JPH04217362A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH04217362A
JPH04217362A JP2403500A JP40350090A JPH04217362A JP H04217362 A JPH04217362 A JP H04217362A JP 2403500 A JP2403500 A JP 2403500A JP 40350090 A JP40350090 A JP 40350090A JP H04217362 A JPH04217362 A JP H04217362A
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transistor
gate
semiconductor device
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gate electrode
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JP2403500A
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Eiji Fujii
英治 藤井
Yasuhiro Uemoto
康裕 上本
Koji Senda
耕司 千田
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Matsushita Electronics Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はセル面積を縮小し、かつ
負荷トランジスタのオフ電流を減少させた半導体装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】近年、大容量のスタティックRAM(S
RAM)はその低消費電力性,高速性を生かしてポータ
ブル機器や大型コンピュータの主記憶装置などに広く用
いられている。特に最近では、バッテリバックアップ用
途のために待機時の消費電流(スタンバイ電流)を抑制
した大容量SRAMの開発が積極的に行われている。
【0003】以下に従来の低スタンバイ電流の大容量S
RAMに使用されているメモリセルについて説明する。
【0004】図4(a)は一般的なSRAMのメモリセ
ルの回路図、図4(b)は同SRAMの平面図、図4(
c)は図4(b)をA−A′線で切断した断面図である
【0005】図4(a)において、1,2はそれぞれア
ルミ(Al)−シリコン(Si)−銅(Cu)薄膜等の
材料を使用したビット線、3はポリサイド膜または多結
晶シリコン膜で形成されたワード線、4はVcc、5は
Vss、6,7はそれぞれセルからの情報を読み出し、
またはセルへ情報を書き込むアクセストランジスタ、8
,9はそれぞれインバータの駆動トランジスタ、10,
11はそれぞれ薄膜トランジスタ(以下TFTと称する
)で形成されたインバータの負荷トランジスタ(以下T
FT負荷と称する)、12,13はそれぞれ“High
”の情報と“Low”の情報を保持するノードであり、
このようなメモリセルで一般的なSRAMが構成される
。また図4(b)に示すように、従来のメモリセルでは
TFT負荷10のゲートと駆動トランジスタ8のゲート
、TFT負荷11のゲートと駆動トランジスタ9のゲー
トとを共通にする構造がとられてきた。図4(c)では
一組の駆動トランジスタ8とTFT負荷10に関係する
部分の断面構造を示している。図において、大半の符号
は図1(a),(b)と同一箇所には同一符号を付して
いる。なお3aは駆動トランジスタ8のゲート電極、3
bはアクセストランジスタ7のゲート電極、14はN型
シリコン基板、15はPウエル、16a,16bはP+
領域で駆動トランジスタ8のソースまたはドレイン、1
7a,17bはN+領域でアクセストランジスタ7のソ
ースまたはドレイン、18はシリコン酸化膜、18aは
駆動トランジスタ8のゲート酸化膜、18bはTFT負
荷10のゲート酸化膜、18cはアクセストランジスタ
7のゲート酸化膜、19はTFT負荷を形成するための
半導体薄膜層、19a,19bはそれぞれTFT負荷1
0のソースまたはドレインである。このように駆動トラ
ンジスタ8とTFT負荷10とはそのゲート3aを共有
していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の構成では、駆動トランジスタのゲート電極に対してT
FT負荷のチャネルをオンラインで一致させる必要があ
り、駆動トランジスタのゲート電極が短チャネル化して
いった場合、マスク合わせの余裕度が減少していくとい
った課題を有していた。
【0007】本発明は上記従来の課題を解決するもので
、駆動トランジスタのゲートが短チャネル化してもTF
T負荷のマクス合わせの余裕度が十分に確保できる半導
体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の半導体装置は、一導電型の半導体層内に他方
導電型のソース,ドレイン領域が形成され、そのソース
,ドレイン間に第1のゲート電極が形成された第1のト
ランジスタと、第1のトランジスタの上に絶縁層を介し
て第2のゲート電極が形成され、そのゲート電極の上に
ゲート絶縁膜を介して積層された半導体薄膜層にソース
,ドレイン領域が形成された第2のトランジスタとを備
え、第1のトランジスタを駆動トランジスタとし、第2
のトランジスタを負荷トランジスタとする相補型MOS
回路を構成したものである。
【0009】
【作用】この構成によって、TFT負荷を駆動トランジ
スタとは無関係に位置決めすることができる。したがっ
て、駆動トランジスタのゲート電極が短チャネル化して
もTFT負荷のマスク合わせの余裕度を十分に確保する
ことができる。
【0010】
【実施例】以下本発明の一実施例について図1〜図3の
図面を参照しながら説明する。なお、図1〜図3におい
て、図4(a)〜(c)に示す従来例と同一箇所には同
一符号を付して詳細説明を省略し、異なる点についての
み説明する。
【0011】図1(a)は本発明の一実施例における半
導体装置の断面図である。図に示すようにTFT負荷1
0は、膜厚200〜300nmのゲート電極20、膜厚
20〜50nmのゲート酸化膜18cおよび10〜40
nmの多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜
等の半導体薄膜層19を能動層として構成されている。 またゲート電極20はシリコン酸化膜18dによって駆
動トランジスタ8のゲート電極3aとは絶縁されている
。図4(b)に示す従来例と異なる点は駆動トランジス
タ8のゲート電極3aとTFT負荷10のゲート電極2
0が独立に設けられていることにあり、したがってTF
T負荷10のゲート幅とゲート長は駆動トランジスタ8
とは無関係に設定することができる。すなわち駆動トラ
ンジスタ8の位置には無関係にTFT負荷10を設置で
きることからセル面積を縮小できることになる。また図
1(b)は本発明の一実施例における半導体装置の平面
図であり、TFT負荷10,11のゲート電極20が設
けられている状態を示している。
【0012】次に本発明の第2の実施例について、図2
を参照しながら説明する。図2において、ゲート絶縁膜
21が膜厚20〜50nmのシリコン窒化膜で形成され
ている以外は図1(a)に示す実施例と同じである。一
般に負荷トランジスタ11のしきい値電圧Vthは(数
1)であたえられる。
【0013】
【数1】
【0014】ここでφFはフェルミポテンシャル、εは
ゲート絶縁膜21の誘電率、ε0は真空誘電率、qは素
電荷、NAは空乏層のアクセプタ密度、dはゲート絶縁
膜21の厚さである。(数1)に示すように、ゲート絶
縁膜21としてシリコン窒化膜を用いた場合、その誘電
率がシリコン酸化膜より大きいためにVthの低電圧化
が可能となる。したってSRAMセルの電源電圧Vcc
4の低電圧化が可能となる。すなわち0.5μm以下の
設計ルールによるSRAMでは電源電圧Vcc4の低電
圧化が必須であり、本実施例の構造が適している。
【0015】またTFT負荷11を流れる電流は(数2
)で与えられるゲート絶縁膜21の容量CG に比例す
る。
【0016】
【数2】
【0017】したがってシリコン酸化膜より大きい誘電
率を持つシリコン窒化膜をゲート絶縁膜21として用い
れば、TFT負荷の電流駆動能力を大きくすることがで
きる。
【0018】また図1に示す半導体装置の出力側にソー
スまたはドレインのいずれかを結合したアクセストラン
ジスタを付加した半導体装置を2組用いて図4(a)に
示すメモリセルを構成することによる。低電圧動作にお
いて高い対雑音能力を有するSRAMを実現できる。
【0019】図4(a)のSRAMセル内の記憶ノード
12または13が“High”の情報を記憶している場
合、ノード電圧が低下した場合の電圧の回復はTFT負
荷11のオン電流によって行われる。したがって、電流
駆動能力を高くすることによって、電圧の回復時間を短
くすることができ、セルの対雑音能力を高めることがで
きる。
【0020】なお、本実施例では、シリコン窒化膜の場
合を示したが、シリコン酸化膜−シリコン窒化膜−シリ
コン酸化膜またはシリコン酸化膜−シリコン窒化膜など
の多層膜、さらにはタンタル酸化膜やPLZTなどの他
の高誘電率膜を用いても同様な効果が得られることは言
うまでもない。
【0021】次に本発明の第3の実施例について、図3
を参照しながら説明する。図3において、ドレインとな
るP+領域が低濃度領域19cと高濃度領域19bの2
つの領域で形成されている以外は、図1(a)と全く同
様である。ここで、高濃度領域19bは、1019〜1
021/cm3程度であり、低濃度領域19cは、10
17〜1019/cm3程度である。一般に多結晶シリ
コンTFTは、ゲート,ドレイン間の電界に起因するフ
ィールドエミッションにより、ドレイン電圧増加にとも
なってオフ電流は増加する。したがってTFT負荷11
のオフ電流は、Vcc4に高電圧(5〜5.5V)が印
加される場合、増加することになり、SRAMの動作時
の消費電流あるいはスタンバイ電流の増加を招くことに
なる。一方、図3に示すように負荷トランジスタ11の
ドレインが高濃度領域19bと低濃度領域19cの2つ
の領域によって形成されている場合、ゲート,ドレイン
間の電界は、低濃度領域19cによって緩和されてVc
c4の増加にともなうオフ電流の増加は著しく緩和され
る。すなわちSRAMの移動時消費電流およびスタンバ
イ電流を著しく減少させることができる。
【0022】なお、本実施例では、ドレイン側にのみ低
濃度領域19cを設ける場合について示したが、ソース
側にも低濃度領域を設けて直列抵抗により実効的にVc
c4の電圧を減少させても同様な効果が得られる。さら
に、第2の実施例として図2に示したように、ゲート絶
縁膜21としてシリコン酸化膜換算誘電率4.5より大
なる高誘電率膜を用いた場合でも同様な効果が得られる
ことは言うまでもない。
【0023】
【発明の効果】以上のように本発明は、SRAMセル面
積を縮小し、負荷トランジスタのオフ電流を減少させ、
かつ電流駆動能力を増加させるセル構造を提供するもの
であり、これにより低スタンバイ電流でかつVccの低
電圧化に対しても高い対雑音能力をもつSRAMを実現
することができ、実用的にきわめて有効な半導体装置を
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)は本発明の一実施例における半導体装置の断面図
(b)は本発明の一実施例における半導体装置の平面図
【図2】本発明の第2の実施例における半導体装置の断
面図
【図3】本発明の第3の実施例における半導体装置の断
面図
【図4】 (a)は一般的なSRAMのメモリセルの回路図(b)
は従来の半導体装置の平面図 (c)は図4の(b)をA−A′線で切断した断面図
【符号の説明】
3a  ゲート電極(第1のゲート電極)8  駆動ト
ランジスタ(第1のトランジスタ)10  負荷トラン
ジスタ(第2のトランジスタ)15  Pウエル(半導
体層) 16a  ソース領域 16b  ドレイン領域 18c  ゲート絶縁膜 18d  シリコン酸化膜(絶縁層) 19  半導体薄膜層 19a  ソース領域 19b  ドレイン領域

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一導電型の半導体層内に他方導電型のソー
    ス,ドレイン領域が形成され、前記ソース,ドレイン間
    に第1のゲート電極が形成された第1のトランジスタと
    、前記第1のトランジスタの上に絶縁層を介して第2の
    ゲート電極が形成され、そのゲート電極の上にゲート絶
    縁膜を介して積層された半導体薄膜層にソース,ドレイ
    ン領域が形成された第2のトランジスタとを備え、前記
    第1のトランジスタを駆動トランジスタとし、前記第2
    のトランジスタを負荷トランジスタとする相補型MOS
    回路を構成した半導体装置。
  2. 【請求項2】アクセストランジスタのソースまたはドレ
    インのいずれかが請求項1記載の相補型MOS回路の出
    力側と結合された回路ブロックを2個有し、前記2個の
    回路ブロックの内第1の回路ブロックの第1の相補型M
    OS回路のゲートと第2の回路ブロックの第2の相補型
    MOS回路の出力側とが結合され、かつ第1の回路ブロ
    ックの第1の相補型MOS回路の出力側と第2の回路ブ
    ロックの第2の相補型MOS回路のゲートとが結合され
    た半導体装置。
  3. 【請求項3】相補型MOS回路を構成する第2のトラン
    ジスタのゲート絶縁膜がシリコン酸化膜換算誘電率4.
    5より大なる高誘電率絶縁膜で構成されている請求項1
    または2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】第2のトランジスタのソースまたはドレイ
    ンの少なくとも一方が低濃度領域と高濃度領域を有し、
    前記低濃度領域の一部が第2のゲート電極の一部と重な
    って形成されている請求項1,2または3記載の半導体
    装置。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01144673A (ja) * 1987-11-30 1989-06-06 Hitachi Ltd 半導体集積回路装置
JPH02129960A (ja) * 1988-11-10 1990-05-18 Sony Corp 半導体メモリ
JPH02273934A (ja) * 1989-04-17 1990-11-08 Oki Electric Ind Co Ltd 半導体素子およびその製造方法

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