JPH08204142A - ダイナミックランダムアクセスメモリ装置 - Google Patents
ダイナミックランダムアクセスメモリ装置Info
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Abstract
るトランジスタのカットオフ特性とハイレベルの書き込
み補償を満足するととに周辺回路領域のトランジスタの
駆動力を向上させて、高密度高速DRAMの実現を図
る。 【構成】 DRAM1において、メモリセル領域を構成
するメモリセルアレイブロック11のトランジスタのゲ
ート絶縁膜(図示せず)を、周辺回路ブロック12(周
辺回路領域)およびI/O回路ブロック13(I/O回
路領域)の各トランジスタのゲート絶縁膜よりも厚く形
成したものである。またはメモリセル領域およびI/O
回路領域の各トランジスタのゲート絶縁膜を、それ以外
の各トランジスタのゲート絶縁膜よりも厚く形成したも
のである。
Description
高速動作をめざしたCMIS(Complimentary Metal In
sulator Semiconductor )型ダイナミックランダムアク
セスメモリ装置に関するものである。
置(以下DRAMと記す)の高集積化には目ざましいも
のがあり、近年では1チップに64メガビットを集積し
たDRAMも実用化されつつある。このような高集積化
は、微細加工技術の目ざましい進歩によるところが大き
く、それに加えてスケーリング則によるトランジスタの
高性能化によるところが大きかった。上記のようなDR
AMでは、メモリセル領域,周辺回路領域および入出力
回路領域の各トランジスタのゲート絶縁膜となるゲート
酸化膜はほぼ同じの厚さに形成されていた。
用キャパシタと一つのスイッチング用トランジスタとか
ら構成されているDRAMでは、スイッチングトランジ
スタのリーク電流を厳しく抑えなければならない。これ
は、ビジーレートが一定になるようにリフレッシュ時間
が一世代ごとに二倍に長大化していることと、低消費電
力化のためにリフレッシュ時間がより長くなる傾向とか
らさらに厳しくなってきているためである。スイッチン
グトランジスタのリーク電流を抑制するには、カットオ
フ特性を改善する必要があり、そのためにゲート酸化膜
をより薄く形成する方策がとられている。さらに周辺回
路トランジスタの駆動力を高める上でもゲート酸化膜を
より薄く形成する方策がとられている。一方、トランジ
スタ自身のしきい値電圧によるキャパシタへの書き込み
時の電圧低下を防ぐため、ワード線の電圧をしきい値電
圧以上に上げる方法が従来より採用されているが、この
方法では、信頼性上ゲート酸化膜にかけられる最大電界
からゲート酸化膜の薄膜化にも限界が生じる。最近では
そのトレードオフが成立する領域がなくなりつつあり、
高密度高速DRAMを実現することが困難になってき
た。
決するためになされたDRAMであり、第1発明のDR
AMは、メモリセル領域のトランジスタのゲート絶縁膜
を、このメモリセル領域以外のトランジスタのゲート絶
縁膜よりも厚く形成したものである。また第2発明のD
RAMは、メモリセル領域および入出力回路領域(以下
I/O回路領域と記す)の各トランジスタのゲート絶縁
膜を、メモリセル領域およびI/O回路領域以外の各ト
ランジスタのゲート絶縁膜よりも厚く形成したものであ
る。
のトランジスタのゲート絶縁膜を、このメモリセル領域
以外のトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚く形成した
ことから、メモリセル領域のトランジスタのカットオフ
特性とハイレベルの書き込み補償が満足される。それと
ともに、周辺回路領域およびI/O回路領域の各トラン
ジスタのゲート絶縁膜は薄く形成されることになるの
で、各トランジスタの駆動力は高まる。
域およびI/O回路領域のトランジスタのゲート絶縁膜
を、メモリセル領域およびI/O回路領域以外のトラン
ジスタのゲート絶縁膜の厚さよりも厚く形成したことか
ら、メモリセル領域のトランジスタのカットオフ特性と
ハイレベルの書き込み補償が満足される。それととも
に、周辺回路部のトランジスタのゲート絶縁膜は薄く形
成されることになるので、このトランジスタの駆動力は
高まる。。
明する。図では、1トランジスタ/1キャパシタ型DR
AMの構成の一例を示す。
スタ/1キャパシタ型のもので、メモリセル領域となる
メモリセルアレイブロック11の周辺には、このメモリ
セルアレイを駆動する回路やメモリセルアレイからの信
号を処理する回路等を含む周辺回路領域となる周辺回路
ブロック12が配置されている。さらに上記周辺回路ブ
ロック12に接続した状態に外部との信号のやりとりを
行う入出力回路領域となるI/O回路ブロック13が配
置されている。上記各ブロック11〜13に用いられて
いるMOSトランジスタのゲート絶縁膜となるゲート酸
化膜厚(図示省略)は、それぞれTOXCELL、TOXPERI、
TOXI/ O とすると、(1)式のような関係に設定されて
いる。
を満足するDRAM1を実現するための製造方法につい
て、図2の製造工程図(その1)および図3の製造工程
図(その2)によって説明する。
0Ωcm程度のP型の半導体基板(例えばシリコン基
板)101を用意し、例えばLOCOS法によって、上
記半導体基板101の表面側の所定領域にフィールド酸
化膜102を形成する。なお、図には示さないが、CM
OSトランジスタを構成する場合には予めウェル領域を
形成しておく。さらにソフトエラーを防止するためにメ
モリセル領域に二重のウェルを形成した構造にしてもよ
い。続いてNチャネルトランジスタおよびPチャネルト
ランジスタの各しきい値電圧を設定値に仕上げるため
に、Vt 制御インプラを各Nチャネルトランジスタの形
成予定領域およびPチャネルトランジスタの形成予定領
域に対して行う。さらに熱酸化法によってアクティブ領
域に酸化膜151を例えば4nm程度の厚さに形成す
る。
ト膜を形成してそのパターニングを行い、メモリセル領
域131を覆う状態にレジストパターン152を形成す
る。このレジストパターン152をエッチングマスクに
して、メモリセル領域以外のアクティブ領域132上の
酸化膜151(2点鎖線で示す部分)を希フッ酸水溶液
によるエッチングによって除去する。
上記レジストパターン152を除去する。その後図2の
(3)に示すように、熱酸化法によって、ゲート酸化膜
103,104を同時に形成する。このとき、メモリセ
ル領域131以外のゲート酸化膜104が6nmとなる
ようにする。その場合、メモリセル領域131には予め
酸化膜151〔(2)参照〕が形成されていたため、ゲ
ート酸化膜103の膜厚はゲート酸化膜104よりも厚
い8nm程度の膜厚になる。なお、シリコンの熱酸化で
は、反応律速と拡散律速とが競合するので、二度の酸化
による総膜厚は単純な算術加算とはならない。
法によって、上記構造の上に多結晶シリコン膜を堆積す
る。そしてリソグラフィーおよびエッチングによって、
多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極10
5およびゲート電極106を形成する。その後イオン注
入法によって、ソース・ドレイン拡散層107およびソ
ース・ドレイン拡散層108を形成する。
シタを形成していく。図3の(1)に示すように、先ず
CVD法によって、例えば酸化シリコンを堆積して層間
絶縁膜109を形成し、その後リソグラフィーおよびエ
ッチングによって、上記層間絶縁膜109の所定位置
〔ソース・ドレイン領域107a(107)上〕にコン
タクトホール110を開口する。そしてCVD法によっ
て、多結晶シリコン膜を形成した後、リソグラフィーお
よびエッチングによって上記多結晶シリコン膜をパター
ニングし、キャパシタの下層電極111を形成する。さ
らにCVD法によって、窒化シリコン膜および多結晶シ
リコン膜を順に形成する。その後、リソグラフィーおよ
びエッチングによってこの多結晶シリコン膜および窒化
シリコン膜をパターニングし、上記窒化シリコン膜でキ
ャパシタの誘電体薄膜112を形成するとともに上記多
結晶シリコン膜でキャパシタの上層電極113を形成す
る。
ット線とを分離する層間絶縁膜114を形成し、リソグ
ラフィーおよびエッチングによって、上記層間絶縁膜1
14の所定位置〔ソース・ドレイン領域107b(10
7)上〕にコンタクトホール115を開口する。さら
に、導電材として例えばタングステンポリサイド膜を形
成した後、リソグラフィーおよびエッチングによってパ
ターニングを行い、ビット線116を形成する。
成していく。図3の(6)に示すように、CVD法によ
って酸化シリコンを堆積して層間絶縁膜117を形成
し、リソグラフィーおよびエッチングによってコンタク
トホール118を上記層間絶縁膜117の所定位置(ソ
ース・ドレイン領域108上)に開口する。その後タン
グステンポリサイドのような導電材料をプラグ119と
して埋め込む。そしてスパッタリングによってアルミニ
ウム合金を堆積して金属層を形成する。そしてリソグラ
フィーおよびエッチングによって金属層をパターニング
し、配線層120を形成する。最後にパッシベーション
膜121を形成した後、図には示さないボンディング用
のパッド部を開口してウエハプロセスを終了する。
製造工程図によって説明する。図4の(1)は、、半導
体基板101上の所定位置にフィールド酸化膜102を
形成する。その後ゲート酸化膜152を形成し、メモリ
セル領域131以外のトランジスタのゲート電極106
をパターニングした後の構造を示している。
下方のゲート酸化膜152は残して、メモリセル領域1
31上のゲート酸化膜152を除去する。次いで図4の
(2)に示すように、熱酸化法によって、新たにゲート
酸化膜103を形成する。このとき、ゲート電極106
の下面側におけるゲート酸化膜152は成長しないの
で、その膜厚は変化しない。またこの熱酸化では、メモ
リセル領域131以外のアクティブ領域上も酸化され、
ゲート電極106が多結晶シリコンからなる場合にはそ
の表面も酸化される。そして上記ゲート酸化膜103上
にメモリセル領域131のゲート電極105をパターニ
ングする。このようにして膜厚が異なる二種類のゲート
酸化膜152,103を形成することができる。
AM1の動作を説明する。DRAM1のメモリセル領域
のトランジスタ(以下メモリセルトランジスタと記す)
に要求される重要な仕様として、データの保持状態にお
けるカットオフリークとハイレベルの書き込み補償があ
る。このうちカットオフリークの仕様については許容リ
ーク電流の計算によって導かれる。データ破壊を防ぐた
めには、次のリフレッシュまでの間にセルの電荷消失が
ある割合以下でなければならない。ここでメモリセルの
キャパシタ容量をCs 、ハイレベルの書き込み電圧をV
cc、セルプレート電圧を1/2Vcc、許容電荷消失率を
η、リフレッシュ間隔をT REF とすると、許容リーク電
流ILMAX’は(2)式のように表せる。
な数値を代入してみる。Cs =25fF、Vcc=1.5
V、η=20%、ローパワーモードを考慮して通常の8
倍を設定してTREF =1024msとする。この許容リ
ークILMAX’にはキャパシタや接合リークなどのリーク
成分も含まれるので、トランジスタ自体の許容リークI
LMAXはマージンをとり全体の1/10とすると0.37
fAとなる。この値を最大動作温度、例えば80℃で満
足しなければならない。ここでトランジスタのリークモ
ードとして、特に留意しなければならないのはパンチス
ルーである。もう一つの仕様であるハイレベルの書き込
み補償からくる制限は、トランジスタのゲート酸化膜の
耐圧である。ハイレベルの書き込み補償のためには、ゲ
ートに接続されているワード線をVccよりもブートスト
ラップして高電圧をかける方法が従来より広く用いられ
てきている。ハイレベルの書き込み補償の条件は(3)
式のようになる。
圧、αはワード線遅延などを考慮したマージン係数で回
路設計にもよるが、例えば1.1〜1.5程度の範囲の
所定値に設定する。また、Vt'はバックバイアスが−V
cc+Vbbのときのしきい値電圧である。これはハイレベ
ルの書き込み時にはトランジスタのソースがVccとなっ
ているためである。Vbbは基板バイアスである。ゲート
酸化膜にかけられる最大電界をEoxmax 、ゲート酸化膜
圧をToxとすると上記(3)式は近似して(4)式のよ
うになる。
うになる。
厳しく抑えるためには、しきい値電圧を高く設定しなけ
ればならない、一方、ハイレベルの書き込み補償のため
にはしきい値電圧は低く設定しなければならない。特
に、ゲート酸化膜厚が薄くなってきているので、ゲート
酸化膜にかけられる最大電圧からの制限が厳しい。
軸にトランジスタのしきい値電圧、横軸にゲート酸化膜
厚をとってある。ゲート酸化膜にかけられるイントリン
シックな許容最大電界は、10MV/cm以上である
が、ゲート酸化膜の不完全性などに起因する実用的な長
期信頼性上の許容最大電界Eoxmax は3MV/cm以上
5MV/cm以下程度である。図においては、Eoxmax
=4.5MV/cmとしてある。図中の実線はリーク電
流の制限からくるしきい値電圧の下限を示している。ゲ
ート酸化膜を薄膜化していくと、カットオフ特性が改善
されてより低いしきい値電圧でリーク電流の仕様を達成
できる。一方、図中の点線で示したハイレベルの書き込
み補償からくるしきい値電圧の上限はゲート酸化膜厚に
比例している。両者のトレードオフが成り立つ範囲は、
図中の斜線で示す領域となる。この例では、ゲート酸化
膜厚の薄膜化は6.5nm程度までで、それ以下ではハ
イレベルの書き込み補償ができなくなる。そこで、メモ
リセルトランジスタのゲート酸化膜厚を8nm程度にし
て、周辺回路ブロックおよびI/O回路ブロックのトラ
ンジスタのゲート酸化膜厚をそれよりも薄い6nm程度
に設定する。
ート酸化膜厚を周辺回路ブロックおよびI/O回路ブロ
ックの各トランジスタのゲート酸化膜厚よりも厚く設定
するとにより、メモリセルトランジスタのカットオフと
ハイレベルの書き込み補償を満足するとともに、周辺回
路部およびI/O回路部の各トランジスタの駆動力を高
めることができる。したがって、高密度でかつ高速動作
が可能なDRAMデバイスを実現できる。
って説明する。図に示すように、1トランジスタ/1キ
ャパシタ型のDRAM2のメモリセルアレイブロック
(メモリセル領域)21の周辺には、このメモリセルア
レイを駆動する回路やメモリセルアレイからの信号を処
理する回路等を含む周辺回路ブロック(周辺回路領域)
22が配置されている。さらに外部との信号のやりとり
を行うI/O回路ブロック(入出力回路領域)23が上
記周辺回路に接続した状態に配置されている。さらに外
部電源を高圧する電圧変換回路24が電源とI/O回路
ブロック23との間に設けられている。
スタで構成された内部回路を低電圧で動作させ、低消費
電力化とホットキャリア等による信頼性の低下を防ぐと
同時に、外部のデバイスとは従来の入出力電圧によるイ
ンターフェースをとる。そのために、例えば外部電源電
圧が3.3Vであるとき、2.5Vに降圧して内部回路
に電源を供給する。この電圧変換回路24を内蔵するこ
とにより、メモリチップへの電源は単一ですむ。また内
部の周辺回路のトランジスタは低電圧においても高速動
作が可能なようにできるだけ薄いゲート酸化膜を用い
る。一方、I/O回路のトランジスタでは、高い外部電
圧においても十分な信頼性が得られるように、周辺回路
ブロックのトランジスタのゲート酸化膜よりも厚いゲー
ト酸化膜を用いる。したがって、メモリセル領域、周辺
回路領域、I/O回路領域に用いられているMOSトラ
ンジスタのゲート酸化膜厚をそれぞれTOXCELL、T
OXPERI、TOXI/O とすると、(6)式のような関係にな
る。
タのゲート酸化膜の厚さを変えてDRAMを製造する方
法は、上記図2,図3によって説明したのと同様のプロ
セスである。そのため、ここではその説明は省略する。
なお、メモリセル領域のゲート酸化膜とI/O回路領域
のゲート酸化膜とは同時に形成すれば、TOXCELL=T
OXI/O なる関係は満足される。
う。上記第1発明の実施例と同様にして、DRAM2の
メモリセルトランジスタに要求されるカットオフリーク
の仕様について、許容リーク電流は、上記説明した
(2)式のようになる。そして256Mビットクラスを
想定した場合のトランジスタ自体の許容リーク電流I
LMAXは、一例としてILMAX=0.37fAとなる。この
値を最大動作温度、例えば80℃で満足しなければなら
ない。
み補償からくる制限は、トランジスタのゲート酸化膜の
耐圧である。ハイレベルの書き込み補償のためには、ゲ
ートに接続されているワード線をVccよりもブートスト
ラップして高電圧をかける方法が従来より広く用いられ
てきている。ハイレベル書き込み補償の条件は上記説明
した(3)式のようになり、それを変形すると上記
(5)式のようになる。
流の制限からくるしきい値電圧の下限とハイレベルの書
き込み補償からくるしきい値電圧の上限はトレードオフ
の関係にある。そのため、ゲート酸化膜厚の薄膜化の下
限は、上記第1発明の実施例で説明したのと同一条件で
あれば、6.5nm程度で、それ以下ではハイレベルの
書き込み補償ができなくなる。そこで例えば、メモリセ
ルトランジスタのゲート酸化膜厚を8nm程度にし、周
辺回路ブロックのトランジスタのゲート酸化膜厚をそれ
よりも薄い6nm程度にする。また、I/O回路ブロッ
クのトランジスタのゲート酸化膜には、内部よりも高い
外部電源電圧がかかるので、メモリセルトランジスタと
同じ8nm程度とする。
1のトランジスタのゲート酸化膜厚およびI/O回路ブ
ロック23のトランジスタのゲート酸化膜厚を周辺回路
ブロック22のトランジスタのゲート酸化膜厚よりも厚
く設定するとにより、メモリセルトランジスタのカット
オフとハイレベルの書き込み補償を満足する。それとと
もに、周辺回路ブロック22のトランジスタの駆動力が
高められる。また外部電源を降圧する電圧変換回路24
を介することなく高い電源電圧のかかるI/O回路ブロ
ック23のトランジスタのゲート酸化膜厚を厚くするの
で信頼性も向上される。さらにメモリセルアレイブロッ
ク21のトランジスタとI/O回路ブロック23のトラ
ンジスタのゲート酸化膜を同一にしているので、工程の
増大を最小に抑えられる。したがって、高密度でかつ高
速動作が可能なDRAMデバイスを実現される。
ルのパラメータ設定を用いたが、他の世代のDRAMデ
バイスにおいても適用が可能である。またメモリセルの
形式としては、製造方法で説明したスタックト型以外の
ものであっても差し支えはない。
ば、DRAM装置のメモリセル領域におけるトランジス
タのゲート絶縁膜を、メモリセル領域以外におけるトラ
ンジスタのゲート絶縁膜よりも厚く形成したので、メモ
リセルトランジスタのカットオフリークと、ハイレベル
の書き込み補償を満足するとともに、周辺回路領域およ
び入出力回路領域のトランジスタの駆動力を高めること
ができる。したがって、高密度でかつ高速動作可能なD
RAMデバイスを実現できる。
モリセル領域および入出力回路領域における各トランジ
スタのゲート絶縁膜を、メモリセル領域および入出力回
路領域以外におけるトランジスタのゲート絶縁膜よりも
厚く形成したので、メモリセルトランジスタのカットオ
フリークと、ハイレベルの書き込み補償を満足するとと
もに、周辺回路領域のトランジスタの駆動力を高めるこ
とができる。したがって、高密度でかつ高速動作可能な
DRAMデバイスを実現できる。
ある。
ある。
ある。
る。
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】 1トランジスタ1キャパシタ型のダイナ
ミックランダムアクセスメモリ装置において、 メモリセル領域のトランジスタのゲート絶縁膜を、該メ
モリセル領域以外のトランジスタのゲート絶縁膜よりも
厚く形成したことを特徴とするダイナミックランダムア
クセスメモリ装置。 - 【請求項2】 請求項1記載のダイナミックランダムア
クセスメモリ装置において、 メモリセル領域におけるトランジスタのゲート絶縁膜の
厚さToxは、動作遅延時間に関するマージン係数をα、
該トランジスタのしきい値電圧をVt'、ハイレベルの電
圧をVcc、該トランジスタのゲート絶縁膜が信頼性上許
容できる最大電界をEoxmax として、Tox>(αVt'+
Vcc)/Eoxmax なる関係を満足することを特徴とする
ダイナミックランダムアクセスメモリ装置。 - 【請求項3】 1トランジスタ1キャパシタ型のダイナ
ミックランダムアクセスメモリ装置において、 メモリセル領域および入出力回路領域の各トランジスタ
のゲート絶縁膜を、該メモリセル領域および該入出力回
路領域以外のトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚く形
成したことを特徴とするダイナミックランダムアクセス
メモリ装置。 - 【請求項4】 請求項3記載のダイナミックランダムア
クセスメモリ装置において、 メモリセル領域および入出力回路領域における各トラン
ジスタのゲート絶縁膜の厚さToxは、動作遅延時間に関
するマージン係数をα、該トランジスタのしきい値電圧
をVt'、ハイレベルの電圧をVcc、該トランジスタのゲ
ート絶縁膜が信頼性上許容できる最大電界をEoxmax と
して、Tox>(αVt'+Vcc)/Eoxmax なる関係を満
足することを特徴とするダイナミックランダムアクセス
メモリ装置。 - 【請求項5】 請求項3または請求項4記載のダイナミ
ックランダムアクセスメモリ装置において、 外部電源電圧を降圧する電圧変換回路を内蔵しているこ
とを特徴とするダイナミックランダムアクセスメモリ装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00859795A JP3193581B2 (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 1トランジスタ1キャパシタ型のダイナミックランダムアクセスメモリ |
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