JP2003086706A - Semiconductor device and manufacturing method thereof, static random access memory device, and portable electronic equipment - Google Patents
Semiconductor device and manufacturing method thereof, static random access memory device, and portable electronic equipmentInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法、スタティック型ランダムアクセスメモリ装
置並びに携帯電子機器に関する。より具体的には、動的
閾値トランジスタを含む半導体装置及びその製造方法
と、この半導体装置を備えたスタティック型ランダムア
クセスメモリ装置及び携帯電子機器に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, a manufacturing method thereof, a static random access memory device, and a portable electronic device. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device including a dynamic threshold transistor, a method of manufacturing the semiconductor device, a static random access memory device including the semiconductor device, and a portable electronic device.
【0002】[0002]
【従来の技術】MOSFET(Metal Oxide Semiconduc
tor Field Effect Transistor)を用いたCMOS(相補
型MOS)回路において消費電力を減少させるには、電
源電圧を下げることが最も有効である。しかし、単に電
源電圧を低下させるとMOSFETの駆動電流が低下
し、回路の動作速度が遅くなる。この現象は、電源電圧
がトランジスタの閾値の3倍以下になると顕著になるこ
とが知られている。この現象を防ぐためには、閾値を低
くすればよいが、そうするとMOSFETのオフ時のリ
ーク電流が増大するという問題が生じることとなる。そ
のため上記問題が生じない範囲で閾値の下限が規定され
る。閾値の下限は、電源電圧の下限に対応しているた
め、低消費電力化の限界を規定することとなる。2. Description of the Related Art MOSFET (Metal Oxide Semiconducer)
In order to reduce power consumption in a CMOS (complementary MOS) circuit using a tor field effect transistor, it is most effective to lower the power supply voltage. However, if the power supply voltage is simply lowered, the driving current of the MOSFET is lowered, and the operation speed of the circuit becomes slow. It is known that this phenomenon becomes remarkable when the power supply voltage becomes three times or less the threshold value of the transistor. In order to prevent this phenomenon, the threshold value may be lowered, but this causes a problem that the leak current when the MOSFET is off increases. Therefore, the lower limit of the threshold value is defined within the range where the above problem does not occur. Since the lower limit of the threshold value corresponds to the lower limit of the power supply voltage, the lower limit of power consumption is defined.
【0003】従来、上記問題を緩和するために、バルク
基板を用いた動的閾値動作トランジスタ(以下、DTM
OSと言う。)が提案されている(特開平10−224
62号公報、Novel Bulk Threshold Voltage MOSFET(B-
DTMOS) with Advanced Isolation(SITOS) and Gate to
Shallow Well Contact(SSS-C) Processes for UltraLow
Power Dual Gate CMOS, H.Kotaki et al., IEDM Tech.
Dig., p459, 1996)。上記DTMOSは、オン時に実
効的な閾値が低下するため、低電源電圧で高駆動電流が
得られるという特徴を持つ。DTMOSの実効的な閾値
が、オン時に低下するのは、ゲート電極とウェル領域が
電気的に短絡されているからである。Conventionally, in order to alleviate the above problems, a dynamic threshold operating transistor (hereinafter referred to as DTM) using a bulk substrate.
It is called OS. ) Have been proposed (JP-A-10-224).
No. 62 publication, Novel Bulk Threshold Voltage MOSFET (B-
DTMOS) with Advanced Isolation (SITOS) and Gate to
Shallow Well Contact (SSS-C) Processes for UltraLow
Power Dual Gate CMOS, H. Kotaki et al., IEDM Tech.
Dig., P459, 1996). The DTMOS has a characteristic that a high driving current can be obtained with a low power supply voltage because the effective threshold value is lowered when it is turned on. The effective threshold of the DTMOS decreases when it is turned on because the gate electrode and the well region are electrically short-circuited.
【0004】以下、N型のDTMOSの動作原理を説明
する。なお、P型のDTMOSは、極性を逆にすること
で同様の動作をする。上記N型のMOSFETにおい
て、ゲート電極の電位がローレベルにあるとき(オフ
時)はP型のウェル領域の電位もローレベルにあり、実
効的な閾値は通常のMOSFETの場合と変わりない。
したがって、オフ電流値(オフリーク)は通常のMOS
FETの場合と同じである。The operating principle of the N-type DTMOS will be described below. The P-type DTMOS operates in the same manner by reversing the polarity. In the N-type MOSFET, when the potential of the gate electrode is at the low level (when off), the potential of the P-type well region is also at the low level, and the effective threshold value is the same as that of the normal MOSFET.
Therefore, the off current value (off leak) is
It is the same as in the case of FET.
【0005】一方、ゲート電極の電位がハイレベルにあ
る時(オン時)はP型のウェル領域の電位もハイレベル
になり、基板バイアス効果により実効的な閾値が低下
し、駆動電流は通常のMOSFETの場合に比べて増加
する。このため、低電源電圧で低リーク電流を維持しな
がら大きな駆動電流を得ることができる。したがって、
低電圧駆動で低消費電力なCMOS回路が実現される。On the other hand, when the potential of the gate electrode is at the high level (when it is on), the potential of the P-type well region also becomes at the high level, the effective threshold value is lowered by the substrate bias effect, and the drive current is normal. It is increased as compared with the case of MOSFET. Therefore, a large drive current can be obtained while maintaining a low leak current with a low power supply voltage. Therefore,
A CMOS circuit that is driven at low voltage and consumes low power is realized.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術であるDTMOSは、ゲート電極とウェル領域と
が電気的に接続されているために、オン時にはゲート電
流が流れてしまうというDTMOS特有の問題があっ
た。However, the above-mentioned conventional DTMOS has a problem peculiar to DTMOS that a gate current flows when it is turned on because the gate electrode and the well region are electrically connected. there were.
【0007】ゲート電流の影響を図10及び図11を用
いて考察する。図10は、Nチャネル型DTMOSの、
ドレイン電流(Id)及びゲート電流(Ig)対ゲート
電圧(Vg)の特性を示す図である。ゲート電圧Vgが
増していくと、ゲート電流Igは指数関数的に増加する
ことが分かる。図10に示すNチャネル型DTMOSの
例では、ゲート電圧Vgが0.5Vにおけるゲート電流
Igは、オフ電流(Vg=0VにおけるId)に匹敵す
る。The influence of the gate current will be considered with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows an N-channel DTMOS
It is a figure which shows the characteristic of drain current (Id) and gate current (Ig) vs. gate voltage (Vg). It can be seen that the gate current Ig increases exponentially as the gate voltage Vg increases. In the example of the N-channel type DTMOS shown in FIG. 10, the gate current Ig when the gate voltage Vg is 0.5V is comparable to the off current (Id at Vg = 0V).
【0008】図11は、2段のインバータ回路からなる
CMOS回路の回路図である。電源線(VDD)と接地
線(GND)との間には、インバータ回路1,2が接続
されている。各インバータ回路1,2は、夫々Nチャネ
ル型DTMOS11,13及びPチャネル型DTMOS
12,14で構成されている。インバータ回路1の入力
には入力端子INが設けられ、インバータ回路1の出力
はインバータ回路2の入力に接続され、インバータ回路
2の出力には出力端子OUTが設けられている。FIG. 11 is a circuit diagram of a CMOS circuit including two stages of inverter circuits. Inverter circuits 1 and 2 are connected between the power supply line (VDD) and the ground line (GND). Each of the inverter circuits 1 and 2 includes an N-channel type DTMOS 11 and 13 and a P-channel type DTMOS, respectively.
It is composed of 12 and 14. The input of the inverter circuit 1 is provided with an input terminal IN, the output of the inverter circuit 1 is connected to the input of the inverter circuit 2, and the output of the inverter circuit 2 is provided with an output terminal OUT.
【0009】ここで、入力端子INにローレベルが印加
されている場合を考える。このとき、中間ノードMID
はハイレベルにあり、出力端子OUTにはローレベルが
出力される。このとき、Pチャネル型DTMOS12及
びNチャネル型DTMOS13はオン状態となり、Nチ
ャネル型DTMOS11及びPチャネル型DTMOS1
4はオフ状態となっている。オフ状態であるNチャネル
型DTMOS11においては、図11中に矢印22で示
す経路で、図10のグラフ中にAで示すレベルのオフ電
流が流れる。一方、オン状態であるNチャネル型DTM
OS13においては、図11中に矢印23で示すように
ゲート電極からソース電極に向かう経路で、図10のグ
ラフ中にBで示すレベルのゲート電流が流れる。ここ
で、電源電圧は0.6Vであるとした。上記オフ電流A
及びゲート電流Bは、電源線VDDから、図11中に矢
印21で示すようにオン状態であるPチャネル型DTM
OS12を介して、接地線GNDへと流れるリーク電流
となる。図10の例では、電源電圧0.6Vにおいて、
ゲート電流のレベルBはオフ電流のレベルAに比べて1
桁大きい。なお、上述したNチャネル型のDTMOSの
場合と同様に、Pチャネル型のDTMOSに関してもオ
フ電流及びゲート電流が流れるので、同様なリーク電流
が発生する。Now, consider the case where a low level is applied to the input terminal IN. At this time, the intermediate node MID
Is at a high level, and a low level is output to the output terminal OUT. At this time, the P-channel type DTMOS 12 and the N-channel type DTMOS 13 are turned on, and the N-channel type DTMOS 11 and the P-channel type DTMOS 1 are turned on.
4 is in the off state. In the N-channel DTMOS 11 in the off state, the off current of the level indicated by A in the graph of FIG. 10 flows through the path indicated by the arrow 22 in FIG. On the other hand, the N-channel DTM in the ON state
In the OS 13, the gate current of the level indicated by B in the graph of FIG. 10 flows in the route from the gate electrode to the source electrode as indicated by the arrow 23 in FIG. Here, the power supply voltage is assumed to be 0.6V. Off current A
And the gate current B from the power supply line VDD is a P-channel type DTM which is in an ON state as indicated by an arrow 21 in FIG.
It becomes a leak current flowing to the ground line GND through the OS 12. In the example of FIG. 10, when the power supply voltage is 0.6V,
The level B of the gate current is 1 compared to the level A of the off current.
Digit larger. Similar to the case of the N-channel type DTMOS described above, the OFF current and the gate current also flow in the P-channel type DTMOS, so that the same leak current occurs.
【0010】ところで、ゲート電流の起源は、ウェル領
域とソース領域との順方向接合電流であり、接合面積に
比例する。MOSトランジスタの設計上の観点からは、
この接合面積を減らすことによりゲート電流を大幅に減
少させるのは困難である。このため、低消費電力CMO
S回路においては、回路が静的状態にあるときのリーク
電流を低減させることが大きな課題となっており、特に
DTMOSからなるCMOS回路においては、ゲート電
流が原因となるリーク電流の低減がDTMOS特有の課
題となっていた。The source of the gate current is the forward junction current between the well region and the source region, which is proportional to the junction area. From the viewpoint of designing MOS transistors,
It is difficult to significantly reduce the gate current by reducing the junction area. Therefore, low power consumption CMO
In the S circuit, reducing the leak current when the circuit is in a static state has been a major issue. Especially in the CMOS circuit including the DTMOS, the reduction of the leak current caused by the gate current is peculiar to the DTMOS. Had been a problem.
【0011】そこで、本発明の課題は、動的閾値トラン
ジスタを含む半導体装置であって、ゲート電流が原因と
なるリーク電流を低減できるものを提供することにあ
る。また、本発明の課題は、そのような半導体装置を作
製できる半導体装置の製造方法と、そのような半導体装
置を備えたスタティック型ランダムアクセスメモリ装置
及び携帯電子機器を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device including a dynamic threshold transistor, which can reduce a leak current caused by a gate current. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of manufacturing such a semiconductor device, and a static random access memory device and a portable electronic device equipped with such a semiconductor device.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、第1の発明の半導体装置は、素子分離領域により素
子毎に区分されたウェル領域とゲート電極とが電気的に
接続されたことを特徴とする複数の動的閾値トランジス
タからなる相補型の回路を有し、上記相補型の回路は、
上記相補型の回路を高速で動作させるアクティブモード
と、上記相補型の回路を低速で動作させ、もしくは動作
を停止させるスタンドバイモードとの少なくとも2つの
モードを有し、上記相補型の回路がスタンドバイモード
にあるときには、上記相補型の回路がアクティブモード
にあるときよりも低い電源電圧が上記相補型の回路に供
給されるようになっていることを特徴としている。In order to solve the above problems, in the semiconductor device of the first invention, the well region divided into each element by the element isolation region and the gate electrode are electrically connected. It has a complementary circuit consisting of a plurality of characteristic dynamic threshold transistors, the complementary circuit,
The complementary circuit has at least two modes: an active mode for operating the complementary circuit at a high speed and a standby mode for operating the complementary circuit at a low speed or stopping the operation. When in the bi-mode, a power supply voltage lower than that in the complementary mode is supplied to the complementary circuit.
【0013】この第1の発明の半導体装置によれば、上
記動的閾値トランジスタからなる相補型回路は、アクテ
ィブモードとスタンドバイモードの少なくとも2つの動
作モードを有する。そして、アクティブモードでは、十
分に高い電源電圧が供給されるので、回路を高速に動作
させることができる。一方、回路が休止状態にあると
き、あるいは低速で動作させるときにはスタンドバイモ
ードとして、低い電源電圧を与えてリーク電流の主因と
なるゲート電流を著しく抑制することができる。したが
って、動的閾値トランジスタによる相補型回路からなる
半導体装置を、動作速度を高速に保ったまま低消費電力
化することができる。According to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, the complementary circuit including the dynamic threshold transistor has at least two operation modes of the active mode and the standby mode. In the active mode, a sufficiently high power supply voltage is supplied, so that the circuit can operate at high speed. On the other hand, when the circuit is in a dormant state or is operated at a low speed, a standby power supply mode is applied and a low power supply voltage can be applied to remarkably suppress the gate current which is the main cause of the leakage current. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0014】一実施形態の半導体装置は、上記相補型の
回路が上記スタンドバイモードにあるときには、上記相
補型の回路を構成する上記動的閾値トランジスタのゲー
ト電流値は、上記動的閾値トランジスタのオフ電流値以
下であることを特徴としている。In the semiconductor device according to one embodiment, when the complementary circuit is in the standby mode, the gate current value of the dynamic threshold transistor forming the complementary circuit is equal to that of the dynamic threshold transistor. It is characterized in that it is less than the off current value.
【0015】この実施形態の半導体装置によれば、上記
相補型の回路のリーク電流を、上記動的閾値トランジス
タのオフ電流が規定する大きさまで十分に小さくするこ
とができる。すなわち、上記第1の発明の半導体装置の
効果を最大限引き出すことができる。According to the semiconductor device of this embodiment, the leak current of the complementary circuit can be sufficiently reduced to a magnitude defined by the off current of the dynamic threshold transistor. That is, the effect of the semiconductor device of the first invention can be maximized.
【0016】一実施形態の半導体装置は、上記相補型の
回路は、複数の基本回路ブロックに分割され、上記各基
本回路ブロックは夫々独立にアクティブモードまたはス
タンドバイモードとすることができることを特徴とする
半導体装置。In the semiconductor device of one embodiment, the complementary circuit is divided into a plurality of basic circuit blocks, and each of the basic circuit blocks can be independently set to an active mode or a standby mode. Semiconductor device.
【0017】この実施形態の半導体装置によれば、上記
動的閾値トランジスタからなる上記相補型の回路を複数
の基本回路ブロックに分割し、夫々を独立にアクティブ
モードまたはスタンドバイモードにすることができる。
したがって、高速動作させる必要がある基本回路ブロッ
クのみアクティブモードとし、その他の基本回路ブロッ
クをスタンドバイモードとしてリーク電流を低減するこ
とができる。したがって、回路の動作速度を高速に保っ
たままさらに低消費電力化することができる。According to the semiconductor device of this embodiment, the complementary circuit formed of the dynamic threshold transistor can be divided into a plurality of basic circuit blocks, and each of them can be independently set to the active mode or the standby mode. .
Therefore, it is possible to reduce the leak current by setting only the basic circuit blocks that need to operate at high speed to the active mode and setting the other basic circuit blocks to the standby mode. Therefore, the power consumption can be further reduced while keeping the operating speed of the circuit high.
【0018】また、第2の発明の半導体装置は、半導体
基板と、素子分離領域と、上記半導体基板内に形成され
た第1導電型および第2導電型の深いウェル領域と、上
記第1導電型のおよび第2導電型の深いウェル領域内に
夫々形成された第2導電型および第1導電型の浅いウェ
ル領域と、上記第2導電型および第1導電型の浅いウェ
ル領域上に、ゲート絶縁膜を介して形成された複数のゲ
ート電極とを有し、上記複数のゲート電極は、夫々上記
第2導電型もしくは第1導電型の浅いウェル領域と夫々
電気的に接続されて、夫々第1導電型および第2導電型
の動的閾値トランジスタを構成し、上記第2導電型およ
び第1導電型の浅いウェル領域は、上記動的閾値トラン
ジスタ毎に素子分離領域により電気的に分離され、上記
第2導電型の浅いウェル領域内には、上記ゲート絶縁膜
との界面側から深さ方向に順に、第2導電型の不純物濃
度の薄い層と、第2導電型の不純物濃度の濃い層とが形
成され、上記第1導電型の浅いウェル領域内には、上記
ゲート絶縁膜との界面側から深さ方向に順に、第1導電
型の不純物濃度の薄い層と、第1導電型の不純物濃度の
濃い層とが形成され、上記第2導電型および第1導電型
の不純物濃度の薄い層の厚さは40nm以下であり、上
記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジスタ
により相補型の回路が構成されていることを特徴として
いる。A semiconductor device according to a second aspect of the present invention is a semiconductor substrate, an element isolation region, deep well regions of the first conductivity type and the second conductivity type formed in the semiconductor substrate, and the first conductivity type. -Type and second-conductivity-type deep well regions respectively formed in the second-conductivity-type and first-conductivity-type shallow well regions, and a gate on the second-conductivity-type and first-conductivity-type shallow well regions. A plurality of gate electrodes formed through an insulating film, and the plurality of gate electrodes are electrically connected to the second-conductivity-type or first-conductivity-type shallow well regions, respectively. A first-conductivity-type and a second-conductivity-type dynamic threshold transistor, wherein the second-conductivity-type and first-conductivity-type shallow well regions are electrically isolated by an element isolation region for each of the dynamic-threshold transistors. The second conductivity type shallow In the well region, a layer of a second conductivity type having a low impurity concentration and a layer of a second conductivity type having a high impurity concentration are formed in order from the interface side with the gate insulating film in the depth direction. In the shallow well region of the first conductivity type, a layer having a low impurity concentration of the first conductivity type and a layer having a high impurity concentration of the first conductivity type are sequentially arranged in the depth direction from the interface side with the gate insulating film. Is formed, the thickness of the thin layer of the second conductivity type and the first conductivity type having a low impurity concentration is 40 nm or less, and a complementary circuit is formed by the dynamic threshold transistors of the first conductivity type and the second conductivity type. It is characterized by being configured.
【0019】この第2の発明の半導体装置によれば、上
記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジスタ
とで相補型の回路が構成されている。そして、上記第1
導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタの上記第
2導電型(第1導電型)の浅いウェル領域内には、ゲー
ト絶縁膜との界面側から深さ方向に順に、第2導電型
(第1導電型)の不純物濃度の薄い層と、第2導電型
(第1導電型)の不純物濃度の濃い層とが形成され、上
記第2導電型(第1導電型)の不純物濃度の薄い層の厚
さは40nm以下である。そのため、上記不純物濃度の
濃い層によって、ゲート絶縁膜から浅いウェル領域側に
形成される空乏層の伸びが抑制される。その結果、基板
バイアス効果が増大するので、動的閾値トランジスタの
閾値を高くしてオフ電流を少なくすることができる。し
たがって、動的閾値トランジスタによる相補型回路から
なる半導体装置を、動作速度を高速に保ったまま低消費
電力化することができる。According to the semiconductor device of the second aspect of the present invention, the first conductivity type and the second conductivity type dynamic threshold transistors form a complementary circuit. And the first
In the shallow well region of the second conductivity type (first conductivity type) of the conductivity type (second conductivity type) dynamic threshold transistor, the second conductivity is sequentially arranged from the interface side with the gate insulating film in the depth direction. A layer having a low impurity concentration of the first conductivity type (first conductivity type) and a layer having a high impurity concentration of the second conductivity type (first conductivity type) are formed, and the impurity concentration of the second conductivity type (first conductivity type) is formed. The thin layer has a thickness of 40 nm or less. Therefore, the layer having a high impurity concentration suppresses the extension of the depletion layer formed on the shallow well region side from the gate insulating film. As a result, the substrate bias effect is increased, so that the threshold value of the dynamic threshold transistor can be increased to reduce the off current. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0020】また、第3の発明の半導体装置の製造方法
は、上記第2の発明の半導体装置を製造する方法であっ
て、少なくとも上記素子分離領域を形成する工程の後
に、上記半導体基板上で上記素子分離領域が存在しない
領域として規定される活性領域の最上層部に第2導電型
および第1導電型の不純物濃度の濃い領域を形成する工
程と、半導体膜を全面に堆積する工程を、上記活性領域
上では選択的に単結晶半導体膜がエピタキシャル成長
し、上記活性領域以外の領域上では多結晶半導体膜が成
長する条件下で行なう工程と、上記多結晶半導体を、単
結晶半導体膜に対して選択的に除去する工程とを含むこ
とを特徴としている。A method of manufacturing a semiconductor device according to a third aspect of the present invention is a method of manufacturing the semiconductor device according to the second aspect of the present invention, wherein the semiconductor device is formed on the semiconductor substrate at least after the step of forming the element isolation region. A step of forming a region having a high impurity concentration of the second conductivity type and the first conductivity type in the uppermost layer portion of the active region defined as a region where the element isolation region does not exist, and a step of depositing a semiconductor film on the entire surface, A step of performing the polycrystal semiconductor on the single crystal semiconductor film under the condition that the single crystal semiconductor film is selectively epitaxially grown on the active region and the polycrystal semiconductor film is grown on the region other than the active region; And selectively removing it.
【0021】この第3の発明の半導体装置の製造方法に
よれば、あらかじめ上記活性領域の最上層部に不純物濃
度の濃い領域を形成しておいて、その後に単結晶半導体
膜をエピタキシャル成長させている。そのため、上記第
1導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタのため
に、表面側から深さ方向に順に、第2導電型(第1導電
型)の不純物濃度の薄い層と、第2導電型(第1導電
型)の不純物濃度の濃い層とを、イオン注入では困難な
急峻なプロファイルを持つように形成することができ
る。また、上記活性領域上に成長した膜は基板結晶の方
位を受け継いだ単結晶半導体膜であるから、改めて再結
晶化するための熱工程が不要となり、急峻なプロファイ
ルを維持することができる。According to the method of manufacturing a semiconductor device of the third invention, a region having a high impurity concentration is formed in advance in the uppermost layer of the active region, and then the single crystal semiconductor film is epitaxially grown. . Therefore, for the first-conductivity-type (second-conductivity-type) dynamic threshold transistor, the second-conductivity-type (first-conductivity-type) layer having a low impurity concentration and the It is possible to form a two-conductivity type (first conductivity type) layer having a high impurity concentration so as to have a steep profile that is difficult to achieve by ion implantation. In addition, since the film grown on the active region is a single crystal semiconductor film that inherits the orientation of the substrate crystal, a thermal process for recrystallizing is unnecessary, and a steep profile can be maintained.
【0022】また、上記活性領域以外の領域上、例えば
上記素子分離領域上には、単結晶半導体膜に対して選択
エッチング可能な多結晶半導体膜が形成される。そのた
め、素子間およびソース・ドレイン領域間を分離するた
めには、等方性エッチングにより上記多結晶半導体膜を
除去するだけでよい。Further, a polycrystalline semiconductor film that can be selectively etched with respect to the single crystal semiconductor film is formed on a region other than the active region, for example, on the element isolation region. Therefore, in order to separate the elements and the source / drain regions from each other, it is only necessary to remove the polycrystalline semiconductor film by isotropic etching.
【0023】したがって、比較的簡単な工程により、上
記第2の発明の半導体装置を製造することができる。Therefore, the semiconductor device of the second invention can be manufactured by a relatively simple process.
【0024】また、第4の発明の半導体装置の製造方法
は、上記第2の発明の半導体装置を製造する方法であっ
て、少なくとも上記素子分離領域を形成する工程の後
に、上記半導体基板上で上記素子分離領域が存在しない
領域として規定される活性領域の最上層部に第2導電型
および第1導電型の不純物濃度の濃い領域を形成する工
程と、単結晶半導体膜を上記活性領域のみに選択的にエ
ピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とし
ている。A semiconductor device manufacturing method according to a fourth aspect of the present invention is the method for manufacturing the semiconductor device according to the second aspect of the present invention, wherein the semiconductor device is formed on the semiconductor substrate at least after the step of forming the element isolation region. Forming a region having a high impurity concentration of the second conductivity type and the first conductivity type in the uppermost layer portion of the active region defined as a region where the element isolation region does not exist, and forming a single crystal semiconductor film only in the active region. And a step of selectively performing epitaxial growth.
【0025】この第4の発明の半導体装置の製造方法に
よれば、あらかじめ上記活性領域の最上層部に不純物濃
度の濃い領域を形成しておいて、その後に単結晶半導体
膜をエピタキシャル成長させている。そのため、上記第
1導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタのため
に、表面側から深さ方向に順に、第2導電型(第1導電
型)の不純物濃度の薄い層と、第2導電型(第1導電
型)の不純物濃度の濃い層とを、イオン注入では困難な
急峻なプロファイルを持つように形成することができ
る。また、上記活性領域上に成長した膜は基板結晶の方
位を受け継いだ単結晶半導体膜であるから、改めて再結
晶化するための熱工程が不要となり、急峻なプロファイ
ルを維持することができる。According to the method for manufacturing a semiconductor device of the fourth invention, a region having a high impurity concentration is formed in advance in the uppermost layer of the active region, and then the single crystal semiconductor film is epitaxially grown. . Therefore, for the first-conductivity-type (second-conductivity-type) dynamic threshold transistor, the second-conductivity-type (first-conductivity-type) layer having a low impurity concentration and the It is possible to form a two-conductivity type (first conductivity type) layer having a high impurity concentration so as to have a steep profile that is difficult to achieve by ion implantation. In addition, since the film grown on the active region is a single crystal semiconductor film that inherits the orientation of the substrate crystal, a thermal process for recrystallizing is unnecessary, and a steep profile can be maintained.
【0026】また、上記活性領域のみに、単結晶半導体
膜が選択エピタキシャル成長する。そのため、上記活性
領域以外の領域上、例えば素子間およびソース・ドレイ
ン領域間を分離するための等方性エッチングなどが必要
ない。Further, the single crystal semiconductor film is selectively epitaxially grown only on the active region. Therefore, isotropic etching or the like for isolating elements and source / drain regions on regions other than the active region is not necessary.
【0027】したがって、更に簡単な工程により、上記
第2の発明の半導体装置を製造することができる。Therefore, the semiconductor device of the second invention can be manufactured by a simpler process.
【0028】また、第5の発明の半導体装置は、半導体
基板と、素子分離領域と、上記半導体基板内形成された
第1導電型および第2導電型の深いウェル領域と、上記
第1導電型および第2導電型の深いウェル領域内に夫々
形成された第2導電型および第1導電型の浅いウェル領
域と、上記第2導電型および第1導電型の浅いウェル領
域上に、ゲート絶縁膜を介して形成された複数のゲート
電極とを有し、上記複数のゲート電極は、夫々上記第2
導電型もしくは第1導電型の浅いウェル領域と夫々電気
的に接続されて、夫々第1導電型および第2導電型の動
的閾値トランジスタを構成し、上記第2導電型および第
1導電型の浅いウェル領域は、上記動的閾値トランジス
タ毎に素子分離領域により電気的に分離され、上記第2
導電型の浅いウェル領域上には、上記ゲート絶縁膜との
界面側から深さ方向に順に、第1導電型の不純物濃度の
薄い層と、第1導電型の不純物濃度の濃い層とが形成さ
れ、上記第1導電型の浅いウェル領域上には、上記ゲー
ト絶縁膜との界面側から深さ方向に順に、第2導電型の
不純物濃度の薄い層と、第2導電型の不純物濃度の濃い
層とが形成され、上記第1導電型および第2導電型の動
的閾値トランジスタにより相補型の回路が構成されてい
ることを特徴とする半導体装置。A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is a semiconductor substrate, an element isolation region, first and second conductivity type deep well regions formed in the semiconductor substrate, and the first conductivity type. And a second conductive type and first conductive type shallow well region formed in the second conductive type deep well region, and a gate insulating film on the second conductive type and first conductive type shallow well region, respectively. And a plurality of gate electrodes formed via the second gate electrode,
Electrically connected to the conductivity type or the first conductivity type shallow well region to respectively form a first conductivity type and a second conductivity type dynamic threshold transistor, and the second conductivity type and the first conductivity type are formed. The shallow well region is electrically isolated by the element isolation region for each of the dynamic threshold transistors.
On the shallow well region of conductivity type, a layer of low impurity concentration of the first conductivity type and a layer of high impurity concentration of the first conductivity type are formed in order from the interface side with the gate insulating film in the depth direction. Then, on the shallow well region of the first conductivity type, a layer of a second conductivity type having a low impurity concentration and a second conductivity type of the impurity concentration are sequentially formed in the depth direction from the interface side with the gate insulating film. A semiconductor device in which a dark layer is formed, and a complementary circuit is configured by the dynamic threshold transistors of the first conductivity type and the second conductivity type.
【0029】この第5の発明の半導体装置によれば、上
記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジスタ
とで相補型の回路が構成されている。そして、上記第1
導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタの上記第
2導電型(第1導電型)の浅いウェル領域上には、ゲー
ト絶縁膜との界面側から深さ方向に順に、第1導電型
(第2導電型)の不純物濃度の薄い層と、第1導電型
(第2導電型)の不純物濃度の濃い層とが形成されてい
る。このような、いわゆるカウンタードープ構造によっ
てもまた、上記第2の発明の半導体装置と同様に空乏層
の伸びを抑制することができる。しかも、その抑制の度
合いは上記第2の発明の半導体装置よりも大きい。その
結果、基板バイアス効果はさらに増大するので、動的閾
値トランジスタの閾値をさらに高くしてオフ電流を少な
くすることができる。したがって、動的閾値トランジス
タによる相補型回路からなる半導体装置を、動作速度を
高速に保ったままさらに低消費電力化することができ
る。According to the semiconductor device of the fifth aspect of the present invention, a complementary type circuit is constituted by the first and second conductivity type dynamic threshold transistors. And the first
On the shallow well region of the second conductivity type (first conductivity type) of the conductivity type (second conductivity type) dynamic threshold transistor, the first conductivity is sequentially arranged from the interface side with the gate insulating film in the depth direction. A layer having a low impurity concentration of the type (second conductivity type) and a layer having a high impurity concentration of the first conductivity type (second conductivity type) are formed. Also with such a so-called counter-doped structure, the extension of the depletion layer can be suppressed similarly to the semiconductor device of the second invention. Moreover, the degree of the suppression is larger than that of the semiconductor device of the second invention. As a result, the substrate bias effect is further increased, and the threshold value of the dynamic threshold transistor can be further increased to reduce the off current. Therefore, it is possible to further reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0030】また、第6の発明の半導体装置は、素子分
離領域により素子毎に区分されたウェル領域とゲート電
極とが電気的に接続されたことを特徴とする複数の動的
閾値トランジスタからなる相補型の回路を有し、上記複
数の動的閾値トランジスタの基板バイアス効果因子γが
0.3以上であることを特徴としている。The semiconductor device of the sixth invention comprises a plurality of dynamic threshold transistors characterized in that the well region divided for each element by the element isolation region and the gate electrode are electrically connected. It has a complementary circuit, and the substrate bias effect factor γ of the plurality of dynamic threshold transistors is 0.3 or more.
【0031】この第6の発明の半導体装置によれば、従
来技術による動的閾値トランジスタに比べて十分大きな
基板バイアス効果を得ることができる。したがって、動
的閾値トランジスタによる相補型回路からなる半導体装
置を、動作速度を高速に保ったまま低消費電力化するこ
とができる。According to the semiconductor device of the sixth invention, it is possible to obtain a sufficiently large substrate bias effect as compared with the dynamic threshold transistor according to the prior art. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0032】また、第7の発明の半導体装置は、第1の
発明の半導体装置であって、かつ第2,第5,第6のい
ずれかの発明の半導体装置であることを特徴とする。The semiconductor device of the seventh invention is the semiconductor device of the first invention and the semiconductor device of any one of the second, fifth, and sixth inventions.
【0033】この第7の発明の半導体装置によれば、基
板バイアス効果の大きな動的閾値を用いて相補型回路を
組むことによりオフリークを非常に小さくすることがで
き、かつ回路がスタンドバイ状態にあるときにはゲート
電流を非常に小さくすることができる。したがって、動
的閾値トランジスタによる相補型回路からなる半導体装
置を、動作速度を高速に保ったまま著しく低消費電力化
することができる。According to the semiconductor device of the seventh aspect of the invention, the off-leakage can be made extremely small by assembling the complementary circuit by using the dynamic threshold having a large substrate bias effect, and the circuit is placed in the standby state. At some times the gate current can be very small. Therefore, it is possible to significantly reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0034】また、第8の発明のスタティック型ランダ
ムアクセスメモリ装置は、第1,第2,第5,第6のい
ずれかの発明の半導体装置を具備したことを特徴として
いる。The static random access memory device of the eighth invention is characterized by including the semiconductor device of any one of the first, second, fifth and sixth inventions.
【0035】この第8の発明のスタティック型ランダム
アクセスメモリ装置によれば、上記第1,第2,第5,
第6のいずれかの発明の半導体装置を具備しているの
で、スタンドバイ時のリーク電流を低減することができ
る。したがって、スタティック型ランダムアクセスメモ
リの動作速度を高速に保ったまま低消費電力化すること
ができる。According to the static random access memory device of the eighth aspect of the present invention, the first, second, fifth
Since the semiconductor device according to any one of the sixth aspects is provided, the leakage current during standby can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the power consumption while keeping the operating speed of the static random access memory high.
【0036】また、第9の発明の携帯電子機器は、上記
発明の半導体装置またはスタティック型ランダムアクセ
スメモリ装置を具備することを特徴としている。The portable electronic equipment of the ninth invention is characterized by including the semiconductor device or the static random access memory device of the above invention.
【0037】この第9の発明の携帯電子機器によれば、
上記半導体装置を具備するから、LSI(大規模集積回
路)部等の消費電力が大幅に減少して、電池寿命を大幅
にのばすことができる。According to the portable electronic device of the ninth invention,
Since the semiconductor device is provided, the power consumption of the LSI (Large Scale Integrated Circuit) portion and the like is significantly reduced, and the battery life can be significantly extended.
【0038】[0038]
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
により詳細に説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in detail below with reference to the embodiments shown in the drawings.
【0039】本発明に使用することができる半導体基板
は、特に限定されないが、シリコン基板が好ましい。ま
た、半導体基板は、P型またはN型の導電型を有してい
ても良い。The semiconductor substrate that can be used in the present invention is not particularly limited, but a silicon substrate is preferable. Further, the semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity.
【0040】(実施の形態1)本実施の形態は、DTM
OSからなるCMOS回路において、回路がアクティブ
状態にある時とスタンドバイ状態にある時とで電源電圧
を変えることにより、回路の動作速度を保ったまま、ス
タンドバイ時のゲート電流に起因するリーク電流を低減
する半導体装置に関するものである。ここで、アクティ
ブ状態とは回路が高速で動作するアクティブモードにあ
ることを指し、スタンドバイ状態とは、回路が低速で動
作し、もしくは停止状態となるスタンドバイモードにあ
ることを指す。本実施の形態1の半導体装置を、図1〜
図3を用いて説明する。(Embodiment 1) This embodiment is a DTM.
In a CMOS circuit including an OS, the power supply voltage is changed between when the circuit is in the active state and when the circuit is in the standby state, so that the leakage current caused by the gate current in the standby state is maintained while maintaining the operation speed of the circuit. The present invention relates to a semiconductor device that reduces Here, the active state means that the circuit is in an active mode in which the circuit operates at high speed, and the standby state means that the circuit is in a standby mode in which the circuit operates at low speed or is in a stopped state. The semiconductor device according to the first embodiment is shown in FIGS.
This will be described with reference to FIG.
【0041】図1は、Nチャネル型DTMOSの一例
の、ドレイン電流(Id)及びゲート電流(Ig)対ゲ
ート電圧(Vg)の特性を示すグラフである。図2は、
Pチャネル型DTMOSの一例の同様なグラフである。
なお、Id及びIgは、単位ゲート幅あたりの電流値に
規格化されている。FIG. 1 is a graph showing the characteristics of drain current (Id) and gate current (Ig) vs. gate voltage (Vg) in an example of N-channel type DTMOS. Figure 2
7 is a similar graph of an example of a P-channel DTMOS.
Note that Id and Ig are standardized to a current value per unit gate width.
【0042】回路の動作速度の観点からは、ドレイン電
流が大きい方が動作速度を早くすることができるので、
ゲート電流が著しく増大しない範囲で電源電圧を高くす
る方がよい。図1の例では、例えば電源電圧を0.6V
とすることができる。しかしながら、回路が実質的に休
止状態(スタンドバイ状態)にあるときは、ゲート電流
が消費電力の大部分を占めることとなる。ゲート電流に
よる消費電流を低減する方法としては、回路に供給され
る電源を遮断する方法がある。これにより、回路の消費
電流を0とすることができる。しかしながら、回路に供
給される電源を遮断した場合、回路の各ノードにおける
状態(情報)が失われてしまう。これを防ぐためには、
不揮発性メモリを設け、電源を遮断する前にこのメモリ
に状態を記憶すればよい。From the viewpoint of the operating speed of the circuit, the larger the drain current, the faster the operating speed.
It is better to increase the power supply voltage within the range where the gate current does not increase significantly. In the example of FIG. 1, for example, the power supply voltage is 0.6V.
Can be However, when the circuit is substantially in the idle state (standby state), the gate current occupies most of the power consumption. As a method of reducing the current consumption due to the gate current, there is a method of cutting off the power supply to the circuit. As a result, the current consumption of the circuit can be reduced to zero. However, when the power supplied to the circuit is cut off, the state (information) at each node of the circuit is lost. To prevent this,
A non-volatile memory may be provided and the state may be stored in this memory before the power is turned off.
【0043】上記状態を記憶するための不揮発性メモリ
を設けることなくゲート電流による消費電流を低減する
他の方法は、回路がスタンドバイ状態の時には電源電圧
を低下させるというものである。電源電圧を低下させる
とゲート電流は指数関数的に減少するので、スタンドバ
イ状態にある回路の消費電流を著しく低減することがで
きる。しかも、回路の各ノードにおける状態は保持され
るので、別に不揮発性メモリを設ける必要がない。ま
た、回路の状態を不揮発性メモリに書き込んだり、逆に
不揮発性メモリから読み出したりする動作も不要であ
る。Another method of reducing the consumption current due to the gate current without providing a non-volatile memory for storing the above state is to lower the power supply voltage when the circuit is in the standby state. Since the gate current decreases exponentially when the power supply voltage is reduced, the current consumption of the circuit in the standby state can be significantly reduced. Moreover, since the state at each node of the circuit is retained, it is not necessary to provide a separate non-volatile memory. Further, it is not necessary to write the state of the circuit in the non-volatile memory or, conversely, read it from the non-volatile memory.
【0044】スタンドバイ時の電源電圧は、ゲート電流
がオフリーク以下になるようにするのがより好ましい。
図1の例では、オフリークは約10−12A/μmであ
り、ゲート電流がそれと等しくなるのはゲート電圧が
0.4Vの時である。また、図2において、Pチャネル
型DTMOSも、ゲート電圧の符号が逆になる点が異な
るのみで、ほぼ同様の特性を持っている。したがって、
図1の例では、回路がスタンドバイ状態にある時には電
源電圧を0.4V以下とするのがより好ましい。無論、
オフリークは素子の閾値により大きく変わるものである
から、スタンドバイ時の電源電圧は、ゲート電流がオフ
リーク以下となるよう適宜決めればよい。It is more preferable that the power supply voltage during standby is such that the gate current is equal to or less than off-leakage.
In the example of FIG. 1, the off-leakage is about 10 −12 A / μm, and the gate current becomes equal to that when the gate voltage is 0.4V. Further, in FIG. 2, the P-channel type DTMOS also has substantially the same characteristics except that the sign of the gate voltage is reversed. Therefore,
In the example of FIG. 1, it is more preferable to set the power supply voltage to 0.4 V or less when the circuit is in the standby state. Of course,
Since the off-leakage greatly changes depending on the threshold value of the device, the power supply voltage during standby may be appropriately determined so that the gate current is equal to or less than the off-leakage.
【0045】図3は、本実施の形態の半導体装置の構成
を示す図である。DTMOSによるCMOS回路で構成
される基本回路ブロック31には、電源3から、電源線
33と電圧調整回路32と電源線34とを介して、電力
が供給される。電圧調整回路32は、対応する基本回路
ブロック31がアクティブ状態にあるか、あるいはスタ
ンドバイ状態にあるかに応じて異なる電圧を電源線34
に供給する。基本回路ブロック31を構成するDTMO
Sが夫々図1と図2の特性を持つ場合、例えば、基本回
路ブロック31がアクティブ状態にあるときには0.6
Vを、スタンドバイ状態にあるときには0.4Vの電圧
を供給する。FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the semiconductor device of this embodiment. Power is supplied from the power supply 3 to the basic circuit block 31 composed of the CMOS circuit by the DTMOS through the power supply line 33, the voltage adjusting circuit 32, and the power supply line 34. The voltage adjusting circuit 32 supplies a different voltage depending on whether the corresponding basic circuit block 31 is in the active state or the standby state.
Supply to. DTMO forming the basic circuit block 31
When S has the characteristics of FIG. 1 and FIG. 2, respectively, for example, 0.6 when the basic circuit block 31 is in the active state.
V is supplied with a voltage of 0.4 V in the standby state.
【0046】基本回路ブロック31は、図3に示すよう
に複数個あってもよい。この場合、スタンドバイ状態に
すべき基本回路ブロックに供給する電源電圧のみを下げ
て、リーク電流を抑制することができる。したがって、
一部の回路のみを動作させる場合において、スタンドバ
イ状態にすべき回路とアクティブ状態にすべき回路とを
適切に分けて、回路の動作速度を高速に保ったまま低消
費電力化することができる。There may be a plurality of basic circuit blocks 31, as shown in FIG. In this case, the leak current can be suppressed by lowering only the power supply voltage supplied to the basic circuit block which should be in the standby state. Therefore,
When operating only a part of the circuits, it is possible to appropriately divide the circuit to be in the standby state and the circuit to be in the active state, and to reduce the power consumption while keeping the operating speed of the circuit high. .
【0047】なお、基本回路ブロック31を構成するト
ランジスタは、DTMOSのみで構成される必要はな
く、一部が通常のMOSFETであってもよい。The transistors constituting the basic circuit block 31 do not have to be composed of only DTMOS, and a part thereof may be a normal MOSFET.
【0048】本実施の形態の半導体装置によれば、DT
MOSによるCMOS回路で構成される基本回路ブロッ
クがアクティブ状態の時とスタンドバイ状態の時とで電
源電圧を変え、スタンドバイ状態の時には電源電圧を低
下させることができる。そのため、回路がスタンドバイ
状態にあるときには、DTMOSからなるCMOS回路
のリーク電流の大半を占めるゲート電流を大幅に低減す
ることができる。一方、回路がアクティブ状態にあると
きには、十分大きなドレイン電流が得られるので、回路
を高速に動作させることができる。したがって、DTM
OSによるCMOS回路からなる半導体装置を、動作速
度を高速に保ったまま低消費電力化することができる。According to the semiconductor device of this embodiment, the DT
The power supply voltage can be changed between when the basic circuit block composed of the CMOS circuit using MOS is in the active state and when it is in the standby state, and the power supply voltage can be lowered in the standby state. Therefore, when the circuit is in the standby state, the gate current, which accounts for most of the leak current of the CMOS circuit including DTMOS, can be significantly reduced. On the other hand, when the circuit is in the active state, a sufficiently large drain current is obtained, so that the circuit can be operated at high speed. Therefore, DTM
A semiconductor device including a CMOS circuit using an OS can have low power consumption while maintaining a high operating speed.
【0049】(実施の形態2)本実施の形態2の半導体
装置は、DTMOSからなるCMOS回路において、D
TMOSの基板バイアス効果を増大することにより所望
のドレイン電流を得るための閾値を上昇させ、結果とし
てオフ電流を減少させるものである。本実施の形態2の
半導体装置を、図4〜図6を用いて説明する。(Second Embodiment) A semiconductor device according to the second embodiment is a CMOS circuit composed of DTMOS.
By increasing the substrate bias effect of the TMOS, the threshold value for obtaining a desired drain current is raised, and as a result, the off current is reduced. The semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
【0050】図4は、本実施の形態2の半導体装置の断
面の概略図であり、Nチャネル型DTMOS4とPチャ
ネル型DTMOS5が夫々描かれている。半導体基板1
11上には、N型の深いウェル領域121とP型の深い
ウェル領域122が形成されている。さらに、N型の深
いウェル領域121上にはP型の浅いウェル領域123
が、P型の深いウェル領域122上にはN型の浅いウェ
ル領域124が夫々形成されている。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment, in which an N-channel type DTMOS 4 and a P-channel type DTMOS 5 are drawn, respectively. Semiconductor substrate 1
An N-type deep well region 121 and a P-type deep well region 122 are formed on 11. Further, on the N type deep well region 121, a P type shallow well region 123 is formed.
However, N-type shallow well regions 124 are formed on the P-type deep well regions 122, respectively.
【0051】P型の浅いウェル領域123上には、N型
のソース領域161、N型のドレイン領域162が互い
に離間して形成され、それらの間の領域上にゲート絶縁
膜151を介してゲート電極152が形成され、さらに
ゲート電極152の側壁にはゲート側壁絶縁膜153が
形成されている。図示しないが、ゲート電極152とP
型の浅いウェル領域123とは電気的に接続され、Nチ
ャネル型DTMOS4を構成する。一方、N型の浅いウ
ェル領域124上には、P型のソース領域163、P型
のドレイン領域164が互いに離間して形成され、それ
らの間の領域上にゲート絶縁膜151を介してゲート電
極152が形成され、さらにゲート電極152の側壁に
はゲート側壁絶縁膜153が形成されている。図示しな
いが、ゲート電極152とN型の浅いウェル領域124
とは電気的に接続され、Pチャネル型DTMOS5を構
成する。On the P-type shallow well region 123, an N-type source region 161 and an N-type drain region 162 are formed so as to be separated from each other, and a gate insulating film 151 is provided on the region between them. An electrode 152 is formed, and a gate sidewall insulating film 153 is formed on the sidewall of the gate electrode 152. Although not shown, the gate electrode 152 and P
The shallow well region 123 of the mold is electrically connected to form an N-channel type DTMOS 4. On the other hand, a P-type source region 163 and a P-type drain region 164 are formed on the N-type shallow well region 124 so as to be separated from each other, and a gate electrode is formed on the region between them via the gate insulating film 151. 152 is formed, and a gate sidewall insulating film 153 is further formed on the sidewall of the gate electrode 152. Although not shown, the gate electrode 152 and the N-type shallow well region 124
And are electrically connected to each other to form a P-channel type DTMOS 5.
【0052】各素子間を分離するため、素子分離領域1
31,132が設けられている。素子分離領域131,
132は、各DTMOSの浅いウェル領域123,12
4を互いに電気的に分離するに足る深さを有する。これ
により、ゲート電極152と電気的に接続された浅いウ
ェル領域123,124の電位が素子毎に独立に変位し
ても、素子間の干渉を防ぐことができる。In order to separate each element, an element isolation region 1
31, 132 are provided. Element isolation region 131,
132 is a shallow well region 123, 12 of each DTMOS
It has a sufficient depth to electrically isolate the four from each other. Thereby, even if the potentials of the shallow well regions 123 and 124 electrically connected to the gate electrode 152 are independently changed for each element, it is possible to prevent interference between the elements.
【0053】Nチャネル型DTMOS4のゲート絶縁膜
151の直下には、P型の不純物濃度の薄い領域127
が形成され、さらにその下部にP型の不純物濃度の濃い
領域125が形成されている。一方、Pチャネル型DT
MOS5のゲート絶縁膜151の直下には、N型の不純
物濃度の薄い領域128が形成され、さらにその下部に
N型の不純物濃度の濃い領域126が形成されている。
P型の不純物濃度の薄い領域127及びN型の不純物の
薄い領域128の厚さは、例えば5nm〜40nmとす
ることができ、それらの不純物濃度は、例えば1×10
17cm−3〜5×1018cm−3とすることができ
る。不純物濃度の薄い領域127,128の不純物濃度
は、DTMOSが所望の閾値となるように決めれば良
い。P型の不純物濃度の濃い領域125及びN型の不純
物濃度の濃い領域126の厚さは、例えば5nm〜50
nmとすることができ、それらの不純物濃度は、例えば
2×1019cm−3〜5×1020cm−3とするこ
とができる。不純物濃度の濃い領域125,126の下
端は、ソース・ドレイン領域161〜164の下面より
浅いことが望ましい。なぜなら、不純物濃度の濃い領域
125,126と、ソース・ドレイン領域161〜16
4との接合では空乏層幅が非常に狭くなり大きな容量が
つくため、その接合面積を極力小さくするのが好ましい
からである。Immediately below the gate insulating film 151 of the N-channel type DTMOS 4, a region 127 having a low P-type impurity concentration is formed.
Is formed, and a region 125 having a high concentration of P-type impurities is formed further thereunder. On the other hand, P-channel type DT
A region 128 having a low N-type impurity concentration is formed immediately below the gate insulating film 151 of the MOS 5, and a region 126 having a high N-type impurity concentration is formed below the region 128.
The thickness of the region 127 having a low P-type impurity concentration and the region 128 having a low N-type impurity concentration can be, for example, 5 nm to 40 nm, and the impurity concentration thereof is, for example, 1 × 10 5.
It can be set to 17 cm −3 to 5 × 10 18 cm −3 . The impurity concentrations of the regions 127 and 128 having a low impurity concentration may be determined so that the DTMOS has a desired threshold value. The thickness of the P-type impurity-rich region 125 and the N-type impurity-rich region 126 is, for example, 5 nm to 50 nm.
nm, and the impurity concentration thereof can be, for example, 2 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 . It is desirable that the lower ends of the regions 125 and 126 having a high impurity concentration be shallower than the lower surfaces of the source / drain regions 161-164. This is because the regions 125 and 126 having a high impurity concentration and the source / drain regions 161 to 16 are formed.
This is because the width of the depletion layer becomes very narrow at the junction with 4 and a large capacitance is added, so it is preferable to make the junction area as small as possible.
【0054】DTMOSの基板バイアス効果について考
察する。ここでは、Nチャネル型DTMOSに関して考
察するが、Pチャネル型DTMOSについても、符号が
異なる以外は同様である。基板バイアス効果とは、浅い
ウェル領域にバイアスを印加すると、トランジスタの閾
値が下がり、ドレイン電流が増加する効果のことであ
る。基板バイアス効果の大きさをあらわす量として基板
バイアス効果因子γを用いるのが便利である。
γ=|ΔVt/Vb| …(1)Consider the substrate bias effect of DTMOS. Here, the N-channel type DTMOS will be considered, but the same applies to the P-channel type DTMOS except that the signs are different. The substrate bias effect is an effect of increasing the drain current by lowering the threshold value of the transistor when a bias is applied to the shallow well region. It is convenient to use the substrate bias effect factor γ as an amount representing the magnitude of the substrate bias effect. γ = | ΔVt / Vb | (1)
【0055】ここで、Vbはソース領域の電位を基準と
して浅いウェル領域に印加された電圧であり、ΔVtは
浅いウェル領域に電圧Vbが印加されたことによる閾値
のシフト量(負の値)である。ここでの閾値とは、浅い
ウェル領域に電圧Vbが常にかかった状態での閾値であ
り、浅いウェル領域の電圧が変動するDTMOSで実測
される閾値とは異なることに注意されたい。DTMOS
においては、Vbが電源電圧VddのときのΔVtから
γを求めることとする。Here, Vb is a voltage applied to the shallow well region with reference to the potential of the source region, and ΔVt is a threshold shift amount (negative value) due to the application of the voltage Vb to the shallow well region. is there. It should be noted that the threshold value here is a threshold value when the voltage Vb is constantly applied to the shallow well region, and is different from the threshold actually measured by the DTMOS in which the voltage of the shallow well region varies. DTMOS
In the above, γ is obtained from ΔVt when Vb is the power supply voltage Vdd.
【0056】(1)式から、浅いウェル領域に一定の電
圧Vbをかけた時、γが大きいほど閾値のシフト量ΔV
tが増加し、ドライブ電流が多く流れることが分かる。From the equation (1), when a constant voltage Vb is applied to the shallow well region, the threshold shift amount ΔV increases as γ increases.
It can be seen that t increases and a large drive current flows.
【0057】ところで、閾値のシフト量ΔVtはゲート
酸化膜から基板側に伸びる空乏層の幅Xdに反比例す
る。
ΔVt∝ToxVd/Xd …(2)The threshold shift amount ΔVt is inversely proportional to the width Xd of the depletion layer extending from the gate oxide film to the substrate side. ΔVt∝ToxVd / Xd (2)
【0058】ここで、Toxはゲート絶縁膜厚である。
したがって、(2)式から基板バイアス効果を増大する
ためには、ゲート絶縁膜から基板側に伸びる空乏層の幅
Xdを抑制するのが効果的であることが分かる。Here, Tox is the gate insulating film thickness.
Therefore, in order to increase the substrate bias effect from the formula (2), it is effective to suppress the width Xd of the depletion layer extending from the gate insulating film to the substrate side.
【0059】図4に示す半導体装置は、空乏層の幅Xd
を抑制する構造となっている。ゲート絶縁膜151,1
51と不純物濃度の薄い領域127,128との界面か
ら基板側に伸びる空乏層は、不純物濃度の濃い領域12
5,126の中にはほとんど侵入できない。すなわち、
不純物濃度の濃い領域125,126は空乏層ストッパ
ーの役割を果たしている。したがって、不純物濃度の薄
い領域127,128の厚さは、不純物濃度の濃い領域
125,126が無い場合の空乏層の厚さより薄くしな
ければならない。反転層が形成されたときの空乏層の厚
さは、不純物濃度の濃い領域125,126が無い場
合、不純物濃度が5×1017cm−3で約50nmで
ある。したがって、不純物濃度の濃い領域125,12
6が空乏層ストッパーの役割を十分果たすためには、不
純物濃度の薄い領域127,128の厚さが40nm以
下であることが好ましい。The semiconductor device shown in FIG. 4 has a depletion layer width Xd.
It has a structure that suppresses Gate insulating film 151,1
The depletion layer extending from the interface between 51 and the regions 127 and 128 having a low impurity concentration to the substrate side is a region 12 having a high impurity concentration.
Almost no intrusion into 5,126. That is,
The regions 125 and 126 having a high impurity concentration function as a depletion layer stopper. Therefore, the thickness of the regions 127 and 128 having a low impurity concentration must be smaller than the thickness of the depletion layer in the case where the regions 125 and 126 having a high impurity concentration are not present. The thickness of the depletion layer when the inversion layer is formed is about 50 nm at an impurity concentration of 5 × 10 17 cm −3 when the regions 125 and 126 having a high impurity concentration are not provided. Therefore, the regions 125, 12 having a high impurity concentration
In order for 6 to fully fulfill the role of a depletion layer stopper, it is preferable that the regions 127 and 128 having a low impurity concentration have a thickness of 40 nm or less.
【0060】ここで、γが上昇したときの効果を見積
る。例えば、通常のウェル構造のDTMOSにおいて
は、γは0.2程度である。一方、図4に示す半導体装
置では、γを0.5程度にすることができる。Vb=
0.6Vとすると、(1)式より、γ=0.2のときΔ
Vt=−0.12Vとなり、γ=0.5のときΔVt=
−0.30Vとなる。すなわち、γが0.2から0.5
に増加すると、閾値のシフト量の絶対値は0.18V増
加する。したがって、同じ閾値(ここでの閾値とは、基
板バイアスが0のときの閾値)であれば、γが大きくな
ればドライブ電流が増加する。また、同じドライブ電流
であれば、γが大きくなれば閾値(ここでの閾値とは、
基板バイアスが0のときの閾値)を大きくすることがで
きる。例えば、γが0.2から0.5に増加すると、閾
値(ここでの閾値とは、基板バイアスが0のときの閾
値)が0.18V増加しても同じドレイン電流を得るこ
とができる(実際は基板濃度が増加して空乏層幅が縮ま
るためドレイン電流は更に大きくなる)。室温における
DTMOSのサブスレショルド特性によると、ゲート電
圧0.06Vにつきドレイン電流が1桁増加するから、
閾値(ここでの閾値とは、基板バイアスが0のときの閾
値)が0.18V増加すれば、オフ電流は3桁小さくな
る。かくして、γを大きくすることによりオフ電流を低
減することが可能となる。Here, the effect when γ is increased will be estimated. For example, in a well-structured DTMOS, γ is about 0.2. On the other hand, in the semiconductor device shown in FIG. 4, γ can be set to about 0.5. Vb =
Assuming that 0.6V, from the equation (1), when γ = 0.2, Δ
Vt = −0.12V, and when γ = 0.5, ΔVt =
It becomes −0.30V. That is, γ is 0.2 to 0.5
The absolute value of the shift amount of the threshold value increases by 0.18 V when the value increases. Therefore, if the same threshold value (the threshold value here is the threshold value when the substrate bias is 0), the drive current increases as γ increases. Further, if the drive current is the same, the threshold value increases when γ increases (the threshold value here is
The threshold value when the substrate bias is 0 can be increased. For example, when γ is increased from 0.2 to 0.5, the same drain current can be obtained even if the threshold value (the threshold value here is the threshold value when the substrate bias is 0) is increased by 0.18V ( Actually, the drain current becomes larger because the substrate concentration increases and the depletion layer width shrinks.) According to the subthreshold characteristic of DTMOS at room temperature, the drain current increases by one digit for every 0.06V gate voltage.
If the threshold value (the threshold value here is the threshold value when the substrate bias is 0) increases by 0.18 V, the off-current decreases by three digits. Thus, the off current can be reduced by increasing γ.
【0061】同様にして、γ=0.3、Vb=0.6V
とすると、ΔVt=−0.18Vとなる。したがって、
ドライブ電流が同じであるとすると、γが0.2から
0.3に上昇することによって、オフ電流は1桁低下す
る。図4に示す半導体装置においては、不純物濃度の薄
い領域127,128の厚さと不純物濃度の濃い領域1
25,126の不純物濃度によってγが変化する。通常
のウェル構造を持つDTMOSはγ=0.2程度である
から、上述の結果よりγが0.3以上であることが望ま
しい。Similarly, γ = 0.3 and Vb = 0.6V
Then, ΔVt = −0.18V. Therefore,
If the drive current is the same, γ increases from 0.2 to 0.3, and the off-current decreases by one digit. In the semiconductor device shown in FIG. 4, the regions 127 and 128 having a low impurity concentration and the region 1 having a high impurity concentration are used.
Γ changes depending on the impurity concentrations of 25 and 126. Since DTMOS having a normal well structure has a γ of about 0.2, it is desirable that γ be 0.3 or more from the above results.
【0062】なお、DTMOSのγは以下の方法で見積
ることができる。DTMOSと同じウェル不純物プロフ
ァイルを持つ通常MOS(ゲート電極と浅いウェル領域
が接続されていないMOSFET)でのドライブ電流を
Icvとする。ここで、ドライブ電流とは、Nチャネル
型MOSFETの場合、ソース領域に0V、ゲート電極
及びドレイン電極に電源電圧Vddを加えた時のドレイ
ン電流である。一方、DTMOSのドライブ電流をId
tとする。これらは、
Icv=WμCox(Vdd−Vtc)2/2L …(3)
Idt=WμCox(Vdd−Vtc−ΔVt)2/2L …(4)
γ=−ΔVt/Vdd …(5)
という式で表される。ここで、Wはゲート幅、μは移動
度、Coxはゲート絶縁膜の静電容量、Vtcは通常M
OSの閾値である。(3)〜(5)式より、
Idt/Icv=(1−Vtc/Vdd+γ)2/(1−Vtc/Vdd)2
…(6)
となり、γ以外は直接測定可能な量であるから、(6)
式よりγを求めることができる。The γ of DTMOS can be estimated by the following method. The drive current in a normal MOS (MOSFET in which the gate electrode and the shallow well region are not connected) having the same well impurity profile as DTMOS is Icv. Here, the drive current is a drain current when 0 V is applied to the source region and a power supply voltage Vdd is applied to the gate electrode and the drain electrode in the case of the N-channel MOSFET. On the other hand, the drive current of DTMOS is set to Id
t. These are expressed by the following formula: Icv = WμCox (Vdd-Vtc) 2 / 2L (3) Idt = WμCox (Vdd-Vtc-ΔVt) 2 / 2L (4) γ = -ΔVt / Vdd (5) It Here, W is the gate width, μ is the mobility, Cox is the capacitance of the gate insulating film, and Vtc is usually M.
This is the threshold of the OS. From equations (3) to (5), Idt / Icv = (1-Vtc / Vdd + γ) 2 / (1-Vtc / Vdd) 2 (6), and other than γ are directly measurable amounts, ( 6)
Γ can be obtained from the equation.
【0063】次に、図5及び図6を用いて本実施の形態
2の半導体装置の形成手順を説明する。Next, the procedure for forming the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIGS.
【0064】まず、図5(a)に示すように、半導体基
板111上に、素子分離領域131,132を形成す
る。上記素子分離領域131,132は、例えばSTI
(Shallow Trench Isolation)法を用いて形成すること
ができる。上記STI法を用いれば、さまざまな幅の素
子分離領域を同時に形成するのが容易である。上記素子
分離領域131,132の深さは、互いに隣り合う素子
の浅いウェル領域123,124を電気的に分離し、か
つ深いウェル領域121,122は電気的に分離しない
ように設定される。素子分離領域131,132の深さ
は、例えば、0.2μm〜2μmとするのが好ましい。First, as shown in FIG. 5A, element isolation regions 131 and 132 are formed on the semiconductor substrate 111. The element isolation regions 131 and 132 are formed, for example, by STI.
(Shallow Trench Isolation) method can be used. By using the STI method, it is easy to simultaneously form element isolation regions of various widths. The depths of the element isolation regions 131 and 132 are set such that the shallow well regions 123 and 124 of the adjacent elements are electrically isolated from each other and the deep well regions 121 and 122 are not electrically isolated from each other. The depth of the element isolation regions 131 and 132 is preferably 0.2 μm to 2 μm, for example.
【0065】次に、上記半導体基板111内にN型の深
いウェル領域121とP型の深いウェル領域122を形
成する。N型を与える不純物イオンとしては31P+が
挙げられる。例えば、不純物イオンとして31P+を使
用した場合、注入エネルギーとして240KeV〜15
00KeV、注入量として5×1011cm−2〜1×
1014cm−2の条件とすることができる。P型を与
える不純物イオンとしては11B+が挙げられる。例え
ば、不純物イオンとして11B+イオンを使用した場
合、注入エネルギーとして100KeV〜1000Ke
V、注入量として5×1011cm−2〜1×1014
cm−2の条件とすることができる。Next, an N type deep well region 121 and a P type deep well region 122 are formed in the semiconductor substrate 111. 31 P + is mentioned as an impurity ion which gives N type. For example, when 31 P + is used as the impurity ions, the implantation energy is 240 KeV to 15
00 KeV, injection amount 5 × 10 11 cm −2 to 1 ×
The condition may be 10 14 cm −2 . 11 B + is mentioned as an impurity ion which gives a P type. For example, when 11 B + ions are used as the impurity ions, the implantation energy is 100 KeV to 1000 Ke.
V, as an injection amount 5 × 10 11 cm −2 to 1 × 10 14
The condition may be cm −2 .
【0066】次に、深いウェル領域121,122上
に、P型の浅いウェル領域123とN型の浅いウェル領
域124とを形成する。N型を与える不純物イオンとし
ては3 1P+が挙げられる。例えば、不純物イオンとし
て31P+を使用した場合、注入エネルギーとして13
0KeV〜900KeV、注入量として5×1011c
m−2〜1×1014cm−2の条件で形成することが
できる。P型を与える不純物イオンとしては11B+が
挙げられる。例えば、不純物イオンとして11B +イオ
ンを使用した場合、注入エネルギーとして60KeV〜
500KeV、注入量として5×1011cm−2〜1
×1014cm−2の条件で形成することができる。Next, on the deep well regions 121 and 122,
The P-type shallow well region 123 and the N-type shallow well region.
Forming a region 124. As an impurity ion giving N type
IsThree 1P+Is mentioned. For example, with impurity ions
hand31P+When using, the injection energy is 13
0 KeV to 900 KeV, 5 × 10 as injection amount11c
m-2~ 1 x 1014cm-2Can be formed under the conditions
it can. The impurity ions that give P-type are11B+But
Can be mentioned. For example, as impurity ions11B +Io
If the energy used is 60 KeV
500 KeV, injection amount 5 × 1011cm-2~ 1
× 1014cm-2Can be formed under the following conditions.
【0067】ウェル領域を形成するための不純物注入の
順番は上記の限りではなく、順番を入れ替えてもよい。The order of the impurity implantation for forming the well region is not limited to the above, and the order may be exchanged.
【0068】なお、上記浅いウェル領域123,124
と深いウェル領域121,122との接合の深さは、上
記浅いウェル領域123,124への不純物の注入条
件、深いウェル領域121,122への不純物の注入条
件、及びこれより後に行われる熱工程により決定され
る。上記素子分離領域131,132の深さは、隣接す
る素子の浅いウェル領域123,124が電気的に分離
され、かつ深いウェル領域121,122は電気的に分
離されないように設定される。The shallow well regions 123 and 124
The depth of the junction between the deep well regions 121 and 122 and the deep well regions 121 and 122 is determined by the conditions for implanting impurities into the shallow well regions 123 and 124, the conditions for implanting impurities into the deep well regions 121 and 122, and a thermal process performed thereafter. Determined by The depths of the element isolation regions 131 and 132 are set so that the shallow well regions 123 and 124 of the adjacent devices are electrically isolated and the deep well regions 121 and 122 are not electrically isolated.
【0069】次に、図5(a)に示すように、上記浅い
ウェル領域123,124の最上層に、浅いウェル領域
123,124と同導電型の不純物を注入して、P型の
不純物濃度の濃い領域125及びN型の不純物濃度の濃
い領域126を形成する。N型を与える不純物イオンと
しては75As+が挙げられる。例えば、不純物イオンと
して75As+を使用した場合、注入エネルギーとして3
KeV〜15KeV、注入量として1×1012cm
−2〜1×1013cm−2の条件で形成することがで
きる。P型を与える不純物イオンとしては115In+が挙
げられる。例えば、不純物イオンとして115In+イオン
を使用した場合、注入エネルギーとして5KeV〜20
KeV、注入量として1×1012cm−2〜1×10
13cm− 2の条件で形成することができる。Next, as shown in FIG. 5A, an impurity of the same conductivity type as that of the shallow well regions 123, 124 is implanted into the uppermost layers of the shallow well regions 123, 124 to obtain a P-type impurity concentration. Regions 125 and regions 126 having a high N-type impurity concentration are formed. 75 As + may be mentioned as an impurity ion giving N type. For example, when 75 As + is used as the impurity ion, the implantation energy is 3
KeV to 15 KeV, as an injection amount of 1 × 10 12 cm
It can be formed under the condition of −2 to 1 × 10 13 cm −2 . 115 In + can be given as an example of the impurity ion that imparts P-type conductivity. For example, when 115 In + ions are used as the impurity ions, the implantation energy is 5 KeV to 20.
KeV, as injection amount 1 × 10 12 cm −2 to 1 × 10
13 cm - can be formed in two conditions.
【0070】なお、不純物の濃い領域125,126形
成用の不純物イオンとして上記75As+イオンや115In
+イオン以外にも、31P+イオン、122Sb+イオン、11B
+イオン、49BF2 +イオン、デカボランイオン等も使用
することができる。Incidentally, as the impurity ions for forming the heavily doped regions 125 and 126, the 75 As + ions and 115 In described above are used.
Besides + ion, 31 P + ion, 122 Sb + ion, 11 B
+ Ion, 49 BF 2 + ion, decaborane ion and the like can also be used.
【0071】次に、図5(b)に示すように、シリコン
基板の露出した活性領域にのみシリコン基板の面方位を
受け継いだ単結晶シリコン膜141を選択的にエピタキ
シャル成長させ、それ以外の領域にはポリシリコン膜1
42を成長させる。すなわち、活性領域上には単結晶シ
リコン膜141が形成され、素子分離領域131,13
2上ではポリシリコン膜142が形成される。単結晶シ
リコン膜141の厚さは、例えば8nm〜50nmとす
ることができる。上記選択エピタキシャル成長は、以下
の方法で行うことができる。HF(弗化水素酸)処理に
よりシリコン基板表面を清浄化した後、LPCVD(減
圧化学的気相成長)法により、例えば、580℃〜68
0℃、Si2H6もしくはSiH4ガスが20Pa〜1
00Paの条件でシリコン膜を堆積すれば、活性領域上
には単結晶シリコン膜を、それ以外の領域上にはポリシ
リコン膜を形成することができる。シリコン膜の形成時
には、導電型を与える不純物を含むガスを導入しないの
が最も望ましい。Next, as shown in FIG. 5B, the single crystal silicon film 141 inheriting the plane orientation of the silicon substrate is selectively epitaxially grown only in the exposed active region of the silicon substrate, and the other regions are formed. Is a polysilicon film 1
Grow 42. That is, the single crystal silicon film 141 is formed on the active region, and the element isolation regions 131 and 13 are formed.
A polysilicon film 142 is formed on the surface 2. The thickness of the single crystal silicon film 141 can be set to 8 nm to 50 nm, for example. The selective epitaxial growth can be performed by the following method. After cleaning the surface of the silicon substrate by HF (hydrofluoric acid) treatment, for example, 580 ° C. to 68 ° C. by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) method.
0 Pa, Si 2 H 6 or SiH 4 gas is 20 Pa to 1
If a silicon film is deposited under the condition of 00 Pa, a single crystal silicon film can be formed on the active region and a polysilicon film can be formed on the other regions. At the time of forming the silicon film, it is most desirable not to introduce a gas containing impurities that give the conductivity type.
【0072】次に、図5(c)に示すように、弗化水素
酸と、硝酸と、酢酸の混合液により、ポリシリコン膜1
42を選択的にエッチングする。このように、活性領域
上には単結晶シリコン膜を、それ以外の領域上にはポリ
シリコン膜を形成し、ポリシリコンのみをエッチングす
る方法では、素子分離領域上のシリコン残りを防止する
効果が大きいという利点がある。Next, as shown in FIG. 5C, the polysilicon film 1 is formed by a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid.
42 is selectively etched. As described above, the method of forming a single crystal silicon film on the active region and a polysilicon film on the other regions and etching only the polysilicon has the effect of preventing the remaining silicon on the element isolation region. It has the advantage of being large.
【0073】なお、上記活性領域上には単結晶シリコン
膜を、それ以外の領域上にはポリシリコン膜を形成する
工程と、ポリシリコン膜を選択的にエッチングする工程
とは、他の工程で置きかえることができる。すなわち、
図5(a)の状態で上記活性領域上のみに単結晶シリコ
ン膜を選択エピタキシャル成長させることによって、エ
ッチングを行うことなく直接図5(c)の状態にするこ
とができる。この方法によれば、より少ない工程で活性
領域上のみに単結晶シリコン膜を形成することができ
る。The step of forming a single crystal silicon film on the active region, the step of forming a polysilicon film on the other area, and the step of selectively etching the polysilicon film are different steps. It can be replaced. That is,
By selectively epitaxially growing the single crystal silicon film only on the active region in the state of FIG. 5A, the state of FIG. 5C can be directly obtained without etching. According to this method, the single crystal silicon film can be formed only on the active region with fewer steps.
【0074】次に、図6(d)に示すように、単結晶シ
リコン膜141上に、ゲート絶縁膜151及びゲート電
極152を形成する。この時の熱処理により、単結晶シ
リコン膜141には、不純物濃度の濃い領域125,1
26から不純物が拡散し、夫々P型の不純物濃度の薄い
領域127及びN型の不純物濃度の薄い領域128とな
る。Next, as shown in FIG. 6D, a gate insulating film 151 and a gate electrode 152 are formed on the single crystal silicon film 141. By the heat treatment at this time, the single crystal silicon film 141 has regions 125, 1 having a high impurity concentration.
Impurities diffuse from 26 to form a region 127 having a low P-type impurity concentration and a region 128 having a low N-type impurity concentration, respectively.
【0075】次に、図6(e)に示すように、ソース領
域161,163及びドレイン領域162,164を形
成する。この時、ゲート側壁絶縁膜153を利用して、
公知の方法でLDD(Lightly Doped Drain)領域を形
成してもよい。Next, as shown in FIG. 6E, source regions 161, 163 and drain regions 162, 164 are formed. At this time, by using the gate sidewall insulating film 153,
An LDD (Lightly Doped Drain) region may be formed by a known method.
【0076】なお、DTMOSを作成するために必須で
ある、ゲート電極と浅いウェル領域とを接続する方法
は、特開平10−22462号公報で開示されている。A method of connecting a gate electrode and a shallow well region, which is essential for forming a DTMOS, is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-22462.
【0077】この後、不純物の活性化アニールを行う。
活性化アニールは、不純物が十分に活性化され、かつ不
純物が過度に拡散しないような条件で行う。例えば、8
00℃〜1000℃で10〜100秒間のアニールとす
ることができる。After that, impurity activation annealing is performed.
The activation annealing is performed under the condition that the impurities are sufficiently activated and the impurities do not excessively diffuse. For example, 8
The annealing can be performed at 00 ° C. to 1000 ° C. for 10 to 100 seconds.
【0078】この後、公知の手法により、配線等を形成
することによりCMOS回路を構成して半導体装置を形
成することができる。After that, a semiconductor device can be formed by forming a wiring and the like to form a CMOS circuit by a known method.
【0079】なお、DTMOS以外にも、通常構造のM
OSFETが混在していても良い。この場合は、通常の
MOSFETとすべき素子においては、ゲート電極と浅
いウェル領域とを接続せず、浅いウェル領域の電位を固
定すればよい。In addition to the DTMOS, the M of the normal structure is used.
OSFETs may be mixed. In this case, in an element that should be a normal MOSFET, the gate electrode and the shallow well region are not connected and the potential of the shallow well region may be fixed.
【0080】上記製造方法によれば、あらかじめ浅いウ
ェル領域の最上層部に不純物濃度の濃い領域を形成して
おいて、その後に単結晶シリコン膜をエピタキシャル成
長させている。そのため、表面側から深さ方向に順に、
不純物濃度の薄い領域127,128と、不純物濃度の
濃い領域125,126とを、イオン注入では困難な急
峻なプロファイルを持つように形成することができる。
また、活性領域上に成長した膜は基板結晶の方位を受け
継いだ単結晶シリコンであるから、改めて再結晶化する
ための熱工程が不要となり、急峻なプロファイルを形成
することができる。したがって、基板バイアス効果が顕
著なDTMOSからなるCMOS回路を形成することが
できる。According to the above manufacturing method, a region having a high impurity concentration is formed in advance in the uppermost layer of the shallow well region, and then the single crystal silicon film is epitaxially grown. Therefore, from the surface side in the depth direction,
The regions 127 and 128 having a low impurity concentration and the regions 125 and 126 having a high impurity concentration can be formed so as to have a steep profile which is difficult by ion implantation.
In addition, since the film grown on the active region is single crystal silicon that inherits the orientation of the substrate crystal, a thermal process for recrystallizing is unnecessary, and a steep profile can be formed. Therefore, it is possible to form a CMOS circuit composed of DTMOS having a remarkable substrate bias effect.
【0081】本実施の半導体装置によれば、DTMOS
4,5のゲート絶縁膜151,151の直下には不純物
濃度の薄い領域127,128が形成され、さらにその
下には不純物濃度の濃い領域125,126が形成され
ている。上記不純物濃度の薄い領域127,128は、
その厚さが通常の不純物プロファイルをもつDTMOS
で形成されるゲート空乏層幅より薄いので、ゲート絶縁
膜から浅いウェル領域側に伸びる空乏層幅が抑制され
る。そのため、基板バイアス効果が増大するので、DT
MOSの閾値を高くしてオフ電流を少なくすることがで
きる。したがって、DTMOSによるCMOS回路から
なる半導体装置を、動作速度を高速に保ったまま低消費
電力化することができる。According to the semiconductor device of this embodiment, the DTMOS
Regions 127 and 128 having a low impurity concentration are formed immediately below the gate insulating films 151 and 151 of 4 and 5, and regions 125 and 126 having a high impurity concentration are further formed thereunder. The regions 127 and 128 having a low impurity concentration are
DTMOS whose thickness has a normal impurity profile
Since it is thinner than the width of the gate depletion layer formed in, the width of the depletion layer extending from the gate insulating film to the shallow well region side is suppressed. Therefore, since the substrate bias effect is increased, DT
The off-current can be reduced by increasing the threshold value of the MOS. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the CMOS circuit using the DTMOS while keeping the operating speed high.
【0082】(実施の形態3)本実施の形態3の半導体
装置は、DTMOSからなるCMOS回路において、D
TMOSの基板バイアス効果を増大することにより所望
のドレイン電流を得るための閾値を上昇させ、結果とし
てオフ電流を減少させる別の方法を示すものである。本
実施の形態3の半導体装置を、図7を用いて説明する。(Third Embodiment) A semiconductor device according to the third embodiment has a CMOS circuit including a DTMOS.
Another method of increasing the threshold value for obtaining a desired drain current by increasing the substrate bias effect of TMOS and consequently reducing the off current is shown. The semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
【0083】本実施の形態3の半導体装置が、実施の形
態2の半導体装置と異なるのは、ゲート絶縁膜直下にお
ける不純物プロファイルのみである。すなわち、本実施
の形態3では、ゲート絶縁膜の直下のチャネル領域に、
ウェル領域の導電型とは異なる導電型の不純物がドープ
された、いわゆるカウンタードープ構造を採用してい
る。The semiconductor device of the third embodiment differs from the semiconductor device of the second embodiment only in the impurity profile immediately below the gate insulating film. That is, in the third embodiment, in the channel region immediately below the gate insulating film,
A so-called counter-doped structure is adopted in which impurities of a conductivity type different from the conductivity type of the well region are doped.
【0084】Nチャネル型DTMOS6のゲート絶縁膜
151の直下には、N型の不純物濃度の薄い領域173
が形成され、さらにその下部にN型の不純物濃度の濃い
領域171が形成されている。一方、Pチャネル型DT
MOS7のゲート絶縁膜151の直下には、P型の不純
物濃度の薄い領域174が形成され、さらにその下部に
P型の不純物濃度の濃い領域172が形成されている。
不純物濃度の薄い領域173,174の厚さは、例え
ば、5nm〜10nmとし、不純物濃度を5×1016
cm−3〜2×1017cm−3とすることができる。
また、不純物濃度の濃い領域171,172の厚さは、
例えば、5nm〜15nmとし、不純物濃度を1×10
17cm−3〜2×1018cm−3とすることができ
る。Immediately below the gate insulating film 151 of the N-channel type DTMOS 6, a region 173 having a low N-type impurity concentration is formed.
And a region 171 having a high N-type impurity concentration is formed therebelow. On the other hand, P-channel type DT
A region 174 having a low P-type impurity concentration is formed immediately below the gate insulating film 151 of the MOS 7, and a region 172 having a high P-type impurity concentration is formed below the region 174.
The thickness of the regions 173 and 174 having a low impurity concentration is, for example, 5 nm to 10 nm, and the impurity concentration is 5 × 10 16.
It can be set to cm −3 to 2 × 10 17 cm −3 .
Further, the thickness of the regions 171 and 172 having a high impurity concentration is
For example, the impurity concentration is 1 × 10 5 nm to 15 nm.
It can be set to 17 cm −3 to 2 × 10 18 cm −3 .
【0085】本実施の形態の半導体装置によっても、ゲ
ート空乏層幅を抑制することができる。しかも、γは
0.8〜1.0程度にまで大きくすることができるの
で、基板バイアス効果は実施の形態2の半導体装置より
もいっそう大きくすることができる。したがって、より
低消費電力で高速動作が可能な、DTMOSによるCM
OS回路からなる半導体装置が提供される。The width of the gate depletion layer can also be suppressed by the semiconductor device of this embodiment. Moreover, since γ can be increased to about 0.8 to 1.0, the substrate bias effect can be further increased as compared with the semiconductor device of the second embodiment. Therefore, a CM based on DTMOS that can operate at high speed with lower power consumption
A semiconductor device including an OS circuit is provided.
【0086】(実施の形態4)実施の形態1の半導体装
置と、実施の形態2または3の半導体装置との長所を組
み合わせれば、更に低消費電力な、DTMOSによるC
MOS回路からなる半導体装置が提供される。(Embodiment 4) By combining the advantages of the semiconductor device of the first embodiment and the semiconductor device of the second or third embodiment, the C by DTMOS, which has lower power consumption, can be obtained.
A semiconductor device including a MOS circuit is provided.
【0087】実施の形態1の半導体装置では、スタンド
バイ時に電源電圧を低下させることにより、ゲート電流
を低減する。しかしながら、例えば図1の例では、電源
電圧が0.4V以下となる領域ではリーク電流に対する
寄与はオフ電流が支配的になる。そのため、更にリーク
電流を減少させるためには、閾値を上げれば良いが、そ
うするとドライブ電流が減少して回路の動作速度が低下
してしまう。In the semiconductor device of the first embodiment, the gate voltage is reduced by lowering the power supply voltage during standby. However, for example, in the example of FIG. 1, in the region where the power supply voltage is 0.4 V or less, the contribution to the leak current is dominated by the off current. Therefore, in order to further reduce the leak current, it is sufficient to raise the threshold value, but if this is done, the drive current will decrease and the operating speed of the circuit will decrease.
【0088】そこで、実施の形態2または3の半導体装
置を用いれば、基板バイアス効果の増大により、DTM
OSのドライブ電流を保ったまま閾値を上げることがで
きるので、オフリークを低減することができる。回路が
スタンドバイ時には、その分更に電源電圧を低下させて
ゲート電流を低減することが有効となる。したがって、
DTMOSによるCMOS回路からなる半導体装置を、
動作速度を高速に保ったまま更に低消費電力化すること
ができる。Therefore, if the semiconductor device of the second or third embodiment is used, the DTM is increased due to the increase of the substrate bias effect.
Since the threshold value can be increased while maintaining the OS drive current, off-leakage can be reduced. When the circuit is in standby, it is effective to further reduce the power supply voltage to reduce the gate current. Therefore,
A semiconductor device including a CMOS circuit using DTMOS
The power consumption can be further reduced while keeping the operating speed high.
【0089】(実施の形態5)実施の形態1〜4のいず
れかの半導体装置を、スタティック型ランダムアクセス
メモリ(SRAM)に用いることができる。SRAMは
高速動作が可能ではあるが、揮発性メモリであるため
に、スタンドバイ時のリーク電流が問題となっていた。(Embodiment 5) The semiconductor device according to any one of Embodiments 1 to 4 can be used for a static random access memory (SRAM). Although the SRAM can operate at high speed, since it is a volatile memory, the leakage current during standby has been a problem.
【0090】図8は本実施の形態5となるSRAMの回
路図である。N1,N2,ST1,ST2はNチャネル
型DTMOSであり、P1,P2はPチャネル型DTM
OSである。また、WDはワード線、BIT1は第1ビ
ット線、BIT2は第2ビット線、VDDは電源線、G
NDは接地線である。FIG. 8 is a circuit diagram of the SRAM according to the fifth embodiment. N1, N2, ST1 and ST2 are N-channel type DTMOSs, and P1 and P2 are P-channel type DTMs.
OS. WD is a word line, BIT1 is a first bit line, BIT2 is a second bit line, VDD is a power supply line, and G is a power line.
ND is a ground line.
【0091】N1とP1、N2とP2は夫々対になって
相補型のインバータ回路を構成し、2つのインバータ回
路がフリップフロップ回路を構成している。また、ST
1とST2は選択トランジスタとなっている。SRAM
をDTMOSで構成した場合、実施の形態1〜4のいず
れかの半導体装置を用いることにより、スタンドバイ時
のリーク電流を低減することができる。したがって、ス
タティック型ランダムアクセスメモリの動作速度を高速
に保ったまま低消費電力化することができる。N1 and P1, N2 and P2 are paired to form a complementary inverter circuit, and two inverter circuits form a flip-flop circuit. Also, ST
1 and ST2 are selection transistors. SRAM
In the case where DTMOS is formed by using the semiconductor device according to any one of the first to fourth embodiments, it is possible to reduce the leak current during standby. Therefore, it is possible to reduce the power consumption while keeping the operating speed of the static random access memory high.
【0092】(実施の形態6)実施の形態1〜5のいず
れかの半導体装置を、電池駆動の携帯電子機器、特に携
帯情報端末に用いることができる。携帯電子機器として
は、携帯情報端末、携帯電話、ゲーム機器などが挙げら
れる。(Embodiment 6) The semiconductor device according to any one of Embodiments 1 to 5 can be used for a battery-driven portable electronic device, particularly a portable information terminal. Examples of mobile electronic devices include personal digital assistants, mobile phones, and game devices.
【0093】図9は、携帯電話の例を示している。制御
回路211には、本発明の半導体装置が組み込まれてい
る。なお、上記制御回路211は、本発明の半導体装置
からなる論理回路と、メモリとを混載したLSI(大規
模集積回路)から成っていてもよい。212は電池、2
13はRF(無線周波数)回路部、214は表示部、2
15はアンテナ部、216は信号線、217は電源線で
ある。FIG. 9 shows an example of a mobile phone. The semiconductor device of the present invention is incorporated in the control circuit 211. The control circuit 211 may be composed of an LSI (large scale integrated circuit) in which a logic circuit including the semiconductor device of the present invention and a memory are mounted together. 212 is a battery, 2
13 is an RF (radio frequency) circuit unit, 214 is a display unit, 2
Reference numeral 15 is an antenna portion, 216 is a signal line, and 217 is a power supply line.
【0094】本発明の半導体装置を携帯電子機器に用い
ることにより、携帯電子機器の機能と動作速度を保った
ままLSI部の消費電力を大幅に下げることが可能にな
る。これにより、電池寿命を大幅にのばすことが可能に
なる。By using the semiconductor device of the present invention in a mobile electronic device, it is possible to significantly reduce the power consumption of the LSI part while maintaining the function and operating speed of the mobile electronic device. This makes it possible to significantly extend the battery life.
【0095】[0095]
【発明の効果】以上より明らかなように、第1の発明の
半導体装置によれば、上記動的閾値トランジスタからな
る相補型回路は、アクティブモードとスタンドバイモー
ドの少なくとも2つの動作モードを有する。そして、ア
クティブモードでは、十分に高い電源電圧が供給される
ので、回路を高速に動作させることができる。一方、回
路が休止状態にあるとき、あるいは低速で動作させると
きにはスタンドバイモードとして、低い電源電圧を与え
てリーク電流の主因となるゲート電流を著しく抑制する
ことができる。したがって、動的閾値トランジスタによ
る相補型回路からなる半導体装置を、動作速度を高速に
保ったまま低消費電力化することができる。As is apparent from the above, according to the semiconductor device of the first invention, the complementary circuit including the dynamic threshold transistor has at least two operation modes of the active mode and the standby mode. In the active mode, a sufficiently high power supply voltage is supplied, so that the circuit can operate at high speed. On the other hand, when the circuit is in a dormant state or is operated at a low speed, a standby power supply mode is applied and a low power supply voltage can be applied to remarkably suppress the gate current which is the main cause of the leakage current. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0096】一実施形態の半導体装置によれば、上記相
補型の回路のリーク電流を、上記動的閾値トランジスタ
のオフ電流が規定する大きさまで十分に小さくすること
ができる。すなわち、上記第1の発明の半導体装置の効
果を最大限引き出すことができる。According to the semiconductor device of one embodiment, the leak current of the complementary circuit can be sufficiently reduced to the magnitude defined by the off current of the dynamic threshold transistor. That is, the effect of the semiconductor device of the first invention can be maximized.
【0097】一実施形態の半導体装置によれば、上記動
的閾値トランジスタからなる上記相補型の回路を複数の
基本回路ブロックに分割し、夫々を独立にアクティブモ
ードまたはスタンドバイモードにすることができる。し
たがって、高速動作させる必要がある基本回路ブロック
のみアクティブモードとし、その他の基本回路ブロック
をスタンドバイモードとしてリーク電流を低減すること
ができる。したがって、回路の動作速度を高速に保った
ままさらに低消費電力化することができる。According to the semiconductor device of one embodiment, the complementary circuit composed of the dynamic threshold transistor can be divided into a plurality of basic circuit blocks, and each of them can be independently set to the active mode or the standby mode. . Therefore, it is possible to reduce the leak current by setting only the basic circuit blocks that need to operate at high speed to the active mode and setting the other basic circuit blocks to the standby mode. Therefore, the power consumption can be further reduced while keeping the operating speed of the circuit high.
【0098】また、第2の発明の半導体装置によれば、
上記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジス
タとで相補型の回路が構成されている。そして、上記第
1導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタの上記
第2導電型(第1導電型)の浅いウェル領域内には、ゲ
ート絶縁膜との界面側から深さ方向に順に、第2導電型
(第1導電型)の不純物濃度の薄い層と、第2導電型
(第1導電型)の不純物濃度の濃い層とが形成され、上
記第2導電型(第1導電型)の不純物濃度の薄い層の厚
さは40nm以下である。そのため、上記不純物濃度の
濃い層によって、ゲート絶縁膜から浅いウェル領域側に
形成される空乏層の伸びが抑制される。その結果、基板
バイアス効果が増大するので、動的閾値トランジスタの
閾値を高くしてオフ電流を少なくすることができる。し
たがって、動的閾値トランジスタによる相補型回路から
なる半導体装置を、動作速度を高速に保ったまま低消費
電力化することができる。According to the semiconductor device of the second invention,
A complementary circuit is formed by the first conductivity type and the second conductivity type dynamic threshold transistors. Then, in the shallow well region of the second conductivity type (first conductivity type) of the dynamic threshold transistor of the first conductivity type (second conductivity type), in the depth direction from the interface side with the gate insulating film. A second conductive type (first conductive type) layer having a low impurity concentration and a second conductive type (first conductive type) layer having a high impurity concentration are sequentially formed, and the second conductive type (first conductive type) layer is formed. The thickness of the layer having a low impurity concentration of (type) is 40 nm or less. Therefore, the layer having a high impurity concentration suppresses the extension of the depletion layer formed on the shallow well region side from the gate insulating film. As a result, the substrate bias effect is increased, so that the threshold value of the dynamic threshold transistor can be increased to reduce the off current. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0099】また、第3の発明の半導体装置の製造方法
によれば、あらかじめ上記活性領域の最上層部に不純物
濃度の濃い領域を形成しておいて、その後に単結晶半導
体膜をエピタキシャル成長させている。そのため、上記
第1導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタのた
めに、表面側から深さ方向に順に、第2導電型(第1導
電型)の不純物濃度の薄い層と、第2導電型(第1導電
型)の不純物濃度の濃い層とを、イオン注入では困難な
急峻なプロファイルを持つように形成することができ
る。また、上記活性領域上に成長した膜は基板結晶の方
位を受け継いだ単結晶半導体膜であるから、改めて再結
晶化するための熱工程が不要となり、急峻なプロファイ
ルを維持することができる。According to the method for manufacturing a semiconductor device of the third invention, a region having a high impurity concentration is formed in advance in the uppermost layer of the active region, and then a single crystal semiconductor film is epitaxially grown. There is. Therefore, for the first-conductivity-type (second-conductivity-type) dynamic threshold transistor, the second-conductivity-type (first-conductivity-type) layer having a low impurity concentration and the It is possible to form a two-conductivity type (first conductivity type) layer having a high impurity concentration so as to have a steep profile that is difficult to achieve by ion implantation. In addition, since the film grown on the active region is a single crystal semiconductor film that inherits the orientation of the substrate crystal, a thermal process for recrystallizing is unnecessary, and a steep profile can be maintained.
【0100】また、上記活性領域以外の領域上、例えば
上記素子分離領域上には、単結晶半導体膜に対して選択
エッチング可能な多結晶半導体膜が形成される。そのた
め、素子間およびソース・ドレイン領域間を分離するた
めには、等方性エッチングにより上記多結晶半導体膜を
除去するだけでよい。Further, a polycrystalline semiconductor film which can be selectively etched with respect to the single crystal semiconductor film is formed on a region other than the active region, for example, on the element isolation region. Therefore, in order to separate the elements and the source / drain regions from each other, it is only necessary to remove the polycrystalline semiconductor film by isotropic etching.
【0101】したがって、比較的簡単な工程で高性能な
上記第2の発明の半導体装置を製造することができる。Therefore, the high performance semiconductor device of the second invention can be manufactured by a relatively simple process.
【0102】また、第4の発明の半導体装置の製造方法
によれば、あらかじめ上記活性領域の最上層部に不純物
濃度の濃い領域を形成しておいて、その後に単結晶半導
体膜をエピタキシャル成長させている。そのため、上記
第1導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタのた
めに、表面側から深さ方向に順に、第2導電型(第1導
電型)の不純物濃度の薄い層と、第2導電型(第1導電
型)の不純物濃度の濃い層とを、イオン注入では困難な
急峻なプロファイルを持つように形成することができ
る。また、上記活性領域上に成長した膜は基板結晶の方
位を受け継いだ単結晶半導体膜であるから、改めて再結
晶化するための熱工程が不要となり、急峻なプロファイ
ルを維持することができる。According to the method of manufacturing a semiconductor device of the fourth invention, a region having a high impurity concentration is formed in advance in the uppermost layer of the active region, and then a single crystal semiconductor film is epitaxially grown. There is. Therefore, for the first-conductivity-type (second-conductivity-type) dynamic threshold transistor, the second-conductivity-type (first-conductivity-type) layer having a low impurity concentration and the It is possible to form a two-conductivity type (first conductivity type) layer having a high impurity concentration so as to have a steep profile that is difficult to achieve by ion implantation. In addition, since the film grown on the active region is a single crystal semiconductor film that inherits the orientation of the substrate crystal, a thermal process for recrystallizing is unnecessary, and a steep profile can be maintained.
【0103】また、上記活性領域のみに、単結晶半導体
膜が選択エピタキシャル成長する。そのため、上記活性
領域以外の領域上、例えば素子間およびソース・ドレイ
ン領域間を分離するための等方性エッチングなどが必要
ない。Further, the single crystal semiconductor film is selectively epitaxially grown only on the active region. Therefore, isotropic etching or the like for isolating elements and source / drain regions on regions other than the active region is not necessary.
【0104】したがって、更に簡単な工程により、上記
第2の発明の半導体装置を製造することができる。Therefore, the semiconductor device of the second invention can be manufactured by further simple steps.
【0105】また、第5の発明の半導体装置によれば、
上記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジス
タとで相補型の回路が構成されている。そして、上記第
1導電型(第2導電型)の動的閾値トランジスタの上記
第2導電型(第1導電型)の浅いウェル領域上には、ゲ
ート絶縁膜との界面側から深さ方向に順に、第1導電型
(第2導電型)の不純物濃度の薄い層と、第1導電型
(第2導電型)の不純物濃度の濃い層とが形成されてい
る。このような、いわゆるカウンタードープ構造によっ
てもまた、上記第2の発明の半導体装置と同様に空乏層
の伸びを抑制することができる。しかも、その抑制の度
合いは上記第2の発明の半導体装置よりも大きい。その
結果、基板バイアス効果はさらに増大するので、動的閾
値トランジスタの閾値をさらに高くしてオフ電流を少な
くすることができる。したがって、動的閾値トランジス
タによる相補型回路からなる半導体装置を、動作速度を
高速に保ったままさらに低消費電力化することができ
る。According to the semiconductor device of the fifth invention,
A complementary circuit is formed by the first conductivity type and the second conductivity type dynamic threshold transistors. Then, on the shallow well region of the second conductivity type (first conductivity type) of the dynamic threshold transistor of the first conductivity type (second conductivity type), in the depth direction from the interface side with the gate insulating film. In this order, a layer having a low impurity concentration of the first conductivity type (second conductivity type) and a layer having a high impurity concentration of the first conductivity type (second conductivity type) are formed. Also with such a so-called counter-doped structure, the extension of the depletion layer can be suppressed similarly to the semiconductor device of the second invention. Moreover, the degree of the suppression is larger than that of the semiconductor device of the second invention. As a result, the substrate bias effect is further increased, and the threshold value of the dynamic threshold transistor can be further increased to reduce the off current. Therefore, it is possible to further reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0106】また、第6の発明の半導体装置は、相補型
の回路を構成する上記の動的閾値トランジスタの基板バ
イアス効果因子γが0.3以上であるから、従来技術に
よる動的閾値トランジスタに比べて十分大きな基板バイ
アス効果を得ることができる。したがって、動的閾値ト
ランジスタによる相補型回路からなる半導体装置を、動
作速度を高速に保ったまま低消費電力化することができ
る。Further, in the semiconductor device of the sixth invention, since the substrate bias effect factor γ of the above-mentioned dynamic threshold transistor forming a complementary circuit is 0.3 or more, it is In comparison, a sufficiently large substrate bias effect can be obtained. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the semiconductor device including the complementary circuit including the dynamic threshold transistor while keeping the operating speed high.
【0107】また、第7の発明の半導体装置によれば、
基板バイアス効果の大きな動的閾値を用いて相補型回路
を組むことによりオフリークを非常に小さくすることが
でき、かつ回路がスタンドバイ状態にあるときにはゲー
ト電流を非常に小さくすることができる。したがって、
動的閾値トランジスタによる相補型回路からなる半導体
装置を、動作速度を高速に保ったまま著しく低消費電力
化することができる。According to the semiconductor device of the seventh invention,
Off-leakage can be made very small by assembling a complementary circuit using a dynamic threshold having a large substrate bias effect, and the gate current can be made very small when the circuit is in a standby state. Therefore,
A semiconductor device including a complementary circuit including a dynamic threshold transistor can be remarkably reduced in power consumption while maintaining a high operation speed.
【0108】また、第8の発明のスタティック型ランダ
ムアクセスメモリ装置は、上記第1,第2,第5,第6
のいずれかの発明の半導体装置を具備しているので、ス
タンドバイ時のリーク電流を低減することができる。し
たがって、スタティック型ランダムアクセスメモリの動
作速度を高速に保ったまま低消費電力化することができ
る。The static random access memory device of the eighth invention is the first, second, fifth and sixth inventions.
Since the semiconductor device according to any one of the present inventions is provided, the leak current during standby can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the power consumption while keeping the operating speed of the static random access memory high.
【0109】また、第9の発明の携帯電子機器は、上記
発明の半導体装置を具備するから、LSI(大規模集積
回路)部等の消費電力が大幅に減少して、電池寿命を大
幅にのばすことができる。Since the portable electronic equipment of the ninth invention comprises the semiconductor device of the invention described above, the power consumption of the LSI (Large Scale Integrated Circuit) etc. is greatly reduced and the battery life is greatly extended. be able to.
【図1】 本発明の実施の形態1の半導体装置を構成す
る、Nチャネル型DTMOSのドレイン電流およびゲー
ト電流のゲート電圧依存性を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing a gate voltage dependency of a drain current and a gate current of an N-channel type DTMOS included in a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】 本発明の実施の形態1の半導体装置を構成す
る、Pチャネル型DTMOSのドレイン電流およびゲー
ト電流のゲート電圧依存性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the gate voltage dependence of the drain current and the gate current of the P-channel type DTMOS which constitutes the semiconductor device of the first embodiment of the present invention.
【図3】 本発明の実施の形態1の半導体装置の構成を
示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の実施の形態2の半導体装置の断面図
である。FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図5】 本発明の実施の形態2の半導体装置を作成す
る手順を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図6】 本発明の実施の形態2の半導体装置を作成す
る手順を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【図7】 本発明の実施の形態3の半導体装置の断面図
である。FIG. 7 is a sectional view of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
【図8】 本発明の実施の形態5のスタティック型ラン
ダムアクセスメモリ装置の回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of a static random access memory device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図9】 本発明の実施の形態6の携帯電子機器の構成
を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a mobile electronic device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図10】 Nチャネル型DTMOSのドレイン電流お
よびゲート電流のゲート電圧依存性を示すグラフであ
り、従来技術の問題点を説明する図である。FIG. 10 is a graph showing the gate voltage dependence of the drain current and the gate current of the N-channel type DTMOS, and is a diagram for explaining the problems of the conventional technique.
【図11】 DTMOSを用いて構成したインバータ回
路の回路図であり、従来技術の問題点を説明する図であ
る。FIG. 11 is a circuit diagram of an inverter circuit configured by using DTMOS, and is a diagram for explaining the problems of the conventional technology.
4,6 Nチャネル型DTMOS 5,7 Pチャネル型DTMOS 121 N型の深いウェル領域 122 P型の深いウェル領域 123 P型の浅いウェル領域 124 N型の浅いウェル領域 125,172 P型の不純物濃度の濃い領域 126,171 N型の不純物濃度の濃い領域 127,174 P型の不純物濃度の薄い領域 128,173 N型の不純物濃度の薄い領域 151 ゲート絶縁膜 152 ゲート電極 161 N型のソース領域 162 N型のドレイン領域 163 P型のソース領域 164 P型のドレイン領域 4,6 N-channel DTMOS 5,7 P-channel DTMOS 121 N-type deep well region 122 P-type deep well region 123 P-type shallow well region 124 N-type shallow well region 125,172 P-type high impurity concentration region 126,171 N-type high impurity concentration region 127,174 P-type low impurity concentration region 128,173 N-type low impurity concentration region 151 gate insulating film 152 gate electrode 161 N type source region 162 N-type drain region 163 P type source region 164 P-type drain region
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柿本 誠三 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Fターム(参考) 5F048 AA07 AB01 AC03 BA02 BB05 BB14 BC06 BD04 BD09 BE01 BE02 BE03 BE07 BG14 5F083 BS02 BS14 BS26 GA06 NA01 PR25 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Seizo Kakimoto 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside the company F-term (reference) 5F048 AA07 AB01 AC03 BA02 BB05 BB14 BC06 BD04 BD09 BE01 BE02 BE03 BE07 BG14 5F083 BS02 BS14 BS26 GA06 NA01 PR25
Claims (11)
ウェル領域とゲート電極とが電気的に接続されたことを
特徴とする複数の動的閾値トランジスタからなる相補型
の回路を有し、 上記相補型の回路は、 上記相補型の回路を高速で動作させるアクティブモード
と、 上記相補型の回路を低速で動作させ、もしくは動作を停
止させるスタンドバイモードとの少なくとも2つのモー
ドを有し、 上記相補型の回路がスタンドバイモードにあるときに
は、上記相補型の回路がアクティブモードにあるときよ
りも低い電源電圧が上記相補型の回路に供給されるよう
になっていることを特徴とする半導体装置。1. A complementary circuit comprising a plurality of dynamic threshold transistors, characterized in that a well region divided for each element by an element isolation region and a gate electrode are electrically connected. The complementary circuit has at least two modes, an active mode for operating the complementary circuit at high speed and a standby mode for operating the complementary circuit at low speed or stopping the operation, When the complementary circuit is in the standby mode, a power supply voltage lower than that when the complementary circuit is in the active mode is supplied to the complementary circuit. .
には、 上記相補型の回路を構成する上記動的閾値トランジスタ
のゲート電流値は、上記動的閾値トランジスタのオフ電
流値以下であることを特徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein when the complementary circuit is in the standby mode, the gate current value of the dynamic threshold transistor forming the complementary circuit is the dynamic A semiconductor device having an off-state current value of the threshold transistor or less.
れ、 上記各基本回路ブロックは夫々独立にアクティブモード
またはスタンドバイモードとすることができることを特
徴とする半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the complementary circuit is divided into a plurality of basic circuit blocks, and each of the basic circuit blocks is independently set to an active mode or a standby mode. A semiconductor device characterized in that it can.
電型の深いウェル領域と、 上記第1導電型のおよび第2導電型の深いウェル領域内
に夫々形成された第2導電型および第1導電型の浅いウ
ェル領域と、 上記第2導電型および第1導電型の浅いウェル領域上
に、ゲート絶縁膜を介して形成された複数のゲート電極
とを有し、 上記複数のゲート電極は、夫々上記第2導電型もしくは
第1導電型の浅いウェル領域と夫々電気的に接続され
て、夫々第1導電型および第2導電型の動的閾値トラン
ジスタを構成し、 上記第2導電型および第1導電型の浅いウェル領域は、
上記動的閾値トランジスタ毎に素子分離領域により電気
的に分離され、 上記第2導電型の浅いウェル領域内には、上記ゲート絶
縁膜との界面側から深さ方向に順に、第2導電型の不純
物濃度の薄い層と、第2導電型の不純物濃度の濃い層と
が形成され、 上記第1導電型の浅いウェル領域内には、上記ゲート絶
縁膜との界面側から深さ方向に順に、第1導電型の不純
物濃度の薄い層と、第1導電型の不純物濃度の濃い層と
が形成され、 上記第2導電型および第1導電型の不純物濃度の薄い層
の厚さは40nm以下であり、 上記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジス
タにより相補型の回路が構成されていることを特徴とす
る半導体装置。4. A semiconductor substrate, an element isolation region, a first-conductivity-type and second-conductivity-type deep well region formed in the semiconductor substrate, and a first-conductivity-type and second-conductivity-type deep well region. Second conductivity type and first conductivity type shallow well regions respectively formed in the well region, and a plurality of plural wells formed on the second conductivity type and first conductivity type shallow well regions through a gate insulating film. A plurality of gate electrodes, the plurality of gate electrodes being electrically connected to the second conductive type shallow well regions or the first conductive type shallow well regions, respectively, and having a first conductive type and a second conductive type, respectively. A dynamic threshold transistor, wherein the second conductivity type and first conductivity type shallow well regions are
Each of the dynamic threshold transistors is electrically isolated by an element isolation region, and in the shallow well region of the second conductivity type, a second conductivity type transistor is sequentially formed in the depth direction from an interface side with the gate insulating film. A layer having a low impurity concentration and a layer having a high impurity concentration of the second conductivity type are formed, and in the shallow well region of the first conductivity type, in order from the interface side with the gate insulating film in the depth direction, A layer having a low impurity concentration of the first conductivity type and a layer having a high impurity concentration of the first conductivity type are formed, and the thickness of the layer having a low impurity concentration of the second conductivity type and the first conductivity type is 40 nm or less. A semiconductor device, wherein a complementary circuit is configured by the first-conductivity-type and second-conductivity-type dynamic threshold transistors.
方法であって、 少なくとも上記素子分離領域を形成する工程の後に、 上記半導体基板上で上記素子分離領域が存在しない領域
として規定される活性領域の最上層部に第2導電型およ
び第1導電型の不純物濃度の濃い領域を形成する工程
と、 半導体膜を全面に堆積する工程を、上記活性領域上では
選択的に単結晶半導体膜がエピタキシャル成長し、上記
活性領域以外の領域上では多結晶半導体膜が成長する条
件下で行なう工程と、 上記多結晶半導体を、単結晶半導体膜に対して選択的に
除去する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製
造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the element isolation region is defined as a region not present on the semiconductor substrate after at least the step of forming the element isolation region. The step of forming a region of high impurity concentration of the second conductivity type and the first conductivity type in the uppermost layer of the active region and the process of depositing a semiconductor film on the entire surface are selectively performed on the active region. Is epitaxially grown, and the polycrystalline semiconductor film is grown on a region other than the active region, and a step of selectively removing the polycrystalline semiconductor with respect to the single crystal semiconductor film is included. A method for manufacturing a characteristic semiconductor device.
方法であって、 少なくとも上記素子分離領域を形成する工程の後に、 上記半導体基板上で上記素子分離領域が存在しない領域
として規定される活性領域の最上層部に第2導電型およ
び第1導電型の不純物濃度の濃い領域を形成する工程
と、 単結晶半導体膜を上記活性領域のみに選択的にエピタキ
シャル成長させる工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the element isolation region is defined as a region where the element isolation region does not exist on the semiconductor substrate after at least the step of forming the element isolation region. A step of forming a region of high impurity concentration of the second conductivity type and the first conductivity type in the uppermost layer portion of the active region; and a step of selectively epitaxially growing the single crystal semiconductor film only in the active region. A method for manufacturing a characteristic semiconductor device.
型の深いウェル領域と、 上記第1導電型および第2導電型の深いウェル領域内に
夫々形成された第2導電型および第1導電型の浅いウェ
ル領域と、 上記第2導電型および第1導電型の浅いウェル領域上
に、ゲート絶縁膜を介して形成された複数のゲート電極
とを有し、 上記複数のゲート電極は、夫々上記第2導電型もしくは
第1導電型の浅いウェル領域と夫々電気的に接続され
て、夫々第1導電型および第2導電型の動的閾値トラン
ジスタを構成し、 上記第2導電型および第1導電型の浅いウェル領域は、
上記動的閾値トランジスタ毎に素子分離領域により電気
的に分離され、 上記第2導電型の浅いウェル領域上には、上記ゲート絶
縁膜との界面側から深さ方向に順に、第1導電型の不純
物濃度の薄い層と、第1導電型の不純物濃度の濃い層と
が形成され、 上記第1導電型の浅いウェル領域上には、上記ゲート絶
縁膜との界面側から深さ方向に順に、第2導電型の不純
物濃度の薄い層と、第2導電型の不純物濃度の濃い層と
が形成され、 上記第1導電型および第2導電型の動的閾値トランジス
タにより相補型の回路が構成されていることを特徴とす
る半導体装置。7. A semiconductor substrate, an element isolation region, a first-conductivity-type and second-conductivity-type deep well region formed in the semiconductor substrate, and a first-conductivity-type and second-conductivity-type deep well region. Second conductive type and first conductive type shallow well regions formed therein, and a plurality of gates formed on the second conductive type and first conductive type shallow well regions with a gate insulating film interposed therebetween. An electrode, and the plurality of gate electrodes are electrically connected to the second conductivity type or first conductivity type shallow well regions, respectively, and are respectively of a first conductivity type and a second conductivity type. A threshold transistor is formed, and the shallow well regions of the second conductivity type and the first conductivity type are
Each of the dynamic threshold transistors is electrically isolated by an element isolation region, and is formed on the shallow well region of the second conductivity type in the depth direction from the interface side with the gate insulating film in order. A layer having a low impurity concentration and a layer having a high impurity concentration of the first conductivity type are formed, and on the shallow well region of the first conductivity type, in order from the interface side with the gate insulating film in the depth direction, A layer of the second conductivity type having a low impurity concentration and a layer of the second conductivity type having a high impurity concentration are formed, and a complementary circuit is constituted by the first conductivity type and the second conductivity type dynamic threshold transistors. A semiconductor device characterized in that.
ウェル領域とゲート電極とが電気的に接続されたことを
特徴とする複数の動的閾値トランジスタからなる相補型
の回路を有し、 上記複数の動的閾値トランジスタの基板バイアス効果因
子γが0.3以上であることを特徴とする半導体装置。8. A complementary circuit comprising a plurality of dynamic threshold transistors, characterized in that a well region divided for each element by an element isolation region and a gate electrode are electrically connected. A semiconductor device, wherein the substrate bias effect factor γ of the plurality of dynamic threshold transistors is 0.3 or more.
導体装置であって、かつ請求項1に記載の半導体装置で
あることを特徴とする半導体装置。9. A semiconductor device according to claim 4, which is the semiconductor device according to claim 1. Description:
かに記載の半導体装置を具備したことを特徴とするスタ
ティック型ランダムアクセスメモリ装置。10. A static random access memory device comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, 7, 8, and 9.
かに記載の半導体装置もしくは請求項10に記載のスタ
ティック型ランダムアクセスメモリ装置を具備したこと
を特徴とする携帯電子機器。11. A portable electronic device comprising the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, 7, 8 and 9 or the static random access memory device according to claim 10.
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