JP2016178186A - 半導体デバイス及び半導体メモリデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本実施形態の半導体デバイスは、半導体領域100内の第1の導電型のドレイン領域14と、半導体領域100内の第2の導電型のソース領域13と、半導体領域100とソース領域13の底部との間の第1の導電型の第1の領域132と、ソース領域13と第1の領域132の境界にまたがり、第1の不純物を含む第2の領域139と、ドレイン領域14とソース領域13との間の半導体領域100上のゲート絶縁膜12と、ゲート絶縁膜12上のゲート電極11と、を含む。
【選択図】図1
Description
図1乃至図13を参照して、実施形態の半導体デバイス及び実施形態の半導体デバイスを含む半導体メモリデバイスを、説明する。
図1は、実施形態の電界効果トランジスタの基本構造を示す断面図である。
実施形態の半導体デバイスは、電界効果トランジスタである。
図1は、トランジスタのチャネル長方向の断面構造を示している。
半導体領域100は、シリコン(Si)又はゲルマニウム(Ge)を主成分として含む領域である。例えば、半導体領域100は、単結晶シリコン領域(例えば、シリコンバルク基板)、多結晶シリコン領域、ゲルマニウム領域、又は、シリコンゲルマニウム領域などである。
ゲート絶縁膜12は、例えば、シリコンを主成分とする絶縁膜、ゲルマニウムを主成分とする絶縁膜、又は、高誘電体絶縁膜(High-k膜)である。
ゲート電極11及びゲート絶縁膜12は、複数の膜を含む積層構造を有していてもよい。
配線L1〜L3及びコンタクトプラグCP1〜CP3を介して、トランジスタのゲート、ソース及びドレインに、トランジスタ1の動作のための電圧が印加されたり、トランジスタ1の出力電流が出力されたりする。
トンネルトランジスタ1において、ソース拡散層13の導電型が、ドレイン拡散層14の導電型と異なる。
p型チャネル領域19の不純物濃度(p型ドーパント濃度)は、p型ソース拡散層13の不純物濃度(p型ドーパント濃度)より低い。例えば、p型半導体領域100及びチャネル領域19の不純物濃度は、例えば、1016cm−3から1018cm−3程度である。
尚、n型ソース拡散層とp型ドレイン拡散層とをn型半導体領域内に有するトンネルトランジスタは、pモード型トンネルトランジスタとよばれる。
n型ウェル領域132は、p型ソース拡散層13の底部とp型半導体領域100との間に生じるパンチスルーを抑制する。
本実施形態のトンネルトランジスタ1は、以下のように、動作する。
図2は、本実施形態のトンネルトランジスタの動作特性を示すグラフである。
図2のグラフの横軸は、トンネルトランジスタのゲート−ソース間電圧(Vgsに対応する。図2のグラフの縦軸は、トンネルトランジスタのドレイン−ソース間電流(以下では、出力電流ともよばれる)Idsに対応する。
逆方向条件時のドレイン−ソース間電流Irv(Ids)が、トンネルトランジスタ1のオン電流として、用いられる。
順方向条件で動作するトンネルトランジスタ1のドレイン−ソース間電流Idsの最大値は、逆方向条件で動作するトンネルトランジスタ1のドレイン−ソース間電流Idsの最大値より低い。また、順方向条件のトンネルトランジスタ1における電流が立ち上がる電圧値(しきい値電圧)の絶対値は、逆方向条件のトンネルトランジスタ1における電流が立ち上がる電圧値(しきい値電圧)の絶対値より大きい。
それゆえ、トンネルトランジスタ1の順方向条件において、基板リーク電流ILKが、増加し、ソース拡散層13からドレイン拡散層14へ向かう電流Idsは、低下する。
また、トンネルトランジスタ1の順方向条件時において、不純物領域139内の不純物の熱励起が、優勢となる。
それゆえ、遷移領域300内の不純物によるトラップ準位は、逆方向条件のトンネルトランジスタの動作にほとんど作用しない。したがって、遷移領域300内にトラップ準位139が存在していたとしても、逆方向条件におけるトンネルトランジスタの出力電流は、実質的に低減しない。
それゆえ、本実施形態のトンネルトランジスタは、逆方向条件下における出力電流と順方向条件界における出力電流との比を、大きくできる。
図5乃至図8を参照して、本実施形態の電界効果トランジスタの製造方法が、説明される。図5乃至図8は、トンネルトランジスタ1の各製造工程における、トンネルトランジスタ1のチャネル長方向の断面構造を示している。
図9及び図10を参照して、本実施形態の電界効果トランジスタ(トンネルトランジスタ)の適用例が、説明される。ここでは、図9及び図10に加えて、図1乃至図8も適宜用いて、本実施形態のトンネルトランジスタの適用例が、説明される。
図9及び図10を用いて、本実施形態のトンネルトランジスタを含む半導体デバイスの構成例が、説明される。
本実施形態のトンネルトランジスタ1は、例えば、SRAM(Static RAM)に用いられる。
SRAM200は、少なくとも、メモリセルアレイ20、ロウ制御回路21、カラム制御回路22、内部制御回路(シーケンサ)23等を、含む。
ビット線対BPは、2本のビット線BL,bBLを含む。一方のビット線BLは、メモリセルMCの一端に接続されている。他方のビット線bBLは、メモリセルMCの他端に接続されている。
ワード線WLは、メモリセルMCの制御端子に接続されている。
(b−1) 書き込み動作
図10を参照して、本実施形態のトンネルトランジスタ1を含むSRAMの書き込み動作が、説明される。
ノードbNDの電位は、ノードNDの電位と相補の関係を有する。ノードNDの電位がLレベルである場合、ノードbNDの電位は、Hレベルである。それゆえ、トンネルトランジスタ1のn型ドレイン拡散層14に、Hレベルの電位が印加される。トンネルトランジスタ1(bTT)のゲート電極に、Hレベルの電位が印加されている。
これによって、選択セルMC1に、“1”データが書き込まれる。
さらに、メモリセルMC2におけるノードNDの電位が、Lレベルである場合、n型ドレイン拡散層14に、Lレベルの電位が、印加される。
トンネルトランジスタ1zは、ゲート電極に電圧が印加されない状態であっても、p型ソース拡散層とn型ドレイン拡散層との間の電位差が大きければ、電流(順方向電流)を、出力する。それゆえ、トンネルトランジスタ1zは、順方向電流が発生する可能性がある。
この結果として、フリップフロップ回路FFのノードNDに供給される順方向電流Ifwは、小さくなる。
ここでは、本実施形態のトンネルトランジスタ1を含むSRAMの読出し動作が、説明される。
図11乃至図13を参照して、本実施形態の電界効果トランジスタ(トンネルトランジスタ)の変形例が、説明される。
これによって、p型ソース拡散層13とn型ウェル領域132との間に流れる基板リーク電流ILKが、p型ソース拡散層13とn型ウェル領域132との間に流れる電流に比較して、さらに流れやすくなる。この結果として、バックバイアス(基板バイアス)効果によって、順方向条件におけるトンネルトランジスタ1の出力電流を、小さくできる。
これによって、p型ソース拡散層13が、側壁絶縁膜17の形成後に、形成される。
実施形態のトンネルトランジスタは、ロジック回路に適用されてもよい。
実施形態のトンネルトランジスタは、例えば、ラッチ回路の転送ゲートに適用されてもよい。
また、本実施形態のトンネルトランジスタは、DRAM、フラッシュメモリ、MRAM(例えば、STT型MRAM)、PCRAM、ReRAMなどの半導体メモリに、適用されもよい。
Claims (10)
- 半導体領域内の第1の導電型のドレイン領域と、
前記半導体領域内の第2の導電型のソース領域と、
前記半導体領域と前記ソース領域の底部との間の前記第1の導電型の第1の領域と、
前記ソース領域と前記第1の領域との境界にまたがり、第1の不純物を含む第2の領域と、
前記ドレイン領域と前記ソース領域との間の前記半導体領域上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上のゲート電極と、
を具備する半導体デバイス。 - 前記ドレイン領域及び第1の領域の主成分が、シリコンである場合、
前記第1の不純物は、酸素、硫黄、バナジウム、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ゲルマニウムからなる第1のグループから選択される少なくとも1つの元素である、
請求項1に記載の半導体デバイス。 - 前記第2の領域内における前記第1の不純物の濃度は、1018cm−3以上、1019cm−3以下である、
請求項1又は2に記載の半導体デバイス。 - 前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型であり、
前記ドレイン領域と前記ソース領域との間の前記半導体領域の導電型は、p型である、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体デバイス。 - 第1の電位が前記ソース領域に印加され、前記第1の電位より低い第2の電位が前記ドレイン領域に印加され、前記第2の電位が前記ゲート電極に印加された場合、
前記ソース領域と前記第1の領域との間に、第1の電流が流れる、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体デバイス。 - ワード線と、
第1及び第2のビット線と、
データ保持回路と、前記データ保持回路と前記第1のビット線との間に接続された第1のトランジスタと、前記データ保持回路と前記第2のビット線との間に接続された第2のトランジスタと、を含み、半導体領域上に設けられたメモリセルと、
を具備し、
前記第1及び第2のトランジスタのそれぞれは、
前記半導体領域内に設けられ、前記データ保持回路に接続され、第1の導電型を有するドレイン領域と、
前記半導体領域内に設けられ、前記第1又は第2のビット線に接続され、第2の導電型を有するソース領域と、
前記半導体領域と前記ソース領域の底部との間に設けられ、前記第1の導電型を有する第1の領域と、
前記ソース領域と前記第1の領域との境界にまたがり、第1の不純物を含む第2の領域と、
前記ドレイン領域と前記ソース領域との間の前記半導体領域上のゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、前記ワード線に接続されたゲート電極と、
を含む、
半導体メモリデバイス。 - 前記ドレイン領域及び第1の領域の主成分が、シリコンである場合、
前記第1の不純物は、酸素、硫黄、バナジウム、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ゲルマニウムからなる第1のグループから選択される少なくとも1つの元素である、
請求項6に記載の半導体メモリデバイス。 - 前記第2の領域内における前記第1の不純物の濃度は、1018cm−3以上、1019cm−3以下である、
請求項6又は7に記載の半導体メモリデバイス。 - 前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型であり、
前記ドレイン領域と前記ソース領域との間の前記半導体領域の導電型は、p型である、
請求項6乃至8のいずれか1項に記載の半導体メモリデバイス。 - 第1の電位が前記ソース領域に印加され、前記第1の電位より低い第2の電位が前記ドレイン領域に印加され、前記第2の電位が前記ゲート電極に印加された場合、
前記ソース領域と前記第1の領域との間に、第1の電流が流れる、
請求項6乃至9のいずれか1項に記載の半導体メモリデバイス。
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