半導体装置並びにその配置及び製造方法
【課題】半導体装置及びその装置の配置及び製造方法を提供する。
【解決手段】複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、ロウアドレスをデコーディングして複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、及びカラムアドレスをデコーディングして複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダを備える。ロウ及びカラムデコーダは、複数のインバータ及び複数のNANDゲートを備える。複数のインバータそれぞれは、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備る。複数のNANDゲートそれぞれは、少なくとも2個の第2プルアップトランジスタ及び少なくとも2個の第2プルダウントランジスタを備える。第1及び第2プルアップトランジスタ及び第1及び第2プルダウントランジスタは、少なくとも2層に積層して配置され。
【解決手段】複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、ロウアドレスをデコーディングして複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、及びカラムアドレスをデコーディングして複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダを備える。ロウ及びカラムデコーダは、複数のインバータ及び複数のNANDゲートを備える。複数のインバータそれぞれは、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備る。複数のNANDゲートそれぞれは、少なくとも2個の第2プルアップトランジスタ及び少なくとも2個の第2プルダウントランジスタを備える。第1及び第2プルアップトランジスタ及び第1及び第2プルダウントランジスタは、少なくとも2層に積層して配置され。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関するもので、特に、積層されたトランジスタを備えたメモリセルアレイに適する周辺回路を有する半導体装置並びにその配置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に半導体メモリ装置は、データを保存するための複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、メモリセルアレイに対するデータの入力又はメモリセルアレイからのデータの出力を制御するための周辺回路とで構成されている。
【0003】
そして、スタティックメモリセルは複数のトランジスタで構成されていて、ダイナミックメモリセルは一つのトランジスタと一つのキャパシタとで構成されている。周辺回路は、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートを備えて構成されていて、これらゲートのそれぞれはトランジスタで構成されている。
【0004】
一般のメモリセル及び周辺回路は、半導体基板上の同一層に複数のトランジスタをすべて配置している。よって、メモリセルアレイの容量、すなわち、メモリセルの数が増えることによってレイアウト面積が増加し、したがって、チップサイズが大きくなる。
【0005】
そのため、メモリセルアレイの容量が増えてもレイアウト面積を増大させないという努力が続いていて、このような努力の一環として一つのメモリセルを構成するトランジスタを積層して構成することによってメモリセルアレイのレイアウト面積を減らす方法が見出された。
【0006】
しかし、メモリセルアレイのレイアウト面積だけでなく、周辺回路のレイアウト面積も減らすことができれば、装置のレイアウト面積をさらに縮小させることができる。そして、メモリセルを構成するトランジスタが積層されるによって周辺回路を構成するトランジスタの構造も変わらなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、積層されたトランジスタを有するメモリセルアレイに適する周辺回路を備えた半導体装置を提供することにある。
【0008】
本発明の他の目的は、前記目的を果たすための半導体装置の配置及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第1形態は、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備えて入力信号を反転してそれぞれ出力する複数のインバータ、及び、少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタを備えて、少なくとも二つの入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルならばハイレベルの出力信号をそれぞれ発生する複数のNANDゲートを備えて、前記少なくとも一つの第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタ、及び前記少なくとも二つの第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0010】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第2形態は、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備えて入力信号を反転してそれぞれ出力する複数のインバータ、少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタを備えて、少なくとも仏の入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルならばハイレベルの出力信号をそれぞれ発生する複数のNANDゲート、及び、少なくとも2個以上の第3プルアップトランジスタ及び第3プルダウントランジスタを備え、少なくとも二つの入力信号がすべてローレベルならばハイレベルの出力信号をそれぞれ発生する複数のNORゲートを備えて、前記少なくとも一つの第1プルアップ及びプルダウントランジスタ、前記少なくとも二つの第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタ、及び、前記少なくとも二つの第3プルアップ及び第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0011】
前記第1及び第2形態の半導体装置の前記プルアップトランジスタ及び第1、第2、及び第3プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記プルダウントランジスタ及び第1、第2、及び第3プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。
【0012】
前記第1及び第2形態における少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0013】
前記第1及び第2形態において、前記第1層には、例えば、前記プルアップ、第1、第2、及び第3プルアップトランジスタと前記プルダウン、第1、第2、及び第3プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の層には、例えば、前記プルアップ、第1、第2、及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウン、第1、第2、及び第3プルダウントランジスタのみを配置することができる。
【0014】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第3形態は、複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、及びカラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダを備え、前記ロウ(カラム)デコーダは複数のインバータを備え、前記複数のインバータそれぞれは少なくとも一つのプルアップトランジスタ及びプルダウントランジスタを備えて、前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする。
【0015】
前記カラム(ロウ)デコーダは複数のインバータを備えてることができる。前記複数のインバータのそれぞれは、少なくとも一つのプルアップトランジスタ及びプルダウントランジスタを備えて、前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されることができる。
【0016】
前記複数のメモリセルは、複数のMOSトランジスタを備えてることができる。前記複数のMOSトランジスタは、前記少なくとも2層に積層して配置されることができる。前記プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0017】
前記第1層には、前記プルアップ及びプルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の各層には前記プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウントランジスタのみを配置することが可能である。
【0018】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第4形態は、複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、及びカラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダを備え、前記ロウ(カラム)デコーダは複数のインバータ及び複数のNANDゲートを備えて、前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備え、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを備えて、前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び第1及び第2プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする。
【0019】
前記カラム(ロウ)デコーダは、複数のインバータ及び複数のNANDゲートを備えることができる。前記複数のインバータのそれぞれは、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備えることができる。前記複数のNANDゲートのそれぞれは、少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを備えることができる。前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び第1及び第2プルダウントランジスタは、少なくとも2層に積層して配置されることができる。
【0020】
前記複数のメモリセルは、複数のMOSトランジスタを備えることができる。前記複数のMOSトランジスタは、前記少なくとも2層に積層して配置されることができる。前記第1及び第2プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記第1及び第2プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0021】
前記第1層には、前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン及び第2プルダウントランジスタのみを配置することが可能である。
【0022】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第5形態は、複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、及びロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダ、及び前記メモリセルアレイへのデータの入出力を制御するための制御部を備えた周辺回路を備え、前記周辺回路が複数のインバータ、複数のNANDゲート、及び複数のNORゲートを備え、前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備え、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを備え、前記複数のNORゲートのそれぞれは少なくとも三つのの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも三つのの第3プルダウントランジスタを備え、前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタ及び第1、第2、及び第3プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする。
【0023】
前記複数のメモリセルは、複数のMOSトランジスタを備えることができる。前記複数のMOSトランジスタは、前記少なくとも2層に積層して配置されることができる。前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。そして、前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0024】
前記第1層には、前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタと前記第3プルアップ及び第3プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ、第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン、第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することが可能である。
【0025】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第6形態は、セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板、前記セル領域の半導体基板に形成されたバルクトランジスタ、前記セル領域に前記バルクトランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜パターン、前記層間絶縁膜パターン上に形成された薄膜トランジスタ、前記周辺回路領域の半導体基板と接触するように形成された周辺ボディパターン、及び前記周辺ボディパターンに配置された周辺トランジスタを含み、前記周辺トランジスタは実質的に前記セル領域の薄膜トランジスタと水平方向の同一線上に位置するように形成されることを特徴とする。前記周辺ボディパターンは、例えば単結晶半導体構造であり、前記薄膜トランジスタは、例えば多結晶薄膜トランジスタである。
【0026】
前記バルクトランジスタ及び前記薄膜トランジスタは、例えばSRAMメモリセルのセルトランジスタである。前記バルクトランジスタは、例えば第1及び第2バルクトランジスタを含み、前記薄膜トランジスタは、例えば第1及び第2薄膜トランジスタを含む。前記第1及び第2薄膜トランジスタは、前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることができる。前記第1及び第2バルクトランジスタと前記第1及び第2薄膜トランジスタとの間にそれぞれ配置された第1及び第2下部薄膜トランジスタをさらに含むことができ、前記第1及び前記第2下部薄膜トランジスタは、前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることができる。
【0027】
前記第6形態の半導体装置は、層間絶縁膜パターンを貫通して前記第1バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第1下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第1上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第1ノードプラグ、及び前記層間絶縁膜パターンを貫通して前記第2バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第2下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第2上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第2ノードプラグをさらに含むことを特徴とする。
【0028】
前記第1及び第2バルクトランジスタは、それぞれ、例えば第1及び第2Nチャンネル駆動トランジスタであり、前記第1及び第2バルクトランジスタの前記第1不純物領域は、例えばドレイン領域である。前記第1駆動トランジスタのゲート電極は前記第2ノードプラグに電気的に接続されて、前記第2駆動トランジスタのゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることができる。前記第1及び第2下部薄膜トランジスタは、それぞれ、例えば第1及び第2Pチャンネル負荷トランジスタであり、前記第1及び第2薄膜トランジスタは、それぞれ、例えば第1及び第2Nチャンネル転送トランジスタであるが、前記第1及び第2下部薄膜トランジスタの前記第1不純物領域はドレイン領域である。前記第1及び第2薄膜トランジスタの前記第1不純物領域は、例えばソース領域であり、前記第1及び第2負荷トランジスタのゲート電極は、それぞれ前記第1及び第2駆動トランジスタのゲート電極と重畳するように配置されることができ、前記第1負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第2ノードプラグに電気的に接続され、前記第2負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることができる。
【0029】
前記第1及び第2薄膜トランジスタのゲート電極は、例えば、互いに電気的に接続されてワードラインを構成する。
【0030】
前記第6形態の半導体装置の少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ゲート電極の表面に形成された金属シリサイド膜を含むことができる。少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ソース/ドレイン領域の表面に形成された金属シリサイド膜を含むことができる。
【0031】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の配置方法の第1形態は、メモリセルアレイの複数のメモリセルそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置して、周辺回路の複数のインバータそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタ及び複数のNANDゲートそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0032】
前記第1、第2及び第3プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記転送、第1、第2及び第3プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0033】
前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えば、前記メモリセルの第1層に配置されるトランジスタの形態にかかわらず、前記第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタと第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することができる。
【0034】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の配置方法の第2形態は、メモリセルアレイの複数のメモリセルそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置し、周辺回路の複数のインバータそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタ、複数のNANDゲートそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び第3プルダウントランジスタ、及び複数のNORゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つのの第4プルアップトランジスタ及び第4プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0035】
前記第1、第2、第3、及び第4プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記転送、第1、第2、第3、及び第4プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0036】
前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えば、前記メモリセルの第1層に配置されるトランジスタの形態にかかわらず、前記第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタと第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタのみを配置するか、または第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタのみを配置することができる。
【0037】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の製造方法の第1形態は、セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備して、前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成して、前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる層間絶縁膜パターンを形成し、前記層間絶縁膜パターン及び前記露出された半導体基板上にそれぞれセルボディパターン及び周辺ボディパターンを形成し、前記周辺ボディパターンは前記露出された半導体基板と接触して、前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンにそれぞれセル薄膜トランジスタ及び周辺トランジスタを形成することを含む。
【0038】
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記層間絶縁膜パターンを有する基板上に半導体膜を形成して、前記半導体膜を平坦化させて前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記半導体基板上にそれぞれセル半導体膜及び周辺半導体膜を形成することを含むことができ、前記周辺半導体膜は前記半導体膜よりも厚くすることができる。前記半導体膜は、例えば非単結晶半導体膜で形成して、前記半導体膜を平坦化させる前または後に、前記半導体基板をシード層として固相エピタキシャル技術を用いて前記半導体膜を結晶化させることができる。
【0039】
前記層間絶縁膜パターンを形成する段階は、前記バルクトランジスタを有する基板上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜をパターニングして前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させることとともに前記セル領域内の前記半導体基板の所定領域を露出させるコンタクトホールを形成することを含むことができる。前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板上に単結晶半導体構造体を形成し、前記単結晶半導体構造体を平坦化させることを含むことができる。前記単結晶半導体構造体は、前記コンタクトホールによって露出された前記半導体基板及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板をシード層として選択的エピタキシャル成長技術を用いて形成されることができる。
【0040】
前記セル薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセルゲート電極及び周辺ゲート電極を形成し、前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成することを含むことができる。少なくとも前記周辺ゲート電極及び/又は周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成することができる。
【0041】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の製造方法の第2形態は、セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備して、前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成し、前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる第1層間絶縁膜パターンを形成し、前記第1層間絶縁膜パターンは前記バルクトランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第1コンタクトホールを有するように形成され、前記第1層間絶縁膜パターン上に前記第1コンタクトホールを覆うセル下部ボディパターンを形成し、前記セル下部ボディパターンにセル下部薄膜トランジスタを形成し、前記第1層間絶縁膜パターン上に前記セル下部薄膜トランジスタを覆う第2層間絶縁膜パターンを形成し、前記第2層間絶縁膜は前記セル下部薄膜トランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第2コンタクトホールを有するように形成されて、前記第2層間絶縁膜パターン上に前記第2コンタクトホールを覆うセル上部ボディパターンを形成することと共に、前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成して、前記セル上部ボディパターンにセル上部薄膜トランジスタを形成すると共に前記周辺ボディパターンに周辺トランジスタを形成することを含み、前記セル下部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域の半導体基板を覆う周辺下部ボディパターンを形成することをさらに含む。
【0042】
前記セル下部ボディパターン及び前記周辺下部ボディパターンを形成する段階は、前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成して、前記第1単結晶半導体構造体を平坦化させることを含むことができる。前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺下部ボディパターンを覆う第2単結晶半導体構造体を形成し、前記第2単結晶半導体構造体が平らな上部面を有するように平坦化させて、前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺上部ボディパターンを形成し前記周辺下部ボディパターン及び前記周辺上部ボディパターンを含む周辺ボディパターンを形成することを含むことができる。前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることができる。
【0043】
前記セル下部ボディパターンを形成する段階は、前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成し、前記第1単結晶半導体構造体をパターニングして前記周辺回路領域の半導体基板を露出させることを含むことができる。前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第2単結晶半導体構造体を形成し、前記第2単結晶半導体構造体は平らな上部面を有するように形成されて、前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成することを含むことができる。前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることができる。
【0044】
前記バルクトランジスタは、例えばNチャンネル駆動トランジスタであり、前記セル下部薄膜トランジスタは、例えばPチャンネル負荷トランジスタであり、前記セル上部薄膜トランジスタは、例えばNチャンネル転送トランジスタである。
【0045】
前記セル上部薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセル上部ゲート電極及び周辺ゲート電極を形成して、前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成することを含み、少なくとも前記周辺ゲート電極及び/または周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成することをさらに含む。
【発明の効果】
【0046】
本発明の半導体装置及びこの装置の配置方法によれば、例えば、メモリセルアレイだけではなく、周辺回路を構成するトランジスタを積層して配置するのが可能になって装置のレイアウト面積を縮小させることができる。
【0047】
また、本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、例えば、メモリセルアレイ領域には薄膜トランジスタを含むメモリセルが形成されて、周辺回路領域には周辺回路領域の半導体基板から成長された単結晶半導体構造の周辺ボディパターンに周辺トランジスタが形成されることによって、高集積度のメモリセル及び高性能の周辺トランジスタを有する半導体集積回路を供給することができる。より具体的には、例えば、メモリセルアレイを構成するトランジスタを積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタを3層に平面として配置することで安定された動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0048】
まず、本発明の好適な実施形態の半導体装置及びこの装置の配置方法を説明する前に従来の半導体メモリ装置を説明する。
【0049】
図1は、一般的なスタティック半導体メモリ装置の構成を示すブロック図であり、スタティック半導体メモリ装置は、メモリセルアレイ10、ロウデコーダ12、データ入出力ゲート14、カラムデコーダ16、データ入出力回路18、及び制御部20で構成されている。
【0050】
図1において、wl1〜wlmはワードライン選択信号を、y1〜ynはカラム選択信号をそれぞれ示しており、WL1〜WLmはワードラインを、BL1、BL1B〜BLn、BLnBは一対のビットラインをそれぞれ示す。
【0051】
図1に示すブロックのそれぞれの機能を次に説明する。メモリセルアレイ10は、複数のワードラインWL1〜WLmと複数のビットライン対BL1、BL1B〜BLn、BLnBとの各間にそれぞれ接続された複数のスタティックメモリセルMC11〜MCmnを備えて、書込み時にデータdinを入力して選択されたメモリセルに書込みし、読出し時に選択されたメモリセルに保存されたデータを読出しして、データdoutを出力する。
【0052】
ロウデコーダ12は、アクティブ命令ACTに応答してロウアドレスRAをデコーディングしてワードライン選択信号wl1〜wlmを発生する。データ入出力ゲート14は、カラム選択信号y1〜ynに応答して、書込み時にはデータDINをデータdinに伝送し、読出し時にはデータdoutをデータDOUTに伝送する。カラムデコーダ16は、読出し命令RD及び書込み命令WRに応答して、カラムアドレスCAをデコーディングしてカラム選択信号y1〜ynを発生する。データ入出力回路18は、書込み命令WRに応答してデータDINを入力してデータdinを出力し、読出し命令RDに応答してデータdoutを入力してデータDOUTを出力する。制御部20は、命令語COMを入力して、アクティブ、読出し、及び書込み命令ACT、RD、WRを発生する。
【0053】
図2は、図1に示すロウデコーダまたはカラムデコーダの実施例の構成を示すブロック図であり、二つのプリデコーダ30、32、及びメインデコーダ34で構成されている。二つのプリデコーダ30、32及びメインデコーダ34それぞれは、2入力NANDゲートNAとインバータINVを備えて構成されている。
【0054】
図2に示す実施例のデコーダは、4ビットのアドレスA1〜A4を入力して16個のデコーディング信号DRA1〜DRA16を発生する回路構成である。
【0055】
図2に示すブロックそれぞれの機能を次に説明する。プリデコーダ30、32それぞれは、2ビットずつのアドレス(A1、A2)、(A3、A4)をプリデコーディングして、プリデコーディングされた信号DRA1B2B〜DRA12、DRA3B4B〜DRA34を出力する。メインデコーダ34は、プリデコーディングされた信号DRA1B2B〜DRA12、DRA3B4B〜DRA34をデコーディングしてデコーディング信号DRA1〜DRA16を発生する。
【0056】
半導体メモリ装置のメモリセルアレイのスタティックメモリセルは、6個のトランジスタで構成されて、カラムまたはロウデコーダは、インバータ及びNANDゲートのようなロジックゲートで構成される。そして、インバータは2個のトランジスタで構成されて、NANDゲートは4個以上のトランジスタで構成される。
【0057】
図2の実施例におけるカラム及びロウデコーダは、2入力NANDゲートで構成されるので4個のトランジスタで構成されるが、3入力NANDゲートまたは4入力NANDゲートで構成される場合には、6個または8個のトランジスタで構成される。
【0058】
そして、データ入出力回路18及び制御部20は、インバータとNANDゲートの他にNORゲートをさらに備えて構成される。
【0059】
結果的に、半導体メモリ装置の周辺回路を構成する論理ゲートは、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートがあり得る。
【0060】
図3Aは図1に示すメモリセルアレイにおけるスタティックメモリセルの一例の回路図を、図3B、3C、3Dは、周辺回路を構成するインバータ、NANDゲート、及びNORゲートの一例の回路図をそれぞれ示す図である。
【0061】
図3Aに示すように、スタティックメモリセルは、PMOSトランジスタPU1、PU2及びNMOSトランジスタPD1、PD2、T1、T2で構成されている。PMOSトランジスタPU1、PU2はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタPD1、PD2はプルダウントランジスタであり、NMOSトランジスタT1、T2は転送トランジスタである。
【0062】
図3Aに示すメモリセルの動作を次に説明する。ワードラインWLが選択されてNMOSトランジスタT1、T2がオンとなると、ビットラインBLと保存ノードaとの間でデータが転送されるとともに反転ビットラインBLBと保存ノードbとの間でデータが転送される。NMOSトランジスタPD1は、保存ノードbのデータが「ハイ」レベルならば保存ノードaを「ロー」レベルにさせて、PMOSトランジスタPU1は、保存ノードbのデータが「ロー」レベルならば保存ノードaを「ハイ」レベルにさせる。
【0063】
同様に、NMOSトランジスタPD2は、保存ノードaのデータが「ハイ」レベルならば保存ノードbを「ロー」レベルにさせて、PMOSトランジスタPU2は、保存ノードaのデータが「ロー」レベルならば保存ノードbを「ハイ」レベルにさせる。すなわち、二つのPMOSトランジスタPU1、PU2と二つのNMOSトランジスタPD1、PD2とはラッチとして、保存ノードa、bのデータをラッチする。
【0064】
図3Bに示すように、インバータは、PMOSトランジスタP1とNMOSトランジスタN1とで構成されている。図3Bにおいて、PMOSトランジスタP1はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタN1はプルダウントランジスタである。
【0065】
図3Bに示すインバータの動作を次に説明する。「ハイ」レベルの入力信号INが印加されると、NMOSトランジスタN1がオンとなって出力信号OUTを「ロー」レベル、すなわち、接地電圧VSSレベルにさせる。一方、「ロー」レベルの入力信号INが印加されると、PMOSトランジスタP1がオンとなって出力信号OUTを「ハイ」レベル、すなわち、電源電圧VCCレベルにさせる。
【0066】
すなわち、図3Bに示すインバータは、一つのプルアップトランジスタと一つのプルダウントランジスタとで構成されて、入力信号INを反転して出力信号OUTを発生する。
【0067】
図3Cに示すように、NANDゲートは、PMOSトランジスタP2、P3及びNMOSトランジスタN2、N3で構成されている。図3cにおいて、PMOSトランジスタP2、P3はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタN2、N3はプルダウントランジスタである。
【0068】
図3cに示すNANDゲートの動作を次に説明する。少なくとも一つの「ロー」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、PMOSトランジスタP2又は/及びPMOSトランジスタP3がオンとなって出力信号OUTを「ハイ」レベル、すなわち、電源電圧VCCレベルにさせる。一方、「ハイ」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、NMOSトランジスタN2、N3がすべてオンとなって出力信号OUTを「ロー」レベルにさせる。
【0069】
図3Dに示すように、NORゲートは、PMOSトランジスタP4、P5及びNMOSトランジスタN4、N5で構成されている。図3Dにおいて、PMOSトランジスタP4、P5はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタN4、N5はプルダウントランジスタである。
【0070】
図3Dに示すNORゲートの動作を次に説明する。少なくとも一つの「ハイ」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、NMOSトランジスタN4又は/及びNMOSトランジスタN5がオンとなって出力信号OUTを「ロー」レベル、すなわち、接地電圧VSSレベルにさせる。一方、「ロー」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、PMOSトランジスタP4、P5がすべてオンとなって出力信号OUTを「ハイ」レベルにさせる。
【0071】
図4Aは、図3Aに示すメモリセルアレイのスタティックメモリセルを構成するトランジスタの一例の配置を概念的に示す図で、図4B、4C、4Dは、図3B、3C、3Dに示すインバータ、NANDゲート、NORを構成するトランジスタの一例の配置をそれぞれ概念的に示す図である。
【0072】
図4Aないし4Dにおいて、一対のビットラインBL、BLB、ワードラインWL、電源電圧ラインVCCL、及び接地電圧ラインVSSLそれぞれは、互いに異なる層に配置されてもよいし、一部が同一の層に配置されてもよい。
【0073】
図4Aに示すように、図3aに示すトランジスタPD1、PD2、PU1、PU2、T1、T2を同一層(1F)に配置する。そして、NMOSトランジスタT1のソースとNMOSトランジスタPD1のドレインが接続され、NMOSトランジスタPD1のソースとNMOSトランジスタPD2のソースが接続され、NMOSトランジスタPD2のドレインとNMOSトランジスタT2のソースが接続される。NMOSトランジスタT1のドレインがビットラインBLに接続されて、NMOSトランジスタT2のドレインが反転ビットラインBLBに接続され、NMOSトランジスタT1、T2のゲートがワードラインWLに接続され、NMOSトランジスタPD1、PD2のソースが接地電圧ラインVSSLに接続される。そして、PMOSトランジスタPU1のドレインがNMOSトランジスタPD1のドレインに接続されて、ソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、ゲートがNMOSトランジスタPD1のゲートとNMOSトランジスタPD2のドレインに接続される。また、PMOSトランジスタPU2のドレインがNMOSトランジスタPD2のドレインに接続されて、ソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、ゲートがNMOSトランジスタPD2のゲートに接続される。
【0074】
図4Bに示すように、図3Bに示すトランジスタP1、N1を同一層(1F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP1のソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、ドレインが出力信号ラインOUTLに接続されて、ゲートが入力信号ラインINLに接続される。NMOSトランジスタN1のソースが接地電圧ラインVSSLに接続されて、ドレインが出力信号ラインOUTLに接続されて、ゲートが入力信号ラインINLに接続される。
【0075】
図4Cに示すように、図3Cに示すトランジスタP3、P2、N2、N3を同一層(1F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP3のソースとPMOSトランジスタP2のソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、PMOSトランジスタP3、P2のドレインが出力信号ラインOUTLに接続される。PMOSトランジスタP3及びNMOSトランジスタN3のゲートが入力信号ラインIN1Lに接続されて、PMOSトランジスタP2及びNMOSトランジスタN2のゲートが入力信号ラインIN2Lに接続されて、PMOSトランジスタP2のドレインとNMOSトランジスタN2のドレインが接続されて、NMOSトランジスタN2のソースとNMOSトランジスタN3のドレインが接続されて、NMOSトランジスタN3のソースが接地電圧ラインVSSLに接続される。
【0076】
図4Dに示すように、図3Dに示すトランジスタP4、P5、N4、N5を同一層(1F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP4のドレインとPMOSトランジスタP5のソースが接続されて、PMOSトランジスタP5のドレインとNMOSトランジスタN5のドレインが接続されて、PMOSトランジスタP4のソースが電源電圧ラインVCCLに接続され、ゲートが入力信号ラインIN2Lに接続されて、PMOSトランジスタP5のゲートが入力信号ラインIN1Lに接続されて、PMOSトランジスタP5のドレインとNMOSトランジスタN5のドレインが出力信号ラインOUTLに接続されて、NMOSトランジスタN4のドレイン、ゲート、ソースが出力信号ラインOUTL、入力信号ラインIN2L、及び接地電圧ラインVSSLに接続される。
【0077】
すなわち、図4Aないし4Dに示す例では、半導体メモリ装置のメモリセル及び周辺回路を構成するトランジスタがすべて同一層1Fに配置されるのでメモリセルの容量が増加する場合にはレイアウト面積も増加する。
【0078】
そのため、半導体メモリ装置のメモリセルのレイアウト面積を減らすためにメモリセルを構成するトランジスタを2層、または3層で積む方法が見出された。
【0079】
図5Aないし図5Dは、従来の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの他の例の配置をそれぞれ概念的に示す図であり、メモリセルを構成するトランジスタを2層に積層して配置したことを示す図である。
【0080】
図5Aに示すように、NMOSトランジスタPD1、PD2、T1、T2を第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタPU1、PU2を第2層(2F)に配置する。そして、トランジスタPD1、PD2、PU1、PU2、T1、T2の間は、図4Aのトランジスタの接続と同様に接続する。
【0081】
図5Bないし図5Dの配置では、図4Bないし図4Dの配置と同様に、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタP1〜P5、N1〜N5を第1層(1F)に配置する。
【0082】
したがって、図5Aに示すように、半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタを2層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタを1層に配置すると、メモリセルアレイのレイアウト面積が減ることになるが、周辺回路のレイアウト面積は減らないので、結果的に全体的なレイアウト面積の縮小幅は小さい。
【0083】
図6Aないし6Dは、従来の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタのまた他の例の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置したことを示す図である。
【0084】
図6Aに示すように、NMOSトランジスタPD1、PD2を第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタPU1、PU2を第2層(2F)に配置して、NMOSトランジスタT1、T2を第3層(3F)に配置する。そして、トランジスタPD1、PD2、PU1、PU2、T1、T2の間は、図4Aのトランジスタの接続と同様に接続する。
【0085】
図6Bないし図6Dの配置は、図4Bないし図4Dの配置と同様に、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタP1〜P5、N1〜N5を第1層(1F)に配置する。
【0086】
したがって、図6Aに示すように半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタを1層に配置することになると、メモリセルアレイのレイアウト面積は減ることになるが、周辺回路のレイアウト面積は減らないので、結果的に全体的なレイアウト面積の縮小幅は小さい。
【0087】
すなわち、従来の半導体メモリ装置におけるメモリセルアレイのスタティックメモリセルを2層または3層に積層して配置することによって、メモリセルアレイのレイアウト面積は減ることになるが、周辺回路を構成するトランジスタは1層に配置されるので全体的なレイアウト面積の縮小幅は小さい。
【0088】
図7Aないし7Dは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタが2層に積層して配置される場合の周辺回路を構成するトランジスタの配置を示す図である。
【0089】
図7Aの配置は、図5Aの配置と同様に、スタティックメモリセルを構成するトランジスタPU1、PU2、PD1、PD2、T1、T2を2層に積層して配置する。
【0090】
図7Bに示すように、NMOSトランジスタN1は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP1は第2層(2F)に配置する。そして、インバータを構成するトランジスタN1、P1の間は、図4Bに示すものと同様に接続する。
【0091】
図7Cに示すように、NMOSトランジスタN2、N3は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP2、P3は第2層(2F)に配置する。そして、NANDゲートを構成するトランジスタN2、N3、P2、P3の間は、図4Cに示すものと同様に接続する。
【0092】
図7Dに示すように、NMOSトランジスタN4、N5は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP4、P5は第2層(2F)に配置する。そして、NORゲートを構成するトランジスタN4、N5、P4、P5の間は、図4Dに示すものと同様に接続する。
【0093】
図7Aないし図7Dに示すように、本発明の第1実施形態の半導体メモリ装置は、メモリセルを構成するトランジスタを2層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタも2層に積層して配置することによって半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積を減らすことができる。
【0094】
図7Bないし図7Dに示すトランジスタは、互いに入れ替えて配置されてもよく、また、必ずしも第1層(1F)と第2層(2F)に配置されなければならないのではなく、例えば、第1層(1F)と第3層(3F)または第2層(2F)と第3層(3F)に配置されてもよい。
【0095】
しかし、第1層(1F)にはPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタが配置できるが、第2層(2F)には工程上の便宜のためにメモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタと同一形態のトランジスタが配置されることが好ましい。すなわち、メモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタがNMOSトランジスタならば周辺回路の第2層(2F)に配置されるトランジスタもNMOSトランジスタで構成することが望ましく、メモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタがPMOSトランジスタならば周辺回路の第2層(2F)に配置されるトランジスタもPMOSトランジスタで構成することが好ましい。
【0096】
図8Aないし8Dは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタが3層に配置される場合の周辺回路を構成するトランジスタの配置を示す図である。
【0097】
図8Aの配置は、図6Aの配置と同様に、スタティックメモリセルを構成するプルダウントランジスタPD1、PD2を第1層(1F)に配置して、プルアップトランジスタPU1、PU2を第2層(2F)に配置し、転送トランジスタT1、T2を第3層(3F)に配置する。
【0098】
図8Bに示すように、図3Bに示すNMOSトランジスタN1のチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するNMOSトランジスタN1−1、N1−2を構成して、NMOSトランジスタN1−2は第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP1は第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN1−1は第3層(3F)に配置する。そして、NMOSトランジスタN1−1、N1−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、NMOSトランジスタN1−1、N1−2とPMOSトランジスタP1との間は図4Bに示すものと同様に接続する。
【0099】
図8Cに示すように、PMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP3は第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN3は第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP2、P3とNMOSトランジスタN2、N3との間は図4Cに示すものと同様に接続する。
【0100】
図8Dに示すように、図3Dに示すNMOSトランジスタN4、N5それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するNMOSトランジスタN4−1、N4−2、N5−1、N5−2を構成して、NMOSトランジスタN4−1、N5−1は第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP4、P5は第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN5−1、N5−2は第3層(3F)に配置する。そして、NMOSトランジスタN4−1、N4−1のゲート、ソース、ドレインを共通で接続して、NMOSトランジスタN5−1、N5−2のゲート、ソース、ドレインを共通で接続する。PMOSトランジスタP4、P5とNMOSトランジスタN4、N5との間は図4Dに示すものと同様に接続する。
【0101】
図8Aないし図8Dに示すように、本発明の第2実施形態の半導体メモリ装置は、メモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタも3層に積層して配置することによって半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積を減らすことができる。
【0102】
図9Aないし9Dは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタが3層に配置される場合の周辺回路を構成するトランジスタの配置を示す図である。
【0103】
図9Aの配置は、図8aの配置と同様に、スタティックメモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置する。
【0104】
図9Bに示すように、インバータを構成するPMOSトランジスタP1それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するPMOSトランジスタP1−1、P1−2を構成して、PMOSトランジスタP1−1を第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP1−2を第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN1を第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP1−1、P1−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP1−1、P1−2とNMOSトランジスタN1との間は図4Bに示すものと同様に接続する。
【0105】
図9Cに示すように、NANDゲートを構成するPMOSトランジスタP2、P3それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するPMOSトランジスタP2−1、P2−2、P3−1、P3−2を構成して、PMOSトランジスタP2−2、P3−2を第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP2−1、P3−1を第2層(2F)に配置して、NMOSトランジスタN2、N3を第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP2−1、P2−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP3−1、P3−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続し、PMOSトランジスタP2−1、P2−2、P3−1、P3−2とNMOSトランジスタN2、N3との間は図4Cに示すものと同様に接続する。
【0106】
図9Dに示すように、NORゲートを構成するPMOSトランジスタP4、P5それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するPMOSトランジスタP4−1、P4−2、P5−1、P5−2を構成して、PMOSトランジスタP4−1、P5−1を第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP4−2、P5−2を第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN4、N5を第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP4−1、P4−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP5−1、P5−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP4−1、P4−2、P5−1、P5−2とNMOSトランジスタN4、N5との間は図4Dに示すものと同様に接続する。
【0107】
そして、図示してないが、NANDゲートを構成するNMOSトランジスタN2、N3それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するNMOSトランジスタN2−1、N2−2、N3−1、N3−2を構成して、PMOSトランジスタP2、P3とNMOSトランジスタN2−1、N2−2、N3−1、N3−2を互いに異なる3つの層に2個ずつ配置することもできる。
【0108】
また、上述の実施形態のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタは、互いに異なる層に配置されてもよく、また、必ずしも図示された層に配置する必要はない。
【0109】
しかし、第1層(1F)にはPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタが配置できるが、第2層(2F)には工程上の便宜のためにメモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタと同一形態のトランジスタが配置されることが好ましい。すなわち、メモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタがPMOSトランジスタならば周辺回路の第2層(2F)に配置されるトランジスタもPMOSトランジスタで構成することが好ましく、メモリセルの3層(3F)に配置されるトランジスタがNMOSトランジスタならば周辺回路の3層(3F)に配置されるトランジスタもNMOSトランジスタで構成することが好ましい。
【0110】
そして、上述の半導体メモリ装置のスタティックメモリセル及び周辺回路を構成するインバータ、NANDゲート、及びNORゲートの実施形態の配置及び構造を次に説明する。
【0111】
図10Aないし図16A、図10Bないし図16B、図10Cないし図16C、図10Dないし図16Dは、本発明の実施形態によるメモリセル、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートそれぞれの配置を説明するための平面図であり、図17A、17Bは、図10Aないし図16AのI−I'、II−II'における本発明の実施形態のメモリセルの構造を示す断面図であり、図18ないし図20は、図10Bないし図16B、図10Cないし図16C、図10Dないし図16DのX−X’における本発明の実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【0112】
図10A及び図17A、17Bを参照すると、半導体基板SUBに第1活性領域1b’及び第2活性領域1a’が向き合いながらy軸に平行になるように配置されて、第2活性領域1a’の一端はx軸に平行になるように延長される。また、半導体基板SUBに第3活性領域1b”及び第4活性領域1a”が向き合いながらy軸に平行になるように配置されて、第4活性領域1a”の一端はx軸に平行になるように延長される。ゲートパターン1c’はy軸方向に平行に配置された第1活性領域1b’及び第2活性領域1a’の上部を横切るようにx軸方向に配置されて、ゲートパターン1c”はy軸方向に平行に配置された第3活性領域1b”及び第4活性領域1a”の上部を横切るようにx軸方向に配置される。ゲートパターン1c’の一側に位置した第1活性領域1b’の表面にドレイン領域PD1Dが形成されて、他側に位置した第2活性領域1a’の表面にソース領域PD1Sが形成される。同様に、ゲートパターン1c”の一側に位置した第3活性領域1b”の表面にドレイン領域PD2Dが形成されて、他側に位置した第4活性領域1a”の表面にソース領域PD2Sが供給される。ゲートパターン1c’、1c”それぞれは、順に積層されたNMOSトランジスタPD1のゲート電極PD1Gとキャッピング絶縁膜2a’及びNMOSトランジスタPD2のゲート電極PD2Gとキャッピング絶縁膜2a”を含むことができ、ゲートパターン1c’、1c”それぞれと半導体基板SUBの間にゲート絶縁膜2b’、2b”が介在される。そして、ゲートパターン1c’、1c”の側壁にスペーサ2cが形成され、NMOSトランジスタPD1、PD2を有する半導体基板SUBの全面上に層間絶縁膜2eが積層される。そして、NMOSトランジスタPD1、PD2を有する半導体基板SUB及び層間絶縁膜2eとの間にエッチング阻止膜2dがさらに介在されることができる。このような方法で、半導体基板SUB上にバルクトランジスタであるNMOSトランジスタPD1、PD2が形成される。
【0113】
図10B及び図18を参照すると、半導体基板SUBに第1及び第2活性領域20a’、20b’が向き合いながら配置されて、ゲートパターン20c’が第1及び第2活性領域20a’、20b’の上部にy方向に配置されて、一端は第1活性領域20a’が位置した側のx方向に平行になるように延長される。第1活性領域20a’の表面にNMOSトランジスタN1のドレイン領域N1Dが形成されて、第2活性領域20b’の表面にNMOSトランジスタN1のソース領域N1Sが形成される。そして、NMOSトランジスタN1のゲートパターン20c’は、順に積層されたNMOSトランジスタN1のゲート電極N1Gとキャッピング絶縁膜21aを含むことができ、ゲートパターン20c’と半導体基板SUBとの間にゲート絶縁膜21bが介在される。そして、ゲートパターン20c’の側壁にスペーサ21cが形成されることができ、NMOSトランジスタN1を有する半導体基板SUBの全面上に層間絶縁膜21eが積層される。そして、NMOSトランジスタN1を有する半導体基板SUBと層間絶縁膜21eとの間にエッチング阻止膜21dがさらに介在されることができる。よって、半導体基板SUB上にインバータを構成するバルクトランジスタであるNMOSトランジスタN1が形成される。
【0114】
図10C及び図19を参照すると、半導体基板SUBに第1、第2、及び第3活性領域40a’、40b’、40a”が形成される。そして、ゲートパターン40c’が第1及び第2活性領域40a’、40b’の上部にy方向に配置されて、一端は第1活性領域40aが位置した側のx方向に平行になるように配置されて、ゲートパターン40c”が第2及び第3活性領域40b’、40a”の上部にy方向に配置されて、一端は第1活性領域40a”が位置した側のx方向に平行になるように配置される。また、ゲートパターン40c’の一端とゲートパターン40c”の一端は対角線方向に配置される。NMOSトランジスタN2のゲートパターン40c’は、順に積層されたNMOSトランジスタN2のゲート電極N2Gとキャッピング絶縁膜41a’を含むことができ、ゲートパターン40c’と半導体基板SUBとの間にゲート絶縁膜41b’が介在される。そして、半導体基板SUBの第1活性領域40a’の表面にNMOSトランジスタN2のドレイン領域N2Dが形成されて、第2活性領域40b’の表面にNMOSトランジスタN2、N3のソース領域及びドレイン領域N2S、N3Dが形成されて、第3活性領域40a”の表面にNMOSトランジスタN3のソース領域N3Sが形成される。ゲートパターン40c’の側壁にスペーサ41cが形成されることができ、NMOSトランジスタN2を有する半導体基板SUBの全面上に層間絶縁膜41eが積層される。そして、NMOSトランジスタN2を有する半導体基板SUBと層間絶縁膜41eの間にエッチング阻止膜41dがさらに介在されることができる。同様に、NMOSトランジスタN3のゲートパターン40c”も、NMOSトランジスタN2のゲートパターン40c’と同一形態で形成される。よって、半導体基板SUB上にNANDゲートを構成するバルクトランジスタであるNMOSトランジスタN2、N3が形成される。
【0115】
図10D及び図20を参照すると、半導体基板SUBにNウェル(N−WELL)が形成されて、Nウェル(N−WELL)に第1、第2、及び第3活性領域60a’、60b’、60a”が形成される。そして、ゲートパターン60c’、60c”それぞれは図10Cのゲートパターン40c’、40c”と同一形態で供給される。図20に示すように、半導体基板SUB上にバルクトランジスタであるPMOSトランジスタP4、P5が形成される。PMOSトランジスタP4、P5は、図19に示すNMOSトランジスタN2、N3と同一形態を有する。
【0116】
図11A、図17A、17Bを参照すると、NMOSトランジスタPD1のドレイン領域PD1Dは層間絶縁膜2e、エッチング阻止膜2dを貫通する下部ノード半導体プラグ3a’に電気的に接続されて、NMOSトランジスタPD2のドレイン領域PD2Dは層間絶縁膜2e、エッチング阻止膜2dを貫通する下部ノード半導体プラグ3a”に電気的に接続される。下部ボディパターン3b’、3b”が層間絶縁膜2e上に配置されて、下部ノード半導体プラグ3a’、3a”それぞれを覆うように配置される。
【0117】
図11B及び図18を参照すると、NMOSトランジスタN1のドレイン領域N1Dは層間絶縁膜21e、エッチング阻止膜21dを貫通するノード半導体プラグ22bに電気的に接続されて、下部ボディパターン22aは層間絶縁膜21e上に配置されて、ノード半導体プラグ22bを覆うように配置される。
【0118】
図11C及び図19を参照すると、NMOSトランジスタN2のドレイン領域N2Dは層間絶縁膜41e、エッチング阻止膜41dを貫通するノード半導体プラグ42bに電気的に接続されて、下部ボディパターン42aは層間絶縁膜41e上に配置されて、ノード半導体プラグ42bを覆うように配置される。
【0119】
メモリセル、インバータ、及びNANDゲートが図11A、図11Cと共に配置される場合に、図11Dに示すNORゲートの配置は図10Dと同一配置を有する。
【0120】
図12A及び図17A、17Bを参照すると、下部ボディパターン3b’の上部を横切るようにPMOSトランジスタPU1のゲートパターン4b’が配置されて、下部ボディパターン3b”の上部を横切るようにPMOSトランジスタPU2のゲートパターン4b”が配置される。そして、下部ボディパターン3b’の上部に下部ノード半導体プラグ3a’が配置された位置に上部ノード半導体プラグ4a’が配置されて、下部ボディパターン3b”の上部に下部ノード半導体プラグ3a”が配置された位置に上部ノード半導体プラグ4a”が配置される。下部ボディパターン3b’、3b”それぞれの上部にPMOSトランジスタPU1、PU2それぞれのゲート電極PU1G、PU2Gが形成される。下部ボディパターン3b’内にPMOSトランジスタPU1のソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dが形成されて、下部ボディパターン3b”内にPMOSトランジスタPU2のソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dが形成される。よって、NMOSトランジスタPD1、PD2の上部に薄膜トランジスタであるPMOSトランジスタPU1、PU2が積層される。
【0121】
図12B及び図18を参照すると、ゲートパターン23aが下部ボディパターン22aの上部にゲートパターン20c’と同一形態に配置される。下部ボディパターン22aの上部にPMOSトランジスタP1のゲート電極P1Gが配置されて、下部ボディパターン22a内にPMOSトランジスタP1のドレイン領域P1Dとソース領域P1Sが形成される。ゲート電極P1Gの上部にキャッピング絶縁膜24aが介在されて、下部にゲート絶縁膜24bが介在される。そして、ゲートパターン23aの側壁にスペーサ24cが形成されることができ、PMOSトランジスタP1を有する下部ボディパターン22aの全面上に層間絶縁膜24eが積層される。そして、PMOSトランジスタP1を有する下部ボディパターン22aと層間絶縁膜21eの間にエッチング阻止膜21dがさらに介在される。よって、NMOSトランジスタN1の上部に薄膜トランジスタであるPMOSトランジスタP1が積層される。
【0122】
図12C及び図19を参照すると、ゲートパターン43a’、43a”は下部ボディパターン42aの上部にゲートパターン40c’、40c”と重畳されるように配置される。下部ボディパターン42aの上部にPMOSトランジスタP2、P3のゲート電極P2G、P3Gが配置されて、下部ボディパターン42a内にPMOSトランジスタP2のドレイン領域P2D、PMOSトランジスタP2、P3のソース領域P2Sとドレイン領域P3S、及びPMOSトランジスタP3のドレイン領域P3Dが形成される。ゲート電極P2Gの上部にキャッピング絶縁膜44a’が介在されて、下部にゲート絶縁膜44b’が介在されて、同様に、ゲート電極P3Gの上部にキャッピング絶縁膜44a”が介在されて、下部にゲート絶縁膜44b”が介在されて、ゲートパターン43a’、43a”の側壁上にスペーサ44c’、44c”が形成される。そして、PMOSトランジスタP2、P3を有する下部ボディパターン42aの全面上に層間絶縁膜44eが積層される。そして、PMOSトランジスタP2、P3を有する下部ボディパターン42aと層間絶縁膜44eとの間にエッチング阻止膜44dがさらに介在されることができる。よって、NMOSトランジスタN2、N3の上部に薄膜トランジスタであるPMOSトランジスタP2、P3が積層される。
【0123】
メモリセル、インバータ、及びNANDゲートが図11A、図11Cと共に配置される場合に図12Dに示すNORゲートの配置は図11Dと同一配置を有する。
【0124】
図13A及び図17A、17Bを参照すると、層間絶縁膜5e上に上部ボディパターン6a’、6a”が配置される。上部ボディパターン6a’、6a”はそれぞれ上部ノード半導体プラグ4a’、4a”を覆うように配置されて、下部ボディパターン3b’、3b”と重畳されるように配置される。上部ボディパターン6a’、6a”の上部を横切るようにワードラインパターン6bが形成されて、ワードラインパターン6bはゲートパターン1c’、1c”と重畳されるように配置される。上部ボディパターン6a’、6a”それぞれの上部にワードラインT1G、T2Gが形成されて、上部ボディパターン6a’の内部に転送トランジスタT1のドレイン領域T1D及びソース領域T1Sが形成されて、上部ボディパターン6a”の内部に転送トランジスタT2のドレイン領域T2D及びソース領域T2Sが形成される。そして、ワードラインT1G、T2Gの上部にキャッピング絶縁膜7aが介在されて、下部にゲート絶縁膜7bが介在され、ワードラインパターン6bの側壁にスペーサ7cが形成される。転送トランジスタT1、T2を有する上部ボディパターン6a’、6a”の全面上に層間絶縁膜7eが積層される。そして、転送トランジスタT1、T2を有する上部ボディパターン6a’、6a”と層間絶縁膜7eの間にエッチング阻止膜7dがさらに介在される。よって、プルアップトランジスタPU1、PU2の上部に薄膜トランジスタである転送トランジスタT1、T2が積層される。
【0125】
メモリセルが図13Aに示すように配置される場合、図13B、図13Cに示すインバータ及びNANDゲートの配置は図12B、図12Cと同一配置を有する。
【0126】
図13D及び図20を参照すると、PMOSトランジスタP5のドレイン領域P5Dは層間絶縁膜64e、61e、エッチング阻止膜41dを貫通するノード半導体プラグ65bに電気的に接続されて、上部ボディパターン65aは層間絶縁膜64e及びノード半導体プラグ65bを覆うように配置される。
【0127】
図14A、及び図17A、17Bを参照すると、下部ノード半導体プラグ3a’、上部ノード半導体プラグ4a’、プルダウントランジスタPD1のドレイン領域PD1S、プルアップトランジスタPU1のドレイン領域PU1S、及び転送トランジスタT1のソース領域T1S、プルダウントランジスタPD2のゲート電極PD2G、及びプルアップトランジスタPU2のゲート電極PU2Gがノードプラグ8a’を介して電気的に接続される。そして、下部ノード半導体プラグ3a”、上部ノード半導体プラグ4a”、プルダウントランジスタPD2のドレイン領域PD2D、プルアップトランジスタPU2のドレイン領域PU2D、及び転送トランジスタT2のソース領域T2S、プルダウントランジスタPD1のゲート電極PD1G、及びプルアップトランジスタPU1のゲート電極PU1Gがノードプラグ8a”を介して電気的に接続される。
【0128】
メモリセルが図14Aに示すように配置される場合、図14B、図14Cに示すインバータ及びNANDゲートの配置は図13B、図13Cと同一配置を有する。
【0129】
図14D及び図20を参照すると、ゲートパターン66a’、66a”は上部ボディパターン65aの上部にゲートパターン60c’、60c”と重畳されるように配置される。図20に示すように、上部ボディパターン65aの上部にNMOSトランジスタN4、N5のゲート電極N4G、N5Gが配置されて、上部ボディパターン65a内にNMOSトランジスタN5のドレイン領域N5D、NMOSトランジスタN4、N5のソース領域N5Sとドレイン領域N4D、及びNMOSトランジスタN4のソース領域N4Sが供給される。ゲート電極N5Gの上部にキャッピング絶縁膜67a’が介在されて、下部にゲート絶縁膜67b’が介在されて、同様に、ゲート電極N4Gの上部にキャッピング絶縁膜67a”が介在されて、下部にゲート絶縁膜67b”が介在されて、ゲートパターン66a’、66a”の側壁にスペーサ67c’、67c”が形成される。そして、NMOSトランジスタN4、N5を有する上部ボディパターン65aの全面上に層間絶縁膜67eが積層される。そして、NMOSトランジスタN4、N5を有する上部ボディパターン65aと層間絶縁膜67eの間にエッチング阻止膜67dがさらに介在される。よって、PMOSトランジスタP4、P5の上部に薄膜トランジスタであるNMOSトランジスタN4、N5が積層される。
【0130】
図15A及び図17A、17Bを参照すると、ノードプラグ8a’、8a”及び層間絶縁膜7e上に層間絶縁膜9cが積層される。プルアップトランジスタPU1のソース領域PU1Sが電源ラインコンタクトプラグ9a’に電気的に接続されて、プルアップトランジスタPU2のソース領域PU2Sが電源ラインコンタクトプラグ9a”に電気的に接続される。そして、プルダウントランジスタPD1のソース領域PD1Sが接地ラインコンタクトプラグ9b’に電気的に接続されて、プルダウントランジスタPD2のソース領域PD2Sの接地ラインコンタクトプラグ9b”に電気的に接続される。
【0131】
図15B及び図18を参照すると、層間絶縁膜24e上に層間絶縁膜26が積層される。ノード半導体プラグ22b、NMOSトランジスタN1のドレイン領域N1D及びPMOSトランジスタP1のドレイン領域P1Dが出力信号ラインコンタクトプラグ25aに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP1のソース領域P1Sが電源ラインコンタクトプラグ25bに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN1のソース領域N1Sが接地ラインコンタクトプラグ25cに電気的に接続される。そして、図示してないが、PMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN1のゲート電極P1G、N1Gが入力信号ラインコンタクトプラグ25dに電気的に接続される。
【0132】
図15c及び図19を参照すると、層間絶縁膜44e上に層間絶縁膜46が積層される。ノードコンタクトプラグ42b、NMOSトランジスタN2のドレイン領域N2D及びPMOSトランジスタP2のドレイン領域P2Dが出力信号ラインコンタクトプラグ45aに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP2、P3のソース領域P2S、P3Sが電源ラインコンタクトプラグ45bに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP3のドレイン領域P3Dが出力信号ラインコンタクトプラグ45cに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN3のソース領域N3Sが接地ラインコンタクトプラグ45dに電気的に接続される。NMOSトランジスタN2及びPMOSトランジスタP2のゲート電極N2G、P2Gが第1入力信号ラインコンタクトプラグ45eに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN3及びPMOSトランジスタP3のゲート電極P2G、P3Gが第2入力信号ラインコンタクトプラグ45fに電気的に接続される。
【0133】
図15D及び図20を参照すると、層間絶縁膜67e上に層間絶縁膜69が配置される。ノードコンタクトプラグ65b、PMOSトランジスタP5のドレイン領域P5D及びNMOSトランジスタN5のドレイン領域N5Sが出力信号ラインコンタクトプラグ68aに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN5のソース領域N5S及びNMOSトランジスタN4のドレイン領域N4Dが接地ラインコンタクトプラグ68bに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN4のソース領域N4Sが出力信号ラインコンタクトプラグ68cに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP4のソース領域P4Sが電源ラインコンタクトプラグ68dに電気的に接続される。PMOSトランジスタP5及びNMOSトランジスタN5のゲート電極P5G、N5Gが第1入力信号ラインコンタクトプラグ68cに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP4及びNMOSトランジスタN4のゲート電極P4G、N4Gが第2入力信号ラインコンタクトプラグ68dに電気的に接続される。
【0134】
図16A及び図17A、17Bを参照すると、層間絶縁膜9c上に層間絶縁膜11が配置される。電源ラインコンタクトプラグ9a’上に電源電圧ライン10bが覆わされて、接地ラインコンタクトプラグ9b’上に接地電圧ライン10aが覆う。そして、電源ラインコンタクトプラグ9a”上に電源電圧ライン10bが覆わされて、接地ラインコンタクトプラグ9b”上に接地電圧ライン10bが覆う。層間絶縁膜11上に層間絶縁膜12が配置されて、転送トランジスタT1、T2のドレイン領域T1D、T2Dそれぞれがビットラインコンタクトプラグ13a’、13a”に電気的に接続される。そして、ビットラインコンタクトプラグ13a’、13a”上にビットライン14が覆う。
【0135】
図16B及び図18を参照すると、層間絶縁膜26上に層間絶縁膜28が配置されて、出力信号ラインコンタクトプラグ25a上を出力信号ライン27aが覆い、接地ラインコンタクトプラグ25b上を接地電圧ライン27bが覆い、電源ラインコンタクトプラグ25c上を電源電圧ライン27cが覆う。そして、入力信号ラインコンタクトプラグ25d上を入力信号ライン27dが覆う。
【0136】
図16C及び図19を参照すると、層間絶縁膜46上に層間絶縁膜48が配置されて、出力信号ラインコンタクトプラグ45a上を出力信号ライン47aが覆い、電源ラインコンタクトプラグ45b上を電源電圧ライン47bが覆い、出力信号ラインコンタクトプラグ45c上を出力信号ライン47cが覆い、接地ラインコンタクトプラグ45d上を接地電圧ライン47dが覆う。そして、第1入力信号ラインコンタクトプラグ45e上を第1入力信号ライン47eが覆い、第2入力信号ラインコンタクトプラグ45f上を第2入力信号ライン47fが覆う。
【0137】
図16D及び図20を参照すると、層間絶縁膜69上に層間絶縁膜71が配置され、出力信号ラインコンタクトプラグ68a上を出力信号ライン70aが覆い、接地ラインコンタクトプラグ68b上を接地電圧ライン70bが覆い、出力信号ラインコンタクトプラグ68c上を出力信号ライン70aが覆い、電源ラインコンタクトプラグ68d上を電源電圧ライン70dが覆う。そして、第1入力信号ラインコンタクトプラグ68e上を第1入力信号ライン70eが覆い、第2入力信号ラインコンタクトプラグ68e上を第2入力信号ライン70fが覆う。
【0138】
上述の実施形態のノードコンタクトプラグと、上部及び下部ボディパターンは単結晶シリコン基板とすることができる。そして、上部及び下部ボディパターンは多結晶シリコン基板とすることもでき、この場合にノードコンタクトプラグは必要ではない。
【0139】
上述した実施形態のメモリセルのように、メモリセルの1層にバルクトランジスタが配置され、2層及び3層に薄膜トランジスタが配置される場合に、工程の便宜のために周辺回路の2層及び3層に配置される薄膜トランジスタの形態はメモリセルの2層及び3層に配置される薄膜トランジスタの形態と同一形態を配置することが好ましい。
【0140】
図21A、12Bは本発明のメモリセルアレイ及び周辺回路における第1実施形態の積層構造を示す図で、図21Aに示すように、メモリセルアレイの第1層、第2層、及び第3層にそれぞれバルクNMOSトランジスタ、薄膜PMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタが積層される場合、周辺回路の第1層、第2層及び第3層に図21Bに示すような形態で積層されることが工程上の便宜のために好ましい。すなわち、第1層にはバルクNMOSトランジスタ又は/及びバルクPMOSトランジスタが配置されることができ、第2層、第3層には、メモリセルアレイの第2層、第3層に配置されるトランジスタと同一形態の薄膜PMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタがそれぞれ積層されることが好ましい。
【0141】
図22A、22Bは本発明のメモリセルアレイ及び周辺回路における第2実施形態の積層構造を示す図で、図22Aに示すように、メモリセルアレイの第1層、第2層、及び第3層にそれぞれバルクNMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタ、薄膜PMOSトランジスタが積層される場合、周辺回路の第1層、第2層及び第3層に図22Bに示すような形態で積層されることが工程上の便宜のために好ましい。すなわち、第1層にはバルクNMOSトランジスタ又は/及びバルクPMOSトランジスタが配置されることができ、第2層、第3層には、メモリセルアレイの第2層、第3層に配置されるトランジスタと同一形態の薄膜NMOSトランジスタ、薄膜PMOSトランジスタがそれぞれ積層されることが好ましい。
【0142】
図23A、23Bは本発明のメモリセルアレイ及び周辺回路における第3実施形態の積層構造を示す図であり、図23Aに示すように、メモリセルアレイの第1層、第2層、及び第3層にそれぞれバルクPMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタが積層される場合、周辺回路の第1層、第2層及び第3層に図23Bに示すような形態で積層されることが工程上の便宜のために好ましい。すなわち、第1層にはバルクNMOSトランジスタ又は/及びバルクPMOSトランジスタが配置されることができ、第2層、第3層にはメモリセルアレイの第2層、3層に配置されるトランジスタと同一形態の薄膜NMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタがそれぞれ積層されることが好ましい。
【0143】
勿論、周辺回路の第2層及び第3層に配置される薄膜トランジスタの形態がメモリセルアレイの第2層及び第3層に配置される薄膜トランジスタの形態と異なる配置も可能であるが、この場合には工程が複雑となる。
【0144】
本発明の半導体メモリ装置によれば、メモリセルのレイアウト面積だけではなく、周辺回路のレイアウト面積を減らすことができるので半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積を減少することができる。
【0145】
上述の実施形態ではインバータ、NANDゲート、NORゲートを構成するトランジスタを積層することについて説明したが、ANDゲート、及びORゲートのような論理ゲートや他の論理回路を構成するトランジスタを積層することもできる。
【0146】
また、本発明の周辺回路は、周辺回路の全ての機能のブロックを構成するトランジスタを積層して配置するのではなく、一部機能のブロック、例えば、ロウ及び/又はカラムデコーダを構成するトランジスタのみを積層して配置するか、ロウ及び/又はカラムデコーダの出力端のドライバ(一般的に、インバータで構成される)を構成するトランジスタのみを積層して配置することもできる。
【0147】
上述の実施形態の周辺回路を構成するインバータ、NANDゲート、及びNORゲートの配置方法は他の半導体装置にも有用に用いられることができる。
【0148】
上述の実施形態に示すように、メモリセルアレイのトランジスタについてだけでなく、周辺回路を構成するトランジスタについても積層して配置することによって周辺回路のレイアウト面積を減らすことができる。よって、半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積が減ることになる。
【0149】
しかしながら、上述の実施形態に示すものとは異なって、メモリセルアレイのトランジスタは積層して構成し、周辺回路を構成するトランジスタは一つの層に配置することもできる。このように配置すると周辺回路が配置される領域のレイアウト面積を減少することはできないが、高性能のトランジスタを配置することが可能となる。
【0150】
図24A、24Bは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第4実施形態をそれぞれ概念的に示す図で、スタティックメモリセルは図8Aと同じく配置し、インバータは図5Bに示すようにPMOSトランジスタP1とNMOSトランジスタN1を同一層に配置するものの、第1層(1F)ではなく第3層(3F)に配置したものである。そして、周辺回路の第1層(1F)と第2層(2F)はダミー層として配置し、如何なるトランジスタも形成しないで配置したものである。
【0151】
本発明の半導体メモリ装置における周辺回路のインバータの構造及び製造方法を説明することによって、周辺回路のトランジスタを形成する方法を説明することにする。
【0152】
図25は図24Bに示す周辺回路のインバータの実施形態の平面図であり、図26A、26Bないし図34A、34Bはメモリセルとインバータの製造方法を説明するための実施形態の断面図を示す図である。図26A、26Bないし図34A、34Bにおいて、参照符号「C」で表示した部分はメモリセルアレイ領域を示し、参照符号「P」は周辺回路領域を示す。そして、図26Aないし図34Aの断面図は、図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図であり、図26Bないし図34Bの断面図は、図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【0153】
半導体基板100はセル領域C及び周辺回路領域Pを備える。セル領域の構造及び配置は上述の説明を参照するとよく理解できるはずであり、ここでは周辺回路領域Pの構造及び配置についてのみ説明する。
【0154】
図25、図26A、26Bを参照すると、セル領域Cに層間絶縁膜2eが形成される際、周辺回路領域Pの半導体基板SUB上に層間絶縁膜2eが形成される。層間絶縁膜2eは平坦化された上部面を有する。そして、セル領域Cにエッチング阻止膜2dが形成される際、周辺回路領域Pにエッチング阻止膜2dが形成されることができる。エッチング阻止膜2dは層間絶縁膜2eに対してエッチング選択比を有する絶縁膜であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜2eがシリコン酸化膜の場合、エッチング阻止膜2dはシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜(silicon oxynitride layer)とすることができる。
【0155】
図25、図27A、27Bを参照すると、セル領域Cに下部ボディパターン3b’、3b”が形成される際、周辺回路領域Pに提供されたエッチング阻止膜2d及び層間絶縁膜2eが除去され、半導体基板SUBを覆う周辺下部ボディパターン3pが形成される。この場合、セル領域Cに残存するエッチング阻止膜2d及び層間絶縁膜2eはそれぞれエッチング阻止膜パターン及び層間絶縁膜パターンとして理解することができる。周辺下部ボディパターン3pの表面は、実質的にセル領域Cの下部ボディパターン3b’、3b”の表面と水平的同一線上に位置するように形成することができる。周辺下部ボディパターン3pは、単結晶半導体構造とすることができる。例えば、半導体基板SUBが単結晶シリコン構造の場合、周辺下部ボディパターン3pは単結晶シリコン構造とすることができる。
【0156】
図25、図28A、28Bを参照すると、セル領域Cに第1及び第2負荷トランジスタTL1、TL2を覆うエッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eが形成される際、周辺領域Pにエッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eが形成される。エッチング阻止膜5dは層間絶縁膜5eに対してエッチング選択比を有する絶縁膜であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜5eがシリコン酸化膜の場合、エッチング阻止膜5dはシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜(silicon oxynitride layer)とすることができる。
【0157】
図25、図29A、29Bを参照すると、セル領域Cに上部ボディパターン6a’、6a”が形成される際、周辺回路領域Pに提供されたエッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eが除去され、周辺下部ボディパターン3pを覆う周辺上部ボディパターン6pが形成される。周辺上部ボディパターン6pの表面は実質的にセル領域Cの上部ボディパターン6a’、6a”の表面と水平的同一線上に形成されることができる。周辺上部ボディパターン6pは周辺下部ボディパターン3pと等しい結晶構造を有する単結晶半導体構造とすることができる。例えば、周辺下部ボディパターン3pが単結晶シリコン構造の場合、周辺上部ボディパターン6pも単結晶半導体構造、例えば単結晶シリコン構造とすることができる。周辺下部ボディパターン3p及び周辺上部ボディパターン6pは周辺ボディパターン6p’を構成することができる。
【0158】
一方、周辺下部ボディパターン3p及び周辺上部ボディパターン6pは、一回の工程によって形成された単結晶半導体構造、例えば単結晶シリコン構造とすることができる。周辺回路領域Pの周辺上部ボディパターン6pに素子分離用絶縁膜7e’が形成されることができる。
【0159】
図25、図30A、30Bを参照すると、セル領域CにNMOSトランジスタT1、T2のワードラインパターン6bが供給される際、周辺回路領域Pの第1周辺活性領域1pの上部を横切るPMOSトランジスタP1のゲートパターン23a’が形成される。PMOSトランジスタP1のゲートパターン23a’は、順に積層されたポリシリコン膜パターンP1G及びPMOSゲート金属シリサイド膜24a’を含むことができる。そして、第2周辺活性領域1p’の上部を横切るNMOSトランジスタN1のゲートパターン20c”が形成される。NMOSトランジスタN1のゲートパターン20c”は、順に積層されたポリシリコン膜パターンN1G及びNMOSゲート金属シリサイド膜21a’を含むことができる。ゲート金属シリサイド膜21a’、24a’はニッケルシリサイド膜、コバルトシリサイド膜、チタンシリサイド膜、またはタングステンシリサイド膜とすることができる。セル領域CのNMOSトランジスタT1とNMOSトランジスタT2も、金属シリサイド膜7d’を含むことができる。
【0160】
PMOSゲートパターン23a’の両側に位置した第1周辺活性領域1pの表面にそれぞれPMOSトランジスタP1のドレイン領域P1D及びソース領域P1Sが形成される。ソース領域P1S及びドレイン領域P1Dと共にPMOSゲートパターン23a’はPMOSトランジスタP1を構成する。これと同様に、NMOSゲートパターン20c”の両側に位置した第2周辺活性領域1p’の表面にそれぞれNMOSトランジスタN1のドレイン領域N1D及びソース領域N1Sが形成される。ソース領域N1S及びドレイン領域N1Dと共にNMOSゲートパターンN1GはNMOSトランジスタN1を構成する。PMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN1のソース/ドレイン領域P1S、P1D及びソース/ドレイン領域N1S、N1Dの表面にそれぞれ金属シリサイド膜7d’が形成されることができる。金属シリサイド膜7d’はニッケルシリサイド膜、コバルトシリサイド膜、チタンシリサイド膜、またはタングステンシリサイド膜とすることができる。そして、NMOSトランジスタN1及びPMOSトランジスタP1を含む半導体基板の全面上に層間絶縁膜7eが積層される。これに加えて、半導体基板SUBと層間絶縁膜7eとの間にエッチング阻止膜7dがさらに介在されることができる。エッチング阻止膜7は層間絶縁膜7eに対してエッチング選択比を有する絶縁膜であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜7eがシリコン酸化膜の場合、エッチング阻止膜7dはシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜とすることができる。
【0161】
図25、図31A、31Bを参照すると、セル領域Cと同様に周辺回路領域Pの層間絶縁膜7e上に層間絶縁膜9cが配置される。
【0162】
図25、図32A、31Bを参照すると、周辺回路領域Pの層間絶縁膜9c内に周辺電源ラインコンタクトプラグ9e、周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’及び出力信号ラインコンタクトプラグ9f、9e’が配置されることができる。
【0163】
そして、周辺電源ラインコンタクトプラグ9e、周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’及び出力信号ラインコンタクトプラグ9f、9e’を覆う層間絶縁膜11が配置される。
【0164】
図25、図33A、33Bを参照すると、周辺回路領域Pの層間絶縁膜11内に周辺電源ライン10eが周辺電源ラインコンタクトプラグ9eを覆うように配置されて、周辺接地ライン10fが周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’を覆うように配置され、出力信号ライン10gが出力信号ラインコンタクトプラグ9f、9e’を覆うように配置される。
【0165】
そして、周辺電源ライン10e、周辺接地ライン10f、及び出力信号ライン10gは層間絶縁膜12で覆われる。
【0166】
上述したような方法で、周辺回路領域Pの第3層にインバータを構成するトランジスタP1、N1が配置される。NANDゲート、NORゲートを構成するトランジスタも上述の方法によって周辺回路領域Pの第3層に配置できることは勿論である。
【0167】
そこで、図16a、図25、図26A、26Bないし図34A、34Bを参照して本発明の実施形態のSRAMの製造方法を説明する。
【0168】
図16A、図25、図26A及び図26Bを参照すると、セル領域C及び周辺回路領域Pを有する半導体基板SUBを準備する。半導体基板SUBは単結晶シリコン基板とすることができる。半導体基板SUBはP型シリコン基板とすることができる。半導体基板SUBの所定領域に素子分離膜1’を形成して第1及び第2セル活性領域1b’、1b”を限定する。素子分離膜1’はセル領域Cに形成されることが好ましい。第1及び第2活性領域1b’、1b”はy軸に平行になるように形成される。これに加えて、素子分離膜1’は第1活性領域1b’の一端からx軸に沿って延長された第1接地活性領域1a’及び第2活性領域1b”の一端からx軸に沿って延長された第4活性領域1a”を提供するように形成することが好ましい。第2及び第4活性領域1a’、1a”は互いに対向するように形成される。
【0169】
第1ないし第4活性領域1a’、1b’、1a”、1b”上にゲート絶縁膜2b’、2b”を形成する。ゲート絶縁膜2b’、2b”を有する半導体基板SUBの全面上にゲート導電膜及びキャッピング絶縁膜を順に形成する。ゲート導電膜はシリコン膜として形成することができ、キャッピング絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜として形成されることができる。ゲートキャッピング絶縁膜及びゲート導電膜をパターニングして第1活性領域1b’の上部を横切るゲートパターン1c’及び第3活性領域1b”の上部を横切るゲートパターン1c”を形成する。その結果、ゲートパターン1c’は順に積層されたゲート電極PD1G及びキャッピング絶縁膜2a’を有するように形成され、ゲートパターン1c”は順に積層されたゲート電極PD2G及びキャッピング絶縁膜2a”を有するように形成される。キャッピング絶縁膜を形成する工程は省略されることもできる。この場合、ゲートパターン1c’はゲート電極のみを有し、ゲートパターン1c”はゲート電極のみを有する。
【0170】
ゲートパターン1c’、1c”をイオン注入マスクとして用いて第1ないし第4活性領域1a’、1b’、1b”、1a”内に不純物イオンを注入する。その結果、第1活性領域1b’内に互いに離隔されたソース領域PD1S及びドレイン領域PD1Dが形成され、第3活性領域1b”内に互いに離隔されたソース領域PD2D及びドレイン領域PD2Sが形成される。ソース領域PD1S、PD2Sと共にドレイン領域PD1D、PD2DはN型の不純物領域とすることができる。ソース領域PD1S及びドレイン領域PD1Dはそれぞれ駆動ゲートパターン1c’下部のチャンネル領域の両側に形成され、ソース領域PD2S及びドレイン領域PD2Dはそれぞれ駆動ゲートパターン1c”下部のチャンネル領域の両側に形成される。ソース領域PD2Sは第2活性領域1a’内にも形成され、ソース領域PD2Sは第4活性領域1a”内にも形成される。ソース領域PD1S、PD2Sと共にドレイン領域PD1D、PD2DがLDD型の構造(lightly doped drain type structure;an LDD−type structure)を有するように形成することができる。ゲートパターン1c’、1c”の側壁にゲートスペーサ2cを形成する。ゲートスペーサ2cはシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜で形成することができる。
【0171】
第1駆動ゲートパターン1c’、ソース領域PD1S及びドレイン領域PD1Dは第1バルクトランジスタ、即ち、第1NMOSトランジスタPD1を構成し、第2駆動ゲートパターン1c”、ソース領域PD2S及びドレイン領域PD2Dは第2バルクトランジスタ、即ち、第2NMOSトランジスタPD2を構成する。
【0172】
第1及び第2トランジスタPD1、PD2を有する半導体基板SUBの全面上にエッチング阻止膜2d及び層間絶縁膜2eを順に形成する。層間絶縁膜2eは化学機械的研磨技術を用いて平坦化されることが好ましい。この場合、ゲートパターン1c’、1c”上のエッチング阻止膜2dは化学機械的研磨阻止膜(chemical mechanical polishing stopper)の役目をする。
【0173】
図16A、図25、図27A、27Bを参照すると、層間絶縁膜2e及びエッチング阻止膜2dをパターニングしてセル領域Cのドレイン領域PD1D、PD2Dの所定領域をそれぞれ露出させると共に周辺回路領域Pの半導体基板を露出させる。その結果、セル領域Cに層間絶縁膜2e及びエッチング阻止膜2dを順に貫通してセル領域Cのドレイン領域PD1D、PD2Dの所定領域をそれぞれ露出させる下部ノードコンタクトホール2f’、2f”が形成できる。この場合、層間絶縁膜2e及びエッチング阻止膜2dはそれぞれ層間絶縁膜パターン及びエッチング阻止膜パターンとして理解することができる。下部ノードコンタクトホール2f’、2f”をそれぞれ埋め込んで層間絶縁膜2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う半導体膜3pを形成する。半導体膜3pは単結晶半導体構造体として形成することができる。単結晶半導体構造体はエピタキシャル技術によって形成されることができる。具体的には、エピタキシャル技術を用いて下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を埋め込んで層間絶縁膜2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う単結晶半導体構造体、すなわち、エピタキシャル層を形成する。エピタキシャル技術は選択的エピタキシャル成長技術とすることができる。エピタキシャル層は下部ノードコンタクトホール2f’、2f”によって露出された半導体基板SUBの所定領域及び周辺回路領域Pの半導体基板をシード層として用いる選択的エピタキシャル成長技術によって形成することができる。半導体基板SUBが単結晶シリコン基板の場合、エピタキシャル層は単結晶シリコン構造を有するように形成することができる。すなわち、エピタキシャル層は単結晶半導体構造体に形成することができる。続いて、化学機械的研磨工程のような平坦化技術を用いてエピタキシャル層の上部面を平らにすることができる。
【0174】
一方、下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を埋め込み、層間絶縁膜2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う半導体膜を非単結晶半導体膜で形成することができる。例えば、半導体膜は非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜で形成することができる。半導体膜を平坦化させて上部面を平らにすることができる。この場合、半導体膜を平坦化させる前又は後に、半導体膜と接触する半導体基板をシード層として採択するエピタキシャル技術、すなわち、固相エピタキシャル技術を用いて半導体膜を結晶化させることができる。その結果、半導体膜は単結晶半導体構造体に形成することができる。
【0175】
単結晶半導体構造体をパターニングしてセル領域Cに下部ボディパターン3b’、3b”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う周辺下部ボディパターン3pを形成する。下部ボディパターン3b’、3b”のそれぞれは第1及び第3活性領域1b’、1b”と重畳するように形成されることが好ましい。下部ボディパターン3b’、3b”はそれぞれ下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を覆うように形成される。
【0176】
さらに、下部ボディパターン3b’は第2活性領域1a’の一部と重畳する延長部を有するように形成することが好ましい。これと同様に、セル下部ボディパターン3b”は第4活性領域1a”の一部と重畳する延長部を有するように形成することが好ましい。
【0177】
一方、下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を埋め込み、層間絶縁膜パターン2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う単結晶半導体膜を形成し、単結晶半導体膜に対して化学機械的研磨工程を用いて下部ノードコンタクトホール2f’、2f”内に下部ノードコンタクトプラグ3a’、3a”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う周辺単結晶半導体膜を形成することができる。単結晶半導体膜はエピタキシャル技術によって形成することができる。
【0178】
続いて、下部ノード半導体プラグ3a’、3a”を有する半導体基板SUBの全面上に半導体膜、すなわち下部ボディ層を形成することができる。下部ノード半導体プラグ3a’、3a”が単結晶シリコンプラグの場合、下部ボディ層は非単結晶半導体膜、すなわち非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜で形成することができる。下部ボディ層は当業界でよく知られた固相エピタキシャル(solid phase epitaxial;SPE)技術を用いて結晶化されることができる。例えば、固相エピタキシャル技術は下部ボディパターン3b’、3b”を約500℃ないし800℃の温度で熱処理して結晶化させることを含む。
【0179】
一方、単結晶半導体構造体をパターニングして下部ボディパターン3b’、3b”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを露出させるように周辺回路領域Pの単結晶半導体構造体を除去することができる。
【0180】
図16A、図25、図28A、28Bを参照すると、下部ボディパターン3b’、3b”の表面上にゲート絶縁膜を形成する。下部ボディパターン3b’、3b”の上部をそれぞれ横切るように負荷ゲートパターン4b’、4b”を形成する。ゲートパターン4b’、4b”はそれぞれゲートパターン1c’、1c”と重畳するように形成されることが好ましい。ゲートパターン4b’、4b”は駆動ゲートパターン1c’、1c”を形成する方法と等しい方法を用いて製作することができる。よって、ゲートパターン4b’は順に積層されたゲート電極5a’及びキャッピング絶縁膜PU1Gを有するように形成することができ、ゲートパターン4b”は順に積層されたゲート電極5a及びキャッピング絶縁膜PU2Gを有するように形成することができる。
【0181】
ゲートパターン4b’、4b”をイオン注入マスクとして用いて下部ボディパターン3b’、3b”内に不純物イオンを注入する。その結果、下部ボディパターン3b’内に互いに離隔されたソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dが形成され、下部ボディパターン3b”内に互いに離隔されたソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dが形成される。ソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dはそれぞれゲートパターン4b’下部のチャンネル両側に形成され、ソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dはそれぞれゲートパターン4b”下部のチャンネル領域の両側に形成される。ソース領域PU1S、PU2Sはそれぞれ下部ボディパターン3b’の延長部及び下部ボディパターン3b”の延長部に内にも形成される。ソース領域PU1Sは下部ノード半導体プラグ3a’上の下部ボディパターン3b’内に形成され、ドレイン領域PU2Dは下部ノード半導体プラグ3a”上の下部ボディパターン3b”内に形成される。ここで、ドレイン領域PU1Dは下部ノード半導体プラグ3a’と接触することができ、ドレイン領域PU2Dは下部ノード半導体プラグ3a”と接触することができる。
【0182】
ソース領域PU1S、PU2Sと共にドレイン領域PU1D、PD2DはP型不純物領域とすることができる。
【0183】
ソース領域PU1S、PU2Sと共にドレイン領域PU1D、PU2DはLDD型の構造(lightly doped drain type structure;an LDD−type structure)を有するように形成することができる。負荷ゲートパターン4b’、4b”の側壁にスペーサ5cが形成できる。スペーサ5cはシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜に形成できる。
【0184】
ゲートパターン4b’、ソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dは下部(lower)薄膜トランジスタ、すなわちPMOSトランジスタPU1を構成し、ゲートパターン4b”、ソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dは下部薄膜トランジスタ、すなわちPMOSトランジスタPU2を構成する。PMOSトランジスタPU1、PU2は負荷トランジスタとすることができる。負荷トランジスタPU1、PU2を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜5eを形成する。層間絶縁膜5eを形成する前にエッチング阻止膜5dをさらに形成することもできる。エッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eはエッチング阻止膜3d及び層間絶縁膜3eを形成する方法と同じ方法を用いて製造することができる。この場合に、エッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eはそれぞれエッチング阻止膜パターン及び層間絶縁膜パターンとして理解することができる。
【0185】
図16A、図25、図29A、29Bを参照すると、層間絶縁膜5e及びエッチング阻止膜5dをパターニングしてソース領域PU1S及びドレイン領域PU2Dをそれぞれ露出させると共に周辺回路領域Pの周辺下部ボディパターン3pを露出させる。その結果、セル領域Cに層間絶縁膜5e及びエッチング阻止膜5dを順に貫通してソース領域PU1S及びドレイン領域PU2Dをそれぞれ露出させる上部ノードコンタクトホール4f’、4f”が形成できる。層間絶縁膜5e及び周辺回路領域P上に上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を埋め込む半導体膜を形成する。
【0186】
半導体膜は単結晶半導体構造体として形成することができる。単結晶半導体構造体はエピタキシャル技術によって形成することができる。エピタキシャル技術は選択的エピタキシャル成長技術とすることができる。具体的には、選択的エピタキシャル成長技術を用いて上部ノードコンタクトホール4f’、4f”の内部を埋め込み、層間絶縁膜5e及び周辺下部ボディパターン3pを覆う単結晶半導体構造体、すなわちエピタキシャル層を形成する。エピタキシャル層は単結晶シリコン構造を有するように形成することができる。エピタキシャル層は上部ノードコンタクトホール4f’、4f”によって露出されたセル下部ボディパターン3b’、3b”の所定領域及び周辺ボディパターン3pをシード層とする選択的エピタキシャル成長技術によって形成することができる。
【0187】
一方、図27A及び図27Bを参照して説明したように単結晶半導体構造体をパターニングしてセル下部ボディパターン3b’、3b”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを露出させるように周辺回路領域Pの単結晶半導体構造体を除去する場合には、単結晶半導体構造体、すなわちエピタキシャル層は上部ノードコンタクトホール4f’、4f”によって露出されたセル下部ボディパターン3b’、3b”の所定領域及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBをシード層とする選択的エピタキシャル成長技術によって形成することができる。続いて、化学機械的研磨工程のような平坦化技術を用いてエピタキシャル層の上部面が平らにすることができる。
【0188】
一方、層間絶縁膜5e及び周辺回路領域P上に上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を埋め込む半導体膜を非単結晶半導体膜で形成することができる。例えば、半導体膜は非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜で形成することができる。半導体膜を平坦化させて上部面が平らにすることができる。この場合、半導体膜を平坦化させる前又は後に、半導体膜の下部に供給されて半導体膜と接触する単結晶半導体構造体をシード層として採択するエピタキシャル技術、すなわち固相エピタキシャル技術を用いて半導体膜を結晶化させることができる。その結果、半導体膜を単結晶半導体構造体に形成することができる。
【0189】
単結晶半導体構造体をパターニングしてセル領域Cに上部ボディパターン6a’、6a”を形成すると共に周辺回路領域Pに周辺上部ボディパターン6pを形成し、周辺上部ボディパターン6pは第1及び第2周辺活性領域1p、1p’を限定する周辺トレンチ6bを有するように形成する。その結果、周辺回路領域Pの周辺下部ボディパターン3p上に周辺トレンチ6bを有する周辺上部ボディパターン6pが形成される。周辺下部ボディパターン3p及び周辺上部ボディパターン6pは実質的に同じ単結晶構造を有し周辺ボディパターン6p’を構成することができる。
【0190】
一方、先に形成された単結晶半導体構造体をパターニングして周辺回路領域Pの半導体基板SUBを露出させる工程を実行する場合には、次に形成された単結晶半導体構造体は周辺回路領域Pの半導体基板SUBを直接覆うように形成することができる。その結果、周辺ボディパターン6p’は一回の工程によって形成された単結晶半導体構造、例えば単結晶シリコン構造に形成することができる。
【0191】
上部ボディパターン6a’、6a”はそれぞれ上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を覆うように形成される。上部ノードコンタクトホール4f’、4f”内に形成されたエピタキシャル層はそれぞれ上部ノード半導体プラグ4a’、4a”として定義することができる。上部ボディパターン6a’、6a”はそれぞれ下部ボディパターン3b’、3b”に重畳するように形成されることが好ましい。しかしながら、上部ボディパターン6a’、6a”は下部ボディパターン3b’、3b”の延長部と重畳しないことが好ましい。
【0192】
一方、層間絶縁膜5e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUB上に上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を埋め込む単結晶半導体膜を形成することができる。続いて、単結晶半導体膜を平坦化させて第1及び第2上部ノードコンタクトプラグ4a’、4a”を形成すると共に周辺回路領域Pに残存する単結晶半導体膜を形成することができる。単結晶半導体膜はエピタキシャル技術によって形成された単結晶シリコン構造体とすることができる。続いて、上部ノード半導体プラグ4a’、4a”を有する半導体基板SUBの全面上に半導体膜、すなわち上部ボディ層を形成することができる。上部ノード半導体プラグ4a’、4a”が単結晶シリコンプラグの場合、上部ボディ層は非晶質シリコン層または多結晶シリコン層に形成することができる。上部ボディ層をパターニングして第1及び第2セル上部ボディパターン6a’、6a”を形成すると共に周辺回路領域Pの上部ボディ層をパターニングして第1及び第2周辺活性領域1p、1p’を限定する周辺トレンチ6bを形成することができる。第1及び第2上部ボディパターン6a’、6a”は当業界でよく知られた固相エピタキシャル技術を用いて結晶化することができる。
【0193】
周辺トレンチ6b内に素子分離用絶縁膜7e’を形成することができる。ここで、周辺トレンチ6b内に素子分離用絶縁膜7e’が形成されると共にセル領域Cの上部ボディパターン6a’、6a”の間の空間を埋め込む素子分離用絶縁膜7e’が形成されることができる。
【0194】
一方、周辺トレンチ6b内に素子分離用絶縁膜を形成する工程は省略することもできる。
【0195】
図16A、図25、図30A、30Bを参照すると、セル上部ボディパターン6a’、6a”及び周辺ボディパターン6p上にゲート絶縁膜を形成する。上部ボディパターン6a’、6a”の上部を横切るように絶縁された転送ゲートパターン6b、すなわちワードラインを形成すると共に周辺ボディパターンPの第1及び第2周辺活性領域1p、1p’の上部をそれぞれ横切るように絶縁された周辺PMOSゲートパターン23a’及び周辺NMOSゲートパターン20c”を形成する。
【0196】
一方、周辺ゲートパターン23a’、20c”を形成する前に、第1及び第2周辺活性領域1p、1p’内にイオン注入をそれぞれ実施してそれぞれN型ウェル7f及びP型ウェル7f’を形成することができる。周辺ボディパターン6p’がN型またはP型の導電型を有するように形成される場合には、N型ウェルまたはP型ウェルを形成するための別途のイオン注入工程は省略することもできる。
【0197】
ワードライン6bをイオン注入マスクとして用いて上部ボディパターン6a’、6a”内に不純物イオンを注入する。さらに、周辺回路領域Pの周辺ゲートパターン23a’、20c”及び素子分離用絶縁膜7eをイオン注入マスクとして用いて第1及び第2周辺活性領域1p、1p’内に不純物イオンをそれぞれ注入する。その結果、上部ボディパターン6a’内に互いに離隔されたソース領域T1S及びドレイン領域T1Dが形成され、上部ボディパターン6a”内に互いに離隔されたソース領域T2S及びドレイン領域T2Dが形成されると共に周辺活性領域1p内に互いに離隔されたソース領域P1S及びドレイン領域P1Dが形成され、周辺活性領域1p’内に互いに離隔されたソース領域N1S及びドレイン領域N1Dが形成される。ソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1DがLDD型の構造を有するように形成される場合、ワードライン6bの側壁及び周辺ゲートパターン23a’、20c”の側壁に絶縁性スペーサ7cが形成されることができる。
【0198】
セル領域Cのソース領域T1S、T2Sと共にドレイン領域T1D、T2DはN型の不純物領域とすることができる。周辺活性領域1pのソース領域P1S及びドレイン領域P1DはP型の不純物領域であり、周辺活性領域1p’のソース領域N1S及びドレイン領域N1DはN型の不純物領域とすることができる。ワードライン6b、ソース領域T1S及びドレイン領域T1Dはセル上部薄膜トランジスタ、すなわちNMOS転送トランジスタT1を構成し、ワードライン6b、ソース領域T2S及びドレイン領域T2Dはセル上部薄膜トランジスタ、すなわちNMOS転送トランジスタT2を構成する。周辺PMOSゲートパターン23a”、ソース領域P1S及びドレイン領域P1Dは周辺PMOSトランジスタP1を構成し、周辺NMOSゲートパターン20c”、ソース領域N1S及びドレイン領域N1Dは周辺NMOSトランジスタN1を構成することができる。
【0199】
少なくとも周辺トランジスタP1、N1のゲート電極及び/又ははソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成することができる。例えば、NMOS転送トランジスタT1、NMOS転送トランジスタT2、周辺PMOSトランジスタP1及び周辺NMOSトランジスタN1の各ゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的抵抗を低めるためのシリサイド工程を実行することができる。シリサイド工程は、ゲート電極及びソース/ドレイン領域上に選択的に金属シリサイド膜を形成してゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的抵抗を低くするための工程技術(process technology)である。シリサイド工程は、シリサイド化熱処理工程(silicidation annealing process)を含む。シリサイド化熱処理工程として、例えば、ランプのような光源を用いたコピー方式、またはホットプレートを用いた伝導方式を用いる急速熱処理工程(RTP;rapid thermal process)を使用するか、または熱伝達気体を用いた対流方式の熱処理工程を用いることができる。
【0200】
具体的には、セル上部ボディパターン6a’、6a”及び周辺ボディパターン6p上にゲート絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜を有する半導体基板上にシリコン膜、例えばポリシリコン膜を形成する。ポリシリコン膜をパターニングしてセル上部ボディパターン6a’、6a”の上部を横切るようにポリシリコン膜パターンT1G、T2Gを形成すると共に周辺ボディパターン6pの周辺活性領域1p、1p’の上部をそれぞれ横切るようにポリシリコン膜パターンP1G、N1Gを形成する。ポリシリコン膜パターンT1G、T2G、P1G、N1Gの側壁に絶縁性スペーサ7cを形成する。絶縁性スペーサ7cはシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を含むことができる。続いて、ソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1Dを形成する。ポリシリコン膜パターンT1G、T2G、P1G、N1Gの上部面及びソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1Dは露出することができる。続いて、ポリシリコン膜パターンT1G、T2G、P1G、N1G及びソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1Dを有する半導体基板の全面上に金属膜を形成する。金属膜はニッケル膜、タングステン膜、チタン膜またはコバルト膜とすることができる。続いて、金属膜に対してシリサイド化熱処理工程(silicidation annealing process)を実施することができる。
【0201】
その他に、セル上部ボディパターン6a’、6a”及び周辺ボディパターン6p上にゲート絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜を有する半導体基板上に金属シリサイド膜を含むゲート導電膜、例えば順に積層されたポリシリコン膜及び金属シリサイド膜を形成することができる。続いて、ゲート導電膜上にハードマスク用絶縁膜を形成することができる。ハードマスク用絶縁膜及びゲート導電膜を順にパターニングして順に積層されたポリシリコン膜パターン、金属シリサイド膜パターン及びハードマスク膜パターンを形成することができる。その結果、ゲートパターンとして、順に積層されたポリシリコン膜パターン、金属シリサイド膜パターン及びハードマスク膜パターンが形成され、ソース/ドレイン領域は露出することができる。ゲートパターンを有する半導体基板の全面上に金属膜を形成した後、シリサイド化熱処理工程(silicidation annealing process)を実施することができる。その結果、ソース/ドレイン領域に金属シリサイド膜が形成できる。
【0202】
シリサイド工程を用いてワードライン6b、周辺PMOSゲートパターン23a’及び周辺NMOSゲートパターン20c”の各上部にゲート金属シリサイド膜7a、PMOSゲート金属シリサイド膜24a’及びNMOSゲート金属シリサイド膜21a’を形成すると共にワードライン6bのソース領域T1S、T2S及びドレイン領域T1D、T2Dの各表面に金属シリサイド膜7d’を形成し、周辺PMOSゲートパターン24a’のソース領域P1S及びドレイン領域P1Dの各表面に金属シリサイド膜7d’を形成し、周辺NMOSゲートパターン20c”のソース領域N1S及びドレイン領域N1Dの各表面に金属シリサイド膜7d’を形成することができる。その結果、ワードライン6bは順に積層されたポリシリコン膜パターンT1G、T2G及びゲート金属シリサイド膜7aを有するように形成することができる。周辺PMOSゲートパターン23a’は順に積層されたポリシリコン膜パターンP1G及びPMOSゲート金属シリサイド膜24a’を有するように形成することができる。周辺NMOSゲートパターン20c”は順に積層されたポリシリコン膜パターンN1G及びNMOSゲート金属シリサイド膜24a’を有するように形成することができる。よって、周辺トランジスタP1、N1のゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的抵抗を低くすることができる。すなわち、周辺トランジスタP1、N1のゲート電極に加えられる電気的信号の伝送速度(transmission speed)を向上させることができる。さらに、周辺トランジスタP1、N1のソース/ドレイン領域の面抵抗(sheet resistance)を改善することができるので、周辺トランジスタP1、N1の駆動能力(drivability)を向上させることができる。その結果、周辺回路領域Pに高性能(high performance)のMOSトランジスタを具現することができる。さらに、セル領域Cの転送トランジスタT1、T2のゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的特性を改善することができるので、転送トランジスタT1、T2の性能を向上させることができる。
【0203】
したがって、周辺回路領域Pのトランジスタの性能を向上させるためのシリサイド工程を実行することができるのでSRAMの性能を改善することができる。さらに、薄膜トランジスタを採択する半導体集積回路において、周辺回路領域のMOSトランジスタを本発明の実施形態のように単結晶半導体構造の周辺ボディパターンを形成した後に形成するによって電気的特性が改善された高性能のMOSトランジスタを得ることができる。SRAMの性能は周辺回路領域に形成される周辺回路によって左右されるので、周辺回路の必須構成要素であるトランジスタの性能によって決められる。本発明の実施形態において、周辺ボディパターン6pは周辺回路領域の半導体基板をシード層によって形成されるので、半導体基板の結晶性にさらに似ている可能性がある。すなわち、周辺回路領域の半導体基板全面からエピタキシャル層が形成されるので周辺ボディパターンの単結晶構造は半導体基板の単結晶構造により似ている。よって、周辺回路領域Pに形成される周辺トランジスタは実質的に半導体基板に形成されるバルクトランジスタの特性と類似である。さらに、周辺回路領域Pに形成される周辺トランジスタはセル領域Cの薄膜トランジスタを形成する間に発生する熱の影響を受けない。すなわち、セル領域Cの薄膜トランジスタを製造するために実行するエピタキシャル工程及びスペーサ工程は通常高温で実施される場合がある。このような高温で実行される工程によって露出されたトランジスタは特性が劣化されることもあるが、本発明では高温工程によって周辺回路領域Pのトランジスタは影響を受けない。さらに、周辺回路領域Pのトランジスタのゲート電極及びソース/ドレイン領域にそれぞれ金属シリサイド膜を形成することができるので、周辺回路領域Pのトランジスタの性能をさらに向上させることができる。よって、半導体装置の信頼性をさらに高くすることができる。
【0204】
NMOSトランジスタT1、T2、PMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN1を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜7eを形成する。層間絶縁膜7eを形成する前にエッチング阻止膜7dをさらに形成することもできる。
【0205】
図16A、図25、図31A、31Bを参照すると、層間絶縁膜2e、5e、7e、エッチング阻止膜2d、5d、7dをエッチングしてNMOSトランジスタT1のソース領域T1S、上部ノード半導体プラグ4a’、トランジスタPU1のドレイン領域PU1D、下部ノード半導体プラグ3a’、ゲート電極PU2G及びゲート電極PD2Gを露出させるノードコンタクトホール7f’及びNMOSトランジスタT2のソース領域T2S、上部ノード半導体プラグ4a”、トランジスタPU2のドレイン領域PU2D、下部ノード半導体プラグ3a”、ゲート電極PU1G及びゲート電極PD1Gを露出させるノードコンタクトホール7f”を形成する。
【0206】
一方、下部ノード半導体プラグ3a’、3a”がドレイン領域PD1D、PD2Dと異なる導電型を有するか、または真性半導体(intrinsic semiconductor)の場合、ノードコンタクトホール7f’、7f”はそれぞれNMOSトランジスタPD1、PD2のドレイン領域PD1D、PD2Dをさらに露出させるように形成することができる。
【0207】
ノードコンタクトホール7f’、7f”を有する半導体基板上に導電膜を形成する。導電膜を平坦化させて層間絶縁膜7eを露出させる。その結果、ノードコンタクトプラグ8a’、8a”が形成される。ノードプラグ8a’、8a”はP型半導体及びN型半導体のすべてに対して抵抗性接触(ohmic contact)特性を示す導電膜で形成するのが好ましい。例えば、前記導電膜はタングステン膜のような金属膜で形成することができる。さらに、前記導電膜はチタン窒化膜のような障壁金属膜及びタングステン膜のような金属膜を順に積層させて形成することができる。この場合、ノードプラグ8a’、8a”のそれぞれはタングステンプラグ及び前記タングステンプラグを取り囲む障壁金属膜パターンを有するように形成することができる。
【0208】
ノードプラグ8a’、8a”を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜9cを形成する。
【0209】
図16A、図25、図32A、32Bを参照すると、層間絶縁膜2e、5e、7e、9cと共にエッチング阻止膜2d、5d、7dを貫通して第2活性領域1a’内のソース領域PD1S及び第4活性領域1a”内のソース領域PD2Sとそれぞれ接触する接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を形成する。接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を形成する間、下部ボディパターン3b’の延長部(負荷トランジスタのソース領域PU1S)及び下部ボディパターン3b”の延長部(負荷トランジスタのソース領域PU2S)とそれぞれ接触する電源ラインコンタクトプラグ9a’、9a”が形成される。さらに、接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を形成する間、PMOSトランジスタP1のドレイン領域P1D及びソース領域P1Sとそれぞれ接触する出力信号ラインコンタクトプラグ9e及び周辺電源ラインコンタクトプラグ9fを形成すると共にNMOSトランジスタN1のドレイン領域N1D及びソース領域N1Sとそれぞれ接触する出力信号ラインコンタクトプラグ9e’及び周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’を形成する。コンタクトプラグ9a’、9a”、9b’、9b”、9f、9e、9f’、9e’はP型半導体及びN型半導体のすべてに対して抵抗性接触(ohmic contact)を示す導電膜で形成することが好ましい。例えば、図31A、31Bを参照して説明されたノードプラグ8a’、8a”の形成方法と同じ方法を用いて製造することができる。
【0210】
コンタクトプラグ9a’、9a”、9b’、9b”、9f、9e、9f’、9e’を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜11を形成する。
【0211】
図16A、図25、図33A、33Bを参照すると、層間絶縁膜11内にセル接地ライン10a及びセル電源ライン10bを形成する。セル接地ライン10a及びセル電源ライン10bを形成する間、周辺回路領域Pの層間絶縁膜11内に周辺電源ライン10e、周辺接地ライン10f及び出力信号ライン10gが形成されることができる。
【0212】
本発明の実施形態において、周辺回路の一例としてインバータを図示して説明したが、本発明は、これに限定されない。すなわち、周辺回路領域PのMOSトランジスタは多様な周辺回路の構成要素として用いられることができる。すなわち、周辺電源ライン10e、周辺接地ライン10f及び出力信号ライン10gは周辺回路の一例としてインバータを具現するために示すものとして、周辺回路領域PのPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタは多様な周辺回路を構成することができる。
【0213】
セル接地ライン10a及びセル電源ライン10bは実質的にワードライン6bに平行するように形成することができる。セル接地ライン10aは接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を覆うように形成されて、セル電源ライン10bは電源ラインコンタクトプラグ9a’、9a”を覆うように形成される。出力信号ライン10gは出力信号ラインコンタクトプラグ9e’、9fを覆うように形成される。周辺接地ライン10fは周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’を覆うように形成される。出力信号ライン10gを形成する間、周辺PMOSゲート電極23a’及び周辺NMOSゲート電極20c”と電気的に接続される入力信号ライン10hを形成することができる。入力信号ライン10hは入力信号ラインコンタクトプラグによって周辺PMOSゲート電極23a’及び周辺NMOSゲート電極20c”と電気的に接続することができる。接地ライン10a、10f、電源ライン10b、10e、出力信号ライン10g及び入力信号ライン10hを有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜12を形成する。
【0214】
図16A、図25、図34A、34Bを参照すると、層間絶縁膜7e、9c、11、12及びエッチング阻止膜7dをエッチングしてNMOSトランジスタT1のドレイン領域T1D及びNMOSトランジスタT2のドレイン領域T2Dとそれぞれ接触する第1及び第2ビットラインコンタクトプラグ13a’、13a”を形成する。
【0215】
層間絶縁膜12上に第1及び第2平行なビットライン14を形成する。第1及び第2ビットライン14はセル接地ライン10a及びセル電源ライン10bの上部を横切るように形成される。第1ビットライン14はビットラインコンタクトプラグ13a’を覆うように形成され、第2ビットライン14はビットラインコンタクトプラグ13a”を覆うように形成される。
【0216】
そして、上述の実施形態では、スタティック半導体メモリ装置を例にあげて説明したが、スタティック半導体メモリ装置のみではなくダイナミック半導体メモリ装置についても本発明の周辺回路を用いて構成することによってレイアウト面積を減少することができる。
【0217】
上述では、本発明の好ましい実施形態を参照しながら説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しなし範囲で、本発明を多様に修正及び変更させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0218】
【図1】一般的なスタティック半導体メモリ装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示すロウデコーダまたはカラムデコーダの実施例の構成を示すブロック図である。
【図3A】半導体メモリ装置のスタティックメモリセルの一例の回路図である。
【図3B】半導体メモリ装置の周辺回路を構成するインバータの一例の回路図である。
【図3C】半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNANDゲートの一例の回路図である。
【図3D】半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNORゲートの一例の回路図である。
【図4A】図3Aに示す半導体メモリ装置のスタティックメモリセル一例の配置を示す図である。
【図4B】図3Bに示す半導体メモリ装置の周辺回路を構成するインバータの一例の配置を示す図である。
【図4C】図3Cに示す半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNANDゲートの一例の配置を示す図である。
【図4D】図3Dに示す半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNORゲートの一例の配置を示す図である。
【図5A】従来の半導体メモリ装置のスタティックメモリセルの他の例の配置を示す図である。
【図5B】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のインバータの他の例の配置を示す図である。
【図5C】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートの他の例の配置を示す図である。
【図5D】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートの他の例の配置を示す図である。
【図6A】従来の半導体メモリ装置のスタティックメモリセルの更に他の例の配置を示す図である。
【図6B】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のインバータの更に他の例の配置を示す図である。
【図6C】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートの更に他の例の配置を示す図である。
【図6D】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートの更に他の例の配置を示す図である。
【図7A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図7B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図7C】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図7D】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8C】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8D】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9C】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9D】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図10A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図10B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図10C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図10D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図11A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図11B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図11C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図11D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図12A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図12B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図12C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図12D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図13A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図13B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図13C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図13D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図14A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図14B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図14C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図14D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図15A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図15B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図15C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図15D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図16A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図16B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図16C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図16D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図17A】図10Aないし図16AのI−I’による本発明における実施形態のメモリセルの構造を示す断面図である。
【図17B】図10Aないし図16AのII−II’による本発明における実施形態のメモリセルの構造を示す断面図である。
【図18】図10Bないし図16BのX−X’による本発明における実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【図19】図10Cないし図16CのX−X’による本発明における実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【図20】図10Dないし図16DのX−X’による本発明における実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【図21A】本発明におけるメモリセルアレイの第1実施形態の積層構造を示す図である。
【図21B】本発明における周辺回路の第1実施形態の積層構造を示す図である。
【図22A】本発明におけるメモリセルアレイの第2実施形態の積層構造を示す図である。
【図22B】本発明における周辺回路の第2実施形態の積層構造を示す図である。
【図23A】本発明におけるメモリセルアレイの第3実施形態の積層構造を示す図である。
【図23B】本発明における周辺回路の第3実施形態の積層構造を示す図である。
【図24A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第4実施形態を概念的に示す図である。
【図24B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第4実施形態を概念的に示す図である。
【図25】図24Bに示す周辺回路のインバータの実施例を示す平面図である。
【図26A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図26B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図27A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図27B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図28A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図28B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図29A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図29B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図30A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図30B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図31A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図31B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図32A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図32B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図33A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図33B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図34A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図34B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【0219】
10:メモリセルアレイ
12:ロウデコーダ
14:データ入出力ゲート
16:カラムデコーダ
18:データ入出力回路
20:制御部
30、32:プリデコーダ
34:メインデコーダ
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関するもので、特に、積層されたトランジスタを備えたメモリセルアレイに適する周辺回路を有する半導体装置並びにその配置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に半導体メモリ装置は、データを保存するための複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、メモリセルアレイに対するデータの入力又はメモリセルアレイからのデータの出力を制御するための周辺回路とで構成されている。
【0003】
そして、スタティックメモリセルは複数のトランジスタで構成されていて、ダイナミックメモリセルは一つのトランジスタと一つのキャパシタとで構成されている。周辺回路は、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートを備えて構成されていて、これらゲートのそれぞれはトランジスタで構成されている。
【0004】
一般のメモリセル及び周辺回路は、半導体基板上の同一層に複数のトランジスタをすべて配置している。よって、メモリセルアレイの容量、すなわち、メモリセルの数が増えることによってレイアウト面積が増加し、したがって、チップサイズが大きくなる。
【0005】
そのため、メモリセルアレイの容量が増えてもレイアウト面積を増大させないという努力が続いていて、このような努力の一環として一つのメモリセルを構成するトランジスタを積層して構成することによってメモリセルアレイのレイアウト面積を減らす方法が見出された。
【0006】
しかし、メモリセルアレイのレイアウト面積だけでなく、周辺回路のレイアウト面積も減らすことができれば、装置のレイアウト面積をさらに縮小させることができる。そして、メモリセルを構成するトランジスタが積層されるによって周辺回路を構成するトランジスタの構造も変わらなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、積層されたトランジスタを有するメモリセルアレイに適する周辺回路を備えた半導体装置を提供することにある。
【0008】
本発明の他の目的は、前記目的を果たすための半導体装置の配置及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第1形態は、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備えて入力信号を反転してそれぞれ出力する複数のインバータ、及び、少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタを備えて、少なくとも二つの入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルならばハイレベルの出力信号をそれぞれ発生する複数のNANDゲートを備えて、前記少なくとも一つの第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタ、及び前記少なくとも二つの第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0010】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第2形態は、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備えて入力信号を反転してそれぞれ出力する複数のインバータ、少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタを備えて、少なくとも仏の入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルならばハイレベルの出力信号をそれぞれ発生する複数のNANDゲート、及び、少なくとも2個以上の第3プルアップトランジスタ及び第3プルダウントランジスタを備え、少なくとも二つの入力信号がすべてローレベルならばハイレベルの出力信号をそれぞれ発生する複数のNORゲートを備えて、前記少なくとも一つの第1プルアップ及びプルダウントランジスタ、前記少なくとも二つの第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタ、及び、前記少なくとも二つの第3プルアップ及び第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0011】
前記第1及び第2形態の半導体装置の前記プルアップトランジスタ及び第1、第2、及び第3プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記プルダウントランジスタ及び第1、第2、及び第3プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。
【0012】
前記第1及び第2形態における少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0013】
前記第1及び第2形態において、前記第1層には、例えば、前記プルアップ、第1、第2、及び第3プルアップトランジスタと前記プルダウン、第1、第2、及び第3プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の層には、例えば、前記プルアップ、第1、第2、及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウン、第1、第2、及び第3プルダウントランジスタのみを配置することができる。
【0014】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第3形態は、複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、及びカラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダを備え、前記ロウ(カラム)デコーダは複数のインバータを備え、前記複数のインバータそれぞれは少なくとも一つのプルアップトランジスタ及びプルダウントランジスタを備えて、前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする。
【0015】
前記カラム(ロウ)デコーダは複数のインバータを備えてることができる。前記複数のインバータのそれぞれは、少なくとも一つのプルアップトランジスタ及びプルダウントランジスタを備えて、前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されることができる。
【0016】
前記複数のメモリセルは、複数のMOSトランジスタを備えてることができる。前記複数のMOSトランジスタは、前記少なくとも2層に積層して配置されることができる。前記プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0017】
前記第1層には、前記プルアップ及びプルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の各層には前記プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウントランジスタのみを配置することが可能である。
【0018】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第4形態は、複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、及びカラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダを備え、前記ロウ(カラム)デコーダは複数のインバータ及び複数のNANDゲートを備えて、前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備え、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを備えて、前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び第1及び第2プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする。
【0019】
前記カラム(ロウ)デコーダは、複数のインバータ及び複数のNANDゲートを備えることができる。前記複数のインバータのそれぞれは、少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備えることができる。前記複数のNANDゲートのそれぞれは、少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを備えることができる。前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び第1及び第2プルダウントランジスタは、少なくとも2層に積層して配置されることができる。
【0020】
前記複数のメモリセルは、複数のMOSトランジスタを備えることができる。前記複数のMOSトランジスタは、前記少なくとも2層に積層して配置されることができる。前記第1及び第2プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記第1及び第2プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0021】
前記第1層には、前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン及び第2プルダウントランジスタのみを配置することが可能である。
【0022】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第5形態は、複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイ、及びロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダ、及び前記メモリセルアレイへのデータの入出力を制御するための制御部を備えた周辺回路を備え、前記周辺回路が複数のインバータ、複数のNANDゲート、及び複数のNORゲートを備え、前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び第1プルダウントランジスタを備え、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを備え、前記複数のNORゲートのそれぞれは少なくとも三つのの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも三つのの第3プルダウントランジスタを備え、前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタ及び第1、第2、及び第3プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする。
【0023】
前記複数のメモリセルは、複数のMOSトランジスタを備えることができる。前記複数のMOSトランジスタは、前記少なくとも2層に積層して配置されることができる。前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。そして、前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0024】
前記第1層には、前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタと前記第3プルアップ及び第3プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ、第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン、第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することが可能である。
【0025】
前記目的を果たすための本発明の半導体装置の第6形態は、セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板、前記セル領域の半導体基板に形成されたバルクトランジスタ、前記セル領域に前記バルクトランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜パターン、前記層間絶縁膜パターン上に形成された薄膜トランジスタ、前記周辺回路領域の半導体基板と接触するように形成された周辺ボディパターン、及び前記周辺ボディパターンに配置された周辺トランジスタを含み、前記周辺トランジスタは実質的に前記セル領域の薄膜トランジスタと水平方向の同一線上に位置するように形成されることを特徴とする。前記周辺ボディパターンは、例えば単結晶半導体構造であり、前記薄膜トランジスタは、例えば多結晶薄膜トランジスタである。
【0026】
前記バルクトランジスタ及び前記薄膜トランジスタは、例えばSRAMメモリセルのセルトランジスタである。前記バルクトランジスタは、例えば第1及び第2バルクトランジスタを含み、前記薄膜トランジスタは、例えば第1及び第2薄膜トランジスタを含む。前記第1及び第2薄膜トランジスタは、前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることができる。前記第1及び第2バルクトランジスタと前記第1及び第2薄膜トランジスタとの間にそれぞれ配置された第1及び第2下部薄膜トランジスタをさらに含むことができ、前記第1及び前記第2下部薄膜トランジスタは、前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることができる。
【0027】
前記第6形態の半導体装置は、層間絶縁膜パターンを貫通して前記第1バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第1下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第1上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第1ノードプラグ、及び前記層間絶縁膜パターンを貫通して前記第2バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第2下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第2上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第2ノードプラグをさらに含むことを特徴とする。
【0028】
前記第1及び第2バルクトランジスタは、それぞれ、例えば第1及び第2Nチャンネル駆動トランジスタであり、前記第1及び第2バルクトランジスタの前記第1不純物領域は、例えばドレイン領域である。前記第1駆動トランジスタのゲート電極は前記第2ノードプラグに電気的に接続されて、前記第2駆動トランジスタのゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることができる。前記第1及び第2下部薄膜トランジスタは、それぞれ、例えば第1及び第2Pチャンネル負荷トランジスタであり、前記第1及び第2薄膜トランジスタは、それぞれ、例えば第1及び第2Nチャンネル転送トランジスタであるが、前記第1及び第2下部薄膜トランジスタの前記第1不純物領域はドレイン領域である。前記第1及び第2薄膜トランジスタの前記第1不純物領域は、例えばソース領域であり、前記第1及び第2負荷トランジスタのゲート電極は、それぞれ前記第1及び第2駆動トランジスタのゲート電極と重畳するように配置されることができ、前記第1負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第2ノードプラグに電気的に接続され、前記第2負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることができる。
【0029】
前記第1及び第2薄膜トランジスタのゲート電極は、例えば、互いに電気的に接続されてワードラインを構成する。
【0030】
前記第6形態の半導体装置の少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ゲート電極の表面に形成された金属シリサイド膜を含むことができる。少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ソース/ドレイン領域の表面に形成された金属シリサイド膜を含むことができる。
【0031】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の配置方法の第1形態は、メモリセルアレイの複数のメモリセルそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置して、周辺回路の複数のインバータそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタ及び複数のNANDゲートそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0032】
前記第1、第2及び第3プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記転送、第1、第2及び第3プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0033】
前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えば、前記メモリセルの第1層に配置されるトランジスタの形態にかかわらず、前記第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタと第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することができる。
【0034】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の配置方法の第2形態は、メモリセルアレイの複数のメモリセルそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置し、周辺回路の複数のインバータそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び第2プルダウントランジスタ、複数のNANDゲートそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び第3プルダウントランジスタ、及び複数のNORゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つのの第4プルアップトランジスタ及び第4プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする。
【0035】
前記第1、第2、第3、及び第4プルアップトランジスタは、例えばPMOSトランジスタであり、前記転送、第1、第2、第3、及び第4プルダウントランジスタは、例えばNMOSトランジスタである。前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えばバルクトランジスタであり、第2層以上の層に配置されるトランジスタは、例えば薄膜トランジスタである。
【0036】
前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第1層に配置されるトランジスタは、例えば、前記メモリセルの第1層に配置されるトランジスタの形態にかかわらず、前記第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタと第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置するのが可能であり、前記周辺回路の前記少なくとも2層のうちの第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタのみを配置するか、または第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタのみを配置することができる。
【0037】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の製造方法の第1形態は、セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備して、前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成して、前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる層間絶縁膜パターンを形成し、前記層間絶縁膜パターン及び前記露出された半導体基板上にそれぞれセルボディパターン及び周辺ボディパターンを形成し、前記周辺ボディパターンは前記露出された半導体基板と接触して、前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンにそれぞれセル薄膜トランジスタ及び周辺トランジスタを形成することを含む。
【0038】
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記層間絶縁膜パターンを有する基板上に半導体膜を形成して、前記半導体膜を平坦化させて前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記半導体基板上にそれぞれセル半導体膜及び周辺半導体膜を形成することを含むことができ、前記周辺半導体膜は前記半導体膜よりも厚くすることができる。前記半導体膜は、例えば非単結晶半導体膜で形成して、前記半導体膜を平坦化させる前または後に、前記半導体基板をシード層として固相エピタキシャル技術を用いて前記半導体膜を結晶化させることができる。
【0039】
前記層間絶縁膜パターンを形成する段階は、前記バルクトランジスタを有する基板上に層間絶縁膜を形成し、前記層間絶縁膜をパターニングして前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させることとともに前記セル領域内の前記半導体基板の所定領域を露出させるコンタクトホールを形成することを含むことができる。前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板上に単結晶半導体構造体を形成し、前記単結晶半導体構造体を平坦化させることを含むことができる。前記単結晶半導体構造体は、前記コンタクトホールによって露出された前記半導体基板及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板をシード層として選択的エピタキシャル成長技術を用いて形成されることができる。
【0040】
前記セル薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセルゲート電極及び周辺ゲート電極を形成し、前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成することを含むことができる。少なくとも前記周辺ゲート電極及び/又は周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成することができる。
【0041】
前記他の目的を果たすための本発明の半導体装置の製造方法の第2形態は、セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備して、前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成し、前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる第1層間絶縁膜パターンを形成し、前記第1層間絶縁膜パターンは前記バルクトランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第1コンタクトホールを有するように形成され、前記第1層間絶縁膜パターン上に前記第1コンタクトホールを覆うセル下部ボディパターンを形成し、前記セル下部ボディパターンにセル下部薄膜トランジスタを形成し、前記第1層間絶縁膜パターン上に前記セル下部薄膜トランジスタを覆う第2層間絶縁膜パターンを形成し、前記第2層間絶縁膜は前記セル下部薄膜トランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第2コンタクトホールを有するように形成されて、前記第2層間絶縁膜パターン上に前記第2コンタクトホールを覆うセル上部ボディパターンを形成することと共に、前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成して、前記セル上部ボディパターンにセル上部薄膜トランジスタを形成すると共に前記周辺ボディパターンに周辺トランジスタを形成することを含み、前記セル下部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域の半導体基板を覆う周辺下部ボディパターンを形成することをさらに含む。
【0042】
前記セル下部ボディパターン及び前記周辺下部ボディパターンを形成する段階は、前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成して、前記第1単結晶半導体構造体を平坦化させることを含むことができる。前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺下部ボディパターンを覆う第2単結晶半導体構造体を形成し、前記第2単結晶半導体構造体が平らな上部面を有するように平坦化させて、前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺上部ボディパターンを形成し前記周辺下部ボディパターン及び前記周辺上部ボディパターンを含む周辺ボディパターンを形成することを含むことができる。前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることができる。
【0043】
前記セル下部ボディパターンを形成する段階は、前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成し、前記第1単結晶半導体構造体をパターニングして前記周辺回路領域の半導体基板を露出させることを含むことができる。前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第2単結晶半導体構造体を形成し、前記第2単結晶半導体構造体は平らな上部面を有するように形成されて、前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成することを含むことができる。前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることができる。
【0044】
前記バルクトランジスタは、例えばNチャンネル駆動トランジスタであり、前記セル下部薄膜トランジスタは、例えばPチャンネル負荷トランジスタであり、前記セル上部薄膜トランジスタは、例えばNチャンネル転送トランジスタである。
【0045】
前記セル上部薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセル上部ゲート電極及び周辺ゲート電極を形成して、前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成することを含み、少なくとも前記周辺ゲート電極及び/または周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成することをさらに含む。
【発明の効果】
【0046】
本発明の半導体装置及びこの装置の配置方法によれば、例えば、メモリセルアレイだけではなく、周辺回路を構成するトランジスタを積層して配置するのが可能になって装置のレイアウト面積を縮小させることができる。
【0047】
また、本発明の半導体装置及びその製造方法によれば、例えば、メモリセルアレイ領域には薄膜トランジスタを含むメモリセルが形成されて、周辺回路領域には周辺回路領域の半導体基板から成長された単結晶半導体構造の周辺ボディパターンに周辺トランジスタが形成されることによって、高集積度のメモリセル及び高性能の周辺トランジスタを有する半導体集積回路を供給することができる。より具体的には、例えば、メモリセルアレイを構成するトランジスタを積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタを3層に平面として配置することで安定された動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0048】
まず、本発明の好適な実施形態の半導体装置及びこの装置の配置方法を説明する前に従来の半導体メモリ装置を説明する。
【0049】
図1は、一般的なスタティック半導体メモリ装置の構成を示すブロック図であり、スタティック半導体メモリ装置は、メモリセルアレイ10、ロウデコーダ12、データ入出力ゲート14、カラムデコーダ16、データ入出力回路18、及び制御部20で構成されている。
【0050】
図1において、wl1〜wlmはワードライン選択信号を、y1〜ynはカラム選択信号をそれぞれ示しており、WL1〜WLmはワードラインを、BL1、BL1B〜BLn、BLnBは一対のビットラインをそれぞれ示す。
【0051】
図1に示すブロックのそれぞれの機能を次に説明する。メモリセルアレイ10は、複数のワードラインWL1〜WLmと複数のビットライン対BL1、BL1B〜BLn、BLnBとの各間にそれぞれ接続された複数のスタティックメモリセルMC11〜MCmnを備えて、書込み時にデータdinを入力して選択されたメモリセルに書込みし、読出し時に選択されたメモリセルに保存されたデータを読出しして、データdoutを出力する。
【0052】
ロウデコーダ12は、アクティブ命令ACTに応答してロウアドレスRAをデコーディングしてワードライン選択信号wl1〜wlmを発生する。データ入出力ゲート14は、カラム選択信号y1〜ynに応答して、書込み時にはデータDINをデータdinに伝送し、読出し時にはデータdoutをデータDOUTに伝送する。カラムデコーダ16は、読出し命令RD及び書込み命令WRに応答して、カラムアドレスCAをデコーディングしてカラム選択信号y1〜ynを発生する。データ入出力回路18は、書込み命令WRに応答してデータDINを入力してデータdinを出力し、読出し命令RDに応答してデータdoutを入力してデータDOUTを出力する。制御部20は、命令語COMを入力して、アクティブ、読出し、及び書込み命令ACT、RD、WRを発生する。
【0053】
図2は、図1に示すロウデコーダまたはカラムデコーダの実施例の構成を示すブロック図であり、二つのプリデコーダ30、32、及びメインデコーダ34で構成されている。二つのプリデコーダ30、32及びメインデコーダ34それぞれは、2入力NANDゲートNAとインバータINVを備えて構成されている。
【0054】
図2に示す実施例のデコーダは、4ビットのアドレスA1〜A4を入力して16個のデコーディング信号DRA1〜DRA16を発生する回路構成である。
【0055】
図2に示すブロックそれぞれの機能を次に説明する。プリデコーダ30、32それぞれは、2ビットずつのアドレス(A1、A2)、(A3、A4)をプリデコーディングして、プリデコーディングされた信号DRA1B2B〜DRA12、DRA3B4B〜DRA34を出力する。メインデコーダ34は、プリデコーディングされた信号DRA1B2B〜DRA12、DRA3B4B〜DRA34をデコーディングしてデコーディング信号DRA1〜DRA16を発生する。
【0056】
半導体メモリ装置のメモリセルアレイのスタティックメモリセルは、6個のトランジスタで構成されて、カラムまたはロウデコーダは、インバータ及びNANDゲートのようなロジックゲートで構成される。そして、インバータは2個のトランジスタで構成されて、NANDゲートは4個以上のトランジスタで構成される。
【0057】
図2の実施例におけるカラム及びロウデコーダは、2入力NANDゲートで構成されるので4個のトランジスタで構成されるが、3入力NANDゲートまたは4入力NANDゲートで構成される場合には、6個または8個のトランジスタで構成される。
【0058】
そして、データ入出力回路18及び制御部20は、インバータとNANDゲートの他にNORゲートをさらに備えて構成される。
【0059】
結果的に、半導体メモリ装置の周辺回路を構成する論理ゲートは、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートがあり得る。
【0060】
図3Aは図1に示すメモリセルアレイにおけるスタティックメモリセルの一例の回路図を、図3B、3C、3Dは、周辺回路を構成するインバータ、NANDゲート、及びNORゲートの一例の回路図をそれぞれ示す図である。
【0061】
図3Aに示すように、スタティックメモリセルは、PMOSトランジスタPU1、PU2及びNMOSトランジスタPD1、PD2、T1、T2で構成されている。PMOSトランジスタPU1、PU2はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタPD1、PD2はプルダウントランジスタであり、NMOSトランジスタT1、T2は転送トランジスタである。
【0062】
図3Aに示すメモリセルの動作を次に説明する。ワードラインWLが選択されてNMOSトランジスタT1、T2がオンとなると、ビットラインBLと保存ノードaとの間でデータが転送されるとともに反転ビットラインBLBと保存ノードbとの間でデータが転送される。NMOSトランジスタPD1は、保存ノードbのデータが「ハイ」レベルならば保存ノードaを「ロー」レベルにさせて、PMOSトランジスタPU1は、保存ノードbのデータが「ロー」レベルならば保存ノードaを「ハイ」レベルにさせる。
【0063】
同様に、NMOSトランジスタPD2は、保存ノードaのデータが「ハイ」レベルならば保存ノードbを「ロー」レベルにさせて、PMOSトランジスタPU2は、保存ノードaのデータが「ロー」レベルならば保存ノードbを「ハイ」レベルにさせる。すなわち、二つのPMOSトランジスタPU1、PU2と二つのNMOSトランジスタPD1、PD2とはラッチとして、保存ノードa、bのデータをラッチする。
【0064】
図3Bに示すように、インバータは、PMOSトランジスタP1とNMOSトランジスタN1とで構成されている。図3Bにおいて、PMOSトランジスタP1はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタN1はプルダウントランジスタである。
【0065】
図3Bに示すインバータの動作を次に説明する。「ハイ」レベルの入力信号INが印加されると、NMOSトランジスタN1がオンとなって出力信号OUTを「ロー」レベル、すなわち、接地電圧VSSレベルにさせる。一方、「ロー」レベルの入力信号INが印加されると、PMOSトランジスタP1がオンとなって出力信号OUTを「ハイ」レベル、すなわち、電源電圧VCCレベルにさせる。
【0066】
すなわち、図3Bに示すインバータは、一つのプルアップトランジスタと一つのプルダウントランジスタとで構成されて、入力信号INを反転して出力信号OUTを発生する。
【0067】
図3Cに示すように、NANDゲートは、PMOSトランジスタP2、P3及びNMOSトランジスタN2、N3で構成されている。図3cにおいて、PMOSトランジスタP2、P3はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタN2、N3はプルダウントランジスタである。
【0068】
図3cに示すNANDゲートの動作を次に説明する。少なくとも一つの「ロー」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、PMOSトランジスタP2又は/及びPMOSトランジスタP3がオンとなって出力信号OUTを「ハイ」レベル、すなわち、電源電圧VCCレベルにさせる。一方、「ハイ」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、NMOSトランジスタN2、N3がすべてオンとなって出力信号OUTを「ロー」レベルにさせる。
【0069】
図3Dに示すように、NORゲートは、PMOSトランジスタP4、P5及びNMOSトランジスタN4、N5で構成されている。図3Dにおいて、PMOSトランジスタP4、P5はプルアップトランジスタであり、NMOSトランジスタN4、N5はプルダウントランジスタである。
【0070】
図3Dに示すNORゲートの動作を次に説明する。少なくとも一つの「ハイ」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、NMOSトランジスタN4又は/及びNMOSトランジスタN5がオンとなって出力信号OUTを「ロー」レベル、すなわち、接地電圧VSSレベルにさせる。一方、「ロー」レベルの入力信号IN1、IN2が印加されると、PMOSトランジスタP4、P5がすべてオンとなって出力信号OUTを「ハイ」レベルにさせる。
【0071】
図4Aは、図3Aに示すメモリセルアレイのスタティックメモリセルを構成するトランジスタの一例の配置を概念的に示す図で、図4B、4C、4Dは、図3B、3C、3Dに示すインバータ、NANDゲート、NORを構成するトランジスタの一例の配置をそれぞれ概念的に示す図である。
【0072】
図4Aないし4Dにおいて、一対のビットラインBL、BLB、ワードラインWL、電源電圧ラインVCCL、及び接地電圧ラインVSSLそれぞれは、互いに異なる層に配置されてもよいし、一部が同一の層に配置されてもよい。
【0073】
図4Aに示すように、図3aに示すトランジスタPD1、PD2、PU1、PU2、T1、T2を同一層(1F)に配置する。そして、NMOSトランジスタT1のソースとNMOSトランジスタPD1のドレインが接続され、NMOSトランジスタPD1のソースとNMOSトランジスタPD2のソースが接続され、NMOSトランジスタPD2のドレインとNMOSトランジスタT2のソースが接続される。NMOSトランジスタT1のドレインがビットラインBLに接続されて、NMOSトランジスタT2のドレインが反転ビットラインBLBに接続され、NMOSトランジスタT1、T2のゲートがワードラインWLに接続され、NMOSトランジスタPD1、PD2のソースが接地電圧ラインVSSLに接続される。そして、PMOSトランジスタPU1のドレインがNMOSトランジスタPD1のドレインに接続されて、ソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、ゲートがNMOSトランジスタPD1のゲートとNMOSトランジスタPD2のドレインに接続される。また、PMOSトランジスタPU2のドレインがNMOSトランジスタPD2のドレインに接続されて、ソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、ゲートがNMOSトランジスタPD2のゲートに接続される。
【0074】
図4Bに示すように、図3Bに示すトランジスタP1、N1を同一層(1F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP1のソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、ドレインが出力信号ラインOUTLに接続されて、ゲートが入力信号ラインINLに接続される。NMOSトランジスタN1のソースが接地電圧ラインVSSLに接続されて、ドレインが出力信号ラインOUTLに接続されて、ゲートが入力信号ラインINLに接続される。
【0075】
図4Cに示すように、図3Cに示すトランジスタP3、P2、N2、N3を同一層(1F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP3のソースとPMOSトランジスタP2のソースが電源電圧ラインVCCLに接続されて、PMOSトランジスタP3、P2のドレインが出力信号ラインOUTLに接続される。PMOSトランジスタP3及びNMOSトランジスタN3のゲートが入力信号ラインIN1Lに接続されて、PMOSトランジスタP2及びNMOSトランジスタN2のゲートが入力信号ラインIN2Lに接続されて、PMOSトランジスタP2のドレインとNMOSトランジスタN2のドレインが接続されて、NMOSトランジスタN2のソースとNMOSトランジスタN3のドレインが接続されて、NMOSトランジスタN3のソースが接地電圧ラインVSSLに接続される。
【0076】
図4Dに示すように、図3Dに示すトランジスタP4、P5、N4、N5を同一層(1F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP4のドレインとPMOSトランジスタP5のソースが接続されて、PMOSトランジスタP5のドレインとNMOSトランジスタN5のドレインが接続されて、PMOSトランジスタP4のソースが電源電圧ラインVCCLに接続され、ゲートが入力信号ラインIN2Lに接続されて、PMOSトランジスタP5のゲートが入力信号ラインIN1Lに接続されて、PMOSトランジスタP5のドレインとNMOSトランジスタN5のドレインが出力信号ラインOUTLに接続されて、NMOSトランジスタN4のドレイン、ゲート、ソースが出力信号ラインOUTL、入力信号ラインIN2L、及び接地電圧ラインVSSLに接続される。
【0077】
すなわち、図4Aないし4Dに示す例では、半導体メモリ装置のメモリセル及び周辺回路を構成するトランジスタがすべて同一層1Fに配置されるのでメモリセルの容量が増加する場合にはレイアウト面積も増加する。
【0078】
そのため、半導体メモリ装置のメモリセルのレイアウト面積を減らすためにメモリセルを構成するトランジスタを2層、または3層で積む方法が見出された。
【0079】
図5Aないし図5Dは、従来の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの他の例の配置をそれぞれ概念的に示す図であり、メモリセルを構成するトランジスタを2層に積層して配置したことを示す図である。
【0080】
図5Aに示すように、NMOSトランジスタPD1、PD2、T1、T2を第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタPU1、PU2を第2層(2F)に配置する。そして、トランジスタPD1、PD2、PU1、PU2、T1、T2の間は、図4Aのトランジスタの接続と同様に接続する。
【0081】
図5Bないし図5Dの配置では、図4Bないし図4Dの配置と同様に、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタP1〜P5、N1〜N5を第1層(1F)に配置する。
【0082】
したがって、図5Aに示すように、半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタを2層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタを1層に配置すると、メモリセルアレイのレイアウト面積が減ることになるが、周辺回路のレイアウト面積は減らないので、結果的に全体的なレイアウト面積の縮小幅は小さい。
【0083】
図6Aないし6Dは、従来の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタのまた他の例の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置したことを示す図である。
【0084】
図6Aに示すように、NMOSトランジスタPD1、PD2を第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタPU1、PU2を第2層(2F)に配置して、NMOSトランジスタT1、T2を第3層(3F)に配置する。そして、トランジスタPD1、PD2、PU1、PU2、T1、T2の間は、図4Aのトランジスタの接続と同様に接続する。
【0085】
図6Bないし図6Dの配置は、図4Bないし図4Dの配置と同様に、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタP1〜P5、N1〜N5を第1層(1F)に配置する。
【0086】
したがって、図6Aに示すように半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタを1層に配置することになると、メモリセルアレイのレイアウト面積は減ることになるが、周辺回路のレイアウト面積は減らないので、結果的に全体的なレイアウト面積の縮小幅は小さい。
【0087】
すなわち、従来の半導体メモリ装置におけるメモリセルアレイのスタティックメモリセルを2層または3層に積層して配置することによって、メモリセルアレイのレイアウト面積は減ることになるが、周辺回路を構成するトランジスタは1層に配置されるので全体的なレイアウト面積の縮小幅は小さい。
【0088】
図7Aないし7Dは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタが2層に積層して配置される場合の周辺回路を構成するトランジスタの配置を示す図である。
【0089】
図7Aの配置は、図5Aの配置と同様に、スタティックメモリセルを構成するトランジスタPU1、PU2、PD1、PD2、T1、T2を2層に積層して配置する。
【0090】
図7Bに示すように、NMOSトランジスタN1は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP1は第2層(2F)に配置する。そして、インバータを構成するトランジスタN1、P1の間は、図4Bに示すものと同様に接続する。
【0091】
図7Cに示すように、NMOSトランジスタN2、N3は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP2、P3は第2層(2F)に配置する。そして、NANDゲートを構成するトランジスタN2、N3、P2、P3の間は、図4Cに示すものと同様に接続する。
【0092】
図7Dに示すように、NMOSトランジスタN4、N5は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP4、P5は第2層(2F)に配置する。そして、NORゲートを構成するトランジスタN4、N5、P4、P5の間は、図4Dに示すものと同様に接続する。
【0093】
図7Aないし図7Dに示すように、本発明の第1実施形態の半導体メモリ装置は、メモリセルを構成するトランジスタを2層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタも2層に積層して配置することによって半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積を減らすことができる。
【0094】
図7Bないし図7Dに示すトランジスタは、互いに入れ替えて配置されてもよく、また、必ずしも第1層(1F)と第2層(2F)に配置されなければならないのではなく、例えば、第1層(1F)と第3層(3F)または第2層(2F)と第3層(3F)に配置されてもよい。
【0095】
しかし、第1層(1F)にはPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタが配置できるが、第2層(2F)には工程上の便宜のためにメモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタと同一形態のトランジスタが配置されることが好ましい。すなわち、メモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタがNMOSトランジスタならば周辺回路の第2層(2F)に配置されるトランジスタもNMOSトランジスタで構成することが望ましく、メモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタがPMOSトランジスタならば周辺回路の第2層(2F)に配置されるトランジスタもPMOSトランジスタで構成することが好ましい。
【0096】
図8Aないし8Dは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタが3層に配置される場合の周辺回路を構成するトランジスタの配置を示す図である。
【0097】
図8Aの配置は、図6Aの配置と同様に、スタティックメモリセルを構成するプルダウントランジスタPD1、PD2を第1層(1F)に配置して、プルアップトランジスタPU1、PU2を第2層(2F)に配置し、転送トランジスタT1、T2を第3層(3F)に配置する。
【0098】
図8Bに示すように、図3Bに示すNMOSトランジスタN1のチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するNMOSトランジスタN1−1、N1−2を構成して、NMOSトランジスタN1−2は第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP1は第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN1−1は第3層(3F)に配置する。そして、NMOSトランジスタN1−1、N1−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、NMOSトランジスタN1−1、N1−2とPMOSトランジスタP1との間は図4Bに示すものと同様に接続する。
【0099】
図8Cに示すように、PMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2は第1層(1F)に配置して、PMOSトランジスタP3は第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN3は第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP2、P3とNMOSトランジスタN2、N3との間は図4Cに示すものと同様に接続する。
【0100】
図8Dに示すように、図3Dに示すNMOSトランジスタN4、N5それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するNMOSトランジスタN4−1、N4−2、N5−1、N5−2を構成して、NMOSトランジスタN4−1、N5−1は第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP4、P5は第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN5−1、N5−2は第3層(3F)に配置する。そして、NMOSトランジスタN4−1、N4−1のゲート、ソース、ドレインを共通で接続して、NMOSトランジスタN5−1、N5−2のゲート、ソース、ドレインを共通で接続する。PMOSトランジスタP4、P5とNMOSトランジスタN4、N5との間は図4Dに示すものと同様に接続する。
【0101】
図8Aないし図8Dに示すように、本発明の第2実施形態の半導体メモリ装置は、メモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置して、周辺回路を構成するトランジスタも3層に積層して配置することによって半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積を減らすことができる。
【0102】
図9Aないし9Dは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図で、メモリセルを構成するトランジスタが3層に配置される場合の周辺回路を構成するトランジスタの配置を示す図である。
【0103】
図9Aの配置は、図8aの配置と同様に、スタティックメモリセルを構成するトランジスタを3層に積層して配置する。
【0104】
図9Bに示すように、インバータを構成するPMOSトランジスタP1それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するPMOSトランジスタP1−1、P1−2を構成して、PMOSトランジスタP1−1を第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP1−2を第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN1を第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP1−1、P1−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP1−1、P1−2とNMOSトランジスタN1との間は図4Bに示すものと同様に接続する。
【0105】
図9Cに示すように、NANDゲートを構成するPMOSトランジスタP2、P3それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するPMOSトランジスタP2−1、P2−2、P3−1、P3−2を構成して、PMOSトランジスタP2−2、P3−2を第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP2−1、P3−1を第2層(2F)に配置して、NMOSトランジスタN2、N3を第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP2−1、P2−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP3−1、P3−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続し、PMOSトランジスタP2−1、P2−2、P3−1、P3−2とNMOSトランジスタN2、N3との間は図4Cに示すものと同様に接続する。
【0106】
図9Dに示すように、NORゲートを構成するPMOSトランジスタP4、P5それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するPMOSトランジスタP4−1、P4−2、P5−1、P5−2を構成して、PMOSトランジスタP4−1、P5−1を第1層(1F)に配置し、PMOSトランジスタP4−2、P5−2を第2層(2F)に配置し、NMOSトランジスタN4、N5を第3層(3F)に配置する。そして、PMOSトランジスタP4−1、P4−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP5−1、P5−2のゲート、ドレイン、及びソースを共通で接続して、PMOSトランジスタP4−1、P4−2、P5−1、P5−2とNMOSトランジスタN4、N5との間は図4Dに示すものと同様に接続する。
【0107】
そして、図示してないが、NANDゲートを構成するNMOSトランジスタN2、N3それぞれのチャンネル幅の1/2のチャンネル幅を有するNMOSトランジスタN2−1、N2−2、N3−1、N3−2を構成して、PMOSトランジスタP2、P3とNMOSトランジスタN2−1、N2−2、N3−1、N3−2を互いに異なる3つの層に2個ずつ配置することもできる。
【0108】
また、上述の実施形態のインバータ、NANDゲート、及びNORゲートを構成するトランジスタは、互いに異なる層に配置されてもよく、また、必ずしも図示された層に配置する必要はない。
【0109】
しかし、第1層(1F)にはPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタが配置できるが、第2層(2F)には工程上の便宜のためにメモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタと同一形態のトランジスタが配置されることが好ましい。すなわち、メモリセルの第2層(2F)に配置されるトランジスタがPMOSトランジスタならば周辺回路の第2層(2F)に配置されるトランジスタもPMOSトランジスタで構成することが好ましく、メモリセルの3層(3F)に配置されるトランジスタがNMOSトランジスタならば周辺回路の3層(3F)に配置されるトランジスタもNMOSトランジスタで構成することが好ましい。
【0110】
そして、上述の半導体メモリ装置のスタティックメモリセル及び周辺回路を構成するインバータ、NANDゲート、及びNORゲートの実施形態の配置及び構造を次に説明する。
【0111】
図10Aないし図16A、図10Bないし図16B、図10Cないし図16C、図10Dないし図16Dは、本発明の実施形態によるメモリセル、インバータ、NANDゲート、及びNORゲートそれぞれの配置を説明するための平面図であり、図17A、17Bは、図10Aないし図16AのI−I'、II−II'における本発明の実施形態のメモリセルの構造を示す断面図であり、図18ないし図20は、図10Bないし図16B、図10Cないし図16C、図10Dないし図16DのX−X’における本発明の実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【0112】
図10A及び図17A、17Bを参照すると、半導体基板SUBに第1活性領域1b’及び第2活性領域1a’が向き合いながらy軸に平行になるように配置されて、第2活性領域1a’の一端はx軸に平行になるように延長される。また、半導体基板SUBに第3活性領域1b”及び第4活性領域1a”が向き合いながらy軸に平行になるように配置されて、第4活性領域1a”の一端はx軸に平行になるように延長される。ゲートパターン1c’はy軸方向に平行に配置された第1活性領域1b’及び第2活性領域1a’の上部を横切るようにx軸方向に配置されて、ゲートパターン1c”はy軸方向に平行に配置された第3活性領域1b”及び第4活性領域1a”の上部を横切るようにx軸方向に配置される。ゲートパターン1c’の一側に位置した第1活性領域1b’の表面にドレイン領域PD1Dが形成されて、他側に位置した第2活性領域1a’の表面にソース領域PD1Sが形成される。同様に、ゲートパターン1c”の一側に位置した第3活性領域1b”の表面にドレイン領域PD2Dが形成されて、他側に位置した第4活性領域1a”の表面にソース領域PD2Sが供給される。ゲートパターン1c’、1c”それぞれは、順に積層されたNMOSトランジスタPD1のゲート電極PD1Gとキャッピング絶縁膜2a’及びNMOSトランジスタPD2のゲート電極PD2Gとキャッピング絶縁膜2a”を含むことができ、ゲートパターン1c’、1c”それぞれと半導体基板SUBの間にゲート絶縁膜2b’、2b”が介在される。そして、ゲートパターン1c’、1c”の側壁にスペーサ2cが形成され、NMOSトランジスタPD1、PD2を有する半導体基板SUBの全面上に層間絶縁膜2eが積層される。そして、NMOSトランジスタPD1、PD2を有する半導体基板SUB及び層間絶縁膜2eとの間にエッチング阻止膜2dがさらに介在されることができる。このような方法で、半導体基板SUB上にバルクトランジスタであるNMOSトランジスタPD1、PD2が形成される。
【0113】
図10B及び図18を参照すると、半導体基板SUBに第1及び第2活性領域20a’、20b’が向き合いながら配置されて、ゲートパターン20c’が第1及び第2活性領域20a’、20b’の上部にy方向に配置されて、一端は第1活性領域20a’が位置した側のx方向に平行になるように延長される。第1活性領域20a’の表面にNMOSトランジスタN1のドレイン領域N1Dが形成されて、第2活性領域20b’の表面にNMOSトランジスタN1のソース領域N1Sが形成される。そして、NMOSトランジスタN1のゲートパターン20c’は、順に積層されたNMOSトランジスタN1のゲート電極N1Gとキャッピング絶縁膜21aを含むことができ、ゲートパターン20c’と半導体基板SUBとの間にゲート絶縁膜21bが介在される。そして、ゲートパターン20c’の側壁にスペーサ21cが形成されることができ、NMOSトランジスタN1を有する半導体基板SUBの全面上に層間絶縁膜21eが積層される。そして、NMOSトランジスタN1を有する半導体基板SUBと層間絶縁膜21eとの間にエッチング阻止膜21dがさらに介在されることができる。よって、半導体基板SUB上にインバータを構成するバルクトランジスタであるNMOSトランジスタN1が形成される。
【0114】
図10C及び図19を参照すると、半導体基板SUBに第1、第2、及び第3活性領域40a’、40b’、40a”が形成される。そして、ゲートパターン40c’が第1及び第2活性領域40a’、40b’の上部にy方向に配置されて、一端は第1活性領域40aが位置した側のx方向に平行になるように配置されて、ゲートパターン40c”が第2及び第3活性領域40b’、40a”の上部にy方向に配置されて、一端は第1活性領域40a”が位置した側のx方向に平行になるように配置される。また、ゲートパターン40c’の一端とゲートパターン40c”の一端は対角線方向に配置される。NMOSトランジスタN2のゲートパターン40c’は、順に積層されたNMOSトランジスタN2のゲート電極N2Gとキャッピング絶縁膜41a’を含むことができ、ゲートパターン40c’と半導体基板SUBとの間にゲート絶縁膜41b’が介在される。そして、半導体基板SUBの第1活性領域40a’の表面にNMOSトランジスタN2のドレイン領域N2Dが形成されて、第2活性領域40b’の表面にNMOSトランジスタN2、N3のソース領域及びドレイン領域N2S、N3Dが形成されて、第3活性領域40a”の表面にNMOSトランジスタN3のソース領域N3Sが形成される。ゲートパターン40c’の側壁にスペーサ41cが形成されることができ、NMOSトランジスタN2を有する半導体基板SUBの全面上に層間絶縁膜41eが積層される。そして、NMOSトランジスタN2を有する半導体基板SUBと層間絶縁膜41eの間にエッチング阻止膜41dがさらに介在されることができる。同様に、NMOSトランジスタN3のゲートパターン40c”も、NMOSトランジスタN2のゲートパターン40c’と同一形態で形成される。よって、半導体基板SUB上にNANDゲートを構成するバルクトランジスタであるNMOSトランジスタN2、N3が形成される。
【0115】
図10D及び図20を参照すると、半導体基板SUBにNウェル(N−WELL)が形成されて、Nウェル(N−WELL)に第1、第2、及び第3活性領域60a’、60b’、60a”が形成される。そして、ゲートパターン60c’、60c”それぞれは図10Cのゲートパターン40c’、40c”と同一形態で供給される。図20に示すように、半導体基板SUB上にバルクトランジスタであるPMOSトランジスタP4、P5が形成される。PMOSトランジスタP4、P5は、図19に示すNMOSトランジスタN2、N3と同一形態を有する。
【0116】
図11A、図17A、17Bを参照すると、NMOSトランジスタPD1のドレイン領域PD1Dは層間絶縁膜2e、エッチング阻止膜2dを貫通する下部ノード半導体プラグ3a’に電気的に接続されて、NMOSトランジスタPD2のドレイン領域PD2Dは層間絶縁膜2e、エッチング阻止膜2dを貫通する下部ノード半導体プラグ3a”に電気的に接続される。下部ボディパターン3b’、3b”が層間絶縁膜2e上に配置されて、下部ノード半導体プラグ3a’、3a”それぞれを覆うように配置される。
【0117】
図11B及び図18を参照すると、NMOSトランジスタN1のドレイン領域N1Dは層間絶縁膜21e、エッチング阻止膜21dを貫通するノード半導体プラグ22bに電気的に接続されて、下部ボディパターン22aは層間絶縁膜21e上に配置されて、ノード半導体プラグ22bを覆うように配置される。
【0118】
図11C及び図19を参照すると、NMOSトランジスタN2のドレイン領域N2Dは層間絶縁膜41e、エッチング阻止膜41dを貫通するノード半導体プラグ42bに電気的に接続されて、下部ボディパターン42aは層間絶縁膜41e上に配置されて、ノード半導体プラグ42bを覆うように配置される。
【0119】
メモリセル、インバータ、及びNANDゲートが図11A、図11Cと共に配置される場合に、図11Dに示すNORゲートの配置は図10Dと同一配置を有する。
【0120】
図12A及び図17A、17Bを参照すると、下部ボディパターン3b’の上部を横切るようにPMOSトランジスタPU1のゲートパターン4b’が配置されて、下部ボディパターン3b”の上部を横切るようにPMOSトランジスタPU2のゲートパターン4b”が配置される。そして、下部ボディパターン3b’の上部に下部ノード半導体プラグ3a’が配置された位置に上部ノード半導体プラグ4a’が配置されて、下部ボディパターン3b”の上部に下部ノード半導体プラグ3a”が配置された位置に上部ノード半導体プラグ4a”が配置される。下部ボディパターン3b’、3b”それぞれの上部にPMOSトランジスタPU1、PU2それぞれのゲート電極PU1G、PU2Gが形成される。下部ボディパターン3b’内にPMOSトランジスタPU1のソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dが形成されて、下部ボディパターン3b”内にPMOSトランジスタPU2のソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dが形成される。よって、NMOSトランジスタPD1、PD2の上部に薄膜トランジスタであるPMOSトランジスタPU1、PU2が積層される。
【0121】
図12B及び図18を参照すると、ゲートパターン23aが下部ボディパターン22aの上部にゲートパターン20c’と同一形態に配置される。下部ボディパターン22aの上部にPMOSトランジスタP1のゲート電極P1Gが配置されて、下部ボディパターン22a内にPMOSトランジスタP1のドレイン領域P1Dとソース領域P1Sが形成される。ゲート電極P1Gの上部にキャッピング絶縁膜24aが介在されて、下部にゲート絶縁膜24bが介在される。そして、ゲートパターン23aの側壁にスペーサ24cが形成されることができ、PMOSトランジスタP1を有する下部ボディパターン22aの全面上に層間絶縁膜24eが積層される。そして、PMOSトランジスタP1を有する下部ボディパターン22aと層間絶縁膜21eの間にエッチング阻止膜21dがさらに介在される。よって、NMOSトランジスタN1の上部に薄膜トランジスタであるPMOSトランジスタP1が積層される。
【0122】
図12C及び図19を参照すると、ゲートパターン43a’、43a”は下部ボディパターン42aの上部にゲートパターン40c’、40c”と重畳されるように配置される。下部ボディパターン42aの上部にPMOSトランジスタP2、P3のゲート電極P2G、P3Gが配置されて、下部ボディパターン42a内にPMOSトランジスタP2のドレイン領域P2D、PMOSトランジスタP2、P3のソース領域P2Sとドレイン領域P3S、及びPMOSトランジスタP3のドレイン領域P3Dが形成される。ゲート電極P2Gの上部にキャッピング絶縁膜44a’が介在されて、下部にゲート絶縁膜44b’が介在されて、同様に、ゲート電極P3Gの上部にキャッピング絶縁膜44a”が介在されて、下部にゲート絶縁膜44b”が介在されて、ゲートパターン43a’、43a”の側壁上にスペーサ44c’、44c”が形成される。そして、PMOSトランジスタP2、P3を有する下部ボディパターン42aの全面上に層間絶縁膜44eが積層される。そして、PMOSトランジスタP2、P3を有する下部ボディパターン42aと層間絶縁膜44eとの間にエッチング阻止膜44dがさらに介在されることができる。よって、NMOSトランジスタN2、N3の上部に薄膜トランジスタであるPMOSトランジスタP2、P3が積層される。
【0123】
メモリセル、インバータ、及びNANDゲートが図11A、図11Cと共に配置される場合に図12Dに示すNORゲートの配置は図11Dと同一配置を有する。
【0124】
図13A及び図17A、17Bを参照すると、層間絶縁膜5e上に上部ボディパターン6a’、6a”が配置される。上部ボディパターン6a’、6a”はそれぞれ上部ノード半導体プラグ4a’、4a”を覆うように配置されて、下部ボディパターン3b’、3b”と重畳されるように配置される。上部ボディパターン6a’、6a”の上部を横切るようにワードラインパターン6bが形成されて、ワードラインパターン6bはゲートパターン1c’、1c”と重畳されるように配置される。上部ボディパターン6a’、6a”それぞれの上部にワードラインT1G、T2Gが形成されて、上部ボディパターン6a’の内部に転送トランジスタT1のドレイン領域T1D及びソース領域T1Sが形成されて、上部ボディパターン6a”の内部に転送トランジスタT2のドレイン領域T2D及びソース領域T2Sが形成される。そして、ワードラインT1G、T2Gの上部にキャッピング絶縁膜7aが介在されて、下部にゲート絶縁膜7bが介在され、ワードラインパターン6bの側壁にスペーサ7cが形成される。転送トランジスタT1、T2を有する上部ボディパターン6a’、6a”の全面上に層間絶縁膜7eが積層される。そして、転送トランジスタT1、T2を有する上部ボディパターン6a’、6a”と層間絶縁膜7eの間にエッチング阻止膜7dがさらに介在される。よって、プルアップトランジスタPU1、PU2の上部に薄膜トランジスタである転送トランジスタT1、T2が積層される。
【0125】
メモリセルが図13Aに示すように配置される場合、図13B、図13Cに示すインバータ及びNANDゲートの配置は図12B、図12Cと同一配置を有する。
【0126】
図13D及び図20を参照すると、PMOSトランジスタP5のドレイン領域P5Dは層間絶縁膜64e、61e、エッチング阻止膜41dを貫通するノード半導体プラグ65bに電気的に接続されて、上部ボディパターン65aは層間絶縁膜64e及びノード半導体プラグ65bを覆うように配置される。
【0127】
図14A、及び図17A、17Bを参照すると、下部ノード半導体プラグ3a’、上部ノード半導体プラグ4a’、プルダウントランジスタPD1のドレイン領域PD1S、プルアップトランジスタPU1のドレイン領域PU1S、及び転送トランジスタT1のソース領域T1S、プルダウントランジスタPD2のゲート電極PD2G、及びプルアップトランジスタPU2のゲート電極PU2Gがノードプラグ8a’を介して電気的に接続される。そして、下部ノード半導体プラグ3a”、上部ノード半導体プラグ4a”、プルダウントランジスタPD2のドレイン領域PD2D、プルアップトランジスタPU2のドレイン領域PU2D、及び転送トランジスタT2のソース領域T2S、プルダウントランジスタPD1のゲート電極PD1G、及びプルアップトランジスタPU1のゲート電極PU1Gがノードプラグ8a”を介して電気的に接続される。
【0128】
メモリセルが図14Aに示すように配置される場合、図14B、図14Cに示すインバータ及びNANDゲートの配置は図13B、図13Cと同一配置を有する。
【0129】
図14D及び図20を参照すると、ゲートパターン66a’、66a”は上部ボディパターン65aの上部にゲートパターン60c’、60c”と重畳されるように配置される。図20に示すように、上部ボディパターン65aの上部にNMOSトランジスタN4、N5のゲート電極N4G、N5Gが配置されて、上部ボディパターン65a内にNMOSトランジスタN5のドレイン領域N5D、NMOSトランジスタN4、N5のソース領域N5Sとドレイン領域N4D、及びNMOSトランジスタN4のソース領域N4Sが供給される。ゲート電極N5Gの上部にキャッピング絶縁膜67a’が介在されて、下部にゲート絶縁膜67b’が介在されて、同様に、ゲート電極N4Gの上部にキャッピング絶縁膜67a”が介在されて、下部にゲート絶縁膜67b”が介在されて、ゲートパターン66a’、66a”の側壁にスペーサ67c’、67c”が形成される。そして、NMOSトランジスタN4、N5を有する上部ボディパターン65aの全面上に層間絶縁膜67eが積層される。そして、NMOSトランジスタN4、N5を有する上部ボディパターン65aと層間絶縁膜67eの間にエッチング阻止膜67dがさらに介在される。よって、PMOSトランジスタP4、P5の上部に薄膜トランジスタであるNMOSトランジスタN4、N5が積層される。
【0130】
図15A及び図17A、17Bを参照すると、ノードプラグ8a’、8a”及び層間絶縁膜7e上に層間絶縁膜9cが積層される。プルアップトランジスタPU1のソース領域PU1Sが電源ラインコンタクトプラグ9a’に電気的に接続されて、プルアップトランジスタPU2のソース領域PU2Sが電源ラインコンタクトプラグ9a”に電気的に接続される。そして、プルダウントランジスタPD1のソース領域PD1Sが接地ラインコンタクトプラグ9b’に電気的に接続されて、プルダウントランジスタPD2のソース領域PD2Sの接地ラインコンタクトプラグ9b”に電気的に接続される。
【0131】
図15B及び図18を参照すると、層間絶縁膜24e上に層間絶縁膜26が積層される。ノード半導体プラグ22b、NMOSトランジスタN1のドレイン領域N1D及びPMOSトランジスタP1のドレイン領域P1Dが出力信号ラインコンタクトプラグ25aに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP1のソース領域P1Sが電源ラインコンタクトプラグ25bに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN1のソース領域N1Sが接地ラインコンタクトプラグ25cに電気的に接続される。そして、図示してないが、PMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN1のゲート電極P1G、N1Gが入力信号ラインコンタクトプラグ25dに電気的に接続される。
【0132】
図15c及び図19を参照すると、層間絶縁膜44e上に層間絶縁膜46が積層される。ノードコンタクトプラグ42b、NMOSトランジスタN2のドレイン領域N2D及びPMOSトランジスタP2のドレイン領域P2Dが出力信号ラインコンタクトプラグ45aに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP2、P3のソース領域P2S、P3Sが電源ラインコンタクトプラグ45bに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP3のドレイン領域P3Dが出力信号ラインコンタクトプラグ45cに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN3のソース領域N3Sが接地ラインコンタクトプラグ45dに電気的に接続される。NMOSトランジスタN2及びPMOSトランジスタP2のゲート電極N2G、P2Gが第1入力信号ラインコンタクトプラグ45eに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN3及びPMOSトランジスタP3のゲート電極P2G、P3Gが第2入力信号ラインコンタクトプラグ45fに電気的に接続される。
【0133】
図15D及び図20を参照すると、層間絶縁膜67e上に層間絶縁膜69が配置される。ノードコンタクトプラグ65b、PMOSトランジスタP5のドレイン領域P5D及びNMOSトランジスタN5のドレイン領域N5Sが出力信号ラインコンタクトプラグ68aに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN5のソース領域N5S及びNMOSトランジスタN4のドレイン領域N4Dが接地ラインコンタクトプラグ68bに電気的に接続されて、NMOSトランジスタN4のソース領域N4Sが出力信号ラインコンタクトプラグ68cに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP4のソース領域P4Sが電源ラインコンタクトプラグ68dに電気的に接続される。PMOSトランジスタP5及びNMOSトランジスタN5のゲート電極P5G、N5Gが第1入力信号ラインコンタクトプラグ68cに電気的に接続されて、PMOSトランジスタP4及びNMOSトランジスタN4のゲート電極P4G、N4Gが第2入力信号ラインコンタクトプラグ68dに電気的に接続される。
【0134】
図16A及び図17A、17Bを参照すると、層間絶縁膜9c上に層間絶縁膜11が配置される。電源ラインコンタクトプラグ9a’上に電源電圧ライン10bが覆わされて、接地ラインコンタクトプラグ9b’上に接地電圧ライン10aが覆う。そして、電源ラインコンタクトプラグ9a”上に電源電圧ライン10bが覆わされて、接地ラインコンタクトプラグ9b”上に接地電圧ライン10bが覆う。層間絶縁膜11上に層間絶縁膜12が配置されて、転送トランジスタT1、T2のドレイン領域T1D、T2Dそれぞれがビットラインコンタクトプラグ13a’、13a”に電気的に接続される。そして、ビットラインコンタクトプラグ13a’、13a”上にビットライン14が覆う。
【0135】
図16B及び図18を参照すると、層間絶縁膜26上に層間絶縁膜28が配置されて、出力信号ラインコンタクトプラグ25a上を出力信号ライン27aが覆い、接地ラインコンタクトプラグ25b上を接地電圧ライン27bが覆い、電源ラインコンタクトプラグ25c上を電源電圧ライン27cが覆う。そして、入力信号ラインコンタクトプラグ25d上を入力信号ライン27dが覆う。
【0136】
図16C及び図19を参照すると、層間絶縁膜46上に層間絶縁膜48が配置されて、出力信号ラインコンタクトプラグ45a上を出力信号ライン47aが覆い、電源ラインコンタクトプラグ45b上を電源電圧ライン47bが覆い、出力信号ラインコンタクトプラグ45c上を出力信号ライン47cが覆い、接地ラインコンタクトプラグ45d上を接地電圧ライン47dが覆う。そして、第1入力信号ラインコンタクトプラグ45e上を第1入力信号ライン47eが覆い、第2入力信号ラインコンタクトプラグ45f上を第2入力信号ライン47fが覆う。
【0137】
図16D及び図20を参照すると、層間絶縁膜69上に層間絶縁膜71が配置され、出力信号ラインコンタクトプラグ68a上を出力信号ライン70aが覆い、接地ラインコンタクトプラグ68b上を接地電圧ライン70bが覆い、出力信号ラインコンタクトプラグ68c上を出力信号ライン70aが覆い、電源ラインコンタクトプラグ68d上を電源電圧ライン70dが覆う。そして、第1入力信号ラインコンタクトプラグ68e上を第1入力信号ライン70eが覆い、第2入力信号ラインコンタクトプラグ68e上を第2入力信号ライン70fが覆う。
【0138】
上述の実施形態のノードコンタクトプラグと、上部及び下部ボディパターンは単結晶シリコン基板とすることができる。そして、上部及び下部ボディパターンは多結晶シリコン基板とすることもでき、この場合にノードコンタクトプラグは必要ではない。
【0139】
上述した実施形態のメモリセルのように、メモリセルの1層にバルクトランジスタが配置され、2層及び3層に薄膜トランジスタが配置される場合に、工程の便宜のために周辺回路の2層及び3層に配置される薄膜トランジスタの形態はメモリセルの2層及び3層に配置される薄膜トランジスタの形態と同一形態を配置することが好ましい。
【0140】
図21A、12Bは本発明のメモリセルアレイ及び周辺回路における第1実施形態の積層構造を示す図で、図21Aに示すように、メモリセルアレイの第1層、第2層、及び第3層にそれぞれバルクNMOSトランジスタ、薄膜PMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタが積層される場合、周辺回路の第1層、第2層及び第3層に図21Bに示すような形態で積層されることが工程上の便宜のために好ましい。すなわち、第1層にはバルクNMOSトランジスタ又は/及びバルクPMOSトランジスタが配置されることができ、第2層、第3層には、メモリセルアレイの第2層、第3層に配置されるトランジスタと同一形態の薄膜PMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタがそれぞれ積層されることが好ましい。
【0141】
図22A、22Bは本発明のメモリセルアレイ及び周辺回路における第2実施形態の積層構造を示す図で、図22Aに示すように、メモリセルアレイの第1層、第2層、及び第3層にそれぞれバルクNMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタ、薄膜PMOSトランジスタが積層される場合、周辺回路の第1層、第2層及び第3層に図22Bに示すような形態で積層されることが工程上の便宜のために好ましい。すなわち、第1層にはバルクNMOSトランジスタ又は/及びバルクPMOSトランジスタが配置されることができ、第2層、第3層には、メモリセルアレイの第2層、第3層に配置されるトランジスタと同一形態の薄膜NMOSトランジスタ、薄膜PMOSトランジスタがそれぞれ積層されることが好ましい。
【0142】
図23A、23Bは本発明のメモリセルアレイ及び周辺回路における第3実施形態の積層構造を示す図であり、図23Aに示すように、メモリセルアレイの第1層、第2層、及び第3層にそれぞれバルクPMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタが積層される場合、周辺回路の第1層、第2層及び第3層に図23Bに示すような形態で積層されることが工程上の便宜のために好ましい。すなわち、第1層にはバルクNMOSトランジスタ又は/及びバルクPMOSトランジスタが配置されることができ、第2層、第3層にはメモリセルアレイの第2層、3層に配置されるトランジスタと同一形態の薄膜NMOSトランジスタ、薄膜NMOSトランジスタがそれぞれ積層されることが好ましい。
【0143】
勿論、周辺回路の第2層及び第3層に配置される薄膜トランジスタの形態がメモリセルアレイの第2層及び第3層に配置される薄膜トランジスタの形態と異なる配置も可能であるが、この場合には工程が複雑となる。
【0144】
本発明の半導体メモリ装置によれば、メモリセルのレイアウト面積だけではなく、周辺回路のレイアウト面積を減らすことができるので半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積を減少することができる。
【0145】
上述の実施形態ではインバータ、NANDゲート、NORゲートを構成するトランジスタを積層することについて説明したが、ANDゲート、及びORゲートのような論理ゲートや他の論理回路を構成するトランジスタを積層することもできる。
【0146】
また、本発明の周辺回路は、周辺回路の全ての機能のブロックを構成するトランジスタを積層して配置するのではなく、一部機能のブロック、例えば、ロウ及び/又はカラムデコーダを構成するトランジスタのみを積層して配置するか、ロウ及び/又はカラムデコーダの出力端のドライバ(一般的に、インバータで構成される)を構成するトランジスタのみを積層して配置することもできる。
【0147】
上述の実施形態の周辺回路を構成するインバータ、NANDゲート、及びNORゲートの配置方法は他の半導体装置にも有用に用いられることができる。
【0148】
上述の実施形態に示すように、メモリセルアレイのトランジスタについてだけでなく、周辺回路を構成するトランジスタについても積層して配置することによって周辺回路のレイアウト面積を減らすことができる。よって、半導体メモリ装置の全体的なレイアウト面積が減ることになる。
【0149】
しかしながら、上述の実施形態に示すものとは異なって、メモリセルアレイのトランジスタは積層して構成し、周辺回路を構成するトランジスタは一つの層に配置することもできる。このように配置すると周辺回路が配置される領域のレイアウト面積を減少することはできないが、高性能のトランジスタを配置することが可能となる。
【0150】
図24A、24Bは、本発明の半導体メモリ装置におけるスタティックメモリセル及び周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第4実施形態をそれぞれ概念的に示す図で、スタティックメモリセルは図8Aと同じく配置し、インバータは図5Bに示すようにPMOSトランジスタP1とNMOSトランジスタN1を同一層に配置するものの、第1層(1F)ではなく第3層(3F)に配置したものである。そして、周辺回路の第1層(1F)と第2層(2F)はダミー層として配置し、如何なるトランジスタも形成しないで配置したものである。
【0151】
本発明の半導体メモリ装置における周辺回路のインバータの構造及び製造方法を説明することによって、周辺回路のトランジスタを形成する方法を説明することにする。
【0152】
図25は図24Bに示す周辺回路のインバータの実施形態の平面図であり、図26A、26Bないし図34A、34Bはメモリセルとインバータの製造方法を説明するための実施形態の断面図を示す図である。図26A、26Bないし図34A、34Bにおいて、参照符号「C」で表示した部分はメモリセルアレイ領域を示し、参照符号「P」は周辺回路領域を示す。そして、図26Aないし図34Aの断面図は、図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図であり、図26Bないし図34Bの断面図は、図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【0153】
半導体基板100はセル領域C及び周辺回路領域Pを備える。セル領域の構造及び配置は上述の説明を参照するとよく理解できるはずであり、ここでは周辺回路領域Pの構造及び配置についてのみ説明する。
【0154】
図25、図26A、26Bを参照すると、セル領域Cに層間絶縁膜2eが形成される際、周辺回路領域Pの半導体基板SUB上に層間絶縁膜2eが形成される。層間絶縁膜2eは平坦化された上部面を有する。そして、セル領域Cにエッチング阻止膜2dが形成される際、周辺回路領域Pにエッチング阻止膜2dが形成されることができる。エッチング阻止膜2dは層間絶縁膜2eに対してエッチング選択比を有する絶縁膜であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜2eがシリコン酸化膜の場合、エッチング阻止膜2dはシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜(silicon oxynitride layer)とすることができる。
【0155】
図25、図27A、27Bを参照すると、セル領域Cに下部ボディパターン3b’、3b”が形成される際、周辺回路領域Pに提供されたエッチング阻止膜2d及び層間絶縁膜2eが除去され、半導体基板SUBを覆う周辺下部ボディパターン3pが形成される。この場合、セル領域Cに残存するエッチング阻止膜2d及び層間絶縁膜2eはそれぞれエッチング阻止膜パターン及び層間絶縁膜パターンとして理解することができる。周辺下部ボディパターン3pの表面は、実質的にセル領域Cの下部ボディパターン3b’、3b”の表面と水平的同一線上に位置するように形成することができる。周辺下部ボディパターン3pは、単結晶半導体構造とすることができる。例えば、半導体基板SUBが単結晶シリコン構造の場合、周辺下部ボディパターン3pは単結晶シリコン構造とすることができる。
【0156】
図25、図28A、28Bを参照すると、セル領域Cに第1及び第2負荷トランジスタTL1、TL2を覆うエッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eが形成される際、周辺領域Pにエッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eが形成される。エッチング阻止膜5dは層間絶縁膜5eに対してエッチング選択比を有する絶縁膜であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜5eがシリコン酸化膜の場合、エッチング阻止膜5dはシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜(silicon oxynitride layer)とすることができる。
【0157】
図25、図29A、29Bを参照すると、セル領域Cに上部ボディパターン6a’、6a”が形成される際、周辺回路領域Pに提供されたエッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eが除去され、周辺下部ボディパターン3pを覆う周辺上部ボディパターン6pが形成される。周辺上部ボディパターン6pの表面は実質的にセル領域Cの上部ボディパターン6a’、6a”の表面と水平的同一線上に形成されることができる。周辺上部ボディパターン6pは周辺下部ボディパターン3pと等しい結晶構造を有する単結晶半導体構造とすることができる。例えば、周辺下部ボディパターン3pが単結晶シリコン構造の場合、周辺上部ボディパターン6pも単結晶半導体構造、例えば単結晶シリコン構造とすることができる。周辺下部ボディパターン3p及び周辺上部ボディパターン6pは周辺ボディパターン6p’を構成することができる。
【0158】
一方、周辺下部ボディパターン3p及び周辺上部ボディパターン6pは、一回の工程によって形成された単結晶半導体構造、例えば単結晶シリコン構造とすることができる。周辺回路領域Pの周辺上部ボディパターン6pに素子分離用絶縁膜7e’が形成されることができる。
【0159】
図25、図30A、30Bを参照すると、セル領域CにNMOSトランジスタT1、T2のワードラインパターン6bが供給される際、周辺回路領域Pの第1周辺活性領域1pの上部を横切るPMOSトランジスタP1のゲートパターン23a’が形成される。PMOSトランジスタP1のゲートパターン23a’は、順に積層されたポリシリコン膜パターンP1G及びPMOSゲート金属シリサイド膜24a’を含むことができる。そして、第2周辺活性領域1p’の上部を横切るNMOSトランジスタN1のゲートパターン20c”が形成される。NMOSトランジスタN1のゲートパターン20c”は、順に積層されたポリシリコン膜パターンN1G及びNMOSゲート金属シリサイド膜21a’を含むことができる。ゲート金属シリサイド膜21a’、24a’はニッケルシリサイド膜、コバルトシリサイド膜、チタンシリサイド膜、またはタングステンシリサイド膜とすることができる。セル領域CのNMOSトランジスタT1とNMOSトランジスタT2も、金属シリサイド膜7d’を含むことができる。
【0160】
PMOSゲートパターン23a’の両側に位置した第1周辺活性領域1pの表面にそれぞれPMOSトランジスタP1のドレイン領域P1D及びソース領域P1Sが形成される。ソース領域P1S及びドレイン領域P1Dと共にPMOSゲートパターン23a’はPMOSトランジスタP1を構成する。これと同様に、NMOSゲートパターン20c”の両側に位置した第2周辺活性領域1p’の表面にそれぞれNMOSトランジスタN1のドレイン領域N1D及びソース領域N1Sが形成される。ソース領域N1S及びドレイン領域N1Dと共にNMOSゲートパターンN1GはNMOSトランジスタN1を構成する。PMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN1のソース/ドレイン領域P1S、P1D及びソース/ドレイン領域N1S、N1Dの表面にそれぞれ金属シリサイド膜7d’が形成されることができる。金属シリサイド膜7d’はニッケルシリサイド膜、コバルトシリサイド膜、チタンシリサイド膜、またはタングステンシリサイド膜とすることができる。そして、NMOSトランジスタN1及びPMOSトランジスタP1を含む半導体基板の全面上に層間絶縁膜7eが積層される。これに加えて、半導体基板SUBと層間絶縁膜7eとの間にエッチング阻止膜7dがさらに介在されることができる。エッチング阻止膜7は層間絶縁膜7eに対してエッチング選択比を有する絶縁膜であることが好ましい。例えば、層間絶縁膜7eがシリコン酸化膜の場合、エッチング阻止膜7dはシリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜とすることができる。
【0161】
図25、図31A、31Bを参照すると、セル領域Cと同様に周辺回路領域Pの層間絶縁膜7e上に層間絶縁膜9cが配置される。
【0162】
図25、図32A、31Bを参照すると、周辺回路領域Pの層間絶縁膜9c内に周辺電源ラインコンタクトプラグ9e、周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’及び出力信号ラインコンタクトプラグ9f、9e’が配置されることができる。
【0163】
そして、周辺電源ラインコンタクトプラグ9e、周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’及び出力信号ラインコンタクトプラグ9f、9e’を覆う層間絶縁膜11が配置される。
【0164】
図25、図33A、33Bを参照すると、周辺回路領域Pの層間絶縁膜11内に周辺電源ライン10eが周辺電源ラインコンタクトプラグ9eを覆うように配置されて、周辺接地ライン10fが周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’を覆うように配置され、出力信号ライン10gが出力信号ラインコンタクトプラグ9f、9e’を覆うように配置される。
【0165】
そして、周辺電源ライン10e、周辺接地ライン10f、及び出力信号ライン10gは層間絶縁膜12で覆われる。
【0166】
上述したような方法で、周辺回路領域Pの第3層にインバータを構成するトランジスタP1、N1が配置される。NANDゲート、NORゲートを構成するトランジスタも上述の方法によって周辺回路領域Pの第3層に配置できることは勿論である。
【0167】
そこで、図16a、図25、図26A、26Bないし図34A、34Bを参照して本発明の実施形態のSRAMの製造方法を説明する。
【0168】
図16A、図25、図26A及び図26Bを参照すると、セル領域C及び周辺回路領域Pを有する半導体基板SUBを準備する。半導体基板SUBは単結晶シリコン基板とすることができる。半導体基板SUBはP型シリコン基板とすることができる。半導体基板SUBの所定領域に素子分離膜1’を形成して第1及び第2セル活性領域1b’、1b”を限定する。素子分離膜1’はセル領域Cに形成されることが好ましい。第1及び第2活性領域1b’、1b”はy軸に平行になるように形成される。これに加えて、素子分離膜1’は第1活性領域1b’の一端からx軸に沿って延長された第1接地活性領域1a’及び第2活性領域1b”の一端からx軸に沿って延長された第4活性領域1a”を提供するように形成することが好ましい。第2及び第4活性領域1a’、1a”は互いに対向するように形成される。
【0169】
第1ないし第4活性領域1a’、1b’、1a”、1b”上にゲート絶縁膜2b’、2b”を形成する。ゲート絶縁膜2b’、2b”を有する半導体基板SUBの全面上にゲート導電膜及びキャッピング絶縁膜を順に形成する。ゲート導電膜はシリコン膜として形成することができ、キャッピング絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜として形成されることができる。ゲートキャッピング絶縁膜及びゲート導電膜をパターニングして第1活性領域1b’の上部を横切るゲートパターン1c’及び第3活性領域1b”の上部を横切るゲートパターン1c”を形成する。その結果、ゲートパターン1c’は順に積層されたゲート電極PD1G及びキャッピング絶縁膜2a’を有するように形成され、ゲートパターン1c”は順に積層されたゲート電極PD2G及びキャッピング絶縁膜2a”を有するように形成される。キャッピング絶縁膜を形成する工程は省略されることもできる。この場合、ゲートパターン1c’はゲート電極のみを有し、ゲートパターン1c”はゲート電極のみを有する。
【0170】
ゲートパターン1c’、1c”をイオン注入マスクとして用いて第1ないし第4活性領域1a’、1b’、1b”、1a”内に不純物イオンを注入する。その結果、第1活性領域1b’内に互いに離隔されたソース領域PD1S及びドレイン領域PD1Dが形成され、第3活性領域1b”内に互いに離隔されたソース領域PD2D及びドレイン領域PD2Sが形成される。ソース領域PD1S、PD2Sと共にドレイン領域PD1D、PD2DはN型の不純物領域とすることができる。ソース領域PD1S及びドレイン領域PD1Dはそれぞれ駆動ゲートパターン1c’下部のチャンネル領域の両側に形成され、ソース領域PD2S及びドレイン領域PD2Dはそれぞれ駆動ゲートパターン1c”下部のチャンネル領域の両側に形成される。ソース領域PD2Sは第2活性領域1a’内にも形成され、ソース領域PD2Sは第4活性領域1a”内にも形成される。ソース領域PD1S、PD2Sと共にドレイン領域PD1D、PD2DがLDD型の構造(lightly doped drain type structure;an LDD−type structure)を有するように形成することができる。ゲートパターン1c’、1c”の側壁にゲートスペーサ2cを形成する。ゲートスペーサ2cはシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜で形成することができる。
【0171】
第1駆動ゲートパターン1c’、ソース領域PD1S及びドレイン領域PD1Dは第1バルクトランジスタ、即ち、第1NMOSトランジスタPD1を構成し、第2駆動ゲートパターン1c”、ソース領域PD2S及びドレイン領域PD2Dは第2バルクトランジスタ、即ち、第2NMOSトランジスタPD2を構成する。
【0172】
第1及び第2トランジスタPD1、PD2を有する半導体基板SUBの全面上にエッチング阻止膜2d及び層間絶縁膜2eを順に形成する。層間絶縁膜2eは化学機械的研磨技術を用いて平坦化されることが好ましい。この場合、ゲートパターン1c’、1c”上のエッチング阻止膜2dは化学機械的研磨阻止膜(chemical mechanical polishing stopper)の役目をする。
【0173】
図16A、図25、図27A、27Bを参照すると、層間絶縁膜2e及びエッチング阻止膜2dをパターニングしてセル領域Cのドレイン領域PD1D、PD2Dの所定領域をそれぞれ露出させると共に周辺回路領域Pの半導体基板を露出させる。その結果、セル領域Cに層間絶縁膜2e及びエッチング阻止膜2dを順に貫通してセル領域Cのドレイン領域PD1D、PD2Dの所定領域をそれぞれ露出させる下部ノードコンタクトホール2f’、2f”が形成できる。この場合、層間絶縁膜2e及びエッチング阻止膜2dはそれぞれ層間絶縁膜パターン及びエッチング阻止膜パターンとして理解することができる。下部ノードコンタクトホール2f’、2f”をそれぞれ埋め込んで層間絶縁膜2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う半導体膜3pを形成する。半導体膜3pは単結晶半導体構造体として形成することができる。単結晶半導体構造体はエピタキシャル技術によって形成されることができる。具体的には、エピタキシャル技術を用いて下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を埋め込んで層間絶縁膜2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う単結晶半導体構造体、すなわち、エピタキシャル層を形成する。エピタキシャル技術は選択的エピタキシャル成長技術とすることができる。エピタキシャル層は下部ノードコンタクトホール2f’、2f”によって露出された半導体基板SUBの所定領域及び周辺回路領域Pの半導体基板をシード層として用いる選択的エピタキシャル成長技術によって形成することができる。半導体基板SUBが単結晶シリコン基板の場合、エピタキシャル層は単結晶シリコン構造を有するように形成することができる。すなわち、エピタキシャル層は単結晶半導体構造体に形成することができる。続いて、化学機械的研磨工程のような平坦化技術を用いてエピタキシャル層の上部面を平らにすることができる。
【0174】
一方、下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を埋め込み、層間絶縁膜2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う半導体膜を非単結晶半導体膜で形成することができる。例えば、半導体膜は非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜で形成することができる。半導体膜を平坦化させて上部面を平らにすることができる。この場合、半導体膜を平坦化させる前又は後に、半導体膜と接触する半導体基板をシード層として採択するエピタキシャル技術、すなわち、固相エピタキシャル技術を用いて半導体膜を結晶化させることができる。その結果、半導体膜は単結晶半導体構造体に形成することができる。
【0175】
単結晶半導体構造体をパターニングしてセル領域Cに下部ボディパターン3b’、3b”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う周辺下部ボディパターン3pを形成する。下部ボディパターン3b’、3b”のそれぞれは第1及び第3活性領域1b’、1b”と重畳するように形成されることが好ましい。下部ボディパターン3b’、3b”はそれぞれ下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を覆うように形成される。
【0176】
さらに、下部ボディパターン3b’は第2活性領域1a’の一部と重畳する延長部を有するように形成することが好ましい。これと同様に、セル下部ボディパターン3b”は第4活性領域1a”の一部と重畳する延長部を有するように形成することが好ましい。
【0177】
一方、下部ノードコンタクトホール2f’、2f”を埋め込み、層間絶縁膜パターン2e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う単結晶半導体膜を形成し、単結晶半導体膜に対して化学機械的研磨工程を用いて下部ノードコンタクトホール2f’、2f”内に下部ノードコンタクトプラグ3a’、3a”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを覆う周辺単結晶半導体膜を形成することができる。単結晶半導体膜はエピタキシャル技術によって形成することができる。
【0178】
続いて、下部ノード半導体プラグ3a’、3a”を有する半導体基板SUBの全面上に半導体膜、すなわち下部ボディ層を形成することができる。下部ノード半導体プラグ3a’、3a”が単結晶シリコンプラグの場合、下部ボディ層は非単結晶半導体膜、すなわち非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜で形成することができる。下部ボディ層は当業界でよく知られた固相エピタキシャル(solid phase epitaxial;SPE)技術を用いて結晶化されることができる。例えば、固相エピタキシャル技術は下部ボディパターン3b’、3b”を約500℃ないし800℃の温度で熱処理して結晶化させることを含む。
【0179】
一方、単結晶半導体構造体をパターニングして下部ボディパターン3b’、3b”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを露出させるように周辺回路領域Pの単結晶半導体構造体を除去することができる。
【0180】
図16A、図25、図28A、28Bを参照すると、下部ボディパターン3b’、3b”の表面上にゲート絶縁膜を形成する。下部ボディパターン3b’、3b”の上部をそれぞれ横切るように負荷ゲートパターン4b’、4b”を形成する。ゲートパターン4b’、4b”はそれぞれゲートパターン1c’、1c”と重畳するように形成されることが好ましい。ゲートパターン4b’、4b”は駆動ゲートパターン1c’、1c”を形成する方法と等しい方法を用いて製作することができる。よって、ゲートパターン4b’は順に積層されたゲート電極5a’及びキャッピング絶縁膜PU1Gを有するように形成することができ、ゲートパターン4b”は順に積層されたゲート電極5a及びキャッピング絶縁膜PU2Gを有するように形成することができる。
【0181】
ゲートパターン4b’、4b”をイオン注入マスクとして用いて下部ボディパターン3b’、3b”内に不純物イオンを注入する。その結果、下部ボディパターン3b’内に互いに離隔されたソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dが形成され、下部ボディパターン3b”内に互いに離隔されたソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dが形成される。ソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dはそれぞれゲートパターン4b’下部のチャンネル両側に形成され、ソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dはそれぞれゲートパターン4b”下部のチャンネル領域の両側に形成される。ソース領域PU1S、PU2Sはそれぞれ下部ボディパターン3b’の延長部及び下部ボディパターン3b”の延長部に内にも形成される。ソース領域PU1Sは下部ノード半導体プラグ3a’上の下部ボディパターン3b’内に形成され、ドレイン領域PU2Dは下部ノード半導体プラグ3a”上の下部ボディパターン3b”内に形成される。ここで、ドレイン領域PU1Dは下部ノード半導体プラグ3a’と接触することができ、ドレイン領域PU2Dは下部ノード半導体プラグ3a”と接触することができる。
【0182】
ソース領域PU1S、PU2Sと共にドレイン領域PU1D、PD2DはP型不純物領域とすることができる。
【0183】
ソース領域PU1S、PU2Sと共にドレイン領域PU1D、PU2DはLDD型の構造(lightly doped drain type structure;an LDD−type structure)を有するように形成することができる。負荷ゲートパターン4b’、4b”の側壁にスペーサ5cが形成できる。スペーサ5cはシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜に形成できる。
【0184】
ゲートパターン4b’、ソース領域PU1S及びドレイン領域PU1Dは下部(lower)薄膜トランジスタ、すなわちPMOSトランジスタPU1を構成し、ゲートパターン4b”、ソース領域PU2S及びドレイン領域PU2Dは下部薄膜トランジスタ、すなわちPMOSトランジスタPU2を構成する。PMOSトランジスタPU1、PU2は負荷トランジスタとすることができる。負荷トランジスタPU1、PU2を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜5eを形成する。層間絶縁膜5eを形成する前にエッチング阻止膜5dをさらに形成することもできる。エッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eはエッチング阻止膜3d及び層間絶縁膜3eを形成する方法と同じ方法を用いて製造することができる。この場合に、エッチング阻止膜5d及び層間絶縁膜5eはそれぞれエッチング阻止膜パターン及び層間絶縁膜パターンとして理解することができる。
【0185】
図16A、図25、図29A、29Bを参照すると、層間絶縁膜5e及びエッチング阻止膜5dをパターニングしてソース領域PU1S及びドレイン領域PU2Dをそれぞれ露出させると共に周辺回路領域Pの周辺下部ボディパターン3pを露出させる。その結果、セル領域Cに層間絶縁膜5e及びエッチング阻止膜5dを順に貫通してソース領域PU1S及びドレイン領域PU2Dをそれぞれ露出させる上部ノードコンタクトホール4f’、4f”が形成できる。層間絶縁膜5e及び周辺回路領域P上に上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を埋め込む半導体膜を形成する。
【0186】
半導体膜は単結晶半導体構造体として形成することができる。単結晶半導体構造体はエピタキシャル技術によって形成することができる。エピタキシャル技術は選択的エピタキシャル成長技術とすることができる。具体的には、選択的エピタキシャル成長技術を用いて上部ノードコンタクトホール4f’、4f”の内部を埋め込み、層間絶縁膜5e及び周辺下部ボディパターン3pを覆う単結晶半導体構造体、すなわちエピタキシャル層を形成する。エピタキシャル層は単結晶シリコン構造を有するように形成することができる。エピタキシャル層は上部ノードコンタクトホール4f’、4f”によって露出されたセル下部ボディパターン3b’、3b”の所定領域及び周辺ボディパターン3pをシード層とする選択的エピタキシャル成長技術によって形成することができる。
【0187】
一方、図27A及び図27Bを参照して説明したように単結晶半導体構造体をパターニングしてセル下部ボディパターン3b’、3b”を形成すると共に周辺回路領域Pの半導体基板SUBを露出させるように周辺回路領域Pの単結晶半導体構造体を除去する場合には、単結晶半導体構造体、すなわちエピタキシャル層は上部ノードコンタクトホール4f’、4f”によって露出されたセル下部ボディパターン3b’、3b”の所定領域及び周辺回路領域Pの半導体基板SUBをシード層とする選択的エピタキシャル成長技術によって形成することができる。続いて、化学機械的研磨工程のような平坦化技術を用いてエピタキシャル層の上部面が平らにすることができる。
【0188】
一方、層間絶縁膜5e及び周辺回路領域P上に上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を埋め込む半導体膜を非単結晶半導体膜で形成することができる。例えば、半導体膜は非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜で形成することができる。半導体膜を平坦化させて上部面が平らにすることができる。この場合、半導体膜を平坦化させる前又は後に、半導体膜の下部に供給されて半導体膜と接触する単結晶半導体構造体をシード層として採択するエピタキシャル技術、すなわち固相エピタキシャル技術を用いて半導体膜を結晶化させることができる。その結果、半導体膜を単結晶半導体構造体に形成することができる。
【0189】
単結晶半導体構造体をパターニングしてセル領域Cに上部ボディパターン6a’、6a”を形成すると共に周辺回路領域Pに周辺上部ボディパターン6pを形成し、周辺上部ボディパターン6pは第1及び第2周辺活性領域1p、1p’を限定する周辺トレンチ6bを有するように形成する。その結果、周辺回路領域Pの周辺下部ボディパターン3p上に周辺トレンチ6bを有する周辺上部ボディパターン6pが形成される。周辺下部ボディパターン3p及び周辺上部ボディパターン6pは実質的に同じ単結晶構造を有し周辺ボディパターン6p’を構成することができる。
【0190】
一方、先に形成された単結晶半導体構造体をパターニングして周辺回路領域Pの半導体基板SUBを露出させる工程を実行する場合には、次に形成された単結晶半導体構造体は周辺回路領域Pの半導体基板SUBを直接覆うように形成することができる。その結果、周辺ボディパターン6p’は一回の工程によって形成された単結晶半導体構造、例えば単結晶シリコン構造に形成することができる。
【0191】
上部ボディパターン6a’、6a”はそれぞれ上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を覆うように形成される。上部ノードコンタクトホール4f’、4f”内に形成されたエピタキシャル層はそれぞれ上部ノード半導体プラグ4a’、4a”として定義することができる。上部ボディパターン6a’、6a”はそれぞれ下部ボディパターン3b’、3b”に重畳するように形成されることが好ましい。しかしながら、上部ボディパターン6a’、6a”は下部ボディパターン3b’、3b”の延長部と重畳しないことが好ましい。
【0192】
一方、層間絶縁膜5e及び周辺回路領域Pの半導体基板SUB上に上部ノードコンタクトホール4f’、4f”を埋め込む単結晶半導体膜を形成することができる。続いて、単結晶半導体膜を平坦化させて第1及び第2上部ノードコンタクトプラグ4a’、4a”を形成すると共に周辺回路領域Pに残存する単結晶半導体膜を形成することができる。単結晶半導体膜はエピタキシャル技術によって形成された単結晶シリコン構造体とすることができる。続いて、上部ノード半導体プラグ4a’、4a”を有する半導体基板SUBの全面上に半導体膜、すなわち上部ボディ層を形成することができる。上部ノード半導体プラグ4a’、4a”が単結晶シリコンプラグの場合、上部ボディ層は非晶質シリコン層または多結晶シリコン層に形成することができる。上部ボディ層をパターニングして第1及び第2セル上部ボディパターン6a’、6a”を形成すると共に周辺回路領域Pの上部ボディ層をパターニングして第1及び第2周辺活性領域1p、1p’を限定する周辺トレンチ6bを形成することができる。第1及び第2上部ボディパターン6a’、6a”は当業界でよく知られた固相エピタキシャル技術を用いて結晶化することができる。
【0193】
周辺トレンチ6b内に素子分離用絶縁膜7e’を形成することができる。ここで、周辺トレンチ6b内に素子分離用絶縁膜7e’が形成されると共にセル領域Cの上部ボディパターン6a’、6a”の間の空間を埋め込む素子分離用絶縁膜7e’が形成されることができる。
【0194】
一方、周辺トレンチ6b内に素子分離用絶縁膜を形成する工程は省略することもできる。
【0195】
図16A、図25、図30A、30Bを参照すると、セル上部ボディパターン6a’、6a”及び周辺ボディパターン6p上にゲート絶縁膜を形成する。上部ボディパターン6a’、6a”の上部を横切るように絶縁された転送ゲートパターン6b、すなわちワードラインを形成すると共に周辺ボディパターンPの第1及び第2周辺活性領域1p、1p’の上部をそれぞれ横切るように絶縁された周辺PMOSゲートパターン23a’及び周辺NMOSゲートパターン20c”を形成する。
【0196】
一方、周辺ゲートパターン23a’、20c”を形成する前に、第1及び第2周辺活性領域1p、1p’内にイオン注入をそれぞれ実施してそれぞれN型ウェル7f及びP型ウェル7f’を形成することができる。周辺ボディパターン6p’がN型またはP型の導電型を有するように形成される場合には、N型ウェルまたはP型ウェルを形成するための別途のイオン注入工程は省略することもできる。
【0197】
ワードライン6bをイオン注入マスクとして用いて上部ボディパターン6a’、6a”内に不純物イオンを注入する。さらに、周辺回路領域Pの周辺ゲートパターン23a’、20c”及び素子分離用絶縁膜7eをイオン注入マスクとして用いて第1及び第2周辺活性領域1p、1p’内に不純物イオンをそれぞれ注入する。その結果、上部ボディパターン6a’内に互いに離隔されたソース領域T1S及びドレイン領域T1Dが形成され、上部ボディパターン6a”内に互いに離隔されたソース領域T2S及びドレイン領域T2Dが形成されると共に周辺活性領域1p内に互いに離隔されたソース領域P1S及びドレイン領域P1Dが形成され、周辺活性領域1p’内に互いに離隔されたソース領域N1S及びドレイン領域N1Dが形成される。ソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1DがLDD型の構造を有するように形成される場合、ワードライン6bの側壁及び周辺ゲートパターン23a’、20c”の側壁に絶縁性スペーサ7cが形成されることができる。
【0198】
セル領域Cのソース領域T1S、T2Sと共にドレイン領域T1D、T2DはN型の不純物領域とすることができる。周辺活性領域1pのソース領域P1S及びドレイン領域P1DはP型の不純物領域であり、周辺活性領域1p’のソース領域N1S及びドレイン領域N1DはN型の不純物領域とすることができる。ワードライン6b、ソース領域T1S及びドレイン領域T1Dはセル上部薄膜トランジスタ、すなわちNMOS転送トランジスタT1を構成し、ワードライン6b、ソース領域T2S及びドレイン領域T2Dはセル上部薄膜トランジスタ、すなわちNMOS転送トランジスタT2を構成する。周辺PMOSゲートパターン23a”、ソース領域P1S及びドレイン領域P1Dは周辺PMOSトランジスタP1を構成し、周辺NMOSゲートパターン20c”、ソース領域N1S及びドレイン領域N1Dは周辺NMOSトランジスタN1を構成することができる。
【0199】
少なくとも周辺トランジスタP1、N1のゲート電極及び/又ははソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成することができる。例えば、NMOS転送トランジスタT1、NMOS転送トランジスタT2、周辺PMOSトランジスタP1及び周辺NMOSトランジスタN1の各ゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的抵抗を低めるためのシリサイド工程を実行することができる。シリサイド工程は、ゲート電極及びソース/ドレイン領域上に選択的に金属シリサイド膜を形成してゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的抵抗を低くするための工程技術(process technology)である。シリサイド工程は、シリサイド化熱処理工程(silicidation annealing process)を含む。シリサイド化熱処理工程として、例えば、ランプのような光源を用いたコピー方式、またはホットプレートを用いた伝導方式を用いる急速熱処理工程(RTP;rapid thermal process)を使用するか、または熱伝達気体を用いた対流方式の熱処理工程を用いることができる。
【0200】
具体的には、セル上部ボディパターン6a’、6a”及び周辺ボディパターン6p上にゲート絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜を有する半導体基板上にシリコン膜、例えばポリシリコン膜を形成する。ポリシリコン膜をパターニングしてセル上部ボディパターン6a’、6a”の上部を横切るようにポリシリコン膜パターンT1G、T2Gを形成すると共に周辺ボディパターン6pの周辺活性領域1p、1p’の上部をそれぞれ横切るようにポリシリコン膜パターンP1G、N1Gを形成する。ポリシリコン膜パターンT1G、T2G、P1G、N1Gの側壁に絶縁性スペーサ7cを形成する。絶縁性スペーサ7cはシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を含むことができる。続いて、ソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1Dを形成する。ポリシリコン膜パターンT1G、T2G、P1G、N1Gの上部面及びソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1Dは露出することができる。続いて、ポリシリコン膜パターンT1G、T2G、P1G、N1G及びソース/ドレイン領域T1S、T1D、T2S、T2D、P1S、P1D、N1S、N1Dを有する半導体基板の全面上に金属膜を形成する。金属膜はニッケル膜、タングステン膜、チタン膜またはコバルト膜とすることができる。続いて、金属膜に対してシリサイド化熱処理工程(silicidation annealing process)を実施することができる。
【0201】
その他に、セル上部ボディパターン6a’、6a”及び周辺ボディパターン6p上にゲート絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜を有する半導体基板上に金属シリサイド膜を含むゲート導電膜、例えば順に積層されたポリシリコン膜及び金属シリサイド膜を形成することができる。続いて、ゲート導電膜上にハードマスク用絶縁膜を形成することができる。ハードマスク用絶縁膜及びゲート導電膜を順にパターニングして順に積層されたポリシリコン膜パターン、金属シリサイド膜パターン及びハードマスク膜パターンを形成することができる。その結果、ゲートパターンとして、順に積層されたポリシリコン膜パターン、金属シリサイド膜パターン及びハードマスク膜パターンが形成され、ソース/ドレイン領域は露出することができる。ゲートパターンを有する半導体基板の全面上に金属膜を形成した後、シリサイド化熱処理工程(silicidation annealing process)を実施することができる。その結果、ソース/ドレイン領域に金属シリサイド膜が形成できる。
【0202】
シリサイド工程を用いてワードライン6b、周辺PMOSゲートパターン23a’及び周辺NMOSゲートパターン20c”の各上部にゲート金属シリサイド膜7a、PMOSゲート金属シリサイド膜24a’及びNMOSゲート金属シリサイド膜21a’を形成すると共にワードライン6bのソース領域T1S、T2S及びドレイン領域T1D、T2Dの各表面に金属シリサイド膜7d’を形成し、周辺PMOSゲートパターン24a’のソース領域P1S及びドレイン領域P1Dの各表面に金属シリサイド膜7d’を形成し、周辺NMOSゲートパターン20c”のソース領域N1S及びドレイン領域N1Dの各表面に金属シリサイド膜7d’を形成することができる。その結果、ワードライン6bは順に積層されたポリシリコン膜パターンT1G、T2G及びゲート金属シリサイド膜7aを有するように形成することができる。周辺PMOSゲートパターン23a’は順に積層されたポリシリコン膜パターンP1G及びPMOSゲート金属シリサイド膜24a’を有するように形成することができる。周辺NMOSゲートパターン20c”は順に積層されたポリシリコン膜パターンN1G及びNMOSゲート金属シリサイド膜24a’を有するように形成することができる。よって、周辺トランジスタP1、N1のゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的抵抗を低くすることができる。すなわち、周辺トランジスタP1、N1のゲート電極に加えられる電気的信号の伝送速度(transmission speed)を向上させることができる。さらに、周辺トランジスタP1、N1のソース/ドレイン領域の面抵抗(sheet resistance)を改善することができるので、周辺トランジスタP1、N1の駆動能力(drivability)を向上させることができる。その結果、周辺回路領域Pに高性能(high performance)のMOSトランジスタを具現することができる。さらに、セル領域Cの転送トランジスタT1、T2のゲート電極及びソース/ドレイン領域の電気的特性を改善することができるので、転送トランジスタT1、T2の性能を向上させることができる。
【0203】
したがって、周辺回路領域Pのトランジスタの性能を向上させるためのシリサイド工程を実行することができるのでSRAMの性能を改善することができる。さらに、薄膜トランジスタを採択する半導体集積回路において、周辺回路領域のMOSトランジスタを本発明の実施形態のように単結晶半導体構造の周辺ボディパターンを形成した後に形成するによって電気的特性が改善された高性能のMOSトランジスタを得ることができる。SRAMの性能は周辺回路領域に形成される周辺回路によって左右されるので、周辺回路の必須構成要素であるトランジスタの性能によって決められる。本発明の実施形態において、周辺ボディパターン6pは周辺回路領域の半導体基板をシード層によって形成されるので、半導体基板の結晶性にさらに似ている可能性がある。すなわち、周辺回路領域の半導体基板全面からエピタキシャル層が形成されるので周辺ボディパターンの単結晶構造は半導体基板の単結晶構造により似ている。よって、周辺回路領域Pに形成される周辺トランジスタは実質的に半導体基板に形成されるバルクトランジスタの特性と類似である。さらに、周辺回路領域Pに形成される周辺トランジスタはセル領域Cの薄膜トランジスタを形成する間に発生する熱の影響を受けない。すなわち、セル領域Cの薄膜トランジスタを製造するために実行するエピタキシャル工程及びスペーサ工程は通常高温で実施される場合がある。このような高温で実行される工程によって露出されたトランジスタは特性が劣化されることもあるが、本発明では高温工程によって周辺回路領域Pのトランジスタは影響を受けない。さらに、周辺回路領域Pのトランジスタのゲート電極及びソース/ドレイン領域にそれぞれ金属シリサイド膜を形成することができるので、周辺回路領域Pのトランジスタの性能をさらに向上させることができる。よって、半導体装置の信頼性をさらに高くすることができる。
【0204】
NMOSトランジスタT1、T2、PMOSトランジスタP1及びNMOSトランジスタN1を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜7eを形成する。層間絶縁膜7eを形成する前にエッチング阻止膜7dをさらに形成することもできる。
【0205】
図16A、図25、図31A、31Bを参照すると、層間絶縁膜2e、5e、7e、エッチング阻止膜2d、5d、7dをエッチングしてNMOSトランジスタT1のソース領域T1S、上部ノード半導体プラグ4a’、トランジスタPU1のドレイン領域PU1D、下部ノード半導体プラグ3a’、ゲート電極PU2G及びゲート電極PD2Gを露出させるノードコンタクトホール7f’及びNMOSトランジスタT2のソース領域T2S、上部ノード半導体プラグ4a”、トランジスタPU2のドレイン領域PU2D、下部ノード半導体プラグ3a”、ゲート電極PU1G及びゲート電極PD1Gを露出させるノードコンタクトホール7f”を形成する。
【0206】
一方、下部ノード半導体プラグ3a’、3a”がドレイン領域PD1D、PD2Dと異なる導電型を有するか、または真性半導体(intrinsic semiconductor)の場合、ノードコンタクトホール7f’、7f”はそれぞれNMOSトランジスタPD1、PD2のドレイン領域PD1D、PD2Dをさらに露出させるように形成することができる。
【0207】
ノードコンタクトホール7f’、7f”を有する半導体基板上に導電膜を形成する。導電膜を平坦化させて層間絶縁膜7eを露出させる。その結果、ノードコンタクトプラグ8a’、8a”が形成される。ノードプラグ8a’、8a”はP型半導体及びN型半導体のすべてに対して抵抗性接触(ohmic contact)特性を示す導電膜で形成するのが好ましい。例えば、前記導電膜はタングステン膜のような金属膜で形成することができる。さらに、前記導電膜はチタン窒化膜のような障壁金属膜及びタングステン膜のような金属膜を順に積層させて形成することができる。この場合、ノードプラグ8a’、8a”のそれぞれはタングステンプラグ及び前記タングステンプラグを取り囲む障壁金属膜パターンを有するように形成することができる。
【0208】
ノードプラグ8a’、8a”を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜9cを形成する。
【0209】
図16A、図25、図32A、32Bを参照すると、層間絶縁膜2e、5e、7e、9cと共にエッチング阻止膜2d、5d、7dを貫通して第2活性領域1a’内のソース領域PD1S及び第4活性領域1a”内のソース領域PD2Sとそれぞれ接触する接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を形成する。接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を形成する間、下部ボディパターン3b’の延長部(負荷トランジスタのソース領域PU1S)及び下部ボディパターン3b”の延長部(負荷トランジスタのソース領域PU2S)とそれぞれ接触する電源ラインコンタクトプラグ9a’、9a”が形成される。さらに、接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を形成する間、PMOSトランジスタP1のドレイン領域P1D及びソース領域P1Sとそれぞれ接触する出力信号ラインコンタクトプラグ9e及び周辺電源ラインコンタクトプラグ9fを形成すると共にNMOSトランジスタN1のドレイン領域N1D及びソース領域N1Sとそれぞれ接触する出力信号ラインコンタクトプラグ9e’及び周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’を形成する。コンタクトプラグ9a’、9a”、9b’、9b”、9f、9e、9f’、9e’はP型半導体及びN型半導体のすべてに対して抵抗性接触(ohmic contact)を示す導電膜で形成することが好ましい。例えば、図31A、31Bを参照して説明されたノードプラグ8a’、8a”の形成方法と同じ方法を用いて製造することができる。
【0210】
コンタクトプラグ9a’、9a”、9b’、9b”、9f、9e、9f’、9e’を有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜11を形成する。
【0211】
図16A、図25、図33A、33Bを参照すると、層間絶縁膜11内にセル接地ライン10a及びセル電源ライン10bを形成する。セル接地ライン10a及びセル電源ライン10bを形成する間、周辺回路領域Pの層間絶縁膜11内に周辺電源ライン10e、周辺接地ライン10f及び出力信号ライン10gが形成されることができる。
【0212】
本発明の実施形態において、周辺回路の一例としてインバータを図示して説明したが、本発明は、これに限定されない。すなわち、周辺回路領域PのMOSトランジスタは多様な周辺回路の構成要素として用いられることができる。すなわち、周辺電源ライン10e、周辺接地ライン10f及び出力信号ライン10gは周辺回路の一例としてインバータを具現するために示すものとして、周辺回路領域PのPMOSトランジスタ及びNMOSトランジスタは多様な周辺回路を構成することができる。
【0213】
セル接地ライン10a及びセル電源ライン10bは実質的にワードライン6bに平行するように形成することができる。セル接地ライン10aは接地ラインコンタクトプラグ9b’、9b”を覆うように形成されて、セル電源ライン10bは電源ラインコンタクトプラグ9a’、9a”を覆うように形成される。出力信号ライン10gは出力信号ラインコンタクトプラグ9e’、9fを覆うように形成される。周辺接地ライン10fは周辺接地ラインコンタクトプラグ9f’を覆うように形成される。出力信号ライン10gを形成する間、周辺PMOSゲート電極23a’及び周辺NMOSゲート電極20c”と電気的に接続される入力信号ライン10hを形成することができる。入力信号ライン10hは入力信号ラインコンタクトプラグによって周辺PMOSゲート電極23a’及び周辺NMOSゲート電極20c”と電気的に接続することができる。接地ライン10a、10f、電源ライン10b、10e、出力信号ライン10g及び入力信号ライン10hを有する半導体基板の全面上に層間絶縁膜12を形成する。
【0214】
図16A、図25、図34A、34Bを参照すると、層間絶縁膜7e、9c、11、12及びエッチング阻止膜7dをエッチングしてNMOSトランジスタT1のドレイン領域T1D及びNMOSトランジスタT2のドレイン領域T2Dとそれぞれ接触する第1及び第2ビットラインコンタクトプラグ13a’、13a”を形成する。
【0215】
層間絶縁膜12上に第1及び第2平行なビットライン14を形成する。第1及び第2ビットライン14はセル接地ライン10a及びセル電源ライン10bの上部を横切るように形成される。第1ビットライン14はビットラインコンタクトプラグ13a’を覆うように形成され、第2ビットライン14はビットラインコンタクトプラグ13a”を覆うように形成される。
【0216】
そして、上述の実施形態では、スタティック半導体メモリ装置を例にあげて説明したが、スタティック半導体メモリ装置のみではなくダイナミック半導体メモリ装置についても本発明の周辺回路を用いて構成することによってレイアウト面積を減少することができる。
【0217】
上述では、本発明の好ましい実施形態を参照しながら説明したが、当該技術分野の熟練した当業者は、添付の特許請求範囲に記載された本発明の思想及び領域から逸脱しなし範囲で、本発明を多様に修正及び変更させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0218】
【図1】一般的なスタティック半導体メモリ装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1に示すロウデコーダまたはカラムデコーダの実施例の構成を示すブロック図である。
【図3A】半導体メモリ装置のスタティックメモリセルの一例の回路図である。
【図3B】半導体メモリ装置の周辺回路を構成するインバータの一例の回路図である。
【図3C】半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNANDゲートの一例の回路図である。
【図3D】半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNORゲートの一例の回路図である。
【図4A】図3Aに示す半導体メモリ装置のスタティックメモリセル一例の配置を示す図である。
【図4B】図3Bに示す半導体メモリ装置の周辺回路を構成するインバータの一例の配置を示す図である。
【図4C】図3Cに示す半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNANDゲートの一例の配置を示す図である。
【図4D】図3Dに示す半導体メモリ装置の周辺回路を構成するNORゲートの一例の配置を示す図である。
【図5A】従来の半導体メモリ装置のスタティックメモリセルの他の例の配置を示す図である。
【図5B】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のインバータの他の例の配置を示す図である。
【図5C】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートの他の例の配置を示す図である。
【図5D】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートの他の例の配置を示す図である。
【図6A】従来の半導体メモリ装置のスタティックメモリセルの更に他の例の配置を示す図である。
【図6B】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のインバータの更に他の例の配置を示す図である。
【図6C】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートの更に他の例の配置を示す図である。
【図6D】従来の半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートの更に他の例の配置を示す図である。
【図7A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図7B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図7C】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図7D】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートを構成するトランジスタの第1実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8C】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図8D】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートを構成するトランジスタの第2実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9C】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNANDゲートを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図9D】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のNORゲートを構成するトランジスタの第3実施形態の配置を概念的に示す図である。
【図10A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図10B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図10C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図10D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図11A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図11B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図11C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図11D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図12A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図12B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図12C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図12D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図13A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図13B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図13C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図13D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図14A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図14B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図14C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図14D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図15A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図15B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図15C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図15D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図16A】本発明の実施形態によるメモリセルの配置を説明するための平面図である。
【図16B】本発明の実施形態によるインバータの配置を説明するための平面図である。
【図16C】本発明の実施形態によるNANDゲートの配置を説明するための平面図である。
【図16D】本発明の実施形態によるNORゲートの配置を説明するための平面図である。
【図17A】図10Aないし図16AのI−I’による本発明における実施形態のメモリセルの構造を示す断面図である。
【図17B】図10Aないし図16AのII−II’による本発明における実施形態のメモリセルの構造を示す断面図である。
【図18】図10Bないし図16BのX−X’による本発明における実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【図19】図10Cないし図16CのX−X’による本発明における実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【図20】図10Dないし図16DのX−X’による本発明における実施形態の周辺回路の構造を示す断面図である。
【図21A】本発明におけるメモリセルアレイの第1実施形態の積層構造を示す図である。
【図21B】本発明における周辺回路の第1実施形態の積層構造を示す図である。
【図22A】本発明におけるメモリセルアレイの第2実施形態の積層構造を示す図である。
【図22B】本発明における周辺回路の第2実施形態の積層構造を示す図である。
【図23A】本発明におけるメモリセルアレイの第3実施形態の積層構造を示す図である。
【図23B】本発明における周辺回路の第3実施形態の積層構造を示す図である。
【図24A】本発明における半導体メモリ装置のスタティックメモリセルを構成するトランジスタの第4実施形態を概念的に示す図である。
【図24B】本発明における半導体メモリ装置の周辺回路のインバータを構成するトランジスタの第4実施形態を概念的に示す図である。
【図25】図24Bに示す周辺回路のインバータの実施例を示す平面図である。
【図26A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図26B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図27A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図27B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図28A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図28B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図29A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図29B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図30A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図30B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図31A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図31B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図32A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図32B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図33A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図33B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【図34A】図10Aないし図16AのI−I’線及び図25のIII−III’線に沿った断面図である。
【図34B】図10Aないし図16AのII−II’線及び図25のIV−IV’線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【0219】
10:メモリセルアレイ
12:ロウデコーダ
14:データ入出力ゲート
16:カラムデコーダ
18:データ入出力回路
20:制御部
30、32:プリデコーダ
34:メインデコーダ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板上に一対のNMOSプルダウントランジスタと一対のPMOSプルアップトランジスタとが垂直に積層された配列を有するNANDゲートと、
を備えることを特徴とする集積回路メモリ装置。
【請求項2】
前記垂直に積層された配列は、
前記半導体基板内のバルク半導体領域と前記バルク半導体領域上の半導体層を含み、前記一対のNMOSプルダウントランジスタと前記一対のPMOSプルアップトランジスタの一つは前記バルク半導体領域内にあって、前記一対のNMOSプルダウントランジスタと前記一対のPMOSプルアップトランジスタの他の一つは前記半導体層内にあることを特徴とする請求項1に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項3】
半導体基板と、
前記半導体基板上に一対のNMOSアクセストランジスタ、一対のNMOSプルダウントランジスタ、及び一対のPMOSプルアップトランジスタを備えるスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)セルと、
前記半導体基板上に3層で垂直に積層されたMOSトランジスタの配列を備えるロジックゲートと、
を備えることを特徴とする集積回路メモリ装置。
【請求項4】
前記SRAMセルは前記半導体基板のメモリセル部分内に配列され、前記ロジックゲートは前記半導体基板の周辺回路部分内に配列されることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項5】
前記ロジックゲートは、インバータ、NANDゲート及びNORゲートからなるグループから選択されることを特徴とする請求項4に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項6】
前記ロジックゲートは、前記インバータ、NANDゲート、及びNORゲートからなるグループから選択されることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項7】
前記ロジックゲートは、並列接続された二つのNMOSトランジスタと一つのPMOSトランジスタを備えるインバータであることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項8】
前記インバータの二つのNMOSトランジスタは、3層の中の2層に、互いに垂直に積層されることを特徴とする請求項7に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項9】
前記二つのNMOSトランジスタの一つは、バルクNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項8に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項10】
前記インバータの前記PMOSトランジスタは、
前記二つのNMOSトランジスタの間に配置されることを特徴とする請求項9に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項11】
前記ロジックゲートは、並列接続された二つのPMOSトランジスタと一つのNMOSトランジスタを有するインバータであることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項12】
前記インバータの前記二つのPMOSトランジスタは、前記3層の中の2層に、互いに垂直に積層されることを特徴とする請求項11に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項13】
前記二つのPMOSトランジスタの一つは、バルクPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項11に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項14】
前記インバータの前記NMOSトランジスタは、二つのPMOSトランジスタの間に配置されることを特徴とする請求項13に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項15】
前記インバータの前記NMOSトランジスタは、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項14に記載のジムゾック回路メモリ装置。
【請求項16】
それぞれ少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、入力信号を反転して出力する複数のインバータと、
それぞれ少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、少なくとも二つの入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルであればハイレベルの出力信号を発生する複数のNANDゲートとを備え、
前記少なくとも一つの第1プルアップ及び前記少なくとも一つの第1プルダウントランジスタと前記少なくとも二つの第2プルアップ及び前記少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置。
【請求項17】
前記第1及び第2プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
第1及び第2プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。
【請求項18】
前記少なくとも2層の中の1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタで、少なくとも2層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。
【請求項19】
第1層に前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び前記第1及び第2プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置。
【請求項20】
第2層以上の層に前記第1及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または第1及び第2プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項19に記載の半導体装置。
【請求項21】
それぞれ少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも1つの第1プルダウントランジスタを有し、入力信号を反転して出力する複数のインバータと、
それぞれ少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、少なくとも二つの入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルであればハイレベルの出力信号を発生する複数のNANDゲートと、
それぞれ少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第3プルダウントランジスタを有し、少なくとも二つの入力信号がすべてローレベルであればハイレベルの出力信号を発生する複数のNORゲートと、を備え、
前記少なくとも一つの第1プルアップ及び前記少なくとも一つのプルダウントランジスタ、前記少なくとも二つの第2プルアップ及び前記少なくとも二つの第2プルダウントランジスタ、及び前記少なくとも二つの第3プルアップ及び前記少なくとも二つの第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置。
【請求項22】
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
第1、第2、及び第3プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
【請求項23】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項22に記載の半導体装置。
【請求項24】
前記第1層に前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタと前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタ中の一部のトランジスタを混合して配置することができたことを特徴とする請求項23に記載の半導体装置。
【請求項25】
前記第2層以上の層に、前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または第1、第2、及び第3プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項24に記載の半導体装置。
【請求項26】
複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、
ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダと、
カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダと、を備え、
前記ロウデコーダ及び前記カラムデコーダの少なくとも一方は複数のインバータを含み、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つのプルアップトランジスタ及び少なくとも一つのプルダウントランジスタを有し、
前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項27】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを有し、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
【請求項28】
前記プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項27に記載の半導体装置。
【請求項29】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであり、2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項28に記載の半導体装置。
【請求項30】
前記第1層に前記プルアップ及びプルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項29に記載の半導体装置。
【請求項31】
前記第2層以上の各層には前記プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項30に記載の半導体装置。
【請求項32】
前記プルアップトランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルアップトランジスタで構成し、前記2個以上のプルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。
【請求項33】
前記プルダウントランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルダウントランジスタで構成し、前記2個以上のプルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項32に記載の半導体装置。
【請求項34】
前記カラムデコーダ及び前記ロウデコーダは共に複数のインバータを有し、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つのプルアップトランジスタ及び少なくとも一つのプルダウントランジスタを含み、
前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
【請求項35】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを含み、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項34に記載の半導体装置。
【請求項36】
前記プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項35に記載の半導体装置。
【請求項37】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項36に記載の半導体装置。
【請求項38】
前記第1層には前記プルアップ及びプルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項37に記載の半導体装置。
【請求項39】
前記第2層以上の各層に前記プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項38に記載の半導体装置。
【請求項40】
前記プルアップトランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルアップトランジスタで構成し、前記2個以上のプルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項39に記載の半導体装置。
【請求項41】
前記プルダウントランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルダウントランジスタで構成し、前記2個以上のプルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項39に記載の半導体装置。
【請求項42】
複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、
ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダと、
カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダと、を備え、
前記ロウデコーダ及び前記カラムデコーダの少なくとも一方は複数のインバータ及び複数のNANDゲートを含み、
前記複数のインバータそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、
前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び前記第1及び第2プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されることを特徴とする半導体装置。
【請求項43】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを有し、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されることを特徴とする請求項42に記載の半導体装置。
【請求項44】
前記第1及び第2プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記第1及び第2プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項43に記載の半導体装置。
【請求項45】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項44に記載の半導体装置。
【請求項46】
前記第1層に前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項45に記載の半導体装置。
【請求項47】
前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン及び第2プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項46に記載の半導体装置。
【請求項48】
前記第1及び第2プルアップトランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項42に記載の半導体装置。
【請求項49】
前記第1及び第2プルダウントランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項48に記載の半導体装置。
【請求項50】
前記カラムデコーダ及び前記ロウデコーダは共に複数のインバータ及び複数のNANDゲートを有し、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、
前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び前記第1及び第2プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項42に記載の半導体装置。
【請求項51】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを含み、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項50に記載の半導体装置。
【請求項52】
前記第1及び第2プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記第1及び第2プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項51に記載の半導体装置。
【請求項53】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項52に記載の半導体装置。
【請求項54】
前記第1層には前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置すること特徴とする請求項53に記載の半導体装置。
【請求項55】
前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン及び第2プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項54に記載の半導体装置。
【請求項56】
前記第1及び第2プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項55に記載の半導体装置。
【請求項57】
前記第1及び第2プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項55に記載の半導体装置。
【請求項58】
複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、
ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダ、及び前記メモリセルアレイへのデータの入出力を制御するための制御部を備えた周辺回路とを備えて、
前記周辺回路が複数のインバータ、複数のNANDゲート、及び複数のNORゲートを含み、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、前記複数のNORゲートのそれぞれは少なくとも三つのの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも三つの第3プルダウントランジスタを有し、
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタ及び前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項59】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを備えて、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2個以上の層に積んで配置されたことを特徴とする請求項58に記載の半導体装置。
【請求項60】
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項59に記載の半導体装置。
【請求項61】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項60に記載の半導体装置。
【請求項62】
前記第1層に前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタと前記第3プルアップ及び第3プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項61に記載の半導体装置。
【請求項63】
前記第2層以上の各層には、前記第1プルアップ、第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン、第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項62に記載の半導体装置。
【請求項64】
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1、第2、及び第3プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第1、第2、及び第3プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項63に記載の半導体装置。
【請求項65】
前記第1、第2、及び第2プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第1、第2、及び第3プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項64に記載の半導体装置。
【請求項66】
メモリセルアレイの複数のメモリセルのそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置し、
周辺回路の複数のインバータのそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第2プルダウントランジスタ、及び前記周辺回路の複数のNANDゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置の配置方法。
【請求項67】
前記第1、第2及び第3プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記転送、第1、第2及び第3プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項66に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項68】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、2層以上に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項67に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項69】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタは、前記メモリセルの第1層に配置されるトランジスタの形態とは関係なく、前記第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタと第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項68に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項70】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項69に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項71】
前記第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項70に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項72】
前記第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項70に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項73】
メモリセルアレイの複数のメモリセルのそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置して、
周辺回路の複数のインバータのそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第2プルダウントランジスタ、複数のNANDゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第3プルダウントランジスタ、及び複数のNORゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つの第4プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第4プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置の配置方法。
【請求項74】
前記第1、第2、第3、及び第4プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記転送、第1、第2、第3、及び第4プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項73に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項75】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項74に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項76】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタは、前記メモリセルの1層に配置されるトランジスタの形態とは関係なく、前記第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタと第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項75に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項77】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタのみを配置するか、または第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項75に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項78】
前記第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2、第3及び第4プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項77に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項79】
前記第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項77に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項80】
セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板と、
前記セル領域の半導体基板に形成されたバルクトランジスタと、
前記セル領域に前記バルクトランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜パターンと、
前記層間絶縁膜パターン上に形成された薄膜トランジスタと、
前記周辺回路領域の半導体基板と接触するように形成された周辺ボディパターンと、
前記周辺ボディパターンに配置された周辺トランジスタと、を含み、
前記周辺トランジスタは実質的に前記セル領域の薄膜トランジスタと水平方向の同一線上に位置するように形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項81】
前記周辺ボディパターンは、単結晶半導体構造であることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項82】
前記薄膜トランジスタは、単結晶薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項83】
前記バルクトランジスタ及び前記薄膜トランジスタは、SRAMメモリセルのセルトランジスタであることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項84】
前記バルクトランジスタは第1及び第2バルクトランジスタを含み、前記薄膜トランジスタは第1及び第2薄膜トランジスタを含み、前記第1及び第2薄膜トランジスタは前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項85】
前記第1及び第2バルクトランジスタと前記第1及び第2薄膜トランジスタとの間にそれぞれ配置された第1及び第2下部薄膜トランジスタをさらに含み、前記第1及び前記第2下部薄膜トランジスタは前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることを特徴とする請求項84に記載の半導体装置。
【請求項86】
前記層間絶縁膜パターンを貫通して前記第1バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第1下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第1上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第1ノードプラグと、
前記層間絶縁膜パターンを貫通して前記第2バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第2下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第2上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第2ノードプラグと、
をさらに含むことを特徴とする請求項85に記載の半導体装置。
【請求項87】
前記第1及び第2バルクトランジスタは、それぞれ第1及び第2Nチャンネル駆動トランジスタであり、前記第1及び第2バルクトランジスタの前記第1不純物領域はドレイン領域であることを特徴とする請求項86に記載の半導体装置。
【請求項88】
前記第1駆動トランジスタのゲート電極は、前記第2ノードプラグに電気的に接続され、前記第2駆動トランジスタのゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることを特徴とする請求項87に記載の半導体装置。
【請求項89】
前記第1及び第2下部薄膜トランジスタはそれぞれ第1及び第2Pチャンネル負荷トランジスタであって、前記第1及び第2薄膜トランジスタはそれぞれ第1及び第2Nチャンネル転送トランジスタであり、前記第1及び第2下部薄膜トランジスタの前記第1不純物領域はドレイン領域であって、前記第1及び第2薄膜トランジスタの前記第1不純物領域はソース領域であることを特徴とする請求項88に記載の半導体装置。
【請求項90】
前記第1及び第2負荷トランジスタのゲート電極はそれぞれ前記第1及び第2駆動トランジスタのゲート電極と重畳するように配置されて、前記第1負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第2ノードプラグに電気的に接続されて前記第2負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることを特徴とする請求項89に記載の半導体装置。
【請求項91】
前記第1及び第2薄膜トランジスタのゲート電極は、互いに電気的に接続されてワードラインを構成することを特徴とする請求項90に記載の半導体装置。
【請求項92】
少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ゲート電極の表面に供給された金属シリサイド膜を含むことを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項93】
少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ソース/ドレイン領域の表面に供給された金属シリサイド膜を含むことを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項94】
セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備する段階と、
前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成する段階と、
前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる層間絶縁膜パターンを形成する段階と、
前記層間絶縁膜パターン上にセルボディパターンを形成すると共に前記露出された半導体基板上に前記露出された半導体基板と接触する周辺ボディパターンを形成する段階と、
前記セルボディパターンにセル薄膜トランジスタを形成すると共に前記周辺ボディパターンに周辺トランジスタを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項95】
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記層間絶縁膜パターンを有する基板上に半導体膜を形成する段階と、
前記半導体膜を平坦化させて前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記半導体基板上にそれぞれセル半導体膜及び周辺半導体膜を形成する段階と、を含み、前記周辺半導体膜は前記半導体膜よりも厚いことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項96】
前記半導体膜は、非単結晶半導体膜で形成することを特徴とする請求項95に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項97】
前記半導体膜を平坦化させる前又は後に、前記半導体基板をシード層として固相エピタキシャル技術を用いて前記半導体膜を結晶化させることをさらに含むことを特徴とする請求項96に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項98】
前記層間絶縁膜パターンを形成する段階は、
前記バルクトランジスタを有する基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜をパターニングして前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させることと同時に前記セル領域内の前記半導体基板の所定領域を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項99】
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板上に単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記単結晶半導体構造体を平坦化させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項100】
前記単結晶半導体構造体は、前記コンタクトホールによって露出された前記半導体基板及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板をシード層として選択的エピタキシャル成長技術を用いて形成することを特徴とする請求項99に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項101】
前記セル薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセルゲート電極及び周辺ゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項102】
少なくとも前記周辺ゲート電極及び/又は周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項101に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項103】
セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備する段階と、
前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成する段階と、
前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる第1層間絶縁膜パターンであって前記バルクトランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第1コンタクトホールを有する第1層間絶縁膜パターンを形成する段階と、
前記第1層間絶縁膜パターン上に前記第1コンタクトホールを覆うセル下部ボディパターンを形成する段階と、
前記セル下部ボディパターンにセル下部薄膜トランジスタを形成する段階と、
前記第1層間絶縁膜パターン上に前記セル下部薄膜トランジスタを覆う第2層間絶縁膜パターンであって前記セル下部薄膜トランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第2コンタクトホールを有する第2層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第2層間絶縁膜パターン上に前記第2コンタクトホールを覆うセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成する段階と、
前記セル上部ボディパターンにセル上部薄膜トランジスタを形成すると共に前記周辺ボディパターンに周辺トランジスタを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項104】
前記セル下部ボディパターンを形成すると共に、前記周辺回路領域の半導体基板を覆う周辺下部ボディパターンを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項105】
前記セル下部ボディパターン及び前記周辺下部ボディパターンを形成する段階は、
前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第1単結晶半導体構造体を平坦化させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項104に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項106】
前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺下部ボディパターンを覆う第2単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第2単結晶半導体構造体が平らな上部面を有するように平坦化させる段階と、
前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に、前記周辺回路領域に周辺上部ボディパターンを形成し前記周辺下部ボディパターン及び前記周辺上部ボディパターンを有する周辺ボディパターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項105に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項107】
前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることを特徴とする請求項106に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項108】
前記セル下部ボディパターンを形成する段階は、
前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第1単結晶半導体構造体をパターニングして前記周辺回路領域の半導体基板を露出させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項109】
前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う、平らな上部面を有する第2単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項108に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項110】
前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることを特徴とする請求項109に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項111】
前記バルクトランジスタはNチャンネル駆動トランジスタであり、前記セル下部薄膜トランジスタはPチャンネル負荷トランジスタであり、前記セル上部薄膜トランジスタはNチャンネル転送トランジスタに形成されることを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項112】
前記セル上部薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、
前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセル上部ゲート電極及び周辺ゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項113】
少なくとも前記周辺ゲート電極及び/または周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項112に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板上に一対のNMOSプルダウントランジスタと一対のPMOSプルアップトランジスタとが垂直に積層された配列を有するNANDゲートと、
を備えることを特徴とする集積回路メモリ装置。
【請求項2】
前記垂直に積層された配列は、
前記半導体基板内のバルク半導体領域と前記バルク半導体領域上の半導体層を含み、前記一対のNMOSプルダウントランジスタと前記一対のPMOSプルアップトランジスタの一つは前記バルク半導体領域内にあって、前記一対のNMOSプルダウントランジスタと前記一対のPMOSプルアップトランジスタの他の一つは前記半導体層内にあることを特徴とする請求項1に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項3】
半導体基板と、
前記半導体基板上に一対のNMOSアクセストランジスタ、一対のNMOSプルダウントランジスタ、及び一対のPMOSプルアップトランジスタを備えるスタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)セルと、
前記半導体基板上に3層で垂直に積層されたMOSトランジスタの配列を備えるロジックゲートと、
を備えることを特徴とする集積回路メモリ装置。
【請求項4】
前記SRAMセルは前記半導体基板のメモリセル部分内に配列され、前記ロジックゲートは前記半導体基板の周辺回路部分内に配列されることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項5】
前記ロジックゲートは、インバータ、NANDゲート及びNORゲートからなるグループから選択されることを特徴とする請求項4に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項6】
前記ロジックゲートは、前記インバータ、NANDゲート、及びNORゲートからなるグループから選択されることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項7】
前記ロジックゲートは、並列接続された二つのNMOSトランジスタと一つのPMOSトランジスタを備えるインバータであることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項8】
前記インバータの二つのNMOSトランジスタは、3層の中の2層に、互いに垂直に積層されることを特徴とする請求項7に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項9】
前記二つのNMOSトランジスタの一つは、バルクNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項8に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項10】
前記インバータの前記PMOSトランジスタは、
前記二つのNMOSトランジスタの間に配置されることを特徴とする請求項9に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項11】
前記ロジックゲートは、並列接続された二つのPMOSトランジスタと一つのNMOSトランジスタを有するインバータであることを特徴とする請求項3に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項12】
前記インバータの前記二つのPMOSトランジスタは、前記3層の中の2層に、互いに垂直に積層されることを特徴とする請求項11に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項13】
前記二つのPMOSトランジスタの一つは、バルクPMOSトランジスタであることを特徴とする請求項11に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項14】
前記インバータの前記NMOSトランジスタは、二つのPMOSトランジスタの間に配置されることを特徴とする請求項13に記載の集積回路メモリ装置。
【請求項15】
前記インバータの前記NMOSトランジスタは、薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項14に記載のジムゾック回路メモリ装置。
【請求項16】
それぞれ少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、入力信号を反転して出力する複数のインバータと、
それぞれ少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、少なくとも二つの入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルであればハイレベルの出力信号を発生する複数のNANDゲートとを備え、
前記少なくとも一つの第1プルアップ及び前記少なくとも一つの第1プルダウントランジスタと前記少なくとも二つの第2プルアップ及び前記少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置。
【請求項17】
前記第1及び第2プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
第1及び第2プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置。
【請求項18】
前記少なくとも2層の中の1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタで、少なくとも2層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。
【請求項19】
第1層に前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び前記第1及び第2プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置。
【請求項20】
第2層以上の層に前記第1及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または第1及び第2プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項19に記載の半導体装置。
【請求項21】
それぞれ少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも1つの第1プルダウントランジスタを有し、入力信号を反転して出力する複数のインバータと、
それぞれ少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、少なくとも二つの入力信号の中の少なくとも一つの入力信号がローレベルであればハイレベルの出力信号を発生する複数のNANDゲートと、
それぞれ少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第3プルダウントランジスタを有し、少なくとも二つの入力信号がすべてローレベルであればハイレベルの出力信号を発生する複数のNORゲートと、を備え、
前記少なくとも一つの第1プルアップ及び前記少なくとも一つのプルダウントランジスタ、前記少なくとも二つの第2プルアップ及び前記少なくとも二つの第2プルダウントランジスタ、及び前記少なくとも二つの第3プルアップ及び前記少なくとも二つの第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置。
【請求項22】
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
第1、第2、及び第3プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。
【請求項23】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項22に記載の半導体装置。
【請求項24】
前記第1層に前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタと前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタ中の一部のトランジスタを混合して配置することができたことを特徴とする請求項23に記載の半導体装置。
【請求項25】
前記第2層以上の層に、前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または第1、第2、及び第3プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項24に記載の半導体装置。
【請求項26】
複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、
ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダと、
カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダと、を備え、
前記ロウデコーダ及び前記カラムデコーダの少なくとも一方は複数のインバータを含み、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つのプルアップトランジスタ及び少なくとも一つのプルダウントランジスタを有し、
前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項27】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを有し、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
【請求項28】
前記プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項27に記載の半導体装置。
【請求項29】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであり、2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項28に記載の半導体装置。
【請求項30】
前記第1層に前記プルアップ及びプルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項29に記載の半導体装置。
【請求項31】
前記第2層以上の各層には前記プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項30に記載の半導体装置。
【請求項32】
前記プルアップトランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルアップトランジスタで構成し、前記2個以上のプルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項31に記載の半導体装置。
【請求項33】
前記プルダウントランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルダウントランジスタで構成し、前記2個以上のプルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項32に記載の半導体装置。
【請求項34】
前記カラムデコーダ及び前記ロウデコーダは共に複数のインバータを有し、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つのプルアップトランジスタ及び少なくとも一つのプルダウントランジスタを含み、
前記プルアップ及びプルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置。
【請求項35】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを含み、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項34に記載の半導体装置。
【請求項36】
前記プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項35に記載の半導体装置。
【請求項37】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項36に記載の半導体装置。
【請求項38】
前記第1層には前記プルアップ及びプルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項37に記載の半導体装置。
【請求項39】
前記第2層以上の各層に前記プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項38に記載の半導体装置。
【請求項40】
前記プルアップトランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルアップトランジスタで構成し、前記2個以上のプルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項39に記載の半導体装置。
【請求項41】
前記プルダウントランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上のプルダウントランジスタで構成し、前記2個以上のプルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項39に記載の半導体装置。
【請求項42】
複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、
ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダと、
カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダと、を備え、
前記ロウデコーダ及び前記カラムデコーダの少なくとも一方は複数のインバータ及び複数のNANDゲートを含み、
前記複数のインバータそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、
前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び前記第1及び第2プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されることを特徴とする半導体装置。
【請求項43】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを有し、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されることを特徴とする請求項42に記載の半導体装置。
【請求項44】
前記第1及び第2プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記第1及び第2プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項43に記載の半導体装置。
【請求項45】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項44に記載の半導体装置。
【請求項46】
前記第1層に前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項45に記載の半導体装置。
【請求項47】
前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン及び第2プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項46に記載の半導体装置。
【請求項48】
前記第1及び第2プルアップトランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項42に記載の半導体装置。
【請求項49】
前記第1及び第2プルダウントランジスタのそれぞれのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項48に記載の半導体装置。
【請求項50】
前記カラムデコーダ及び前記ロウデコーダは共に複数のインバータ及び複数のNANDゲートを有し、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、
前記第1及び第2プルアップトランジスタ及び前記第1及び第2プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項42に記載の半導体装置。
【請求項51】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを含み、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする請求項50に記載の半導体装置。
【請求項52】
前記第1及び第2プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記第1及び第2プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項51に記載の半導体装置。
【請求項53】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項52に記載の半導体装置。
【請求項54】
前記第1層には前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置すること特徴とする請求項53に記載の半導体装置。
【請求項55】
前記第2層以上の各層には前記第1プルアップ及び第2プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン及び第2プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項54に記載の半導体装置。
【請求項56】
前記第1及び第2プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項55に記載の半導体装置。
【請求項57】
前記第1及び第2プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項55に記載の半導体装置。
【請求項58】
複数のワードライン選択信号と複数のカラム選択信号に応答してアクセスされる複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、
ロウアドレスをデコーディングして前記複数のワードライン選択信号を発生するロウデコーダ、カラムアドレスをデコーディングして前記複数のカラム選択信号を発生するカラムデコーダ、及び前記メモリセルアレイへのデータの入出力を制御するための制御部を備えた周辺回路とを備えて、
前記周辺回路が複数のインバータ、複数のNANDゲート、及び複数のNORゲートを含み、
前記複数のインバータのそれぞれは少なくとも一つの第1プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第1プルダウントランジスタを有し、前記複数のNANDゲートのそれぞれは少なくとも二つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第2プルダウントランジスタを有し、前記複数のNORゲートのそれぞれは少なくとも三つのの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも三つの第3プルダウントランジスタを有し、
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタ及び前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタが少なくとも2層に積層して配置されたことを特徴とする半導体装置。
【請求項59】
前記複数のメモリセルは複数のMOSトランジスタを備えて、
前記複数のMOSトランジスタが前記少なくとも2個以上の層に積んで配置されたことを特徴とする請求項58に記載の半導体装置。
【請求項60】
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記第1、第2、及び第3プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項59に記載の半導体装置。
【請求項61】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項60に記載の半導体装置。
【請求項62】
前記第1層に前記第1プルアップ及び第1プルダウントランジスタと第2プルアップ及び第2プルダウントランジスタと前記第3プルアップ及び第3プルダウントランジスタの一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項61に記載の半導体装置。
【請求項63】
前記第2層以上の各層には、前記第1プルアップ、第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または前記第1プルダウン、第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項62に記載の半導体装置。
【請求項64】
前記第1、第2、及び第3プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1、第2、及び第3プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第1、第2、及び第3プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項63に記載の半導体装置。
【請求項65】
前記第1、第2、及び第2プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第1及び第2プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第1、第2、及び第3プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項64に記載の半導体装置。
【請求項66】
メモリセルアレイの複数のメモリセルのそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置し、
周辺回路の複数のインバータのそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第2プルダウントランジスタ、及び前記周辺回路の複数のNANDゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第3プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置の配置方法。
【請求項67】
前記第1、第2及び第3プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記転送、第1、第2及び第3プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項66に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項68】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、2層以上に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項67に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項69】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタは、前記メモリセルの第1層に配置されるトランジスタの形態とは関係なく、前記第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタと第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項68に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項70】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのみを配置するか、または第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項69に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項71】
前記第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルアップ及び第3プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項70に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項72】
前記第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルダウン及び第3プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項70に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項73】
メモリセルアレイの複数のメモリセルのそれぞれを構成する2個の転送トランジスタ、2個の第1プルアップトランジスタ、及び2個の第1プルダウントランジスタを少なくとも2層に積層して配置して、
周辺回路の複数のインバータのそれぞれを構成する少なくとも一つの第2プルアップトランジスタ及び少なくとも一つの第2プルダウントランジスタ、複数のNANDゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つの第3プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第3プルダウントランジスタ、及び複数のNORゲートのそれぞれを構成する少なくとも二つの第4プルアップトランジスタ及び少なくとも二つの第4プルダウントランジスタを前記少なくとも2層に積層して配置することを特徴とする半導体装置の配置方法。
【請求項74】
前記第1、第2、第3、及び第4プルアップトランジスタはPMOSトランジスタであって、
前記転送、第1、第2、第3、及び第4プルダウントランジスタはNMOSトランジスタであることを特徴とする請求項73に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項75】
前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタはバルクトランジスタであって、第2層以上の層に配置されるトランジスタは薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項74に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項76】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第1層に配置されるトランジスタは、前記メモリセルの1層に配置されるトランジスタの形態とは関係なく、前記第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタと第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタの中の一部のトランジスタを混合して配置することを特徴とする請求項75に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項77】
前記周辺回路の前記少なくとも2層の第2層以上の層のそれぞれに配置されるトランジスタの形態と同一形態を有する第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタのみを配置するか、または第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタのみを配置することを特徴とする請求項75に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項78】
前記第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2、第3及び第4プルアップトランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルアップ、第3プルアップ及び第4プルアップトランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項77に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項79】
前記第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタのチャンネル幅を分けて2個以上の第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタで構成し、前記2個以上の第2プルダウン、第3プルダウン及び第4プルダウントランジスタを互いに異なる層に配置することを特徴とする請求項77に記載の半導体装置の配置方法。
【請求項80】
セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板と、
前記セル領域の半導体基板に形成されたバルクトランジスタと、
前記セル領域に前記バルクトランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜パターンと、
前記層間絶縁膜パターン上に形成された薄膜トランジスタと、
前記周辺回路領域の半導体基板と接触するように形成された周辺ボディパターンと、
前記周辺ボディパターンに配置された周辺トランジスタと、を含み、
前記周辺トランジスタは実質的に前記セル領域の薄膜トランジスタと水平方向の同一線上に位置するように形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項81】
前記周辺ボディパターンは、単結晶半導体構造であることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項82】
前記薄膜トランジスタは、単結晶薄膜トランジスタであることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項83】
前記バルクトランジスタ及び前記薄膜トランジスタは、SRAMメモリセルのセルトランジスタであることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項84】
前記バルクトランジスタは第1及び第2バルクトランジスタを含み、前記薄膜トランジスタは第1及び第2薄膜トランジスタを含み、前記第1及び第2薄膜トランジスタは前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項85】
前記第1及び第2バルクトランジスタと前記第1及び第2薄膜トランジスタとの間にそれぞれ配置された第1及び第2下部薄膜トランジスタをさらに含み、前記第1及び前記第2下部薄膜トランジスタは前記第1及び第2バルクトランジスタとそれぞれ重畳するように配置されることを特徴とする請求項84に記載の半導体装置。
【請求項86】
前記層間絶縁膜パターンを貫通して前記第1バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第1下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第1上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第1ノードプラグと、
前記層間絶縁膜パターンを貫通して前記第2バルクトランジスタの第1不純物領域、前記第2下部薄膜トランジスタの第1不純物領域及び前記第2上部薄膜トランジスタの第1不純物領域を互いに電気的に接続させる第2ノードプラグと、
をさらに含むことを特徴とする請求項85に記載の半導体装置。
【請求項87】
前記第1及び第2バルクトランジスタは、それぞれ第1及び第2Nチャンネル駆動トランジスタであり、前記第1及び第2バルクトランジスタの前記第1不純物領域はドレイン領域であることを特徴とする請求項86に記載の半導体装置。
【請求項88】
前記第1駆動トランジスタのゲート電極は、前記第2ノードプラグに電気的に接続され、前記第2駆動トランジスタのゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることを特徴とする請求項87に記載の半導体装置。
【請求項89】
前記第1及び第2下部薄膜トランジスタはそれぞれ第1及び第2Pチャンネル負荷トランジスタであって、前記第1及び第2薄膜トランジスタはそれぞれ第1及び第2Nチャンネル転送トランジスタであり、前記第1及び第2下部薄膜トランジスタの前記第1不純物領域はドレイン領域であって、前記第1及び第2薄膜トランジスタの前記第1不純物領域はソース領域であることを特徴とする請求項88に記載の半導体装置。
【請求項90】
前記第1及び第2負荷トランジスタのゲート電極はそれぞれ前記第1及び第2駆動トランジスタのゲート電極と重畳するように配置されて、前記第1負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第2ノードプラグに電気的に接続されて前記第2負荷トランジスタの前記ゲート電極は前記第1ノードプラグに電気的に接続されることを特徴とする請求項89に記載の半導体装置。
【請求項91】
前記第1及び第2薄膜トランジスタのゲート電極は、互いに電気的に接続されてワードラインを構成することを特徴とする請求項90に記載の半導体装置。
【請求項92】
少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ゲート電極の表面に供給された金属シリサイド膜を含むことを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項93】
少なくとも前記周辺トランジスタは、周辺ソース/ドレイン領域の表面に供給された金属シリサイド膜を含むことを特徴とする請求項80に記載の半導体装置。
【請求項94】
セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備する段階と、
前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成する段階と、
前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる層間絶縁膜パターンを形成する段階と、
前記層間絶縁膜パターン上にセルボディパターンを形成すると共に前記露出された半導体基板上に前記露出された半導体基板と接触する周辺ボディパターンを形成する段階と、
前記セルボディパターンにセル薄膜トランジスタを形成すると共に前記周辺ボディパターンに周辺トランジスタを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項95】
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記層間絶縁膜パターンを有する基板上に半導体膜を形成する段階と、
前記半導体膜を平坦化させて前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記半導体基板上にそれぞれセル半導体膜及び周辺半導体膜を形成する段階と、を含み、前記周辺半導体膜は前記半導体膜よりも厚いことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項96】
前記半導体膜は、非単結晶半導体膜で形成することを特徴とする請求項95に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項97】
前記半導体膜を平坦化させる前又は後に、前記半導体基板をシード層として固相エピタキシャル技術を用いて前記半導体膜を結晶化させることをさらに含むことを特徴とする請求項96に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項98】
前記層間絶縁膜パターンを形成する段階は、
前記バルクトランジスタを有する基板上に層間絶縁膜を形成する段階と、
前記層間絶縁膜をパターニングして前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させることと同時に前記セル領域内の前記半導体基板の所定領域を露出させるコンタクトホールを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項99】
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板上に単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記単結晶半導体構造体を平坦化させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項100】
前記単結晶半導体構造体は、前記コンタクトホールによって露出された前記半導体基板及び前記周辺回路領域内の前記露出された半導体基板をシード層として選択的エピタキシャル成長技術を用いて形成することを特徴とする請求項99に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項101】
前記セル薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、
前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセルゲート電極及び周辺ゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セルボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項94に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項102】
少なくとも前記周辺ゲート電極及び/又は周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項101に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項103】
セル領域及び周辺回路領域を有する半導体基板を準備する段階と、
前記セル領域内の前記半導体基板にバルクトランジスタを形成する段階と、
前記バルクトランジスタを有する基板上に前記周辺回路領域内の前記半導体基板を露出させる第1層間絶縁膜パターンであって前記バルクトランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第1コンタクトホールを有する第1層間絶縁膜パターンを形成する段階と、
前記第1層間絶縁膜パターン上に前記第1コンタクトホールを覆うセル下部ボディパターンを形成する段階と、
前記セル下部ボディパターンにセル下部薄膜トランジスタを形成する段階と、
前記第1層間絶縁膜パターン上に前記セル下部薄膜トランジスタを覆う第2層間絶縁膜パターンであって前記セル下部薄膜トランジスタの不純物領域の所定領域を露出させる第2コンタクトホールを有する第2層間絶縁膜を形成する段階と、
前記第2層間絶縁膜パターン上に前記第2コンタクトホールを覆うセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成する段階と、
前記セル上部ボディパターンにセル上部薄膜トランジスタを形成すると共に前記周辺ボディパターンに周辺トランジスタを形成する段階と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項104】
前記セル下部ボディパターンを形成すると共に、前記周辺回路領域の半導体基板を覆う周辺下部ボディパターンを形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項105】
前記セル下部ボディパターン及び前記周辺下部ボディパターンを形成する段階は、
前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第1単結晶半導体構造体を平坦化させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項104に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項106】
前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺下部ボディパターンを覆う第2単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第2単結晶半導体構造体が平らな上部面を有するように平坦化させる段階と、
前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に、前記周辺回路領域に周辺上部ボディパターンを形成し前記周辺下部ボディパターン及び前記周辺上部ボディパターンを有する周辺ボディパターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項105に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項107】
前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることを特徴とする請求項106に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項108】
前記セル下部ボディパターンを形成する段階は、
前記第1コンタクトホールを埋め込んで前記第1層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う第1単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第1単結晶半導体構造体をパターニングして前記周辺回路領域の半導体基板を露出させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項109】
前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンを形成する段階は、
前記第2コンタクトホールを埋め込んで前記第2層間絶縁膜パターン及び前記周辺回路領域の半導体基板を覆う、平らな上部面を有する第2単結晶半導体構造体を形成する段階と、
前記第2単結晶半導体構造体をパターニングして前記セル領域にセル上部ボディパターンを形成すると共に前記周辺回路領域に周辺ボディパターンを形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項108に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項110】
前記単結晶半導体構造体は、エピタキシャル技術を用いて形成されることを特徴とする請求項109に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項111】
前記バルクトランジスタはNチャンネル駆動トランジスタであり、前記セル下部薄膜トランジスタはPチャンネル負荷トランジスタであり、前記セル上部薄膜トランジスタはNチャンネル転送トランジスタに形成されることを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項112】
前記セル上部薄膜トランジスタ及び前記周辺トランジスタを形成する段階は、
前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターンをそれぞれ横切るセル上部ゲート電極及び周辺ゲート電極を形成する段階と、
前記ゲート電極をイオン注入マスクとして用いて前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内に不純物を注入して前記セル上部ボディパターン及び前記周辺ボディパターン内にそれぞれセルソース/ドレイン領域及び周辺ソース/ドレイン領域を形成する段階と、
を含むことを特徴とする請求項103に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項113】
少なくとも前記周辺ゲート電極及び/または周辺ソース/ドレイン領域の表面に選択的に金属シリサイド膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項112に記載の半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図17A】
【図17B】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23A】
【図23B】
【図24A】
【図24B】
【図25】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28A】
【図28B】
【図29A】
【図29B】
【図30A】
【図30B】
【図31A】
【図31B】
【図32A】
【図32B】
【図33A】
【図33B】
【図34A】
【図34B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図12C】
【図12D】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図17A】
【図17B】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図22A】
【図22B】
【図23A】
【図23B】
【図24A】
【図24B】
【図25】
【図26A】
【図26B】
【図27A】
【図27B】
【図28A】
【図28B】
【図29A】
【図29B】
【図30A】
【図30B】
【図31A】
【図31B】
【図32A】
【図32B】
【図33A】
【図33B】
【図34A】
【図34B】
【公開番号】特開2006−49914(P2006−49914A)
【公開日】平成18年2月16日(2006.2.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−226926(P2005−226926)
【出願日】平成17年8月4日(2005.8.4)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】416,Maetan−dong,Yeongtong−gu,Suwon−si Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
【公開日】平成18年2月16日(2006.2.16)
【国際特許分類】
【出願日】平成17年8月4日(2005.8.4)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】416,Maetan−dong,Yeongtong−gu,Suwon−si Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]