JP4775352B2 - 半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents
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Description
SRAMのメモリセルは、いくつかのタイプが知られている。例えば、最小で2つのPMOS(p-channel metal-oxide-semiconductor)トランジスタと4つのNMOS(n-channel metal-oxide-semiconductor)トランジスタの計6つのMOSFET(MOS field effect transistor)から構成される。
例えば、2つのPMOSトランジスタであるロードトランジスタLTr1,2、2つのNMOSトランジスタであるドライバトランジスタDTr1,2、2つのNMOSトランジスタである転送トランジスタTTr1,2を有する。
例えば、特許文献1や特許文献2には、転送トランジスタTTr1,2のゲート絶縁膜をドライバトランジスタDTr1,2のゲート絶縁膜より厚くすることにより、SRAMのSNM(Static Noise Margin)特性を向上させ、ビットラインBLからのノイズ耐性を強化する方法があげられる。
これにより、読み出しスピードの劣化や、書き込みマージンの悪化を回避できるとともに、SRAM動作の安定化が可能になる。
半導体基板100上にゲート絶縁膜101が形成され、その上層にゲート電極102が形成されている。ゲート電極の両側部にサイドウォールスペーサ103が形成されている。また、ゲート電極102の両側部における半導体基板100中にソース領域104S及びドレイン領域104Dが形成されている。以上のようにして、MOSFETが構成されている。
スタンバイ時とは、記憶ノードND,NDがHigh/LowもしくはLow/High(High:電圧が高いVcc=Vcsの状態、Low:電圧が低いVss=0の状態)に固定されている非アクティブ状態を指し、そのとき、転送トランジスタTTr1,2がoff、つまり転送トランジスタTTr1,2のゲートに繋がっているワードラインWLが0Vであり、ビットラインBLは通常Vddに固定されている。このスタンバイ状態が、SRAM動作として大部分を占める。
ここで、ビットライン及び反転ビットラインに印加される電源電圧が第1ロードトランジスタの第1記憶ノードと反対側のソースドレイン領域及び第2ロードトランジスタの第2記憶ノードと反対側のソースドレイン領域に印加される電源電圧より低くなっている。
さらに、少なくとも、第1ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜、第2ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜、第1ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜、及び第2ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜において、各々の当該ゲート絶縁膜のドレイン領域側である記憶ノード側端部の膜厚は、当該ゲート絶縁膜の記憶ノード側端部以外の部分の膜厚より厚く形成されている。
図1は本実施形態に係る半導体記憶装置であるSRAMの回路図であり、図面上は4×4=16個のメモリセルC11〜C44について示している。
ワードラインWLとビットラインBL,BLの交点にメモリセルC11〜C44が設けられ、各メモリセルC11〜C44は、2個のインバータと2個の転送トランジスタを有し、一方の転送トランジスタにビットラインBLが、他方の転送トランジスタに反転ビットラインBLが接続されている。
各メモリセルのインバータに対する内部電源電圧はVcsとVssであり、ビットラインBL,BLに印加される外部電源電圧はVddである。
読み出し時には、ビットラインBL,BLの出力がセンスアンプSAで増幅されて読み出される構成である。
例えば、2つのPMOSトランジスタである第1ロードトランジスタLTr1と第2ロードトランジスタLTr2、2つのNMOSトランジスタである第1ドライバトランジスタDTr1と第2ドライバトランジスタDTr2、2つのNMOSトランジスタである第1転送トランジスタTTr1と第2転送トランジスタTTr2を有する。
第1P型半導体領域P1、第2P型半導体領域P2、第1N型半導体領域N1及び第2N型半導体領域N2が素子分離領域Iで分離されている。第1P型半導体領域P1、第2P型半導体領域P2、第1N型半導体領域N1及び第2N型半導体領域N2は、それぞれ半導体基板に形成されたウェルあるいは半導体基板そのものから構成される。
上記の各半導体領域上を横切るように第1ゲート電極G1、第2ゲート電極G2、第3ゲート電極G3、第4ゲート電極G4が図示のレイアウトで形成され、さらに各ゲート電極の形成領域を除く領域の各半導体領域の表層部分にソースドレイン領域が形成されて、2つのPMOSトランジスタである第1及び第2ロードトランジスタLTr1,2、2つのNMOSトランジスタである第1及び第2ドライバトランジスタDTr1,2、2つのNMOSトランジスタである第1及び第2転送トランジスタTTr1,2がそれぞれ構成されている。
また、第1ドライバトランジスタDTr1と第1転送トランジスタTTr1を接続するソースドレイン領域に開口部が形成されて、コンタクトCT1が形成されている。
共通コンタクトSCT1とコンタクトCT1は上層配線Wで接続され、この部分が第1記憶ノードNDとなる。
また、第2ドライバトランジスタDTr2と第2転送トランジスタTTr2を接続するソースドレイン領域に開口部が形成されて、コンタクトCT2が形成されている。
共通コンタクトSCT2とコンタクトCT2は上層配線Wで接続され、この部分が第2記憶ノードNDとなる。
表1及び表2は、2電源SRAM(Vcs>Vdd)のメモリセルを構成する各MOSFETのゲート絶縁膜の3つのリークパスに対して、スタンバイ状態のときに印加される電圧を解析したものである。表1は第1記憶ノードがHighで第2記憶ノードがLowの場合、表2は第1記憶ノードがLowで第2記憶ノードがHighの場合である。
チャネル部は、オンしているトランジスタのチャネル部分のリークパスであり、面積的にはチャネル部が最大となる。
一方、ソースドレイン領域とゲート電極のオーバーラップ部分における、SRAMのノード側をNode端部、その反対側(ロードトランジスタはVcc側、ドライバトランジスタはVss側、転送トランジスタはビットライン側)を電源端部と称する。
ドライバトランジスタ/ロードトランジスタは、第1インバータ側と第2インバータ側のそれぞれでどちらかがONとなり、他方はOFFの状態になる。
転送トランジスタはどちらのケースもOFF状態である。
2電源(Vcs>Vdd)のSRAMのメモリセルのゲート絶縁膜の膜厚は、高ストレス印加箇所を重点的に厚くすることが望ましい。
半導体基板10にP型ウェル11とN型ウェル12が形成されており、素子分離絶縁膜13で分離されている。
P型ウェル11上に、第1転送トランジスタを構成するゲート絶縁膜16Tとゲート電極17Tが形成され、その両側部にサイドウォールスペーサ18が形成されており、また、第1ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜15Dとゲート電極17Dが形成され、その両側部にサイドウォールスペーサ18が形成されており、ゲート電極17Tの両側部及びゲート電極17Dの両側部におけるP型ウェル11中にN型のソースドレイン領域11aが形成されており、第1転送トランジスタTTr1と第1ドライバトランジスタDTr1が構成されている。
ゲート電極17Tの両側部及びゲート電極17Dで挟まれた部分のソースドレイン領域は第1記憶ノードNDを構成する。
第2ドライバトランジスタDTr2を構成するゲート絶縁膜、第2ロードトランジスタLTr2を構成するゲート絶縁膜についても、同様に、第2転送トランジスタTTr2を構成するゲート絶縁膜を構成するゲート絶縁膜より厚膜化されている。
まず、図4(a)に示すように、例えば、半導体基板10に形成されたSTI法による素子分離絶縁膜13と、これによって分離されたP型ウェル11及びN型ウェル12を形成する。
例えば、転送トランジスタとなる第2ゲート電極G2,第4ゲート電極G4の部分を開口し、ドライバトランジスタ及びロードトランジスタとなる部分の第1ゲート電極G1,第3ゲート電極G3を保護するパターンとする。
ここでは、サイドウォールスペーサ形成の前後にイオン注入をそれぞれ行うことなどにより、エクステンション領域を有するソースドレイン領域とすることも可能である。
以上のようにして、転送トランジスタ、ドライバトランジスタ、及びロードトランジスタを有するメモリセルを構成可能である。
以降の工程としては、例えば、各コンタクトホールに導電層20を埋め込み、第1ロードトランジスタLTr1のソースドレイン領域から、第3ゲート電極G3に及ぶ領域まで連通して開口した領域には第3ゲート電極G3と第1ロードトランジスタLTr1のソースドレイン領域を接続する共通コンタクトSCT1を形成し、それらの上層に上層配線21をパターン形成して、図3に示す構成の半導体記憶装置を製造できる。
上記の半導体記憶装置の製造方法において、メモリセルのレイアウトを図9(b)に示すように、メモリセルC11に対して、左右に線対称の関係となるパターンのC12、上下に線対称のパターンとなるC21、回転対象となるC22として、これら4つのメモリセルを1組として取り扱うことができる。
この場合、図5(a)に示すような、ドライバトランジスタ領域RD及びロードトランジスタ領域RLを保護し、転送トランジスタ領域RTを開口するレジスト膜Rを形成するパターンとしては、メモリセルC11〜C44について図示した図9(a)に示すように、隣接メモリセルと繋がるレジスト膜パターンとなり、パターニングがしやすくなる利点がある。
図10は本実施形態に係るSRAMにおけるメモリセル断面図であり、第1実施形態の図2(b)中のX−X’における断面図に相当する。
第1実施形態と同様に、少なくとも、第1ドライバトランジスタDTr1を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ドライバトランジスタDTr2を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第1ロードトランジスタLTr1を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ロードトランジスタLTr2を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部が、他の部分のゲート絶縁膜より厚膜化されており、本実施形態においては、例えば、第1ドライバトランジスタDTr1、第2ドライバトランジスタDTr2、第1ロードトランジスタLTr1、第2ロードトランジスタLTr2、第1転送トランジスタTTr1、第2転送トランジスタTTr2のそれぞれにおいて、ゲート絶縁膜の記憶ノード側端部が他の部分より厚膜化されている構成である。
上記を除いては、実質的に第1実施形態と同様である。
まず、図11(a)に示すゲート電極のパターン加工の工程までは、第1実施形態と同様にして行う。但し、ゲート絶縁膜については、ドライバトランジスタ、ロードトランジスタ、転送トランジスタのいずれも同じ膜厚で形成する。
即ち、ゲート絶縁膜22Tを形成し、ポリシリコンなどの導電層を形成し、これをゲート電極のパターンに加工して、転送トランジスタを構成するゲート絶縁膜22Tとゲート電極17T、ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜22Dとゲート電極17D、ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜22Lとゲート電極17Lをそれぞれ形成する。
次に、上記で露出した領域のゲート電極下部のゲート絶縁膜中に、斜めイオン注入法により、P,As,Geなどの不純物DPを導入する。
例えば、ドライバトランジスタ及びロードトランジスタとなる部分の第1ゲート電極G1と転送トランジスタとなる第2ゲート電極G2の間の領域と、第3ゲート電極G3と第4ゲート電極G4の間の領域を開口するようなパターンとする。
ここでは、サイドウォールスペーサ形成の前後にイオン注入をそれぞれ行うことなどにより、エクステンション領域を有するソースドレイン領域とすることも可能である。
以降の工程は、第1実施形態と同様にして、図10に示す構成の半導体記憶装置を製造することができる。
上記のドライバトランジスタ及びロードトランジスタとなる部分の第1ゲート電極G1と転送トランジスタとなる第2ゲート電極G2の間の領域と、第3ゲート電極G3と第4ゲート電極G4の間の領域を開口するようなパターンのレジスト膜について、メモリセルC11〜C44について図示した図14に示すように、隣接メモリセルと繋がるレジスト膜パターンで形成することができる。
第2実施形態に係る半導体記憶装置は、以下の製造方法によっても製造することができる。
まず、図15(a)に示す工程までは、第1実施形態と同様にして行うことができる。
即ち、第1実施形態と同様に、ドライバトランジスタ、ロードトランジスタ、転送トランジスタの全領域において熱酸化あるいはCVD法により酸化膜24を形成し、厚膜化する、ドライバトランジスタ、ロードトランジスタ、転送トランジスタのそれぞれにおける記憶ノード側端部を残すようにレジスト膜Rをパターン形成し、エッチングして除去する。
例えば、ドライバトランジスタ、ロードトランジスタ、転送トランジスタのそれぞれにおける記憶ノード側端部となる領域を保護するようなパターンとして、第1ゲート電極G1〜第4ゲート電極G4の記憶ノード側の端部に係るようなパターンとする。
上記のようにして、ドライバトランジスタ、ロードトランジスタ、転送トランジスタのそれぞれにおいて、厚膜部23D,23L,23Tをそれぞれ形成して、記憶ノード側端部を他の部分より厚膜化することができる。
以降の工程は、第1実施形態と同様にして、図10に示す構成の半導体記憶装置を製造することができる。
上記の第1ゲート電極G1〜第4ゲート電極G4の記憶ノード側の端部に係るようなパターンのレジスト膜について、メモリセルC11〜C44について図示した図18に示すように、隣接メモリセルと繋がるレジスト膜パターンで形成することができる。
図19は本実施形態に係るSRAMにおけるメモリセル断面図であり、第1実施形態の図2(b)中のX−X’における断面図に相当する。
第1実施形態と同様に、少なくとも、第1ドライバトランジスタDTr1を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ドライバトランジスタDTr2を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第1ロードトランジスタLTr1を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ロードトランジスタLTr2を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部が、他の部分のゲート絶縁膜より厚膜化されている。
本実施形態においては、例えば、第1ドライバトランジスタDTr1を構成するゲート絶縁膜、第2ドライバトランジスタDTr2を構成するゲート絶縁膜、第1ロードトランジスタLTr1を構成するゲート絶縁膜、第2ロードトランジスタLTr2を構成するゲート絶縁膜が、第1転送トランジスタTTr1を構成するゲート絶縁膜と第2転送トランジスタTTr2を構成するゲート絶縁膜より厚膜化されており、さらに、第1ドライバトランジスタDTr1、第2ドライバトランジスタDTr2、第1ロードトランジスタLTr1、第2ロードトランジスタLTr2、第1転送トランジスタTTr1、第2転送トランジスタTTr2のそれぞれにおいて、ゲート絶縁膜の記憶ノード側端部が他の部分より厚膜化されている構成である。
上記を除いては、実質的に第1実施形態と同様である。
表4は、各メモリセルにインバータに対する内部電源電圧はとビットラインに印加される外部電源電圧が等しい場合に、各トランジスタのチャネル部、Node端部、電源端部に対して、スタンバイ時に印加される電圧と時間からストレス状態のランクわけをおこなった結果をまとめたものである。
表4より、1電源の場合には第2実施形態のような構成では効果が乏しいと考えられるが、第1実施形態のような構成は効果が得られる。
即ち、Vdd=Vcsとする1電源の場合には、第1実施形態と同様に、少なくとも、第1ドライバトランジスタDTr1を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ドライバトランジスタDTr2を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第1ロードトランジスタLTr1を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ロードトランジスタLTr2を構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部が、他の部分のゲート絶縁膜より厚膜化された構成とし、例えば、第1ドライバトランジスタDTr1を構成するゲート絶縁膜、第2ドライバトランジスタDTr2を構成するゲート絶縁膜、第1ロードトランジスタLTr1を構成するゲート絶縁膜、第2ロードトランジスタLTr2を構成するゲート絶縁膜が、第1転送トランジスタTTr1を構成するゲート絶縁膜と第2転送トランジスタTTr2を構成するゲート絶縁膜より厚膜化された構成とする。
例えば、第1ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第1ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部、第2ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜の記憶ノード側端部のみが厚膜化された構成でもよい。
その他、本発明の観点を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
Claims (1)
- 半導体基板に形成された第1ドライバトランジスタと第1ロードトランジスタを有して第1記憶ノードが構成される第1インバータと、前記半導体基板に形成された第2ドライバトランジスタと第2ロードトランジスタを有して第2記憶ノードが構成される第2インバータと、第1記憶ノードに接続する第1転送トランジスタと、第2記憶ノードに接続する第2転送トランジスタとを有し、前記第1インバータと前記第2インバータとは、互いの入力及び出力がリング状に接続されて、1つの記憶回路が構成されており、前記第1転送トランジスタを介してビットラインに、前記第2転送トランジスタを介して反転ビットラインに接続するメモリセルが複数個集積され、前記ビットライン及び前記反転ビットラインに印加される電源電圧が、前記第1ロードトランジスタの前記第1記憶ノードと反対側のソースドレイン領域及び前記第2ロードトランジスタの前記第2記憶ノードと反対側のソースドレイン領域に印加される電源電圧より低い半導体記憶装置の製造方法であって、
前記第1転送トランジスタおよび前記第2転送トランジスタの各領域において、1回の酸化膜形成処理により各々のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ドライバトランジスタ、前記第2ドライバトランジスタ、前記第1ロードトランジスタ、および前記第2ロードトランジスタの各領域において、複数回の酸化膜形成処理により各々のゲート絶縁膜を、前記第1及び第2転送トランジスタの各ゲート絶縁膜より厚く形成する工程と、
前記第1ドライバトランジスタ、前記第2ドライバトランジスタ、前記第1ロードトランジスタ、前記第2ロードトランジスタ、前記第1転送トランジスタ、及び前記第2転送トランジスタのゲート絶縁膜を形成する際に、少なくとも、前記第1ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜、前記第2ドライバトランジスタを構成するゲート絶縁膜、前記第1ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜、及び前記第2ロードトランジスタを構成するゲート絶縁膜の各々の膜厚を、各一つのゲート絶縁膜内で異なるように形成し、前記各一つのゲート絶縁膜内において、当該ゲート絶縁膜のドレイン領域側である記憶ノード側端部を、当該ゲート絶縁膜の記憶ノード側端部以外の部分より厚膜化する工程と、
前記第1転送トランジスタ、及び前記第2転送トランジスタのそれぞれのゲート絶縁膜において、当該ゲート絶縁膜のソース領域側である記憶ノード側端部を、当該ゲート絶縁膜の記憶ノード側端部以外の部分より厚膜化する工程とを有し、
前記各トランジスタの各ゲート絶縁膜の記憶ノード側端部を厚膜化する工程は、当該厚膜化する部分で、不純物の導入及び増速酸化処理を行う工程である、
半導体記憶装置の製造方法。
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