JP2017055087A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】TFETを用いたSRAMのレイアウトと、デバイス設計を提供する。【解決手段】半導体装置は、nタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、前記ウェル領域上に、pタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、前記第1のトランジスタと隣接して設けられた第2のトランジスタであって、前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第2のトランジスタと、前記第1のトランジスタのドレイン領域と、前記第2のトランジスタのドレイン領域との間に形成され、前記ウェル領域まで達する絶縁膜と、を備える。【選択図】図4

Description

本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
従来から、6つのMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)を用いたSRAM(Static Random Access Memory)が普及している。現在、このSRAMの待機時における電荷のリークによるリテンション不良の低減を図るために、TFET(Tunnel FET)を用いてSRAMを構成することが提案されている。
TFETは、MOSFETに比べて低電圧での動作が可能であり、また、オフ状態におけるリーク電流が小さい等の特性を有する。一方で、オン状態におけるドレイン電流が小さく、かつ、電流が比較的低い印加電圧で飽和するため、ドライバー能力が弱く、記憶装置としての読み込み速度の低下をさせる要因となる。そのため、読み込み特性を向上させるためにリードポートに2つMOSFETを用いる手法が提案されている。
しかしながら、TFETはそのドレインとソースの拡散層が異種のドーピングで形成されるため、MOSFETと同様のレイアウトとプロセスによる製造方法では、TFETを用いたSRAMを動作させることはできない。
特開2013−008795号公報 特開2014−053424号公報 特開2014−072338号公報 特許3156307号公報
そこで、本発明の実施形態は、TFETを用いたSRAMのレイアウトと、デバイス設計を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係る半導体装置は、
nタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、
前記ウェル領域上に、pタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、
前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタと隣接して設けられた第2のトランジスタであって、前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第2のトランジスタと、
前記第1のトランジスタのドレイン領域と、前記第2のトランジスタのドレイン領域との間に形成され、前記ウェル領域まで達する絶縁膜と、
を備える。
また、本発明の実施形態に係る半導体装置は、
pタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、
前記ウェル領域上に形成されたnタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、
前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、
前記第1のトランジスタとドレイン領域を共有する第2のトランジスタであって、pタイプのソース領域を有するTFETで構成され、前記ソース領域が前記ウェル領域と前記チャネル領域の接合面に達する、第2のトランジスタと、
を備える。
また、本発明の実施形態に係る半導体装置は、
pタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、
前記ウェル領域上に形成されたnタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、
前記チャネル領域に形成されたnタイプのソース領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、
nタイプのドレイン領域を、前記第1のトランジスタのソース領域と共有する第2のトランジスタであって、pタイプのソース領域を有するTFETで構成され、前記ソース領域が前記ウェル領域と前記チャネル領域の接合面に達する、第2のトランジスタと、
を備える。
図1は、第1実施形態に係る半導体装置の回路図である。 図2は、第1実施形態に係る半導体装置のレイアウト図である。 図3は、第1実施形態に係る半導体装置のレイアウト図及び断面図である。 図4は、第1実施形態に係る半導体装置のレイアウト図及び断面図である。 図5は、第1実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。 図6は、第2実施形態に係る半導体装置のレイアウト図及び断面図である。 図7は、第2実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。 図8は、第3実施形態に係る半導体装置の回路図である。 図9は、第3実施形態に係る半導体装置のレイアウト図である。 図10は、第3実施形態に係る半導体装置のレイアウト図及び断面図である。 図11は、第3実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを示す断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1実施形態)
第1実施形態に係る半導体装置は、nTFETで構成されるドライバートランジスタのドレインと、nTFETで構成されるトランスファートランジスタのドレインとの間を、素子分離領域で物理的に分断することにより、6つのTFETでSRAMを構成するようにしたものである。そのレイアウト及びプロセスついて、より詳しくを以下に説明する。
図1は本実施形態に係る半導体装置であるSRAMのメモリセル10の構成を示す回路図である。本実施形態に係るメモリセル10は、インバータ回路12、14と、データ読出回路20と、トランスファートランジスタT5、T6と、を備えて構成される。
インバータ回路12は、nTFETで構成されるドライバートランジスタT1と、pTFETで構成されるロードトランジスタT3と、を備えて構成される。ここで、nTFETはnタイプのトンネルトランジスタのことであり、ソース領域がpタイプの拡散層で構成され、ドレイン領域がnタイプの拡散層で構成されるトンネルトランジスタのことをいう。一方で、pTFETはpタイプのトンネルトランジスタのことであり、ソース領域がnタイプの拡散層で構成され、ドレイン領域がpタイプの拡散層で構成されるトンネルトランジスタのことをいう。
ドライバートランジスタT1のドレインと、ロードトランジスタT3のドレインは相互に接続されている。同様に、ドライバートランジスタT1のゲートと、ロードトランジスタT3のゲートも相互に接続されている。また、ドライバートランジスタT1のソースは接地され、ロードトランジスタT3のソースは電源Vddと接続される。
インバータ回路14は、ドライバートランジスタT2と、ロードトランジスタT4と、を備えて構成される。このインバータ回路14についても、インバータ回路12と同じ構成をしている。すなわち、ドライバートランジスタT2のドレインと、ロードトランジスタT4のドレインは相互に接続されており、ドライバートランジスタT2のゲートと、ロードトランジスタT4のゲートも相互に接続されている。さらに、ドライバートランジスタT2のソースは接地され、ロードトランジスタT4のソースは電源Vddと接続される。
ドライバートランジスタT1のドレインとロードトランジスタT3のドレインとの間のノードND1は、ドライバートランジスタT2のゲートとロードトランジスタT4のゲートとの間のノードND2に接続されている。ドライバートランジスタT1のゲートとロードトランジスタT3のゲートとの間のノードND3は、ドライバートランジスタT2のドレインとロードトランジスタT4のドレインとの間のノードND4に接続されている。すなわち、インバータ回路12の出力がインバータ回路14の入力に接続されており、インバータ回路14の出力がインバータ回路12の入力に接続されている。このようにインバータ回路13、14を接続することにより、フリップフロップ回路を構成している。
トランスファートランジスタT5は、nTFETで構成され、ゲートが書込用ワード線WWLと接続され、ソースが書込用ビット線WBLと接続される、また、トランスファートランジスタT5のドレインは、ドライバートランジスタT2のゲートとロードトランジスタT4のゲートとの間のノードND5と接続される。
同様に、トランスファートランジスタT6は、nTFETで構成され、ゲートが書込用ワード線WWLと接続され、ソースが書込用ビット線WBLBと接続される。また、トランスファートランジスタT6のドレインは、ドライバートランジスタT1のゲートとロードトランジスタT3のゲートとの間のノードND6と接続される。書込用ビット線WBLBは、書込用ビット線WBLの入力を反転した信号が入力されるビット線である。
書込用ワード線WWLは、トランスファートランジスタT5、T6をオンにする電圧を印加するワード線であり、書込用ビット線WBL、WBLBは、ドライバートランジスタに状態を記憶する電圧を印加するビット線である。すなわち、トランスファートランジスタT5、T6は、書込用ワード線WWLから印加された電圧により、オンにされ、書込用ビット線WBL、WBLBから入力された信号をそれぞれノードND5、ND6へ出力するトランジスタである。結果的に、ドライバートランジスタT2、T1は、トランスファートランジスタT5、T6がオンにされた場合に、書込用ビット線WBL、WBLBに印加された電圧の状態を記憶する。
データ読出回路20は、読出用トランジスタT7、T8を備えて構成される。読出用トランジスタT7は、ゲートが読出用ワード線RWLと接続され、ドレインが読出用ビット線RBLと接続され、ソースが読出用トランジスタT8のドレインと接続されている。読出用トランジスタT8は、ゲートがノードND6、すなわちドライバートランジスタT1及びロードトランジスタT3のゲートと接続され、ドレインが読出用トランジスタT7のソースと接続され、ソースが接地されている。本実施形態においては、読出用トランジスタT7、T8は、nタイプのMOSFETで構成されている。
以上が本実施形態に係るメモリセル10の構成に関する説明であるが、以下、このメモリセル10の動作について説明する。まず、書き込み処理について説明する。書き込み処理においては、読出用ワード線RWLには、Lowレベルの電圧、例えば、接地電位Vssが印加される。これにより、読出用ビット線RWBに接続された読出用トランジスタT7はオフ状態となる。
書き込み処理においては、書込用ワード線WWLにHighの電圧、例えば、電源電圧Vddが印加される。これにより、ゲートが書込用ワード線WWLに接続されたトランスファートランジスタT5、T6がオンとなる。この状態において、ND5のノードがHighの状態で、書込用ビット線WBLにLowの電圧が印加されると、ノードND5の電圧レベルがHighからLowとなり、ロードトランジスタT4がオンに、ドライバートランジスタT2はオフとなる。一方で、書込用ビット線WBLBにはHighの電圧が印加されるので、ノードND6の電圧レベルはHighとなり、ドライバートランジスタT1はオンに、ロードトランジスタT3はオフとなる。
このようにノードND5、ND6の電圧レベルが決まると、書込用ワード線WWLの電圧レベルがLowになったとしても、電源からVddの電圧が印加されているため、インバータ回路12、14の状態は保持され、ノードND5、ND6も状態が保持される。そして、ノードND5、ND6の状態を読み出すことにより、ビット単位のデータの読み出しをすることが可能となる。
書込用ワード線WWLがHighである場合に、書込用ビット線WBLにHighの電圧が印加され、書込用ビット線WBLBにLowの電圧が印加された場合、インバータ回路12、14の動作は上述した場合と逆になり、ノードND5の電圧レベルがHighとなり、ノードND6の電圧レベルがLowとなる。すなわち、書込用ワード線WWLに印加されている電圧レベルがHighである場合に限り、書込用ビット線WBL、WBLBに印加されている電圧によりノードND5、ND6の状態が決定され、書込用ワード線WWLに印加されている電圧レベルがLowである場合には、ノードND5、ND6の状態は保持されることとなる。
次に、読み出し処理について説明する。読み出しの処理においては、書込用ワード線WWLには、Lowレベルの電圧、例えば接地電位Vssが印加される。これにより、トランスファートランジスタT5、T6はオフとなる。
読み出しをする際には、読出用ワード線RWLにはHighレベルの電圧、例えば、電源電圧Vddが印加される。これにより、ゲートが読み出し線ワード線RWLに接続された読出用トランジスタT7がオンとなる。この状態において、ノードND6の電圧レベルがHighの状態である場合には、読出用トランジスタT8がオンとなるため、読出用ビットラインRBLの電圧が引き下げられる。一方で、ノードND6がLowの状態である場合には、読出用トランジスタT8がオフとなるため、読出用ビットライン38の電圧には変化が起きず、プリチャージしたhighの状態が保持される。
このように、読出用ビットラインRBLの電圧を検知することにより、メモリセル10が保持するデータを読み出すことができる。読出用トランジスタT7、T8を、駆動能力の高いnMOSトランジスタで構成することにより、データ読出回路20は、データの読出動作を高速に行うことが可能となる。以上のように、本実施形態に係るメモリセル10は、6つのデータ保持用のトランジスタT1乃至T6と、2つのデータ読出用のトランジスタT7、T8を備えて構成される。
次に、このメモリセル10を実際に設計する際のレイアウトとプロセスについて説明する。図2は、図1に示す回路図で構成される半導体のレイアウトを示す図である。図2に示すように、メモリセル10は、データ読込回路20と、データ保持回路22と、を備えて構成される。データ保持回路22は、インバータ回路12、14から構成されるフリップフロップ回路と、トランスファートランジスタT5、T6を備えて構成される。各構成要素の機能については、図1で説明した通りであるので省略する。
データ読出回路20は、二つのnMOSトランジスタから構成される。読出用トランジスタT7は、ドレイン領域が読出用ビット線RBLと接続され、ゲート領域が読出用ワード線RWLと接続される。読出用トランジスタT8は、ソース領域が接地され、ゲート領域がドライバートランジスタT1及びロードトランジスタT3のゲート領域と共有される。そして、読出用トランジスタT7、T8は、各ソース領域及び各ドレイン領域がnタイプのMOSFETであるので、読出用トランジスタT7のソース領域と、読出用トランジスタT8のドレイン領域を共有して形成することが可能である。
一方で、TFETで構成されるトランジスタT1乃至T6については、ゲートの構成は従来通りに設計することが可能であるが、ソース領域及びドレイン領域は、その拡散層のタイプが異なるため、従来のように設計することはできない。以下、具体的なレイアウトについて、図1及び図2を用いて説明する。なお、図中において、ゲート領域内の符号Sは、Sが付してある側がソース領域であることを意味している。
ドライバートランジスタT1は、ソース領域であるpタイプの拡散層が接地され、ドレイン領域であるnタイプの拡散層がトランスファートランジスタT5のドレイン領域と共有され、ゲート領域がロードトランジスタT3及び読出用トランジスタT8のゲート領域と共有される。
ロードトランジスタT3は、ソース領域であるnタイプの拡散層が電源Vddに接続され、ドレイン領域であるpタイプの拡散層がドライバートランジスタT1のドレイン領域と電気的に接続され(図示しない)、ゲート領域がドライバートランジスタT1のゲート領域と共有される。さらに、ドライバートランジスタT1及びロードトランジスタT3のドレイン領域は、コンタクト40を介してドライバートランジスタT2及びロードトランジスタT4のゲート領域と接続される(図示しない)。
以上が、インバータ回路12のレイアウトについての説明である。次に、インバータ回路14を構成するドライバートランジスタT2と、ロードトランジスタT4について説明をする。ドライバートランジスタT2は、ソース領域であるpタイプの拡散層が接地され、ドレイン領域であるnタイプの拡散層がトランスファートランジスタT6のドレイン領域と共有され、ゲート領域がロードトランジスタT4と共有される。
ロードトランジスタT4は、ソース領域であるnタイプの拡散層が電源Vddに接続され、ドレイン領域であるpタイプの拡散層がドライバートランジスタT2のドレイン領域と電気的に接続され(図示しない)、ゲート領域がドライバートランジスタT2のゲート領域と共有される。さらに、ドライバートランジスタT2及びロードトランジスタT4のドレイン領域は、コンタクト42を介してドライバートランジスタT1及びロードトランジスタT3のゲート領域と接続される(図示しない)。
以上が、インバータ回路14のレイアウトについての説明である。次に、トランスファートランジスタT5、T6について説明する。トランスファートランジスタT5は、ソース領域であるpタイプの拡散層が書込用ビット線WBLと接続され、ドレイン領域であるnタイプの拡散層がドライバートランジスタT1のドレイン領域と共有され、ゲート領域が書込用ワード線WWLと接続される。また、同様にトランスファートランジスタT6は、ソース領域であるpタイプの拡散層が書込用ビット線WBLBと接続され、ドレイン領域であるnタイプの拡散層がドライバートランジスタT2のドレイン領域と共有され、ゲート領域が書込線ワード線WWLと接続される。
図3(a)は、図2のレイアウトのメモリセル10を2セル分並列に設計したレイアウト図である。なお、以下、データ読出回路については、レイアウト図及び断面図においては省略している。図3(b)は、図3(a)のA−A’断面図である。これらのメモリセル10Aと10Bは、pタイプのウェル領域100と、nタイプのチャネル領域102とを備えて構成される。図3(a)を見る限りでは、特に問題は起こらないように思えるが、図3(b)において、メモリセル10Aを構成するトランスファートランジスタT6のソース領域と、メモリセル10Aを構成するドライバートランジスタT2のソース領域と、チャネル領域102とが同じnタイプの拡散層から構成されているため、メモリセル10Aを構成するトランスラートランジスタT6のソース領域と、ドライバートランジスタT2のソース領域とが、チャネル領域102においてショートしてしまう。そのため、このような設計では本実施形態に係るメモリセル10を構成することが困難である。
そこで、図4(a)に示すように、ドライバートランジスタT1とトランスファートランジスタT5との間、及びドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6との間に素子を分離するための絶縁膜を備えることにより、物理的にnタイプのチャネル領域102を分断する。図4(b)は、図4(a)のA−A’断面図である。他のアクティブ領域に関しても同様の構成とプロセスとなるので、以下、このA−A’断面図を例に説明する。
図4(b)に示すように、このアクティブ領域は、ウェル領域100と、チャネル領域102と、素子分離絶縁膜104と、によって形成され、このチャネル領域102上に、トランスファートランジスタT6と、ドライバートランジスタT2と、が形成されている。ウェル領域100は、nタイプの拡散層で構成される。ウェル領域100上に、pタイプの拡散層で構成されるチャネル領域が形成される。素子分離絶縁膜104は、STI(Shallow Trench Isolation)により形成され、ウェル領域及びチャネル領域の接合面を分断し、チャネル領域を他のトランジスタのチャネル領域と分断する。
トランスファートランジスタT6は、チャネル領域102上に形成されたnTFETであり、ゲート絶縁膜106と、ゲート電極108と、オフセットスペーサ110と、ソース側接合領域112と、ゲート側壁114と、ソース領域116と、ドレイン領域118と、を備えて構成される。本実施形態においては、ドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6は、双方ともnTFETであるので、上記の構成は、ドライバートランジスタT2についても同様である。また、ドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6は、素子分離絶縁膜104を介してそれぞれのnタイプのドレイン領域118が隣接するように形成される。
ゲート絶縁膜106は、FETにおいてゲートとチャネル領域の間に存在する絶縁膜である。ゲート電極108は、FETのゲートをオン・オフするために電圧が印加される電極であり、このゲート電極108に電圧を印加することによりソース−ドレイン端子間の電流を制御する。オフセットスペーサ110と、ゲート側壁114により、ゲート電極108に側壁を形成する。ソース側接合領域112は、pタイプの半導体とnタイプの半導体との間にトンネル接合を形成するためにソース領域から浅く形成される拡散層である。
以上が、nTFETの構成であるが、次にプロセスについて説明する。ここでは、図4(a)のA−A’断面図の断面構造に注目して、ドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6を形成するフローを、その製造工程を追いつつ説明する。なお、pTFETから構成されるロードトランジスタT3、T4に関しては、ドーピング種を変えるだけであり基本的な構成は同じであるので、説明を省略する。図5は、図4(b)に示すトランジスタの構成のプロセスを示す図である。
まず、図5(a)に示すように、pタイプのシリコン基板、又は、nタイプのシリコン基板上に埋め込み素子分離法により深さ2000〜3000オングストローム(Å)の素子分離絶縁膜104を、に形成する。能動素子部には、図示しない100オングストローム(Å)以下の酸化膜がシリコン表面に形成され、その後、図に示すようにウェル領域100、及びチャネル領域102をイオン注入と活性化RTA(Rapid Thermal Annealing)により形成する。典型的なイオン注入条件の例は、以下に示すような条件である。nタイプのウェル100は、Pイオンを加速エネルギー500keVにてドーズ量3.0E13cm−2とし、pタイプのチャネル102は、Bイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量1.0E14cm−2とする。pTFETで構成するロードトランジスタT3、T4の領域においては、pタイプのウェルは、Bイオンを加速エネルギー260keVにてドーズ量2.0E13cm−2とし、nタイプのチャネルは、Pイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量1.0E14cm−2として形成する。
次に、図5(b)に示すように、熱酸化法やLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法によって形成された5オングストローム(Å)から60オングストローム(Å)のゲート絶縁膜106を介して、500オングストローム(Å)から2000オングストローム(Å)のポリシリコンでゲート電極108を堆積し、ゲート電極108へのプリドーピングを行う。この際、nTFETに対してはnタイプのドーピングを行う。典型的なnタイプのドーピング条件の例としては、Pイオンを加速エネルギー5keVにてドーズ量5.0E15cm−2として行う。なお、ロードトランジスタT3、T4のpTFETに対してはpタイプのドーピングを行い、そのドーピング条件はBイオンを加速エネルギー2.5keVにてドーズ量5.0E15cm−2として行う。
次に、光リソグラフィー法、X線リソグラフィー法、又は電子ビームリソグラフィー法によってゲートパターニングを行い、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)法により、ゲート電極108及びゲート絶縁膜106をエッチングすることでゲート電極を形成する。ここで、ゲート絶縁膜106としては、SiOに限られるものではなく、SiON、SiN、さらには、HfSiON等の高誘電導体膜も考えられる。また、ポリシリコンゲート電極108の下にTiNなどのメタル膜を形成することも考えられる。
次に、後酸化として、熱酸化法により後酸化SiOを10オングストローム(Å)から20オングストローム(Å)形成した後(図示しない)、LPCVD法によりSiO又はSiNを用いてオフセットスペーサ110を30オングストローム(Å)から120オングストローム(Å)の厚さで形成する。
次に、図5(c)に示すように、浅い拡散層をソース側接合領域112として形成することにより、ソース領域においてトンネル接合を形成する。このソース側接合領域112は、例えば、Halo条件としてAsイオンを加速エネルギー40keVにてドーズ量3.0E13cm−2、30度のチルトとしてイオン注入を行った後に、BFイオン又はBイオンを加速エネルギー1.0〜3.0keVにてドーズ量5.0E14cm−2〜1.5E15cm−2としてイオン注入を行い形成する。また、pTFETのソース側接合領域では、nタイプのトンネル接合を形成し、Halo条件としてBFを加速エネルギー20keVにてドーズ量3.0E13cm−2、30度のチルトとしてイオン注入を行った後に、Asイオンを加速エネルギー1.0〜3.0keVにてドーズ量5.0E14cm−2〜1.5E15cm−2としてイオン注入を行い形成する。その後、活性化RTAを行う。なお、TFETにおいては、ドレイン側でのGIDL(Gate induced drain leak)電流を抑制するために、ドレイン側の浅い拡散層の形成は行わない。
次に、図5(d)に示すように、ゲート側壁114をTEOSやSiN、又はTEOSとSiNの組み合わせを用いて形成する。続いて、nTFETのソース領域及びpTFETのドレイン領域(図示しない)のみをレジストで開口し、pタイプの高濃度拡散層116をp+ドーピングにより形成する。また、nTFETのドレイン領域及びpTFETのソース領域(図示しない)のみをレジストで開口し、nタイプの高濃度拡散層118をn+ドーピングにより形成する。具体的には、p+ドーピングは、Bイオンを加速エネルギー2keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2とし、n+ドーピングは、Asイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2などとする。
次に、活性化アニールを行うことにより、nTFET及びpTFETのソース領域とドレイン領域の高濃度拡散層を形成する。典型的なアニール条件としては、1030℃のスパイクアニールなどがある。このプロセスを経て、図4(b)の断面図のような半導体が形成される。その後、例えばNiシリサイド層を形成し、さらに、層間膜や、コンタクトや、金属配線や、パッシベーションなどの一般的な形成を行うことにより、STIによりドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6が物理的に分断されたTFETを用いたSRAMが形成される。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置によれば、相互のnタイプのドレイン間にSTIが形成され物理的に分断された、ドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6を同一の能動領域上に形成することにより、6つのTFETを用いたSRAMのメモリセル10を構成することができる。データ保持回路に、TFETを用いることにより、従来よりもリーク電流が少なく、かつ、低消費電力で駆動するSRAMを実現することができる。
(第2実施形態)
上述した第1実施形態に係る半導体装置においては、nタイプのチャネル領域上にあるnTFETのドレイン領域を物理的に分断することにより、TFETを用いたSRAMを構成する説明をしたが、本実施形態においては、pタイプのチャネル領域上にある2つのメモリセルのnTFETの間で共有されるソース領域を用いて電気的にチャネル領域を分断することにより、SRAMを構成したものである。以下、上述した実施形態と異なる部分について、詳しく説明する。
回路の構成と動作については、上述した第1実施形態と同様であるので、詳しい説明は省略する。図6(a)は、本実施形態に係る2つのメモリセルのレイアウト図である。第1実施形態とは異なり、レイアウト上で2つのトランジスタT2、T6の共有するnタイプのドレイン領域は、物理的に分断されていない。
図6(b)は、図6(a)のA−A’断面図である。pタイプの拡散層で構成されるウェル領域120と、このウェル領域120上に形成されたnタイプの拡散層で構成されるチャネル領域122と、このチャネル領域122に形成されたnTFETで構成されるトランスファートランジスタT6と、このトランスファートランジスタT6とドレイン領域を共有する、nTFETで構成されるドライバートランジスタT2を備えて構成される。図4(b)と同じ符号は同じ構成要素を表している。この図6(b)に示すように、pタイプのウェル領域120と、nタイプのチャネル領域122と、ドライバートランジスタT2のソース領域124の構成が、上述した実施形態と異なる部分である。
pタイプのウェル領域120上に形成されたnタイプのチャネル領域122によって能動領域が構成されるので、nTFETで構成されるドライバートランジスタT2及びnTFETで構成されるトランスファートランジスタT6のpタイプで形成されたソース領域116、124がチャネル領域内でショートすることはない。しかしながら、ドライバートランジスタT2のソース領域124が、ウェル領域120とチャネル領域122との接合面まで達していない場合には、メモリセル10AのドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6で共有されるドレイン領域と、メモリセル10BのドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6で共有されるドレイン領域と、チャネル領域122とが全てnタイプであるので、チャネル領域122においてショートしてしまう。そこで、図6(b)に示す構成では、チャネル領域122をpタイプのソース領域124により電気的に分断することにより、チャネル領域122においてショートすることを防ぐ構成となっている。以下、図7を用いて、プロセスについて説明する。
図7は、図6(b)の構成を形成するためのプロセスを示す図である。ここでは、図6(a)のA−A’断面図の断面構造に注目して、ドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6を形成するフローを、その製造工程を追いつつ説明する。上述した第1実施形態と同様に、ロードトランジスタT3、T4を形成するpTFETに関しては、ドーピング種を変えるだけで基本構成は同じである。
まず、図7(a)に示すように、pタイプのシリコン基板、又はnタイプのシリコン基板上に埋め込み素子分離法により深さ2000オングストローム(Å)〜3000オングストローム(Å)の素子分離絶縁膜を形成する。なお、本実施形態においては、能動領域内にSTIが形成されていないため、図示しない。能動素子部には、図示しない100オングストローム(Å)以下の酸化膜がシリコン表面に形成され、その後、pタイプのウェル領域120及びnタイプのチャネル領域122がイオン注入及び活性化RTAで形成される。イオン注入条件の典型例は、pタイプのウェルがBイオンを加速エネルギー260keVにてドーズ量2.0E13cm−2とし、nタイプのチャネルがPイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量1.0E14cm−2とするものである。以降、図7(c)までは、図5(d)までと同様に形成する。
次に、図7(d)に示すように、ゲート側壁114を形成後に、nTFETで構成されたトランスファートランジスタT6のソース領域、及び図示しないpTFETで構成されたロードトランジスタT3、T4のドレイン領域のみをレジストで開口してpタイプの高濃度拡散層116をp+ドーピングを行うことにより形成する。また、nTFETで構成されたドライバートランジスタT2、トランスファートランジスタT6のドレイン領域、及びpTFETで構成されたロードトランジスタT3、T4のソース領域をレジストで開口してnタイプの高濃度拡散層118をn+ドーピングにより形成する。具体的には、p+ドーピングがBイオンを加速エネルギー2keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2としてイオン注入を行い、n+ドーピングがAsイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2としてイオン注入を行う。
次に、ドライバートランジスタT2のソース領域、すなわち、GND領域のみをレジストで開口してpタイプの高濃度拡散層124を形成する。ここで、GND領域がチャネル領域122とウェル領域120の接合面よりも深く形成されることで各ノードが電気的に分断される。具体的には、p+ドーピングは、Bイオンを加速エネルギー5keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2などとしてイオン注入を行う。
次に、活性化アニールを行うことにより、nTFET及びpTFETのソース領域とドレイン領域の高濃度拡散層を形成する。典型的なアニール条件としては、1030℃のスパイクアニールなどがある。このプロセスを経て、図6(b)の断面図のような半導体が形成される。その後、例えばNiシリサイド層を形成し、さらに、層間膜や、コンタクトや、金属配線や、パッシベーションなどの一般的な形成を行うことにより、ウェル領域120に達するまで深く形成されたGND領域124によりドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6が電気的に分断されたTFETを用いたSRAMが形成される。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置によれば、ドライバートランジスタのpタイプのソース領域を、pタイプのウェル領域120に達するまで深く形成することにより、メモリセル10Aのトランジスタのチャネル領域122と、メモリセル10Bのトランジスタのnタイプのチャネル領域122を電気的に分断することが可能となる。これにより、同一能動領域上に2つのメモリセル10A、10Bのトランジスタを形成することで、6つのTFETを用いたSRAMのメモリセル10を構成することができる。
(第3実施形態)
上述した第2実施形態に係る半導体装置においては、ドライバートランジスタもトランスファートランジスタもnTFETにより構成したが、第3実施形態においては、ドライバートランジスタは第2実施形態と同様にnTFETで構成されるものの、トランスファートランジスタをpTFETで構成しようとするものである。以下、上述した実施形態と異なる部分に関して詳しく説明する。
図8は、本実施形態に係るメモリセル10を示す回路図である。基本的な構成は図1に示すメモリセル10と同様であるが、トランスファートランジスタT5、T6がpTFETから構成されている点が異なる。すなわち、トランスファートランジスタT5は、ゲートがトランスファートランジスタT5、T6をオンにするための電圧を印加するワード線WWLと接続され、ドレインがドライバートランジスタT1、T2に状態を記憶するための電圧を印加するビット線WBLと接続される。そして、ドライバートランジスタT1、T2は、トランスファートランジスタT5のゲート及びドレインに印加された電圧により状態を記憶する。トランスファートランジスタT6についても同様である。
図9は、本実施形態に係るメモリセル10のレイアウトを示す図である。トランスファートランジスタT5、T6がpTFETにより構成されると、図9に示すように、ドライバートランジスタT1、T2のドレイン領域と、それぞれトランスファートランジスタT5、T6のソース領域とを共有することが可能となる。ソース領域とドレイン領域が異なるタイプの拡散層から形成されるTFETで構成することにより、このような構成が可能となる。回路図と同じく、レイアウトに関しても、トランスファートランジスタT5、T6がpTFETとなっている以外は、図2に示すレイアウト図と同様であるので、詳しい説明は省略する。
図10(a)は、図9に示されたメモリセル10を2つ並べたレイアウト図である。図6(a)との違いは、トランスファートランジスタT5、T6のソース領域とドレイン領域が入れ替わっていることである。図10(b)は、図10(a)のA−A’断面図である。この図10(b)に示すように、各メモリセル10A、10Bにおいて、ドライバートランジスタT2のnタイプのドレイン領域と、トランスファートランジスタT6のnタイプのソース領域がnタイプのチャネル領域上で共有されている部分が上述した第2実施形態と異なる部分である。
すなわち、本実施形態に係る半導体装置は、pタイプの拡散層で構成されるウェル領域120と、このウェル領域120上に形成されたnタイプの拡散層で構成されるチャネル領域122と、このチャネル領域122に形成されたnTFETで構成されるトランスファートランジスタT6と、このトランスファートランジスタT6のドレイン領域と、ソース領域を共有するpTFETで構成されるドライバートランジスタT2を備えて構成される。第2実施形態と同様に、レイアウト上で2つメモリセル10A、10Bの、ドライバートランジスタT2のドレイン領域及びトランスファートランジスタT6のソース領域により共有されるnタイプの拡散層の領域は、物理的に分断されていない。なお、図10(b)において、図4(b)及び図6(b)と同じ符号は、同じ構成要素を表している。各メモリセル10A、10B間においてソース領域124によりショートすることを防ぐ構成となっているのは、第2実施形態と同様である。
以下、図11を用いて、プロセスについて説明する。図11は、図10(b)の構成を形成するためのプロセスを示す図である。ここでは、図10(a)のA−A’断面図の断面構造に注目して、ドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6を形成するフローを、その製造工程を追いつつ説明する。上述した第1実施形態と同様に、ロードトランジスタT3、T4を形成するpTFETに関しては、ドーピング種を変えるだけで基本構成は同じである。
まず、図11(a)に示すように、pタイプのシリコン基板、又はnタイプのシリコン基板上に埋め込み素子分離法により深さ2000オングストローム(Å)〜3000オングストローム(Å)の素子分離絶縁膜を形成する。なお、本実施形態においては、能動領域内にSTIが形成されていないため、図示しない。能動素子部には、図示しない100オングストローム(Å)以下の酸化膜がシリコン表面に形成され、その後、pタイプのウェル領域120及びnタイプのチャネル領域122がイオン注入及び活性化RTAで形成される。イオン注入条件の典型例は、pタイプのウェルがBイオンを加速エネルギー260keVにてドーズ量2.0E13cm−2とし、nタイプのチャネルがPイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量1.0E14cm−2とするものである。以降、オフセットスペーサ110の形成までは、図5(b)までと同様に形成する。
次に、図11(b)に示すように、浅い拡散層をソース側接合領域112、126として形成することにより、nTFET及びpTFETのソース領域におけるトンネル接合を形成する。このnTFETのソース側接合領域112は、例えば、Halo条件としてAsイオンを加速エネルギー40keVにてドーズ量3.0E13cm−2、30度のチルトでイオン注入を行った後に、BFイオン又はBイオンを加速エネルギー1.0〜3.0keVにてドーズ量5.0E14cm−2〜1.5E15cm−2としてイオン注入を行い、形成する。また、pTFETのソース側接合領域126では、nタイプのトンネル接合を形成し、Halo条件としてBFを加速エネルギー20keVにてドーズ量3.0E13cm−2、30度のチルトでイオン注入を行った後、Asイオンを加速エネルギー1.0〜3.0keVにてドーズ量5.0E14cm−2〜1.5E15cm−2でイオン注入を行い、形成する。その後、活性化RTAを行う。なお、TFETにおいては、ドレイン側でのGIDL電流を抑制するために、ドレイン側の浅い拡散層の形成は行わない。
次に、図11(c)に示すように、上述した実施形態と同様のプロセスで、ゲート側壁108を形成する。その後、図11(d)に示すように、pTFETで構成されたトランスファートランジスタT6のドレイン領域をレジストで開口してpタイプの高濃度拡散層116をp+ドーピングにより形成する。また、nTFETのドレイン領域及びpTFETのソース領域のみをレジストで開口し、nタイプの高濃度拡散層118をn+ドーピングにより形成する。具体的には、p+ドーピングは、Bイオンを加速エネルギー2keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2としてイオン注入を行い、n+ドーピングは、Asイオンを加速エネルギー10keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2としてイオン注入を行う。
次に、ドライバートランジスタT2のソース領域、すなわち、GND領域のみをレジストで開口してpタイプの高濃度拡散層124を形成する。ここで、GND領域がチャネル領域122とウェル領域120の接合面よりも深く形成されることで各ノードが電気的に分断される。具体的には、p+ドーピングは、Bイオンを加速エネルギー5keVにてドーズ量2.0E15〜4.0E15cm−2などとして行う。
次に、活性化アニールを行うことにより、nTFET及びpTFETのソース領域とドレイン領域の高濃度拡散層を形成する。典型的なアニール条件としては、1030℃のスパイクアニールなどがある。このプロセスを経て、図10(b)の断面図のような半導体が形成される。その後、例えばNiシリサイド層を形成し、さらに、層間膜や、コンタクトや、金属配線や、パッシベーションなどの一般的な形成を行うことにより、ウェル領域120に達するまで深く形成されたGND領域124によりドライバートランジスタT2とトランスファートランジスタT6が電気的に分断されたTFETを用いたSRAMが形成される。
以上のように、本実施形態に係る半導体装置によっても、ドライバートランジスタのpタイプのソース領域を、pタイプのウェル領域120に達するまで深く形成することにより、メモリセル10Aのトランジスタのチャネル領域122と、メモリセル10Bのトランジスタのnタイプのチャネル領域122を電気的に分断することが可能となる。これにより、同一能動領域上に2つのメモリセル10A、10Bのトランジスタを形成し、6つのTFETを用いたSRAMのメモリセル10を構成することができる。
なお、上述した各実施形態においては、ドライバートランジスタT2及びトランスファートランジスタT6を主に説明したが、ドライバートランジスタT1及びトランスファートランジスタT5についても同様に形成する。また、上述した各実施形態において記載されたドーピング条件などは、一例として示したものであり、他のドーピング条件として形成することは本発明の要旨を逸脱する範囲ではない。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として呈示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を部分的に適宜組み合わせることも可能である。
10:メモリセル、12、14:インバータ回路、20:データ読出回路、T1、T2:ドライバートランジスタ、T3、T4:ロードトランジスタ、T5、T6:トランスファートランジスタ、T7、T8:読出用トランジスタ、22:データ保持回路、100:ウェル領域、102:チャネル領域、104:素子分離絶縁膜、106:絶縁膜、108:ゲート電極、110:オフセットスペーサ、112:ソース側接合領域、114:ゲート側壁、116:ソース領域、118:ドレイン領域

Claims (6)

  1. nタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、
    前記ウェル領域上に、pタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、
    前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタと隣接して設けられた第2のトランジスタであって、前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第2のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタのドレイン領域と、前記第2のトランジスタのドレイン領域との間に形成され、前記ウェル領域まで達する絶縁膜と、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記第1のトランジスタは、ゲートが当該第1のトランジスタをオンにする電圧を印加するワード線と接続され、ソースが前記第2のトランジスタに状態を記憶する電圧を印加するビット線と接続され、
    前記第2のトランジスタは、前記第1のトランジスタがオンにされた場合に前記ビット線に印加された電圧の状態を記憶する、
    ことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記絶縁膜は、前記ウェル領域及び前記チャネル領域の接合面を分断し、前記チャネル領域を他のトランジスタのチャネル領域と分断する、素子分離領域から構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
  4. pタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、
    前記ウェル領域上に形成されたnタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、
    前記チャネル領域に形成されたnタイプのドレイン領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、
    前記第1のトランジスタとドレイン領域を共有する第2のトランジスタであって、pタイプのソース領域を有するTFETで構成され、前記ソース領域が前記ウェル領域と前記チャネル領域の接合面に達する、第2のトランジスタと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
  5. 前記第1のトランジスタは、ゲートが当該第1のトランジスタをオンにする電圧を印加するワード線と接続され、ソースが前記第2のトランジスタに状態を記憶する電圧を印加するビット線と接続され、
    前記第2のトランジスタは、前記第1のトランジスタがオンにされた場合に前記ビット線に印加された電圧の状態を記憶する、
    ことを特徴とする、請求項4に記載の半導体装置。
  6. pタイプの拡散層で構成される、ウェル領域と、
    前記ウェル領域上に形成されたnタイプの拡散層で構成される、チャネル領域と、
    前記チャネル領域に形成されたnタイプのソース領域を有するTFETで構成される、第1のトランジスタと、
    nタイプのドレイン領域を、前記第1のトランジスタのソース領域と共有する第2のトランジスタであって、pタイプのソース領域を有するTFETで構成され、前記ソース領域が前記ウェル領域と前記チャネル領域の接合面に達する、第2のトランジスタと、
    を備えることを特徴とする半導体装置。
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