JP2682411B2 - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JP2682411B2 JP5311437A JP31143793A JP2682411B2 JP 2682411 B2 JP2682411 B2 JP 2682411B2 JP 5311437 A JP5311437 A JP 5311437A JP 31143793 A JP31143793 A JP 31143793A JP 2682411 B2 JP2682411 B2 JP 2682411B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体記憶装置に関し、
特にメモリセルにMOSFET(一般の絶縁ゲート電極
効果トランジスタ膜を総称してMOSFETという)を
用いたスタティック型半導体記憶装置(SRAM)に関
する。
【0002】
【従来の技術】SRAMの等価回路を図7に示す。ゲー
トとドレインが互いに交差接続された駆動MOSFET
D1、D2は、ドレインがそれぞれ負荷素子L1、L
2を介して電源線Vccにソースが接地線GNDに接続さ
れた一対のインバータから成るフリップフロップを構成
している。またゲート電極が共通のワード線Wに接続さ
れた転送MOSFET A1、A2は、ソースおよびド
レインの一方がそれぞれ駆動MOSFET D1、D2
のドレインに接続されて記憶ノード N1、N2とな
り、ソースおよびドレインの他方がそれぞれビット線
B、反転Bに接続されている。
【0003】図5は接地線、電源線、ビット線および負
荷素子を省略したSRAMメモリセルの平面図である。
それぞれのソースおよびドレインとなる拡散層12とそ
れぞれのチャネル領域上でゲートとなるゲート配線層1
4により、駆動MOSFETD1、D2と転送MOSF
ET A1,A2が構成され、拡散層12は接続孔13
を介してゲート配線層14に、接続孔17および18を
介してそれぞれ図示しない接地線およびビット線に接続
されている。
【0004】図6(a)は駆動MOSFET D1,D
2の断面図、図6(b)は転送MOSFET A1,A
2の断面図であり、それぞれ図5におけるA−A′記号
方向、B−B′方向の断面を示している。
【0005】図6(a)、(b)において、約1×10
17cm-3の濃度のP型シリコン基板21の表面には厚さ
10nmのゲート酸化膜22を介して厚さ200nmの
多結晶シリコンのゲートで極23が形成されている。ゲ
ート電極23の側面には幅100nmの酸化膜側壁25
が形成されており、ゲート電極23を形成後にリンを導
入して各ソース・ドレインのn- 部を設け、酸化膜側壁
25を形成後にヒ素をイオン注入して各ソース・ドレイ
ンのn+ 部を設けることによりn型ソース領域26a、
n型ドレイン領域26bならびにn型ソースおよびドレ
イン領域26c,26cが形成される。このときリンの
濃度は1×1018cm-3前後に、ヒ素の濃度は1×10
20cm-3前後に設定される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上に述べたSRAM
のメモリセルの駆動MOSFET D1,D2と転送M
OSFET A1,A2は、通常図5に示したようにゲ
ート長とゲート幅を変えて設計される。駆動MOSFE
Tのゲート長とゲート幅をそれぞれLd、Wd、転送M
OSFETのゲート長とゲート幅をそれぞれLa、Wa
とすれば、メモリセルを安定して動作させるためには
(Wd/Ld)/(Wa/La)で与えられるセルレシ
オを最低3程度確保する必要があり、このためLa、W
dはLd、Waの1.5〜2倍程度になるように設計さ
れるのが普通になっている。
【0007】ここで注意すべきはMOSFETのしきい
値電圧は短チャネル効果によりゲート長が短くなるにし
たがって低下するため、前述のように設計されたメモリ
セルでは駆動MOSFETと転送MOSFETのしきい
値電圧が異なることである。例えばLd=Wa=0.4
μm、La=0.6μm、Wd=0.8μmのときセル
レシオは3であるが、駆動MOSFETのしきい値電圧
は転送MOSFETのしきい値電圧よりも0.1〜0.
2V程度低くなることが確認されている。
【0008】しいき値電圧の下限は、チップ全体で許容
されるスタンバイリーク電流値、チップ全体で用いられ
ているMOSFETのチャネル幅の総計およびMOSF
ETのサブスレッショルド特性から決定される。この値
を仮に0.6Vとすると、前述の理由により転送MOS
FETのしきい値電圧0.7V〜0.8Vに設定しなけ
ればならない。
【0009】一方転送MOSFETのしきい値電圧が高
くなると別の問題が発生する。図7において、一方のビ
ット線(B)を電源電圧に、他方のビット線(反転B)
を接地電位にして記憶ノードN1、N2にそれぞれ高レ
ベル、低レベルのデータを書き込む場合を考える。記憶
ノードN1の電位は電源電圧から転送MOSFETA1
のしきい値電圧を差し引いた値になるため、転送MOS
FET A1のしきい値電圧が高くなると、記憶ノード
N1の電位はその分だけ低くなる。これはメモリセルの
動作の安定性を劣化させることを意味する。
【0010】したがって駆動MOSFETと転送MOS
FETのしきい値電圧は、サブスレッショルド特性など
により規定される下限値に等しくそろえることが望まし
いのであるが、これを従来の構造で実現するのは困難で
ある。
【0011】またメモリセルの面積の縮小及び動作速度
の向上を目的として、主に駆動MOSFETのゲート長
を短くする場合に問題となるのがパンチスルーである。
MOSFETのしきい値電圧が短チャネル効果によっ
て、ゲート長が短くなるにしたがって低下することは前
述した通りであるが、短チャネル効果が大きくなるとド
レイン電界の影響がソース領域にまで及び、ゲート電圧
でドレイン電流を制御できない状態になる。これがパン
チスルーであり、パンチスルーを防止することはMOS
FETの微細化に際して非常に重要な課題となってい
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明のSRAMは、第
一導電型の半導体基板表面に形成された第二導電型の前
記ソース領域と前記ドレイン領域の少なくともいずれか
一方の領域のチャネル領域に対向する部分の周りに、前
記半導体基板よりも高不純物濃度の第一導電型領域を設
けた駆動MOSFETを備えたメモリセルを有してい
る。
【0013】ここで前記駆動MOSFETの前記一方の
領域は低濃度の部分と高濃度の部分とを有するLDD構
造であり、チャネル領域に対向する部分が前記低濃度の
部分であり、前記高不純物濃度の第一導電型領域は前記
低濃度の部分の底面から前記チャネル領域に接する面の
周りに設けることができる。
【0014】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は接地線、電源線、ビット線および負荷素子を
省略した本発明の第1の実施例のSRAMのメモリセル
の平面図である。それぞれソースおよびドレインとなる
拡散層12とそれぞれチャネル領域上でゲート電極とな
るゲート配線層14により、駆動MOSFET D1,
D2と転送MOSFET A1,A2が構成され、拡散
層12は接続孔13を介してゲート配線層14に、接続
孔17および18を介してそれぞれ図示しない接地線お
よびビット線に接続されている。
【0015】図2(a)は駆動MOSFET D1,D
2の断面図、図2(b)は転送MOSFET A1,A
2の断面図であり、それぞれ図1におけるA−A’方
向、B−B’方向の断面を示している。
【0016】図1(a)、(b)において、約1×10
17cm-3の不純物濃度のp型シリコン基板21の表面に
は厚さ10nmのゲート酸化膜22を介して厚さ200
nmの多結晶シリコンのゲート電極23が形成されてい
る。ゲート電極23の側面には幅100nmの酸化膜側
壁25が形成されており、ゲート電極23を形成後にリ
ンを導入して各ソース・ドレインのn- 部を設け、酸化
膜側壁25を形成後にヒ素をイオン注入して各ソース・
ドレインのn+ 部を設けることによりLDD型のn型ソ
ース領域26a、n型ドレイン領域26bおよびn型ソ
ースおよびドレイン領域26c,26cが形成される。
【0017】またゲート電極23を形成後に、図1に示
したp型不純物のイオン注入領域15に選択的にボロン
をイオン注入することにより、駆動MOSFETのn型
ソース領域26a、n型ドレイン領域26bの周りにの
み、p型シリコン基板21よりも高い不純物濃度のp型
領域24がソース・ドレイン領域26a,26bのチャ
ネル領域に対向して接するn- 部を囲んで形成される。
以上においてリンの濃度は1×1018c-3前後に、ヒ
素の濃度は1×1020cm-3前後に、そしてボロンの濃
度は1×1018cm-3前後に設定される。この高不純物
濃度のp型領域24は一般にポケットもしくはハローと
呼ばれており、チャネル領域やソース領域に及ぼすドレ
イン電界の影響を軽減して短チャネル効果やパンチスル
ーを抑えるようにはたらくものである。
【0018】したがって図1に示すように、駆動MOS
FET D1,D2のゲート長Ldを従来例に比べて短
く設計することができるようになり、同時にセルレシオ
を一定に保ったまま転送MOSFET A1,A2のゲ
ート長Laも短く設計することができるようになる。
【0019】このようにしてメモリセルの面積の縮小お
よび動作速度の向上が可能になるのである。
【0020】また高い不純物濃度のp型領域24は短チ
ャネル効果やパンチスルーを抑えるだけではなく、チャ
ネル領域の端部の基板濃度が高くなることによってしき
い値電圧を上昇させるはたらきがある。
【0021】例えば、エネルギー25keV,ドース量
1×1013〜2×1013cm-2でボロンをイオン注入し
た場合、しきい値電圧は0.1〜0.2V程度上昇する
ことが確認されている。この値は従来例で説明した転送
MOSFETに対する駆動MOSFETのしきい値電圧
の低下分にほぼ等しく、したがってドース量を調整する
ことによって、駆動MOSFETと転送MOSFETの
しきい値電圧を、サブスレッショルド特性などにより規
定される下限値に等しくそろえることができるようにな
る。このようにしてメモリセルの動作の安定性を高める
ことが可能になる。
【0022】図3は第2の実施例のSRAMのメモリセ
ルの平面図であり、図4(a)は図3におけるA−A’
方向の駆動MOSFETの断面図、図4(b)図3にお
ける転送MOSFETのB−B’方向の断面図である。
第1の実施例との相違点は図3のp型不純物のイオン注
入領域15が駆動MOSFETのソース領域16aに限
定されていること、したがって図4(a),(b)に示
したように駆動MOSFETのn型ソース領域26aの
チャネル領域に対向する(接する)n- 部の周りにの
み、p型シリコン基板21よりも高不純物濃度のp型領
域24が形成されていることである。
【0023】短チャネル効果の抑制としきい値電圧の上
昇は主としてソース側の高濃度p型領域に起因するた
め、第2の実施例でも前述の課題を解決することが可能
であるばかりではなく、この実施例を用いれば、ドレイ
ン側の高不純物濃度p型領域が存在することによって生
じるホットキャリアの発生の増加や接合容量の増加など
の弊害を防止することができるようになる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように本発明のSRAM
は、第一導電型の半導体基板表面に形成された第二導電
型のソース領域とドレイン領域の少なくともいずれか一
方の周りに、前記半導体基板よりも高不純物濃度の第一
導電型領域を設けた駆動MOSFETを備えたメモリセ
ルを有している。これにより、駆動MOSFETの短チ
ャネル効果が抑制されるため、駆動MOSFETと転送
MOSFETのゲート長を短くすることができ、メモリ
セルの面積の縮小と動作速度の向上が実現できる効果が
ある。
【0025】また駆動MOSFETと転送MOSFET
のしきい値電圧をサブスレッショルド特性などにより規
定される下限値に等しくそろえることができるため、メ
モリセルの動作の安定性を高めることが可能になる効果
がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す平面図である。
【図2】本発明の第1の実施例を示す断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例を示す平面図である。
【図4】本発明の第2の実施例を示す断面図である。
【図5】従来技術を示す平面レイアウト図である。
【図6】従来技術を示す断面図である。
【図7】SRAMのメモリセルの等価回路図である。
【符号の説明】
12 拡散層 13 拡散層ゲート配線間の接続孔 14 ゲート配線層 15 p型不純物のイオン注入領域 16a 駆動MOSFETのソース領域 16b 駆動MOSFETのドレイン領域 A1,A2 転送MOSFET D1,D2 駆動MOSFET 17 拡散層−接地線間接続孔 18 拡散層−ビット線間の接続孔 21 p型シリコン基板 22 ゲート酸化膜 23 ゲート電極 24 高不純物濃度p型領域 25 酸化膜側壁 26a 駆動MOSFETのn型ソース領域 26b 駆動MOSFETのn型ドレイン領域 26c 転送MOSFETのn型ソース・ドレイン領
域 L1,L2 負荷素子 N1,N2 記憶ノード W ワード線 B,反転B ビット線 VCC 電源線 GND 接地線

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第一導電型の半導体基板表面に形成され
    た第二導電型のソース領域とドレイン領域を有する駆動
    MOSFETと、前記ドレイン領域に一端を接続された
    負荷素子とをそれぞれ有する一対のインバータから成る
    フリップフロップ、および前記ドレイン領域に接続され
    た第二導電型のソース・ドレイン領域の一方の領域と、
    ビット線に接続された第二導電型のソース・ドレイン領
    域の他方の領域とをそれぞれ有する一対の転送MOSF
    ETを備え、前記駆動MOSFETの前記ソース領域お
    よび前記ドレイン領域の少なくともいずれか一方の領域
    チャネル領域に対向する部分の周りに、前記半導体基
    板よりも高不純物濃度の第一導電型領域を設けたメモリ
    セルを有することを特徴とするスタティック型の半導体
    記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記駆動MOSFETの前記一方の領域
    低濃度の部分と高濃度の部分とを有するLDD構造で
    あり、前記チャネル領域に対向する部分が前記低濃度の
    部分であり、前記高不純物濃度の第一導電型領域は前記
    低濃度の部分の底面から前記チャネル領域に接する面の
    周りに設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体
    記憶装置。
  3. 【請求項3】 前記高不純物濃度の第一導電型領域は
    記駆動MOSFETの前記ソース領域および前記ドレイ
    ン領域の両領域の前記チャネル領域に対向する部分の
    りに設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体記
    憶装置。
  4. 【請求項4】 前記高不純物濃度の第一導電型領域は前
    記駆動MOSFETの前記ソース領域および前記ドレイ
    ン領域のうちソース領域のみの前記チャネル領域に対向
    する部分の周りに設けたことを特徴とする請求項1に記
    載の半導体記憶装置。
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