JP2004235334A - Semiconductor device - Google Patents

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裕 有馬
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device which is reduced in device size and can modulate a gain factor and can ensure the modulation degree of the gain factor regardless of conductance in a gate region. <P>SOLUTION: On both end sides of gate in the lengthwise direction of a gate region 1 of a MOS (metal oxide semiconductor) transistor, i.e., on a source region 2 side and a drain region 3 side, a control gate 5 is installed which forms a control gate channel region 6 along with gate width direction and over full width. A threshold value in the control gate channel region 6 has heterogeneity which changes continuously or stepwise with one direction change property from one end toward the other end in the gate width direction. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電界効果型トランジスタの利得係数を変調できるようにした半導体素子に係り、特に将来の大規模・高集積の半導体集積回路(LSI)デバイスにおいて、LSI製造後にチップ個々の最適化によってLSIの高性能化を実現する自己最適化型LSIや自己適応型LSIなどの新しいタイプのLSIデバイスを実現するための基本素子となる半導体素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近のLSIデバイスは、素子微細化の進展に伴い益々大規模高集積化が進み、システムオンチップ化が現実のものとなり、チップ内部に多種多様な機能回路を多数集積することが不可欠となってきた。そのような大規模LSIデバイスの設計では、集積された多数の機能回路をそれぞれ正しく動作させるために、機能回路間の動作タイミングなどを最適化調整することが特に重要である。
【0003】
一方、LSIデバイスは、発明以来約30年以上に渡り、主に素子の微細化によって性能を高めてきたが、素子微細化において様々な物理的限界が顕在化してきた昨今では、集積回路素子を安定・均質に製造することが極めて困難になりつつある。
【0004】
その結果、LSIデバイスの設計では、LSIの製造過程で避けることのできないプロセス変動をカバーするために動作マージンを確保する措置が必要である。そして、この動作マージンを確保する措置が、LSIデバイスに集積する機能の多様化・大規模化に伴って、大規模LSIデバイスの更なる高性能化を阻むようになってきた。
【0005】
このように、将来のLSIデバイスでは、チップ内素子特性のバラツキ(分布)やプロセス変動による素子特性の中央値変動(シフト)のような、LSIチップ毎に個性をもった素子特性の不均一性と、それに伴うLSI物理設計(性能最適化設計)の困難性とが顕在化してきているので、素子の微細化だけに頼ったLSIデバイスの高性能化手法は、限界に近づきつつある。
【0006】
したがって、今後、LSIデバイスの高性能化を推進するためには、ある程度大きな素子特性バラツキを前提とした新たなLSI設計・製造手法の確立が不可欠となる。ある程度大きな素子特性バラツキを前提としたLSI設計・製造に関する一つのアプローチとして、LSIチップ自身に自己調整機能を内蔵する方法が考えられる。
【0007】
具体的には、従来のLSI設計最終段階(物理設計)で行っていた個々のトランジスタのサイズ(ゲート長とゲート幅)設定に基づく電気特性調整を、LSI製造後にチップ毎にチップ自身が自動的に実施できるようにすることにより、LSIチップ内の個々のトランジスタの電気特性を最適化しチップ性能を高める手法である。
【0008】
LSIチップ自身が自己調整機能を実現するためには、プログラムや電気的ダイナミックスによって自動的に電気特性が調整できる仕組みをLSIチップに内蔵する必要がある。したがって、当該手法実現のためには、少なくとも、電気特性を電気的に変調する何らかの手段が必要不可欠であり、その技術開発が自己調整機能実現の鍵となる。
【0009】
以下、従来技術を用いて実現できる電気特性の電気的変調方法について説明する。従来技術では、電気特性を電気的に変調する場合、主に、回路構成による方法と、素子自体の特性を変調する方法とが採用できる。
【0010】
(I)回路構成による方法としては、例えば、(Ia)〜(Id)に示すように複数の電界効果型トランジスタ(以下「MOSトランジスタ」という)を使い、その並列接続数等を電気的スイッチで切り替える回路構成とする方法が考えられる。これによれば、回路全体を一つのトランジスタとみなした場合の実効的電気特性(利得係数)を変調することができる。しかし、この回路的に実現する方法では、以下に説明するように、調整精度と回路規模の点から極めて非効率である。
【0011】
(Ia)2つのMOSトランジスタを並列に接続し、一方のMOSトランジスタのゲート電極には、通常の信号電圧を与え、他方のMOSトランジスタのゲート電極には、スイッチによって信号電圧とOFF動作させるOFF電圧とを切り替えて与える構成を考える。
【0012】
この構成によれば、スイッチが他方のMOSトランジスタのゲート電極に信号電圧を接続した状態では、この回路は、並列に接続された2つのMOSトランジスタが1つのMOSトランジスタとして働く。また、スイッチが他方のMOSトランジスタのゲート電極にOFF電圧を接続した状態では、この回路は、一方のMOSトランジスタのみが働く。これによって、MOSトランジスタの実質的な利得係数を変調することができる。
【0013】
(Ib)5つのMOSトランジスタを並列に接続し、1つのMOSトランジスタのゲート電極には、通常の信号電圧を与え、残り4個のMOSトランジスタのゲート電極には、それぞれ、スイッチによって信号電圧とOFF電圧とを切り替えて与える構成を考える。
【0014】
この構成によれば、4つのスイッチの状態によって、16通りのバリエーションを実現することができる。すなわち、4つのMOSトランジスタの利得係数を各々2のベキ乗倍に設定することによって、16段階の係数値を等間隔にすることができる。
【0015】
(Ic)2つのMOSトランジスタを直列に接続し、一方のMOSトランジスタのゲート電極には、通常の信号電圧を与え、他方のMOSトランジスタのゲート電極には、スイッチによって信号電圧とON動作させるON電圧とを切り替えて与える構成を考える。
【0016】
この構成によれば、スイッチが他方のMOSトランジスタのゲート電極に信号電圧を接続した状態では、この回路は、2つのMOSトランジスタが直列に接続され、同一の動作を行うので、通常の1個のMOSトランジスタとして働く。また、スイッチが他方のMOSトランジスタのゲート電極にON電圧を接続した状態では、この回路は、一方のMOSトランジスタに他方のMOSトランジスタのON抵抗が直列に接続された回路として働く。
【0017】
(Id)2つのMOSトランジスタを直列に接続し、一方のMOSトランジスタのゲート電極には、通常の信号電圧を与え、他方のMOSトランジスタのゲート電極には、そのON抵抗値を可変する制御電圧を与える構成を考える。この回路は、一方のMOSトランジスタに直列接続された抵抗値を調整する回路として働く。
【0018】
ここで、スイッチは、通常、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとを並列接続したCMOSスイッチと、そのゲート信号を作るインバータと、スイッチの状態を保持するためのラッチ回路とで構成され、合計24個程度のMOSトランジスタが必要である。
【0019】
したがって、(Ia)(Ib)で示した並列接続による回路構成例では、特性調整の精度と回路規模がトレードオフの関係となるので、調整精度を高めるためには回路規模が大きくなるという問題がある。
【0020】
また、(Ic)(Id)で示した直列接続による回路構成例では、回路規模が大きくなる問題に加え、入力信号に対して非線形な特性を示す抵抗成分が直列に介在しているので、実効的な特性調整範囲が制限されるという問題がある。
【0021】
このように、回路構成によるトランジスタの電気的特性変調方式には、調整すべき素子数の数倍から数十倍もの素子数を費やす必要があるという本質的な制約があり、高集積化を推進しLSIデバイスの高性能化を目的とする自己調整機能実装には馴染み難い。
【0022】
(II)従来のMOSトランジスタでは、電気特性をLSI製造後に変更することは容易でないが、バックゲート電圧を操作することによって素子自体の電気特性を変調することができる。まず、MOSトランジスタの電気特性について概説する。
【0023】
MOSトランジスタの電気特性は、ソース・ドレイン電流Ids、ソース・ドレイン電圧Vds、ゲート電圧Vgs、閾値電圧Vt、利得係数βを用いて、
Vds>Vgs−Vt;Ids≒β(Vgs−Vt)/2 …(1)
Vds≦Vgs−Vt;Ids≒β((Vgs−Vt)Vds−Vds/2) …(2)
と表すことができる。なお、式(1)(2)では、簡単のために短チャネル効果等がない場合を示している。
【0024】
また、利得係数βは、ゲート幅W、ゲート長L、ゲート絶縁膜厚Tox、キャリア移動度μ、ゲート絶縁膜の誘電率εを用いて、
β≒μεW/(L・Tox) …(3)
と表すことができる。
【0025】
式(1)(2)から理解できるように、MOSトランジスタの電気特性は、閾値電圧Vtに依存している。LSI製造後においては、この閾値電圧Vtは、バックゲート電圧を操作することで変えることができる。そこで、従来技術によって、LSI製造後にMOSトランジスタの電気特性を変更する方法として、バックゲート電圧を変えて閾値電圧Vtを変調することが考えられる。
【0026】
しかし、バックゲート電圧は、ソース・ドレイン電圧との逆バイアス関係を維持する必要があることに加え、変調する素子毎にバックゲート電圧を電気的に分離する必要があるので、高集積化には不向きである。
【0027】
しかも、閾値電圧Vtの変化は、ゲート電圧Vgsとの差でしかソース・ドレイン電流Idsに影響を与えることができないので、閾値電圧Vtを変えるだけでは、MOSトランジスタの電気特性をダイナミックに変調することは困難である。
【0028】
つまり、従来技術を用いた閾値電圧Vtの変更によるトランジスタ電気特性変調方式は、バックゲート分離に伴う集積度の阻害と変調度合いの脆弱さとによって、高集積化を推進しLSIデバイスの高性能化を目的とする自己調整機能実装には馴染み難いものである。
【0029】
以上のように、従来の技術では、自己調整機能を高集積に内蔵することや、電気特性をLSI製造後に変更することは容易でない。そこで、高集積化を阻害せず、かつダイナミックな電気的特性変調を可能にする新しい素子の開発が望まれている。
【0030】
ここで、式(3)において、一般に、キャリア移動度μ、誘電率εおよびゲート絶縁膜厚Toxは一定であるので、利得係数βは、ゲート幅Wとゲート長Lの比で設定することができる。したがって、LSIデバイスの物理設計において設定可能なMOSトランジスタの電気特性は、利得係数βである。
【0031】
この利得係数βを変調することができれば、上記の各式から理解できるように、ゲート電圧Vgsとの積に比例してソース・ドレイン電流Idsに強い影響を与えることができるので、MOSトランジスタの電気特性をダイナミックに変調することができる。つまり、利得係数βを数倍から数十倍程度、電気的に変調できれば、それに匹敵する素子特性バラツキの補正や負荷変動に対する自動補償等をLSIデバイスの製造後に実施できることになる。
【0032】
このとき、能動型LSI用の基本素子としては、消費電力の増大を招かずに、高集積化を阻害しないコンパクトな素子サイズでもって利得係数βのアナログ的な変調が行えることが重要である。
【0033】
本発明者は、このような観点から、電界効果型トランジスタの利得係数を電圧変調できるようにした半導体素子を開発し、先に出願した(特許文献1)。ここでは、利得係数可変MOSトランジスタと称することとし、その概要を説明する。
【0034】
この利得係数可変MOSトランジスタの構造上の特徴は、従来のMOSトランジスタにおいて、そのゲート領域(メインゲートと称している)に対して制御ゲートを斜めに追加設置していることである。つまり、この利得係数可変MOSトランジスタは、制御ゲート下のチャネル領域のうち、メインゲートとの重複を外れたソース領域側およびドレイン領域側に三角形領域を形成し、それらの領域がメインゲートを挟んで平行四辺形を形成するようにしたことを特徴としている。
【0035】
利得係数βの変調特性は、素子形状パラメータ(メインゲートのゲート幅Wとゲート長L、およびメインゲートと制御ゲートとのなす角度θ)によって設定することができる。
【0036】
この構成によれば、ゲートチャネルに対する電界の向きを制御ゲートの電圧によって制御できる。つまり、制御ゲートの電圧を調整し、制御ゲートチャネルのコンダクタンスをメインゲートのそれに対して変化させることで、実効的なゲート長Lとゲート幅Wをアナログ的に変調することができ、利得係数βをアナログ変調することができる。
【0037】
したがって、この利得係数可変MOSトランジスタをLSIに組み込むことで、オンチップ自身で素子の特性をダイナミックに調整することを可能にし、LSIの大規模化に伴う内蔵機能回路間の動作タイミングや、素子の微細化に伴い増大する素子特性バラツキを自動補正する機構を高集積に実現することができる。
【0038】
【特許文献1】
特開2002−222944号公報(0020〜0032、図1〜図5)
【0039】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者が先に出願した利得係数可変MOSトランジスタと呼べる半導体素子では、メインゲートのソース領域側およびドレイン領域側に三角形領域を形成するために、メインゲートに対してある一定の角度をなす制御ゲートを追加設置するようにしているので、素子のサイズが大きくなるという問題がある。
【0040】
また、上記の半導体素子における利得係数の変調特性は、上記のようにメインゲートと制御ゲートのコンダクタンス比で決まるので、メインゲートのコンダクタンスが小さくなる程、利得係数の変調度合いが小さくなるという問題もある。
【0041】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、素子サイズを小さくするとともに、ゲート領域のコンダクタンスに関わらず利得係数の変調度合いを確保することができる利得係数の変調可能な半導体素子を得ることを目的とする。
【0042】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明にかかる半導体素子は、電界効果型トランジスタにおけるゲート領域のゲート長方向両端側または片端側に、ゲート幅方向に沿ってその全幅に渡る制御チャネル領域が設けられ、前記制御チャネル領域における閾値は前記ゲート幅方向において一方端から他方端に向かう一方向変化特性を持って連続的にまたは階段状に変化する不均一性を有していることを特徴とする。
【0043】
この発明によれば、制御チャネル領域における閾値がゲート幅方向において不均一となるようにしているので、制御チャネル領域に印加する制御電圧の大きさを変化させると、制御チャネル領域において形成されるチャネルの幅が閾値分布に応じて変化する。このとき制御チャネル領域において形成されるチャネルがゲート領域における実効的チャネルとなる。つまり、制御チャネル領域に印加する制御電圧の大きさを調整することにより、ゲート領域における実効的チャネル幅を変調することができ、電界効果型トランジスタの利得係数を変調することができる。
【0044】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体素子の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【0045】
実施の形態1.
図1〜図3は、この発明の実施の形態1である半導体素子の構成を示す模式図である。なお、図1は、上面図である。図2は、図1に示すA−A’断面図である。図3は、図1に示すB−B’断面図である。
【0046】
図1において、MOSトランジスタの構造は、よく知られているように、ゲート領域1が、ソース領域2とドレイン領域3との間(中央位置)に、ソース領域2とドレイン領域3との間に形成されるチャネル(以下「ゲートチャネル」という)を横断して配置されている。なお、ゲート領域1とソース領域2とドレイン領域3とには、電極を構成するコンタクト4a,4b,4cがそれぞれ設けられる。
【0047】
この実施の形態1である半導体素子は、このようなMOSトランジスタにおいて、ゲート領域1を以降メインゲート1と称すれば、制御ゲート5がメインゲート1の上方を覆い隠すように設けられている。これによってメインゲート1のゲート長方向両端側に、つまりソース領域2側とドレイン領域3とに制御ゲートチャネル領域6がはみ出して形成されるようにしている。
【0048】
なお、制御ゲート5には、電極を構成するコンタクト4dが設けられる。図1では、制御ゲート5におけるコンタクト4dの配置領域とメインゲート1におけるコンタクト4aの配置領域とは、ソース領域2とドレイン領域3とを結ぶ線分に対し、反対側に形成した例が示されている。
【0049】
ゲートチャネルに平行な断面図である図2に示すように、メインゲート1と制御ゲート5との間は、絶縁膜層7で隔離され、電気的に分離されている。そして、基板(ウエル領域)8の表面側には、メインゲート1のゲート長方向両端側にはみ出して形成される上記の制御ゲートチャネル領域6を構成するチャネル不純物拡散領域9が形成されている。
【0050】
このチャネル不純物拡散領域9の不純物濃度は、メインゲート1のゲート幅方向において均一ではなく、ゲートチャネルに垂直な制御ゲートチャネル領域6の断面図である図3に示すように、一方端から他方端に向かって連続的に変化する不均一性を示すようになっている。図3では、黒色が濃くなる程、不純物濃度は低くなっていくことが示されている。
【0051】
これによって、制御ゲートチャネル領域6の閾値(以下「制御ゲート5の閾値」という)は、メインゲート1のゲート幅方向において、つまり、ゲートチャネルを横断する方向において一様ではなく、一方端から他方端に向かう一方向変化特性をもって連続的に変化するようになっている。
【0052】
図1では、制御ゲート5の閾値は、黒色が濃くなる程、低くなっていくことが示されている。つまり、メインゲート1のコンタクト4a側が最も濃い黒色で閾値が最小値であることが示され、制御ゲート5のコンタクト4d側が最も薄くなり、閾値が最大値であることが示されている。
【0053】
このように、制御ゲート5の閾値不均一性が、チャネル不純物拡散領域9の不純物濃度をメインゲート1のゲート幅方向に空間的に分布させることによって実現される。したがって、制御ゲート5の形状は、任意である。一般にはメインゲート1の形状に依存し、矩形状となる場合が多い。
【0054】
次に、図1〜図6を参照して、以上のように構成される半導体素子によって実現されるMOSトランジスタの利得係数を変調する動作原理を説明する。なお、図4は、図1に示す制御ゲートによって制御される単位ゲート幅当たりのドレイン電流特性例を示す図である。図5は、図1に示す半導体素子の特性を規定する形状パラメータを説明する図である。図6は、図1に示す半導体素子にて実現されるゲートチャネル幅変調動作を説明する図である。
【0055】
制御ゲート5の閾値は、メインゲート1のゲート幅方向において、一方端から他方端に向かう一方向変化特性を持って連続的に変化するので、制御ゲート5に印加する制御電圧の大きさを変化させると、制御ゲートチャネル領域6において形成されるチャネルの幅が閾値分布に応じて変化する。このとき制御ゲートチャネル領域6において形成されるチャネルがゲート領域1における実効的チャネルとなる。
【0056】
図4において、横軸は、制御ゲート5の制御ゲート電圧Vcgを示す。縦軸は、制御ゲート閾値Vt毎の単位ゲート幅当たりのドレイン電流Idを示し、それらの総和が図1に示すMOSトランジスタに流れるドレイン電流となる。Lowは、低いを示し、Highは、高いを示す。
【0057】
図4に示すように、単位ゲート幅当たりのドレイン電流Idは、制御ゲート5の閾値Vtが低くなる程、制御ゲート電圧Vcgの低値から流れ出し、閾値Vtが高くなる程、制御ゲート電圧Vcgが高くならないとその部分のドレイン電流Idは流れない。ドレイン電流Idは、制御ゲート電圧Vcgが閾値Vtを超えた部分のみで流れる。
【0058】
つまり、メインゲート1の実効的チャネル幅は、制御ゲート5に与える制御電圧Vcgによって変調することができ、MOSトランジスタの利得係数βを変調することができる。そして、実現されるチャネル変調特性は、制御ゲート5の閾値分布と図5に示す形状パラメータとによって設定することができる。
【0059】
図5において、形状パラメータとしては、メインゲート1のゲート長Lおよびゲート幅Wと、制御ゲート5のゲート長Lcとを用いる。それらを調整することで利得係数βの変調特性を設計することができる。一般に、利得係数βの変調度合いは、制御チャネル長である制御ゲート5のゲート長Lcが小さい程、または、制御ゲート5の閾値分布の変化量が大きい程大きくなる。
【0060】
さて、メインゲート1における実効的なチャネルの幅は、例えば図6に示すように、制御ゲート電圧Vcgによって変調される。なお、図6では、制御ゲート5の閾値の最大値をVtmax、最小値をVtmin、それらの中間値をVtmiddleと表している。
【0061】
図1にて説明したように、制御ゲート5の閾値は、メインゲート1のコンタクト4a側に向かって次第に低くなっていく。そして、メインゲート1のコンダクタンスは、閾値が低い所の方が大きくなる。したがって、図6では、メインゲート1の実効的なチャネルは、メインゲート1のコンタクト4a側に形成されるとしている。
【0062】
図6(a)は、制御ゲート電圧Vcgが比較的高い場合(Vcg>Vtmax)を示す。この場合には、制御ゲート5における制御ゲートチャネル領域6の殆どの領域でチャネルが形成される。その結果、メインゲート1のコンタクト4a側に形成される実効的なチャネル11の幅は、閾値の高い所に向かって比較的大きく広がり、利得係数βが大きくなる。また、メインゲート1内のドレイン電流は、閾値の低い所に多く流れるが、実効的なチャネル11の幅が閾値の高い所に向かって大きく広がっているので、その広がりに比例した分布をしている。つまり、ドレイン電流の変化範囲が広くなる。
【0063】
図6(c)は、制御ゲート電圧Vcgが比較的低い場合(Vtmiddle>Vcg>Vtmin)を示す。この場合には、制御ゲート5における制御ゲートチャネル領域6のうち、閾値が中間値Vtmiddleよりも低い部分にのみチャネルが形成される。つまり、制御ゲートチャネル形成領域6において形成されるチャネルの幅が相当に狭くなる。その結果、メインゲート1のコンタクト4a側に形成される実効的なチャネル12の幅は、閾値の低い所を範囲とするので比較的小さくなり利得係数βは小さくなる。ドレイン電流の変化範囲は、相当に狭くなる。
【0064】
図6(b)は、制御ゲート電圧Vcgが中程度の場合(Vtmax>Vcg>Vtmiddle)を示す。この場合には、制御ゲートチャネル形成領域6では閾値が中間値Vtmiddleの付近までチャネルが形成される。つまり、制御ゲートチャネル形成領域6において形成されるチャネルの幅が図6(c)の場合と図6(a)の場合との中間程度に広くなる。その結果、メインゲート1のコンタクト4a側に形成される実効的なチャネル13の幅は、閾値の高い所に向かって図6(c)の場合よりも少し広がるので、利得係数βは、図6(a)と図6(b)の中間程度になる。
【0065】
このように、この発明の半導体素子では、制御ゲート5に与える電圧によって制御ゲートチャネル領域6において形成されるチャネルの幅を変更することができる。これによって、メインゲート1の実効的チャネル幅が変調されるので、基本となるMOSトランジスタの利得係数β、すなわちドレイン電流特性を連続的に変調することができる。
【0066】
ここで、この発明の半導体素子では、上記のように、本発明者が先に出願した半導体素子の構成方式では必要であった制御ゲートチャネルによる三角形状領域の形成を不要とする構成方式を採用したので、素子サイズを小さくすることができる。
【0067】
そして、本発明者が先に出願した半導体素子では、ゲートチャネルに掛かる電界の向きを制御ゲート電圧によって変化させることでメインゲートの実効的チャネル幅を変調していたが、この発明の半導体素子では、制御ゲートチャネル領域6において形成されるチャネルの幅を調整することでメインゲート1の実効的チャネル幅を変調しているので、メインゲート1のコンダクタンスに関わらず利得係数βの変調度合いを確保することが可能となり、利得係数βの変調特性がゲート電圧に強く依存しない効果がある。
【0068】
さらに、この発明の半導体素子では、NMOSトランジスタ、PMOSトランジスタにおいて共に同様の構成で実現することができるので、CMOS回路にも容易に採用することができる。
【0069】
なお、利得係数βを変調するために消費される電力は、制御ゲート5のリーク電流によるものだけである。これは極めて小さく、実用上問題にならない程度である。
【0070】
実施の形態2.
図7は、この発明の実施の形態2である半導体素子の構成を示す要部断面図(図1に示すB−B’断面図)である。なお、図7では、図1に示した構成と同一ないしは同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態2に関わる部分を中心に説明する。
【0071】
この実施の形態2では、制御ゲート閾値の空間的な不均一性を実現する他の構成例(その2)が示されている。すなわち、実施の形態2である半導体素子では、図7に示すように、図1に示した制御ゲートチャネル領域6において、基板8の表面を絶縁膜層7ではなく、ゲート絶縁膜21で被覆し、このゲート絶縁膜21の厚さを空間的に不均一に形成している。つまり、ゲート絶縁膜21は、一方端から他方端に向かって次第に厚くなるように形成されている。なお、基板8の表面側に形成されるチャネル不純物拡散領域22の不純物濃度は、空間的に均一なものとしている。
【0072】
このような構造によっても、制御ゲート5の閾値は、空間的に不均一となるようにすることが実現できるので、実施の形態1と同様の変調効果が期待できる。加えて、この実施の形態2では、制御ゲートチャネル領域の不純物濃度が一様のままで、閾値分布の空間的不均一性が実現できるので、濃度分布を形成するためのフォトマスクが不要となり、製造コストと製造工程を減らせる効果がある。
【0073】
実施の形態3.
図8は、この発明の実施の形態3である半導体素子の構成を示す上面図である。なお、図8では、図1に示した構成と同一ないしは同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態3に関わる部分を中心に説明する。
【0074】
この実施の形態3では、制御ゲート閾値の空間的な不均一性を実現する他の構成例(その3)が示されている。すなわち、図8に示すように、この実施の形態3では、図1に示した制御ゲート5に代えて制御ゲート31が設けられている。
【0075】
この制御ゲート31における制御ゲートチャネル領域32では、閾値の一方向変化特性の空間的な分布が連続して変化するのではなく、階段状に変化するように設定されている。そして、この階段状の変化は、メインゲート1のゲート長方向両端側において同一となっている。
【0076】
具体的には、制御ゲート31の閾値は、メインゲート1のゲート長方向両端側において、ゲート幅方向に、例えば図8に示すように、メインゲート1のコンタクト4a側では、Vt=低であり、制御ゲート31のコンタクト4d側では、Vt=高であり、その間では、Vt=中となっている。
【0077】
このような複数の異なる閾値を有する制御ゲート31は、それぞれの領域毎に実施の形態1にて説明したようにチャネル不純物の濃度を変える、あるいは、実施の形態2にて説明したようにゲート絶縁膜厚を変えるなどの方法によって実現することができる。
【0078】
この実施の形態3によれば、実施の形態1と同様の変調効果が得られるのに加えて、制御ゲートの閾値分布を階段状に形成するのに、特別な手段を新たに開発する必要がなく、従来のマスクで作り分ける手法が使える効果がある。
【0079】
実施の形態4.
図9は、この発明の実施の形態4である半導体素子の構成を示す上面図である。なお、図9では、図1に示した構成と同一ないしは同等である構成要素には、同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態4に関わる部分を中心に説明する。
【0080】
この実施の形態4では、制御ゲート閾値の空間的な不均一性を実現する他の構成例(その4)が示されている。すなわち、図9に示すように、この実施の形態4では、図1に示した制御ゲート5に代えて制御ゲート41が設けられている。
【0081】
この制御ゲート41における制御ゲートチャネル領域42,43では、閾値の一方向変化特性の空間的な分布が連続して変化するのではなく、階段状に変化するように設定されている。そして、この階段状な変化は、実施の形態3とは異なり、メインゲート1のゲート長方向両端側において、ゲート幅方向に逆順の関係になっている。
【0082】
具体的には、制御ゲート31の閾値は、例えば図9に示すように、制御ゲートチャネル領域42では、メインゲート1のコンタクト4a側では、Vt=低であり、制御ゲート41のコンタクト4d側では、Vt=高であり、その間では、Vt=中となっている。
【0083】
これに対し、制御ゲートチャネル領域42では、メインゲート1のコンタクト4a側では、Vt=高であり、制御ゲート41のコンタクト4d側では、Vt=低であり、その間では、Vt=中となっている。
【0084】
この実施の形態4によれば、実施の形態1と同様の変調効果が得られるのに加えて、メインゲートのチャネル幅変調の他に、チャネル長の変調も生じるので、利得係数βのよりダイナミックな変調が実現できる効果がある。
【0085】
なお、実施の形態4では、実施の形態3への適用例を示したが、実施の形態1,2にも同様に適用することができる。また、実施の形態1〜4では、制御ゲートは、メインゲートのゲート長方向両端側に制御ゲートチャネル領域を形成する場合を示したが、この発明は、これに限定されるものではなく、メインゲートのゲート長方向片側に、つまり、ソース領域側またはドレイン領域側のいずれか一方に制御ゲートチャネル領域を形成するようにしてもよい。これによっても、同様の作用効果が得られる。
【0086】
ここで、この発明による半導体素子は、本発明者が先に出願した半導体素子に比べてコンパクトなサイズと消費電力の増加を伴わない特長とを有するので、オンチップで素子の電気特性を自動調整し特性バラツキを補正する機構回路をあらゆるLSIデバイスに高密度実装することを可能にする。
【0087】
つまり、将来の大規模LSIデバイスの高性能化を阻止する素子微細化に伴う特性バラツキや、プロセス変動に伴う素子特性変動などの特性不均一に起因する性能劣化やLSI物理設計の困難性などを大幅に緩和する効果がある。
【0088】
したがって、この発明による素子構成技術は、ある程度大きな素子特性バラツキを許容する自己最適化LSIや自己適応型LSIなどの全く新しい設計思想に基づく新タイプLSIの実現に貢献することが期待される。
【0089】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、電界効果型トランジスタにおけるゲート領域のゲート長方向両端側または片端側に、ゲート幅方向に沿ってその全幅に渡る制御チャネル領域を設け、前記制御チャネル領域における閾値が前記ゲート幅方向において一方端から他方端に向かう一方向変化特性を持って連続的にまたは階段状に増加するまたは減少する不均一性を有するようにしたので、制御チャネル領域に印加する制御電圧の大きさを調整することにより、ゲート領域における実効的チャネル幅を変調することができ、電界効果型トランジスタの利得係数を変調することができる。
【0090】
したがって、この発明によれば、本発明者が先に出願した半導体素子の構成方式では必要であった制御ゲートチャネルによる三角形状領域の形成を不要とする構成方式を採用したので、素子サイズを小さくすることができ、また利得係数変調特性のゲート電圧依存性を小さくすることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1である半導体素子の構成を示す上面図である。
【図2】図1に示す半導体素子のA−A’線断面図である。
【図3】図1に示す半導体素子のB−B’線断面図である。
【図4】図1に示す半導体素子の制御ゲートによって制御される単位ゲート幅当たりのドレイン電流特性例を示す図である。
【図5】図1に示す半導体素子の特性を規定する形状パラメータを示す図である。
【図6】図1に示す半導体素子にて実現されるゲートチャネル幅変調を説明する図である。
【図7】この発明の実施の形態2である半導体素子の構成を示す要部断面図(図1に示すB−B’断面図)である。
【図8】この発明の実施の形態3である半導体素子の構成を示す上面図である。
【図9】この発明の実施の形態4である半導体素子の構成を示す上面図である。
【符号の説明】
1 ゲート領域(メインゲート)、2 ソース領域、3 ドレイン領域、4a,4b,4c,4d コンタクト、5,31,41 制御ゲート、6,32,42,43 制御ゲートチャネル領域、7 絶縁膜層、8 基板(ウェル領域)、9,22 チャネル不純物拡散領域、21 ゲート絶縁膜、12〜13 メインゲートの実効的チャネル。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device capable of modulating a gain coefficient of a field-effect transistor, and more particularly to a future large-scale and highly integrated semiconductor integrated circuit (LSI) device by optimizing each chip after manufacturing the LSI. The present invention relates to a semiconductor device as a basic device for realizing a new type of LSI device such as a self-optimizing LSI or a self-adaptive LSI realizing high performance.
[0002]
[Prior art]
In recent LSI devices, with the progress of miniaturization of elements, large-scale and high-integration has progressed, and the realization of a system-on-chip has become a reality, and it is essential to integrate a large number of various functional circuits inside a chip. Was. In the design of such a large-scale LSI device, it is particularly important to optimize and adjust the operation timing and the like between the functional circuits in order to correctly operate a large number of integrated functional circuits.
[0003]
On the other hand, for over 30 years since the invention, the performance of LSI devices has been improved mainly by miniaturization of elements. However, recently, various physical limitations have become apparent in miniaturization of elements, It is becoming extremely difficult to produce a stable and homogeneous product.
[0004]
As a result, in designing an LSI device, it is necessary to take measures to secure an operation margin in order to cover process fluctuations that cannot be avoided in the LSI manufacturing process. The measures for securing the operation margin have hampered the further enhancement of the performance of large-scale LSI devices with the diversification and large-scale of the functions integrated in the LSI devices.
[0005]
As described above, in future LSI devices, non-uniformity of device characteristics having individuality for each LSI chip, such as variation (distribution) of device characteristics in a chip and median value shift (shift) of device characteristics due to process variation. And the accompanying difficulty in LSI physical design (performance optimizing design) has become apparent, and techniques for improving the performance of LSI devices relying only on miniaturization of elements are approaching their limits.
[0006]
Therefore, in order to promote the high performance of LSI devices in the future, it is indispensable to establish a new LSI design / manufacturing method on the premise of a somewhat large variation in element characteristics. One approach to LSI design / manufacturing on the premise of a somewhat large variation in element characteristics is to incorporate a self-adjustment function in the LSI chip itself.
[0007]
Specifically, the electric characteristics adjustment based on the setting of the size (gate length and gate width) of each transistor, which has been performed in the conventional final stage of LSI design (physical design), is automatically performed by the chip itself for each chip after the LSI is manufactured. This is a method of optimizing the electrical characteristics of individual transistors in an LSI chip and improving the chip performance.
[0008]
In order for the LSI chip itself to realize the self-adjustment function, it is necessary to incorporate a mechanism in the LSI chip that can automatically adjust the electric characteristics by a program or electric dynamics. Therefore, in order to realize the method, at least some means for electrically modulating the electric characteristics is indispensable, and the technical development thereof is the key to realizing the self-adjustment function.
[0009]
Hereinafter, an electric modulation method of electric characteristics which can be realized by using the related art will be described. In the prior art, when electrically modulating the electric characteristics, a method mainly using a circuit configuration and a method of modulating the characteristics of the element itself can be adopted.
[0010]
(I) As a method based on a circuit configuration, for example, as shown in (Ia) to (Id), a plurality of field effect transistors (hereinafter, referred to as “MOS transistors”) are used, and the number of parallel connections is determined by an electrical switch. A method of switching circuit configuration is conceivable. According to this, it is possible to modulate the effective electrical characteristics (gain coefficient) when the entire circuit is regarded as one transistor. However, this circuit-based method is extremely inefficient in terms of adjustment accuracy and circuit scale, as described below.
[0011]
(Ia) Two MOS transistors are connected in parallel, a normal signal voltage is applied to the gate electrode of one MOS transistor, and an OFF voltage for turning off the signal voltage by a switch is applied to the gate electrode of the other MOS transistor. Consider a configuration that switches and gives.
[0012]
According to this configuration, in a state where the switch connects the signal voltage to the gate electrode of the other MOS transistor, in this circuit, two MOS transistors connected in parallel function as one MOS transistor. When the switch connects the OFF voltage to the gate electrode of the other MOS transistor, only one of the MOS transistors operates in this circuit. Thereby, the substantial gain coefficient of the MOS transistor can be modulated.
[0013]
(Ib) Five MOS transistors are connected in parallel, a normal signal voltage is applied to the gate electrode of one MOS transistor, and a signal voltage and OFF are respectively applied to the gate electrodes of the remaining four MOS transistors by switches. Consider a configuration in which voltage and voltage are switched and applied.
[0014]
According to this configuration, 16 variations can be realized depending on the states of the four switches. That is, by setting the gain coefficient of each of the four MOS transistors to a power of 2, it is possible to make the coefficient values in 16 steps at equal intervals.
[0015]
(Ic) Two MOS transistors are connected in series, a normal signal voltage is applied to the gate electrode of one MOS transistor, and an ON voltage for turning on the signal voltage by a switch is applied to the gate electrode of the other MOS transistor. Consider a configuration that switches and gives.
[0016]
According to this configuration, in a state where the switch connects the signal voltage to the gate electrode of the other MOS transistor, this circuit has two MOS transistors connected in series and performs the same operation. Works as a MOS transistor. When the switch connects the ON voltage to the gate electrode of the other MOS transistor, this circuit functions as a circuit in which one MOS transistor is connected in series with the ON resistance of the other MOS transistor.
[0017]
(Id) Two MOS transistors are connected in series, a normal signal voltage is applied to the gate electrode of one MOS transistor, and a control voltage for varying the ON resistance value is applied to the gate electrode of the other MOS transistor. Consider the configuration to give. This circuit functions as a circuit for adjusting the resistance value connected in series to one MOS transistor.
[0018]
Here, the switch is usually composed of a CMOS switch in which a PMOS transistor and an NMOS transistor are connected in parallel, an inverter for generating a gate signal thereof, and a latch circuit for holding a state of the switch. MOS transistors are required.
[0019]
Therefore, in the circuit configuration example of the parallel connection shown in (Ia) and (Ib), there is a trade-off relationship between the accuracy of the characteristic adjustment and the circuit scale. Therefore, there is a problem that the circuit scale increases in order to increase the adjustment accuracy. is there.
[0020]
In addition, in the circuit configuration example by series connection shown by (Ic) and (Id), in addition to the problem that the circuit scale becomes large, since a resistance component having a non-linear characteristic with respect to an input signal is interposed in series, the effective The problem is that the characteristic adjustment range is limited.
[0021]
As described above, the method of modulating the electrical characteristics of the transistor by the circuit configuration has an inherent limitation that the number of elements to be adjusted must be several times to several tens times, and the high integration is promoted. However, it is difficult to adapt to the implementation of a self-adjustment function for the purpose of improving the performance of LSI devices.
[0022]
(II) In the conventional MOS transistor, it is not easy to change the electric characteristics after manufacturing the LSI, but the electric characteristics of the element itself can be modulated by operating the back gate voltage. First, the electrical characteristics of a MOS transistor will be outlined.
[0023]
The electrical characteristics of the MOS transistor are determined by using a source / drain current Ids, a source / drain voltage Vds, a gate voltage Vgs, a threshold voltage Vt, and a gain coefficient β.
Vds>Vgs−Vt; Ids ≒ β (Vgs−Vt) 2 /2...(1)
Vds ≦ Vgs−Vt; Ids ≒ β ((Vgs−Vt) Vds−Vds 2 / 2)… (2)
It can be expressed as. Equations (1) and (2) show a case without a short channel effect or the like for simplicity.
[0024]
The gain coefficient β is calculated using the gate width W, gate length L, gate insulating film thickness Tox, carrier mobility μ, and dielectric constant ε of the gate insulating film.
β ≒ μεW / (L ・ Tox)… (3)
It can be expressed as.
[0025]
As can be understood from the equations (1) and (2), the electrical characteristics of the MOS transistor depend on the threshold voltage Vt. After manufacturing the LSI, the threshold voltage Vt can be changed by manipulating the back gate voltage. Therefore, as a method of changing the electric characteristics of the MOS transistor after manufacturing the LSI by using the conventional technique, it is conceivable to modulate the threshold voltage Vt by changing the back gate voltage.
[0026]
However, the back gate voltage needs to maintain the reverse bias relationship with the source / drain voltage, and it is necessary to electrically separate the back gate voltage for each element to be modulated. Not suitable.
[0027]
Moreover, since the change in the threshold voltage Vt can affect the source / drain current Ids only by the difference from the gate voltage Vgs, the electric characteristics of the MOS transistor can be dynamically modulated only by changing the threshold voltage Vt. It is difficult.
[0028]
In other words, the transistor electric characteristic modulation method by changing the threshold voltage Vt using the conventional technique promotes high integration and enhances the performance of LSI devices due to the hindrance of the integration degree and the weakness of the modulation degree due to the back gate separation. It is unfamiliar with the intended self-adjustment function implementation.
[0029]
As described above, in the conventional technology, it is not easy to incorporate the self-adjustment function in a highly integrated manner and to change the electrical characteristics after manufacturing the LSI. Therefore, development of a new element that does not hinder high integration and enables dynamic electrical characteristic modulation is desired.
[0030]
Here, in equation (3), generally, the carrier mobility μ, the dielectric constant ε, and the gate insulating film thickness Tox are constant, so that the gain coefficient β can be set by the ratio of the gate width W to the gate length L. it can. Therefore, the electrical characteristic of the MOS transistor that can be set in the physical design of the LSI device is the gain coefficient β.
[0031]
If this gain coefficient β can be modulated, as can be understood from the above equations, it is possible to strongly influence the source / drain current Ids in proportion to the product of the gate voltage Vgs. Characteristics can be dynamically modulated. In other words, if the gain coefficient β can be electrically modulated by several times to several tens times, it becomes possible to correct element characteristics variation comparable to that and automatically compensate for load fluctuations after manufacturing the LSI device.
[0032]
At this time, as a basic element for an active LSI, it is important that analog modulation of the gain coefficient β can be performed with a compact element size that does not hinder high integration without increasing power consumption.
[0033]
From such a viewpoint, the present inventor has developed a semiconductor device in which the gain coefficient of a field-effect transistor can be voltage-modulated, and has previously filed an application (Patent Document 1). Here, it is referred to as a gain coefficient variable MOS transistor, and its outline will be described.
[0034]
A structural feature of the variable gain coefficient MOS transistor is that a control gate is additionally provided obliquely to a gate region (referred to as a main gate) in a conventional MOS transistor. In other words, this gain coefficient variable MOS transistor forms a triangular region on the source region side and the drain region side of the channel region under the control gate that is not overlapped with the main gate, and these regions sandwich the main gate. It is characterized in that a parallelogram is formed.
[0035]
The modulation characteristic of the gain coefficient β can be set by the element shape parameters (the gate width W and the gate length L of the main gate, and the angle θ between the main gate and the control gate).
[0036]
According to this configuration, the direction of the electric field with respect to the gate channel can be controlled by the voltage of the control gate. That is, by adjusting the voltage of the control gate and changing the conductance of the control gate channel with respect to that of the main gate, the effective gate length L and gate width W can be modulated in an analog manner, and the gain coefficient β Can be analog-modulated.
[0037]
Therefore, by incorporating this variable gain coefficient MOS transistor into an LSI, it is possible to dynamically adjust the characteristics of the device on-chip itself, and to improve the operation timing between the built-in functional circuits accompanying the increase in the scale of the LSI and the performance of the device. A mechanism for automatically correcting variations in element characteristics that increase with miniaturization can be realized with high integration.
[0038]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-222944 (0020 to 0032, FIGS. 1 to 5)
[0039]
[Problems to be solved by the invention]
However, in a semiconductor device that can be called a variable gain coefficient MOS transistor, which the present inventor has previously filed, in order to form a triangular region on the source region side and the drain region side of the main gate, a certain angle with respect to the main gate is required. Since an additional control gate is provided, there is a problem that the size of the element is increased.
[0040]
Further, since the modulation characteristic of the gain coefficient in the semiconductor element is determined by the conductance ratio between the main gate and the control gate as described above, there is also a problem that as the conductance of the main gate decreases, the degree of modulation of the gain coefficient decreases. is there.
[0041]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a semiconductor element capable of modulating a gain coefficient, which can reduce the element size and ensure the degree of modulation of the gain coefficient regardless of the conductance of the gate region. Aim.
[0042]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is provided with a control channel region extending over the entire width thereof along the gate width direction at both ends or one end of the gate region in the field effect transistor. The threshold value in the control channel region has a non-uniformity that changes continuously or stepwise with a one-way change characteristic from one end to the other end in the gate width direction. .
[0043]
According to the present invention, since the threshold value in the control channel region is made non-uniform in the gate width direction, when the magnitude of the control voltage applied to the control channel region is changed, the channel formed in the control channel region is changed. Varies according to the threshold distribution. At this time, a channel formed in the control channel region becomes an effective channel in the gate region. That is, by adjusting the magnitude of the control voltage applied to the control channel region, the effective channel width in the gate region can be modulated, and the gain coefficient of the field effect transistor can be modulated.
[0044]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Preferred embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0045]
Embodiment 1 FIG.
1 to 3 are schematic diagrams showing a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a top view. FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ shown in FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB 'shown in FIG.
[0046]
In FIG. 1, as is well known, the structure of a MOS transistor is such that a gate region 1 is located between a source region 2 and a drain region 3 (center position) and between a source region 2 and a drain region 3. It is arranged across a channel to be formed (hereinafter referred to as “gate channel”). The gate region 1, the source region 2, and the drain region 3 are provided with contacts 4a, 4b, and 4c forming electrodes, respectively.
[0047]
In the semiconductor device according to the first embodiment, in such a MOS transistor, if the gate region 1 is hereinafter referred to as the main gate 1, the control gate 5 is provided so as to cover the main gate 1 from above. As a result, the control gate channel region 6 is formed so as to protrude on both ends in the gate length direction of the main gate 1, that is, on the source region 2 side and the drain region 3.
[0048]
The control gate 5 is provided with a contact 4d forming an electrode. FIG. 1 shows an example in which the arrangement region of the contact 4 d in the control gate 5 and the arrangement region of the contact 4 a in the main gate 1 are formed on the opposite side to the line connecting the source region 2 and the drain region 3. ing.
[0049]
As shown in FIG. 2 which is a cross-sectional view parallel to the gate channel, the main gate 1 and the control gate 5 are separated by an insulating film layer 7 and are electrically separated. On the surface side of the substrate (well region) 8, channel impurity diffusion regions 9 constituting the above-mentioned control gate channel region 6 formed so as to protrude from both ends in the gate length direction of the main gate 1 are formed.
[0050]
The impurity concentration of the channel impurity diffusion region 9 is not uniform in the gate width direction of the main gate 1 and is one end to the other end as shown in FIG. 3 which is a sectional view of the control gate channel region 6 perpendicular to the gate channel. , And shows a non-uniformity that changes continuously toward. FIG. 3 shows that the darker the black, the lower the impurity concentration.
[0051]
As a result, the threshold value of the control gate channel region 6 (hereinafter referred to as the “threshold value of the control gate 5”) is not uniform in the gate width direction of the main gate 1, that is, in the direction crossing the gate channel. It changes continuously with a one-way change characteristic toward the end.
[0052]
FIG. 1 shows that the threshold value of the control gate 5 decreases as the black color becomes darker. That is, the contact 4a side of the main gate 1 is darkest black and the threshold value is the minimum value, and the contact 4d side of the control gate 5 is the lightest and the threshold value is the maximum value.
[0053]
In this manner, the threshold non-uniformity of the control gate 5 is realized by spatially distributing the impurity concentration of the channel impurity diffusion region 9 in the gate width direction of the main gate 1. Therefore, the shape of the control gate 5 is arbitrary. Generally, it depends on the shape of the main gate 1 and often has a rectangular shape.
[0054]
Next, an operation principle of modulating the gain coefficient of the MOS transistor realized by the semiconductor device configured as described above will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram showing an example of drain current characteristics per unit gate width controlled by the control gate shown in FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating shape parameters that define the characteristics of the semiconductor device shown in FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a gate channel width modulation operation realized by the semiconductor device shown in FIG.
[0055]
Since the threshold value of the control gate 5 continuously changes in the gate width direction of the main gate 1 with a one-way change characteristic from one end to the other end, the magnitude of the control voltage applied to the control gate 5 changes. Then, the width of the channel formed in the control gate channel region 6 changes according to the threshold distribution. At this time, a channel formed in the control gate channel region 6 becomes an effective channel in the gate region 1.
[0056]
4, the horizontal axis indicates the control gate voltage Vcg of the control gate 5. The vertical axis indicates the drain current Id per unit gate width for each control gate threshold Vt, and the sum of them is the drain current flowing through the MOS transistor shown in FIG. Low indicates low, and High indicates high.
[0057]
As shown in FIG. 4, the drain current Id per unit gate width flows from a lower value of the control gate voltage Vcg as the threshold value Vt of the control gate 5 decreases, and the control gate voltage Vcg increases as the threshold value Vt increases. If it does not become high, the drain current Id in that part does not flow. The drain current Id flows only in a portion where the control gate voltage Vcg exceeds the threshold value Vt.
[0058]
That is, the effective channel width of the main gate 1 can be modulated by the control voltage Vcg applied to the control gate 5, and the gain coefficient β of the MOS transistor can be modulated. The realized channel modulation characteristic can be set by the threshold distribution of the control gate 5 and the shape parameters shown in FIG.
[0059]
In FIG. 5, the gate length L and gate width W of the main gate 1 and the gate length Lc of the control gate 5 are used as shape parameters. By adjusting them, the modulation characteristics of the gain coefficient β can be designed. In general, the degree of modulation of the gain coefficient β increases as the gate length Lc of the control gate 5, which is the control channel length, decreases, or as the amount of change in the threshold distribution of the control gate 5 increases.
[0060]
The effective channel width of the main gate 1 is modulated by the control gate voltage Vcg, for example, as shown in FIG. In FIG. 6, the maximum value of the threshold value of the control gate 5 is represented by Vtmax, the minimum value is represented by Vtmin, and an intermediate value between them is represented by Vtmiddle.
[0061]
As described with reference to FIG. 1, the threshold value of the control gate 5 gradually decreases toward the contact 4a of the main gate 1. Then, the conductance of the main gate 1 is larger at a place where the threshold value is lower. Therefore, in FIG. 6, the effective channel of the main gate 1 is formed on the contact 4a side of the main gate 1.
[0062]
FIG. 6A shows a case where the control gate voltage Vcg is relatively high (Vcg> Vtmax). In this case, a channel is formed in most of the control gate channel region 6 in the control gate 5. As a result, the width of the effective channel 11 formed on the side of the contact 4a of the main gate 1 is relatively widened toward a place where the threshold value is high, and the gain coefficient β is increased. Further, although a large amount of drain current in the main gate 1 flows to a place where the threshold value is low, since the effective width of the channel 11 greatly increases toward a place where the threshold value is high, a distribution proportional to the spread is made. I have. That is, the change range of the drain current is widened.
[0063]
FIG. 6C shows a case where the control gate voltage Vcg is relatively low (Vtmiddle>Vcg> Vtmin). In this case, a channel is formed only in a portion of the control gate channel region 6 in the control gate 5 where the threshold value is lower than the intermediate value Vtmiddle. That is, the width of the channel formed in the control gate channel formation region 6 is considerably reduced. As a result, the width of the effective channel 12 formed on the side of the contact 4a of the main gate 1 is relatively small since the range where the threshold value is low is relatively small, and the gain coefficient β is small. The change range of the drain current is considerably narrowed.
[0064]
FIG. 6B shows a case where the control gate voltage Vcg is medium (Vtmax>Vcg> Vtmiddle). In this case, a channel is formed in the control gate channel formation region 6 until the threshold value is near the intermediate value Vtmiddle. That is, the width of the channel formed in the control gate channel formation region 6 is increased to about the middle between the case of FIG. 6C and the case of FIG. As a result, the width of the effective channel 13 formed on the side of the contact 4a of the main gate 1 is slightly wider toward the higher threshold value than in the case of FIG. It is about the middle between (a) and FIG. 6 (b).
[0065]
As described above, in the semiconductor device of the present invention, the width of the channel formed in the control gate channel region 6 can be changed by the voltage applied to the control gate 5. Thus, the effective channel width of the main gate 1 is modulated, so that the gain coefficient β of the basic MOS transistor, that is, the drain current characteristic can be continuously modulated.
[0066]
Here, in the semiconductor device of the present invention, as described above, a configuration system which does not require the formation of a triangular region by the control gate channel which is necessary in the configuration system of the semiconductor device filed by the present inventors previously is adopted. Therefore, the element size can be reduced.
[0067]
In the semiconductor device of the present invention, the effective channel width of the main gate is modulated by changing the direction of the electric field applied to the gate channel by the control gate voltage. Since the effective channel width of the main gate 1 is modulated by adjusting the width of the channel formed in the control gate channel region 6, the degree of modulation of the gain coefficient β is ensured regardless of the conductance of the main gate 1. This has the effect that the modulation characteristic of the gain coefficient β does not strongly depend on the gate voltage.
[0068]
Further, in the semiconductor device of the present invention, since both the NMOS transistor and the PMOS transistor can be realized with the same configuration, the semiconductor device can be easily applied to a CMOS circuit.
[0069]
The power consumed for modulating the gain coefficient β is only due to the leakage current of the control gate 5. This is extremely small and does not cause a problem in practical use.
[0070]
Embodiment 2 FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view (a cross-sectional view taken along the line BB 'shown in FIG. 1) showing a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 7, components that are the same as or equivalent to the configuration illustrated in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Here, a description will be given focusing on a portion relating to the second embodiment.
[0071]
In the second embodiment, another configuration example (part 2) for realizing spatial non-uniformity of the control gate threshold value is shown. That is, in the semiconductor device according to the second embodiment, as shown in FIG. 7, the surface of the substrate 8 is covered with the gate insulating film 21 instead of the insulating film layer 7 in the control gate channel region 6 shown in FIG. The thickness of the gate insulating film 21 is spatially non-uniform. That is, the gate insulating film 21 is formed so as to gradually increase in thickness from one end to the other end. Note that the impurity concentration of the channel impurity diffusion region 22 formed on the surface side of the substrate 8 is spatially uniform.
[0072]
Even with such a structure, the threshold value of the control gate 5 can be made to be spatially non-uniform, so that the same modulation effect as in the first embodiment can be expected. In addition, in the second embodiment, since the spatial non-uniformity of the threshold distribution can be realized while the impurity concentration of the control gate channel region remains uniform, a photomask for forming the concentration distribution becomes unnecessary. This has the effect of reducing manufacturing costs and manufacturing steps.
[0073]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a top view showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 8, components that are the same as or equivalent to the configuration illustrated in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Here, a description will be given focusing on a portion relating to the third embodiment.
[0074]
In the third embodiment, another configuration example (part 3) for realizing spatial non-uniformity of the control gate threshold value is shown. That is, as shown in FIG. 8, in the third embodiment, a control gate 31 is provided instead of control gate 5 shown in FIG.
[0075]
In the control gate channel region 32 of the control gate 31, the spatial distribution of the one-way change characteristic of the threshold value is set so as to change stepwise instead of continuously. This stepwise change is the same at both ends of the main gate 1 in the gate length direction.
[0076]
Specifically, the threshold value of the control gate 31 is Vt = low on both ends of the main gate 1 in the gate length direction in the gate width direction, for example, on the contact 4a side of the main gate 1 as shown in FIG. On the contact 4d side of the control gate 31, Vt = high, and during that time, Vt = medium.
[0077]
The control gate 31 having such a plurality of different threshold values can be obtained by changing the concentration of the channel impurity for each region as described in the first embodiment, or by changing the gate insulating concentration as described in the second embodiment. It can be realized by a method such as changing the film thickness.
[0078]
According to the third embodiment, in addition to obtaining the same modulation effect as that of the first embodiment, it is necessary to newly develop a special means for forming the threshold distribution of the control gate in a stepwise manner. In addition, there is an effect that a method of separately making with a conventional mask can be used.
[0079]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 is a top view showing a configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 9, components that are the same as or equivalent to the configuration shown in FIG. 1 are given the same reference numerals. Here, a description will be given focusing on a portion related to the fourth embodiment.
[0080]
In the fourth embodiment, another configuration example (part 4) for realizing spatial non-uniformity of the control gate threshold value is shown. That is, as shown in FIG. 9, in the fourth embodiment, a control gate 41 is provided instead of control gate 5 shown in FIG.
[0081]
In the control gate channel regions 42 and 43 of the control gate 41, the spatial distribution of the one-way change characteristic of the threshold value is set so as to change stepwise instead of continuously changing. Unlike the third embodiment, the stepwise change has a reverse relationship in the gate width direction at both ends of the main gate 1 in the gate length direction.
[0082]
Specifically, for example, as shown in FIG. 9, the threshold value of the control gate 31 is Vt = low on the contact 4a side of the main gate 1 in the control gate channel region 42, and is Vt = low on the contact 4d side of the control gate 41. , Vt = high, while Vt = medium.
[0083]
On the other hand, in the control gate channel region 42, Vt = high on the contact 4a side of the main gate 1, Vt = low on the contact 4d side of the control gate 41, and Vt = medium in the meantime. I have.
[0084]
According to the fourth embodiment, in addition to obtaining the same modulation effect as in the first embodiment, the modulation of the channel length also occurs in addition to the modulation of the channel width of the main gate. There is an effect that a proper modulation can be realized.
[0085]
In the fourth embodiment, an example of application to the third embodiment has been described. However, the fourth embodiment can be similarly applied to the first and second embodiments. Further, in the first to fourth embodiments, the case where the control gate has control gate channel regions formed at both ends in the gate length direction of the main gate has been described. However, the present invention is not limited to this. The control gate channel region may be formed on one side of the gate in the gate length direction, that is, on either the source region side or the drain region side. With this, the same operation and effect can be obtained.
[0086]
Here, the semiconductor device according to the present invention has a compact size and features that do not involve an increase in power consumption as compared with the semiconductor device previously filed by the present inventors, so that the electrical characteristics of the device are automatically adjusted on-chip. In addition, it is possible to implement a high-density mounting of a mechanical circuit for correcting characteristic variations on all LSI devices.
[0087]
In other words, performance variations due to element miniaturization that prevent future high-performance of large-scale LSI devices, performance degradation due to non-uniform characteristics such as element characteristic fluctuations due to process fluctuations, and difficulty in LSI physical design, etc. It has the effect of greatly reducing the amount of water.
[0088]
Therefore, the device configuration technology according to the present invention is expected to contribute to the realization of a new type LSI based on a completely new design concept, such as a self-optimizing LSI or a self-adaptive LSI that allows a large variation in device characteristics.
[0089]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a control channel region extending over the entire width in the gate width direction is provided at both ends or one end of the gate region in the field effect transistor in the gate length direction. Is applied to the control channel region because the threshold value in the above has a non-uniformity that increases or decreases continuously or stepwise with a unidirectional change characteristic from one end to the other end in the gate width direction. By adjusting the magnitude of the control voltage, the effective channel width in the gate region can be modulated, and the gain coefficient of the field-effect transistor can be modulated.
[0090]
Therefore, according to the present invention, a configuration method that does not require the formation of a triangular region by the control gate channel, which is required in the configuration method of the semiconductor element filed by the present inventor earlier, is adopted. And the gate voltage dependence of the gain coefficient modulation characteristic can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of the semiconductor element shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a sectional view taken along line BB ′ of the semiconductor device shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram showing an example of a drain current characteristic per unit gate width controlled by a control gate of the semiconductor device shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a diagram showing shape parameters defining characteristics of the semiconductor device shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram for explaining gate channel width modulation realized by the semiconductor device shown in FIG. 1;
FIG. 7 is a cross-sectional view of a main part (a cross-sectional view taken along the line BB ′ shown in FIG. 1) illustrating the configuration of the semiconductor element according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a top view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a top view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
1 gate region (main gate), 2 source region, 3 drain region, 4a, 4b, 4c, 4d contact, 5, 31, 41 control gate, 6, 32, 42, 43 control gate channel region, 7 insulating film layer, 8 substrate (well region), 9, 22 channel impurity diffusion region, 21 gate insulating film, 12-13 effective channel of main gate.

Claims (4)

電界効果型トランジスタにおけるゲート領域のゲート長方向両端側にまたは片端側に、ゲート幅方向に沿ってその全幅に渡る制御チャネル領域が設けられ、
前記制御チャネル領域における閾値は前記ゲート幅方向において一方端から他方端に向かう一方向変化特性を持って連続的にまたは階段状に変化する不均一性を有している、
ことを特徴とする半導体素子。
At both ends or one end of the gate region of the gate region in the field-effect transistor, a control channel region is provided over the entire width along the gate width direction,
The threshold value in the control channel region has a non-uniformity that changes continuously or stepwise with a one-way change characteristic from one end to the other end in the gate width direction.
A semiconductor element characterized by the above-mentioned.
前記制御チャネル領域が前記ゲート長方向両端側に設けられる場合において、
前記閾値の一方向変化特性は、ソース領域側の制御チャネル領域とドレイン領域側の制御チャネル領域とでは、逆順の関係になっている、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
In the case where the control channel region is provided at both ends in the gate length direction,
The one-way change characteristic of the threshold has a reverse relationship between the control channel region on the source region side and the control channel region on the drain region side.
The semiconductor device according to claim 1, wherein:
前記制御チャネル領域における閾値の不均一性は、前記制御チャネル領域を構成する制御チャネル拡散領域の不純物濃度を前記ゲート幅方向において一方端から他方端に向かって不均一にすることによって実現されることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子。The non-uniformity of the threshold value in the control channel region is realized by making the impurity concentration of the control channel diffusion region forming the control channel region non-uniform from one end to the other end in the gate width direction. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記制御チャネル領域における閾値の不均一性は、前記制御チャネル領域における絶縁膜の厚さを前記ゲート幅方向において一方端から他方端に向かって不均一にすることによって実現されることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子。The non-uniformity of the threshold value in the control channel region is realized by making the thickness of the insulating film in the control channel region non-uniform from one end to the other end in the gate width direction. The semiconductor device according to claim 1.
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