JP2013026470A - Semiconductor device - Google Patents

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顕人 田邊
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem in 1T-DRAM that a high GIDL current is mainly caused by a leak current at a PN junction, and it may be a cause of generating a leak current at data holding, which reduces a charge holding time in DRAM.SOLUTION: A portion of a drain diffusion layer which overlaps with a gate electrode is divided into two portions being different in impurity concentration. One portion of the two portions is lower in impurity concentration, which adjoins a body part to reduce electric field, thereby suppressing a leak current. At the other portion which is high in impurity concentration, which is insulated from the body part, a relatively large tunnel effect is available at an interface to a gate insulating layer. As a result, while GIDL current is increased, a leak current caused by PN junction is suppressed, to allow extension of the data holding time.

Description

本発明は、半導体装置に係り、特に、ダイナミックランダムアスセスメモリ構造を有する半導体装置に係る。   The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a dynamic random access memory structure.

DRAM(Dynamic Random Access Memory:ダイナミックランダムアクセスメモリ)の一種として、1T−1C−DRAM(1 Transistor 1 Condenser DRAM:1トランジスタ1コンデンサDRAM)や、1T−DRAM(1 Transistor DRAM:1トランジスタDRAM)が知られている。   As a kind of DRAM (Dynamic Random Access Memory), 1T-1C-DRAM (1 Transistor 1 Condenser DRAM: 1 transistor 1 capacitor DRAM) and 1T-DRAM (1 Transistor DRAM: 1 transistor DRAM) are known. It has been.

現在一般的な1T−1C−DRAMでは、1ビットごとにトランジスタおよびコンデンサが1つずつ用いられる。しかし、このコンデンサの存在が、さらなる微細化を困難にしている。   In the current general 1T-1C-DRAM, one transistor and one capacitor are used for each bit. However, the existence of this capacitor makes further miniaturization difficult.

そこで、コンデンサを必要とせず、1ビット毎にトランジスタを1つだけ用いる1T−DRAMが注目されている。1T−DRAMには、DRAM単体でも使用可能でありながら、論理回路とDRAM(Dynamic Random Access Memory:ダイナミックランダムアクセスメモリ)を同じプロセスで形成する混載SoC(System On Chip:システムオンチップ)としても使用可能であるという利点がある。   Therefore, 1T-DRAM that uses only one transistor per bit without requiring a capacitor has been attracting attention. 1T-DRAM can be used as a single DRAM, but it can also be used as an embedded SoC (System On Chip) that forms a logic circuit and DRAM (Dynamic Random Access Memory) in the same process. There is an advantage that it is possible.

1T−DRAMにおいて、ビット状態「1」を書き込む際に、ゲートをオフ状態にして、GIDL(Gate Induced Drain Leakage:ゲート誘起ドレインリーク)電流によって発生するホールをボディに蓄積させる技術が知られている。このことは、非特許文献1(Eiji Yoshida et al., “A Design of a Capacitorless 1T−DRAM Cell Using Gate−induced Drain Leakage (GIDL) Current for Low−power and High−speed Embeded Memory,” IEDM Tech. Dig., pp. 913−916, 2003.)に開示されている。   In 1T-DRAM, a technique is known in which when a bit state “1” is written, a gate is turned off and holes generated by a GIDL (Gate Induced Drain Leakage) current are accumulated in the body. . This is described in Non-Patent Document 1 (Eiji Yoshida et al., “A Design of a Capacitorless 1T-DRAM Cell Using Gate-induced Drain Leakage (GIDL) Current for Low-EdM”. Dig., Pp. 913-916, 2003.).

上記に関連して、特許文献1(特開2003−31696号公報)には、半導体メモリ装置に係る記載が開示されている。この半導体メモリ装置は、以下のことを特徴とする。この半導体メモリ装置は、ゲートと、第1および第2のソース/ドレインと、フローティングのチャネルボディとを含む一つのトランジスタによりメモリセルが構成されている。ここで、第1および第2のソース/ドレインは、半導体素子形成領域に互いに離隔して形成されている。フローティングのチャネルボディは、第1の電位に設定された第1のデータ状態および第2の電位に設定された第2のデータ状態を記憶するものであり、第1ソース/ドレインと第2のソース/ドレインとに挟まれこれらと逆の導電型である。トランジスタの第1のデータ状態は、第2のソース/ドレインを基準電位とし、ゲートにチャネルをオンさせる極性の第1の制御電圧を印加し、第1のソース/ドレインに第1の制御電圧と同極性の第2の制御電圧を印加して、第1のソース/ドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こしてチャネルボディに多数キャリアを注入することにより書き込まれる。トランジスタの第2のデータ状態は、第1のソース/ドレインを基準電位とし、ゲートに第1の制御電圧を印加し、第2のソース/ドレインに第1の制御電圧と同極性の第3の制御電圧を印加して、チャネルボディの多数キャリアを第1のソース/ドレインに放出させることにより書き込まれる。   In relation to the above, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-31696) discloses a description relating to a semiconductor memory device. This semiconductor memory device is characterized by the following. In this semiconductor memory device, a memory cell is constituted by one transistor including a gate, first and second sources / drains, and a floating channel body. Here, the first and second sources / drains are formed apart from each other in the semiconductor element formation region. The floating channel body stores a first data state set to a first potential and a second data state set to a second potential, and includes a first source / drain and a second source. The conductivity type is opposite to those between the drains. In the first data state of the transistor, the second source / drain is set as a reference potential, a first control voltage having a polarity for turning on the channel is applied to the gate, and the first control voltage is applied to the first source / drain. Writing is performed by applying a second control voltage of the same polarity, causing impact ionization in the vicinity of the first source / drain junction, and injecting majority carriers into the channel body. In the second data state of the transistor, the first source / drain is a reference potential, the first control voltage is applied to the gate, and the third source having the same polarity as the first control voltage is applied to the second source / drain. Writing is performed by applying a control voltage to release majority carriers in the channel body to the first source / drain.

また、特許文献2(特開2005−51186号公報)には、半導体記憶装置に係る記載が開示されている。この半導体記憶装置は、以下のことを特徴とする。この半導体記憶装置は、絶縁膜と、第1導電型のシリコン層と、第2導電型のソース拡散層及びドレイン拡散層と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、を有している。ここで、第1導電型のシリコン層は、絶縁膜上に形成されている。第2導電型のソース拡散層及びドレイン拡散層は、絶縁膜上に形成され、それらの間にシリコン層を挟んでいる。ゲート絶縁膜は、シリコン層上に形成されている。ゲート電極は、ゲート絶縁膜上に形成されている。ドレイン拡散層は、第1の不純物拡散層と、第2の不純物拡散層とを有する。ここで、第1の不純物拡散層とは、平面視でゲート電極と重なり合い、不純物濃度が1×1019cm−3以上である。第2の不純物拡散層は、第1の不純物拡散層の下に形成され、シリコン層に接し、その不純物濃度が第1の不純物拡散層のそれよりも低い。 Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-51186) discloses a description relating to a semiconductor memory device. This semiconductor memory device is characterized by the following. The semiconductor memory device includes an insulating film, a first conductivity type silicon layer, a second conductivity type source diffusion layer and a drain diffusion layer, a gate insulating film, and a gate electrode. Here, the first conductivity type silicon layer is formed on the insulating film. The source diffusion layer and drain diffusion layer of the second conductivity type are formed on the insulating film, and a silicon layer is sandwiched between them. The gate insulating film is formed on the silicon layer. The gate electrode is formed on the gate insulating film. The drain diffusion layer has a first impurity diffusion layer and a second impurity diffusion layer. Here, the first impurity diffusion layer overlaps with the gate electrode in plan view and has an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more. The second impurity diffusion layer is formed under the first impurity diffusion layer, is in contact with the silicon layer, and has an impurity concentration lower than that of the first impurity diffusion layer.

また、特許文献3(特開2009−59859号公報)には、半導体記憶装置に係る記載が開示されている。この半導体記憶装置は、絶縁膜と、半導体層と、ソースと、ドレインと、フローティングボディと、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、ソース・ドレイン絶縁膜と、シリサイド層とを備えている。ここで、半導体層は、絶縁膜上に設けられている。ソースは、半導体層内に設けられている。ドレインは、半導体層内に設けられている。フローティングボディは、ソースとドレインとの間に設けられ、電気的に浮遊状態であり、データを格納するためにキャリアを蓄積あるいは放出する。ゲート絶縁膜は、フローティングボディ上に設けられている。ゲート電極は、ゲート絶縁膜上に設けられている。ソース・ドレイン絶縁膜は、ソースおよびドレイン上に設けられ、ゲート絶縁膜よりも薄い。シリサイド層は、ソース・ドレイン絶縁膜上に設けられている。   Patent Document 3 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-59859) discloses a description relating to a semiconductor memory device. This semiconductor memory device includes an insulating film, a semiconductor layer, a source, a drain, a floating body, a gate insulating film, a gate electrode, a source / drain insulating film, and a silicide layer. Here, the semiconductor layer is provided on the insulating film. The source is provided in the semiconductor layer. The drain is provided in the semiconductor layer. The floating body is provided between the source and the drain, is in an electrically floating state, and accumulates or emits carriers to store data. The gate insulating film is provided on the floating body. The gate electrode is provided on the gate insulating film. The source / drain insulating film is provided on the source and drain and is thinner than the gate insulating film. The silicide layer is provided on the source / drain insulating film.

特許文献2による1T−DRAMについて、より詳細に説明する。図1は、特許文献2による1T−DRAMの構成を示す断面図である。まず、図1の1T−DRAMの構成要素について説明する。図1の1T−DRAMは、シリコン基板1と、埋込酸化膜2と、P型ボディ3と、ゲート電極4と、ゲート絶縁膜5と、側壁絶縁膜6と、ソース拡散層7と、ドレイン拡散層8とを具備している。ソース拡散層7は、低濃度不純物拡散層7aと、第1の高濃度不純物拡散層7bと、第2の高濃度不純物拡散層7cとを具備している。ドレイン拡散層8は、低濃度不純物拡散層8aと、第1の高濃度不純物拡散層8bと、第2の高濃度不純物拡散層8cとを具備している。   The 1T-DRAM according to Patent Document 2 will be described in more detail. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a 1T-DRAM according to Patent Document 2. As shown in FIG. First, components of the 1T-DRAM in FIG. 1 will be described. The 1T-DRAM of FIG. 1 includes a silicon substrate 1, a buried oxide film 2, a P-type body 3, a gate electrode 4, a gate insulating film 5, a sidewall insulating film 6, a source diffusion layer 7, a drain. And a diffusion layer 8. The source diffusion layer 7 includes a low concentration impurity diffusion layer 7a, a first high concentration impurity diffusion layer 7b, and a second high concentration impurity diffusion layer 7c. The drain diffusion layer 8 includes a low-concentration impurity diffusion layer 8a, a first high-concentration impurity diffusion layer 8b, and a second high-concentration impurity diffusion layer 8c.

次に、図1の1T−DRAMの構成要素の接続関係について説明する。シリコン基板1の上には、埋込酸化膜2が積層されている。埋込酸化膜2の上には、P型ボディ3と、ソース拡散層7と、ドレイン拡散層8との集合体が積層されている。P型ボディ3と、ソース拡散層7と、ドレイン拡散層8との集合体の上には、ゲート電極4と、ゲート絶縁膜5と、側壁絶縁膜6との集合体が積層されている。   Next, the connection relationship of the components of the 1T-DRAM in FIG. 1 will be described. A buried oxide film 2 is laminated on the silicon substrate 1. On the buried oxide film 2, an aggregate of a P-type body 3, a source diffusion layer 7, and a drain diffusion layer 8 is laminated. On the aggregate of the P-type body 3, the source diffusion layer 7, and the drain diffusion layer 8, an aggregate of the gate electrode 4, the gate insulating film 5, and the sidewall insulating film 6 is laminated.

P型ボディ3と、ソース拡散層7と、ドレイン拡散層8との位置関係について説明する。ドレイン拡散層8において、第1の高濃度不純物拡散層8bは、P型ボディ3の上方に、かつ、ゲート電極4にオーバーラップするように配置されている。第1の高濃度不純物拡散層8bの下方には、第2の高濃度不純物拡散層8cが、ゲート電極4からオフセットするように配置されている。第2の高濃度不純物拡散層8cと、P型ボディ3との間には、低濃度不純物拡散層8aが配置されている。ソース拡散層7は、P型ボディ3を挟んで、ドレイン拡散層8と対称的な構造を有している。   The positional relationship among the P-type body 3, the source diffusion layer 7, and the drain diffusion layer 8 will be described. In the drain diffusion layer 8, the first high-concentration impurity diffusion layer 8 b is disposed above the P-type body 3 and overlaps the gate electrode 4. Below the first high-concentration impurity diffusion layer 8b, the second high-concentration impurity diffusion layer 8c is disposed so as to be offset from the gate electrode 4. A low-concentration impurity diffusion layer 8a is disposed between the second high-concentration impurity diffusion layer 8c and the P-type body 3. The source diffusion layer 7 has a symmetrical structure with the drain diffusion layer 8 with the P-type body 3 interposed therebetween.

P型ボディ3の上方には、ゲート絶縁膜5と、ゲート電極4とが、この順番に積層されている。ゲート絶縁膜5と、ゲート電極4との、水平方向の周囲には、側壁絶縁膜6が形成されている。ゲート電極4には、図示されないワード線が接続されている。ソース拡散層7における第1の高濃度不純物拡散層7bには、図示されないグラウンド線が接続されている。ドレイン拡散層8における第1の高濃度不純物拡散層8bには、図示されないビット線が接続されている。   A gate insulating film 5 and a gate electrode 4 are stacked in this order above the P-type body 3. A sidewall insulating film 6 is formed around the gate insulating film 5 and the gate electrode 4 in the horizontal direction. A word line (not shown) is connected to the gate electrode 4. A ground line (not shown) is connected to the first high-concentration impurity diffusion layer 7 b in the source diffusion layer 7. A bit line (not shown) is connected to the first high-concentration impurity diffusion layer 8 b in the drain diffusion layer 8.

このように、図1の1T−DRAMは、SOI(Silicon On Insulator:絶縁体上シリコン)基板上に形成されたMOSFETの構造を有している。   As described above, the 1T-DRAM of FIG. 1 has a MOSFET structure formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate.

図1の1T−DRAMの動作について説明する。ドレイン拡散層8における第1の高濃度不純物拡散層8bは、その不純物濃度が1019cm−3以上、より好ましくは1020cm−3以上であるものとされて、GIDL電流を高めるものとされる。その一方で、第1の高濃度不純物拡散層8bは、P型ボディ3と、低濃度不純物拡散層8aとにおいてPN接合が形成されているため、これらの界面における電界が緩和される。その結果、リーク電流が抑制されて、電荷の保持時間が向上するとされている。 The operation of the 1T-DRAM in FIG. 1 will be described. The first high-concentration impurity diffusion layer 8b in the drain diffusion layer 8 has an impurity concentration of 10 19 cm −3 or more, more preferably 10 20 cm −3 or more, and increases the GIDL current. The On the other hand, the first high-concentration impurity diffusion layer 8b has a PN junction formed between the P-type body 3 and the low-concentration impurity diffusion layer 8a, so that the electric field at these interfaces is relaxed. As a result, the leakage current is suppressed and the charge retention time is improved.

特開2003−31696号公報JP 2003-31696 A 特開2005−51186号公報JP-A-2005-511186 特開2009−59859号公報JP 2009-59859 A

Eiji Yoshida et al., “A Design of a Capacitorless 1T−DRAM Cell Using Gate−induced Drain Leakage (GIDL) Current for Low−power and High−speed Embeded Memory,” IEDM Tech. Dig., pp. 913−916, 2003.(富士通マイクロエレ)Eiji Yoshida et al. “A Design of a Capacitorless 1T-DRAM Cell Using Gate-Induced Drain Leakage (GIDL) Current for Low-power and High-speed Embedded Memory,” I. Dig. , Pp. 913-916, 2003. (Fujitsu Micro Electronics)

一般的に、DRAMの動作速度を向上させるためには、そのリフレッシュ時間が長ければ長いほど良い。このことは、DRAMにおける電荷保持時間が長いことに等しい。ここで、特許文献2に記載の1T−DRAMでは、第1の高濃度不純物拡散層8bにおける不純物濃度が、比較的高い値である1019cm−3以上に設定されている。このため、ゲート絶縁膜5との界面における基板垂直方向のバンド間トンネル電流は小さくなっている。また、反対に、P型ボディ3との間におけるPN接合でのバンド間トンネル電流またはトラップアシストトンネル電流が大きくなっている。つまり、高いGIDL電流は、主にPN接合でのリーク電流によるものであり、データ保持時にリーク電流が発生する原因にもなり、DRAMにおける電荷保持時間を低下させている。 Generally, in order to improve the operation speed of DRAM, the longer the refresh time, the better. This is equivalent to a long charge retention time in the DRAM. Here, in the 1T-DRAM described in Patent Document 2, the impurity concentration in the first high-concentration impurity diffusion layer 8b is set to a relatively high value of 10 19 cm −3 or more. For this reason, the band-to-band tunneling current in the direction perpendicular to the substrate at the interface with the gate insulating film 5 is small. On the other hand, the interband tunnel current or the trap assist tunnel current at the PN junction with the P-type body 3 is large. That is, the high GIDL current is mainly due to the leakage current at the PN junction, which also causes a leakage current during data retention, and reduces the charge retention time in the DRAM.

以下に、(発明を実施するための形態)で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、(特許請求の範囲)の記載と(発明を実施するための形態)との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、(特許請求の範囲)に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。   The means for solving the problem will be described below using the numbers used in the (DETAILED DESCRIPTION). These numbers are added to clarify the correspondence between the description of (Claims) and (Mode for Carrying Out the Invention). However, these numbers should not be used to interpret the technical scope of the invention described in (Claims).

本発明による半導体装置は、シリコン基板(101など)と、MOSFETとを具備している。ここで、MOSFETは、シリコン基板(101など)の上に形成されている。MOSFETは、ソースドレイン拡散層と、ゲート絶縁膜(105など)と、ゲート電極(104など)と、側壁絶縁膜(106など)とを具備している。ここで、ゲート絶縁膜(105など)は、ソースドレイン拡散層の上に積層されている。ゲート電極(104など)は、ゲート絶縁膜(105など)の上に積層されている。側壁絶縁膜(106など)は、ゲート絶縁膜(105など)およびゲート電極(104など)の周囲に形成されている。ソースドレイン拡散層は、ボディ部(103など)と、第1のドレイン拡散層(108aなど)と、第2のドレイン拡散層(108cなど)と、第3のドレイン拡散層(108bなど)とを具備している。ここで、ボディ部(103など)は、ゲート絶縁膜(105など)の下方領域に形成されて、一方の極性の不純物がドープされているか、ドープされていないイントリンジックである。第1のドレイン拡散層(108aなど)は、ボディ部(103など)に隣接し、かつ、ゲート絶縁膜(105など)にオーバーラップする領域に形成されて、他方の極性の不純物が第1の濃度でドープされている。第2のドレイン拡散層(108cなど)は、ゲート絶縁膜(105など)からオフセットされた領域に形成されて、他方の極性の不純物が第2の濃度でドープされている。第3のドレイン拡散層(108bなど)は、第1のドレイン拡散層および第2のドレイン拡散層に隣接し、かつ、ゲート絶縁膜(105など)にオーバーラップする領域に形成されて、他方の極性の不純物が第3の濃度でドープされている。第3の濃度は、ゲート絶縁膜(105など)においてトンネル効果が発生する範囲に含まれている。第1の濃度は、第3の濃度より低く、かつ、ゲート絶縁膜(105など)においてトンネル効果が第3の濃度の場合より少なく発生する範囲に含まれている。第2の濃度は、第1の濃度より高く、かつ、ゲート絶縁膜(105など)においてトンネル効果が抑圧される範囲に含まれている。   A semiconductor device according to the present invention includes a silicon substrate (101 or the like) and a MOSFET. Here, the MOSFET is formed on a silicon substrate (101 or the like). The MOSFET includes a source / drain diffusion layer, a gate insulating film (such as 105), a gate electrode (such as 104), and a sidewall insulating film (such as 106). Here, the gate insulating film (105 or the like) is stacked on the source / drain diffusion layer. The gate electrode (such as 104) is stacked on the gate insulating film (such as 105). The sidewall insulating film (such as 106) is formed around the gate insulating film (such as 105) and the gate electrode (such as 104). The source / drain diffusion layer includes a body portion (103, etc.), a first drain diffusion layer (108a, etc.), a second drain diffusion layer (108c, etc.), and a third drain diffusion layer (108b, etc.). It has. Here, the body part (103 or the like) is formed in a lower region of the gate insulating film (105 or the like) and is an intrinsic that is doped with an impurity of one polarity or is not doped. The first drain diffusion layer (108a and the like) is formed in a region adjacent to the body portion (103 and the like) and overlapping with the gate insulating film (105 and the like). Doped in concentration. The second drain diffusion layer (such as 108c) is formed in a region offset from the gate insulating film (such as 105), and the other polarity impurity is doped with the second concentration. The third drain diffusion layer (108b or the like) is formed in a region adjacent to the first drain diffusion layer and the second drain diffusion layer and overlapping the gate insulating film (105 or the like). Polar impurities are doped at a third concentration. The third concentration is included in a range where a tunnel effect occurs in the gate insulating film (105 or the like). The first concentration is included in a range that is lower than the third concentration and in which the tunnel effect occurs less in the gate insulating film (such as 105) than in the third concentration. The second concentration is higher than the first concentration and is included in a range where the tunnel effect is suppressed in the gate insulating film (105 and the like).

本発明の半導体装置では、ドレイン拡散層のうちゲート電極とオーバーラップする部分を、不純物濃度の異なる2つの部分に分けている。これら2つの部分のうち、不純物濃度がより低い一方の部分では、ボディ部に隣接しており、ゲート絶縁層との界面において比較的小さなトンネル効果が得られる。また、不純物濃度がより高い他方の部分では、ボディ部から絶縁されており、ゲート絶縁層との界面において比較的大きなトンネル効果が得られる。その結果、GIDL電流を増大しつつ、PN接合によるリーク電流を抑制し、データ保持時間を増大させることが可能となっている。   In the semiconductor device of the present invention, the portion of the drain diffusion layer that overlaps the gate electrode is divided into two portions having different impurity concentrations. Of these two portions, one portion having a lower impurity concentration is adjacent to the body portion, and a relatively small tunnel effect is obtained at the interface with the gate insulating layer. Further, the other portion having a higher impurity concentration is insulated from the body portion, and a relatively large tunnel effect can be obtained at the interface with the gate insulating layer. As a result, while increasing the GIDL current, it is possible to suppress the leakage current due to the PN junction and increase the data retention time.

図1は、関連技術による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a related technique. 図2は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の、ドレイン拡散層における不純物濃度と、ドレイン拡散層およびゲート絶縁膜の接合部に発生するバンド間トンネル電流との関係を表すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the impurity concentration in the drain diffusion layer and the interband tunnel current generated at the junction of the drain diffusion layer and the gate insulating film in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. . 図4Aは、本発明の第1の実施形態による半導体装置において、ドレイン電圧に対してゲート電圧をマイナス方向に印加した際の、高濃度不純物拡散層における、バンド曲がり量と、トンネル長との関係を表すエネルギーバンド図である。FIG. 4A shows the relationship between the band bending amount and the tunnel length in the high-concentration impurity diffusion layer when the gate voltage is applied in the negative direction with respect to the drain voltage in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is an energy band figure showing. 図4Bは、本発明の第1の実施形態による半導体装置において、ドレイン電圧に対してゲート電圧をマイナス方向に印加した際の、中濃度不純物拡散層における、バンド曲がり量と、トンネル長との関係を表すエネルギーバンド図である。FIG. 4B shows the relationship between the band bending amount and the tunnel length in the intermediate concentration impurity diffusion layer when the gate voltage is applied in the negative direction with respect to the drain voltage in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is an energy band figure showing. 図4Cは、本発明の第1の実施形態による半導体装置において、ドレイン電圧に対してゲート電圧をマイナス方向に印加した際の、低濃度不純物拡散層における、バンド曲がり量と、トンネル長との関係を表すエネルギーバンド図である。FIG. 4C shows the relationship between the band bending amount and the tunnel length in the low-concentration impurity diffusion layer when the gate voltage is applied in the negative direction with respect to the drain voltage in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is an energy band figure showing. 図5は、本発明の第2の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第3の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. 図7Aは、本発明の第4の実施形態による半導体装置の構成を示す俯瞰図である。FIG. 7A is an overhead view showing the configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. 図7Bは、図7Aの半導体装置の、切断線A−A’による断面図である。FIG. 7B is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 7A along the cutting line A-A ′. 図7Cは、図7Aの半導体装置の、切断線B−B’による断面図である。FIG. 7C is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 7A along the cutting line B-B ′.

添付図面を参照して、本発明による半導体装置を実施するための形態を以下に説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments for implementing a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
図2は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。図2の半導体装置の構成要素について説明する。図2の半導体装置は、大きく分けて、第1、第2および第3の層を有している。第1の層は、シリコン基板101と、埋込酸化膜102とを具備している。第2の層は、ボディ部としてのP型ボディ103と、ソース拡散層107と、ドレイン拡散層108とを具備している。第3の層は、ゲート電極104と、ゲート絶縁膜105と、側壁絶縁膜106とを具備している。ソース拡散層107は、低濃度不純物拡散層107aと、高濃度不純物拡散層107bとを具備している。ドレイン拡散層108は、低濃度不純物拡散層108aと、中濃度不純物拡散層108bと、高濃度不純物拡散層108cとを具備している。
(First embodiment)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Components of the semiconductor device in FIG. 2 will be described. The semiconductor device shown in FIG. 2 roughly includes first, second, and third layers. The first layer includes a silicon substrate 101 and a buried oxide film 102. The second layer includes a P-type body 103 as a body portion, a source diffusion layer 107, and a drain diffusion layer 108. The third layer includes a gate electrode 104, a gate insulating film 105, and a sidewall insulating film 106. The source diffusion layer 107 includes a low concentration impurity diffusion layer 107a and a high concentration impurity diffusion layer 107b. The drain diffusion layer 108 includes a low concentration impurity diffusion layer 108a, a medium concentration impurity diffusion layer 108b, and a high concentration impurity diffusion layer 108c.

図2の半導体装置の構成要素の位置関係および接続関係について説明する。第1、第2および第3の層は、下から上に向かってこの順番に積層されている。第1の層において、シリコン基板101と、埋込酸化膜102とは、下から上に向かってこの順番に積層されている。このとき、第1の層はSOI基板として機能する。以降、第1の層を基板層と呼ぶ。   The positional relationship and connection relationship of the components of the semiconductor device in FIG. 2 will be described. The first, second and third layers are stacked in this order from the bottom to the top. In the first layer, the silicon substrate 101 and the buried oxide film 102 are stacked in this order from the bottom to the top. At this time, the first layer functions as an SOI substrate. Hereinafter, the first layer is referred to as a substrate layer.

第2の層において、高濃度不純物拡散層107bと、低濃度不純物拡散層107aと、P型ボディ103と、低濃度不純物拡散層108aと、中濃度不純物拡散層108bと、高濃度不純物拡散層108cとは、左から右に向かってこの順番に配置されている。以降、第2の層をソースドレイン拡散層と呼ぶ。   In the second layer, the high concentration impurity diffusion layer 107b, the low concentration impurity diffusion layer 107a, the P-type body 103, the low concentration impurity diffusion layer 108a, the medium concentration impurity diffusion layer 108b, and the high concentration impurity diffusion layer 108c. Are arranged in this order from left to right. Hereinafter, the second layer is referred to as a source / drain diffusion layer.

第3の層において、ゲート絶縁膜105と、ゲート電極104とは、下から上に向かってこの順番に積層されている。ゲート絶縁膜105およびゲート電極104の周囲には、側壁絶縁膜106が設けられている。以降、第3の層をゲート層と呼ぶ。   In the third layer, the gate insulating film 105 and the gate electrode 104 are stacked in this order from bottom to top. A sidewall insulating film 106 is provided around the gate insulating film 105 and the gate electrode 104. Hereinafter, the third layer is referred to as a gate layer.

ドレイン拡散層108の、ゲート電極104に対する位置関係について説明する。ドレイン拡散層108のうち、低濃度不純物拡散層108aは、ゲート電極104とオーバーラップしており、P型ボディ103と、中濃度不純物拡散層108bとの間に配置されている。ドレイン拡散層108のうち、高濃度不純物拡散層108cは、ゲート電極104からオフセットしている。ドレイン拡散層108のうち、中濃度不純物拡散層108bは、低濃度不純物拡散層108aおよび高濃度不純物拡散層108cとの間に配置されていて、その一部分はゲート電極104とオーバーラップしており、残りの部分はゲート電極104からオフセットしている。言い換えれば、P型ボディ103と、低濃度不純物拡散層108aと、中濃度不純物拡散層108bと、高濃度不純物拡散層108cとは、この順番に、図2における左から右に向かって配置されている。   The positional relationship of the drain diffusion layer 108 with respect to the gate electrode 104 will be described. Of the drain diffusion layer 108, the low-concentration impurity diffusion layer 108a overlaps the gate electrode 104, and is disposed between the P-type body 103 and the medium-concentration impurity diffusion layer 108b. Of the drain diffusion layer 108, the high concentration impurity diffusion layer 108 c is offset from the gate electrode 104. Among the drain diffusion layers 108, the medium concentration impurity diffusion layer 108b is disposed between the low concentration impurity diffusion layer 108a and the high concentration impurity diffusion layer 108c, and a part thereof overlaps the gate electrode 104. The remaining part is offset from the gate electrode 104. In other words, the P-type body 103, the low-concentration impurity diffusion layer 108a, the medium-concentration impurity diffusion layer 108b, and the high-concentration impurity diffusion layer 108c are arranged in this order from left to right in FIG. Yes.

ソース拡散層107の、ゲート電極104に対する位置関係について説明する。ソース拡散層107のうち、低濃度不純物拡散層107aは、その一部がゲート電極104とオーバーラップしており、P型ボディ103と、高濃度不純物拡散層107bとの間に配置されている。ソース拡散層107のうち、高濃度不純物拡散層107bは、ゲート電極104からオフセットしている。言い換えれば、P型ボディ103と、低濃度不純物拡散層107aと、高濃度不純物拡散層107bとは、この順番に、図2における右から左に向かって配置されている。   The positional relationship of the source diffusion layer 107 with respect to the gate electrode 104 will be described. Of the source diffusion layer 107, the low-concentration impurity diffusion layer 107a partially overlaps the gate electrode 104, and is disposed between the P-type body 103 and the high-concentration impurity diffusion layer 107b. Of the source diffusion layer 107, the high concentration impurity diffusion layer 107 b is offset from the gate electrode 104. In other words, the P-type body 103, the low concentration impurity diffusion layer 107a, and the high concentration impurity diffusion layer 107b are arranged in this order from right to left in FIG.

なお、ソース拡散層107は、図2の場合とは違って、例えば図2のドレイン拡散層108と対照的な構成を有していても構わない。すなわち、低濃度不純物拡散層107aのうち、高濃度不純物拡散層107b側の一部分は、ドレイン拡散層108bと同様の形状、位置関係および不純物濃度を有する、図示しない中濃度不純物拡散層と置き換えても構わない。この場合、ソース拡散層107をドレイン拡散層108と同時に製造出来るという利点がある。   Unlike the case of FIG. 2, the source diffusion layer 107 may have, for example, a configuration that is in contrast to the drain diffusion layer 108 of FIG. That is, a part of the low concentration impurity diffusion layer 107a on the high concentration impurity diffusion layer 107b side may be replaced with a medium concentration impurity diffusion layer (not shown) having the same shape, positional relationship and impurity concentration as the drain diffusion layer 108b. I do not care. In this case, there is an advantage that the source diffusion layer 107 can be manufactured simultaneously with the drain diffusion layer 108.

図2の半導体装置の動作について説明する。まず、ドレイン拡散層108における低濃度不純物拡散層108a、中濃度不純物拡散層108bおよび高濃度不純物拡散層108cの、濃度の違いが持つ意味について説明する。   An operation of the semiconductor device in FIG. 2 will be described. First, the meaning of the difference in concentration between the low concentration impurity diffusion layer 108a, the medium concentration impurity diffusion layer 108b, and the high concentration impurity diffusion layer 108c in the drain diffusion layer 108 will be described.

図3は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の、ドレイン拡散層108における不純物濃度と、ドレイン拡散層108およびゲート絶縁膜105の接合部に発生するバンド間トンネル電流との関係を表すグラフである。図3のグラフにおいて、横軸はドレイン不純物濃度を表し、縦軸はバンド間トンネル電流を表す。図3の例では、ドレイン不純物濃度が1018cm−3〜1019cm−3の範囲に、バンド間トンネル電流が最高値となるピークがある。 FIG. 3 shows the relationship between the impurity concentration in the drain diffusion layer 108 and the interband tunneling current generated at the junction between the drain diffusion layer 108 and the gate insulating film 105 in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is a graph. In the graph of FIG. 3, the horizontal axis represents the drain impurity concentration, and the vertical axis represents the interband tunnel current. In the example of FIG. 3, there is a peak where the band-to-band tunneling current is the highest value in the range of the drain impurity concentration of 10 18 cm −3 to 10 19 cm −3 .

ここで、ドレイン不純物濃度としての1018cm−3および1019cm−3を、低濃度、中濃度および高濃度を定義する閾値として用いて説明を続ける。すなわち、ドレイン拡散層108におけるドレイン不純物濃度が、低濃度不純物拡散層108aでは1018cm−3未満であって、中濃度不純物拡散層108bでは1018cm−3以上1019cm−3未満であって、高濃度不純物拡散層108cでは1019cm−3以上であるものとする。ただし、これらの閾値はあくまでも一例に過ぎず、実際には半導体装置の構成や製造方法に係るあらゆるパラメータに左右されるものであって、本発明を限定しない。 Here, the explanation is continued by using 10 18 cm −3 and 10 19 cm −3 as the drain impurity concentrations as threshold values for defining low concentration, medium concentration and high concentration. That is, the drain impurity concentration in the drain diffusion layer 108 is less than 10 18 cm −3 in the low concentration impurity diffusion layer 108 a, and is 10 18 cm −3 or more and less than 10 19 cm −3 in the medium concentration impurity diffusion layer 108 b. In the high-concentration impurity diffusion layer 108c, it is 10 19 cm −3 or more. However, these threshold values are merely examples, and actually depend on all parameters related to the configuration and manufacturing method of the semiconductor device, and do not limit the present invention.

図4Aは、本発明の第1の実施形態による半導体装置において、ドレイン電圧に対してゲート電圧をマイナス方向に印加した際の、高濃度不純物拡散層108cにおける、バンド曲がり量401aと、トンネル長との関係を表すエネルギーバンド図である。図4Aにおいて、横軸は、左から右に向けて、ゲート電極104と、ゲート絶縁膜105と、高濃度不純物拡散層108cとに渡る空間を示し、縦軸はエネルギー準位を示している。図4Aの場合は、バンド曲がり量401aがバンドギャップよりも小さい。このため、高濃度不純物拡散層108cにおいては、十分なトンネル長が得られず、バンド間トンネル電流の発生が抑制される。   FIG. 4A shows the band bending amount 401a, the tunnel length, and the like in the high concentration impurity diffusion layer 108c when the gate voltage is applied in the negative direction with respect to the drain voltage in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is an energy band figure showing these relationships. In FIG. 4A, the horizontal axis indicates the space extending from the left to the right across the gate electrode 104, the gate insulating film 105, and the high-concentration impurity diffusion layer 108c, and the vertical axis indicates the energy level. In the case of FIG. 4A, the band bending amount 401a is smaller than the band gap. For this reason, in the high concentration impurity diffusion layer 108c, a sufficient tunnel length cannot be obtained, and the generation of the interband tunnel current is suppressed.

図4Bは、本発明の第1の実施形態による半導体装置において、ドレイン電圧に対してゲート電圧をマイナス方向に印加した際の、中濃度不純物拡散層108bにおける、バンド曲がり量401bと、トンネル長402bとの関係を表すエネルギーバンド図である。図4Bにおいて、横軸は、左から右に向けて、ゲート電極104と、ゲート絶縁膜105と、中濃度不純物拡散層108bとに渡る空間を示し、縦軸はエネルギー準位を示している。図4Bの場合は、バンド曲がり量401bがバンドギャップよりも大きいので、ゲート絶縁膜105の界面の価電子帯から奥の価電子帯への、電子によるトンネル効果が得られる。特に、図4Bの場合は、トンネル長402bが短いので、大きなトンネル電流が得られる。   FIG. 4B shows a band bending amount 401b and a tunnel length 402b in the intermediate concentration impurity diffusion layer 108b when the gate voltage is applied in the negative direction with respect to the drain voltage in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is an energy band figure showing the relationship with. In FIG. 4B, the horizontal axis indicates the space extending from the left to the right across the gate electrode 104, the gate insulating film 105, and the medium concentration impurity diffusion layer 108b, and the vertical axis indicates the energy level. In the case of FIG. 4B, since the band bending amount 401b is larger than the band gap, a tunnel effect by electrons from the valence band at the interface of the gate insulating film 105 to the back valence band is obtained. In particular, in the case of FIG. 4B, since the tunnel length 402b is short, a large tunnel current can be obtained.

図4Cは、本発明の第1の実施形態による半導体装置において、ドレイン電圧に対してゲート電圧をマイナス方向に印加した際の、低濃度不純物拡散層108aにおける、バンド曲がり量401cと、トンネル長との関係を表すエネルギーバンド図である。図4Cにおいて、横軸は、左から右に向けて、ゲート電極104と、ゲート絶縁膜105と、低濃度不純物拡散層108aとに渡る空間を示し、縦軸はエネルギー準位を示している。図4Cの場合は、バンド曲がり量401cがバンドギャップよりも大きいものの、トンネル長402cが比較的長く、トンネル効果の発生確率が低いため、比較的小さなトンネル電流しか得られない。   FIG. 4C shows a band bending amount 401c, a tunnel length, and a tunnel length in the low-concentration impurity diffusion layer 108a when the gate voltage is applied in the negative direction with respect to the drain voltage in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. It is an energy band figure showing these relationships. In FIG. 4C, the horizontal axis indicates the space extending from the left to the right, the gate electrode 104, the gate insulating film 105, and the low-concentration impurity diffusion layer 108a, and the vertical axis indicates the energy level. In the case of FIG. 4C, although the band bending amount 401c is larger than the band gap, since the tunnel length 402c is relatively long and the probability of occurrence of the tunnel effect is low, only a relatively small tunnel current can be obtained.

その一方で、P型ボディ103と接する領域が、ソース拡散層107では低濃度不純物拡散層107aであり、ドレイン拡散層108では低濃度不純物拡散層108aであり、いずれの場合も電界が低減されている。したがって、本実施形態による半導体装置では、「0」状態をホールドする際のPN接合リーク電流が抑制されて、その結果、保持時間の向上が得られる。   On the other hand, the region in contact with the P-type body 103 is the low-concentration impurity diffusion layer 107a in the source diffusion layer 107 and the low-concentration impurity diffusion layer 108a in the drain diffusion layer 108. In either case, the electric field is reduced. Yes. Therefore, in the semiconductor device according to the present embodiment, the PN junction leakage current when holding the “0” state is suppressed, and as a result, the retention time can be improved.

(第2の実施形態)
図5は、本発明の第2の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。本実施形態による半導体装置は、本発明の第1の実施形態による半導体装置に、ソース拡散層107のバリエーションとして、以下の変更を加えたものに等しい。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor device according to the present embodiment is equivalent to the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention with the following changes added as variations of the source diffusion layer 107.

すなわち、本発明の第1の実施形態によるソース拡散層107から低濃度不純物拡散層107aを取り除き、残った高濃度不純物拡散層107bを本実施形態によるソース拡散層207とする。この変更に伴い、本実施形態によるP型ボディ203の体積は、本発明の第1の実施形態によるP型ボディ103の体積と、同じく低濃度不純物拡散層107aの体積とを合わせたものとする。   That is, the low concentration impurity diffusion layer 107a is removed from the source diffusion layer 107 according to the first embodiment of the present invention, and the remaining high concentration impurity diffusion layer 107b is used as the source diffusion layer 207 according to the present embodiment. With this change, the volume of the P-type body 203 according to the present embodiment is the sum of the volume of the P-type body 103 according to the first embodiment of the present invention and the volume of the low-concentration impurity diffusion layer 107a. .

本実施形態による半導体装置のその他の構成については、本発明の第1の実施形態の場合と同じであるので、さらなる詳細な説明を省略する。   Since the other configuration of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment of the present invention, further detailed description is omitted.

本実施形態による半導体装置の動作について、本発明の第1の実施形態の場合と比較して説明する。
本発明の第1の実施形態では、上述したように、ソース拡散層107のうち、P型ボディ103に隣接した部分、すなわち低濃度不純物拡散層107aにおける不純物濃度を低下させている。こうすることで、N型層の空乏層を延ばし、電界を低下させている。これに対して、本実施形態では、ソース拡散層207、すなわち高濃度不純物拡散層107bを、ボディから、オフセットさせている。ゲート電極により、P型ボディ203のゲート電極下の領域の電位が変調されるが、オフセット領域に空乏層が広がることで、電界を低下させることが出来る。したがって、本実施形態による半導体装置でも、本発明の第1の実施形態の場合と同様に、PN接合部におけるリーク電流を低減して、P型ボディが状態「0」を保持する時間の長さを向上できる。
The operation of the semiconductor device according to the present embodiment will be described in comparison with the case of the first embodiment of the present invention.
In the first embodiment of the present invention, as described above, the impurity concentration in the portion of the source diffusion layer 107 adjacent to the P-type body 103, that is, the low concentration impurity diffusion layer 107a is reduced. By doing so, the depletion layer of the N-type layer is extended and the electric field is lowered. On the other hand, in this embodiment, the source diffusion layer 207, that is, the high concentration impurity diffusion layer 107b is offset from the body. Although the potential of the region under the gate electrode of the P-type body 203 is modulated by the gate electrode, the electric field can be reduced by spreading the depletion layer in the offset region. Therefore, also in the semiconductor device according to the present embodiment, as in the case of the first embodiment of the present invention, the leakage current at the PN junction is reduced, and the length of time that the P-type body holds the state “0”. Can be improved.

本実施形態による半導体装置のその他の動作は、本発明の第1の実施形態の場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。   Since other operations of the semiconductor device according to the present embodiment are the same as those of the first embodiment of the present invention, further detailed description is omitted.

(第3の実施形態)
図6は、本発明の第3の実施形態による半導体装置の構成を示す断面図である。本実施形態による半導体装置は、本発明の第2の実施形態による半導体装置に、ドレイン拡散層108のバリエーションとして、以下の変更を加えたものに等しい。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor device according to the present embodiment is equivalent to the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention with the following modifications added as variations of the drain diffusion layer 108.

すなわち、本発明の第2の実施形態によるドレイン拡散層108のうち、中濃度不純物拡散層108bの、埋込酸化膜102に隣接した部分を取り除いたものを、本実施形態によるドレイン拡散層308における中濃度不純物拡散層308bとする。この変更に伴い、本実施形態によるドレイン拡散層308のうち、低濃度不純物拡散層308aの体積は、本発明の第2の実施形態による低濃度不純物拡散層108aの体積と、同じく中濃度不純物拡散層108bのうち取り除かれた部分の体積とを合わせたものとする。   That is, in the drain diffusion layer 308 according to the second embodiment of the present invention, a portion of the drain diffusion layer 108 obtained by removing the portion of the medium concentration impurity diffusion layer 108b adjacent to the buried oxide film 102 in the drain diffusion layer 308 according to the present embodiment. The intermediate concentration impurity diffusion layer 308b is used. Along with this change, the volume of the low concentration impurity diffusion layer 308a in the drain diffusion layer 308 according to the present embodiment is the same as the volume of the low concentration impurity diffusion layer 108a according to the second embodiment of the present invention. The volume of the removed portion of the layer 108b is combined.

本実施形態による半導体装置のその他の構成については、本発明の第2の実施形態の場合と同じであるので、さらなる詳細な説明を省略する。   Since the other configuration of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the second embodiment of the present invention, further detailed description is omitted.

本実施形態による半導体装置の動作について、本発明の第2の実施形態の場合と比較して説明する。本発明の第2の実施形態では、ドレイン拡散層108における中濃度不純物拡散層108bが、ソースドレイン拡散層の上下方向の全体にかけて形成されている。これに対して、本実施形態では、ドレイン拡散層308における中濃度不純物拡散層308bが、ゲート電極104側に形成されている。本発明による半導体装置において、中濃度不純物拡散層108b、308bは、ゲート絶縁膜105との界面付近でのバンド間トンネル電流を増大させる役割を演じている。したがって、本実施形態によるドレイン拡散層308における中濃度不純物拡散層308bは、少なくともゲート絶縁膜105付近の、バンドの曲がりが存在する領域にのみ形成されていれば、上記の役割を十分に演じることが可能である。   The operation of the semiconductor device according to the present embodiment will be described in comparison with the case of the second embodiment of the present invention. In the second embodiment of the present invention, the medium concentration impurity diffusion layer 108b in the drain diffusion layer 108 is formed over the entire vertical direction of the source / drain diffusion layer. In contrast, in the present embodiment, the medium concentration impurity diffusion layer 308b in the drain diffusion layer 308 is formed on the gate electrode 104 side. In the semiconductor device according to the present invention, the intermediate-concentration impurity diffusion layers 108b and 308b play a role of increasing the band-to-band tunnel current near the interface with the gate insulating film 105. Therefore, if the medium concentration impurity diffusion layer 308b in the drain diffusion layer 308 according to the present embodiment is formed at least in the region where the bending of the band exists, at least in the vicinity of the gate insulating film 105, the above-described role can be sufficiently achieved. Is possible.

本実施形態による半導体装置のその他の動作は、本発明の第2の実施形態の場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。   Since other operations of the semiconductor device according to the present embodiment are the same as those of the second embodiment of the present invention, further detailed description is omitted.

(第4の実施形態)
図7Aは、本発明の第4の実施形態による半導体装置の構成を示す俯瞰図である。図7Bは、図7Aの半導体装置の、切断線A−A’による断面図である。図7Cは、図7Aの半導体装置の、切断線B−B’による断面図である。本実施形態による半導体装置は、本発明の第3の実施形態による半導体装置に、ドレイン拡散層308と、ゲート電極104と、ゲート絶縁膜105と、基板層とにおけるバリエーションとして、以下の変更を加えたものに等しい。
(Fourth embodiment)
FIG. 7A is an overhead view showing the configuration of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 7B is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 7A along the cutting line AA ′. FIG. 7C is a cross-sectional view of the semiconductor device of FIG. 7A along the cutting line BB ′. The semiconductor device according to the present embodiment is the same as the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, with the following modifications as variations in the drain diffusion layer 308, the gate electrode 104, the gate insulating film 105, and the substrate layer. Is equal to

すなわち、まず、本発明の第3の実施形態によるゲート電極104と、ゲート絶縁膜105と、側壁絶縁膜106とについて、その形状をいわゆるフィン構造に変更したゲート電極404と、ゲート絶縁膜405と、側壁絶縁膜406とに置き換える。ここで、フィン構造とは、基板層と、ソースドレイン拡散層と、ゲート層とが積層された第1の方向に垂直な平面に形成されたフィン上面部分に、フィン側面部分と、フィン上部分およびフィン側面部分を接続する接続部分とが追加された構造である。フィン側面部分は、第1の方向と、ソース拡散層407、P型ボディ403およびドレイン拡散層408が並んで配置された第2の方向とを含む平面に平行に形成されている。フィン側面部分は、第1の方向において、基板層と隣接している。さらに、ゲート絶縁膜405のフィン側面部分は、第1の方向と、第2の方向との両方に直交する第3の方向において、P型ボディ403に隣接している。   That is, first, regarding the gate electrode 104, the gate insulating film 105, and the sidewall insulating film 106 according to the third embodiment of the present invention, the gate electrode 404 whose shape is changed to a so-called fin structure, the gate insulating film 405, Then, the sidewall insulating film 406 is replaced. Here, the fin structure refers to a fin upper surface portion formed in a plane perpendicular to the first direction in which a substrate layer, a source / drain diffusion layer, and a gate layer are stacked, a fin side surface portion, and a fin upper portion. And the connection part which connects a fin side part is added. The fin side surface portion is formed in parallel to a plane including the first direction and the second direction in which the source diffusion layer 407, the P-type body 403, and the drain diffusion layer 408 are arranged side by side. The fin side surface portion is adjacent to the substrate layer in the first direction. Further, the fin side surface portion of the gate insulating film 405 is adjacent to the P-type body 403 in a third direction orthogonal to both the first direction and the second direction.

次に、本発明の第3の実施形態によるドレイン拡散層308のうち、低濃度不純物拡散層308aのうち、基板層に隣接する部分を省略した低濃度不純物拡散層408bに置き換える。言い換えれば、ドレイン拡散層408の低濃度不純物拡散層408aは、P型ボディ403によって基板層から絶縁されている。なお、ドレイン拡散層の中濃度不純物拡散層308bは、本発明の第3の実施形態の場合と同様に、ドレイン拡散層408の低濃度不純物拡散層408aによってP型ボディ403から絶縁されている。その結果、ドレイン拡散層408における低濃度不純物拡散層408aと、中濃度不純物拡散層308bとは、第3の方向において、ゲート絶縁膜405のフィン側面部分の、接続部分に近い上部領域に隣接している。   Next, in the drain diffusion layer 308 according to the third embodiment of the present invention, a portion of the low concentration impurity diffusion layer 308a adjacent to the substrate layer is replaced with a low concentration impurity diffusion layer 408b. In other words, the low-concentration impurity diffusion layer 408 a of the drain diffusion layer 408 is insulated from the substrate layer by the P-type body 403. The medium concentration impurity diffusion layer 308b of the drain diffusion layer is insulated from the P-type body 403 by the low concentration impurity diffusion layer 408a of the drain diffusion layer 408, as in the case of the third embodiment of the present invention. As a result, the low-concentration impurity diffusion layer 408a and the medium-concentration impurity diffusion layer 308b in the drain diffusion layer 408 are adjacent to the upper region of the fin side surface portion of the gate insulating film 405 near the connection portion in the third direction. ing.

さらに、本実施形態による半導体装置では、埋込酸化膜102は省略可能である。この場合、基板層はバルク基板として機能する。このとき、P型ボディ403は、その下面において、シリコン基板101に隣接するものとする。図7A〜図7Cでは、基板層が、埋込酸化膜102が省略されてシリコン基板101だけが残っているバルク基板である場合を示している。ただし、本実施形態でも、本発明の第1〜第3の実施形態同様に、基板層が、シリコン基板101の上に埋込酸化膜102が積層されたSOI基板であっても構わない。   Further, in the semiconductor device according to the present embodiment, the buried oxide film 102 can be omitted. In this case, the substrate layer functions as a bulk substrate. At this time, the P-type body 403 is adjacent to the silicon substrate 101 on the lower surface thereof. 7A to 7C show a case where the substrate layer is a bulk substrate in which the buried oxide film 102 is omitted and only the silicon substrate 101 remains. However, in this embodiment as well, as in the first to third embodiments of the present invention, the substrate layer may be an SOI substrate in which the buried oxide film 102 is stacked on the silicon substrate 101.

本実施形態による半導体装置の動作について説明する。ドレイン拡散層408の中濃度不純物拡散層408bは、ゲート電極404とオーバーラップしているので、バンド間トンネル電流が発生する。このバンド間トンネル電流の発生は、フィン上面部分と、フィン側面部分の上部とに限定される。ここで、ゲート電極404とオーバーラップする上記以外の領域は、ドレイン拡散層408の低濃度不純物拡散層408aと、P型ボディ403だけである。したがって、本発明の第1〜第3の実施形態で説明したソース拡散層107、207と同様の理由により、ソース拡散層407として高濃度不純物拡散層407bを有する本実施形態による半導体装置でも、「0」状態をホールドする際に発生するリーク電流が抑制される。その結果、本実施形態でも保持時間の向上が得られる。また、図7Bの断面を有する平面型のMOSFETでも、同様の効果が得られるのは明らかである。   The operation of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained. Since the middle-concentration impurity diffusion layer 408b of the drain diffusion layer 408 overlaps with the gate electrode 404, an interband tunnel current is generated. The generation of the interband tunnel current is limited to the upper surface portion of the fin and the upper portion of the side surface portion of the fin. Here, the regions other than the above that overlap with the gate electrode 404 are only the low-concentration impurity diffusion layer 408 a of the drain diffusion layer 408 and the P-type body 403. Therefore, for the same reason as the source diffusion layers 107 and 207 described in the first to third embodiments of the present invention, the semiconductor device according to the present embodiment having the high-concentration impurity diffusion layer 407b as the source diffusion layer 407 is also “ Leakage current generated when holding the “0” state is suppressed. As a result, the retention time can be improved also in this embodiment. It is obvious that the same effect can be obtained even with a planar MOSFET having the cross section of FIG. 7B.

以上に説明したように、本発明による半導体装置は、第1〜第4の実施形態のいずれにおいても、GIDL電流の増大と、リーク電流の抑制と、データ保持時間の増大とが同時に得られる。ここで、第1〜第4の実施形態における各種の構成は、技術的に矛盾の生じない範囲において、自由に組み合わせることが可能である。具体的には、第1および第2の実施形態で説明した3種類のソース拡散層と、第1〜第3の実施形態で説明した3種類のドレイン拡散層とは、全ての組み合わせが可能である。さらに、これらの組み合わせを、第4の実施形態で説明したフィン構造に組み合わせることも可能である。   As described above, in any of the first to fourth embodiments, the semiconductor device according to the present invention can simultaneously increase the GIDL current, suppress the leakage current, and increase the data retention time. Here, the various configurations in the first to fourth embodiments can be freely combined as long as no technical contradiction arises. Specifically, all of the three types of source diffusion layers described in the first and second embodiments and the three types of drain diffusion layers described in the first to third embodiments can be combined. is there. Further, these combinations can be combined with the fin structure described in the fourth embodiment.

1 シリコン基板
2 埋込酸化膜
3 P型ボディ
4 ゲート電極
5 ゲート絶縁膜
6 側壁絶縁膜
7 ソース拡散層
7a 低濃度不純物拡散層(ソース拡散層)
7b (第1の)高濃度不純物拡散層(ソース拡散層)
7c (第2の)高濃度不純物拡散層(ソース拡散層)
8 ドレイン拡散層
8a 低濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
8b (第1の)高濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
8c (第2の)高濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
101 シリコン基板
102 埋込酸化膜
103 P型ボディ
104 ゲート電極
105 ゲート絶縁膜
106 側壁絶縁膜
107 ソース拡散層
107a 低濃度不純物拡散層(ソース拡散層)
107b 高濃度不純物拡散層(ソース拡散層)
108 ドレイン拡散層
108a 低濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
108b 中濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
108c 高濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
203 P型ボディ
207 ソース拡散層
308 ドレイン拡散層
308a 低濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
308b 中濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
401a バンド曲がり量
401b バンド曲がり量
401c バンド曲がり量
402b トンネル長
402c トンネル長
403 P型ボディ
404 ゲート電極
405 ゲート絶縁膜
406 側壁絶縁膜
407 ソース拡散層
407b 高濃度不純物拡散層(ソース拡散層)
408 ドレイン拡散層
408a 低濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
408c 高濃度不純物拡散層(ドレイン拡散層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Embedded oxide film 3 P-type body 4 Gate electrode 5 Gate insulating film 6 Side wall insulating film 7 Source diffusion layer 7a Low concentration impurity diffusion layer (source diffusion layer)
7b (first) high concentration impurity diffusion layer (source diffusion layer)
7c (second) high-concentration impurity diffusion layer (source diffusion layer)
8 Drain diffusion layer 8a Low-concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
8b (first) high concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
8c (Second) high concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Silicon substrate 102 Embedded oxide film 103 P-type body 104 Gate electrode 105 Gate insulating film 106 Side wall insulating film 107 Source diffusion layer 107a Low concentration impurity diffusion layer (source diffusion layer)
107b High concentration impurity diffusion layer (source diffusion layer)
108 Drain diffusion layer 108a Low-concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
108b Medium-concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
108c High concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
203 P-type body 207 Source diffusion layer 308 Drain diffusion layer 308a Low-concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
308b Medium concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
401a Band bending amount 401b Band bending amount 401c Band bending amount 402b Tunnel length 402c Tunnel length 403 P-type body 404 Gate electrode 405 Gate insulating film 406 Side wall insulating film 407 Source diffusion layer 407b High concentration impurity diffusion layer (source diffusion layer)
408 Drain diffusion layer 408a Low-concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)
408c High concentration impurity diffusion layer (drain diffusion layer)

Claims (8)

シリコン基板と、
前記シリコン基板の上に形成されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)と
を具備し、
前記MOSFETは、
ソースドレイン拡散層と、
前記ソースドレイン拡散層の上に積層されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に積層されたゲート電極と
を具備し、
前記ソースドレイン拡散層は、
前記ゲート絶縁膜の下方領域に形成されたボディ部と、
前記ボディ部に隣接し、かつ、前記ゲート絶縁膜にオーバーラップする領域に形成されて、一方の極性の不純物が第1の濃度でドープされた第1のドレイン拡散層と、
前記ゲート絶縁膜からオフセットされた領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が第2の濃度でドープされた第2のドレイン拡散層と、
前記第1のドレイン拡散層および前記第2のドレイン拡散層に隣接し、かつ、前記ゲート絶縁膜にオーバーラップする領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が第3の濃度でドープされた第3のドレイン拡散層と
を具備し、
前記第3の濃度は、前記ゲート絶縁膜においてトンネル効果が発生する範囲に含まれており、
前記第1の濃度は、前記第3の濃度より低く、かつ、前記ゲート絶縁膜においてトンネル効果が前記第3の濃度の場合より少なく発生する範囲に含まれており、
前記第2の濃度は、前記第1の濃度より高く、かつ、前記ゲート絶縁膜においてトンネル効果が抑圧される範囲に含まれている
半導体装置。
A silicon substrate;
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) formed on the silicon substrate,
The MOSFET is
A source / drain diffusion layer;
A gate insulating film stacked on the source / drain diffusion layer;
A gate electrode laminated on the gate insulating film,
The source / drain diffusion layer comprises:
A body part formed in a lower region of the gate insulating film;
A first drain diffusion layer formed in a region adjacent to the body portion and overlapping the gate insulating film and doped with an impurity of one polarity at a first concentration;
A second drain diffusion layer formed in a region offset from the gate insulating film and doped with the one polarity impurity at a second concentration;
Formed in a region adjacent to the first drain diffusion layer and the second drain diffusion layer and overlapping the gate insulating film, wherein the one polarity impurity is doped at a third concentration A third drain diffusion layer,
The third concentration is included in a range where a tunnel effect occurs in the gate insulating film,
The first concentration is included in a range where the tunnel concentration is lower than the third concentration and the tunnel effect occurs less in the gate insulating film than in the third concentration;
The second concentration is higher than the first concentration and is included in a range in which a tunnel effect is suppressed in the gate insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記シリコン基板および前記MOSFETの間に積層された埋込酸化膜
をさらに具備し、
前記埋込酸化膜は、前記第1、前記第2および前記第3のドレイン拡散層にそれぞれ隣接している
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
Further comprising a buried oxide film stacked between the silicon substrate and the MOSFET;
The buried oxide film is adjacent to each of the first, second and third drain diffusion layers. Semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記シリコン基板および前記MOSFETの間に積層された埋込酸化膜
をさらに具備し、
前記埋込酸化膜は、前記第1および前記第2のドレイン拡散層にそれぞれ隣接しており、
前記第3のドレイン拡散層は、前記第1のドレイン拡散層によって前記埋込酸化膜から絶縁されている
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
Further comprising a buried oxide film stacked between the silicon substrate and the MOSFET;
The buried oxide film is adjacent to each of the first and second drain diffusion layers;
The third drain diffusion layer is insulated from the buried oxide film by the first drain diffusion layer.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第3のドレイン拡散層は、前記第1のドレイン拡散層によって、前記ボディから絶縁されており、
前記第1のドレイン拡散層は、前記ボディによって、前記シリコン基板から絶縁されている
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The third drain diffusion layer is insulated from the body by the first drain diffusion layer;
The first drain diffusion layer is insulated from the silicon substrate by the body.
請求項4に記載の半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は、
前記シリコン基板および前記ボディが積層されている第1の方向と、前記ボディおよび前記第2のドレイン拡散層が並ぶ第2の方向とに直交する第3の方向においても、前記ボディ、前記第1のドレイン拡散層および前記第3の拡散層に隣接するフィン形状
を有し、
前記ゲート電極は、
前記第3の方向においても前記ゲート絶縁膜に隣接するフィン形状
を有する
半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The gate insulating film is
Also in the third direction orthogonal to the first direction in which the silicon substrate and the body are stacked and the second direction in which the body and the second drain diffusion layer are arranged, the body, the first Having a fin shape adjacent to the drain diffusion layer and the third diffusion layer,
The gate electrode is
A semiconductor device having a fin shape adjacent to the gate insulating film also in the third direction.
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ソースドレイン拡散層は、
前記ボディ部に隣接し、かつ、前記ゲート絶縁膜からオフセットされた領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が前記第2の濃度でドープされたソース拡散層
をさらに具備する
半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The source / drain diffusion layer comprises:
A semiconductor device further comprising a source diffusion layer formed in a region adjacent to the body portion and offset from the gate insulating film and doped with the one polarity impurity at the second concentration.
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ソースドレイン拡散層は、
前記ゲート絶縁膜からオフセットされた領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が前記第2の濃度でドープされた第1のソース拡散層と、
前記ボディ部および前記第1のソース拡散層に隣接し、かつ、前記ゲート絶縁膜にオーバーラップする領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が前記第1の濃度でドープされた第2のソース拡散層と
をさらに具備する
半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The source / drain diffusion layer comprises:
A first source diffusion layer formed in a region offset from the gate insulating film and doped with the one polarity impurity at the second concentration;
A second region formed adjacent to the body portion and the first source diffusion layer and overlapping with the gate insulating film and doped with the one polarity impurity at the first concentration A semiconductor device further comprising a source diffusion layer.
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置において、
前記ソースドレイン拡散層は、
前記ゲート絶縁膜からオフセットされた領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が前記第2の濃度でドープされた第1のソース拡散層と、
前記ボディ部に隣接し、かつ、前記ゲート絶縁膜にオーバーラップする領域において、前記第1の濃度でドープされた第2のソース拡散層と、
前記第1のソース拡散層および前記第2のソース拡散層に隣接し、かつ、前記ゲート絶縁膜にオーバーラップする領域に形成されて、前記一方の極性の不純物が前記第3の濃度でドープされた第3のソース拡散層と
をさらに具備する
半導体装置。
In the semiconductor device according to claim 1,
The source / drain diffusion layer comprises:
A first source diffusion layer formed in a region offset from the gate insulating film and doped with the one polarity impurity at the second concentration;
A second source diffusion layer doped with the first concentration in a region adjacent to the body portion and overlapping the gate insulating film;
Formed in a region adjacent to the first source diffusion layer and the second source diffusion layer and overlapping the gate insulating film, and the impurity of one polarity is doped at the third concentration And a third source diffusion layer.
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