JPH0789572B2 - Semiconductor device - Google Patents
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- JPH0789572B2 JPH0789572B2 JP60098780A JP9878085A JPH0789572B2 JP H0789572 B2 JPH0789572 B2 JP H0789572B2 JP 60098780 A JP60098780 A JP 60098780A JP 9878085 A JP9878085 A JP 9878085A JP H0789572 B2 JPH0789572 B2 JP H0789572B2
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Description
【発明の詳細な説明】 イ.産業上の利用分野 本発明は半導体装置に関し、特にディープデプレッショ
ン型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(以下、ディープ
デプレッシションTrと称する。)を具備する半導体装置
に関するものである。Detailed Description of the Invention a. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a deep depletion type insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as a deep depletion Tr).
ロ.従来技術 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor)は、例えばPチャネル型の場合に基板と
して通常N型基板を使用し、N型基板にP+型のソース及
びドレイン領域を形成している。しかし、SOS(Silicon
on Sapphire)構造のように基板自体を非常に薄くで
きる場合、例えば第10図に示す如く、サファイア基体1
上に成長させたP型単結晶シリコン層2を基板として使
用することができる。第10図に示すSOS構造のMOSFETはP
-型基板2にP+型のソース領域3及びドレイン領域4を
有し、これら両領域間のチャネル領域5上にゲート酸化
膜6を介してゲート電極7を設けたものである。これ
は、いわゆるディープデプレッションTrと称され、S.R.
Hofsteinによって詳しい解析がなされている〔アイ・イ
ー・イー・イー・トランザクションズ・オブ・エレクト
ロン・デバイセス(IEEE TRANSACTIONS OF ELECTRON
DEVICES),VOL.ED−13,NO.12,DECEMBER 1966〕。B. Conventional technology MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect)
In the case of a P-channel type, a transistor usually uses an N-type substrate as a substrate and forms P + -type source and drain regions on the N-type substrate. However, SOS (Silicon
When the substrate itself can be made very thin as in the on Sapphire structure, for example, as shown in FIG.
The P-type single crystal silicon layer 2 grown above can be used as a substrate. The SOS structure MOSFET shown in Fig. 10 has P
A − type substrate 2 has a P + type source region 3 and a drain region 4, and a gate electrode 7 is provided on a channel region 5 between these regions via a gate oxide film 6. This is called the so-called deep depletion Tr, SR
Detailed analysis by Hofstein [IEEE TRANSACTIONS OF ELECTRON
DEVICES), VOL.ED-13, NO.12, DECEMBER 1966].
このP型ディープデプレッションTrでは一般に、ソース
電圧をVDDとする。但し、基板電位は、基板を流れる電
流によって決定されるので、チャネル方向に勾配をもつ
が最大でもVDDである。また、ドレイン電圧を0Vと仮定
すると、ドレイン領域近傍での基板電位は0Vとなる。ゲ
ート電圧を0Vと仮定した場合には、ゲート電圧による基
板内での空乏層は発生せず、このトランジスタは抵抗と
して動作することになる。ところが、ゲート電圧を徐々
に増大させてゆくと、基板内ではまずドレイン領域近傍
に空乏層が生じ、これによってチャネル領域の電流通路
が狭められ、ソース・ドレイン電流が減少する。この場
合、例えばゲート電圧を5Vに上げても、ソース領域近傍
では基板電位は5V(=VDD)となっているために、そこ
では空乏層が伸びないことになる。In this P-type deep depletion transistor, the source voltage is generally V DD . However, since the substrate potential is determined by the current flowing through the substrate, it has a gradient in the channel direction, but is V DD at the maximum. Further, assuming that the drain voltage is 0V, the substrate potential near the drain region is 0V. If the gate voltage is assumed to be 0V, no depletion layer is generated in the substrate due to the gate voltage, and this transistor operates as a resistor. However, when the gate voltage is gradually increased, a depletion layer is first generated in the vicinity of the drain region in the substrate, which narrows the current path in the channel region and reduces the source / drain current. In this case, for example, even if the gate voltage is increased to 5V, the substrate potential is 5V (= V DD ) in the vicinity of the source region, so that the depletion layer does not extend there.
本発明者は、上記のようにソース領域近傍に空乏化され
ない部分が残る状態で、電流が完全に遮断される場合が
あるかどうかを考案した結果、次の如き結論に到達し
た。即ち、空乏層がソース領域にまで達する以前にチャ
ネル領域を完全に塞いで電流を遮断(ピンチオフ)した
とすれば、空乏層の端部がソース領域に面している位置
での電位は5Vとなっているはずである。ところが、この
電位が5Vであると、ゲート電圧も5Vであるか同位置では
ゲートからの電界の影響はなく、空乏化しなくなる。こ
のため、ソース領域に面した部分での空乏層端はドレイ
ン領域側へ後退してゆくことになる。この後退は、基板
電流が流れ出して基板電位が低下し出すまで続く。即
ち、ゲート電位がソース電位と同じか或いはそれ以下の
値しかとらない場合には、必ず飽和電流が流れるのであ
る。The present inventor has arrived at the following conclusion as a result of devising whether or not the current may be completely cut off in the state where the portion not depleted remains near the source region as described above. That is, assuming that the channel region is completely blocked before the depletion layer reaches the source region and the current is cut off (pinch off), the potential at the position where the end of the depletion layer faces the source region is 5V. It should be. However, if this potential is 5 V, the gate voltage is also 5 V, or at the same position, there is no effect of the electric field from the gate and depletion does not occur. Therefore, the edge of the depletion layer at the portion facing the source region recedes toward the drain region. This retreat continues until the substrate current begins to flow and the substrate potential begins to drop. That is, when the gate potential is equal to or less than the source potential, the saturation current always flows.
従って、P型ディープデプレッションTrでは、電流を完
全に遮断するためには、ゲート電圧をソース電圧以上に
上げることが必要となる。このためには、ゲート電圧を
昇圧する昇圧回路を設けるとか、或いはソース、ゲート
及びドレイン用として三電源(例えば、0V、+VDD、+V
DD)にするといった手段を講じなければならない。これ
では、通常のデプレッション型MOSFETを使用する場合と
何ら変わりはないので、効果的な対策が望まれる。Therefore, in the P-type deep depletion transistor, it is necessary to raise the gate voltage above the source voltage in order to completely cut off the current. For this purpose, a booster circuit for boosting the gate voltage is provided, or three power supplies (for example, 0V, + V DD , + V) are used for the source, gate and drain.
You must take measures such as making it DD ). This is no different from the case of using a normal depletion type MOSFET, so effective measures are desired.
ハ.発明の目的 本発明の目的は、特別な昇圧(又は降圧)回路を設ける
ことなしに、しかも外部からの供給電源を二電源(例え
ば0VとVDD)のみとするだけで、ディープデプレッショ
ンTrの電流を完全に遮断することのできる半導体装置を
提供することにある。C. Object of the invention The object of the present invention is to provide the current of the deep depletion transistor without providing a special step-up (or step-down) circuit and by only supplying two power sources from the outside (for example, 0 V and V DD ). It is an object of the present invention to provide a semiconductor device capable of completely shutting off.
ニ.発明の構成 即ち、本発明は、絶縁性基体と、前記基体上に互いに離
間して形成された第1導電型のソース領域及びドレイン
領域と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に形
成された前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりも低
不純物濃度の第1導電型のチャネル領域と、前記チャネ
ル領域上に絶縁層を介して形成されたフローティングゲ
ートと、前記フローティングゲート上に絶縁層を介して
形成されたコントロールゲートとを有し、前記ソース領
域、前記チャネル領域、前記ドレイン領域、前記フロー
ティングゲート及び前記コントロールゲートによりデプ
レッション型絶縁ゲート電界効果トランジスタが構成さ
れ、前記フローティングゲートには、前記ソース領域及
び前記コントロールゲートに印加される電圧がほぼ同じ
であるときに、前記チャネル領域に流れる電流が完全に
遮断されるようにキャリアが注入されていることを特徴
とする半導体装置に係わるものである。D. Structure of the Invention That is, the present invention is formed between an insulating substrate, a source region and a drain region of the first conductivity type formed on the substrate and separated from each other, and between the source region and the drain region. A first conductivity type channel region having a lower impurity concentration than the source region and the drain region; a floating gate formed on the channel region via an insulating layer; and an insulating layer on the floating gate via an insulating layer. A source region, the channel region, the drain region, the floating gate, and the control gate, the depletion-type insulated gate field effect transistor is formed, and the floating gate has the source region. And the voltage applied to the control gate is almost the same At this time, the present invention relates to a semiconductor device in which carriers are injected so that the current flowing in the channel region is completely cut off.
本発明はまた、第2の発明として、第1導電型の半導体
基板と、前記半導体基板の一主面に互いに離間して形成
された第2導電型の第1ソース領域及び第1ドレイン領
域と、前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域との
間の第1チャネル領域上に絶縁層を介して形成されたコ
ントロールゲートと、前記コントロールゲート上に絶縁
層を介して形成されたフローティングゲートと、前記フ
ローティングゲート上に絶縁層を介して互いに離間して
形成された第1導電型の第2ソース領域及び第2ドレイ
ン領域と、前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域
との間に形成された前記第2ソース領域及び前記第2ド
レイン領域よりも低不純物濃度の第1導電型の第2チャ
ネル領域とを有し、前記第1ソース領域、前記第1チャ
ネル領域前記第1ドレイン領域及び前記コントロールゲ
ートにより第2導電型の絶縁ゲート電界効果トランジス
タが構成され、前記第2ソース領域、前記第2チャネル
領域、前記第2ドレイン領域、前記フローティングゲー
ト及び前記コントロールゲートにより第1導電型のデプ
レッション型絶縁ゲート電界効果トランジスタが構成さ
れ、前記フローティングゲートには、前記第2ソース領
域及び前記コントロールゲートに印加される電圧がほぼ
同じであるときに、前記第2チャネル領域に流れる電流
が完全に遮断されるようにキャリアが注入されているこ
とを特徴とする半導体装置に係わるものである。The present invention also provides, as a second invention, a first-conductivity-type semiconductor substrate, and a second-conductivity-type first source region and a first-drain region formed on one main surface of the semiconductor substrate so as to be separated from each other. A control gate formed on the first channel region between the first source region and the first drain region via an insulating layer, and a floating gate formed on the control gate via the insulating layer. Formed between the second source region and the second drain region of the first conductivity type and the second source region and the second drain region which are formed on the floating gate and are separated from each other with an insulating layer interposed therebetween. The second source region and the second channel region of the first conductivity type having an impurity concentration lower than that of the second drain region, and the first source region and the first channel region A second conductivity type insulated gate field effect transistor is constituted by the rain region and the control gate, and the first conductivity is constituted by the second source region, the second channel region, the second drain region, the floating gate and the control gate. Type depletion-type insulated gate field effect transistor is configured, and a current flowing in the second channel region is applied to the floating gate when the voltages applied to the second source region and the control gate are substantially the same. The present invention relates to a semiconductor device in which carriers are injected so as to be completely cut off.
ホ.実施例 以下、本発明の実施例を第1図〜第9図について詳細に
説明する。E. Embodiments Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 9.
第1図〜第3図は、本発明をSOS構造のPチャネル型デ
ィープデプレッションTrに適用した第1の実施例を示す
ものである。1 to 3 show a first embodiment in which the present invention is applied to a P-channel type deep depletion Tr having an SOS structure.
まず、この実施例による半導体装置の構成を説明する
と、絶縁性基体、例えばサファイア基体11の一主面に成
長させた不純物濃度1014〜1016個/cm3のP-型単結晶シリ
コン層12に、不純物濃度1021〜1022個/cm3のP+型のソー
ス領域13及びドレイン領域14が形成されている。そし
て、ソース領域13に隣接して、不純物濃度1021〜1022個
/cm3のN+型のキャリア注入領域(以下、インジェクタと
称する。)20が形成されている。また、チャネル領域15
及びソース領域13、更にはソース領域13−インジェクタ
20間のPN接合21上を覆う如くに、ゲート酸化膜16、フロ
ーティングゲート18が設けられ、このフローティングゲ
ート18上には酸化膜19を介してコントロールゲート17が
設けられている。なお、ドレイン領域14及びインジェク
タ20には夫々、電極22及び23が被着され、所定の電位が
与えられる。ソース領域13にも電極(図示省略)が被着
され、所定の電位が与えられる。また、図中の24はゲー
ト表面の絶縁膜(酸化膜)であり、25はフィールド酸化
膜である。First, the structure of the semiconductor device according to this embodiment will be described. An P - type single crystal silicon layer 12 with an impurity concentration of 10 14 to 10 16 / cm 3 grown on one main surface of an insulating substrate, for example, a sapphire substrate 11. Further, a P + type source region 13 and a drain region 14 having an impurity concentration of 10 21 to 10 22 pieces / cm 3 are formed. Then, adjacent to the source region 13, the impurity concentration is 10 21 to 10 22
An N + type carrier injection region (hereinafter referred to as an injector) 20 of / cm 3 is formed. Also, the channel region 15
And the source region 13, and further the source region 13-injector
A gate oxide film 16 and a floating gate 18 are provided so as to cover the PN junction 21 between 20 and a control gate 17 is provided on the floating gate 18 via an oxide film 19. Electrodes 22 and 23 are deposited on the drain region 14 and the injector 20, respectively, and a predetermined potential is applied thereto. An electrode (not shown) is also deposited on the source region 13 to apply a predetermined potential. Further, in the figure, 24 is an insulating film (oxide film) on the gate surface, and 25 is a field oxide film.
このように構成されたPチャネル型ディープデプレッシ
ョンTrは、フローティングゲート18とコントロールゲー
ト17とを有するいわゆるEPROM(erasable programmabl
e read only memory)と同様の構造からなっている
が、次の如く全く異なる動作を行なわせる。The P-channel type deep depletion transistor thus configured has a so-called EPROM (erasable programmabl) having a floating gate 18 and a control gate 17.
e read only memory), but with the same structure but with a completely different operation.
通常の(一般にはNチャネル型)EPROMと同様にフロー
ティングゲートを有するPチャネル型PROMを作製した場
合、書込みは、フローティングゲートに負のポテンシャ
ルをもつホールを注入することによって行なう。このホ
ールの注入は、ドレイン領域近傍でのアバランシェブレ
ークダウンを利用したものである。これに対し、第1図
に例示した本発明に基くPチャネル型ディープデプレッ
ションTrでは、EPROMのようにフローティングゲートに
ホールを注入するが、このホールの注入はドレイン領域
からではなく、P+型ソース領域13とN+型インジェクタ20
との接合21に逆方向電圧を印加してジャンクションブレ
ークダウンを生ぜしめ、これにより発生したホットキャ
リアをフローティングゲート18へ注入することによって
行なう。この場合、注入されるホールは正のポテンシャ
ルをもっているが、こうしたホールの注入方法について
は、既にDIFMOS(Dual Injection Floating Gate MO
S)でも用いられており、その動作等については既に確
認され、説明がなされている(特開昭53−108247号、同
54−66088号公報等)。When a P-channel type PROM having a floating gate is manufactured similarly to a normal (generally N-channel type) EPROM, writing is performed by injecting holes having a negative potential into the floating gate. The injection of holes utilizes avalanche breakdown near the drain region. On the other hand, in the P-channel type deep depletion transistor based on the present invention illustrated in FIG. 1, holes are injected into the floating gate like EPROM, but the holes are not injected from the drain region but the P + type source. Region 13 and N + injector 20
A reverse voltage is applied to the junction (21) and the junction (21) to cause a junction breakdown, and hot carriers generated thereby are injected into the floating gate (18). In this case, the holes to be injected have a positive potential, but the method of injecting such holes has already been confirmed by DIFMOS (Dual Injection Floating Gate MO
S) and its operation has already been confirmed and explained (JP-A-53-108247, JP-A-53-108247).
54-66088, etc.).
このように、正のポテンシャルをもつホールがフローテ
ィングゲート18に注入されるから、ゲート電圧が正の方
向へシフトする。例えば、コントロールゲート17に5Vを
加えたとき、基板表面からみたゲート電圧は7Vにまで上
昇することになる。この結果、既述した如きゲート電圧
の昇圧回路を設けることなしにゲート電圧を上昇させ、
基板を完全に空乏化することが可能となり、基板電流が
ゼロとなるように電流を完全に遮断できるディープデプ
レッションTrを実現することができる。しかも、外部電
源は0VとVDDのみでよく、追加を要しない。In this way, holes having a positive potential are injected into the floating gate 18, so that the gate voltage shifts in the positive direction. For example, when 5V is applied to the control gate 17, the gate voltage seen from the substrate surface rises to 7V. As a result, the gate voltage is increased without providing the gate voltage booster circuit as described above,
It becomes possible to completely deplete the substrate, and it is possible to realize a deep depletion transistor capable of completely interrupting the current so that the substrate current becomes zero. Moreover, the external power supply only requires 0 V and V DD , and no additional power supply is required.
次に、本実施例の半導体装置の製造方法を第3図で説明
する。Next, a method of manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIG.
常法に従って、まず第3A図のようにサファイア基体11の
一主面にP-型単結晶シリコン層12をエピタキシャル成長
させ、次いで第3B図のように、LOCOS(Local Oxidatio
n of Silicon)法によってフィールド酸化膜25を選択
的に成長させ、素子領域を形成する。According to the usual method, first, as shown in FIG. 3A, a P − type single crystal silicon layer 12 is epitaxially grown on one main surface of the sapphire substrate 11, and then, as shown in FIG. 3B, LOCOS (Local Oxidatio
The field oxide film 25 is selectively grown by the n of silicon) method to form an element region.
次いで第3C図のように、公知のイオン注入技術によっ
て、シリコン層12中にP+型ソース領域13及びドレイン領
域14を形成し、更にN+型インジェクタ20を形成する。こ
の際、ソース及びドレイン領域用として例えばボロンイ
オン26が打込まれ、またインジェクタ用として例えばリ
ンイオン27が打込まれる。Next, as shown in FIG. 3C, a P + type source region 13 and a drain region 14 are formed in the silicon layer 12 by a known ion implantation technique, and further an N + type injector 20 is formed. At this time, for example, boron ions 26 are implanted for the source and drain regions, and phosphorus ions 27 are implanted for the injector.
次いで第3D図のように、常法によって、シリコン層12の
表面にゲート酸化膜16を形成し、更に全面に不純物ドー
プドポリシリコン層18、SiO2膜19、不純物ドープドポリ
シリコン層17をCVD(Chmical Vapour Deposition)法に
よって順次形成する。Then, as shown in FIG. 3D, a gate oxide film 16 is formed on the surface of the silicon layer 12 by a conventional method, and an impurity-doped polysilicon layer 18, a SiO 2 film 19, and an impurity-doped polysilicon layer 17 are further formed on the entire surface. Sequentially formed by the CVD (Chmical Vapor Deposition) method.
更に第3E図のように、ポリシリコン層17、SiO2膜19、ポ
リシリコン層18及びゲート酸化膜16を所定パターンにエ
ッチングし、しかる後にCVD法でSiO2膜24を被着する。
そして、各領域のコンタクトホールをフォトエッチング
で形成し、アルミニウム等の電極材料の全面蒸着及びパ
ターニングによって第1図のように各電極(及び配線)
を形成する。Further, as shown in FIG. 3E, the polysilicon layer 17, the SiO 2 film 19, the polysilicon layer 18 and the gate oxide film 16 are etched into a predetermined pattern, and then the SiO 2 film 24 is deposited by the CVD method.
Then, contact holes in each region are formed by photo-etching, and the electrodes (and wirings) are formed as shown in FIG. 1 by vapor deposition and patterning of an electrode material such as aluminum.
To form.
第4図〜第9図は本発明を三次元ICに適用した第2の実
施例を示すものである。4 to 9 show a second embodiment in which the present invention is applied to a three-dimensional IC.
この実施例による半導体装置は第4図及び第5図に示す
ように、基本的には、P-型シリコン基板31の一主面側に
形成されたN+型半導体領域33及び34を夫々ソース領域及
びドレイン領域としかつゲート酸化膜36上にゲート電極
37を有する通常のNチャネル型MOSFETと、上述した第1
の実施例と同様にP-型シリコン層42にP+型ソース領域4
3、ドレイン領域44及びN+型インジェクタ50を有しかつ
シリコン層42下にフローティングゲート48とコントロー
ルゲート37を有するPチャネル型ディープデプレッショ
ンTrとが積層せしめられたものである。これら両トラン
ジスタは、ゲート37を共通に有し、ドレイン領域34−44
間が配線52により電気的に接続され、これによって第6
図に示す如きインバータ回路を構成することができる。
なお、図中の47、57はソース電極、53はインジェクタ電
極である。また、49、54は第1図の19、24に相当する酸
化膜であり、56も同様の酸化膜であり、55はシリコンの
表面酸化膜である。As shown in FIGS. 4 and 5, the semiconductor device according to this embodiment basically uses N + type semiconductor regions 33 and 34 formed on one main surface side of the P − type silicon substrate 31 as sources. Region and drain region and on the gate oxide film 36 a gate electrode
A normal N-channel MOSFET having 37 and the above-mentioned first
The P + type source region 4 is formed in the P − type silicon layer 42 as in the embodiment of FIG.
3. A P-channel type deep depletion transistor Tr having a drain region 44 and an N + type injector 50 and having a floating gate 48 and a control gate 37 is laminated under the silicon layer 42. Both of these transistors have a common gate 37 and drain regions 34-44.
The wires 52 are electrically connected to each other by the wiring 52.
An inverter circuit as shown in the figure can be constructed.
In the figure, 47 and 57 are source electrodes, and 53 is an injector electrode. Further, 49 and 54 are oxide films corresponding to 19 and 24 in FIG. 1, 56 is a similar oxide film, and 55 is a surface oxide film of silicon.
なお、上記の各領域43、44、50の不純物濃度は上述した
13、14、20と同じであってよい。The impurity concentration of each of the above regions 43, 44, 50 is as described above.
It may be the same as 13, 14, 20.
上記の如くに構成した三次元ICによれば、上述した第1
の実施例で述べたと同様に、Pチャネル型ディープデプ
レッションTrのフローティングゲート48に対してソース
領域43−インジェクタ50間のPN接合51に印加する逆方向
電圧によるアバランシェブレークダウンで正ポテンシャ
ルのホールを注入し、チャネル領域45を完全にオフとす
ることができる。このフローティングゲートへのホール
注入は、上述した第1図〜第3図の例も同様であるが、
このトランジスタの製造段階で製造者側で行なえば、そ
の後には必要のないものである。従って、使用するに際
し、予め製造者側の方でVINJをVDDと同じにしておく
(従って、使用時にはVINJは不要となる)ことができ、
EPROMのように使用者側でゲートの蓄積電荷を消去した
り、書込んだりすることを考慮する必要がない。このた
め、データリテンション時間を十分長くするように設計
することができる。即ち、EPROM等では、データリテン
テョン時間を長くすると書込み時間も長くなるので、必
要以上にリテンション時間を長くは設定できないが、本
実施例による素子では上記の理由からリテンション時間
を十分に長くしておいても問題はない。According to the three-dimensional IC configured as described above, the above-mentioned first
Similarly to the embodiment described above, positive potential holes are injected by avalanche breakdown by the reverse voltage applied to the PN junction 51 between the source region 43 and the injector 50 with respect to the floating gate 48 of the P channel type deep depletion Tr. However, the channel region 45 can be completely turned off. The injection of holes into the floating gate is the same as in the examples of FIGS. 1 to 3 described above,
If it is done by the manufacturer at the manufacturing stage of this transistor, it is unnecessary after that. Therefore, when using it, it is possible for the manufacturer to make V INJ the same as V DD in advance (therefore, when using, V INJ is unnecessary),
Unlike EPROM, it is not necessary for the user to consider erasing or writing the stored charge in the gate. Therefore, the data retention time can be designed to be sufficiently long. That is, in an EPROM or the like, the longer the data retention time, the longer the writing time, and thus the retention time cannot be set longer than necessary. However, in the device according to the present embodiment, the retention time is sufficiently long for the above reason. There is no problem even if you leave it.
また、本実施例による三次元IC構造は半導体素子を基板
上に積層したものであるから、二次元ICに比べて集積度
が向上し、チップサイズも小さくできる。但し、一般
に、三次元ICを実現する上での大きな障害としては2層
目の基板の製作方法であるとされている。第4図におい
て、2層目の基板としてのシリコン層42を単結晶シリコ
ンとして形成する上で、一旦成長させたポリシリコン層
をレーザーアニールで再結晶化させるのが一つの方法で
あるが、効果的な方法として、完全な単結晶シリコンを
作るのではなく、いわば擬単結晶化させた基板を作成す
る方法がある。この場合、ポリシリコン層を水素雰囲気
中でアニールすることによって、ポリ状シリコンの島を
水素原子で埋めるようにする。これは、製造コストを非
常に安くできる方法ではあるが、純粋な単結晶シリコン
に比べると、PN接合でのリーク電流が多くなる傾向があ
る。Further, since the three-dimensional IC structure according to the present embodiment has semiconductor elements stacked on the substrate, the degree of integration is improved and the chip size can be reduced as compared with the two-dimensional IC. However, it is generally said that a major obstacle to realizing a three-dimensional IC is a method of manufacturing a second layer substrate. In FIG. 4, one method is to recrystallize the once grown polysilicon layer by laser annealing when forming the silicon layer 42 as the second substrate as single crystal silicon. As a typical method, there is a method of forming a substrate that is so-called pseudo-single-crystallized, rather than forming complete single-crystal silicon. In this case, the polysilicon layer is annealed in a hydrogen atmosphere so that the islands of the polysilicon are filled with hydrogen atoms. Although this is a method of making the manufacturing cost very low, it tends to cause a large leak current at the PN junction as compared with pure single crystal silicon.
しかし、本例による第4図の構造では、上記方法を適用
して基板42を形成した場合、これを二層目のディープデ
プレッションTrに用いているので、リーク電流は非常に
少なくなる。即ち、本例のディープデプレッションTrに
おいては、PN接合はソース領域43とインジェクタ50との
間に唯一つ(第4図中の51)に存在するが、このインジ
ェクタ電位(VINJ)は動作時にはソース電位(VDD)と
してもよいから、PN接合51ではリーク電流が生じること
はない。また、このトランジスタの電流遮断モードにお
いては、チャネル領域45は全域に亘って空乏化するた
め、シリコン層42の結晶構造が部分的にくずれていて
も、PN接合面での場合に比べてその影響が少ない。従っ
て、本例による構造で、リーク電流が大幅に少なくな
り、高性能の三次元ICを実現できる。However, in the structure of FIG. 4 according to this example, when the substrate 42 is formed by applying the above method, this is used for the deep depletion Tr of the second layer, so that the leak current is very small. That is, in the deep depletion transistor of this example, there is only one PN junction between the source region 43 and the injector 50 (51 in FIG. 4), but this injector potential (V INJ ) is the source during operation. Since the potential (V DD ) may be used, no leak current is generated in the PN junction 51. Further, in the current cutoff mode of this transistor, since the channel region 45 is depleted over the entire region, even if the crystal structure of the silicon layer 42 is partially collapsed, its influence is greater than that at the PN junction surface. Less is. Therefore, with the structure of this example, the leakage current is significantly reduced, and a high-performance three-dimensional IC can be realized.
また、三次元ICでは、基板をフローティングにしている
ので、キンク現象と称されるドレイン電流の歪みが生じ
ることが知られている。しかし、本例のディープデプレ
ッションTrによれば、基板42はソース電位又はドレイン
電位或いはこれらの中間電位となり、フローティング状
態とはならないので、キンク現象の如く不安定な現象は
生じない。Also, in a three-dimensional IC, since the substrate is in a floating state, it is known that a drain current distortion called a kink phenomenon occurs. However, according to the deep depletion transistor of this example, the substrate 42 becomes the source potential, the drain potential, or an intermediate potential between them, and does not enter into a floating state, so that an unstable phenomenon such as a kink phenomenon does not occur.
次に、本例による三次元ICの製造方法を第7図で説明す
る。Next, a method of manufacturing the three-dimensional IC according to this example will be described with reference to FIG.
まず第7A図のように、P-型シリコン基板31の一主面に熱
酸化法によってゲート酸化膜36を成長させ、この上にCV
D法によって不純物ドープドポリシリコン層37、SiO2膜4
9、不純物ドープドポリシリコン層48を順次形成する。First, as shown in FIG. 7A, a gate oxide film 36 is grown on one main surface of a P − type silicon substrate 31 by a thermal oxidation method, and a CV film is formed on the gate oxide film 36.
Impurity-doped polysilicon layer 37 and SiO 2 film 4 by D method
9. Impurity-doped polysilicon layer 48 is sequentially formed.
次いで第7B図のように、各層48、49、37、36を所定パタ
ーンにエッチングしてゲート領域を形成し、更にこのゲ
ートをマスクとするセルファラインメント技術によって
不純物拡散等でN+型ソース領域33及びドレイン領域34を
形成する。Then, as shown in FIG. 7B, each layer 48, 49, 37, 36 is etched into a predetermined pattern to form a gate region, and the N + type source region is diffused by impurity diffusion by the cell alignment technique using the gate as a mask. 33 and the drain region 34 are formed.
次いで第7C図のように、CVD法によって酸化膜54を形成
し、更にこの上にP-型ポリシリコン層42を成長させる。
このポリシリコン層42は、上述した如くに高温熱工程を
すべて完了した上で水素雰囲気中でアニールするのがよ
い。Next, as shown in FIG. 7C, an oxide film 54 is formed by the CVD method, and a P − -type polysilicon layer 42 is further grown thereon.
The polysilicon layer 42 is preferably annealed in a hydrogen atmosphere after completing all the high temperature heating steps as described above.
次いで第7D図のように、既述したと同様にして各不純物
のイオン注入を行ない、P+型ソース域43、ドレイン領域
44、N+型インジェクタ50を形成し、しかる後にシリコン
層42をフォトエッチングでパターニングする。そして、
第4図のように、全面に形成した酸化膜56にコンタクト
ホールをあけ、配線材料を蒸着後にパターニングして各
配線を形成する。Then, as shown in FIG. 7D, ion implantation of each impurity is performed in the same manner as described above, and the P + type source region 43 and the drain region are formed.
44, N + type injector 50 is formed, and then silicon layer 42 is patterned by photoetching. And
As shown in FIG. 4, contact holes are opened in the oxide film 56 formed on the entire surface, and a wiring material is deposited and then patterned to form each wiring.
第8図及び第9図は、三次元ICの別の実施例を示すもの
であるが、第4図の例と共通する部分は共通符号を付し
て説明を省略することがある。FIG. 8 and FIG. 9 show another embodiment of the three-dimensional IC, but the portions common to the example of FIG. 4 are given common reference numerals and the description thereof may be omitted.
この例による半導体装置もインバータ回路を構成する
が、第4図の例と異なる点は、ソース領域43に隣接した
N+型インジェクタを設けず、不純物ドープドポリシリコ
ンからなるキャリア注入用の第3のゲート60を設けてい
ることである。このゲート60には電極63を介してインジ
ェクタ電圧(VINJ)が加えられ、これによってゲート60
から酸化膜49を通して正のポテンシャルのホールがフロ
ーティングゲート48に注入される。The semiconductor device according to this example also constitutes an inverter circuit, but is different from the example in FIG. 4 in that it is adjacent to the source region 43.
That is, the N + type injector is not provided, and the third gate 60 for carrier injection made of impurity-doped polysilicon is provided. An injector voltage (V INJ ) is applied to this gate 60 via electrode 63, which causes gate 60 to
From the above, positive potential holes are injected into the floating gate 48 through the oxide film 49.
以上、本発明を例示したが、上述の実施例は本発明の技
術的思想に基いて更に変形が可能である。Although the present invention has been illustrated above, the above-described embodiments can be further modified based on the technical idea of the present invention.
例えば、上述した第1図及び第4図の例では、PN接合2
1、51の部分はフローティングゲートの端部よりその内
方に位置すること(具体的には、第1図の例で言えば、
PN接合21がゲート18により覆われていること)がキャリ
ア注入にとって必要である。但し、上記PN接合の位置は
ゲートのうちどの位置にあっても差支えない。また、上
述した例の如くキャリア注入手段を設けず、ディープデ
プレッションTrのソース領域自体をインジェクタとして
用い、VINJを与えることによってソース領域からキャリ
アを注入することもできる。また、上述の例では、Pチ
ャネル型ディープデプレッションTrを述べたが、各領域
の導電型を変換し、Nチャネル型ディープデプレッショ
ンTrを構成することができる。このNチャネル型では、
Pチャネル型に比べて極性等を一部変更するだけでよ
い。なお、本発明は上述の如く三次元ICのみならず、他
の回路一般に適用可能である。For example, in the example of FIGS. 1 and 4 described above, the PN junction 2
The parts 1 and 51 are located inward of the end of the floating gate (specifically, in the example of FIG. 1,
It is necessary for carrier injection that the PN junction 21 is covered by the gate 18. However, the position of the PN junction may be at any position of the gate. Further, it is also possible to inject carriers from the source region by providing V INJ using the source region itself of the deep depletion Tr as an injector without providing the carrier injecting means as in the above-mentioned example. Further, in the above example, the P-channel type deep depletion Tr is described, but the conductivity type of each region can be converted to form the N-channel type deep depletion Tr . In this N-channel type,
Compared with the P-channel type, it is only necessary to partially change the polarity and the like. The present invention can be applied not only to the three-dimensional IC as described above, but also to other circuits in general.
ヘ.発明の作用効果 以上説明したように、本発明の半導体装置はデプレッシ
ョン型絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、ソー
ス領域及びコントロールゲートにそれぞれ印加される電
圧がほぼ同じであるときにチャネル領域に流れる電流が
完全に遮断されるようにフローティングゲートにキャリ
アが注入されている構成としたので、コントロールゲー
ト電圧を電源電圧以上に昇圧または降圧することなくソ
ース領域とドレイン領域との間で電流を完全に遮断で
き、昇圧回路又は降圧回路を不要にすることができる。F. As described above, in the semiconductor device of the present invention, in the depletion type insulated gate field effect transistor, when the voltages applied to the source region and the control gate are substantially the same, the current flowing in the channel region is completely Since the structure is such that carriers are injected into the floating gate so as to be cut off, the current can be completely cut off between the source region and the drain region without raising or lowering the control gate voltage above the power supply voltage. The step-up circuit or step-down circuit can be eliminated.
また、このようなデプレッション型絶縁ゲート電界効果
トランジスタを逆導電型の絶縁ゲート電界効果トランジ
スタ上に設ける構造によって、三次元的なICを構成し、
高集積化と動作の安定化をはかることができる。In addition, such a depletion type insulated gate field effect transistor is provided on the reverse conductivity type insulated gate field effect transistor to form a three-dimensional IC.
High integration and stable operation can be achieved.
第1図〜第9図は本発明の実施例を示すものであって、 第1図は第1の実施例によるSOS構造のPチャネル型デ
ィープデプレッションTrの断面図、 第2図は同Trの平面図、 第3A図、第3B図、第3C図、第3D図、第3E図は同Trの製造
方法を工程順に示す断面図、 第4図は第2の実施例による三次元ICの断面図、 第5図は同ICの平面図、 第6図は同ICの等価回路図、 第7A図、第7B図、第7C図、第7D図は同ICの製造方法を工
程順に示す各断面図、 第8図は第3の実施例による三次元ICの断面図、 第9図は同ICの等価回路図 である。 第10図は従来技術を適用したPチャネル型ディープデプ
レッションTrの断面図である。 なお、図面に示す符号において、 11……サファイア基体(絶縁基体) 12、42……P-型シリコン層 13、33、43……ソース領域 14、34、44……ドレイン領域 15、45……チャネル領域 17、37……コントロールゲート 18、48……フローティングゲート 20、50、60……インジェクタ である。1 to 9 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a sectional view of a P-channel type deep depletion Tr of SOS structure according to the first embodiment, and FIG. r is a plan view, FIG. 3A, FIG. 3B, FIG. 3C, FIG. 3D, and FIG. 3E are sectional views showing the manufacturing method of the same Tr in the order of steps, and FIG. Sectional view of the IC, Fig. 5 is a plan view of the IC, Fig. 6 is an equivalent circuit diagram of the IC, and Figs. 7A, 7B, 7C, and 7D show the manufacturing method of the IC in the order of steps. Sectional views shown in FIG. 8, FIG. 8 is a sectional view of a three-dimensional IC according to the third embodiment, and FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the same IC. FIG. 10 is a sectional view of a P-channel type deep depletion T r to which the prior art is applied. In the drawing, reference numerals 11 ... Sapphire substrate (insulating substrate) 12, 42 ... P - type silicon layer 13, 33, 43 ... Source region 14, 34, 44 ... Drain region 15, 45. Channel regions 17, 37 ... Control gates 18, 48 ... Floating gates 20, 50, 60 ... Injectors.
Claims (2)
て形成された第1導電型のソース領域及びドレイン領域
と、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間に形成さ
れた前記ソース領域及び前記ドレイン領域よりも低不純
物濃度の第1導電型のチャネル領域と、前記チャネル領
域上に絶縁層を介して形成されたフローティングゲート
と、前記フローティングゲート上に絶縁層を介して形成
されたコントロールゲートとを有し、 前記ソース領域、前記チャネル領域、前記ドレイン領
域、前記フローティングゲート及び前記コントロールゲ
ートによりデプレッション型絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタが構成され、 前記フローティングゲートには、前記ソース領域及び前
記コントロールゲートにそれぞれ印加される電圧がほぼ
同じであるときに、前記チャネル領域に流れる電流が完
全に遮断されるようにキャリアが注入されていることを
特徴とする半導体装置。1. An insulating substrate, source and drain regions of a first conductivity type formed on the substrate and spaced apart from each other, and the source region formed between the source region and the drain region. A channel region of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the drain region, a floating gate formed on the channel region via an insulating layer, and a control formed on the floating gate via an insulating layer. A source region, the channel region, the drain region, the floating gate, and the control gate to form a depletion type insulated gate field effect transistor, and the floating gate includes the source region and the control gate. When the voltage applied to each is almost the same , Wherein a carrier is injected so that the current flowing through the channel region is completely blocked.
板の一主面に互いに離間して形成された第2導電型の第
1ソース領域及び第1ドレイン領域と、前記第1ソース
領域と前記第1ドレイン領域との間の第1チャネル領域
上に絶縁層を介して形成されたコントロールゲートと、
前記コントロールゲート上に絶縁層を介して形成された
フローティングゲートと、前記フローティングゲート上
に絶縁層を介して互いに離間して形成された第1導電型
の第2ソース領域及び第2ドレイン領域と、前記第2ソ
ース領域と前記第2ドレイン領域との間に形成された前
記第2ソース領域及び前記第2ドレイン領域よりも低不
純物濃度の第1導電型の第2チャネル領域とを有し、 前記第1ソース領域、前記第1チャネル領域、前記第1
ドレイン領域及び前記コントロールゲートにより第2導
電型の絶縁ゲート電界効果トランジスタが構成され、 前記第2ソース領域、前記第2チャネル領域、前記第2
ドレイン領域、前記フローティングゲート及び前記コン
トロールゲートにより第1導電型のデプレッション型絶
縁ゲート電界効果トランジスタが構成され、 前記フローティングゲートには、前記第2ソース領域及
び前記コントロールゲートにそれぞれ印加される電圧が
ほぼ同じであるときに、前記第2チャネル領域に流れる
電流が完全に遮断されるようにキャリアが注入されてい
ることを特徴とする半導体装置。2. A first-conductivity-type semiconductor substrate, second-conductivity-type first source regions and first-drain regions formed on one main surface of the semiconductor substrate so as to be separated from each other, and the first source region. And a control gate formed on the first channel region between the first drain region and the first drain region via an insulating layer,
A floating gate formed on the control gate via an insulating layer; a second source region and a second drain region of the first conductivity type formed on the floating gate and spaced apart from each other by an insulating layer; A second channel region of the first conductivity type having a lower impurity concentration than the second source region and the second drain region, the second channel region being formed between the second source region and the second drain region; A first source region, the first channel region, the first
A second conductivity type insulated gate field effect transistor is constituted by the drain region and the control gate, the second source region, the second channel region, and the second region.
The drain region, the floating gate, and the control gate form a depletion-type insulated gate field effect transistor of the first conductivity type, and the floating gate receives a voltage applied to the second source region and the control gate, respectively. A semiconductor device in which carriers are injected so that a current flowing through the second channel region is completely cut off when the same.
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