JP2010192625A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device.
従来から、SOI構造(Silicon on Insulator)を有するMOSFETが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。ここで、SOI構造とは、絶縁膜上にシリコン薄膜(SOI層)を積層した構造であり、SOI構造を有するMOSFET(以下、SOI−MOSFETともいう。)とは、このSOI層に形成されたMOSFETのことである。SOI−MOSFETは、接合容量の低減と、低閾値電圧による動作電圧の低下とを可能にするという特徴を有し、低消費電力による動作が要求される各種回路を実現する技術として注目されている。このようなSOI−MOSFETには、バルク型のMOSFETのチャネル領域に相当する領域に、シリコン層からなるボディ領域が形成されている。このボディ領域に、多数キャリアが存在する中性領域があるか否かによって、SOI−MOSFETの特性は異なったものとなる。ここで、ボディ領域に中性領域が存在するものは部分空乏型(PD:Partially Depleted)と呼ばれ、中性領域が存在しないものは完全空乏型(FD:Fully Depleted)と呼ばれている。 Conventionally, a MOSFET having an SOI structure (Silicon on Insulator) is known (see, for example, Patent Document 1). Here, the SOI structure is a structure in which a silicon thin film (SOI layer) is stacked on an insulating film, and a MOSFET having an SOI structure (hereinafter also referred to as SOI-MOSFET) is formed in this SOI layer. It is a MOSFET. The SOI-MOSFET has a feature that enables a reduction in junction capacitance and a reduction in operating voltage due to a low threshold voltage, and has attracted attention as a technique for realizing various circuits that require operation with low power consumption. . In such an SOI-MOSFET, a body region made of a silicon layer is formed in a region corresponding to the channel region of the bulk MOSFET. Depending on whether or not there is a neutral region where majority carriers exist in this body region, the characteristics of the SOI-MOSFET differ. Here, the case where the neutral region exists in the body region is called a partially depleted type (PD), and the case where the neutral region does not exist is called a fully depleted type (FD).
完全空乏型のSOI−MOSFET(以下、FD−SOI−MOSFETともいう。)は、バルク型と比べてS値が小さいため、オフ(off)リーク電流を増加させずに閾値電圧を低く設定することができ、低消費電力化に適している。その反面、SOI層に要求される薄膜化が厳しく、膜厚の均一化が難しいため、閾値電圧がばらつき易いというデメリットがある。これに対して、部分空乏型のSOI−MOSFET(以下、PD−SOI−MOSFETともいう。)は、SOI層の膜厚に製造上のマージンがあり、バルク型と同じプロセスを使うことができる、という大きな利点がある。また、完全空乏型と同様、接合容量も低いため、高速動作、低消費電力が可能である。 A fully-depleted SOI-MOSFET (hereinafter also referred to as FD-SOI-MOSFET) has a smaller S value than a bulk type, and therefore, a threshold voltage is set low without increasing an off-leakage current. Suitable for low power consumption. On the other hand, since the thinning required for the SOI layer is severe and it is difficult to make the film thickness uniform, there is a demerit that the threshold voltage tends to vary. On the other hand, a partially depleted SOI-MOSFET (hereinafter also referred to as PD-SOI-MOSFET) has a manufacturing margin in the film thickness of the SOI layer, and can use the same process as the bulk type. There is a big advantage. Further, like the fully depleted type, the junction capacitance is low, so that high speed operation and low power consumption are possible.
さらに、PD−SOI−MOSFETには、ボディ領域をソース領域に電気的に接続してその電位を固定したもの(いわゆる、ボディタイ型)と、ボディ領域を他の領域と電気的に接続しないでその電位を浮遊させたもの(いわゆる、フローティングボディ型)とがある。ボディタイ型はキャリアの逃げ場があるので空乏層が拡がりやすく、その特性はバルク型に近いものとなる。一方、フローティングボディ型はキャリアの逃げ場がないので空乏層は拡がりにくく、その特性は完全空乏型に近いものとなる。さらに、素子端子数が少なく、占有面積が小さくて済むため、PD−SOI−MOSFETの小型化と低コスト化が可能である。
また、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETを、分周回路を含むディジタル回路に適用することが知られている(例えば、特許文献1、2参照。)。フローティングボディ型を採用することにより、デザインルール上最小のMOSFETを実現することができ、接合容量の低減を理想的に行うことができる。
Further, in the PD-SOI-MOSFET, the body region is electrically connected to the source region and the potential is fixed (so-called body tie type), and the body region is not electrically connected to other regions. There is a floating type (so-called floating body type). The body tie type has a carrier escape area, so that the depletion layer easily spreads, and its characteristics are close to those of the bulk type. On the other hand, since the floating body type has no escape space for carriers, the depletion layer is difficult to expand, and its characteristics are close to those of the complete depletion type. Further, since the number of element terminals is small and the occupation area is small, the PD-SOI-MOSFET can be reduced in size and cost.
In addition, it is known that a floating body type PD-SOI-MOSFET is applied to a digital circuit including a frequency divider (see, for example,
ところで、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETは、SOI層の基板浮遊効果のため、その電気的特性に不安定性がある。即ち、PD−SOI−MOSFETのうち、ボディタイ型のId−Vg特性はヒステリシスを示さないが、フローティングボディ型のId−Vgはヒステリシスを示す。ここで、Idとはソース領域とドレイン領域との間に流れる電流(即ち、ドレイン電流)のことであり、Vgとはゲート電極に印加される電圧(即ち、ゲート電圧)のことである。Id−Vg特性は、電流−電圧特性、又は、伝達特性とも呼ばれている。また、ヒステリシス(即ち、ヒストリー効果)とは、MOSFETの状態が、現在印加されている電圧だけでなく、過去に印加された電圧に依存して変化する性質のことである。 By the way, the floating body type PD-SOI-MOSFET has instability in its electrical characteristics due to the substrate floating effect of the SOI layer. That is, in the PD-SOI-MOSFET, the body tie type Id-Vg characteristic does not show hysteresis, but the floating body type Id-Vg shows hysteresis. Here, Id is a current (ie, drain current) flowing between the source region and the drain region, and Vg is a voltage applied to the gate electrode (ie, gate voltage). The Id-Vg characteristic is also called a current-voltage characteristic or a transfer characteristic. The hysteresis (that is, the history effect) is a property that the state of the MOSFET changes depending on not only the currently applied voltage but also the voltage applied in the past.
図13(a)及び(b)は、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETについて伝達特性を測定した際の、測定結果と測定条件とを示す図である。図13(a)の横軸はゲート電圧(Vg)を示し、縦軸はドレイン電流(Id)を示す。ここでは、図13(b)に示すように、ソース領域とドレイン領域との間にドレイン電圧Vd=0.5[V]を印加し、この状態でゲート電極にゲート電圧Vgを印加した。ゲート電圧Vgの値を−2[V]から2[V]まで徐々に上昇させ、その後、2[V]から−2[V]まで徐々に下降させた。本発明では、インパクトイオナイゼーションが発生しない低電圧駆動(<0.8V)領域を対象にしている。 FIGS. 13A and 13B are diagrams showing measurement results and measurement conditions when the transfer characteristics of the floating body type PD-SOI-MOSFET are measured. In FIG. 13A, the horizontal axis indicates the gate voltage (Vg), and the vertical axis indicates the drain current (Id). Here, as shown in FIG. 13B, the drain voltage Vd = 0.5 [V] is applied between the source region and the drain region, and the gate voltage Vg is applied to the gate electrode in this state. The value of the gate voltage Vg was gradually increased from −2 [V] to 2 [V], and then gradually decreased from 2 [V] to −2 [V]. The present invention is directed to a low voltage drive (<0.8 V) region where impact ionization does not occur.
図13(a)に示すように、ゲート電圧Vgの上昇時に測定される伝達特性と、下降時に測定される伝達特性は、線形領域において一致していない。例えば、Vg=0〜0.5[V]付近では、ゲート電圧Vgが同一の値であっても、ドレイン電流Idは上昇時の方が下降時よりも大きい。このように、フローティングボディ型の伝達特性は、電圧の印加方法(電圧の上昇、下降や、その変化スピード)に依存して変化し、ヒステリシスを示す。 As shown in FIG. 13A, the transfer characteristic measured when the gate voltage Vg rises does not match the transfer characteristic measured when the gate voltage Vg falls. For example, in the vicinity of Vg = 0 to 0.5 [V], even when the gate voltage Vg is the same value, the drain current Id is larger when rising than when falling. As described above, the transfer characteristics of the floating body type change depending on the voltage application method (voltage increase / decrease and change speed thereof) and exhibit hysteresis.
しかしながら、従来の半導体装置では、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETが分周回路などに適用されてはいたものの、個々のPD−SOI−MOSFETにおける基板浮遊状態の違いを考慮した回路設計がなされていなかった。換言すると、同一のパターンで、同一の条件で形成されたフローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETは、回路内での位置付け(即ち、電圧の印加状態)に関わりなく、その電気的特性の不安定性は同じである、ということを前提に、回路設計がされていた。 However, in the conventional semiconductor device, although the floating body type PD-SOI-MOSFET is applied to a frequency divider circuit or the like, the circuit design is made in consideration of the difference in the floating state of the substrate in each PD-SOI-MOSFET. It wasn't. In other words, floating body type PD-SOI-MOSFETs formed with the same pattern and under the same conditions are unstable in their electrical characteristics regardless of their position in the circuit (that is, voltage application state). The circuit design was based on the premise that they are the same.
例えば、分周回路を構成する、準スタティック型Tフリップフロップにおいて、セット(S)端子やリセット(XR)端子にゲート電極が接続され、回路動作時に固定電位が印加されてオフするフローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETと、交流電圧又はパルス電圧(以下、これらを振幅電圧ともいう。)が入力される入力端子にゲート電極が接続され、回路動作時にオン(On)/オフ(Off)を繰り返すフローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETは、同一のパターンで、且つ、同一の条件で形成されていた。 For example, in a quasi-static type T flip-flop that constitutes a frequency divider, a gate electrode is connected to a set (S) terminal or a reset (XR) terminal, and a floating body type that is turned off by applying a fixed potential during circuit operation A gate electrode is connected to a PD-SOI-MOSFET and an input terminal to which an alternating voltage or a pulse voltage (hereinafter also referred to as an amplitude voltage) is input, and repeats ON (On) / OFF (Off) during circuit operation. The floating body type PD-SOI-MOSFET was formed in the same pattern and under the same conditions.
このような分周回路は、例えば、集積回路の一部として発振回路や、制御回路等と共にSOI基板に形成されているが、回路動作時は、個々のPD−SOI−MOSFETに対する電圧の印加状態がそれぞれ異なる。このため、個々のPD−SOI−MOSFETの基板浮遊状態(即ち、ボディ領域の電位の状態)は、回路動作を開始してから、それぞれ異なったものとなる。つまり、個々のPD−SOI−MOSFETの電気的特性は、回路動作を開始してから、それぞれ異なる変化を示すようになる。
従来の半導体装置では、この点が回路設計に考慮されていないので、回路動作時に発振・分周の回路動作マージンが変化してしまい、分周回路の分周抜け等の不具合が発生してしまう可能性があった。
Such a frequency dividing circuit is formed on an SOI substrate together with an oscillation circuit, a control circuit, etc. as a part of an integrated circuit, for example. During circuit operation, a voltage application state to each PD-SOI-MOSFET Are different. For this reason, the substrate floating state of each PD-SOI-MOSFET (that is, the state of the potential of the body region) becomes different after the circuit operation is started. That is, the electrical characteristics of the individual PD-SOI-MOSFETs show different changes after the circuit operation is started.
In the conventional semiconductor device, this point is not taken into consideration in the circuit design, so that the circuit operation margin of oscillation / frequency division changes during circuit operation, and problems such as frequency division missing of the frequency divider circuit occur. There was a possibility.
一方、このような回路動作の不安定性を低減する一つの方法として、PD−SOI−MOSFETの電気的特性が最も好ましくない値となる場合(即ち、最悪の場合)を想定して回路設計を行う方法が考えられる。例えば、PD−SOI−MOSFETの閾値電圧が、電圧の印加状態により、最大で0.1[V]程度増加することを見出した場合には、分周回路に含まれる全てのMOSFETの閾値電圧が0.1[V]程度高い値となることを想定して、回路設計を行う。つまり、分周回路に含まれる全てのPD−SOI−MOSFETの閾値電圧にマージンを持たせる方法である。 On the other hand, as one method for reducing such instability of circuit operation, circuit design is performed assuming that the electrical characteristics of the PD-SOI-MOSFET have the most unfavorable values (that is, the worst case). A method is conceivable. For example, when the threshold voltage of the PD-SOI-MOSFET is found to increase by about 0.1 [V] at the maximum depending on the voltage application state, the threshold voltages of all the MOSFETs included in the frequency divider circuit are The circuit design is performed on the assumption that the value is about 0.1 [V] higher. That is, this is a method of providing a margin for the threshold voltages of all the PD-SOI-MOSFETs included in the frequency divider circuit.
しかしながら、この方法を用いると、動作電圧が0.5V程度の極低電圧駆動型の回路では、閾値絶対値が僅かに(例えば、0.1[V]程度)増加するだけで、オン電流値(即ち、MOSFETがオンしているときのドレイン電流値)が1桁以上も低くなり、回路が正常に動作しなくなる可能性があった。
そこで、本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、回路動作時の基板浮遊状態の違いを考慮して個々のトランジスタの閾値電圧を設定することにより、回路動作の安定性を高め、消費電力の低減を可能とした半導体装置の提供を目的とする。
However, when this method is used, in an extremely low voltage drive type circuit with an operating voltage of about 0.5 V, the on-state current value is increased only by a slight increase in the threshold absolute value (for example, about 0.1 [V]). In other words, the drain current value when the MOSFET is turned on is lowered by an order of magnitude or more, and the circuit may not operate normally.
Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and the stability of circuit operation is improved by setting the threshold voltage of each transistor in consideration of the difference in the floating state of the substrate during circuit operation. An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can increase power consumption and reduce power consumption.
・上記目的を達成するために、本発明の一形態に係る半導体装置は、絶縁層上の半導体層にそれぞれ形成された第1トランジスタ及び第2トランジスタを有する回路、を備え、前記第1トランジスタは、前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、前記第1ゲート電極の側方下の前記半導体層に形成された第1ソース領域又は第1ドレイン領域と、を含み、前記半導体層のうちの前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域とに挟まれた第1ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ、且つ、前記第1ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記第1ボディ領域は部分的に空乏化し、前記第2トランジスタは、前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、前記第2ゲート電極の側方下の前記半導体層に形成された第2ソース領域又は第2ドレイン領域と、を含み、前記半導体層のうちの前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域とに挟まれた第2ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ、且つ、前記第2ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記第2ボディ領域は部分的に空乏化し、前記第1トランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第2トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きく設定され、前記回路の動作時は、前記第1ゲート電極に固定電圧が印加されて前記第1トランジスタがオフすると共に、前記第2ゲート電極に振幅電圧が印加されて前記第2トランジスタがオン、オフを繰り返すことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a circuit including a first transistor and a second transistor formed in a semiconductor layer on an insulating layer, respectively. A first gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film, and a first source region or a first drain region formed in the semiconductor layer laterally below the first gate electrode. A first body region sandwiched between the first source region and the first drain region of the semiconductor layer is placed in an electrically floating state, and a threshold is applied to the first gate electrode. The first body region is partially depleted when a voltage is applied, and the second transistor includes a second gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film, and the second gate electrode Side of A second source region or a second drain region formed in the lower semiconductor layer, and a second body region sandwiched between the second source region and the second drain region of the semiconductor layer is The second body region is partially depleted when it is placed in an electrically floating state and a threshold voltage is applied to the second gate electrode, and the absolute value of the threshold voltage of the first transistor Is set to be larger than the absolute value of the threshold voltage of the second transistor, and during operation of the circuit, a fixed voltage is applied to the first gate electrode to turn off the first transistor, and the second gate electrode An amplitude voltage is applied to the second transistor, and the second transistor is repeatedly turned on and off.
ここで、「第1(又は、第2)ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ」とは、即ち、第1(又は、第2)トランジスタがフローティングボディ型であることを意味する。また、「第1(又は、第2)ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに第1(又は、第2)ボディ領域は部分的に空乏化し」とは、即ち、第1(又は、第2)トランジスタが部分空乏型であることを意味する。つまり、第1トランジスタと第2トランジスタは、それぞれPD−SOI−MOSFETである。 Here, “the first (or second) body region is placed in an electrically floating state” means that the first (or second) transistor is a floating body type. To do. Further, “the first (or second) body region is partially depleted when a threshold voltage is applied to the first (or second) gate electrode” means that the first (or second). 2) This means that the transistor is partially depleted. That is, each of the first transistor and the second transistor is a PD-SOI-MOSFET.
このような構成であれば、回路の動作時(以下、回路動作時ともいう。)にオン、オフを繰り返す第2トランジスタでは、第2ボディ領域の電位が一定の範囲内で安定して振動し、オン電流値及びオフリーク電流値はそれぞれ徐々に減少しながら一定の値となる。一方、回路動作時にオフする(即ち、通常オフする)第1トランジスタでは、第1ゲート電極の電位が固定されているので、第1ボディ領域の電位が第1ソース領域の電位と一致するようになる。 With such a configuration, in the second transistor that repeatedly turns on and off during circuit operation (hereinafter also referred to as circuit operation), the potential of the second body region oscillates stably within a certain range. The on-current value and the off-leakage current value are constant values while gradually decreasing. On the other hand, in the first transistor that is turned off during circuit operation (that is, normally turned off), since the potential of the first gate electrode is fixed, the potential of the first body region matches the potential of the first source region. Become.
このとき、第1トランジスタの閾値電圧の絶対値(以下、│Vth1│ともいう。)と第2トランジスタの閾値電圧の絶対値(以下、│Vth2│ともいう。)とが同じ大きさに設定されていると、ボディ領域の電位の違いから、│Vth1│は│Vth2│よりも見かけ上(即ち、相対的に)小さくなり、第1トランジスタのオフリーク電流は第2トランジスタのオフリーク電流よりも大きくなる。
しかしながら、上記の構成では、│Vth1│は│Vth2│よりも大きく設定されているので、第1トランジスタのオフリーク電流を抑制することができる。これにより、第1トランジスタのオフリーク電流値を抑制することができる。回路動作時の、第1ボディ領域と第2ボディ領域の電位の違いを考慮して、第1トランジスタと第2トランジスタの閾値電圧をそれぞれ最適化することができるので、回路動作の安定性を高めつつ、その消費電力を低減することができる。
At this time, the absolute value of the threshold voltage of the first transistor (hereinafter also referred to as | Vth1 |) and the absolute value of the threshold voltage of the second transistor (hereinafter also referred to as | Vth2 |) are set to the same magnitude. Therefore, | Vth1 | is apparently smaller (that is, relatively) than | Vth2 | due to a difference in potential of the body region, and the off-leakage current of the first transistor is larger than the off-leakage current of the second transistor. .
However, in the above configuration, | Vth1 | is set larger than | Vth2 |, so that the off-leak current of the first transistor can be suppressed. Thereby, the off-leakage current value of the first transistor can be suppressed. Considering the difference in potential between the first body region and the second body region during circuit operation, the threshold voltages of the first transistor and the second transistor can be optimized, thereby improving the stability of the circuit operation. However, the power consumption can be reduced.
なお、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETの閾値電圧は、その測定方法に依存して変化する。このため、閾値電圧の大小を比較する際は、その測定方法を定義する必要がある。つまり、nチャネル型、pチャネル型ごとに、その測定方法を一通りに決めておく必要がある。例えば、nチャネル型のMOSFETの閾値電圧は、ゲート・ソース間に使用(駆動)電圧以上の電圧を印加した後で、この印加電圧を徐々に減らして電流−電圧(DC−I−V)特性を評価することにより決定することができる。例えば、ゲート電圧Vg=0.4[V]を数〜十数秒間保持した後でゲート電圧を0.4[V]から0[V]まで下降させ、この下降の際に測定される伝達特性に基づいて、nチャネル型のMOSFETの閾値電圧を決定することができる。この時、ソースとドレイン間の電圧は、インパクトイオナイゼーションが発生しない低電圧に設定する。また、pチャネル型のMOSFETの閾値電圧は、ゲート・ソース間に使用(駆動)電圧の絶対値以上の電圧を印加した後で、この印加電圧の絶対値を徐々に減らして電流−電圧(DC−I−V)特性を評価することにより決定することができる。例えば、ゲート電圧Vg=−0.4[V]を数〜十数秒間保持した後でゲート電圧を−0.4[V]から0[V]まで上昇させ、この上昇の際に測定される伝達特性に基づいて、pチャネル型のMOSFETの閾値電圧を決定することができる。 Note that the threshold voltage of the floating body type PD-SOI-MOSFET varies depending on the measurement method. For this reason, when comparing the magnitudes of threshold voltages, it is necessary to define the measurement method. That is, it is necessary to determine the measurement method for each n-channel type and p-channel type. For example, the threshold voltage of an n-channel MOSFET is a current-voltage (DC-I-V) characteristic by gradually reducing the applied voltage after applying a voltage higher than the use (drive) voltage between the gate and source. Can be determined by evaluating. For example, after holding the gate voltage Vg = 0.4 [V] for several to several tens of seconds, the gate voltage is decreased from 0.4 [V] to 0 [V], and the transfer characteristic measured at the time of the decrease. Based on the above, the threshold voltage of the n-channel MOSFET can be determined. At this time, the voltage between the source and the drain is set to a low voltage that does not cause impact ionization. In addition, the threshold voltage of the p-channel type MOSFET is set such that, after applying a voltage higher than the absolute value of the use (drive) voltage between the gate and the source, the absolute value of the applied voltage is gradually reduced to reduce the current-voltage (DC -IV) can be determined by evaluating the characteristics. For example, after holding the gate voltage Vg = −0.4 [V] for several to several tens of seconds, the gate voltage is increased from −0.4 [V] to 0 [V], and measured at the time of this increase. Based on the transfer characteristics, the threshold voltage of the p-channel MOSFET can be determined.
また、上記の構成において、前記回路は、前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第3トランジスタ、をさらに有し、前記第3トランジスタは、前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された第3ゲート電極と、前記第3ゲート電極の側方下の前記半導体層に形成された第3ソース領域又は第3ドレイン領域と、を含み、前記半導体層のうちの前記第3ソース領域と前記第3ドレイン領域とに挟まれた第3ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ、且つ、前記第3ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記第3ボディ領域は部分的に空乏化し、前記第1トランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第3トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きく設定され、前記回路の動作時は、前記第3ゲート電極に前記固定電圧が印加されて前記第3トランジスタがオンすることを特徴としても良い。 In the above structure, the circuit further includes a third transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer, and the third transistor is formed on the semiconductor layer through a gate insulating film. A third source region of the semiconductor layer, and a third source region or a third drain region formed in the semiconductor layer laterally below the third gate electrode. And the third body region sandwiched between the third drain region and the third drain region are placed in an electrically floating state, and when the threshold voltage is applied to the third gate electrode, the third body region is The absolute value of the threshold voltage of the first transistor is set larger than the absolute value of the threshold voltage of the third transistor, and the fixed voltage is applied to the third gate electrode during operation of the circuit. Applied Wherein the third transistor is turned Te may be characterized.
ここで、「第3ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ」とは、即ち、第3トランジスタがフローティングボディ型であることを意味する。また、「第3ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに第3ボディ領域は部分的に空乏化し」とは、即ち、第3トランジスタが部分空乏型であることを意味する。つまり、第3トランジスタは、PD−SOI−MOSFETである。
このような構成であれば、第3トランジスタの閾値電圧の絶対値(以下、│Vth3│ともいう。)は、│Vth1│よりも小さいため、第1トランジスタと比べて、第3トランジスタのオン電流値を大きくすることができる。
Here, “the third body region is placed in an electrically floating state” means that the third transistor is a floating body type. Further, “the third body region is partially depleted when a threshold voltage is applied to the third gate electrode” means that the third transistor is a partially depleted type. That is, the third transistor is a PD-SOI-MOSFET.
With such a configuration, since the absolute value of the threshold voltage of the third transistor (hereinafter also referred to as | Vth3 |) is smaller than | Vth1 |, the on-current of the third transistor is smaller than that of the first transistor. The value can be increased.
また、上記の構成において、前記第1ボディ領域と、前記第2ボディ領域及び前記第3ボディ領域はそれぞれ同一導電型の不純物を含み、前記第1ボディ領域における前記不純物の濃度は、前記第2ボディ領域における前記不純物の濃度よりも高く、且つ、前記第3ボディ領域における前記不純物の濃度よりも高いことを特徴としても良い。
ここで、「導電型」とは、n型又はp型のことである。例えば、第1トランジスタ、第2トランジスタ及び第3トランジスタがそれぞれnチャネル型の場合は、第1ボディ領域におけるp型不純物(例えば、ボロン等)の濃度は、第2ボディ領域におけるp型不純物の濃度よりも高く、且つ、第3ボディ領域におけるp型不純物の濃度よりも高い。また、第1トランジスタ、第2トランジスタ及び第3トランジスタがそれぞれpチャネル型の場合は、第1ボディ領域におけるn型不純物(例えば、リン又はヒ素等)の濃度は、第2ボディ領域におけるn型不純物の濃度よりも高く、且つ、第3ボディ領域におけるn型不純物の濃度よりも高い。
In the above structure, the first body region, the second body region, and the third body region each contain impurities of the same conductivity type, and the concentration of the impurities in the first body region is the second body region. The concentration may be higher than the concentration of the impurity in the body region and higher than the concentration of the impurity in the third body region.
Here, “conductivity type” means n-type or p-type. For example, when each of the first transistor, the second transistor, and the third transistor is an n-channel type, the concentration of the p-type impurity (for example, boron) in the first body region is the concentration of the p-type impurity in the second body region. Higher than the concentration of the p-type impurity in the third body region. In the case where each of the first transistor, the second transistor, and the third transistor is a p-channel type, the concentration of the n-type impurity (for example, phosphorus or arsenic) in the first body region is the n-type impurity in the second body region. And a concentration higher than the concentration of the n-type impurity in the third body region.
このような構成であれば、第1トランジスタの閾値電圧の絶対値を、第2トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きく設定することができ、且つ、第3トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きく設定することができる。
また、上記の構成において、前記第2ボディ領域における前記不純物の濃度は、前記第3ボディ領域における前記不純物の濃度と同じであることを特徴としても良い。このような構成であれば、第2トランジスタの閾値電圧の絶対値を、第3トランジスタの閾値電圧の絶対値と同じ大きさに設定することができる。
また、上記の構成において、前記回路は、少なくとも1つ以上のフリップフロップを有する回路であり、その代表的な回路に分周回路がある。前記第1トランジスタの前記第1ゲート電極は前記フリップフロップのセット又はリセット端子に接続され、前記第2トランジスタの前記第2ゲート電極は前記フリップフロップの入力端子に接続されていることを特徴としても良い。
With such a configuration, the absolute value of the threshold voltage of the first transistor can be set larger than the absolute value of the threshold voltage of the second transistor, and more than the absolute value of the threshold voltage of the third transistor. Can be set large.
In the above structure, the concentration of the impurity in the second body region may be the same as the concentration of the impurity in the third body region. With such a configuration, the absolute value of the threshold voltage of the second transistor can be set to the same magnitude as the absolute value of the threshold voltage of the third transistor.
In the above structure, the circuit is a circuit having at least one flip-flop, and a typical circuit includes a frequency divider. The first gate electrode of the first transistor is connected to a set or reset terminal of the flip-flop, and the second gate electrode of the second transistor is connected to an input terminal of the flip-flop. good.
このような構成であれば、フリップフロップの内部で流れるオフリーク電流を小さくすることができるので、分周回路の消費電力を低減することができる。例えば、フリップフロップのセット又はリセット端子からその内部へのオフリーク電流を小さくすることができるので、分周回路のスタンドバイ時の消費電力を低減することができる。
また、上記の構成において、前記フリップフロップに含まれるトランジスタは、前記第1トランジスタと、前記第2トランジスタ及び前記第3トランジスタのみであることを特徴としても良い。このような構成であれば、トランジスタの端子数が少なく、トランジスタの占有面積が小さい分周回路を実現することができ、分周回路の低コスト化に寄与することができる。また、駆動電流のオン/オフ比が大きく、拡散容量が小さいなど、分周回路の高速化、低パワー化にも寄与することができる。
このような半導体装置は、小型・軽量のバッテリで長時間の動作が要求される時計(ウオッチ)、携帯電話、モバイルパソコン等の携帯型電子機器に適用して極めて好適である。
With such a structure, off-leakage current flowing inside the flip-flop can be reduced, so that power consumption of the divider circuit can be reduced. For example, since the off-leakage current from the flip-flop set or reset terminal to the inside thereof can be reduced, power consumption during standby of the frequency divider can be reduced.
In the above structure, the transistors included in the flip-flop may be only the first transistor, the second transistor, and the third transistor. With such a structure, a frequency divider circuit with a small number of transistors and a small area occupied by the transistor can be realized, which contributes to cost reduction of the frequency divider circuit. In addition, the ON / OFF ratio of the driving current is large and the diffusion capacitance is small, which can contribute to speeding up and lowering of the frequency dividing circuit.
Such a semiconductor device is extremely suitable for application to portable electronic devices such as a watch (watch), a mobile phone, and a mobile personal computer that require a long-time operation with a small and light battery.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その重複する説明は省略する。
<分周回路の構成例について>
図1(a)及び(b)は、本発明の実施形態に係る準スタティック型Tフリップフロップ10の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャートである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each drawing described below, parts having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted.
<Configuration example of frequency divider>
FIGS. 1A and 1B are a circuit diagram showing a configuration example of a quasi-static T flip-
図1(a)及び(b)に示すように、この準スタティック型Tフリップフロップ(以下、単にフリップフロップともいう。)10は、クロックドインバータ1、3、4、5と、インバータ2、6とを有する。クロックドインバータ1、3、4、5には、それぞれC入力端子又はXC入力端子の一方、又は両方が設けられている。ここで、C入力端子に入力される信号(以下、C入力信号ともいう。)は、クロック入力信号であり、一定の間隔でハイ(High:以下、単にhともいう。)とロウ(Low:以下、単にLともいう。)とを繰り返す信号である。また、XC入力端子に入力される信号(以下、XC入力信号)は、C入力信号のHとLとを反転させた信号である。また、インバータ2、6には、セット端子とリセット端子(図示せず)とがそれぞれ設けられている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, this quasi-static T flip-flop (hereinafter also simply referred to as flip-flop) 10 includes clocked
クロックドインバータ1、3、4、5と、インバータ2、6との接続関係を説明すると、図1(a)に示すように、クロックドインバータ1の出力端子は、インバータ2の入力端子と、クロックドインバータ3の出力端子とに接続されている。また、インバータ2の出力端子と、クロックドインバータ3の入力端子は、クロックドインバータ4の入力端子に接続されている。さらに、クロックドインバータ4の出力端子は、クロックドインバータ5の出力端子と、インバータ6の入力端子と、クロックドインバータ1の入力端子と、Q出力端子とに接続されている。また、クロックドインバータ5の入力端子とインバータ6の出力端子は、XQ出力端子に接続されている。
The connection relationship between the clocked
これにより、C入力信号に同期して、Q出力端子からQ出力信号が出力されると共に、XQ出力端子からXQ出力信号が出力される。図1(b)に示すように、Q出力信号はC入力信号と比べて周期が2倍(即ち、周波数が1/2)の信号であり、XQ出力信号はQ出力信号のHとLとを反転させた信号である。
図2は、本発明の実施形態に係る分周回路100の構成例を示す図である。図2に示すように、分周回路100は、例えば、図1に示したフリップフロップ10をn個有する。ここで、nは1、又は2以上の整数である。特に、nが2以上の場合は、分周回路100は、n個のフリップフロップ10が直列に接続された構成(即ち、フリップフロップ10がn段接続された構成)となっており、n−1個目のフリップフロップ10の出力端子Qn−1がn番目のフリップフロップ10の入力端子Cnに接続され、n−1個目のフリップフロップ10の出力端子XQn−1が、n番目のフリップフロップ10の出力端子XQnにそれぞれ接続されている。
Thus, in synchronization with the C input signal, the Q output signal is output from the Q output terminal, and the XQ output signal is output from the XQ output terminal. As shown in FIG. 1B, the Q output signal is a signal having a cycle twice that of the C input signal (that is, the frequency is ½), and the XQ output signal is the H and L of the Q output signal. Is a signal obtained by inverting.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the
これにより、クロック入力信号に同期して、分周回路100の出力端子QnからQn出力信号が出力されると共に、出力端子XQnからXQn出力信号が出力される。ここで、Qn出力信号はC1入力信号(即ち、クロック入力信号)と比べて周期が2n倍(即ち、周波数が1/2)の信号であり、XQn出力信号はQn出力信号のHとLとを反転させた信号である。このような分周回路100は、例えば、集積回路の一部として他の回路(発振回路や制御回路等)と同一のSOI基板に形成され、半導体装置に具備されている。
図3は、図1に示したフリップフロップ10を論理回路の符号を用いて示した図である。図3に示すように、インバータ2、6は、例えば、1つのAND回路と1つのNOR回路との組み合わせによりそれぞれ構成され、AND回路の入力端子にはリセット(XR)端子が接続され、NOR回路の入力端子にはセット(S)端子が接続されている。次に、フリップフロップ10が有するクロックドインバータ1、3、4、5の構成例について説明する。
Thus, in synchronism with the clock input signal, with Q n output signals from the output terminals Q n of the
FIG. 3 is a diagram showing the flip-
<クロックドインバータの構成例について>
図4(a)及び(b)は、クロックドインバータ1の構成例を示す回路図と、その動作例を示すタイミングチャートである。図4(a)に示すように、クロックドインバータ1は、nチャネル型のMOSFET11、12と、pチャネル型のMOSFET13、14と、を有する。これらの中で、MOSFET11、13はインバータ本体を構成しており、MOSFET11のソース(S)は例えば接地電位(又は、レギュレータ電位Vreg)に接続され、MOSFET13のドレイン(D)は例えば電源電位Vddに接続されている。また、これらMOSFET11、13のゲート(G)はそれぞれクロックドインバータ1の入力端子Aに接続されている。さらに、MOSFET12はMOSFET11と出力端子Bとの間に接続され、MOSFET14はMOSFET13と出力端子Bとの間に接続されている。また、MOSFET12のゲートはC入力端子に接続され、MOSFET14のゲートはXC入力端子に接続されている。
<Configuration example of clocked inverter>
4A and 4B are a circuit diagram showing a configuration example of the clocked
図4(a)及び(b)に示すように、このクロックドインバータ1では、C入力信号がH(即ち、XC入力信号がL)のときは、MOSFET12、14が共にオンするため、クロックドインバータ1は、その名のとおりインバータ(即ち、入力信号がHであればLを出力し、入力信号がLであればHを出力する素子)として機能する。一方、C入力信号がL(即ち、XC入力信号がH)のときは、MOSFET12、14が共にオフするため、MOSFET11のドレインと出力端子Bとの間が電気的に分離される共に、MOSFET13のソースと出力端子Bとの間が電気的に分離される。従って、出力端子Bの電位はそのままの状態に保持される。なお、図1に示した他のクロックドインバータ3、4、5も、例えば、図4(a)及び(b)に示したクロックドインバータ1と同じ構成を有する。次に、フリップフロップ10が有するインバータ2、6の構成例について説明する。
As shown in FIGS. 4A and 4B, in this clocked
<インバータの構成例について>
図5は、インバータ2の構成例を示す回路図である。図5に示すように、このインバータ2は、nチャネル型のMOSFET21〜23と、pチャネル型のMOSFET24〜26と、を有する。これらの中で、MOSFET21、25はインバータ本体を構成しており、MOSFET21のソース(S)は例えば接地電位(又は、Vreg)に接続され、MOSFET25のドレイン(D)は例えば電源電位Vddに接続されている。また、これらMOSFET21、25のゲート(G)はそれぞれインバータ2の入力端子Aに接続されている。さらに、MOSFET22はMOSFET21と出力端子Bとの間に接続され、MOSFET24はMOSFET25と出力端子Bとの間に接続されている。また、MOSFET22のゲートはリセット(XR)端子に接続され、MOSFET24のゲートはセット(S)端子に接続されている。さらに、MOSFET23は接地電位(又は、Vreg)と出力端子Bとの間に接続され、MOSFET26は電源電位VddとMOSFET24との間に接続されている(即ち、MOSFET25と並列に接続されている。)。また、MOSFET23のゲートはS入力端子に接続され、MOSFET26のゲートはXR入力端子に接続されている。
<Inverter configuration example>
FIG. 5 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
図5に示すように、このインバータ2では、S入力端子に入力される信号がLで、且つ、XR入力端子に入力される信号がHのときは、MOSFET22、24がオンし、MOSFET23、26がオフするため、インバータ2は、その名のとおりインバータとして機能する。一方、S入力端子に入力される信号がHで、且つ、XR入力端子に入力される信号がLのときは、MOSFET22、24がオフし、MOSFET23、26がオンするため、出力端子Bの電位は入力端子Aに入力される信号のH、Lに依存せずに、接地電位(又は、Vreg)となる。従って、B電位の初期設定が可能になる。
As shown in FIG. 5, in the
図6は、インバータ2のn型MOSFET群断面構成の一例を示す図である。図2に示すように、nチャネル型のMOSFET21は、支持基板51と、支持基板51上に形成された絶縁層52と、絶縁層52上に形成されたシリコン薄膜(SOI層)53と、を含むSOI基板50に形成されたものであり、SOI層53上にゲート絶縁膜62を介して形成されたゲート電極63と、ゲート電極63の側方下のSOI層53に形成されたn型のソース領域64又はドレイン領域65と、を有する。このnチャネル型のMOSFET21は、断面視でSOI層53の下部が絶縁層52で覆われると共に、その側方が素子分離絶縁膜54で囲まれており、周囲から素子分離されている。また、SOI層53のうちのソース領域64とドレイン領域65とに挟まれたボディ領域66は、他の端子等に接続されておらず、電気的に浮遊した状態に置かれている(即ち、フローティングボディ型)。さらに、ゲート電極63に閾値電圧が印加されたときにボディ領域66が部分的に空乏化するようになっている(即ち、部分空乏型)。つまり、ボディ領域66は空乏層66aと中性領域66bとに分かれる。このように、インバータ2が有するnチャネル型のMOSFET21は、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETとなっている。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional configuration of the n-type MOSFET group of the
また、図6に示すように、nチャネル型のMOSFET22も、SOI基板50に形成されたものであり、SOI層53上にゲート絶縁膜72を介して形成されたゲート電極73と、ゲート電極73の側方下のSOI層53に形成されたn型のソース領域74又はドレイン領域75と、を有する。このnチャネル型のMOSFET22は、断面視でSOI層53の下部が絶縁層52で覆われると共に、その側方が素子分離絶縁膜54で囲まれており、周囲から素子分離されている。また、ボディ領域76は、他の端子等に接続されておらず、電気的に浮遊した状態に置かれている(即ち、フローティングボディ型)。さらに、ゲート電極73に電圧が閾値印加されたときにボディ領域76が部分的に空乏化するようになっている(即ち、部分空乏型)。つまり、ボディ領域76は空乏層76aと中性領域76bとに分かれる。このように、インバータ2が有するnチャネル型のMOSFET22も、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETとなっている。
As shown in FIG. 6, the n-
さらに、図6に示すように、nチャネル型のMOSFET23も、SOI基板50に形成されたものであり、SOI層53上にゲート絶縁膜82を介して形成されたゲート電極83と、ゲート電極83の側方下のSOI層53に形成されたn型のソース領域84又はドレイン領域85と、を有する。このnチャネル型のMOSFET23は、断面視でSOI層53の下部が絶縁層52で覆われると共に、その側方が素子分離絶縁膜54で囲まれており、周囲から素子分離されている。また、ボディ領域86は、他の端子等に接続されておらず、電気的に浮遊した状態に置かれている(即ち、フローティングボディ型)。さらに、ゲート電極83に電圧が閾値印加されたときにボディ領域86が部分的に空乏化するようになっている(即ち、部分空乏型)。つまり、ボディ領域86は空乏層86aと中性領域86bとに分かれる。このように、インバータ2が有するnチャネル型のMOSFET23も、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETとなっている。
Further, as shown in FIG. 6, the n-
ここで、本発明の実施形態では、nチャネル型のMOSFET21〜23が、同一のパターンで、且つ、チャネルドープ以外の処理は同一の条件で形成されている。即ち、nチャネル型のMOSFET21〜23は、それぞれが互いに同一の構造に形成されているが、閾値電圧を調整するためのp型不純物(例えば、ボロン等)の濃度は異なったものとなっている。MOSFET21のチャネルが形成される領域(即ち、ボディ領域66の表面近傍であってゲート電極63直下の領域)に含まれるp型不純物の濃度をNA1、MOSFET22のチャネルが形成される領域(即ち、ボディ領域76の表面近傍であってゲート電極73直下の領域)に含まれるp型不純物の濃度をNA2、MOSFET23のチャネルが形成される領域(即ち、ボディ領域86の表面近傍であってゲート電極83直下の領域)に含まれるp型不純物の濃度をNA3としたとき、NA1〜NA3はそれぞれ、NA1<NA3、NA2<NA3の関係を満たす。なお、NA1とNA2は同一の値(即ち、NA1=NA2)であっても良いし、異なる値(即ち、NA1≠NA2)であっても良い。
Here, in the embodiment of the present invention, the n-
また、図示しないが、インバータ2が有するpチャネル型のMOSFET24〜26も、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETであり、それぞれが同一のパターンで、且つ、チャネルドープ以外の処理は同一の条件で形成されている。即ち、pチャネル型のMOSFET24〜26も、それぞれが互いに同一の構造に形成されている。また、閾値電圧を調整するためのn型不純物(例えば、リン又はヒ素等)の濃度は異なったものとなっている。MOSFET24のチャネルが形成される領域に含まれるn型不純物の濃度をND1、MOSFET25のチャネルが形成される領域に含まれるn型不純物の濃度をND2、MOSFET26のチャネルが形成される領域に含まれるn型不純物の濃度をND3としたとき、ND1〜ND3はそれぞれ、ND1<ND3、ND2<ND3の関係を満たす。なお、ND1とND2は同一の値(即ち、ND1=ND2)であっても良いし、異なる値(即ち、ND1≠ND2)であっても良い。
なお、図1に示した他のインバータ6も、例えば、図5と、図6に示したインバータ2と同じ構成を有する。また、図2に示した分周回路100では、例えば、全てのMOSFETがフローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETとなっている。
Although not shown, the p-
The
<PD−SOI−MOSFETについて>
ところで、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETでは、振幅電圧が印加されるとき、その起動初期の数秒間、閾値電圧の絶対値が低く、時間の経過と共に、閾値電圧の絶対値が高くなる傾向がある。このような閾値電圧の変動は、起動初期の数秒間は、ボディ領域のうちの中性領域とソース領域との間に順方向のバイアスが働き、ソース領域の多数キャリアが中性領域に移動して、ボディ中性領域の多数キャリアを消滅させるため、ボディ領域全体の電位が不安定となることに起因している。この点について、例えば、nチャネル型のMOSFET21を例に用いて説明する。
<About PD-SOI-MOSFET>
By the way, in the floating body type PD-SOI-MOSFET, when the amplitude voltage is applied, the absolute value of the threshold voltage tends to be low for a few seconds at the initial stage of the start-up, and the absolute value of the threshold voltage tends to increase with the passage of time. There is. Such threshold voltage fluctuation is caused by a forward bias acting between the neutral region of the body region and the source region for a few seconds at the beginning of the start-up, and majority carriers in the source region move to the neutral region. This is because the majority of the carriers in the neutral region of the body are eliminated, so that the potential of the entire body region becomes unstable. This point will be described using, for example, an n-
図7(a)〜図8(b)はボディ領域66の状態変化を示す図であり、これらのうちの各図(a)は空乏層66aと中性領域66bの広がり具合を示す概念図であり、各図(b)はボディ領域66をソース端表面から深さ方向に切断したときの切断面におけるポテンシャルエネルギー分布を深さ方向に沿って示した図である。図7(b)及び図8(b)において、横軸はポテンシャルエネルギーを示し、縦軸はボディ領域66の表面からの深さを示している。φ0は電圧が加わっていない初期のMOSFET21の表面ポテンシャルである。φfはボディ領域のフェルミレベルEfの関数で、q・Φf=Ef−Eiである。ここでEiはイントリンジックシリコンフェルミレベル、qは電子の電荷量である。2φfは閾値電圧に相当する。
FIG. 7A to FIG. 8B are diagrams showing changes in the state of the
まず、図7(a)において、ゲート電極63にゲート電圧Vgを印加すると共に、ソース領域64とドレイン領域65との間にドレイン電圧Vdを印加する。ゲート電圧Vgとドレイン電圧Vdは共に、直流電圧(即ち、周期的に方向が変化しない電圧)である。一例として、ソース領域64とドレイン領域65との間にドレイン電圧Vd=0.4[V]を印加し、この状態でゲート電圧Vgを例えば0[V]から0.4[V]にする。なお、ドレイン電圧Vdは、図5に示した電源電位Vddと、接地電位(又は、Vreg)の差に相当する。また、閾値電圧がゲート印加電圧0.4Vより小さい場合について説明する。
すると、図7(a)に示すように、ボディ領域66において空乏層66aは徐々に大きく下方へ広がり、その分だけ中性領域66bは(破線の領域から実線の領域まで)小さくなる。これを図7(b)に示す。Vgを0Vから0.4Vに上げると、空乏層はすぐには広がらないため、ボディ領域66のポテンシャルエネルギー(即ち、電位)も全体的に上昇する(過程I)。
First, in FIG. 7A, a gate voltage Vg is applied to the
Then, as shown in FIG. 7A, the
また、この過程Iでは、ボディ領域66bの電位はソース領域64の電位よりも高い。このため、図7(a)及び(b)において、p型であるボディ領域66bとn型であるソース領域64との間には順方向のバイアスが働き、ソース領域64から中性領域66bに電子eが流れ込む。その結果、中性領域66bにおいて多数キャリアであるホールhと電子eとが再結合してホールhが減少し、中性領域66bが小さくなる(即ち、空乏層66aが拡がる)ため、中性領域66bの電位が徐々に下がる(過程II)。この中性領域66bへの電子eの流れ込みは、中性領域66bの電位がソース領域64の電位とほぼ同じ大きさになるまで続く。中性領域66bの電位とソース領域64の電位がほぼ同じ大きさになると、順方向のバイアスが働かなくなるので電子eの流れ込みが止まり、中性領域66bの縮小も止まる。つまり、ソース領域64とボディ領域(空乏層66aと中性領域66b)とが平衡状態となり、ボディ領域66の電位(多数キャリア数)が安定する。起動初期の数秒間において、nチャネル型のMOSFET21がオン(On)している間は、過程Iと過程IIとが並行して進む。
In this process I, the potential of the
そして、中性領域66bの多数キャリア数が安定すると、図8(a)及び(b)に示すように、MOSFET21のオン/オフ駆動に合わせてボディ領域66の電位は全体的にシフトするようになる(過程III、IV)。これらの過程III、IVでは、中性領域66bの電位はソース領域64の電位よりも低くなり、ボディ領域66とソース領域64との間には逆方向のバイアスが働くので、ソース領域64と中性領域66bとの間で電荷eの移動は生じにくい。そのため、中性領域66bの大きさ(すなわち、多数キャリア数)はほとんど変化しない。空乏層66aと中性領域66bとが平衡状態を維持したまま、MOSFET21のオン/オフ駆動に合わせて、ボディ領域66の電位は全体的に下降、上昇を繰り返す。
When the number of majority carriers in the
図9は、MOSFET21の起動時の伝達特性を実際に測定した結果を示す図である。ここで、「伝達特性」は電流−電圧特性と呼ぶこともでき、例えばId−Vg特性のことである。Idはソース領域64とドレイン領域65との間を流れる電流(即ち、ドレイン電流)であり、Vgはゲート電極63に印加される電圧(即ち、ゲート電圧)のことである。図9において、横軸はゲート電圧Vgを示し、縦軸はドレイン電流Idを示す。ここでは、ドレイン電圧Vd=0.4[V]を維持したまま、ゲート電圧Vgを0[V]から0.4[V]まで徐々に大きくし、その後、0.4[V]から0[V]まで徐々に小さくした。
FIG. 9 is a diagram showing the results of actual measurement of the transfer characteristics when the
図9に示すように、ゲート電圧Vgを上昇させる過程で測定される伝達特性と、ゲート電圧Vgを下降させる過程で測定される伝達特性は一致していない。ドレイン電流Idの値についてVgの上昇時と下降時を比較すると、上昇時>下降時であり、この差ΔIdがヒステリシスである。
図10は、MOSFET21の安定時の伝達特性を実際に測定した結果を示す図である。図10において、横軸はゲート電圧Vgを示し、縦軸はドレイン電流Idを示す。ここでは、ゲート電圧Vg=0.4Vを数秒印加して、中性領域の多数キャリア数が安定した後ドレイン電圧Vd=0.4[V]を維持したまま、ゲート電圧を0.4[V]から0[V]まで徐々に小さくした。その後、ドレイン電圧Vd=0.4[V]を維持したまま、中性領域の多数キャリア数が安定した状態で、ゲート電圧Vgを0[V]から0.4[V]まで徐々に大きくしている。
As shown in FIG. 9, the transfer characteristic measured in the process of increasing the gate voltage Vg and the transfer characteristic measured in the process of decreasing the gate voltage Vg do not match. When the value of the drain current Id is compared between when Vg rises and when it falls, the rise time is greater than the fall time, and this difference ΔId is a hysteresis.
FIG. 10 is a diagram showing the results of actual measurement of the stable transfer characteristics of the
図10に示すように、ゲート電圧Vgを上昇させる過程で測定される伝達特性と、ゲート電圧Vgを下降させる過程で測定される伝達特性はほぼ一致している。即ち、ドレイン電流Idの値についてVgの上昇時と下降時を比較すると、上昇時≒下降時であり、ΔIdはほとんど見られない。つまり、ヒステリシスが抑えられている。
図9及び図10を比較してわかるように、ドレイン電流Idの値は起動時の方が安定時よりも高い値となっている。例えば、ゲート電圧Vg=0.4[V]の時のドレイン電流Idを比較すると、起動時のドレイン電流Idは1.0E−6[A]以上の値であるのに対して、安定時のドレイン電流Idは1.0E−6[A]以下の値である。このことから、起動時の方が安定時よりも、同じゲート電圧Vgでより大きなドレイン電流Idを流すことができ、より大きな電力を供給することができることがわかる。
As shown in FIG. 10, the transfer characteristic measured in the process of increasing the gate voltage Vg and the transfer characteristic measured in the process of decreasing the gate voltage Vg are almost the same. That is, when the value of the drain current Id is compared between when Vg rises and when it falls, the rise time is almost equal to the fall time, and ΔId is hardly seen. That is, hysteresis is suppressed.
As can be seen by comparing FIG. 9 and FIG. 10, the value of the drain current Id is higher at the time of startup than at the time of stabilization. For example, when the drain current Id when the gate voltage Vg = 0.4 [V] is compared, the drain current Id at the time of startup is 1.0E-6 [A] or more, whereas The drain current Id has a value of 1.0E-6 [A] or less. From this, it can be seen that a larger drain current Id can be caused to flow at the same gate voltage Vg and a larger amount of power can be supplied at the time of startup than at the time of stabilization.
図11(a)及び(b)は、MOSFET21を連続してオン/オフ駆動させたときのオン電流とオフリーク電流を実際に測定した結果を示す図である。図11(a)の横軸は時間を示し、縦軸はオン電流を示す。また、図11(b)の横軸は時間を示し、縦軸はオフリーク電流を示す。ここでは、ゲート電極63とドレイン領域65とを電気的に接続(即ち、短絡)すると共に、ゲート・ソース間に電圧Vgs=0.4Vを500msec間隔で印加した。
FIGS. 11A and 11B are diagrams showing the results of actual measurement of on-current and off-leakage current when
図11(a)に示すように、電圧Vgsのパルスの印加を開始すると、オン電流はパルスに合わせて徐々に減少していき、約10秒が経過した後はその値が安定したものとなった。また、オン電流に見られるヒステリシスも約10秒が経過した後はほとんど見られなくなった。同様に、図11(b)に示すように、電圧Vgsのパルスの印加を開始すると、オフリーク電流はパルスに合わせて徐々に減少していき、約10秒が経過した後はその値が安定したものとなった。つまり、MOSFET21のオン/オフ駆動を開始してから約10秒が経過すると、ヒステリシスが無くなり、そのオン/オフ比はFD−SOI−MOSFETの理想特性に近いものとなった。
As shown in FIG. 11A, when the application of the voltage Vgs pulse is started, the on-current gradually decreases with the pulse, and after about 10 seconds, the value becomes stable. It was. Also, the hysteresis seen in the on-current almost disappeared after about 10 seconds. Similarly, as shown in FIG. 11B, when the application of the pulse of the voltage Vgs is started, the off-leakage current gradually decreases with the pulse, and the value becomes stable after about 10 seconds. It became a thing. That is, when about 10 seconds have elapsed after the on / off drive of the
このように、nチャネル型のPD−SOI−MOSFET21は、起動時の方が安定時よりも、同じゲート電圧Vgでより大きなドレイン電流(即ち、オン電流、オフ電流)Idを流すことができ、より大きな電力を供給することができる。同時にリーク電流が増加する。その理由は、起動時においては、中性領域66bの電位はソース領域64の電位よりも高く、見かけ上の閾値電圧の絶対値が小さくなるからである。また、安定時においては、中性領域66bの電位はソース領域64の電位よりも小さくなり、見かけ上の閾値電圧の絶対値は大きくなる。また、ソースとボディ間では逆方向のバイアスが加わり、ソース領域64から中性領域66bに電子eが流れ込みにくくなり、中性領域66b及び空乏層領域66aの大きさがほとんど変化しなくなる。このため、ゲート電位は、空乏層を広げることなく、ソースとチャネル間の電位障壁にほとんど100%作用し、急峻なサブスレショルド電流特性を示す。
As described above, the n-channel PD-SOI-
また、このような特性は、nチャネル型だけでなく、pチャネル型のPD−SOI−MOSFETでも見られる。即ち、pチャネル型のPD−SOI−MOSFETは、起動時の方が安定時よりも、同じゲート電圧Vgでより大きなドレイン電流(即ち、オン電流、オフ電流)Idを流すことができ、より大きな電力を供給することができる。同時にリーク電流が増加する。図示しないが、pチャネル型のPD−SOI−MOSFETの起動時は、中性領域の電位はソース領域の電位よりも低く、順方向のバイアスによって、ソース領域から中性領域にホールhが流れ込んで中性領域が小さくなる。また、安定時においては、中性領域の電位はソース領域の電位よりも大きくなり、逆方向のバイアスによって、ソース領域から中性領域にホールhが流れ込みにくくなっている。これにより、pチャネル型のPD−SOI−MOSFETにおいては、起動時の閾値電圧の絶対値は、安定時の閾値電圧の絶対値よりも低い値となっている。 Such characteristics can be seen not only in the n-channel type but also in the p-channel type PD-SOI-MOSFET. That is, the p-channel PD-SOI-MOSFET can flow a larger drain current (that is, an on-current, an off-current) Id at the same gate voltage Vg at the time of start-up than when it is stable, and is larger. Electric power can be supplied. At the same time, the leakage current increases. Although not shown, when the p-channel PD-SOI-MOSFET is started, the potential of the neutral region is lower than the potential of the source region, and the hole h flows from the source region to the neutral region by the forward bias. The neutral area becomes smaller. Further, at the stable time, the potential of the neutral region becomes larger than the potential of the source region, and holes h do not easily flow from the source region to the neutral region due to the reverse bias. Thereby, in the p-channel PD-SOI-MOSFET, the absolute value of the threshold voltage at the time of activation is lower than the absolute value of the threshold voltage at the time of stabilization.
なお、PD−SOI−MOSFETでは、ゲート電圧Vgの絶対値、ドレイン電圧Vdの絶対値、又は、ゲート・ソース間電圧Vgsの絶対値、がそれぞれ0.8[V]以下、より望ましくは0.6[V]以下に設定されていることが好ましい。即ち、上記のMOSFET11〜14、21〜26では、その駆動電圧の絶対値が0.8[V]以下、より望ましくは0.6[V]以下であることが好ましい。これにより、ボディ領域において、インパクトイオナイゼーションによるペアクリエーション(即ち、電子−ホール対の生成)をそれぞれ抑制することができ、各ボディ領域の電位が意図しない方向にそれぞれ変動してしまうことを防ぐことができるので、分周回路の特性の安定化に寄与することができる。なお、駆動電圧の絶対値が0.8[V]を超えると、ボディ領域においてペアクリエーションが発生しやすくなる。
Note that in the PD-SOI-MOSFET, the absolute value of the gate voltage Vg, the absolute value of the drain voltage Vd, or the absolute value of the gate-source voltage Vgs is 0.8 [V] or less, more preferably 0. It is preferably set to 6 [V] or less. That is, in the
<インバータの動作例について>
次に、図5に示したインバータ2の動作例について説明する。
例えば、図示しない発振回路がその発振動作を開始した後、この発振回路に接続された分周回路100では、インバータ2に繋がるセット(S)端子の電位がLに固定され、リセット(XR)端子の電位がHに固定される。これにより、図5に示したnチャネル型のPD−SOI−MOSFET23と、pチャネル型のPD−SOI−MOSFET26がオフ状態となり、nチャネル型のPD−SOI−MOSFET22と、pチャネル型のPD−SOI−MOSFET24がオン状態となる。また、nチャネル型のPD−SOI−MOSFET21と、pチャネル型のPD−SOI−MOSFET25とにより、インバータ本体が構成され、これらMOSFET21、25が互いにオン/オフを繰り返す。このとき、MOSFET22、23、24、26の各ボディ領域(中性領域)の電位(以下、ボディ電位ともいう。)は、各々のソース領域の電位(以下、ソース電位ともいう。)で安定するようになる(例えば、図7(b)の過程I、IIを参照。)。即ち、nチャネル型のMOSFET22、23ボディ電位はLに固定され、pチャネル型のMOSFET24、26のボディ電位はHに固定され、それぞれ安定する。
<Operation example of inverter>
Next, an operation example of the
For example, after an oscillation circuit (not shown) starts its oscillation operation, in the
一方、インバータを構成するnチャネル型のMOSFET21と、pチャネル型のMOSFET25のそれぞれのボディ電位は、入力端子Aに印加される入力電圧(振幅電圧)の振幅に伴い振動はするものの、nチャネル型のMOSFET21のボディ電位は、ソース電位(L)とソース電位から閾値電圧分だけ低い電位との間で安定振動し、pチャネル型のMOSFET25のボディ電位はソース電位(H)とソース電位から閾値電圧分だけ高い電位との間で安定して振動する(例えば、図8(b)の過程III、IVを参照)。即ち、nチャネル型のMOSFET21のボディ電位は、そのソース電位よりも低い領域で固定電位差間を安定して振動し、pチャネル型のMOSFET25のボディ電位は、そのソース電位よりも高い領域で固定電位差間を安定して振動する。
On the other hand, the body potentials of the n-
このように、同じチャネル型のMOSFETであっても、MOSFET21のボディ電位は振動し、MOSFET22、23のボディ電位は固定されるため、MOSFET21と、MOSFET22、23とでは異なる電気的特性を示す。同様に、pチャネル型でも、MOSFET25のボディ電位は振動し、MOSFET24、26のボディ電位は固定されるため、MOSFET25と、MOSFET24、26とでは異なる電気的特性を示す。
As described above, even in the same channel type MOSFET, the body potential of the
例えば図11(a)及び(b)に示したように、nチャネル型のMOSFET21では、ゲート電極の電位(以下、ゲート電位ともいう。)が振幅してオン/オフ駆動を開始すると、オン電流値/オフリーク電流値は徐々に小さくなるが、数秒後には、オン電流値/オフリーク電流値がそれぞれ安定した値となり、安定した伝達特性が示されるようになる。一方、nチャネル型のMOSFET22では、ゲート電位が固定されているため、ボディ電位がソース電位と一致した状態で安定する。このとき、ボディ電位の違いから、MOSFET22の閾値電圧は、MOSFET21の閾値電圧よりも見かけ上小さくなり、MOSFET22のオン電流値は、MOSFET21のオン電流値と比べて増加する。同様に、pチャネル型でも、ボディ電位の違いから、MOSFET24の閾値電圧の絶対値は、MOSFET25の閾値電圧の絶対値よりも見かけ上小さくなり、MOSFET24のオン電流値は、MOSFET25のオン電流値と比べて増加する。
For example, as shown in FIGS. 11A and 11B, in the n-
なお、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETの閾値電圧は、その測定方法に依存して変化する。このため、閾値電圧の大小を比較する際は、その測定方法をチャネルごとに一通りに定める必要がある。本実施形態では、例えば、閾値電圧を下記の測定方法により求めることができる。即ち、nチャネル型のMOSFET21〜23の閾値電圧は、例えば、ゲート電圧Vg=0.4[V]を数〜十数秒間保持した後でゲート電圧を0.4[V]から0[V]まで下降させ、この下降の際に測定される伝達特性に基づいて決定することができる。また、pチャネル型のMOSFET24〜26の閾値電圧は、例えば、ゲート電圧Vg=−0.4[V]を数〜十数秒間保持した後でゲート電圧を−0.4[V]から0[V]まで上昇させ、この上昇の際に測定される伝達特性に基づいて決定することができる。
Note that the threshold voltage of the floating body type PD-SOI-MOSFET varies depending on the measurement method. For this reason, when comparing the magnitudes of the threshold voltages, it is necessary to determine the measurement method for each channel. In the present embodiment, for example, the threshold voltage can be obtained by the following measurement method. That is, the threshold voltage of the n-
また、図5に示したインバータ2では、インバータのスタンドバイ電流(即ち、オフリーク電流)の許容値の範囲内で、インバータとしての機能を成すnチャネル型のMOSFET21の閾値電圧と、pチャネル型のMOSFET25の閾値電圧の絶対値をそれぞれ低く設定して、駆動電圧を低くすることが可能である。すなわち、スタンドバイ電流・充放電動作電流共に低減できる。ここで、仮に、nチャネル型のMOSFET21〜23が同一のパターン、同一の条件にて作成されている場合は、MOSFET23のボディ電位は、MOSFET21のボディ電位よりも高い電位で固定されるため、MOSFET23のオフリーク電流はMOSFET21のオフリーク電流よりも大きく増加してしまう。このため、インバーターのスタンドバイ電流が増加してしまう。また、仮に、pチャネル型のMOSFET24〜26が同一パターン、同一条件にて作成されている場合は、MOSFET26のボディ電位は、MOSFET25のボディ電位よりも低い電位で固定されるため、MOSFET26のオフリーク電流はMOSFET25のオフリーク電流よりも大きく増加してしまう。このため、スタンドバイ電流を低減することができない。
Further, in the
しかしながら、本発明の実施形態では、nチャネル型のMOSFET23と、pチャネル型のMOSFET26のそれぞれのボディ領域の不純物濃度を上げ、閾値電圧の絶対値を例えば0.05〜0.1V程度大きくしている。このため、MOSFET23、26のオフリーク電流値は、MOSFET21、25のオフリーク電流値と同程度、若しくはそれよりも低い値とすることができる。これにより、同一チャネル型のMOSFETが同一パターン、同一条件にて作成されている場合と比べて、低いスタンドバイ電流を実現することができる。
However, in the embodiment of the present invention, the impurity concentration in the body region of each of the n-
また、本発明の実施形態では、インバータの動作開始から常時オンとなるnチャネル型のMOSFET22は、nチャネル型のMOSFET21と、同一のパターン、同一の条件にて作成されており(即ち、同一条件でチャネルドープを行っている。)、MOSFET22のボディ電位はMOSFET21のボディ電位よりも高い電位で固定されている。これにより、MOSFET22のオン電流値はMOSFET21のオン電流値に比べて大きく増加する。これは、インバータ機能の観点から抵抗となっているMOSFET22の、抵抗が小さくなることを意味するので、MOSFET21のオン/オフ遅延時間を短くすることができる。
In the embodiment of the present invention, the n-
同様に、インバータの動作開始から常時オンとなるpチャネル型のMOSFET24も、pチャネル型のMOSFET25と、同一のパターン、同一の条件にて作成されており、MOSFET24のボディ電位はMOSFET25のボディ電位よりも低い電位で固定されている。これにより、MOSFET24のオン電流値はMOSFET25のオン電流値に比べて大きく増加するので、MOSFET21のオン/オフ遅延時間を短くすることができる。その結果、MOSFET21、25の駆動電圧を下げても、分周抜けなどの不具合が回避でき、0.3V程度の超低電圧での分周回路正常駆動が可能になる。
Similarly, the p-
なお、図1に示したインバータ6も、例えば、図5に示したインバータ2と同じように動作する。このため、フリップフロップ10、及び、このフリップフロップ10を備えた分周回路100において、待機時及び動作時の消費電力をそれぞれ低減することができる。
このように、本発明の実施形態によれば、回路動作時にオン、オフを繰り返すPD−SOI−MOSFET21、25では、ボディ電位が一定の範囲内で安定して振動し、オン電流値及びオフリーク電流値はそれぞれ徐々に減少しながら一定の値となる。一方、オフの状態を維持するPD−SOI−MOSFET23、26では、ゲート電位が固定されているので、ボディ電位がソース領域の電位と一致するようになる。
Note that the
Thus, according to the embodiment of the present invention, in the PD-SOI-
ここで、本発明の実施形態によれば、MOSFET23、26の閾値電圧の絶対値は、例えばチャネルドープの条件を変えることにより、MOSFET21、25の閾値電圧の絶対値よりも大きく設定されている。このため、MOSFET23、26のオフリーク電流値を抑制することができ、分周回路の待機時及び動作時の消費電力をそれぞれ低減することができる。回路動作時のボディ電位の違いを考慮して、個々のMOSFETの閾値電圧を最適化することができるので、回路動作の安定性を高めつつ、あるいは、低電圧での回路動作を可能にしつつ、その消費電力を低減することができる。
Here, according to the embodiment of the present invention, the absolute value of the threshold voltage of the
即ち、本発明は、分周回路の動作時には、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFETのボディ電位は各々安定し、各々異なるボディ電位を有する発見に基づいている。本発明では、集積回路を構成する個々のMOSFETの基板浮遊状態(ボディ電位)には安定状態があることを明らかにし、個々の基板浮遊安定状態の違いを考慮して、個々のMOSFETの閾値電圧を最適化した回路設計を行う。これにより、回路動作の不安定性を回避することができ、また、低スタンドバイ電流と0.5V以下の超低電圧駆動を可能とすることができる。 That is, the present invention is based on the discovery that the body potentials of the floating body type PD-SOI-MOSFETs are stable and have different body potentials when the frequency divider circuit operates. In the present invention, it is clarified that the substrate floating state (body potential) of each MOSFET constituting the integrated circuit has a stable state, and the threshold voltage of each MOSFET is considered in consideration of the difference in each substrate floating stable state. Optimize circuit design. Thereby, instability of circuit operation can be avoided, and a low standby current and an ultra-low voltage drive of 0.5 V or less can be realized.
この実施形態では、SOI層53が本発明の「半導体層」に対応し、分周回路100が本発明の「回路」に対応している。また、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFET23、26が本発明の「第1トランジスタ」に対応し、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFET21、25が本発明の「第2トランジスタ」に対応し、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFET22、24が本発明の「第3トランジスタ」に対応している。さらに、ゲート電極83が本発明の「第1ゲート電極」に対応し、ソース領域84又はドレイン領域85が本発明の「第1ソース領域又は第1ドレイン領域」に対応し、ボディ領域86が本発明の「第1ボディ領域」に対応している。また、ゲート電極63が本発明の「第2ゲート電極」に対応し、ソース領域64又はドレイン領域65が本発明の「第2ソース領域又は第2ドレイン領域」に対応し、ボディ領域66が本発明の「第2ボディ領域」に対応している。さらに、ゲート電極73が本発明の「第3ゲート電極」に対応し、ソース領域74又はドレイン領域75が本発明の「第3ソース領域又は第3ドレイン領域」に対応し、ボディ領域76が本発明の「第3ボディ領域」に対応している。
In this embodiment, the
なお、上記の実施形態では、インバータ2、6がセット(S)端子とリセット(XR)端子の両方を有する場合について説明したが、本発明はこれに限られることはない。例えば、図12に示すように、インバータ2は、フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFET21、22、25、26と、リセット(XR)端子と、入力端子A、Bのみを有する構成であっても良い。即ち、セット(S)端子は無くても良い。インバータ6についても同様である。このような構成であっても、MOSFET26の閾値電圧の絶対値を、MOSFET25の閾値電圧の絶対値よりも高く設定することにより、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, the case where the
1、3、4、5 クロックドインバータ、2、6 インバータ、10 準スタティック型Tフリップフロップ、11〜14、21〜26 フローティングボディ型のPD−SOI−MOSFET、50 SOI基板、51 支持基板、52 絶縁層、53 SOI層、54 素子分離絶縁膜、62、72、82 ゲート絶縁膜、63、73、83 ゲート電極、64、74、84 ソース領域、65、75、85 ドレイン領域、66、76、86 ボディ領域、66a、76a、86a 空乏層、66b、76b、86b 中性領域、100 分周回路 1, 3, 4, 5 clocked inverter, 2, 6 inverter, 10 quasi-static type T flip-flop, 11-14, 21-26 floating body type PD-SOI-MOSFET, 50 SOI substrate, 51 support substrate, 52 Insulating layer, 53 SOI layer, 54 Element isolation insulating film, 62, 72, 82 Gate insulating film, 63, 73, 83 Gate electrode, 64, 74, 84 Source region, 65, 75, 85 Drain region, 66, 76, 86 Body region, 66a, 76a, 86a Depletion layer, 66b, 76b, 86b Neutral region, 100 frequency divider
Claims (6)
前記第1トランジスタは、
前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の側方下の前記半導体層に形成された第1ソース領域又は第1ドレイン領域と、を含み、
前記半導体層のうちの前記第1ソース領域と前記第1ドレイン領域とに挟まれた第1ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ、且つ、前記第1ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記第1ボディ領域は部分的に空乏化し、
前記第2トランジスタは、
前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、
前記第2ゲート電極の側方下の前記半導体層に形成された第2ソース領域又は第2ドレイン領域と、を含み、
前記半導体層のうちの前記第2ソース領域と前記第2ドレイン領域とに挟まれた第2ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ、且つ、前記第2ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記第2ボディ領域は部分的に空乏化し、
前記第1トランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第2トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きく設定され、
前記回路の動作時は、
前記第1ゲート電極に固定電圧が印加されて前記第1トランジスタがオフすると共に、前記第2ゲート電極に振幅電圧が印加されて前記第2トランジスタがオン、オフを繰り返すことを特徴とする半導体装置。 A circuit having a first transistor and a second transistor respectively formed in a semiconductor layer on an insulating layer,
The first transistor includes:
A first gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
A first source region or a first drain region formed in the semiconductor layer under the side of the first gate electrode,
A first body region sandwiched between the first source region and the first drain region of the semiconductor layer is placed in an electrically floating state, and a threshold voltage is applied to the first gate electrode. When applied, the first body region is partially depleted,
The second transistor is
A second gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
A second source region or a second drain region formed in the semiconductor layer under the side of the second gate electrode,
A second body region sandwiched between the second source region and the second drain region of the semiconductor layer is placed in an electrically floating state, and a threshold voltage is applied to the second gate electrode. When applied, the second body region is partially depleted,
The absolute value of the threshold voltage of the first transistor is set larger than the absolute value of the threshold voltage of the second transistor;
During operation of the circuit,
A semiconductor device, wherein a fixed voltage is applied to the first gate electrode to turn off the first transistor, and an amplitude voltage is applied to the second gate electrode to repeatedly turn on and off the second transistor. .
前記絶縁層上の前記半導体層に形成された第3トランジスタ、をさらに有し、
前記第3トランジスタは、
前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された第3ゲート電極と、
前記第3ゲート電極の側方下の前記半導体層に形成された第3ソース領域又は第3ドレイン領域と、を含み、
前記半導体層のうちの前記第3ソース領域と前記第3ドレイン領域とに挟まれた第3ボディ領域は電気的に浮遊している状態に置かれ、且つ、前記第3ゲート電極に閾値電圧が印加されたときに前記第3ボディ領域は部分的に空乏化し、
前記第1トランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第3トランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きく設定され、
前記回路の動作時は、
前記第3ゲート電極に前記固定電圧が印加されて前記第3トランジスタがオンすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The circuit is
A third transistor formed in the semiconductor layer on the insulating layer;
The third transistor is
A third gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
A third source region or a third drain region formed in the semiconductor layer under the side of the third gate electrode,
A third body region sandwiched between the third source region and the third drain region of the semiconductor layer is placed in an electrically floating state, and a threshold voltage is applied to the third gate electrode. The third body region is partially depleted when applied,
The absolute value of the threshold voltage of the first transistor is set larger than the absolute value of the threshold voltage of the third transistor;
During operation of the circuit,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the third transistor is turned on by applying the fixed voltage to the third gate electrode.
前記第1ボディ領域における前記不純物の濃度は、前記第2ボディ領域における前記不純物の濃度よりも高く、且つ、前記第3ボディ領域における前記不純物の濃度よりも高いことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The first body region, the second body region, and the third body region each include impurities of the same conductivity type,
The concentration of the impurity in the first body region is higher than the concentration of the impurity in the second body region and higher than the concentration of the impurity in the third body region. The semiconductor device described.
前記第1トランジスタの前記第1ゲート電極は前記フリップフロップのセット又はリセット端子に接続され、
前記第2トランジスタの前記第2ゲート電極は前記フリップフロップの入力端子に接続されていることを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の半導体装置。 The circuit is a frequency divider having at least one flip-flop,
The first gate electrode of the first transistor is connected to a set or reset terminal of the flip-flop;
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate electrode of the second transistor is connected to an input terminal of the flip-flop. 6.
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