JPS6320023B2 - - Google Patents

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JPS6320023B2
JPS6320023B2 JP53124904A JP12490478A JPS6320023B2 JP S6320023 B2 JPS6320023 B2 JP S6320023B2 JP 53124904 A JP53124904 A JP 53124904A JP 12490478 A JP12490478 A JP 12490478A JP S6320023 B2 JPS6320023 B2 JP S6320023B2
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JP
Japan
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region
mos transistor
potential
depletion layer
layer
Prior art date
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JP53124904A
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English (en)
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JPS5552267A (en
Inventor
Shinji Morozumi
Tatsuji Asakawa
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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Publication of JPS5552267A publication Critical patent/JPS5552267A/ja
Publication of JPS6320023B2 publication Critical patent/JPS6320023B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/80Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs
    • H10D84/82Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs of only field-effect components
    • H10D84/83Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integration of IGFETs of only field-effect components of only insulated-gate FETs [IGFET]
    • H10D84/85Complementary IGFETs, e.g. CMOS
    • H10D84/857Complementary IGFETs, e.g. CMOS comprising an N-type well but not a P-type well

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は低電力かつ高集積化が可能なメモリー
に関する。
従来低電力論理デバイスとしては相補型、すな
わちPチヤンネルMOSトランジスタを、Nチヤ
ンネルMOSトランジスタを電源VDD−GNDの間
に縦属接続したC MOS構造のICが一般的であ
る。このC MOS ICは低電力の性能を利用して
時計、電卓、メモリー等に広く利用されている。
第1図はこのC MOSインバータを示してい
る。1はPチヤンネルトランジスタ、2はNチヤ
ンネルトランジスタを示す。又、第2図はこのC
MOSの構造を示す。N-基板3内にP-ウエル4
を作る。その後Nチヤンネル側のソース、ドレイ
ンとなるN+拡散層5,6又P側のP+拡散層7,
8を作り、ゲート膜9,10、ゲート電極11,
12を形成する。又ゲート入力VGとドレイン出
力VDは第1図と対応する。この構造からわかる
ようにゲート1段を構成するのにゲート電極が2
つにドレイン拡散層が2つ必要とする。従つて集
積度が低いということと、寄生容量が大きいので
スピードが遅いという2つの大きな欠点を有す
る。従つて例えばC MOSメモリーをとりあげ
てみると、そのスタンバイパワーμwのオーダで
ありバツテリーバツクアツプをしてメモリーを不
揮発として、不揮性RAMとして用いることが可
能となる。
このデータの不揮発化は、機器の小型化を図る
ため従来のコアメモリーに置きかわるための大き
な要素である。又、一方ではメモリーの大容量化
及び高速化ができないと、コンピユータを中心と
するメインフレームメモリーには応用は不可能で
ある。従つてスタンバイパワーが極少で又動作電
力が低いこのC MOSメモリーは、先に述べた
如く集積度が悪く大容量化ができず又、スピード
も遅く、結局は応用範囲が狭くなつている。
従つて本発明の目的はC MOS ICの如く低電
力でかつ、C MOSにない高集積度化と高スピ
ードの論理デバイスを用いた高性能の半導体メモ
リーを提供することにある。
第3図は本発明の一具体例としての構造を示す
ものである。N+基板21にP--エピ層22を形
成する。その後通常のPチヤンネルトランジスタ
用のN-部24(これはインタフエイス部等に用
いるが、必要なければ除去してもよい)とP-
23の拡散層を形成する。P+拡散25よりアー
ス電位GNDに、Nチヤンネルの基板となるP-
はバイアスされる。又N+拡散33により基板全
体は+電位であるVDDにバイアスされる。
Nチヤンネル側のソース、ドレインとなるN+
拡散29,30及びPチヤンネル側のP+拡散層
31,32とゲート酸化膜35,36、ゲート電
極38,39は通常MOSトランジスタを形成す
る。さて、本発明のデバイスは通常のソース、ド
レインをなすN+拡散層28,29,30,33
と同時に形成するN+拡散層26とこれより深く
別に形成したN+拡散層27により構成される。
ゲート膜34とゲート電極37はその下に通常の
Nチヤンネルの導電層をコントロールする。又深
いN+拡散層27と基板21はP--エピ層22を
介しこのNチヤンネルトランジスタの負荷部分と
して動作する。
第4図はこの部分を拡大したものであり、記号
は第3図と共通である。斜線部43はP--エピ層
22にN+基板21から広がつている空乏層であ
る。もしNチヤンネルトランジスタのゲート電極
37に正の電位がかかつているとゲート直下に反
転層45ができてONしており、ドレインのN+
拡散層26の電位VDNはソースとなるN+拡散層
28のGNDと同電位となる。この時N+拡散層は
基板となるP--層、P-層と同電位のため空乏層4
2はそう広がらず拡散電位に依存した分のみにな
る。但しP--層は特に低濃度のため少し空乏層は
P-層中より広がり易くなつている。この空乏層
の広がり長lDは (1) lD=√2(DDN)・B と表わされる。ここでεsiはシリコンの誘電率VD
は拡散電位、VDNはN+とP-層、P--層との電位、
qは、電荷、NBはP-層、P--層の濃度である。
もしNチヤンネルのゲートがGNDとなり、チヤ
ンネルがOFFすると深いN+拡散層は空乏層42
と43との間のわずかなリークによりN+基板2
1側に引つ張られてVDD電位に近づく、そうする
と(1)式に従がいVDが増加すると空乏層長さlDは増
加し、44の破線で示すように空乏層43と接触
してドレインは正帰還により強力にVDD側に引か
れる。この空乏層のドレイン電位による伸縮が、
このNチヤンネルトランジスタの負荷として作用
する。P--エピ層22は非常に低濃度であるの
で、わずかなドレイン電位VDNの変化で(1)式でも
わかるように空乏層広がりは大きく変化する。こ
れがP--層を用いている理由であるが、もし拡散
深さと濃度のコントロールが十分であれば通常の
C MOS ICの如くN-基板中にP-ウエルを拡散
する第2図の構造に、深いドレイン拡散層だけ設
ければ同じ原理は適応可能である。又通常のN+
拡散層のみでも微少なリークを無視すれば、第2
図の構造でPチヤンネルトランジスタを除いたも
のでも同様である。この時P-ウエルの拡散層は
浅くする必要がある。
第5図はこの第4図の負荷電流特性を示してい
る。もしドレイン電位VDNが基板と同電位の時は
空乏層がつながつているが、当然電流値は0であ
る。又VDNが基板のGNDと同電位の時空乏層は
離れており電流IDNは非常に小さい。VDNが少しず
つ上昇すると、空乏層が近づいてきてこの間をキ
ヤリアが拡散していくようになり、VDNに対し指
数関数的に電流が上昇する。こうして図のような
負性抵抗特性となる。aは基板濃度が高く、cへ
行くほど低くなる。又ドレインN+層と基板N+
の間隔でもこの特性は変化する。第4図に示すイ
ンバータの特性を安定させるためにはVDNが0の
時のIDNはチヤンネルリークよりわずかに多く存
在させる方がよい。又動作電流がそう極端に低い
所まで要求しなければaの特性のようにVDNが0
の時に空乏層を多少接触させておくと負荷電流は
かなり大きくとれスピードを早くするのに有効で
ある。
第6図は本発明の他の応用例を示しているもの
でありドレイン空乏層を平面的にVDD側に接触さ
せるものである。N-基板61にP-ウエル62を
形成する。その後ソース、ドレイン、VDDバイア
スのためのN+拡散層63,64,65を作る。
その後ゲート膜59,66と電極60,67を形
成する。このインバータの入力は電極67であ
る。もしドレインのN+拡散層64がGND電位の
時空乏層は69の如く縮まつており、N+拡散層
63の空乏層68とは離れている。もしVDN
VDD電位に近づくとドレインの空乏層は70の如
くなり、空乏層68と接触し第4図と同様の動作
をする。この時この空乏層の接触点上のゲートの
電極60はGNDとなり、ドレイン及びVDDバイア
スの空乏層を表面から下へ押しやり空乏層のコン
トロールを確実にさせる役割をしているが、第5
図の特性が実現できるならなくてもよい。又、第
4図の如く空乏層が接触する部分を極低濃度で形
成すると動作が一層安定する。又当然のことなが
ら以上の例のNタイプをPタイプに、Pタイプを
Nタイプの半導体層に置きかえても同様の動作を
する。
第7図は本発明の論理デバイスを用いて構成す
るスタテイツクのランダムアクセスメモリー
(RAM)のセルを示している。トランジスタ7
3,74がNチヤンネルのアクデイブ素子であ
り、71,72は本発明による空乏層制御の負荷
を示している。71と73、72と74がインバ
ータを構成する。トランジスタ75,76はアド
レス線ADDRESSによりスイツチされるトラン
スフアゲートでありBIT、とのデータの入出
力を制御する。
第8図は空乏層制御の負荷を用いて2トランジ
スタセルのスタテイツクメモリーを構成する図を
示す。従来スタテイツクは必ず6素子であつたが
その3分の1で同じ特性が得られる。第5図にお
いて同一電流値では(d)2つの安定電位が存在する
ことを利用する。ADDRESS線によりスイツチ
ングされるトランスフアゲート81はわずかなリ
ークを基板(GND電位)との間にもつている。
もしこれが定電流であるとすればこれは静的に、
しかも非常に微少な電流で低電位か、高電位かを
記憶するメモリーのセルとなる。これは従来にな
い画期的なスタテイツクメモリである。すなわち
かなりのセルが1チツプに収容でき従来のスタテ
イツクメモリーの難点であつた高集積度を簡単に
実現するものである。トランジスタ82はゲート
とソースが同電位であるが、表面をわずかな電流
(サブスレツシヨルド電流)によりセルの内容を
維持する。又この電流は定電流である必要はな
く、パンチスルーやジヤンクシヨンのわずかなリ
ーク等、又ポリシリコン等の抵抗体を利用しても
よい。
第9図は第7図に示すメモリーセルをパターン
化した例である。ポリシリコン層102,94,
95は実線に囲まれた拡散領域91,92,93
との上でゲートを構成する。Al配線104,1
05,106,107は×印96,97,10
0,101で拡散領域91,92,93と、又×
印98,99でポリシリコンとコンタクトされ
る。拡散領域91はGND電位のソース92,9
3はドレインである。このセルの面積は42μm×
28μm×60μmであり、N MOS960μm×40μm
に比し大幅に減少している。このパターンで第4
図に示す構造を用いてメモリーを試作した例を述
べるとP--層の濃度は約5×1014/cm2、P-層及び
P--層厚み11μm、N+深さ3μm、P-深さ4μmであ
り、イオン打込により形成される。この時セル当
りのスタンバイパワーは約1μwであり、又動作ス
ピードはアドレスアクセスは約150msecである。
これは従来のC MOSメモリーのパワーよりや
や低く、スピードは3倍近く改善されている。
第10図は第8図のセルをパターン化した例で
ある。ゲート線113とソース拡散層110は
GNDと同電位である。ドレイン111の真下に
空乏層制御メモリー部が存在する。ゲート線11
4はトランスフアゲートを制御する。115でセ
ルのデータを入出力するためにAl配線116で
できたBITにコンタクトする。このセルサイズは
わずか12μm×21μmであり従来のC MOSセル
のわずか5%である。逆に言えば20倍のメモリー
容量を達成できる。このデバイスは先に述べた第
9図のパターンと同様に製造可能である。又蛇足
ながらこのセルをトランスフアする際は、ゲート
線113を+側にバイアスしてセルのインピーダ
ンスを下げると読み出しアクセスのスピードはず
つと上昇する。
本発明は空乏層制御により負荷の役割を低電力
かつ高スピードで実現するものであり、以上に述
べた如く、C MOSの低電力動作を維持しなが
ら集積度は抜群に改善されている。又ドレイン出
力、ゲート入力ともC MOSに比し素子面積が
半分以下になつているため、基板濃度が低くなつ
ていることと合わせてその寄生容量は3分の1に
減少しスピードアツプが画れる。従つて本発明に
よる論理デバイスは従来のデバイスに比し動作電
力の低さ、高集積度、高スピードというあらゆる
点でまさるものであち、特に先例の如くメモリー
において比較すればわかる通り大容量化、高スピ
ード化が実現できる点で絶大な効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のC MOSのインバータ、第2
図はその構造を示す。第3図は本発明による論理
デバイスの構造例を示す。第4図はその部分図、
第5図は本発明の負荷特性、第6図は本発明の他
の例を示す。第7図、第8図は本発明の素子を用
いこメモリーのセルを示す。第9図、第10図
は、第8図、第9図のパターンを示す。 42,43,44,68,69,70……空乏
層、71,72,80……空乏層制御負荷。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 第1領域、第2領域及びゲート電極より成る
    第1のMOSトランジスタと、該第1のMOSトラ
    ンジスタの第2領域とビツト線との間に接続され
    ゲート電極をアドレス線に接続する第2のMOS
    トランジスタとを備え、前記第1のMOSトラン
    ジスタの第1領域に第1の電位を印加して成る半
    導体メモリーにおいて、第1導電型の基板に第2
    導電型の第3の領域を形成し、該第3の領域内に
    前記第1のMOSトランジスタを形成して成り、
    前記基板と前記第3の領域との接合領域近傍には
    第1の空乏層が形成され、前記第1のMOSトラ
    ンジスタの第2領域近傍には当該第2領域が前記
    第1の電位から第2の電位に変化するに応じて広
    がる第2の空乏層が形成され、メモリセルは前記
    基板と前記第1のMOSトランジスタの第2領域
    との間の前記第3の領域を前記第2の空乏層の広
    がりに応じて電流値の変化する負荷抵抗とするこ
    とを特徴とする半導体メモリー。 2 第1領域、第2領域及びゲート電極より成る
    第1のMOSトランジスタと、該第1のMOSトラ
    ンジスタの第2領域とビツト線との間に接続され
    ゲート電極をアドレス線に接続する第2のMOS
    トランジスタとを備え、前記第1のMOSトラン
    ジスタの第1領域に第1の電位を印加して成る半
    導体メモリーにおいて、第1導電型の基板に第2
    導電型の第3の領域を形成し、該第3の領域内に
    前記第1のMOSトランジスタ及び第2の電位が
    印加される第4領域を形成して成り、該第4領域
    近傍には第1の空乏層が形成され、前記第1の
    MOSトランジスタの第2領域近傍には当該第2
    領域の電位が前記第1の電位から前記第2の電位
    に変化するに応じて広がる第2の空乏層が形成さ
    れ、メモリセルは前記第4領域と前記第1の
    MOSトランジスタの第2領域との間の前記第3
    の領域を前記第2の空乏層の広がりに応じて電流
    値の変化する負荷抵抗とすることを特徴とする半
    導体メモリー。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5927110B2 (ja) * 1975-08-22 1984-07-03 セイコーエプソン株式会社 半導体装置の製造方法

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JPS5552267A (en) 1980-04-16

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