JPH05251661A - 三重構造を有する半導体メモリー装置 - Google Patents

三重構造を有する半導体メモリー装置

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JPH05251661A
JPH05251661A JP4342143A JP34214392A JPH05251661A JP H05251661 A JPH05251661 A JP H05251661A JP 4342143 A JP4342143 A JP 4342143A JP 34214392 A JP34214392 A JP 34214392A JP H05251661 A JPH05251661 A JP H05251661A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】三重構造の高集積半導体メモリー装置について
トランジスタの接合容量を減少させる。 【構成】第1導電型の半導体基板上51に、第1導電型
であり、それぞれ異なるウエルバイアス電圧の印加を受
ける第1及び第2ウエル53、54と、第2導電型の第
3ウエル52とを有する半導体メモリー装置について、
第3ウエルには多数の第1導電型のMOSトランジスタ
(63、64、65)を形成し、第1ウエルには少なく
とも2個の直列連結の第2導電型のMOSトランジスタ
61、62、を形成し、第2ウエルには第1ウエルに形
成の上記第2導電型のMOSトランジスタ以外の残りの
第2導電型のMOSトランジスタ(66)及び第2導電
型のメモリーセル(67)を形成し且つ、第3ウエル内
に第1ウエルを形成するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体メモリー装置に関
するもので、特に三重ウエル構造を有するダイナミック
RAMにおける高濃度の基板やウエル上に構成されるM
OSFETに対するボディエフェクト(body effect) を
抑制し、またトランジスタの絶縁特性を向上させるよう
にした装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】一般に、MOS型半導体メモリー装置、
例えばダイナミックRAMには、トランジスタの接合容
量を減少させ、周辺素子との絶縁特性及びセルトランジ
スタの動作(導通/遮断)特性を向上させるために、基
板やウエルに負電圧を印加する。しかしながら、半導体
メモリー装置の集積度の増加に伴ってトランジスタのチ
ャンネル長が短かくなり、しきい値電圧が低下する。こ
のような現象を短チャンネル効果というが、これを抑制
するための高集積半導体メモリー装置には高濃度の基板
又はウエルが使用される。ところが、この場合には、基
板やウエルに印加する負電圧の絶対値が増大するのでト
ランジスタのしきい値電圧がますます高電圧となり、ボ
ディエフェクトが深刻化する。このような問題について
の改善策を採用した初期の16メガDRAMは、既存の
N型ウエルとP型ウエルの二重ウエル構造を使用する代
わりに、1個のN型ウエルと2個のP型ウエルとから構
成する三重ウエル構造を使用している。この三重ウエル
構造に関する説明は“A45ns 16Mb DRAM
with Triple−Well Structure”という表題で、ISSC
C Digest of Technical Papers, 1989年2月号p
p.248〜249に記載されている。
【0003】図2を参照すると、上記三重ウエル構造に
おいては、工程の単純化のために、P型基板を使用する
代わりにN型基板11を使用しており、N型ウエル13
と第1及び第2の各P型ウエル12、14がそれぞれ基
板上に形成される。そして、N型ウエル13内には周辺
回路部とメモリーセルアレイ部分に使われるすべてのP
MOSトランジスタ16が形成される。また、電源電圧
Vccがウエルバイアス電圧(又はバックバイアス電
圧)としてはN型ウエル13内のN+ 領域とPMOSト
ランジスタ16のP+ 領域に印加される。
【0004】また、第1P型ウエル12には周辺回路に
使われるNMOSトランジスタ15が形成される。そし
て、接地電圧Vssをウエルバイアス電圧として第1P
型ウエル12内のP+ 領域に印加することによりボディ
エフェクトを抑制し、NMOSトランジスタ15のしき
い値電圧の変動を小さくなるようにしている。
【0005】また、第2P型ウエル14内にはメモリ−
セルアレイのNMOSトランジスタ17やキャパシター
等の記憶装置が形成され、ウエルバイアス電圧としては
負電圧レベルのバックバイアス電圧VBBを使用して第2
P型ウエル14内のP+ イオン注入領域に印加すること
により、メモリ−セルのデータ保存特性及び絶縁特性を
改善している。
【0006】しかし、このような三重ウエル構造におい
ては、周辺回路のNMOSトランジスタ15が、接地電
圧Vssをウエルバイアス電圧として使用した第1P型
ウエル12内に形成されるので、NMOSトランジスタ
15の接合容量が大きくなる。その結果、周辺回路の動
作速度が低下し、また各素子間の絶縁特性が低下するの
で、周辺回路のトランジスタ間の間隔を相当に広げなけ
ればならなくなり、チップのレイアウト面積が増加す
る。しかも、ウエルバイアス電圧を接地電圧Vssとし
て使用するので、接地電圧に含まれる雑音によりトラン
ジスタのしきい値電圧の変動及びラッチアップ現象が容
易に誘発される。また、N型基板11を使用しているの
で、入出力パッド領域に深い接合を用いるN型ウエルの
形成が困難となり、そしてこれが入力保護装置を形成す
る場合の一つの障碍要因となる。
【0007】図3の他の従来の三重ウエル構造を参照す
ると、この構造は図2とは異なりP型基板31を使用し
ている。この構造によると図2の構造上の問題であった
入力保護装置を形成する困難性が解消されるが、周辺回
路上における第1P型ウエル32が図1の第1P型ウエ
ル12と同一の構造となっているので、前述の周辺回路
の動作速度の減少、レイアウト面積の増加、しきい値電
圧の変動及びラッチアップ現象の発生等の問題は解決で
きない。
【0008】また、メモリーセルが形成される第2P型
ウエル35がN型ウエル34内で高濃度に作られてお
り、バイアス電圧として負電圧VBBが印加されている。
ところが、高濃度のウエルにおいては、ウエルに印加さ
れる負電圧の絶対値が大きくなると、ボディエフェクト
によるしきい値電圧が増加する。したがって、メモリー
セルに貯蔵されているデータの状態(“1”または
“0”)に応じたボディエフェクトによるセルトランジ
スタのしきい値電圧の変動が大きくなる。加工上からみ
ても、メモリーセルがN型ウエル34と第2P型ウエル
35とからなる二層ウエル内に形成されるので、製造工
程時にシリコンの結晶欠陥が発生する確率が高く、これ
によってメモリーセルのデータ貯蔵能力が低下させられ
る。図3に近い文献としては、日経マイクロデバイス、
1989年3月号、pp.54〜58がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、三重ウエル構造を採用する高集積半導体メモリ
ー装置について、トランジスタの接合容量を減少させる
ことにある。本発明の他の目的は、三重ウエル構造を採
用する高集積半導体メモリー装置について、チップ面積
を増加させずに、活性素子間の絶縁特性を向上させるこ
とにある。本発明のさらに他の目的は、三重ウエル構造
を採用する高集積半導体メモリー装置について、トラン
ジスタのボディエフェクトによるチップの不良性を抑制
させることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、第1導電型の半導体基板上に、第1導
電型であり、それぞれ異なるウエルバイアス電圧の印加
を受ける第1及び第2ウエルと、第2導電型の第3ウエ
ルとを有する半導体メモリー装置において、第3ウエル
には多数の第1導電型のMOSトランジスタを形成し、
第1ウエルには少なくとも2個の直列連結の第2導電型
のMOSトランジスタを形成し、第2ウエルには第1ウ
エルに形成の上記第2導電型のMOSトランジスタ以外
の残りの第2導電型のMOSトランジスタ及び第2導電
型のメモリーセルを形成し且つ、第3ウエル内に第1ウ
エルを形成するようにしている。
【0011】また、本発明は、第1導電型の半導体基板
上に、第1導電型の第1ウエルと、第2導電型であり、
それぞれ異なるウエルバイアス電圧の印加を受ける第2
及び第3ウエルを有する半導体メモリー装置において、
第1ウエルには多数の第2導電型のMOSトランジスタ
を形成し、第2ウエルには少なくとも2個の直列連結の
第1導電型のMOSトランジスタを形成し、第3ウエル
には第2ウエルに形成の上記第1導電型のMOSトラン
ジスタ以外の残りの第1導電型のMOSトランジスタ及
び第1導電型のメモリーセルを形成し且つ、第1ウエル
内に第2ウエルを形成するようにしている。
【0012】
【実施例】以下、本発明の望ましい実施例を添付の図面
を参照して詳細に説明する。第1図を参照すると、本実
施例による三重ウエル構造においてはP型基板51を使
用する。N型ウエル52内には第1P型ウエル53とP
MOSトランジスタ63、64、65が形成される。こ
れらのPMOSトランジスタ63、64、65は、従来
の装置と同様にメモリーセルアレイ部分と周辺回路を形
成する。N型ウエル52のウエルバイアス電圧は、電源
電圧Vccであって、ウエル52のN+ 領域に印加され
る。また、電源電圧VccはPMOSトランジスタ65
のP+領域及びトランジスタ63とトランジスタ64の
P+ 領域にも印加される。
【0013】第1P型ウエル53は、N型ウエル52に
おけるPMOSトランジスタ63、64、65が形成さ
れない領域に形成され、この第1P型ウエル53内には
直列に連結されたNMOSトランジスタ61、62が形
成されている。また、第1P型ウエル53のP+ 領域に
は接地電圧レベルのウエルバイアス電圧が印加されてい
る。尚、NMOSトランジスタ61、62は便宜上2個
としたが、その以上も可能である。
【0014】負電圧VBBがP+ 領域にウエルバイアス電
圧として印加される第2P型ウエル54内には、メモリ
−セルアレイ及び周辺回路に存在するNMOSトランジ
スタ66とメモリ−セル67が形成されている。この第
2P型ウエル54は、同一導電型の基板に直接接触す
る。また、NMOSトランジスタ66の片側のN+ 領域
は接地電圧Vssに連結される。
【0015】周辺回路のNMOSトランジスタは、第1
P型ウエル53と第2P型ウエル54に形成されるが、
その大部分が第2P型ウエル54内に形成される。より
詳細には、ボディエフェクトの影響を最も受ける論理素
子であるNMOSトランジスタが第1P型ウエル内に形
成される。
【0016】以上のような本発明の構成によると、第1
P型ウエル53には少なくとも2個のNMOSトランジ
スタ61、62が直列で連結されていが、これらのNM
OSトランジスタ61、62については、たとえ第1P
型ウエル53が高濃度であってもウエルバイアス電圧が
接地電圧Vssであるので、ボディエフェクトによるし
きい値電圧の変化が抑制される。
【0017】また、−2V以下の負電圧VBBがウエルバ
イアス電圧として第2P型ウエル54に印加されるの
で、それらの内部のNMOSトランジスタ66、67に
おける接合容量を減少させることができ、周辺回路の動
作及びデータの処理速度を向上させることができる。
【0018】さらに、メモリ−セルが形成されたウエル
領域54が二層構造となっていないので、第2P型ウエ
ル54の濃度を特別に高める必要がなく、したがってボ
ディエフェクトを従来に比べて小さくできる。またさら
に、第2P型ウエル54への負電圧の印加によってNM
OSトランジスタ66に対する絶縁特性が向上するの
で、第2P型ウエル54のトランジスタ間の間隔を狭め
ることができる。したがって、ウエルバイアス電圧が接
地電圧Vssである第1P型ウエル53に周辺回路のす
べてのNMOSトランジスタを形成する場合に比べてレ
イアウト面積が相対的に減少する。
【0019】加工上においても、図3の構造と違って第
2P型ウエル54を二層構造のウエルに形成していない
ので、製造工程中にシリコンの結晶欠陥が発生する確率
が減少し、メモリーセルのデータ保有能力を向上させる
ことができる。また、この実施例では、図3のようにP
型基板31を使用したので、入出力パッドの入力保護回
路にN型ウエル構造を使用することができて静電気特性
が良好である。
【0020】
【発明の効果】上述のように、本発明は、メモリ−セル
と周辺回路のNMOSトランジスタを負電圧が印加され
るP型ウエルに形成することによって、メモリ−セルの
データ保有能力と周辺回路の絶縁特性を向上させる効果
がある。また、トランジスタの接合容量が減少すること
によって動作速度を増加させることができ、ラッチアッ
プが抑制される利点がある。また、本発明は、接地電圧
がウエルバイアスに印加されるP型ウエルに少なくとも
2個以上の直列連結のNMOSトランジスタを形成する
ようにしているので、ボディエフェクトが抑制され安定
したチップ特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による三重ウエル構造及びそこにおける
ウエルバイアスの印加状態を模式化して示す断面図。
【図2】従来の三重ウエル構造及びそこにおけるウエル
バイアスの印加状態を模式化して示す断面図。
【図3】他の従来の三重ウエル構造及びそこにおけるウ
エルバイアスの印加状態を模式化して示す断面図。
【符号の説明】
51 基板 53 第1ウエル 54 第2ウエル 52 第3ウエル 63、64、65 第1導電型のMOSトランジスタ 61、62、66 第2導電型のMOSトランジスタ 67 メモリーセル

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1導電型の半導体基板上に、第1導電
    型であり、それぞれ異なるウエルバイアス電圧の印加を
    受ける第1及び第2ウエルと、第2導電型の第3ウエル
    とを有する半導体メモリー装置において、 第3ウエルには多数の第1導電型のMOSトランジスタ
    を形成し、第1ウエルには少なくとも2個の直列連結の
    第2導電型のMOSトランジスタを形成し、第2ウエル
    には第1ウエルに形成の上記第2導電型のMOSトラン
    ジスタ以外の残りの第2導電型のMOSトランジスタ及
    び第2導電型のメモリーセルを形成し且つ、第3ウエル
    内に第1ウエルを形成したことを特徴とする半導体メモ
    リー装置。
  2. 【請求項2】 第1ウエル及び第2ウエルには接地電圧
    と負電圧が各々印加され、第3ウエルには電源電圧が印
    加される請求項1記載の半導体メモリー装置。
  3. 【請求項3】 メモリーセルはトランジスタとキャパシ
    ターとから構成される請求項1記載の半導体メモリー装
    置。
  4. 【請求項4】 第1導電型の半導体基板上に、第1導電
    型の第1ウエルと、第2導電型であり、それぞれ異なる
    ウエルバイアス電圧の印加を受ける第2及び第3ウエル
    を有する半導体メモリー装置において、 第1ウエルには多数の第2導電型のMOSトランジスタ
    を形成し、第2ウエルには少なくとも2個の直列連結の
    第1導電型のMOSトランジスタを形成し、第3ウエル
    には第2ウエルに形成の上記第1導電型のMOSトラン
    ジスタ以外の残りの第1導電型のMOSトランジスタ及
    び第1導電型のメモリーセルを形成し且つ、第1ウエル
    内に第2ウエルを形成したことを特徴とする半導体メモ
    リー装置。
  5. 【請求項5】 第1ウエルには電源電圧が印加され、第
    2ウエル及び第3ウエルには接地電圧と負電圧が各々印
    加される請求項4記載の半導体メモリー装置。
  6. 【請求項6】 メモリーセルはトランジスタとキャパシ
    ターとから構成される請求項4記載の半導体メモリー装
    置。
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