JP2005101217A - スタティックランダムアクセスメモリ - Google Patents

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Abstract

【課題】 ソフトエラー耐性に優れたSRAMセルの提供。
【解決手段】 半導体基板とショットキー接合をなすドレイン領域を備える第1の電子伝導型電界効果トランジスタと、第1の電子伝導型電界効果トランジスタとドレイン領域を共有し、第1の電子伝導型電界効果トランジスタと共通のゲート電極を備える第1の正孔伝導型電界効果トランジスタとを備える第1相補型電界効果トランジスタ、半導体基板とショットキー接合をなす第2のドレイン領域を備える第2の電子伝導型電界効果トランジスタと、第2の電子伝導型電界効果トランジスタとドレイン領域を共有し、第1の電子伝導型電界効果トランジスタと共通のゲート電極を備える第2の正孔伝導型電界効果トランジスタとを備える第2の相補型電界効果トランジスタを備え、第1及び第2の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は相対する相補型電界効果トランジスタの共有ドレイン領域に接続されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、相補型電界効果トランジスタを備える、スタティックランダムアクセスメモリ(以下、SRAMと称す)に関する。
高速で低消費電力の半導体メモリの一つに、相補型絶縁ゲート電界効果トランジスタ(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下CMOSと称す)で構成したSRAMがある。CMOSは、電子伝導型の電界効果トランジスタと正孔伝導型の電界効果トランジスタを備え、SRAMの各メモリセルは2つのCMOSと、各CMOSに接続するトランスファーゲートを構成する電界効果トランジスタを備える。
これらの電界効果トランジスタでは、ドレイン領域の高濃度不純物拡散層と基板well間に形成される空乏層をα線や中性子線が横切ると、そこで生成された電子または正孔が空乏層中の電界によってドレイン領域に収集され、SRAMの論理状態を反転させるソフトエラーを発生させる問題がある。
一方、CMOSの微細化のため、正孔伝導型及び電子伝導型の電界効果トランジスタのドレイン領域にショットキー接合を用い、共通化する提案がなされている(特許文献1参照)。
特開2000−124329公報
従来のSRAMでは、電界効果トランジスタの基板内の空乏層にα線や中性子線が入射することでソフトエラーが頻発するという問題があった。
本発明は、このようなSRAMセルにおけるソフトエラー耐性の改善を目的の一つとする。
上記課題を解決するために、本発明の第一は、半導体基板とショットキー接合をなす第1のドレイン領域、及び半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第1の電子伝導型電界効果トランジスタと、第1の電子伝導型電界効果トランジスタと第1のドレイン領域を共有し、第1の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を半導体基板上に備える第1の正孔伝導型電界効果トランジスタとを備える第1相補型電界効果トランジスタ、第1の相補型電界効果トランジスタとドレイン領域を共有する電界効果トランジスタからなる第1のトランスファーゲート、半導体基板とショットキー接合をなす第2のドレイン領域、及び半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第2の電子伝導型電界効果トランジスタと、第2の電子伝導型電界効果トランジスタと第2のドレイン領域を共有し、第2の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を半導体基板上に備える第2の正孔伝導型電界効果トランジスタとを備える第2の相補型電界効果トランジスタ、及び、第2の相補型電界効果トランジスタとドレイン領域を共有する電界効果トランジスタからなる第2のトランスファーゲートを備え、第1の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極第1のドレイン領域に接続され、第2の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は第2のドレイン領域に接続されていることを特徴とするスタティ
ックランダムアクセスメモリを提供する。
上記課題を解決するために、本発明の第二は、半導体基板とショットキー接合をなす第1のドレイン領域、及び半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第1の電子伝導型電界効果トランジスタと、第1の電子伝導型電界効果トランジスタと第1のドレイン領域を共有し、第1の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を備える第1の正孔伝導型電界効果トランジスタと、第1のドレイン領域上に誘電体層を介して形成された、第1の電子伝導型電界効果トランジスタ及び前記第1の正孔伝導型電界効果トランジスタのゲート電極を接続する配線とを備える第1相補型電界効果トランジスタ、及び半導体基板とショットキー接合をなす第2のドレイン領域、及び半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第2の電子伝導型電界効果トランジスタと、第2の電子伝導型電界効果トランジスタと第2のドレイン領域を共有し、第2の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を備える第2の正孔伝導型電界効果トランジスタと、第2のドレイン領域上に誘電体層を介して形成された、第2の電子伝導型電界効果トランジスタと第2の正孔伝導型電界効果トランジスタのゲート電極を接続する配線とを備える第2の相補型電界効果トランジスタを具備し、第1の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は第2のドレイン領域に接続され、第2の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は第2のドレイン領域に接続されていることを特徴とするスタティックランダムアクセスメモリを提供する。
本発明によれば、相補型電界効果トランジスタとトランスファーゲートに共有ドレイン領域を設け、共有ドレイン領域と半導体基板との間にショットキー接合を作るため、ドレイン空乏層を狭くすることができ、α線や中性子線で空乏層中における電子正孔対の生成頻度を減じることができる。さらにまた、共通ドレイン領域にすることでスタティックランダムアクセスメモリ各部のレイアウトの自由度が増すと共に、メモリセルの縮小化が可能となる。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
(第1の実施の形態)
図1に、本発明の実施の形態に関わるSRAMメモリセルの上面図を示す。
このSRAMメモリセルは、第1のCMOSと第2のCMOSを備える。第1のCMOSは、正孔伝導型電界効果トランジスタ11と電子伝導型電界効果トランジスタ12を備え、両者はドレイン領域13を共有する。また、正孔伝導型電界効果トランジスタ11のゲート電極14と電子伝導型電界効果トランジスタのゲート電極17は配線G1により接続(共通化)されている。15は正孔伝導型電界効果トランジスタ11のソース領域であり、16は電子伝導型電界効果トランジスタ12のソース領域16である。
第2のCMOSは、正孔伝導型電界効果トランジスタ31と電子伝導型電界効果トランジスタ32を備え、両者はドレイン領域33を共有する。また、正孔伝導型電界効果トランジスタ31のゲート電極34と電子伝導型電界効果トランジスタのゲート電極37は配線G2により接続(共通化)されている。図1の35は正孔伝導型電界効果トランジスタ31のソース領域であり、図1の36は電子伝導型電界効果トランジスタ32のソース
領域である。
第1のCMOSと第2のCMOSの正孔伝導型電界効果トランジスタ11、31のソース領域15、35は共通接続されVccが供給される。また、電子伝導型電界効果トランジスタ12、32のソース領域16、36は共通接続されVssが供給される。さらに、第1のCMOSの共通化したゲート電極G1は第2のCMOSの共有ドレイン領域33に接続され、第2のCMOSの共通化したゲート電極G2は第1のCMOSの共有ドレイン領域13に接続される。これにより、この一対のCMOSは双安定型フリップフロップを構成する。
SRAMメモリセルは、トランスファーゲートをなす2つの電子伝導型電界効果トランジスタをさらに備え、各電子伝導型電界効果トランジスタはCMOSとドレイン領域を共有する。つまり、第1のCMOSの共有ドレインは電子伝導型電界効果トランジスタのドレインをなし、第2のCMOSの共有ドレインは電子伝導型電界効果トランジスタのドレインをなす。
ここで、電界効果トランジスタのゲート電極51、71はワード線WLであり、ワード線制御回路に夫々接続される。また、電界効果トランジスタののソース領域53はビット線BL、ソース領域73はビット線/BLにより制御される。
尚、各電界効果トランジスタのチャネルは、ゲート電極14、17、34、37、51、71の制御とドレイン電圧の印加によって、各ゲート電極下の半導体基板(ソース・ドレイン領域間)に形成される。また、各CMOSとトランスファーゲートの共通ドレイン領域13,33は、例えばErSi2等の金属電極を用いることができる。
図2は、図1のA−A'の断面模式図である。
本実施の形態の各電界効果トランジスタは、基板の表面に形成される。正孔伝導型電界効果トランジスタ11下の基板にはn型の不純物が添加されたウェル領域91が形成され、電子伝導型電界効果トランジスタ12下の基板には、p型の不純物が添加されたウェル領域92が形成されている。また、この実施の形態における各トランジスタは絶縁ゲート型であるので、ゲート電極14、17と基板とはゲート絶縁膜18、19により絶縁されている。
図2にあるように、本実施の形態では、共有ドレイン領域13に半導体基板とショットキー接合を持つ金属層を用いるため、これを取り巻く空乏層20は極めて狭くなる。従って、従来の不純物拡散層からなるドレイン領域に比べて、α線や中性子線により空乏層中に生成する電子正孔対の数を減じることができる。
図3は、図1のB−B'の断面図である。
図3にあるように、共有ドレイン領域13が半導体基板とショットキー接合を作るため、ドレイン空乏層20は狭く、α線や中性子線で空乏層中に電子正孔対が生成される頻度を減じることができる。尚、図2及び図3では、半導体基板上に形成する層間絶縁膜は省略して図示していない。
また、これらの金属ドレイン領域13によればその周囲の空乏層が狭いため、短チャネル効果が発生しにくいという効果も備える。つまり、ドレイン領域に高濃度の不純物拡散層を用いると、well領域との間に広い空乏層が形成され、ゲート電極の制御性を失わせて短チャネル効果の原因となってしまう。この短チャネル効果を抑制するためには、ゲ
ート電極長を十分に長く形成する必要があるが、本実施の形態によれば、このような必要がなく、半導体集積回路の微細化も実現可能である。
尚、共有ドレイン13、33に用いる金属としては、ErSi2等の金属シリサイドを用いることができる。特に、ErSi2は正孔に対する障壁が高いため、ErSi2とp型well間の正孔電流によるリークを抑制することができる。また、ErSi2はp型wellで包まれているため、ErSi2とn型well間の電子電流によるリークが抑制されるという効果を備える。これらの作用効果は、ショットキー接合を形成する金属性材料の仕事関数が、真性半導体のエネルギーバンドギャップの中央よりも高く、ショットキー接合が半導体基板に形成された正孔伝導型の半導体領域に包含されていることにより得られる。このような金属ドレインの材料は、ErSi2の他に、YSi2、GdSi2、DySi2、HoSi2等がある。
上述の通り、全ての電界効果トランジスタのドレイン領域が共有金属層で形成されているため、ショットキー障壁による空乏層はpn接合に比べて極めて狭く、スタティックランダムアクセスメモリにおける短チャネル効果とソフトエラーが抑制される。また、全てのドレイン領域が共有されていることから、ドレイン領域に従前のSTI(Shallow Trench Isolation)等の素子分離領域を必要としないため、微細化に適しており、素子分離領域を設けるためのレイアウト上の制約が少ない。
図4に、本実施形態のSRAMセルにおける第二の平面図を示す。この第二の平面図では、各トランジスタの構造や接続関係を変更せずに、ゲート電極やソース・ドレイン領域の平面配置のみを変更した。この例では、2つのCMOSの共通化されたゲートG1、G2がL字状パターンからなり、同じくL字状パターンからなる共通ドレイン13、33と夫々組むことで矩形のパターンをなしている。このようにすると、共通ゲート電極G1,G2が密に配置されるため、集積度が上がるだけでなく、ゲート電極形成直後やさらに後の配線工程後におけるCMP(Chemical Mechanical Polishing)などの平坦化工程に適している。
図4において、共通化された一方のCMOSのゲートG1(G2)と他方のCMOSのドレイン領域33(13)とは、配線101、103とにより接続されている。配線101はドレイン領域13とゲートG2と各重なり領域にて接続され、配線103はゲートG1とドレイン領域33と各重なり領域にて接続されている。
尚、上記実施の形態のトランスファーゲートとなる電界効果トランジスタを正孔伝導型としてもよい。トランスファーゲートを正孔伝導型の電界効果トランジスタとする場合は、そのソース領域53、73をp型不純物の拡散領域とする。また、CMOSの共通ドレインである13、33には、例えばPtSiを用いる。
また、図5に示す図1のA−A'断面の変形及び図6に示す図1のB−B'断面の変形に示すように、半導体基板9'には、正孔伝導型電界効果トランジスタのゲート電極14下のチャネル領域(ソース・ドレイン領域の間の領域)、p型ソース領域15、共通ドレイン領域13を包むn型ウェル91'が形成される。また、半導体基板9'には、n型ウェルに隣接して、電子伝導型電界効果トランジスタのチャネル領域とソース領域を包むp型ウェル92'が形成されている。
ここで、PtSiは電子に対する障壁が高いため、PtSiドレイン領域13によればn型wellとの間の電子電流によるリークを抑制することができる。また、PtSiはn型wellで包まれているため、PtSiとp型well間の正孔電流によるリークを抑制することもできる。このような作用効果は、ショットキー接合を形成する金属性材料
の仕事関数が、真性半導体のエネルギーバンドギャップの中央よりも低く、ショットキー接合が半導体基板に形成された電子伝導型の半導体領域に包含されている必要がある。このような作用効果の得られるドレイン材料としては、PtSiの他に、Pt2Si、IrSi、IrSi2等がある。
(第2の実施の形態)
本発明の第二に関わるショットキードレインSRAMについて、図7の上面図を用いて説明する。
この例では、第1のCMOSの正孔伝導型電界効果トランジスタのゲート電極14と電子伝導型電界効果トランジスタのゲート電極17は、上層の導体M0によって接続され、第1のCMOSの共通化ゲートとなっている。また、このM0は上層の導体M1'によって第2のCMOSのドレイン領域33に接続されている。
第2のCMOSの正孔伝導型ゲート電極34は、電子伝導型ゲート電極37と上層の導体M0'によって接続され、さらに上層の導体M1によって第1のCMOSのドレイン領域13に接続される。
このように、CMOSのドレイン領域とトランスファーゲートの電界効果トランジスタに関わるドレインを共通化すると、多層配線を利用することで従来に比べて微細なレイアウトが可能となる。但し、本実施の形態では、必ずしも3つの電界効果トランジスタのドレイン領域を共通化する必要はない。
図8は、図7のA−A'断面の模式図、図9は、図7のB−B'断面の模式図である。
本実施の形態では、M0と共通ドレイン領域13間に形成された絶縁層95、97による寄生容量が、第1のCMOSの新たな容量成分を構成するためにチップ面積を消費することなく、ソフトエラーによる論理反転を効果的に抑制することが可能である。第2のCMOSの断面図は示さないが、第2のCMOSは第1のCMOSと対称の構成となっており、第1のCMOSと同様の構成を用いることで第1のCMOSと同様の効果が得られる。
尚、各断面図では、ゲート電極14、17、51の側壁にいわゆる側壁絶縁膜を設けることもできる。但し、図8と図9のゲート電極14、17では、側面が導体M0に接触しているため接触抵抗を下げることが出来るのに対し、側壁絶縁膜を設けると、接触領域がゲート電極14、17の上面に限られるため、接触抵抗が増すという不具合がある。
尚、絶縁層95、97には、酸化シリコン、窒化シリコン等の絶縁材料を用いることができる。図8及び図9の93は、酸化シリコン等の層間絶縁膜、Wは導体M0と導体M1'を接続するコンタクト、共通ドレイン13と導体M1を接続するコンタクトを示す。
以上説明したように、本実施の形態によれば、3つの電界効果トランジスタに共通のドレイン領域を使うことで、スフトエラー耐性を高めることができる他、レイアウトの自由度が増し、セルの縮小化も可能である。
これに対し、ドレイン領域に不純物拡散層を用いた従来のCMOSでは、正孔伝導型電界効果トランジスタと電子伝導型電界効果トランジスタのドレイン領域とは、異なる不純物の別個独立のものであり、これらを共通ドレインとするためには、コンタクトを形成する必要があるため、寄生容量の低減は不可能であった。
尚、以上説明した第1の実施の形態では素子分離領域を用いていないが、各トランジスタのドレイン領域間に素子分離を形成することも可能であり、その場合には、前述の共有したドレイン領域は分離されるので、分離したドレイン領域間を接続する配線を施す必要がある。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第1の実施形態に関わるSRAMメモリセルを説明するための平面レイアウト図(一部の接続関係も示す)。 第1の実施の形態に関わるSRAMメモリセルのA−A'の断面模式図。 第1の実施の形態に関わるSRAMメモリセルのB−B'の断面模式図。 第1の実施の形態に関わるSRAMメモリセルの他の平面レイアウト図(一部の接続関係も示す)。 図4の平面レイアウト図におけるA−A'断面の模式図。 図4の平面レイアウト図におけるB−B'断面の模式図。 第1の実施の形態に関わるSRAMメモリセルの他の平面レイアウト図(一部の配線関係も示す)。 図7の平面レイアウト図におけるA−A'断面の模式図。 図7の平面レイアウト図におけるB−B'断面の模式図。
符号の説明
・・・第1のCMOS
・・・第2のCMOS
・・・電子伝導型電界効果トランジスタ
13、33・・・ドレイン領域
14、34・・・電子伝導型電界効果トランジスタのゲート電極
15、35・・・正孔伝導型電界効果トランジスタのソース領域
16、36、53、73・・・電子伝導型のソース領域
17、37・・・正孔伝導型のゲート電極

Claims (5)

  1. 半導体基板とショットキー接合をなす第1のドレイン領域、及び前記半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第1の電子伝導型電界効果トランジスタと、前記第1の電子伝導型電界効果トランジスタと第1のドレイン領域を共有し、前記第1の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を前記半導体基板上に備える第1の正孔伝導型電界効果トランジスタとを備える第1相補型電界効果トランジスタ、
    前記第1の相補型電界効果トランジスタと前記第1のドレイン領域を共有する電界効果トランジスタからなる第1のトランスファーゲート、
    前記半導体基板とショットキー接合をなす第2のドレイン領域、及び前記半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第2の電子伝導型電界効果トランジスタと、前記第2の電子伝導型電界効果トランジスタとドレイン領域を共有し、前記第2の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を前記半導体基板上に備える第2の正孔伝導型電界効果トランジスタとを備える第2の相補型電界効果トランジスタ、及び
    前記第2の相補型電界効果トランジスタと前記第2のドレイン領域を共有する電界効果トランジスタからなる第2のトランスファーゲートを備え、
    前記第1の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は前記第2のドレイン領域に接続され、前記第2の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は前記第1のドレイン領域に接続されていることを特徴とするスタティックランダムアクセスメモリ。
  2. 半導体基板とショットキー接合をなす第1のドレイン領域、及び前記半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第1の電子伝導型電界効果トランジスタと、前記第1の電子伝導型電界効果トランジスタと第1のドレイン領域を共有し、前記第1の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を備える第1の正孔伝導型電界効果トランジスタと、前記第1のドレイン領域上に誘電体層を介して形成された、前記第1の電子伝導型電界効果トランジスタ及び前記第1の正孔伝導型電界効果トランジスタのゲート電極を接続する配線とを備える第1相補型電界効果トランジスタ、及び
    前記半導体基板とショットキー接合をなす第2のドレイン領域、及び前記半導体基板上に形成されたゲート電極を備える第2の電子伝導型電界効果トランジスタと、前記第2の電子伝導型電界効果トランジスタと前記第2のドレイン領域を共有し、前記第2の電子伝導型電界効果トランジスタと共通化されたゲート電極を備える第2の正孔伝導型電界効果トランジスタと、前記第2のドレイン領域上に誘電体層を介して形成された、前記第2の電子伝導型電界効果トランジスタと前記第2の正孔伝導型電界効果トランジスタのゲート電極を接続する配線とを備える第2の相補型電界効果トランジスタを具備し、
    前記第1の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は前記第2のドレイン領域に接続され、前記第2の相補型電界効果トランジスタの共通ゲート電極は前記第2のドレイン領域に接続されていることを特徴とするスタティックランダムアクセスメモリ。
  3. 前記第1及び第2のドレイン領域は一体の金属性材料膜よりなることを特徴とする請求項1または2に記載のスタティックランダムアクセスメモリ。
  4. 前記第1及び第2のドレイン領域の金属性材料の仕事関数は、真性半導体のエネルギーバンドギャップの中央よりも高く、前記第1及び第2のドレイン領域は前記半導体基板に形成された正孔伝導型の半導体領域に包含されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のスタティックランダムアクセスメモリ。
  5. 前記第1及び第2のドレイン領域の金属性材料の仕事関数が、真性半導体のエネルギーバンドギャップの中央よりも低く、前記第1及び第2のドレイン領域は前記半導体基板に形成された電子伝導型の半導体領域に包含されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のスタティックランダムアクセスメモリ。
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