JP6053250B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
キャパシタレスランダムアクセスメモリ(以下、キャパシタレスRAM)を含む半導体装置であって、
フローテイングボデイ構造を有する電界効果トランジスタを含み、
前記電界効果トランジスタは所定のバンドギャップを有する第1の半導体からなる領域と前記第1の半導体よりもバンドギャップが大きい第2の半導体からなる領域を含み、
前記電界効果トランジスタのチャネルボデイ部が前記第1の半導体からなる領域に形成されていることを特徴とする。
(A)素子分離絶縁膜で区画された領域内に前記第1の半導体からなる層と第2の半導体からなる層とが積層されており、前記第2の半導体からなる層の一部を除去して前記第1の半導体からなる層が露出する領域に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成されている半導体装置、
前記第2の半導体の積み上げ構造が、(D−1)コンタクト部の下部構造として、あるいは、(D−2)ソース及びドレイン部上の全面に形成されていることが好ましい。
(a1)SOI基板上に第1の半導体からなる層、第2の半導体からなる層を形成する工程、
(a2)SOI基板の埋め込み絶縁膜に到達する溝を形成し、該溝内に絶縁膜を形成し、素子分離絶縁膜とする工程、
(a3)前記第2の半導体からなる層を一部を除去して前記第1の半導体からなる層を露出する開口を形成する工程、
(a4)前記第1及び第2の半導体からなる層表面にゲート絶縁膜を形成し、前記開口内にゲート電極を形成する工程、
(a5)前記ゲート電極をマスクに、前記第1の半導体からなる層とは異なる導電型を与える不純物イオンを注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程
とを有する製造方法により提供される。
(b1)SOI基板上に第1の半導体からなる層を形成する工程、
(b2)SOI基板の埋め込み絶縁膜に到達する溝を形成し、該溝内に絶縁膜を形成し、素子分離絶縁膜とする工程、
(b3)前記第1の半導体からなる層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程、
(b4)前記ゲート電極をマスクに、前記第1の半導体からなる層とは異なる導電型を与える不純物イオンを注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程、
(b5)ゲート電極側面にサイドウオールスペーサを形成する工程、
(b6)前記サイドウオールスペーサと素子分離絶縁膜間の前記第1の半導体層の一部を掘り下げ、溝を形成する工程、
(b7)前記溝に第2の半導体をエピタキシャル成長させる工程、
(b8)前記サイドウオールスペーサの形成されたゲート電極をマスクに不純物をイオン注入して、前記第2の半導体を含む領域に高濃度不純物領域を形成する工程
とを有する製造方法により提供される。
(c1)SOI基板上に第2の半導体からなる層を形成する工程、
(c2)SOI基板の埋め込み絶縁膜に到達する溝を形成し、該溝内に絶縁膜を形成し、素子分離絶縁膜とする工程、
(c3)第2の半導体からなる層上にダミーゲートと該ダミーゲートの側面にサイドウオールスペーサを形成する工程、
(c4)全面に層間絶縁膜を成膜し、前記ダミーゲートが露出するまで平坦化する工程、
(c5)前記ダミーゲートを除去し、開口を形成する工程、
(c6)前記開口を介して、前記第2の半導体からなる層に前記第2の半導体を構成する元素とは異なる元素を導入し、第1の半導体からなる領域を形成する工程、
(c7)前記開口内にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程
とを有する製造方法により提供される。
(d−1−1)SOI基板上に第1の半導体からなる層を形成する工程、
(d−1−2)SOI基板の埋め込み絶縁膜に到達する溝を形成し、該溝内に絶縁膜を形成し、素子分離絶縁膜とする工程、
(d−1−3)前記第1の半導体からなる層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程、
(d−1−4)前記ゲート電極をマスクに、前記第1の半導体からなる層とは異なる導電型を与える不純物イオンを注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程、
(d−1−5)ゲート電極側面にサイドウオールスペーサを形成する工程、
(d−1−6)全面に層間絶縁膜を形成する工程、
(d−1−7)前記ソース及びドレイン領域に到達するコンタクトホールを形成する工程、
(d−1−8)前記コンタクトホールの下部に第2の半導体からなる層を形成する工程、
(d−1−9)前記コンタクトホールの残りの部分にコンタクトプラグを形成する工程
とを有する製造方法により提供される。
(d−2−1)SOI基板上に第1の半導体からなる層を形成する工程、
(d−2−2)SOI基板の埋め込み絶縁膜に到達する溝を形成し、該溝内に絶縁膜を形成し、素子分離絶縁膜とする工程、
(d−2−3)前記第1の半導体からなる層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程、
(d−2−4)前記ゲート電極をマスクに、前記第1の半導体からなる層とは異なる導電型を与える不純物イオンをイオン注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程、
(d−2−5)ゲート電極側面にサイドウオールスペーサを形成する工程、
(d−2−6)少なくとも露出するソース及びドレイン領域全面に第2の半導体からなる層を形成する工程
とを有する製造方法により提供される。
図1に本発明の第1の実施例である絶縁膜で囲まれたn型MOSのフローテイングボデイセル(FBC)の要部構造を示す。半導体基板1上に埋め込み絶縁膜2、ボデイ領域3、素子分離絶縁膜4、ゲート絶縁膜5、ゲート電極7(ゲート多結晶シリコン7−1、ゲート金属層7−5)、キャップ絶縁膜8、サイドウオールスペーサー9、ソース・ドレイン領域10、絶縁膜(1) 11、コンタクトプラグ12、配線(M1) 13、絶縁膜(2) 14、ビア・プラグ(1) 15、ビット線16、絶縁膜(2) 17、配線(M3) 19、保護絶縁膜20より構成されている。ここでボデイ領域3は第1の半導体であるp型のSiGeであり、ソース・ドレイン領域10を構成する第2の半導体であるn型Siよりバンドギャップが小さい。
次に、図3A〜図3Eに変形例(第2の実施例)を示す。
更に、別の変形例(第3の実施例)を示す。図4(a)は多結晶シリコン6−1を形成したフローテイング構造のトランジスタの断面構造である。この多結晶シリコン6−1はダミーゲートであり、半導体層3−1はp型Siであり、その他の符号は前記と同じである。次に、平坦化絶縁膜11を形成し(図4(b))、ダミーゲートである多結晶シリコンゲート6−1をエッチングして除去する。
次に、さらに別の実施例(第4の実施例)を示す。図5にリセス(溝)ゲート型FBCの構造及びその作製手順を示す。まず、図5Aに示すように、埋め込み絶縁膜2とボデイ領域3のp型SiGeとn型Si層3−7を備えたSi基板1(SOI基板)を準備する。次に、図5Bに示すように素子分離絶縁膜4を形成し、図5Cに示すように埋め込みゲート用溝4−7を形成してからゲート絶縁膜5(図5Dに示す)を形成する。図中に示すようにカラー絶縁膜4−2を形成すると、基板1とゲートの間の容量を小さくすることができる。その後、図5Dのようにゲート電極(ワード線)となる多結晶シリコン6−1を埋め込んでから加工する。その後、前記同様に、通常の製造工程を進めて図5Eに示す構造を得る。ここでゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する。またシリコン酸窒化膜を形成することも出来る。特に、多結晶シリコン中にボロンがドープされている場合にはFETの閾値を安定化させてバラツキを小さくすることができるのでシリコン酸窒化膜が好ましい。
次に、別の変形例(第5,第6の実施例)を示す。図6A、図6Bはコンタクト部の下部に積み上げ型シリコン領域12−5を形成したものである。ボデイ領域3とソース・ドレイン領域10はバンドギャップが小さい第1の半導体(p型SiGe等)で形成し、ソース・ドレイン領域に接する領域にバンドギャップが大きい第2の半導体を積み上げて配置する。
次に別の実施例(第7の実施例)を示す。図7A〜7Eは本発明の一実施形態に係るメモリアレイの製造工程を示す平面図である。まず、図7AはSOI基板を用いて素子分離絶縁膜4で島状の半導体活性領域3−3を分離した状態の平面図を示す。図中の各活性領域3−3は二つのトランジスタを形成する大きさを持っており、上述するようなボデイ構造を有する。つづいて、図7Bに示すように、ゲート電極7(ワード線)を形成する。引き続いてソース・ドレイン領域を形成するための不純物をドーピングし、ゲート電極のサイドウオールスペーサー9を形成する。つづいて層間絶縁膜を形成し、コンタクトプラグを形成する(図7C)。ここでは層間絶縁膜下の活性領域も位置関係を把握するために表示している。続いて図7Dに示すように、ソース電位線13を形成し、層間絶縁膜を形成し、ビット線コンタクトを形成してからビット線16を形成する。この平面図を図7Eに示した。ここでも層間絶縁膜下の部位の位置を把握しやすくするため、下層配線等が表示してある。
次に本発明のFBC型RAMの回路動作について説明する。
図10A〜図10Dを用いて書き込みのオペレーションを説明する。これらの図では、半導体内部のソース/ボデイ/ドレインの接続部分を示している。C.B.はコンダクションバンド(伝導帯)の下端、F.L.はフェルミ準位、V.B.はバレンスバンド(価電子帯)の上端を示す。模式的に電子はハッチングを付した丸(●)で、ホールは白抜きの丸(○)で示す。
次に、図10Cに示すように”なだれ降伏”を生じさせて、ボデイ部に正電荷をためる書き込み動作をおこなう。ソース電圧は0Vのままとし、ドレイン電圧を−2V、ゲート電圧を−1.5Vとする。これらの電圧はこの値に限定されるものではなく、ゲート下のボデイ領域とソース領域との接合部で“なだれ降伏”を生じさせるための逆バイアス状態を形成できればよい。ドレイン電圧は、電子を注入するため、ゲート電圧に対して0.5V程度負の電位としてドレイン側のコンダクションバンドに分布する電子をボデイ領域経由でボデイ領域とソース領域との接合部に供給する。この時、ボデイ領域の半導体のバンドギャップに対してソース・ドレイン領域の半導体のバンドギャップを大きくする構成としておく。こうすることにより、ドレイン領域のコンダクションバンドに分布する電子の一部がボデイ領域のコンダクションバンドを経由してボデイ/ソース接合部に到達し、この接合部では電界によって加速された電子によって電子−ホールペア(対)が形成され、更にこれらのキャリアによって“なだれ降伏“が起き、多数の電子とホールが生成される。ここで生成した電子はソース領域のコンダクションバンドに流れる。一方、ホールはボデイ領域のバレンスバンドの上側に集まる。ここでホールから見たバンドの障壁(ΔEg)を越えられないホールがボデイ領域にとどまる。ドレイン領域のバンドギャップを大きくしておくとこのバンドの障壁(ΔEg)を大きくすることができ、蓄えられるホールの数を多くすることができる。このホールの蓄積はボデイをプラスにバイアスすることと等価である。この時、nMOSのFBCは正の基板バイアスと等価の効果により閾値電圧(Vt)が低下し、ソース領域から電子の供給が起き易くなり、nMOSのFBCには電流が多く流れる。すなわち、ホールをボデイ領域に多く蓄えるということで情報量「1」が記憶される。
図10Aに示す待機状態(ゲート電圧が−2V、ソースとドレイン電圧が0V)から、図11Aに示すようにゲート電圧を+1V、ドレイン電圧を−2Vとする。この時、ボデイ領域のホールは、ホールにとってエネルギーの低いソース、ドレイン領域に移る。ドレインはボデイとのエネルギー差が大きく設定してあるので、ドレイン端では電界によって加速されてホールが引き抜かれる。
読み出し動作を説明する。図10D及び図11Bに示した待機状態から、情報量「1」を書き込んだトランジスタの閾値電圧と、情報量「0」を書き込んだトランジスタの閾値電圧の中間の値に読み出しのゲート電圧を設定する。ソースとドレインの間には0.5V以下程度の適度の電位勾配を設け、ゲート電圧は「1」と「0」状態を識別することができる0.8から1.0V程度のゲート電圧(ソースに対するゲートの電圧)Vgを設定する。例えば、ゲート電圧を+1V、ドレイン電圧を0.3Vと設定する。こうすると、ボデイ領域にホールが多数蓄えられた「1」状態(図12A)では、ボデイ(基板)を正バイアスしたのと等価になる。ソースから見たボデイ領域の障壁が低く、電子は容易にその障壁を越えることができる。結果として閾値電圧は小さくなり、nMOSのFBCに電流が流れ、nMOSはオンする。一方、ボデイ領域からホールが抜きとられた「0」状態(図12B)では、ボデイ(基板)を負バイアスで引いたのと等価になる。ソースから見たボデイ領域の障壁が高く、電子はその障壁を越えることができない。閾値電圧は大きくなり、nMOSのFBCに電流が殆ど流れず、nMOSはオンしない。こうしてFBCに電流が流れる(On)か、流れない(Off)かで記録した情報が読み出される。
ボデイ領域に蓄えた電荷の状態は、熱的励起あるいは界面準位を介した再結合などにより図12Aに示す熱平衡状態に近づく。そのため記憶させた情報を保持するためのリフレッシュを行なう必要がある。リフレッシュ動作は、ソースとドレインとの間に電位差を与えて、且つゲートにトランジスタの導通、非導通を識別できるゲート電圧を印加する。この動作は前述した読み出し動作と同じでよい。この状態からボデイ−ソース間の電位差が1.5V程度の逆バイアスとし、電流が流れる場合にはボデイ/ソース接合部で“なだれ降伏”を起こさせ、電子―ホール対の内のホールをボデイ部に蓄積する。ボデイにホールが蓄積されている場合には“なだれ降伏”が起きて、ボデイには再びホールが蓄積される。この後、ソース及びドレインを0V、ゲートを−2Vにバイアスして待機状態とし、リフレッシュされる。上記の各設定電圧は例示であり、これらの値に限定されることなくアレンジは可能である。
図13〜15にドレイン領域のバンド構造の変形例を、図16にボデイ領域のバンド構造の変形例を示す。これらの図は、図10Cに示した情報量「1」の書き込み動作を示すもので、図13では、ドレイン領域のバンドギャップをさらに大きくした例を、図14では、ドレイン領域を2つの異なるバンドギャップを有する半導体層で構成した例を、図15では、ドレイン領域を三層構造とし、中間に最もバンドギャップの大きな半導体層を設けた例を示す。一方、図16では、ボデイ領域にさらにバンドギャップの小さな半導体層を追加して設けた例を示す。いずれも、ホールから見たバンドの障壁(ΔEg)が図10Cの場合よりも大きくなることで、より低いしきい値電圧での書き込みが可能となる。
2 埋込み絶縁膜
3 ボデイ(p型SiGe)
3−1 ボデイ(p型Si)
3−2 n型Si
3−3 半導体活性領域
3−5 Geドープp型Si(body)
3−7 n型Si
4 素子分離絶縁膜
4−2 カラー絶縁膜
4−4 レジスト
4−5 p型Si露出領域
4−7 リセスゲート用の溝
5 ゲート絶縁膜
6−1 多結晶シリコン(ダミーゲート)
6−2 ダミーゲートを除去した部分
7 ゲート電極
7−1 ゲート多結晶シリコン
7−2 バリア膜(1)
7−3 バリア膜(2)
7−5 ゲート金属層
8 キャップ絶縁膜
9 サイドウオールスペーサー
9−1側壁保護膜(1)
9−2側壁保護膜(2)
10 ソース・ドレイン
10−2 n型Siソース・ドレイン
10−3 高濃度ソース・ドレイン
10−5 SiGeの溝
10−7 Si層
11 第1の層間絶縁膜
12 コンタクトプラグ
12−2 バリア層(1)
12−4 バリア層(2)
12−5 積み上げシリコン領域
12−6 絶縁膜
13 配線(M1)
14 絶縁膜(2)
15 ビア・プラグ(1)
16 ビット線(M2)
17 絶縁膜(2)
18 ビア・プラグ(2)
19 配線(M3)
19−1金属層(1)
19−2金属層(2)
20 保護絶縁膜
110 RAMチップ
120 メモリカード
210 基板
220 カバー
230 BGA
240 インターフェース・チップ
250 基板
260 端子
400 データ処理システム
410 システムバス
420 データプロセッサ
430 ストレージデバイス
440 I/Oデバイス
450 ROM
460 DRAM
Claims (14)
- 絶縁材料で基板と電気的に絶縁され、フローティングボデイとなるチャネルボデイ部にホールを蓄積して情報を記憶する電界効果トランジスタからなるキャパシタレスランダムアクセスメモリであって、
前記電界効果トランジスタのp型のチャネルボデイ部を含み、第1の半導体材料で構成される第1の半導体層と、
前記電界効果トランジスタのn型のソース及びドレイン並びにそのコンタクト部の少なくとも一方を含む第2の半導体材料で構成される第2の半導体層と、
前記チャネルボデイ部上にゲート絶縁膜を介して形成されるゲート電極と、を備え、
前記第2の半導体材料のバンドギャップが前記第1の半導体バンドギャップより大きく、
前記第1の半導体層と前記第2の半導体層が接して設けられていることを特徴とするキャパシタレスランダムアクセスメモリ。 - 前記第1の半導体層がSiGeであり、前記第2の半導体層がSiである請求項1に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 素子分離絶縁膜で区画された領域内に前記第1の半導体層からなる第1の層が形成されており、前記第1の層に設けられた、前記電界効果トランジスタのソース及びドレインの一部に前記第2の半導体層が埋め込み形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 素子分離絶縁膜で区画された領域内に前記第1の半導体層からなる第1の層が形成されており、前記第1の層に設けられた、前記電界効果トランジスタのソース及びドレイン上に前記第2の半導体層の積み上げ構造を有する請求項1又は2に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記第2の半導体層の積み上げ構造が、前記コンタクト部の下部構造として形成されていることを特徴とする請求項4に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記ソースとドレインの各々が高濃度不純物領域と低濃度不純物領域を有し、
前記低濃度不純物領域の各々が少なくとも前記チャネルボデイ部と前記ソースとドレインの前記高濃度不純物領域との間に配置されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。 - 前記ゲート電極が、少なくとも前記第1の半導体層に達する溝内に形成したリセスゲートであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記ゲート電極が、多結晶シリコンと高融点金属を含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記ゲート電極、前記ソース及び前記ドレインの上にシリサイド層が配置されることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記シリサイド層はコバルトシリサイド層である請求項9に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 複数のワード線と複数のビット線の各交点に前記フローティングボデイ構造を有する電界効果トランジスタが配置され、各電界効果トランジスタの前記ソース及びドレインの一方がビット線に接続され、各電界効果トランジスタの前記ソース及びドレインの他方がソース線に接続され、前記複数のビット線が選択スイッチを介してセンスアンプに繋がり、該センスアンプは、前記電界効果トランジスタのオン電流とオフ電流の間の値を持つ電流を検出時に与える信号線に繋がっていることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記キャパシタレスランダムアクセスメモリは、前記キャパシタレスランダムアクセスメモリを含むチップを搭載したメモリカードである請求項1乃至11のいずれか一項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記キャパシタレスランダムアクセスメモリは、前記キャパシタレスランダムアクセスメモリを含むチップをパッケージに実装したキャパシタレスランダムアクセスメモリである請求項1乃至11のいずれか一項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
- 前記キャパシタレスランダムアクセスメモリは、前記キャパシタレスランダムアクセスメモリを含むチップを内蔵したメモリモジュールである請求項1乃至11のいずれか一項に記載のキャパシタレスランダムアクセスメモリ。
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