法が小さくなる可
能性はない。以上のように、本発明によれば、トランジ
スタとキャパシ夕とで構成されるメモリセルの寸法を小
さくすると共に、近接する一対のセルで横成する単位領
域の縦横比のバランスをとり、一方向に走るセンス線の
間隔と、これに直角な方向に走る列選択線の間隔とを略
々等しく形成できる。近接する一対のセルをセンス線の
長手方向に並べると、一対のセルの面積はセンス線の方
向に大きくなり易いが、本発明のように、一対のキヤパ
シタと部分的に重なる位置の絶縁層に設けられた透孔を
通じて列選択線のコンタクトを行なうことにより、この
問題を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による２個のＲＡＭセルを示す半導体チ
ップ上の非常に小さい領域の平面図、第２図は第１図の
セルの電気的結線図、第３ａ図および第３ｂ図はそれぞ
れ第１図の線ｍａ〜ｍａおよび線ｍｂ−ｍｂにおける断
面図、第４ａ図から第４ｅ図は第１図のセルの製造工程
別の断面図である。 １０．．．．・・ＭＯＳトランジスタ、１ １・・・・
・・キヤパシタ、３０・・・・・・Ｐ型シリコン本体、
１４・・・・・・Ｎ＋型領域、１６・・・・・・キャパ
シタ領域、１８・・・・・・酸化物議電体層、１９・・
・・・・第１の多結晶シリコン層、２０・・…・絶縁被
覆、１５・・・・・・第２の多結晶シリコン層、２１・
・・・・・絶縁層、１３・・・・・・導電層、２２・・
・．・・コンタクト領域。 〃○．／ （夕．２ ‘匁．〆ｏ 〃ダ′〆ク ｆ／タ，イひ 〃夕，イク 〃リ′イＣ 〃夕．〆〆 〃夕．々ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 略々平行なセンス線と、その間に形成された絶縁ゲ
   ート型電効果トランジスタとキヤパシタとを各々有する
   セルのアレイとで構成される形式の絶縁ゲート型ランダ
   ム・アクセス・メモリにおいて、（ａ） 上記センス線
   の長手方向に並んで互に近接して設けられた第１および
   第２のセルにそれぞれ含まれた第１および第２のキヤパ
   シタ領域と、（ｂ） 少くとも上記第１および第２のキ
   ヤパシタ領域をおおう第１の絶縁層と、（ｃ） 上記第
   １の絶縁層上にあり、少くとも上記第１のおよび第２の
   キヤパシタ領域上に共通に設けられ、上記キヤパシタの
   上部電極となる第１の導電層と、（ｄ） 上記第１の導
   電層上の第２の絶縁層と、（ｅ） 上記第１および第２
   の絶縁層上にあり、上記トランジスタのゲート電極とな
   る第２の導電層と、（ｆ） 上記第２の導電層上に設け
   られた第３の絶縁層と、（ｇ） 上記第１および第２の
   キヤパシタ領域と部分的に重なる位置の上記第３の絶縁
   層に設けられた透孔と、（ｈ） 上記透孔を通じ上記第
   ２の導電層に接触し、かつ上記第３の絶縁層上に延びる
   第３の導電層と、を有する絶縁ゲート型ランダム・アク
   セス・メモリ。 ２ 略々平行なセンス線と、その間に形成された絶縁ゲ
   ート型トランジスタとキヤパシタとを各々有するセルの
   アレイとで構成される形式の絶縁ゲート型ランダム・ア
   クセス・メモリの製造方法において、（ａ） 一対のセ
   ルが上記センス線の長手方向に並ぶように、単結晶シリ
   コン本体表面の上記キヤパシタ上に、そこから薄い第１
   の絶縁層によつて絶縁された第１の導電層を形成して、
   反転型のキヤパシタを作る工程と、（ｂ） 上記表面上
   において、上記キヤパシタの側部に近接する上記トラン
   ジスタのゲート領域に、第２の薄い絶縁層を形成し、同
   時に上記第１の導電層の表面を酸化して絶縁層を形成す
   る工程と、（ｃ） 上記第２の絶縁層上に、第２の導電
   層を形成し、上記トランジスタのゲートとする工程と、
   （ｄ） 上記シリコン本体の上記表面の一部に不純物を
   導入して、上記トランジスタのソースまたはドレインを
   形成すると同時に上記第２の導電層にも不純物をドープ
   する工程と、（ｅ） 上記表面を第３の絶縁層でおおい
   、該第３の絶縁層の互に隣接する一対の上記キヤパシタ
   に部分的に重なる位置に透孔を画定し、互に隣接する２
   個のトランジスタの中間に、上記第２の導電層のコンタ
   クト領域を露出する工程と、（ｆ） 上記第３の絶縁層
   上にあつて、上記透孔を通じ上記第２の導電層と接触す
   る第３の導電層を被着し、上記２個のトランジスタに共
   通の導体を形成する工程と、を有する絶縁ゲート型ラン
   ダム・アクセス・メモリの製造方法。