JP2015226001A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】DRAMのような半導体装置のキャパシタの占有面積を拡大する。【解決手段】半導体基板の表面に垂直な方向に立設する複数のトランジスタピラー5と、複数のトランジスタピラー5の各々の上面に接続される複数のキャパシタ56と、からなるメモリセル領域(活性領域1A)を有し、複数のトランジスタピラー5の平面中心が平面最密充填となるように配置されている半導体装置100。【選択図】図1
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、トランジスタの微細化技術として、縦型トランジスタが提案されている。縦型トランジスタは、半導体基板の主面に対して垂直方向に延びる半導体ピラーをチャネルとして用いるトランジスタである。具体的には、縦型トランジスタは、半導体基板から立ち上がるように半導体ピラー(シリコンピラー)が設けられており、半導体ピラーの側面にはゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。半導体ピラーの下部にはドレイン領域となる下部拡散層(第1拡散層)が設けられ、半導体ピラーの上方にはソース領域となる上部拡散層(第2拡散層)が設けられている。また、半導体ピラーと隣接するように、ゲート電極へ給電するための半導体ピラー(ダミーシリコンピラー)が設けられている。
特開2008−311641号公報(特許文献1)には、上記の縦型トランジスタをスイッチングトランジスタとして用いるDRAM(Dynamic Random Access Memory)のメモリセル構成が開示されている。
特許文献1に開示されたメモリセル領域には、複数の半導体ピラーが、平面視において第1方向へ等間隔で配置されており、1つの半導体ピラー群を構成している。このような半導体ピラー群は、第1方向と直交する第2方向へ等間隔に複数配置されており、第1の半導体ピラー群を構成している半導体ピラーの第2方向には、隣接した第2の半導体ピラー群を構成する半導体ピラーが配置されている。つまり、複数の半導体ピラーは、第1方向並びに第2方向へ各々直交するようにマトリックス状に配置されている。
縦型トランジスタをDRAMのセルトランジスタとして用いる場合、半導体ピラーの直上には、平面視で円形としたキャパシタが配置される。このようなキャパシタの機能を向上させるには、キャパシタの占有面積を大きくすれば良い。
しかしながら、特許文献1に開示されたメモリセルでは、キャパシタの占有面積は隣接した半導体ピラー間の距離によって制限されており、占有面積をさらに大きくすると隣接したキャパシタ同士が接触してしまう問題があった。
そこで、本発明は、DRAMのような半導体装置のキャパシタの占有面積を拡大することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。
本発明の一態様に係る半導体装置は、
半導体基板の表面に垂直な方向に立設する複数のトランジスタピラーと、
前記複数のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタと、からなるメモリセル領域を有し、
前記複数のトランジスタピラーの平面中心が平面最密充填となるように配置されていることを特徴とする。
半導体基板の表面に垂直な方向に立設する複数のトランジスタピラーと、
前記複数のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタと、からなるメモリセル領域を有し、
前記複数のトランジスタピラーの平面中心が平面最密充填となるように配置されていることを特徴とする。
また、本発明の他の態様に係る半導体装置は、
半導体基板の表面に配置されるメモリセル領域と、
前記メモリセル領域内に、第1方向に等間隔で配置される複数の第1のトランジスタピラーで構成される第1のトランジスタピラー群と、
前記メモリセル領域内に、前記第1のトランジスタピラー群に対し前記第1方向に垂直な第2方向に隣接し、かつ前記第1方向に等間隔で配置される複数の第2のトランジスタピラーで構成される第2のトランジスタピラー群と、
前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタと、
前記第1トランジスタピラー群を構成する各々の前記第1のトランジスタピラーの前記第2方向であって、前記第2トランジスタピラー群を構成する前記第2のトランジスタピラー間に配置されたスペース領域を有することを特徴とする。
半導体基板の表面に配置されるメモリセル領域と、
前記メモリセル領域内に、第1方向に等間隔で配置される複数の第1のトランジスタピラーで構成される第1のトランジスタピラー群と、
前記メモリセル領域内に、前記第1のトランジスタピラー群に対し前記第1方向に垂直な第2方向に隣接し、かつ前記第1方向に等間隔で配置される複数の第2のトランジスタピラーで構成される第2のトランジスタピラー群と、
前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタと、
前記第1トランジスタピラー群を構成する各々の前記第1のトランジスタピラーの前記第2方向であって、前記第2トランジスタピラー群を構成する前記第2のトランジスタピラー間に配置されたスペース領域を有することを特徴とする。
さらに、本発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、
半導体基板の表面に配置されるメモリセル領域内に、第1方向に等間隔で配置される複数の第1のトランジスタピラーで構成される第1のトランジスタピラー群を形成し、
前記メモリセル領域内に、前記第1のトランジスタピラー群に対し前記第1方向に垂直な第2方向に隣接し、かつ前記第1方向に等間隔で配置される複数の第2のトランジスタピラーで構成される第2のトランジスタピラー群を形成し、
前記複数の第1のトランジスタピラーの各々の上方に複数の第1のシリンダーホールを形成し、
前記第1のシリンダーホールにおける前記第1方向と前記第2方向の中間方向であって前記複数の第2のトランジスタピラーの各々の上方に、複数の第2のシリンダーホールを形成し、
前記複数の第1及び第2のシリンダーホールの内部に下部電極、容量絶縁膜及び上部電極を形成することにより、前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタを形成することを特徴とする。
半導体基板の表面に配置されるメモリセル領域内に、第1方向に等間隔で配置される複数の第1のトランジスタピラーで構成される第1のトランジスタピラー群を形成し、
前記メモリセル領域内に、前記第1のトランジスタピラー群に対し前記第1方向に垂直な第2方向に隣接し、かつ前記第1方向に等間隔で配置される複数の第2のトランジスタピラーで構成される第2のトランジスタピラー群を形成し、
前記複数の第1のトランジスタピラーの各々の上方に複数の第1のシリンダーホールを形成し、
前記第1のシリンダーホールにおける前記第1方向と前記第2方向の中間方向であって前記複数の第2のトランジスタピラーの各々の上方に、複数の第2のシリンダーホールを形成し、
前記複数の第1及び第2のシリンダーホールの内部に下部電極、容量絶縁膜及び上部電極を形成することにより、前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタを形成することを特徴とする。
本発明によれば、DRAMのような半導体装置のキャパシタの占有面積を拡大することできる。
最初に、図1乃至図3を参照して、本発明の実施形態に係る半導体装置100の概略構成を説明する。なお、以下の図面においては、各構成要素をわかりやすくするために、実際の構造と各構成要素における縮尺や個数等が異なっている。また、個々の図面にはX方向/Y方向/Z方向の各座標系を設定しており、Z方向はシリコン基板の主面に垂直な方向であり、X方向はシリコン基板の主面と水平な面においてZ方向と直交する方向であって、Y方向はシリコン基板の主面と水平な面においてX方向と直交する方向である。また、今後の説明では、Y方向を「第1方向」、X方向を「第2方向」、Z方向を「第3方向」と称する場合がある。
まず、図1を参照する。図1は、本実施形態に係る半導体装置100の構造を示す模式図(平面図)である。構成要素の配置状況を明確にするために、層間絶縁膜、コンタクトプラグ、並びに配線を透過状態として、その輪郭だけを実線で記載している。なお、トランジスタピラーの上方におけるコンタクトプラグは、説明の都合から省略している。
本実施形態に係る半導体装置100は、シリコン単結晶からなる半導体基板の上面において、素子分離領域2と、素子分離領域2で囲まれた半導体基板からなる活性領域1Aと、を備えている。素子分離領域2はシリコン酸化膜などからなる第1絶縁膜2bで構成される。活性領域1A内には、半導体基板主面から突き出るように設けられた複数のトランジスタピラー5が、Y方向(第1方向)の同一線上に中心が位置するように一定の間隔で、2個あるいは3個配置されている。今後、第1方向に配置された複数のトランジスタピラー5をトランジスタピラー群55と称する。
図1では、X方向(第2方向)に隣接するように、5つのトランジスタピラー群55を示しており、個々のトランジスタピラー群55は、第1トランジスタピラー群55A、第2トランジスタピラー群55B、第3トランジスタピラー群55C、第4トランジスタピラー群55D、第5トランジスタピラー群55Eと称する。ここで、第1トランジスタピラー群55Aは、第1トランジスタピラー5A1乃至第3トランジスタピラー5A3で構成されており、第2トランジスタピラー群55Bは、第1トランジスタピラー5B1と第2トランジスタピラー5B2で構成されている。第3トランジスタピラー群55C乃至第5トランジスタピラー群55Eも同様に構成されている。
夫々のトランジスタピラー群55を構成するトランジスタピラー5は、Y方向(第1方向)の幅およびX方向(第2方向)の幅が同一の矩形となるように設けられている。なお、トランジスタピラー5の平面形状は、矩形に限らず円形であっても良い。また、1つのトランジスタピラー群55において隣接するトランジスタピラー5の間をスペース領域51Yと称し、X方向で隣接するトランジスタピラー群の間をスペース領域51Xと称する。スペース領域51Yとスペース領域51Xを合わせて、スペース領域51と称する。ここで、トランジスタピラー5のY方向(第1方向)の幅およびX方向(第2方向)の幅を幅W1と規定する。また、説明の都合から、スペース領域51XのX方向の幅W2を幅W1の0.73倍(W2=0.73W1)と規定する。同様に、スペース領域51YのY方向の幅W3を幅W1の2倍(W3=2W1)と規定する。
各々のトランジスタピラー5は、縦型トランジスタを構成しており、第1トランジスタピラー5A1は第1トランジスタ50A1に対応し、第2トランジスタピラー5B2は第2トランジスタ50B2に対応している。その他のトランジスタピラー5も同様である。図1には、13個のトランジスタが示されているが、これに限るものではなく、さらに多くのトランジスタが配置されても良い。1つのトランジスタピラー群と重なるようにY方向へ延在している不純物拡散層が設けられ、1つのトランジスタピラー群における各縦型トランジスタに共有されるピラー下部拡散層9となっている。
ピラー下部拡散層9は、ピラー下部拡散層9Aとピラー下部拡散層9Bが一対となって構成されており、2つのピラー下部拡散層9(9A、9B)が平行にY方向へ延在している。つまり、ピラー下部拡散層9は、ビット線としての役割も果たしている。各トランジスタピラー5と重なるように、円形のキャパシタ56を配置している。キャパシタ56のX方向には、隣接するトランジスタピラー群55におけるスペース領域51Yが配置されている。
さらに詳細に説明すると、第3トランジスタピラー群55Cを構成する第3トランジスタピラー5C3と重なるように配置したキャパシタ56C3の一方のX方向には、第4トランジスタピラー群55Dを構成する第2トランジスタピラー5D2に隣接したスペース領域51YDが配置されている。同様に、キャパシタ56C3の他方のX方向には、第2トランジスタピラー群55Bを構成する第2トランジスタピラー5B2に隣接したスペース領域51YBが配置されている。つまり、トランジスタピラー同士は、X方向あるいはY方向において隣接しているのではなく、X方向とY方向の中間方向において隣接している。
さらに、詳細に説明すると、1つのトランジスタピラー群55における2つの隣接した個々のトランジスタピラー5の中心 並びに 前記2つのトランジスタピラー5で挟まれたスペース領域51YのX方向に隣接した他のトランジスタピラー群55におけるトランジスタピラー5の中心は、正三角形85を構成している各頂点の位置に配置されている。つまり、個々のトランジスタピラー5は平面最密充填構成となっている。したがって、トランジスタピラー5の平面中心と同一平面中心を有し、トランジスタピラー5の上面に接続される個々のキャパシタ56も正三角形85を基本に構成され平面最密充填配置となっている。
例えば、第3トランジスタピラー群55Cを構成している第1トランジスタピラー5C1と第2トランジスタピラー5C2の中心 並びに 第2トランジスタピラー群55Bを構成している第1トランジスタピラー5B1の中心は、一辺の長さが幅W1の3倍(=3W1)となっている正三角形85の各頂点の位置に配置されており、他のトランジスタピラー5も同様の位置に配置されている。
このようなトランジスタピラー5の配置により、一定幅のスペース領域51Xにおいて、異なるトランジスタピラー群55におけるトランジスタピラー5の間隔を広げることができる。隣接するキャパシタ56同士が平面視で重複しないように夫々のスペースを幅W1の0.5倍(=0.5W1)確保すると、キャパシタ56の直径X1は、最大で幅W1の2.5倍(=2.5W1)とすることができる。
なお、従来技術におけるキャパシタ56Aは、X方向で隣接させているので、同様にスペースを0.5W1確保すると、キャパシタ56Aの最大直径は幅W1の1.5倍(1.5W1)となる。本実施形態によれば、キャパシタ56の直径を従来技術よりも1.67倍に拡大することができるので、キャパシタ容量を従来比で5倍にすることができる。
活性領域1Aと、活性領域1AのX方向における素子分離領域2の一部とによりピラー溝形成領域Aが構成される。ピラー溝形成領域Aにおける素子分離領域2には、X方向で隣接している複数のトランジスタピラー5の延長線上に矩形のダミーピラー6(6A乃至6E)が配置されている。すなわち、第1ダミーピラー6Aは、第5トランジスタピラー群55Eを構成している第1トランジスタピラー5E1に隣接して配置しており、第2ダミーピラー6Bは、第4トランジスタピラー群55Dを構成している第1トランジスタピラー5D1に隣接して配置している。また、第3ダミーピラー6C乃至第5ダミーピラー6Eも同様である。
図1に示すように、ダミーピラー6は、ピラー溝形成領域A内の活性領域1Aと素子分離領域2の境界部分に跨るように配置されている。ダミーピラー6は、活性領域1A側に配置されるダミーシリコンピラー6Xと素子分離領域2側に配置されるダミー絶縁膜ピラー6Yで構成される。ダミーシリコンピラー6Xとダミー絶縁膜ピラー6Yは一側面が接触して合体した複合ピラーを構成している。
ダミーピラー6は、各々のトランジスタを構成するゲート電極への給電用ピラーとして機能する。ダミー絶縁膜ピラー6Yと部分的に重なるように、第3コンタクトプラグ41(第3プラグ41)が配置されている。第3プラグ41は、ダミー絶縁膜ピラー6YのX方向における外側に若干はみ出した構成となっている。なお、図1では、第3プラグ41がダミー絶縁膜ピラー6Yに対してX方向にオフセットしているが、これに限るものではなく、活性領域1Aに接触しない範囲の任意の位置でY方向にオフセットされても良い。
第3プラグ41と重なるように、配線42が配置されている。各々のトランジスタピラー5の全側面を囲むように、ゲート絶縁膜を介してゲート電極11aが設けられる。ゲート電極11aは、各々X方向で隣接するトランジスタピラー5間を延在することによって相互に接続され、複数のトランジスタピラー5に共有される1つのゲート電極11aを構成している。一方、ダミーピラー6の全側面を囲むように給電用ゲート電極11bが設けられる。今後は、ゲート電極11aと給電用ゲート電極11bを合わせてゲート電極11と称する。ゲート電極11aと給電用ゲート電極11bは一体化されており、1つのゲート電極として機能する。
第3プラグ41は、平面視においてダミーピラー6からはみ出した部分で給電用ゲート電極11bと接続されている。これにより、ダミーピラー6の給電用ゲート電極11bに供給されたゲート電圧は、個々のトランジスタピラー5のゲート電極11aに供給される。さらに詳細に説明すると、ダミーピラー6Eの給電用ゲート電極11bに供給されたゲート電圧は、3つの第3トランジスタピラー5(5E3、5C3、5A3)のゲート電極11aに供給されている。活性領域1Aには、ピラー下部拡散層9に接続される5つの第1コンタクトプラグ31(31A1乃至31A5)が配置されている。
第1コンタクトプラグ31(第1プラグ31)の直上には、配線34が配置されている。配線34は、第1プラグ31を介して、各々のトランジスタを構成するピラー下部拡散層9と接続されており、ピラー下部拡散層9への給電配線となっている。
次に、図2および図3を参照する。
シリコン基板1の上面には、第1絶縁膜2bからなる素子分離領域2が設けられている。素子分離領域2に囲まれたシリコン基板1からなる活性領域1Aには、半導体の基柱(半導体ピラー)であるトランジスタピラー5(第3トランジスタピラー5C3、第3トランジスタピラー5E3、第1トランジスタピラー5E1)が立設されている。各々のトランジスタピラー5は、夫々に対応するトランジスタ50のチャネル部を構成する柱状の半導体である。
従って、夫々のトランジスタ50は縦型トランジスタである。各々のトランジスタピラー5は、素子分離領域2で区画された活性領域1Aに全てが同一の高さとなるように配置されている。なお、各々のトランジスタピラー5の太さ(シリコン基板1の基板表面に平行な面で切った断面の大きさ)は、完全空乏化が可能な太さにしている。各々のトランジスタ50は、トランジスタピラー5の上端部と下端部に、それぞれ不純物拡散層を有している。トランジスタピラー5の上端部に位置したピラー上部拡散層16はソース/ドレインの一方であり、トランジスタピラー5の下端部に位置したピラー下部拡散層9はソース/ドレインの他方である。ピラー上部拡散層16とピラー下部拡散層9との間に挟まれたトランジスタピラーの中央部は、チャネル部を構成している。
図3に示すように、第3のトランジスタピラー5E3のX方向の側面に隣接するように、第5ダミーピラー6Eが配置されている。トランジスタピラー5とダミーシリコンピラー6Xは、シリコン基板1の表面をエッチングして設けられており、ダミー絶縁膜ピラー6Yは、素子分離領域2の表面をエッチングして設けられている。
ダミーシリコンピラー6Xは、シリコン基板1の表面から突出した柱状の半導体であり、ダミー絶縁膜ピラー6Yは、素子分離領域2において突出する柱状の絶縁体である。ダミーピラー6は、給電用ゲート電極11bの高さを嵩上げして給電用ゲート電極11bと上層の配線42との距離を小さくするための突起層として機能する。複数のトランジスタピラー5の側面を囲むゲート電極11aは、個々のトランジスタピラー5に隣接したスペース領域51をX方向に延在しており、さらにダミーピラー6の側面を囲む給電用ゲート電極11bに接続されて、連続する一つのゲート電極11となっている。
ピラー下部拡散層9は、トランジスタピラー5の下端部で第3絶縁膜8と重なるように配置されている。隣接したトランジスタピラー5の下端部に配置されたピラー下部拡散層9は、埋込絶縁膜52によって分離されているので、スペース領域51は、活性領域1A(シリコン基板1)とピラー下部拡散層9と埋込絶縁膜52で構成されている。活性領域1A(シリコン基板1)とピラー下部拡散層9と埋込絶縁膜52の上面には、第3絶縁膜8が設けられており、第3絶縁膜8によってピラー下部拡散層9とゲート電極11とが電気的に絶縁されている。
なお、第3絶縁膜8は、トランジスタピラー5の側面に設けられたゲート絶縁膜10と一体化している。ピラー下部拡散層9は、1つのトランジスタピラー群55を構成しているトランジスタピラー同士を電気的に接続しており、1つのトランジスタピラー群55に共通のピラー下部拡散層9を構成している。なお、素子分離領域2と埋込絶縁膜52は、ピラー下部拡散層9よりも深くなるように設けられており、素子分離領域2並びに埋込絶縁膜52を挟んで隣接するピラー下部拡散層9が導通しないようになっている。
トランジスタピラー5とダミーシリコンピラー6Xの側面には、ゲート絶縁膜10が配置されている。また、ゲート絶縁膜10を介してトランジスタピラー5とダミーシリコンピラー6Xの各々の側面にゲート電極11aおよび給電用ゲート電極11bが配置されている。なおダミー絶縁膜ピラー6Yの側面には、ゲート絶縁膜10は配置されず、給電用ゲート電極11bのみが配置されている。ゲート絶縁膜10は、トランジスタピラー5の外周面を覆って第3絶縁膜8と接続されている。トランジスタピラー5のチャネル部とピラー上部拡散層16とピラー下部拡散層9は、ゲート絶縁膜10と第3絶縁膜8によって、ゲート電極11と電気的に絶縁されている。
図3に示すように、例えば、第3トランジスタ50E3は、ピラー下部拡散層9、ピラー上部拡散層16、ゲート絶縁膜10、ゲート電極11aで構成される。素子分離領域2とダミーピラー6の上面には、第2絶縁膜3が配置されている。素子分離領域2とダミーピラー6の上面には、第2絶縁膜3を覆って第1マスク膜4が設けられており、さらにゲート電極11と第3絶縁膜8を覆って第1層間絶縁膜12が設けられている。第1層間絶縁膜12は、ピラー溝形成領域Aを埋設して設けられている。すなわち、素子分離領域2と第2絶縁膜3と第1マスク膜4の壁面に囲まれた領域に設けられている。第1層間絶縁膜12の上面から一部が突出するように、シリコンプラグ19が設けられており、シリコンプラグ19の底面はピラー上部拡散層16の上面に接続されている。
第1マスク膜4と第1層間絶縁膜12の上面には、第2層間絶縁膜20が設けられている。第2層間絶縁膜20を覆ってストッパー膜21が設けられ、さらにストッパー膜21を覆って第3層間絶縁膜24が設けられている。第3層間絶縁膜24とストッパー膜21の内部には、配線42と配線34が配置されており、夫々の配線の上面は第3層間絶縁膜24の上面と面一となっている。配線42は、第2層間絶縁膜20と第1層間絶縁膜12を貫通する第3プラグ41によって給電用ゲート電極11bと接続されている。配線34は、第2層間絶縁膜20と第1層間絶縁膜12を貫通する第1プラグ31によって、ピラー下部拡散層9と接続されている。
第3層間絶縁膜24の上面には、第4層間絶縁膜53が設けられており、第4層間絶縁膜53の上面には、キャパシタ56が配置されている。キャパシタ56は、下部電極57、容量絶縁膜58および上部電極59からなるシリンダ型のキャパシタで構成されているが、これに限るものではなくクラウン型やピラー型などであっても良い。
なお、下部電極57は、シリンダ形状で内壁と外壁を有しており、内壁側には容量絶縁膜58と上部電極59が配置されており、外壁側には第4層間絶縁膜53の上面に設けられたストッパー膜60と第5層間絶縁膜61が配置されている。下部電極57は、第4層間絶縁膜53と第3層間絶縁膜24とストッパー膜21と第2層間絶縁膜20を貫通する第2コンタクトプラグ30(第2プラグ30)によって、シリコンプラグ19に接続されている。つまり下部電極57は、第1層間絶縁膜12とゲート電極11で取り囲まれたシリコンプラグ19と、第2プラグ30とを介して、各々のトランジスタピラーのピラー上部拡散層16と接続されている。シリコンプラグ19は、シリコン中にヒ素等の不純物を注入(拡散)したものであり、ピラー上部拡散層16と共にトランジスタ50のソース/ドレインの一方を構成している。シリコンプラグ19の側面には、サイドウォール膜18と第4絶縁膜17が配置されており、サイドウォール膜18と第4絶縁膜17によって、シリコンプラグ19とゲート電極11aとが電気的に絶縁されている。
上部電極59は、第6層間絶縁膜62で覆われており、第6層間絶縁膜62の内部には、第4コンタクトプラグ63(第4プラグ63)が設けられている。さらに第6層間絶縁膜62の上面には、上部金属配線64が設けられており、第4プラグ63を介して、上部金属配線64と上部電極59が接続されている。なお、上部金属配線64と第6層間絶縁膜62は、保護膜65で覆われている。
本実施形態に係る半導体装置100では、第1方向に延在させた第1トランジスタピラー群55を構成しているトランジスタピラー5(第1ピラー)の第2方向に、同様の第2トランジスタピラー群55を構成しているトランジスタピラー5(第2ピラー)のスペース領域51を配置している。このような構成によれば、第1ピラーに対して、第1方向と第2方向の中間方向に第2ピラーが配置されるので、第1ピラーのX方向に第2ピラーを配置するよりも、第1ピラーと第2ピラー間の間隔が広がることになる。したがって、トランジスタピラー5の上方に配置しているキャパシタ56は、隣接した別のキャパシタ56へ接触することなく、占有面積を拡大することができる。
(半導体装置の製造方法)
次に、本実施形態に係る半導体装置100の製造方法について、図4乃至図33を参照して詳細に説明する。
次に、本実施形態に係る半導体装置100の製造方法について、図4乃至図33を参照して詳細に説明する。
図4および図6に示すように、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、シリコン基板1に溝2aを形成する。次に、溝2aの内部を埋め込むように、シリコン基板1の全面へシリコン窒化膜やシリコン酸化膜からなる第1絶縁膜2bをCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって堆積させる。その後、シリコン基板1の上面に形成された不要な第1絶縁膜2bをCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により除去して、第1絶縁膜2bを溝2aの内部だけに残すことにより、素子分離領域2を形成する。これにより、素子分離領域2で囲まれた活性領域1Aが形成される。
次に、図7乃至図9に示すように、CVD法によって、シリコン基板1の上面にシリコン酸化膜からなる第2絶縁膜3を形成してから、シリコン窒化膜からなる第1マスク膜4を形成する。次に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により、シリコン基板1を掘り込んで矩形の第1溝67を形成する。第1溝67の底面には、活性領域1Aを構成しているシリコン基板1の上面が露出しており、第1溝67の側面には、トランジスタピラーのX方向の側面部が露出している。このとき、第1マスク膜4は残留している。
次に、図10乃至図12に示すように、熱酸化法によって、第1溝67の内部にシリコン酸化膜である第5絶縁膜71を形成する。さらに、CVD法によるシリコン窒化膜を成膜してから、全面エッチバックを行って、第1溝67の側面にサイドウォール膜72を形成する。次に、イオン注入法によって、第1溝67の底部に残留している第5絶縁膜71Aの下方に、下部拡散層9Xを形成する。ここでは、隣接している第1溝67の下方に形成された下部拡散層9Xは独立しており、トランジスタピラーとなるシリコン基板1の下方において、下部拡散層9Xは連続していない。さらに第1溝67は、サイドウォール膜72で覆われた新たな第2溝68となって残留しており、第2溝68の底面には第5絶縁膜71Aが露出している。なお注入する不純物は、例えばN型トランジスタの場合はヒ素を用いることができる。次に、処理温度を650℃としたアニール法によって、下部拡散層9Xの活性化処理を行う。なお、この活性化処理は後続工程で行ってもよいし、後続の熱処理工程と兼ねて実施してもよい。
次に、図13乃至図15に示すように、第1マスク膜4をマスクとしたドライエッチング法によって、第2溝68の底部に露出している第5絶縁膜71Aと、第5絶縁膜71Aの下方におけるシリコン基板1の一部を除去して、新たな第3溝69を形成する。このとき、下部拡散層9Xは第3溝69で分離されて、トランジスタピラーとなるシリコン基板毎に独立したピラー下部拡散層9となっている。第3溝69の側面は、ピラー下部拡散層9と第5絶縁膜71とサイドウォール膜72とシリコン基板1で構成されており、その底面にはシリコン基板1が露出している。このとき、第1マスク膜4は残留している。
次に、第3溝69を埋め込むように、CVD法によるシリコン酸化膜である第1埋込膜73を形成する。このとき第1埋込膜73は、第1マスク膜4の上面を覆っている。次に、CMP法によって、第1マスク膜4の上面が露出するまで第1埋込膜73を除去する。次に、CVD法によって、第1埋込膜73と第1マスク膜4の上面に、アモルファスカーボンからなる第3マスク膜74を形成する。次に、フォトリソグラフィ法によって、第3マスク膜74に第3開口部75を形成する。ここで第3開口部75は、トランジスタピラーとなるシリコン基板1が残留するようにスペース領域51Yの上方に形成された第3開口部75Aと、ダミーピラーとなるシリコン基板並びに第1絶縁膜の周辺領域の上方に形成された第3開口部75Bで構成されている。第3開口部75Aの底部には、第1埋込膜73と第1マスク膜4が露出しており、第3開口部75Bの底部には、少なくとも第1マスク膜4が露出している。なお、第3開口部75Aと第3開口部75Bは、夫々の接触部で一体化している。
次に、図16乃至図18に示すように、第3マスク膜74をマスクとしたドライエッチング法によって、第4溝76Aと第4溝76Bで構成された新たな第4溝76を形成する。第4溝76Aは、第3開口部75Aの底面に露出している第1埋込膜73と第1マスク膜4を同時に除去してから、さらに、第1マスク膜4の下方に位置しているシリコン基板1を除去することで形成されている。なお、第5絶縁膜71とサイドウォール膜72は、第1埋込膜73、第1マスク膜4、シリコン基板1と同時に除去している。また、第4溝76Bは、第3開口部75Bの底面に露出している第1マスク膜4を除去してから、さらに第1マスク膜4の下方に位置している第1絶縁膜2bを除去して形成されている。第4溝76Aの側面は第1埋込膜73で構成されており、第4溝76Aの底面は少なくともシリコン基板1で構成されている。また第4溝76Bの側面は第1絶縁膜2bと第1マスク膜4で構成されており、第4溝76Bの底面は少なくとも第1絶縁膜2bで構成されている。
次に、ドライエッチング法によって、残留している第3マスク膜74を選択的に除去する。次に、第4溝76を埋め込むように、CVD法によって、シリコン酸化膜からなる第2埋込膜77を形成する。このとき、第2埋込膜77は、第4溝76に隣接している第1マスク膜4の上面を覆っている。
次に、CMP法によって、第1マスク膜4の上面が露出するまで第2埋込膜77を除去する。このとき、第2埋込膜77の上面は、第1マスク膜4の上面と面一になっている。
次に、図19乃至図21に示すように、第1マスク膜4をマスクとしたドライエッチング法によって、第1埋込膜73と第2埋込膜77を選択的に除去して、第5溝78を形成した。このとき、活性領域1Aには、トランジスタピラー5とダミーシリコンピラー6Xが形成されており、素子分離領域2にはダミー絶縁膜ピラー6Yが形成されている。なお、トランジスタピラー5の側面には、チャネル領域となるシリコン基板が露出しており、第5溝78の底面には、少なくともシリコン基板1と第1埋込膜73と第1絶縁膜2bが露出している。
次に、図22乃至図24に示すように、熱酸化法によって、トランジスタピラー5とダミーシリコンピラー6Xの側面にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜10を形成する。このとき、活性領域1Aにおける第5溝78の底面には、同時にシリコン酸化膜からなる第3絶縁膜8が一様に形成されて、ゲート絶縁膜10と一体化している。次に、シリコン基板1の全面にポリシリコン膜(多結晶シリコン膜)をCVD法により成膜して、トランジスタピラー5の側面にポリシリコン膜からなるゲート電極11aを形成する。また、同時に、ダミーピラー6の側面にポリシリコン膜からなる給電用ゲート電極11bを形成する。なお、ゲート電極11aと給電用ゲート電極11bは、第3絶縁膜8の上面に形成されたポリシリコン膜からなる電極11cにより、一体化して電気的に接続されている。なお、電極11cは、個別に言及しない限り、ゲート電極11aに含まれるものとする。
次に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法によって、一部の電極11cを除去する。この処理により、ゲート電極11は細分化されて、複数のゲート電極11がX方向へ延在している。例えば、第3トランジスタピラー5A3と第3トランジスタピラー5C3と第3トランジスタピラー5E3とダミーピラー6Eの間は、一定幅となってX方向に延在している1本のゲート電極11によって接続されている。X方向で隣接しているその他のトランジスタピラー5並びにダミーピラー6も、同様に1本のゲート電極11で接続されている。
次に、図25と図26に示すように、トランジスタピラー5とダミーピラー6を埋め込むように、CVD法によって、シリコン酸化膜からなる第1層間絶縁膜12を形成する。
次に、CMP法によって、第1層間絶縁膜12を第1マスク膜4の上面が露出するように平坦化し、続けてCVD法によって、シリコン酸化膜からなる第2マスク膜13を成膜する。次に、フォトリソグラフィ法とエッチング法を用いて、第2マスク膜13の一部を除去する。除去する第2マスク膜13は、平面視において、トランジスタピラー5を配置した部分のみである。第2マスク膜13を除去した第1開口部14には、トランジスタピラー5の上方における第1マスク膜4が露出する。
次に、露出した第1マスク膜4をウェットエッチング法によって選択的に除去し、さらに新たに露出した第2絶縁膜3を除去することで、トランジスタピラー5の上方に第2開口部15を形成する。第2開口部15の底面には、トランジスタピラー5の上面が露出しており、側面にはゲート電極11aの一部が露出している。
次に、図27と図28に示すように、熱酸化法によって、第2開口部15の内壁へシリコン酸化膜からなる第4絶縁膜17を形成する。次に、第2開口部15からトランジスタピラー5の上部に不純物(N型トランジスタとするのであれば、燐やヒ素など)をイオン注入し、ピラー上部拡散層16を形成する。
次に、CVD法によりシリコン窒化膜を成膜してから、エッチバックを行うことにより、第2開口部15の内壁へサイドウォール膜18を形成する。このサイドウォール膜18の形成時に、トランジスタピラー5の上面に形成されていた第4絶縁膜17も除去して、トランジスタピラー5の上面を露出させる。このとき第4絶縁膜17は、サイドウォール膜18の下方と第2開口部15におけるゲート電極11aの露出面に残留する。サイドウォール膜18は、この後形成するシリコンプラグとゲート電極11aとの間の絶縁を確保する役割を果たす。
次に、選択エピタキシャル成長法を用いて、第2開口部15を塞ぐようにトランジスタピラー5の上面へシリコンプラグ19を成長させる。その後、ヒ素などをイオン注入して、シリコンプラグ19内をn型の導電体として、トランジスタピラー5の上部に形成したピラー上部拡散層16と電気的に接触させる。
次に、図29と図30に示すように、CVD法によって、第1開口部14を埋め込むようにシリコン酸化膜からなる第2層間絶縁膜20を形成する。このとき、シリコン酸化膜からなる第2マスク膜13は、第2層間絶縁膜20と一体化するので、以降の説明では、第2マスク膜13も含めて第2層間絶縁膜20と称する。
次に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、コンタクト孔27とコンタクト孔29を形成する。コンタクト孔27は、ダミー絶縁膜ピラー6Yの端部に形成しているので、その底部には、ダミーピラー6の上方に形成した第1マスク膜4と、ダミーピラー6の側面に形成した給電用ゲート電極11bの一部が露出している。また、コンタクト孔29の底部には、ピラー下部拡散層9の一部が露出している。コンタクト孔27とコンタクト孔29は同時に形成しても良いが、別々に形成しても良い。次に、CVD法によって、第2層間絶縁膜20を覆うようにタングステン(W)と窒化チタン(TiN)とチタン(Ti)で構成された金属膜を成膜して、コンタクト孔27とコンタクト孔29の内部を埋め込む。
次に、CMP法によって、第2層間絶縁膜20の上面における金属膜を除去して、給電用ゲート電極11bに対する第3プラグ41と、ピラー下部拡散層9に対する第1プラグ31を形成する。次に、CVD法によって、シリコン窒化膜からなるストッパー膜21と、シリコン酸化膜からなる第3層間絶縁膜24を成膜する。
次に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、第1プラグ31の上方に矩形の第6溝79を形成するとともに、第3プラグ41の上方に第7溝80を形成する。このとき、第6溝79の底面には、少なくとも第1プラグ31の上面が露出しており、第7溝80の底面には、少なくとも第3プラグ41の上面が露出している。次に、CVD法によって、第3層間絶縁膜24を覆うようにタングステン(W)と窒化チタン(TiN)で構成された金属膜を成膜して、第6溝79と第7溝80の内部を埋め込む。次にCMP法によって、第3層間絶縁膜24の上面における金属膜を除去して、第1プラグ31に対する配線34と、第3プラグ41に対する配線42を形成する。
次に、図31乃至図33に示すように、CVD法によって、配線34と配線42を覆うようにシリコン酸化膜からなる第4層間絶縁膜53を成膜する。次に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、コンタクト孔28を形成する。コンタクト孔28の底部には、シリコンプラグ19の少なくとも一部が露出している。コンタクト孔28の形成では、ドライエッチングをストッパー膜21で一旦止めることで、シリコンプラグ19までの深さを制御している。
次に、CVD法によって、第4層間絶縁膜53を覆うようにタングステン(W)と窒化チタン(TiN)とチタン(Ti)で構成された金属膜を成膜して、コンタクト孔28の内部を埋め込む。次に、CMP法によって、第4層間絶縁膜53の上面における金属膜を除去して、シリコンプラグ19に対する第2プラグ30を形成する。次に、CVD法によって、第2プラグ30を覆うようにシリコン窒化膜からなるストッパー膜60とシリコン酸化膜からなる第5層間絶縁膜61を形成する。
次に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法によって、平面視で円形としたシリンダーホール81を形成する。シリンダーホール81の底面には、少なくとも第2プラグ30が露出している。図31には、13個のシリンダーホール81(81A1乃至81A3、81B1と81B2、81C1乃至81C3、81D1と81D2、81E1乃至81E3)を示している。第1シリンダーホール81A1は、第1トランジスタピラー5A1の上方で夫々の中心が一致するように配置されており、第2シリンダーホール81A2も同様に、第2トランジスタピラー5A2の上方に配置されている。なお、他のシリンダーホール81も同様に、夫々に対応するトランジスタピラーの上方に配置されている。
さらに詳細に説明すると、第1シリンダーホール81B1の中心位置は、第1シリンダーホール81A1の中心から第2シリンダーホール81A2の中心を結んだ中間地点90のX方向で隣接するように配置されている。同様に、第1シリンダーホール81B1の中心位置は、第2シリンダーホール81A2の中心から第2シリンダーホール81C2の中心を結んだ中間地点91のY方向で隣接するように配置されている。なお、他のシリンダーホール81の位置関係も同様である。
このように配置されたシリンダーホール81の半径は、従来技術よりも大きくすることができるので、本実施形態により、シリンダーホールの占有面積を拡大することができる。
次に、公知の製法によって、シリンダーホール81の内部に、下部電極57と容量絶縁膜58と上部電極59を形成すると、キャパシタ56が完成する。さらに、第6層間絶縁膜62の内部に形成した第4プラグ63によって、第6層間絶縁膜62の上面に形成した上部金属配線64と上部電極59を接続すると、図1乃至図3に示す半導体装置100が完成する。
上述のように、本発明の実施形によれば、第1トランジスタピラー群を構成するトランジスタピラー(第1ピラー)の第2方向には、第2トランジスタピラー群におけるトランジスタピラー(第2ピラー)のスペース領域が配置されている。この構成によれば、第1ピラーにおける第1方向と第2方向の中間方向に第2ピラーが配置されるので、第1ピラーの第2方向に第2ピラーを配置するよりも、第1ピラーと第2ピラー間の距離を拡大している。これにより、隣接したトランジスタピラー上におけるキャパシタの占有面積を拡大することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
1 シリコン基板
1A 活性領域
2 素子分離領域
2b 第1絶縁膜
3 第2絶縁膜
4 第1マスク膜
5 トランジスタピラー
6 ダミーピラー
6X ダミーシリコンピラー
6Y ダミー絶縁膜ピラー
8 第3絶縁膜
9 ピラー下部拡散層
10 ゲート絶縁膜
11a ゲート電極
11b 給電用ゲート電極
12 第1層間絶縁膜
16 ピラー上部拡散層
17 第4絶縁膜
18 サイドウォール膜
19 シリコンプラグ
20 第2層間絶縁膜
21 ストッパー膜
24 第3層間絶縁膜
30 第2コンタクトプラグ
31 第1コンタクトプラグ
34 配線
41 第3コンタクトプラグ
42 配線
51 スペース領域
52 埋込絶縁膜
53 第4層間絶縁膜
56 キャパシタ
57 下部電極
58 容量絶縁膜
59 上部電極
60 ストッパー膜
61 第5層間絶縁膜
62 第6層間絶縁膜
63 第4コンタクトプラグ
64 上部金属配線
65 保護膜
100 半導体装置
1A 活性領域
2 素子分離領域
2b 第1絶縁膜
3 第2絶縁膜
4 第1マスク膜
5 トランジスタピラー
6 ダミーピラー
6X ダミーシリコンピラー
6Y ダミー絶縁膜ピラー
8 第3絶縁膜
9 ピラー下部拡散層
10 ゲート絶縁膜
11a ゲート電極
11b 給電用ゲート電極
12 第1層間絶縁膜
16 ピラー上部拡散層
17 第4絶縁膜
18 サイドウォール膜
19 シリコンプラグ
20 第2層間絶縁膜
21 ストッパー膜
24 第3層間絶縁膜
30 第2コンタクトプラグ
31 第1コンタクトプラグ
34 配線
41 第3コンタクトプラグ
42 配線
51 スペース領域
52 埋込絶縁膜
53 第4層間絶縁膜
56 キャパシタ
57 下部電極
58 容量絶縁膜
59 上部電極
60 ストッパー膜
61 第5層間絶縁膜
62 第6層間絶縁膜
63 第4コンタクトプラグ
64 上部金属配線
65 保護膜
100 半導体装置
Claims (16)
- 半導体基板の表面に垂直な方向に立設する複数のトランジスタピラーと、
前記複数のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタと、からなるメモリセル領域を有し、
前記複数のトランジスタピラーの平面中心が平面最密充填となるように配置されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記複数のトランジスタピラー中の所定の三つのトランジスタピラーの平面中心で正三角形を構成することにより、前記平面最密充填配置が構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 隣接する前記トランジスタピラー間の距離を拡大するように、前記平面最密充填配置が構成されことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記複数のキャパシタは、前記トランジスタピラーの平面中心と同一平面中心を有し、前記正三角形を基本に構成される平面最密充填配置を有することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 隣接する前記キャパシタの占有面積を拡大するように、前記平面最密充填配置が構成されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 半導体基板の表面に配置されるメモリセル領域と、
前記メモリセル領域内に、第1方向に等間隔で配置される複数の第1のトランジスタピラーで構成される第1のトランジスタピラー群と、
前記メモリセル領域内に、前記第1のトランジスタピラー群に対し前記第1方向に垂直な第2方向に隣接し、かつ前記第1方向に等間隔で配置される複数の第2のトランジスタピラーで構成される第2のトランジスタピラー群と、
前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタと、
前記第1トランジスタピラー群を構成する各々の前記第1のトランジスタピラーの前記第2方向であって、前記第2トランジスタピラー群を構成する前記第2のトランジスタピラー間に配置されたスペース領域を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記スペース領域を配置することにより、前記第1のトランジスタピラーにおける前記第1方向と前記第2方向の中間方向に前記第2のトランジスタピラーが配置されることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。
- 前記第1のトランジスタピラー群を構成する前記第1のトランジスタピラーの数は、前記第2のトランジスタピラー群を構成する前記第2のトランジスタピラーの数よりも多いことを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置。
- 前記第1のトランジスタピラーと前記第2のトランジスタピラー間の距離を拡大するように、前記中間方向に前記第2のトランジスタピラーを配置することを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置。
- 隣接する前記キャパシタの占有面積を拡大するように、前記中間方向に前記第2のトランジスタピラーを配置することを特徴とする請求項7から9のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第1のトランジスタピラー群の中で前記第1方向に隣接する一対の前記第1のトランジスタピラーの二つの平面中心と、前記一対の前記第1のトランジスタピラー間に対応して位置する前記第2のトランジスタピラーの一つの平面中心とで正三角形を構成していることを特徴とする請求項6から10のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記正三角形を構成することにより、前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーは平面最密充填構成を有することを特徴とする請求項11に記載の半導体装置。
- 前記キャパシタは、前記第1及び第2のトランジスタピラーの平面中心と同一平面中心を有し、前記正三角形を基本に構成される平面最密充填構成を有することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。
- 半導体基板の表面に配置されるメモリセル領域内に、第1方向に等間隔で配置される複数の第1のトランジスタピラーで構成される第1のトランジスタピラー群を形成し、
前記メモリセル領域内に、前記第1のトランジスタピラー群に対し前記第1方向に垂直な第2方向に隣接し、かつ前記第1方向に等間隔で配置される複数の第2のトランジスタピラーで構成される第2のトランジスタピラー群を形成し、
前記複数の第1のトランジスタピラーの各々の上方に複数の第1のシリンダーホールを形成し、
前記第1のシリンダーホールにおける前記第1方向と前記第2方向の中間方向であって前記複数の第2のトランジスタピラーの各々の上方に、複数の第2のシリンダーホールを形成し、
前記複数の第1及び第2のシリンダーホールの内部に下部電極、容量絶縁膜及び上部電極を形成することにより、前記複数の第1及び第2のトランジスタピラーの各々の上面に接続される複数のキャパシタを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1のシリンダーホールの数は、前記第2のシリンダーホールの数よりも多いことを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリンダーホールの半径を大きくして占有面積を拡大するように、前記中間方向に前記第2のシリンダーホールを形成することを特徴とする請求項14又は15に記載の半導体装置の製造方法。
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