[发明专利]静态随机存取存储器单元及其制造工艺

说明书

本发明涉及到SRAM(静态随机存取存储器)单元及其制造工艺。更确切地说是涉及到以负载器件是薄膜晶体管且SRAM单元是三维结构的方式构成的高集成度和低工作电压的SRAM单元及其制造工艺。

SRAM单元由二个倒相器和二个传送晶体管构成，其中的二个倒相器交叉连接，并由二个传送晶体管连接到位线。此倒相器通常由一个NMOS驱动晶体管和一个负载器件构成并被馈以电源电压。

图4A-图4C示出了典型的SRAM单元结构。在图4A-图4C中，示出了三种SRAM单元；这些SRAM单元在负载器件的构造和种类方面各不相同。亦即，在图4A所示的SRAM单元的情况下，由多晶硅组成的电阻器被用作负载器件101；在图4B的情况下，制作在衬底上的晶体管(称为体晶体管)被用作负载器件101；而在图4C的情况下，制作在驱动晶体管103上的晶体管(称为叠层晶体管)被用作负载器件101。在这些SRAM单元中，图4B和图4C所示的SRAM单元被称为完全CMOS型SRAM单元，特别是图4B所示的SPAM单元被称为整体完全CMOS型SRAM单元。参照图4A-图4C，参考号102和104分别表示传送晶体管和位线。

在上述的结构中，为了获得SRAM单元的更高的集成度，图4A和C所示的负载器件101最好是由多晶硅组成的电阻器或叠层晶体管。这是由于能够在制作于衬底上的驱动晶体管103上制作负载器件101，从而能够减小元件面积。

另一方面，考虑到对SRAM单元的驱动，下列情况是可取的。为了提高SRAM单元的稳定性并在低电压下对其进行驱动，要求用大的驱动电流来驱动负载器件。图5A示出了SRAM单元的状态，存储单元对于不平衡、器件不匹配和来自电源和邻近单元的噪声的耐受性用静态噪声容限SNM来表征。该SNM在图示上是用在两个单元倒相器的传送曲线(X和Y)之间形成的最大对角正方形Z的侧面Vn＝SNM表达。而且，图5B示出了负载器件跨导βp与SNM之间的关系。在图5B中，示出了βp越高则SNM越大；从而能够获得越大的容限。

此处，在图4B所示的整体完全CMOS型SRAM单元中，负载器件101的βp通常高达大约3×10^-5A/V²。另一方面，图4C所示的负载器件101的βp通常约为1×10^-7A/V²，致使在电源电压为1V或更低的情况下，难以使整体完全CMOS型SRAM单元充分地工作。而且，在图4B所示的整体完全CMOS型SRAM单元的情况下，负载器件101的通态电流的极限是50μA，但在图4C所示的负载器件101的情况下，通态电流的极限是1-10μA，因此，只能够在高的供给电压下使用此单元。

而且，图6示出了图4A和C所示的负载器件的I-V特性。如从图6可见，倘若用制作在驱动晶体管上的PMOS作为负载器件，则此单元能够驱动大电流并在低电压下工作。

于是，为了使单元在高集成度和低电压(1V或更低)下稳定地工作，希望在与体晶体管组成的负载器件中基本上相同的驱动电流下采用由叠层晶体管组成的负载器件。为此，改善叠层晶体管的迁移率是可取的。

在叠层晶体管中，多晶硅通常被用于有源区。为此，为了改善此晶体管的迁移率，需要增大构成多晶硅的晶体的晶粒尺寸(晶粒直径)。作为增大晶粒尺寸的一种方法，有一种方法是例如在大约600℃下对薄膜进行大约30小时的热处理或激光退火，使多晶硅薄膜从非晶硅薄膜固相外延生长。

然而，用这种方法得到的多晶硅膜的质量不能满意地用于SRAM单元。其理由是，在这种方法的情况下，晶粒边界被散射，使迁移率降低，同时，SRAM单元的特性分散。而且，由于长时间高温使用，制作在叠层晶体管下方的衬底上的晶体管的特性变坏，这也是一个问题。

下列方法被列举出来作为解决这些问题的办法。

如图7所示，制作在衬底111上的部分绝缘膜112被清除以形成窗口，然后淀积非晶硅膜113并进行热处理，从而以窗口的单晶硅作为核心而固相生长多晶硅膜(见Nobuhiko Oda等，Preprint of the 38th Physics-RelatedEngineers Association in Spring of 1991，p.742 31p-X-12，＂Solid Phase Growthof Si Using the U-LPCVD Method″)。在图7中，箭头表示固相生长方向。