JP2007141958A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、メモリを持つ半導体装置に関する。詳しくは、この発明は、半導体基板上に第1の絶縁膜、第1の半導体層、第2絶縁膜および第2の半導体層がこの順に形成されており、第2の半導体層に形成されたフローティングのチャネルボディとこのチャネルボディの表面側に形成されたチャネルを形成するためのゲートとを有するMISFETにより構成されるメモリセルを持ち、このメモリセルに対応した第1の半導体層に基板バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部を備えることによって、メモリ領域以外の特性に影響を与えることなく、他のメモリセルの読み書きの動作時に、チャネルボディに蓄積された多数キャリアが減少することを抑制し得る半導体装置に係るものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a memory. Specifically, in the present invention, a first insulating film, a first semiconductor layer, a second insulating film, and a second semiconductor layer are formed in this order on a semiconductor substrate, and are formed in the second semiconductor layer. A memory cell composed of a MISFET having a floating channel body and a gate for forming a channel formed on the surface side of the channel body is provided, and a substrate bias voltage is applied to a first semiconductor layer corresponding to the memory cell. By providing a bias voltage application unit for applying a voltage, it is possible to suppress a decrease in majority carriers accumulated in the channel body during read / write operations of other memory cells without affecting characteristics other than the memory region. This relates to a semiconductor device.
従来、SOI(Silicon On Insulator)基板に形成し得るメモリとして、FBC(Floating Body transistor Cell)メモリが提案されている。 Conventionally, an FBC (Floating Body Transistor Cell) memory has been proposed as a memory that can be formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
図16は、通常のSOI基板30の構造を示している。このSOI基板30は、シリコン基板31上に、絶縁膜32を介してシリコン層(シリコン単結晶膜)33が形成された構造となっている。このSOI基板は、周知のSIMOX(Separation by IMplanted OXygen)法、貼り合わせ法などで製造される。
FIG. 16 shows a structure of a
図17は、上述のFBCメモリを構成するメモリセルであるFBCメモリセルMC(b)の原理的構成を示している。シリコン基板301上に、シリコン酸化膜などの絶縁膜302を介してp型シリコン層303が形成された、SOI基板が用いられている。
FIG. 17 shows a principle configuration of an FBC memory cell MC (b) that is a memory cell constituting the above-described FBC memory. An SOI substrate in which a p-
シリコン層303をチャネルボディとして、その表面にゲート絶縁膜304を介してゲート電極305が形成され、絶縁膜302に達する深さにソース拡散層306およびドレイン拡散層307が形成されて、メモリセルMC(b)としてのnチャネルMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)が構成されている。
Using the
各メモリセルMC(b)は、それぞれ、素子分離されたフローティングのチャネルボディをもってマトリックス配列されて、図18に示すように、セルアレイ308が構成される。この場合、ドレイン307はビット線BLに、ゲート電極305はワード線WLに、ソース306は固定電位線、例えば接地線に接続される。
Each memory cell MC (b) is arranged in a matrix with floating channel bodies that are separated from each other, and a cell array 308 is formed as shown in FIG. In this case, the
このメモリセルMC(b)の動作原理は、MISFETのチャネルボディ(p型シリコン層303)の多数キャリアであるホール蓄積を利用する。すなわち、MISFETを5極管動作させることにより、ドレイン307から大きなチャネル電流を流し、ドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こす。
The operation principle of the memory cell MC (b) utilizes hole accumulation, which is the majority carrier of the channel body (p-type silicon layer 303) of the MISFET. That is, by operating the MISFET as a pentode, a large channel current flows from the
このインパクトイオン化により生成された過剰の多数キャリア(ホール)をチャネルボディに保持させ、その状態を例えばデータ“1”とする。ドレイン307とチャネルボディの間に順方向電流を流して、チャネルボディの過剰ホールをドレインに放出させた状態をデータ“0”とする。
Excess majority carriers (holes) generated by the impact ionization are held in the channel body, and the state is set to, for example, data “1”. Data “0” is defined as a state in which a forward current is caused to flow between the
データ“0”,“1”は、チャネルボディの電位の差であり、MISFETのしきい値の差として記憶される。すなわち、図19に示すように、ホール蓄積によりチャネルボディ電位Vbodyの高いデータ“1”状態のしきい値Vth1は、チャネルボディ電位の低いデータ“0”状態のしきい値Vth0より低い。 Data “0” and “1” are channel body potential differences, and are stored as MISFET threshold differences. That is, as shown in FIG. 19, the threshold value Vth1 in the data “1” state where the channel body potential Vbody is high due to hole accumulation is lower than the threshold value Vth0 in the data “0” state where the channel body potential is low.
チャネルボディにホールが蓄積されたデータ“1”を安定に保持するためには、ワード線WLに与える電圧VWLを負に保持することが好ましい。このデータ保持状態は、逆データの書き込み動作を行わない限り、読み出し動作を行っても変わらない。すなわち、キャパシタの電荷保持を利用する1トランジスタ/1キャパシタのDRAMと異なり、非破壊読み出しが可能である。 In order to stably hold the data “1” in which holes are accumulated in the channel body, it is preferable to hold the voltage VWL applied to the word line WL negative. This data holding state does not change even if a read operation is performed unless a reverse data write operation is performed. That is, unlike a one-transistor / one-capacitor DRAM that uses capacitor charge retention, nondestructive reading is possible.
データの読み出しは、基本的に、メモリセルMC(b)の導通度の差を検出することにより行われる。ワード線電圧VWLとボディ電位Vbodyの関係が、上述の図19に示すようになるので、例えばワード線WLにデータ“0”,“1”のしきい値Vth0,Vth1の中間の読み出し電圧を与えて、メモリセルの電流の有無を検出すれば、データ検出ができる。あるいは、ワード線WLにしきい値Vth0,Vth1を越える電圧を与えて、メモリセルの電流の大小を検出すれば、データ検出ができる。 Data reading is basically performed by detecting a difference in conductivity between the memory cells MC (b). Since the relationship between the word line voltage VWL and the body potential Vbody is as shown in FIG. 19 described above, for example, an intermediate read voltage between threshold values Vth0 and Vth1 of data “0” and “1” is applied to the word line WL. Thus, data can be detected by detecting the presence or absence of current in the memory cell. Alternatively, data can be detected by applying a voltage exceeding the threshold values Vth0 and Vth1 to the word line WL and detecting the magnitude of the current of the memory cell.
図20A,Bは、メモリセルMC(b)の書き込み動作を示している。図20Aは、データ“1”の書き込み動作を示しており、ワード線(ゲート)WLに高い正電圧を印加した状態で、ビット線(ドレイン)BLに高い正電圧を印加し、上述したようにドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こし、チャネルボディにホールを蓄積する。図20Bは、データ“0”の書き込み動作を示しており、ワード線(ゲート)WLに高い正電圧を印加した状態で、ビット線(ドレイン)BLに負電圧を印加し、チャネルボディ(p型シリコン層303)とドレイン307との間のpn接合を順方向バイアスし、チャネルボディ303からホールを排出する。
20A and 20B show the write operation of the memory cell MC (b). FIG. 20A shows a write operation of data “1”. In the state where a high positive voltage is applied to the word line (gate) WL, a high positive voltage is applied to the bit line (drain) BL, and as described above. Impact ionization occurs near the drain junction, accumulating holes in the channel body. FIG. 20B shows a write operation of data “0”. In the state where a high positive voltage is applied to the word line (gate) WL, a negative voltage is applied to the bit line (drain) BL, and the channel body (p-type) is applied. The pn junction between the silicon layer 303) and the
図21A,Bは、メモリセルMC(b)の読み出し動作を示している。図21Aは、データ“1”およびデータ“0”の読み出し動作を示しており、ワード線(ゲート)WLに高い正電圧を印加した状態で、ビット線(ドレイン)BLにインパクトイオン化でデータが破壊されないように、低い正電圧を印加する。図21Bは、読み出し時における、ドレイン電流Idsとゲート電圧Vgsの関係を示している。例えば、ワード線WLにしきい値Vth0,Vth1を越える電圧VWLreadを与え、このしきい値Vth0,Vth1の差に対応するドレイン電流差ΔIds(=I1−I0)をセンスアンプで検知し、データ“0”,“1”を識別する。 21A and 21B show the read operation of the memory cell MC (b). FIG. 21A shows a read operation of data “1” and data “0”. The data is destroyed by impact ionization on the bit line (drain) BL in a state where a high positive voltage is applied to the word line (gate) WL. Apply a low positive voltage to avoid this. FIG. 21B shows the relationship between the drain current Ids and the gate voltage Vgs at the time of reading. For example, a voltage VWLread exceeding the threshold values Vth0 and Vth1 is applied to the word line WL, a drain current difference ΔIds (= I1−I0) corresponding to the difference between the threshold values Vth0 and Vth1 is detected by a sense amplifier, and data “0” is detected. "," 1 "is identified.
上述したメモリセルMC(b)は、他の部分のデータの読み書きを行う動作時、すなわちワード線(ゲート)WLに負電圧を印加しているとき、ビット線(ドレイン)BLの電圧変化に応じて、チャネルボディに蓄積されているホールが減少する現象(MOSトランジスタにおけるパス・ゲート・リーケージ現象)が発生する。 The memory cell MC (b) described above responds to the voltage change of the bit line (drain) BL during the operation of reading / writing data of other parts, that is, when a negative voltage is applied to the word line (gate) WL. As a result, a phenomenon that holes accumulated in the channel body decrease (pass / gate leakage phenomenon in the MOS transistor) occurs.
図18に示すように、セルアレイ308は、複数個のメモリセルMC(b)がマトリックス配列され、各メモリセルMC(b)のドレイン307は列毎にビット線BLに接続されると共に、各メモリセルMC(b)のゲート電極305は行毎にワード線WLに接続されている。
As shown in FIG. 18, in the cell array 308, a plurality of memory cells MC (b) are arranged in a matrix, and the
例えば、ワード線WL-2に高い正電圧を印加し、ビット線BL-2に正、負電圧を印加してデータ“1”,“0”を書き込み対象のメモリセルMC(b)-mにデータを書き込むとき、このビット線BL-2に接続されているその他のメモリセルMC(b)-sのドレイン電圧が変動してゲートにリーク電流が流れることから、当該メモリセルMC(b)-sのチャネルボディにホールが蓄積されていた場合、そのホールがチャネルボディから流れ出ていく。 For example, a high positive voltage is applied to the word line WL-2, a positive and negative voltage is applied to the bit line BL-2, and data “1” and “0” are applied to the memory cell MC (b) -m to be written. When data is written, the drain voltage of the other memory cell MC (b) -s connected to the bit line BL-2 fluctuates and a leak current flows to the gate, so that the memory cell MC (b)- When holes are accumulated in the channel body of s, the holes flow out of the channel body.
そこで、例えば特許文献1には、チャネルボディ(p型シリコン層)の裏面に絶縁膜を介して容量結合するn+型層からなる補助ゲートを有する構成とし、この補助ゲートに基板バイアス電圧(負の電圧)を印加してホール保持の安定化を図ることが提案されている。
Therefore, for example, in
しかし、特許文献1の構成では、通常のSOI基板(図16参照)のシリコン基板に対して基板バイアス電圧を与える構成である。例えばSOC(System On Chip)デバイスにおいて、メモリ領域でない他の領域にもメモリ領域と同じ基板バイアス電圧が印加されることになり、メモリ領域とメモリ領域でない他の領域とで最適な基板バイアス電圧が異なっている場合には、それぞれの領域で最適な特性を得ることができなくなる。
However, in the configuration of
また、特許文献1の構成では、シリコン基板に対して基板バイアス電圧を与える構成であり、基板バイアス電圧を印加する部分が露出しているため、外部環境の変化により基板バイアス電圧が変動しやすくなっている。そのため、外部環境の変化により基板バイアス電圧が変動し、メモリのデータが消失してしまうおそれがある。
Further, in the configuration of
この発明の目的は、メモリ領域以外の特性に影響を与えることなく、他のメモリセルの読み書きの動作時に、チャネルボディに蓄積された多数キャリアが減少することを抑制することにある。 An object of the present invention is to suppress a decrease in majority carriers accumulated in a channel body during read / write operations of other memory cells without affecting characteristics other than the memory region.
この発明の概念は、
半導体基板と、
上記半導体基板上に第1の絶縁膜により分離された状態で形成された第1の半導体層と、
上記第1の半導体層上に第2の絶縁膜により分離された状態で形成された第2の半導体層と、
上記第2の半導体層に形成されたフローティングのチャネルボディと、該チャネルボディの表面側に形成されたチャネルを形成するためのゲートとを有するMISFETにより構成されるメモリセルと、
上記メモリセルに対応した上記第1の半導体層に基板バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と
を備えることを特徴とする半導体装置にある。
The concept of this invention is
A semiconductor substrate;
A first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate separated by a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and separated by a second insulating film;
A memory cell composed of a MISFET having a floating channel body formed in the second semiconductor layer and a gate for forming a channel formed on the surface side of the channel body;
And a bias voltage applying unit that applies a substrate bias voltage to the first semiconductor layer corresponding to the memory cell.
この発明においては、半導体基板上に、第1の絶縁膜、第1の半導体層、第2の絶縁膜および第2の半導体層がこの順に形成された、2層の絶縁膜を有するSOI基板が用いられる。1つのメモリセルは1つのMISFETにより構成される。このMISFETは、第2の半導体層に形成されたフローティングのチャネルボディと、このチャネルボディの表面側に形成されたチャネルを形成するためのゲートとを有している。 In the present invention, there is provided an SOI substrate having a two-layer insulating film in which a first insulating film, a first semiconductor layer, a second insulating film, and a second semiconductor layer are formed in this order on a semiconductor substrate. Used. One memory cell is composed of one MISFET. This MISFET has a floating channel body formed in the second semiconductor layer, and a gate for forming a channel formed on the surface side of the channel body.
メモリセルに対応した第1の半導体層に基板バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部が設けられている。この場合、第1の半導体層は第1の絶縁膜で半導体基板から分離されており、半導体基板に基板バイアス電圧を印加するものでないことから、メモリ領域以外の特性に影響を与えることなく、他のメモリセルの読み書きの動作時にチャネルボディに蓄積された多数キャリアが減少することを抑制できる。またこの場合、半導体基板に基板バイアス電圧を印加するものではなく、この半導体基板上に第1の絶縁膜で分離された状態で形成された第1の半導体層に基板バイアス電圧を印加するものであり、基板バイアス印加部分が露出しておらず、外部環境が変化しても基板バイアス電圧はその影響を受けにくく、外部環境の変化に起因する基板バイアスの変動、さらにはメモリのデータの消失を回避できる。 A bias voltage applying unit that applies a substrate bias voltage to the first semiconductor layer corresponding to the memory cell is provided. In this case, since the first semiconductor layer is separated from the semiconductor substrate by the first insulating film and does not apply the substrate bias voltage to the semiconductor substrate, the first semiconductor layer is not affected by the characteristics other than the memory region. It is possible to suppress the decrease of majority carriers accumulated in the channel body during the read / write operation of the memory cell. In this case, the substrate bias voltage is not applied to the semiconductor substrate, but the substrate bias voltage is applied to the first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate while being separated by the first insulating film. Yes, the substrate bias application part is not exposed, and even if the external environment changes, the substrate bias voltage is not easily affected, and fluctuations in the substrate bias due to changes in the external environment, as well as the loss of memory data Can be avoided.
例えば、メモリセルが存在するメモリ領域と他の領域とにおける第1の半導体層を分離する局所絶縁膜が備えられる。これにより、メモリ領域とその他の領域とが分離され、それぞれ第1の半導体層に最適な基板バイアス電圧を印加可能となる。 For example, a local insulating film that separates the first semiconductor layer in the memory region where the memory cell exists and other regions is provided. As a result, the memory region and the other regions are separated, and an optimum substrate bias voltage can be applied to each first semiconductor layer.
メモリ領域には、複数個のメモリセルがマトリックス状に配列され、各MISFETの、ドレインはビット線に接続され、ゲートはワード線に接続され、ソースは固定電位線に接続されてセルアレイが構成されている。そして、バイアス電圧印加部により第1の半導体層に印加される基板バイアス電圧は、非書き込み時および非読み出し時には、チャネルボディに蓄積された多数キャリアの減少を抑制し得る第1の値とされる。これにより、他のメモリセルの読み書きの動作時にチャネルボディに蓄積された多数キャリアの減少を抑制できる。 In the memory region, a plurality of memory cells are arranged in a matrix, and each MISFET has a drain connected to a bit line, a gate connected to a word line, and a source connected to a fixed potential line to form a cell array. ing. The substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is a first value that can suppress a decrease in majority carriers accumulated in the channel body at the time of non-writing and non-reading. . Thereby, it is possible to suppress a decrease in majority carriers accumulated in the channel body during the read / write operation of other memory cells.
例えば、バイアス電圧印加部により第1の半導体層に印加される基板バイアス電圧は、データ“0”,“1”の書き込み時、あるいはデータ“1”の書き込み時には、書き込みに適した第2の値とされる。これにより、書き込み時にビット線(ドレイン)BLに印加する電圧を低くでき、同一のビット線BLに接続されている書き込み対象でないメモリセル部分でパス・ゲート・リーケージ現象を生じにくくできる。 For example, the substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is a second value suitable for writing when writing data “0”, “1”, or writing data “1”. It is said. As a result, the voltage applied to the bit line (drain) BL at the time of writing can be lowered, and the pass-gate leakage phenomenon can be hardly caused in the memory cell portion connected to the same bit line BL and not to be written.
また例えば、バイアス電圧印加部により第1の半導体層に印加される基板バイアス電圧は、書き込み時および読み出し時に書き込みに適した第2の値とされる。この場合、チャネルボディに蓄積された多数キャリアの保持に適した電圧でない時間が長くなるが、基板バイアス電圧の切り換え周波数を低くできる。 Further, for example, the substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is a second value suitable for writing at the time of writing and reading. In this case, the time that is not a voltage suitable for holding the majority carriers accumulated in the channel body becomes longer, but the switching frequency of the substrate bias voltage can be lowered.
また例えば、バイアス電圧印加部に接続される基板バイアス線は、ワード線と平行に配置される。これにより、レイアウトが簡単となる。 Further, for example, the substrate bias line connected to the bias voltage application unit is arranged in parallel with the word line. This simplifies the layout.
この発明によれば、半導体基板上に第1の絶縁膜、第1の半導体層、第2絶縁膜および第2の半導体層がこの順に形成されており、第2の半導体層に形成されたフローティングのチャネルボディとこのチャネルボディの表面側に形成されたチャネルを形成するためのゲートとを有するMISFETにより構成されるメモリセルを持ち、このメモリセルに対応した第1の半導体層に基板バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部を備えるものであり、メモリ領域以外の特性に影響を与えることなく、他のメモリセルの読み書きの動作時に、チャネルボディに蓄積された多数キャリアが減少することを抑制できる。 According to the present invention, the first insulating film, the first semiconductor layer, the second insulating film, and the second semiconductor layer are formed in this order on the semiconductor substrate, and the floating formed in the second semiconductor layer. Having a memory cell having a channel body and a gate for forming a channel formed on the surface side of the channel body, and applying a substrate bias voltage to the first semiconductor layer corresponding to the memory cell. A bias voltage applying unit for applying is provided, and it is possible to suppress a decrease in majority carriers accumulated in the channel body during the read / write operation of other memory cells without affecting characteristics other than the memory region.
この発明の実施の形態について説明する。図1は、この発明を適用し得るSOC(System On Chip)デバイス100を示している。このSOCデバイス100は、2個のCPU(Central Processing Unit)101A,101Bと、DRAM(Dynamic Random Access Memory)102と、ROM(Read Only Memory)103と、ロジックIC104と、アナログIC105と、シリアルI/Fユニット106と、パラレルI/Fユニット107と、光ポート108とを備えたシステムLSI(Large Scale Integrated circuit)である。このSOCデバイス100の光ポート108には外部との通信のために光ファイバ110が接続されている。
An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows an SOC (System On Chip)
このSOCデバイス100は、二重SOI基板10に形成されている。図2は、二重SOI基板10の構造を示している。この二重SOI基板は、シリコン基板11上に絶縁膜12を介してシリコン層(シリコン単結晶膜)13が形成され、さらにこのシリコン層13の上に絶縁膜14を介してシリコン層(シリコン単結晶膜)15が形成された構造となっている。ここで、シリコン基板11は半導体基板を構成し、絶縁膜12は第1の絶縁膜を構成し、シリコン層13は第1の半導体層を構成し、絶縁膜14は第2の絶縁膜を構成し、シリコン層15は第2の半導体層を構成している。
This
この二重SOI基板10は、例えば、(1)SIMOX法、(2)張り合わせ(研磨)法、(3)張り合わせ(スマートカット)法等により製造される。
The
(1)SIMOX法による二重SOI基板の製造工程を説明する。 (1) A manufacturing process of a double SOI substrate by the SIMOX method will be described.
まず、図3Aに示すように、SOI基板を用意する。このSOI基板は、シリコン基板11に、絶縁膜12、例えばシリコン酸化膜を介して、シリコン層16が形成されたものである。このシリコン層16の厚さは、エピタキシャル成長工程などにより必要とする厚さとする。
First, as shown in FIG. 3A, an SOI substrate is prepared. This SOI substrate is obtained by forming a
次に、図3Bに示すように、シリコン層16の表面から高エネルギーで高濃度の酸素イオンを注入する。
Next, as shown in FIG. 3B, oxygen ions having a high energy and a high concentration are implanted from the surface of the
次に、図3Cに示すように、高温アニール処理を施し、注入された酸素イオンとシリコンとを反応させて、シリコン層内にシリコン酸化膜からなる絶縁膜14を生成する。
Next, as shown in FIG. 3C, a high-temperature annealing process is performed to react the implanted oxygen ions with silicon, thereby generating an insulating
このようにシリコン層内に絶縁膜14が生成されることで、シリコン基板11の上に、絶縁膜12、シリコン層13、絶縁膜14およびシリコン層15がこの順に形成された二重SOI基板10が得られる。
Thus, by generating the insulating
次に、図3Dに示すように、シリコン層15の厚さを所望の厚さに調整する。例えば、エピタキシャル成長工程により厚くし、あるいは熱酸化膜の形成およびエッチングの工程により薄くする。
Next, as shown in FIG. 3D, the thickness of the
(2)張り合わせ(研磨)法による二重SOI基板の製造工程を説明する。 (2) A manufacturing process of a double SOI substrate by a bonding (polishing) method will be described.
まず、図4Aに示すように、SOI基板を用意する。このSOI基板は、シリコン基板11に、絶縁膜12、例えばシリコン酸化膜を介して、シリコン層13が形成されたものである。そして、シリコン層13の表面に、熱酸化によりシリコン酸化膜17を形成する。シリコン層13の厚さは、エピタキシャル成長工程などにより必要とする厚さとする。
First, as shown in FIG. 4A, an SOI substrate is prepared. This SOI substrate is obtained by forming a
また、図4Bに示すように、シリコン基板18を用意し、その表面に熱酸化によりシリコン酸化膜19を形成する。
Further, as shown in FIG. 4B, a
次に、図4Cに示すように、図4Aで用意したSOI基板に、図4Bで用意したシリコン基板18を貼り合わせる。この場合、SOI基板のシリコン酸化膜17にシリコン基板18のシリコン酸化膜19が重ねられ、加熱加圧により接合される。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、図4Dに示すように、表面側のシリコン層18の厚さを、CMP(Chemical Mechanical Polishing)による研磨で所望の厚さに調整する。これにより、シリコン基板11の上に、絶縁膜12、シリコン層13、絶縁膜14およびシリコン層15がこの順に形成された二重SOI基板10が得られる。
Next, as shown in FIG. 4D, the thickness of the
(3)貼り合わせ(スマートカット)による二重SOI基板の製造工程を説明する。 (3) A manufacturing process of a double SOI substrate by bonding (smart cut) will be described.
まず、図5Aに示すように、SOI基板を用意する。このSOI基板は、シリコン基板11に、絶縁膜12、例えばシリコン酸化膜を介して、シリコン層13が形成されたものである。そして、シリコン層13の表面に、熱酸化によりシリコン酸化膜20を形成する。シリコン層13の厚さは、エピタキシャル成長工程などにより必要とする厚さとする。
First, as shown in FIG. 5A, an SOI substrate is prepared. This SOI substrate is obtained by forming a
また、図5Bに示すように、シリコン基板21を用意する。そして、このシリコン基板21に水素イオンを注入して基板分離位置を規定する。
Further, as shown in FIG. 5B, a
次に、図5Cに示すように、図5Aで用意したSOI基板に、図5Bで用意したシリコン基板21を貼り合わせる。この場合、SOI基板のシリコン酸化膜17にシリコン基板の表面が重ねられ、加熱加圧により接合される。
Next, as shown in FIG. 5C, the
次に、図5Dに示すように、イオン注入された水素が集中することによる基板の分離現象が生じる温度に加熱することにより、シリコン基板21を基板分離位置でカットして分離する。そして、図5Eに示すように、シリコン基板21の分離位置を研磨して仕上げをする。これにより、シリコン基板11の上に、絶縁膜12、シリコン層13、絶縁膜14およびシリコン層15がこの順に形成された二重SOI基板10が得られる。
Next, as shown in FIG. 5D, the
なお、上述の貼り合わせ(研磨)法におけるシリコン基板18、あるいは上述の貼り合わせ(スマートカット)法におけるシリコン基板21の代わりに、ゲルマニウム、歪みシリコン、シリコン−ゲルマニウム等からなる基板を使用して、二重SOI基板10と同様の基板を製造し、二重SOI基板10の代わりに用いることもできる。また、SIMOX法におけるシリコン層16の代わりにゲルマニウム、歪みシリコン、シリコン−ゲルマニウム等の半導体層が形成されたものを用い、この半導体層内に絶縁膜14を形成し、二重SOI基板10と同様の基板を製造し、二重SOI基板10の代わりに用いることも考えられる。
In place of the
図6は、上述したSOCデバイス100のDRAM102を構成するメモリセルであるFBCメモリセルMCの構成を示している。上述したように、シリコン基板11上に絶縁膜12、シリコン層13、絶縁膜14およびシリコン層15がこの順に形成された、二重SOI基板が用いられている。シリコン層15はp型シリコン層とされている。
FIG. 6 shows a configuration of an FBC memory cell MC that is a memory cell constituting the
そして、シリコン層15をチャネルボディとして、その表面にゲート絶縁膜44を介してゲート電極45が形成され、絶縁膜14に達する深さにソース拡散層46およびドレイン拡散層47が形成されて、メモリセルMCとしてのnチャネルMISFETが構成されている。
Then, with the
また、シリコン層15および絶縁膜14を貫通した状態で、多結晶シリコン等からなるコンタクトプラグ48が埋め込まれている。このコンタクトプラグ48は、絶縁膜12と絶縁膜14との間に存在するシリコン層13に電気的に接続されている。このコンタクトプラグ48は、シリコン層13に基板バイアス電圧を印加するためのバイアス電圧印加部を構成している。
A
なお、このコンタクトプラグ48からチャネルボディに基板バイアス電圧が印加されないように、チャネルボディとコンタクトプラグ48との間に局所絶縁膜49が形成されている。
A local insulating
DRAM102を構成する各メモリセルMCは、それぞれ、素子分離されたフローティングのチャネルボディをもってマトリックス配列され、図7に示すように、セルアレイ51が構成される。この場合、ドレイン47はビット線BLに、ゲート電極45はワード線WLに、ソース46は固定電位線SL、例えば接地線に、さらにコンタクトプラグ48が基板バイアス線VLに接続される。なお、図7には、固定電位線SLの図示を省略している。
Each memory cell MC constituting the
各メモリセルMCに対応したシリコン層13には、ワード線単位で、基板バイアス電圧が印加される。そのため、各メモリセルMCに対応したシリコン層13をワード線単位で分離する、ワード線WL方向に伸びた局所絶縁膜50が形成されている。
A substrate bias voltage is applied to the
メモリセルMCの書き込み、読み出しの動作は、上述したメモリセルMC(b)の書き込み、読み出しの動作と同様であるので、その説明については省略する。 Since the writing and reading operations of the memory cell MC are the same as the writing and reading operations of the memory cell MC (b) described above, description thereof is omitted.
各メモリセルMCに対応したシリコン層13に印加される基板バイアス電圧について説明する。
The substrate bias voltage applied to the
非書き込み時および非読み出し時には、シリコン層13に印加される基板バイアス電圧(基板バイアス線VLに印加される電圧)は、チャネルボディに蓄積された多数キャリアであるホールの減少を抑制し得る第1の値、例えば−1Vとする。この第1の値は、他の部分のデータの読み書きを行う動作時に、ビット線(ドレイン)BLの電圧変化があっても、チャネルボディに蓄積されているホールが減少する現象(パス・ゲート・リーケージ現象)を生じにくくできる電圧値である。
At the time of non-writing and non-reading, the substrate bias voltage (voltage applied to the substrate bias line VL) applied to the
また、書き込み時、読み出し時に関しては、例えば、以下の(1)〜(3)のいずれかに設定する。 For writing and reading, for example, the following (1) to (3) are set.
(1)図8に示すように、データ“1”,“0”の書き込み時には、シリコン層13に印加される基板バイアス電圧を、書き込みに適した第2の値、例えば0Vとする。
(1) As shown in FIG. 8, when data “1” and “0” are written, the substrate bias voltage applied to the
(2)図9に示すように、データ“1”の書き込み時には、シリコン層13に印加される基板バイアス電圧を、書き込みに適した第2の値、例えば0Vとする。
(2) As shown in FIG. 9, when data “1” is written, the substrate bias voltage applied to the
これら(1)、(2)の場合、データ“1”,“0”の書き込み時を除き、あるいはデータ“1”の書き込み時を除き、基板バイアス電圧は、チャネルボディに蓄積されたホールの減少を抑制し得る、上述の第1の値、例えば0Vとされる。そのため、ビット線(ドレイン)BLの電圧変化があっても、基板バイアス電圧が第2の値にある場合に比較して、パス・ゲート・リーケージ現象が生じにくくなる。 In these cases (1) and (2), except when data “1” and “0” are written, or except when data “1” is written, the substrate bias voltage decreases the number of holes accumulated in the channel body. The above-mentioned first value, for example, 0 V, can be suppressed. Therefore, even if the voltage of the bit line (drain) BL changes, the pass-gate leakage phenomenon is less likely to occur than when the substrate bias voltage is at the second value.
また、(1)、(2)の場合、データ“1”,“0”の書き込み時、あるいはデータ“1”の書き込み時に、基板バイアス電圧は、書き込みに適した第2の値とされる。そのため、データの書き込みを行う際のビット線BLの電圧を低く設定でき、データの書き込みを行いたくないワード線WLに接続されている部分でのパス・ゲート・リーケージ現象はより生じにくくなる。 In the case of (1) and (2), the substrate bias voltage is set to the second value suitable for writing when data “1” and “0” are written or when data “1” is written. For this reason, the voltage of the bit line BL when data is written can be set low, and the pass-gate leakage phenomenon is less likely to occur in the portion connected to the word line WL where data writing is not desired.
(3)図10に示すように、データの書き込み時および読み出し時には、シリコン層13に印加される基準バイアス電圧を、書き込みに適した第2の値、例えば0Vとする。
(3) As shown in FIG. 10, at the time of data writing and reading, the reference bias voltage applied to the
この場合、(1)、(2)の場合に比べて、基板バイアス電圧がチャネルボディに蓄積されたホールの保持に適した値でない時間が長くなる。しかし、基板バイアス電圧の切り換え周波数を、(1)、(2)の場合に比べて格段に低くできる。 In this case, as compared with the cases (1) and (2), the time when the substrate bias voltage is not a value suitable for holding the holes accumulated in the channel body becomes longer. However, the switching frequency of the substrate bias voltage can be remarkably lowered as compared with the cases (1) and (2).
絶縁膜14は、上述したようにSIMOX法、あるいは貼り合わせ法により形成されるので、ゲート酸化膜44よりも厚くなることが一般的であることをふまえると、この(3)の場合は、高速記録再生を実現するために適した基板バイアス電圧の印加方法となる。
As described above, since the insulating
次に、ビット線BLとワード線WLに対する基板バイアス線VLの配置方法を説明する。 Next, a method of arranging the substrate bias line VL with respect to the bit line BL and the word line WL will be described.
本実施の形態においては、上述したように、固定電位線SL、ビット線BLおよびワード線WLに加えて、基板バイアス線VLの接続が必要である。この場合、図11に示すように、固定電位線SLとビット線BLとを平行に配置することで、同時に駆動されるワード線WLと基板バイアス線VLとを平行に配置することを容易としている。これに対して、図12に示すように、固定電位線SLとビット線BLとを直交して配置すると、ワード線WLと基板バイアス線VLとを平行に配置するためには、より複雑なレイアウトが必要となる。 In the present embodiment, as described above, the substrate bias line VL needs to be connected in addition to the fixed potential line SL, the bit line BL, and the word line WL. In this case, as shown in FIG. 11, by arranging the fixed potential line SL and the bit line BL in parallel, it is easy to arrange the word line WL and the substrate bias line VL that are driven simultaneously in parallel. . On the other hand, as shown in FIG. 12, if the fixed potential line SL and the bit line BL are arranged orthogonally, a more complicated layout is required to arrange the word line WL and the substrate bias line VL in parallel. Is required.
上述したように、メモリセルMCに対応したシリコン層13にコンタクトプラグ48を介して基板バイアス電圧を印加する構成となっている。シリコン層13は絶縁膜122でシリコン基板11から分離されており、シリコン基板11に基板バイアス電圧を印加するものでないことから、メモリセルMCが存在するメモリ領域以外の特性に影響を与えることなく、他のメモリセルMCの読み書きの動作時にチャネルボディに蓄積された多数キャリアが減少することを抑制できる。
As described above, the substrate bias voltage is applied to the
また、シリコン基板11に基板バイアス電圧を印加するものではなく、このシリコン基板11上に絶縁膜12で分離された状態で形成されたシリコン層13に基板バイアス電圧を印加するものであり、基板バイアス印加部分が露出しておらず、外部環境が変化しても基板バイアス電圧はその影響を受けにくく、外部環境の変化に起因する基板バイアスの変動、さらにはメモリのデータの消失を回避できる。
Further, the substrate bias voltage is not applied to the
図1に示すSOCデバイス100では、少なくとも、DRAM102が存在するメモリ領域とその他の領域との間でシリコン層13を分離する局所絶縁膜55が設けられている。図13は、DRAM102が形成されたメモリ領域と、ロジックIC104、アナログIC105が形成されたロジック/アナログ領域の部分を示している。メモリ領域に対応したシリコン層13には、上述したように、コンタクトプラグ48により、ワード線WLの単位で、基板バイアス電圧が印加される。また、ロジック/アナログ領域には、メモリ領域のコンタクトプラグ48と同様に形成されたコンタクトプラグ56により、所定の基板バイアス電圧が印加される。
In the
このように、メモリ領域とその他の領域との間にシリコン層13を分離する局所絶縁膜が55が備えられることで、メモリ領域とその他の領域とに対応したシリコン層13にそれぞれ最適な基板バイアスを印加することが可能となり、SOCデバイス100の最高特性を得ることが可能となる。
As described above, since the local insulating
また、図1に示すSOCデバイス100では、例えばCPU101AとCPU101Bとの間は光導波路を使用した光通信が行われる。本実施の形態において、図14に示すように、光通信のための光導波路61は、絶縁膜12、シリコン層13および絶縁膜14を用いて形成される。この図14では、メモリ領域に隣接して光導波路領域が存在するものとして示した。この場合、絶縁膜12,14に挟まれるシリコン層13に、光導波路61としての肉厚部が形成されている。シリコン(Si)の屈折率は3.5であり、二酸化シリコン(SiO2)の屈折率は1.5であることから、絶縁膜12、シリコン層13および絶縁膜14によって光導波路61を形成できる。なお、この光導波路領域に対応したシリコン層13には基板バイアス電圧は印加されない。
In the
ここで、図15を参照して、SIMOX法で製造する場合における光導波路61の製造工程を説明する。この図15において、図3と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明は省略する。 Here, with reference to FIG. 15, the manufacturing process of the optical waveguide 61 in the case of manufacturing by the SIMOX method will be described. In FIG. 15, portions corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
まず、図15Aに示すように、SOI基板を用意する。このSOI基板は、シリコン基板11に、絶縁膜12、例えばシリコン酸化膜を介して、シリコン層16が形成されたものである。このシリコン層16の厚さは、エピタキシャル成長工程などにより必要とする厚さとする。
First, as shown in FIG. 15A, an SOI substrate is prepared. This SOI substrate is obtained by forming a
次に、図15Bに示すように、熱酸化により、シリコン層16の表面にシリコン酸化膜22を形成する。そして、パターニングを行って、図15Cに示すように、二酸化シリコンからなる、光導波路パターンに対応したマスクを23を形成する。
Next, as shown in FIG. 15B, a silicon oxide film 22 is formed on the surface of the
次に、図15Dに示すように、シリコン層16上にマスク23が配置された状態で、酸素イオンを注入する。この場合、マスク23が配置された部分ではこのマスク23でイオン速度が減速されるため酸素イオンが浅く注入され、一方マスク23が配置されていない部分では酸素イオンが深く注入される。
Next, as shown in FIG. 15D, oxygen ions are implanted in a state where the
次に、図15Eに示すように、シリコン層16に酸素イオンが注入されたSOI基板に高温アニール処理を施し、注入された酸素イオンとシリコンとを反応させて、シリコン層内にシリコン酸化膜(絶縁膜)14を生成し、絶縁膜(シリコン酸化膜)12、シリコン層13および絶縁膜(シリコン酸化膜)14からなる光導波路61を形成する。なお、マスク23は、アニール処理前または後、あるいはある程度アニールを行った後に除去される。
Next, as shown in FIG. 15E, the SOI substrate in which oxygen ions are implanted in the
この発明は、メモリ領域以外の特性に影響を与えることなく、他のメモリセルの読み書きの動作時にチャネルボディに蓄積された多数キャリアが減少することを抑制でき、メモリ(DRAM)を持つ半導体装置に適用できる。 The present invention can suppress a decrease in majority carriers accumulated in a channel body during read / write operations of other memory cells without affecting characteristics other than the memory region, and a semiconductor device having a memory (DRAM). Applicable.
10・・・二重SOI基板、11・・・シリコン基板、12,14・・・絶縁膜、13,15・・・シリコン層、44・・・ゲート酸化膜、45・・・ゲート電極、46・・・ソース拡散層、47・・・ドレイン拡散層、48,56・・・コンタクトプラグ、49,50,55・・・局所絶縁膜、51・・・セルアレイ、61・・・光導波路、100・・・SOCデバイス、101A,101B・・・CPU、102・・・RAM
DESCRIPTION OF
Claims (7)
上記半導体基板上に第1の絶縁膜により分離された状態で形成された第1の半導体層と、
上記第1の半導体層上に第2の絶縁膜により分離された状態で形成された第2の半導体層と、
上記第2の半導体層に形成されたフローティングのチャネルボディと、該チャネルボディの表面側に形成されたチャネルを形成するためのゲートとを有するMISFETにより構成されるメモリセルと、
上記メモリセルに対応した上記第1の半導体層に基板バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加部と
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first semiconductor layer formed on the semiconductor substrate separated by a first insulating film;
A second semiconductor layer formed on the first semiconductor layer and separated by a second insulating film;
A memory cell composed of a MISFET having a floating channel body formed in the second semiconductor layer and a gate for forming a channel formed on the surface side of the channel body;
And a bias voltage applying unit that applies a substrate bias voltage to the first semiconductor layer corresponding to the memory cell.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, further comprising a local insulating film that separates the first semiconductor layer in a memory region in which the memory cell exists and another region.
上記バイアス電圧印加部により上記第1の半導体層に印加される基板バイアス電圧は、非読み出し時および非書き込み時には、上記チャネルボディに蓄積された多数キャリアの減少を抑制し得る第1の値とされる
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 A plurality of the memory cells are arranged in a matrix, each MISFET has a drain connected to a bit line, a gate connected to a word line, and a source connected to a fixed potential line to form a cell array.
The substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is a first value that can suppress a decrease in majority carriers accumulated in the channel body during non-reading and non-writing. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, wherein the substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is a second value suitable for writing at the time of writing.
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is set to a second value suitable for writing when data “1” is written. Semiconductor device.
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein a substrate bias voltage applied to the first semiconductor layer by the bias voltage application unit is a second value suitable for writing during writing and reading. 5. .
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3, wherein a substrate bias line connected to the bias voltage application unit is disposed in parallel with the word line.
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