JP3410976B2 - Combined logic and memory integrated circuit chip combining thin film and bulk silicon transistors and method of forming the same - Google Patents

Combined logic and memory integrated circuit chip combining thin film and bulk silicon transistors and method of forming the same

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、単一の半導
体集積回路(IC)チップ上で併合される論理回路及び
メモリ・アレイの設計及び形成に関して、特に、論理回
路が2つの半導体レベルすなわち薄膜レベル及びバルク
・シリコン(Si)・レベルを使用し、メモリ・アレイ
がスタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRA
M)を含む、"システム・オン・チップ"回路及びその形
成方法に関する。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to the design and formation of logic circuits and memory arrays that are merged on a single semiconductor integrated circuit (IC) chip, and more particularly, where the logic circuits have two semiconductor levels or thin films. Level and bulk silicon (Si) level, the memory array uses static random access memory (SRA)
M), including "system-on-chip" circuits and methods of forming the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】論理回路及びメモリ・アレイの密度の増
加は、高速な回路性能及び小型の集積回路(IC)、従
ってIC当たりの低コスト化をもたらす。現在、論理機
能及びメモリ機能は別々のIC上に形成され、全体シス
テム・スピードは論理回路とメモリ間の通信帯域幅によ
り制限される。約500MHzの性能限界が通信帯域幅
によるものであり、論理機能及びメモリ機能が比較的長
い距離(数mm)を介して通信する直接的な結果であ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION Increasing density of logic circuits and memory arrays results in faster circuit performance and smaller integrated circuits (ICs), and thus lower cost per IC. Currently, logic and memory functions are formed on separate ICs, and overall system speed is limited by the communication bandwidth between logic circuits and memory. The performance limit of about 500 MHz is due to communication bandwidth, which is a direct result of logical and memory functions communicating over relatively long distances (several millimeters).

【0003】また現在、16メガビット(Mb)、64
Mb及びそれ以上のスタティック・ランダム・アクセス
・メモリ(SRAM)・アレイの密度は、4個のnタイ
プ金属酸化物半導体(NMOS)トランジスタをSiウ
エハ・レベル内に配置し、2個のpタイプ金属酸化物半
導体(PMOS)負荷トランジスタをSiウエハ・レベ
ル上の薄膜(TF)多結晶Si(p−Si)層内に配置
することにより増加される。これについては、例えばA.
K. Sharmaによる"Semiconductor Memories"、IEEE Pre
ss、New York(1997)及びY. Takao、H. Shimada、N. S
uzuki、Y. Matsukawa及びN. SasakiによるIEEE Transac
tions on Electron Devices 39(1992)、p. 2147を参
照されたい。SRAMセルはより小さなSiウエハ面積
を要求する。これはより高い密度の、従ってより大規模
な集積化SRAMアレイを達成するための3次元(3
D)集積化の例である。特に前記A. K. Sharmaにより述
べられるように、3D SRAMの例では他の利点とし
て、耐ノイズ性の向上及び低待機電流が含まれる。
Currently, 16 megabits (Mb), 64
Mb and above static random access memory (SRAM) array densities include four n-type metal oxide semiconductor (NMOS) transistors placed in the Si wafer level and two p-type metal oxides. It is increased by placing oxide semiconductor (PMOS) load transistors in a thin film (TF) polycrystalline Si (p-Si) layer on the Si wafer level. About this, for example A.
"Semiconductor Memories" by K. Sharma, IEEE Pre
ss, New York (1997) and Y. Takao, H. Shimada, N.S.
IEEE Transac by uzuki, Y. Matsukawa and N. Sasaki
See tions on Electron Devices 39 (1992), p. 2147. SRAM cells require a smaller Si wafer area. This is a 3D (3D) approach to achieve higher density and therefore larger scaled SRAM arrays.
D) An example of integration. In particular, as described by AK Sharma, other advantages of the 3D SRAM example include improved noise immunity and low standby current.

【0004】500MHzの性能限界を超える1つのア
プローチは、論理回路とメモリ・アレイとを単一のIC
上に集積化することである。これらのICは、"併合化
論理及びメモリ"構成または"システム・オン・チップ"
構成として知られる。システム・オン・チップ構成は性
能を向上させ得る。現在、別個の論理チップ及びメモリ
・チップを形成するために、2つの別個のプロセス技術
が使用されている。
One approach beyond the 500 MHz performance limit is to combine logic and memory arrays into a single IC.
It is to integrate on top. These ICs are "merged logic and memory" configurations or "system-on-chip".
Known as composition. System-on-chip configurations can improve performance. Currently, two separate process techniques are used to form separate logic and memory chips.

【0005】密度スケーリング及び性能向上の両方のた
めの解決策、また論理回路及びメモリ回路を形成する単
一プロセス技術が待望される。
Solutions for both density scaling and performance improvement, as well as single process techniques for forming logic and memory circuits are desired.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的
は、"システム・オン・チップ"ICを設計及び製作する
ための小型で経済的な方法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a compact and economical method for designing and manufacturing "system on chip" ICs.

【0007】本発明の別の目的は、論理回路及びメモリ
回路の両方のための単一のプロセス技術及び3D集積化
方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide a single process technology and 3D integration method for both logic and memory circuits.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、メモリ
・アレイと一緒に単一のICチップ内に組み込まれる論
理回路が、そのメモリ・アレイのトランジスタと共通の
2つの半導体層レベル、すなわち薄膜(TF)レベル及
びウエハ・レベル、の各半導体層内のトランジスタから
構成される、併合化論理及びメモリICが提供される。
論理回路は差動カスコード電圧スイッチ(DCVS)論
理の三次元形態であり、そこではNMOSトランジスタ
がウエハ・レベルの半導体基層内に形成され、また、
MOSトランジスタが前記NMOSトランジスタとオー
バラップ位置で前記薄膜レベルの半導体層内に形成され
る。この論理回路としては、例えばL. G. Heller、W.
R.Griffin、J. W. Davis及びn. G. Thomaにより、Diges
t Tech. Papers、ISSCC 1984、pp. 16-17及びFang-shi
Lai及びWei Hwangにより、IEEE Journal of Solid-Stat
e Circuits、32(1997)、p. 563に記載の論理回路が擧
げられる。モリ・アレイとしては、1つのセルが6個
のトランジスタから成るスタティック・ランダム・アク
セス・メモリ(SRAM)が擧げられ、そこではSRA
Mセルの4個のNMOS駆動トランジスタがウエハ・レ
ベルの半導体基層内に配置され、2個のPMOS負荷ト
ランジスタが薄膜レベルの半導体層内に前記NMOSト
ランジスタとオーバラップ関係で配置される。
According to the present invention, a memory
.Theory of being incorporated in a single IC chip together with an array
Management circuit, from the transistor and a common two semiconductor layers level memory array, i.e. a thin film (TF) level and wafer level, the transistors of the semiconductor layer of
It is configured, merging of logic and memory IC is provided.
The logic circuit is a three-dimensional form of differential cascode voltage switch (DCVS) logic, in which an NMOS transistor is used.
Is formed in the semiconductor substrate at the wafer level, and P
MOS transistor is the NMOS transistor and the O
Wherein in-overlap position is formed in the semiconductor layer of the thin burr bell. Examples of this logic circuit include LG Heller, W.
Diges by R. Griffin, JW Davis and n. G. Thoma
t Tech. Papers, ISSCC 1984, pp. 16-17 and Fang-shi
IEEE Journal of Solid-Stat by Lai and Wei Hwang
e Circuits, 32 (1997), p. 563 logic circuit according to the擧
Gerare Ru. The memory array, one cell 6
Of static random access memory consisting of a transistor (SRAM) and the like, where the SRA
Disposed four NMOS driver transistor Gow Fine level in the semiconductor substrate of the M cell, the NMOS bets two PMOS load transistors in the semiconductor layer of the thin-film level
It is placed in an overlapping relationship with the transistor.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本明細書では、例えば「Aバー」
のように、信号名またはノード名に「バー」を付けるこ
とによって、その反転形を表わすことにする。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present specification, for example, "A bar"
The inverted form of the signal name or node name is indicated by adding a “bar” to the signal name or the node name.

【0010】図1及び図2を参照すると、従来のプレー
ナ・スタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SR
AM)・アレイの例が示される。図1は標準の6個のト
ランジスタCMOS SRAMセルを表す構成回路図で
ある。NMOSトランジスタQ1及びQ2は"アクセス"
素子であり、NMOSトランジスタQ3及びQ4は"駆
動(driver)"トランジスタであり、2個のPMOSト
ランジスタQ5及びQ6は"負荷"トランジスタである。
Referring to FIGS. 1 and 2, a conventional planar static random access memory (SR) is used.
AM) array example is shown. FIG. 1 is a structural circuit diagram showing a standard six-transistor CMOS SRAM cell. NMOS transistors Q1 and Q2 are "accessed"
Devices, NMOS transistors Q3 and Q4 are "driver" transistors, and two PMOS transistors Q5 and Q6 are "load" transistors.

【0011】標準のSRAMセルのレイアウト図が図2
に示される。Q1及びQ2のNMOSトランジスタは、
能動nシリコン層1及びポリシリコン層3及び4のオー
バラップにより形成される。Q1及びQ2のソース・コ
ンタクト10は、金属層6によりVssまたはグラウンド
に接触される。同様に、Q3及びQ4は能動シリコン層
1及びワード・ライン(WL)を形成するポリシリコン
層5のオーバラップにより形成される。Q3及びQ4の
ドレイン・コンタクト20は、それぞれビット・ライン
Bitバー(ここで"バー"は反転信号を表す)及びBi
tに接続される。PMOS Q5トランジスタ及びQ6
トランジスタは、金属層7すなわちVDDに接続される。
Q5及びQ6のドレイン・コンタクト40及び42は、
図1の黒丸で示されるノードに接続される。
A layout diagram of a standard SRAM cell is shown in FIG.
Shown in. The NMOS transistors of Q1 and Q2 are
It is formed by the overlap of the active n-silicon layer 1 and the polysilicon layers 3 and 4. The source contacts 10 of Q1 and Q2 are contacted to V ss or ground by the metal layer 6. Similarly, Q3 and Q4 are formed by the overlap of the active silicon layer 1 and the polysilicon layer 5 forming the word lines (WL). The drain contacts 20 of Q3 and Q4 are bit line Bit bar (where "bar" represents the inverted signal) and Bi, respectively.
connected to t. PMOS Q5 transistor and Q6
The transistor is connected to metal layer 7 or V DD .
The drain contacts 40 and 42 of Q5 and Q6 are
It is connected to the node indicated by the black circle in FIG.

【0012】薄膜Si PMOS負荷トランジスタを用
い、3次元(3D)にて形成される従来のSRAMセル
が図3及び図4に示される。図3の回路は実質的に図1
の回路と同じである。
A conventional SRAM cell formed in three dimensions (3D) using thin film Si PMOS load transistors is shown in FIGS. The circuit of FIG. 3 is substantially the circuit of FIG.
The circuit is the same.

【0013】図4は従来の3D SRAMセルの構造、
並びにメモリ・アレイの密度を増加するために使用され
る形成方法を示す。3D SRAMセルは、PMOSト
ランジスタQ5及びQ6を薄膜トランジスタ(TFT)
層、好適にはエキシマ・レーザ・アニーリング法により
形成される多結晶Si(p−Si)内に配置する。トラ
ンジスタQ1乃至Q4は結晶Siウエハ基板内に形成さ
れる。より詳細には、図4に示されるように、Q1 N
MOSトランジスタ及びQ2 NMOSトランジスタは
それぞれ能動nシリコン層21及び23と、第1のポリ
シリコン層16及び15とのオーバラップにより形成さ
れる。同様に、Q3及びQ4は、能動シリコン層11及
び12と、ワード・ライン(WL)を形成する第1のポ
リシリコン層17とのオーバラップにより形成される。
Q3及びQ4のドレイン・コンタクト18は、アルミニ
ウム(Al)金属層内に形成されるビット・ライン(B
Lバー及びBL)に接続される。第2のポリシリコン層
28は、PMOS TFTQ5及びQ6のゲートを形成
する(下部ゲートTFT構造)。第3のポリシリコン層
13及び14はTFT Q5及びQ6の能動層を形成
し、またVDDラインも形成する。第2のポリシリコン層
28と第3のポリシリコン層13及び14とのオーバラ
ップが、TFT Q5及びQ6をそれぞれ形成する。
FIG. 4 shows the structure of a conventional 3D SRAM cell,
And the fabrication method used to increase the density of the memory array. The 3D SRAM cell has PMOS transistors Q5 and Q6 as thin film transistors (TFT).
Layers, preferably in poly-Si (p-Si) formed by excimer laser annealing. The transistors Q1 to Q4 are formed in a crystalline Si wafer substrate. More specifically, as shown in FIG. 4, Q1 N
The MOS transistor and the Q2 NMOS transistor are formed by the overlap between the active n-silicon layers 21 and 23 and the first polysilicon layers 16 and 15, respectively. Similarly, Q3 and Q4 are formed by the overlap of the active silicon layers 11 and 12 with the first polysilicon layer 17 forming the word line (WL).
The drain contacts 18 of Q3 and Q4 are bit lines (B) formed in an aluminum (Al) metal layer.
L bar and BL). The second polysilicon layer 28 forms the gates of the PMOS TFTs Q5 and Q6 (lower gate TFT structure). Third polysilicon layers 13 and 14 form the active layers of TFTs Q5 and Q6 and also form the V DD line. The overlap between the second polysilicon layer 28 and the third polysilicon layers 13 and 14 forms TFTs Q5 and Q6, respectively.

【0014】差動カスコード電圧スイッチ(DCVS)
論理は2重レールCMOS回路技術であり、それはレイ
アウト面積、回路遅延、消費電力及び論理的柔軟性の点
で、従来の単レールNAND/NORランダム論理に勝
る潜在的な利点を有する。DCVSはNMOS差動対の
スタック(積み重ね)から構成され、それらはプル・ア
ップのために1対の交差接続PMOS負荷に接続され
る。静的モードでは直流電流(d.c.)は流れない。
従って、従来のCMOS論理において幾つかのゲートを
要求し得る複雑なブール論理機能が、DCVS内の単一
ステージ・ゲート内で実現され得る。
Differential Cascode Voltage Switch (DCVS)
Logic is a dual rail CMOS circuit technology, which has potential advantages over traditional single rail NAND / NOR random logic in terms of layout area, circuit delay, power consumption and logic flexibility. The DCVS consists of a stack of NMOS differential pairs, which are connected to a pair of cross-connected PMOS loads for pull-up. Direct current (dc) does not flow in the static mode.
Thus, complex Boolean logic functions, which may require several gates in conventional CMOS logic, can be implemented in a single stage gate in DCVS.

【0015】本発明に関係する従来の単純な差動カスコ
ード電圧スイッチ(DCVS)論理が図5及び図6に示
される。従来のDCVS AND/NANDゲートの構
成回路図が図5に示され、そのレイアウト図が図6に示
される。この場合には、6個の全てのトランジスタが単
一レベルのSiウエハ基板内に形成される。4個の駆動
トランジスタが存在し、Q1乃至Q4はNMOS素子で
あり、nチャネル論理評価(真及び反転)ツリーを構成
する。回路負荷は2個の交差接続PMOS負荷トランジ
スタQ5及びQ6により構成され、これらは本発明にと
って重要である。なぜなら、これらの素子はSiウエハ
構造の大きな面積を占有し、従って、従来のDCVS論
理が非常に高い面積密度を達成することを阻止するから
である。
The conventional simple differential cascode voltage switch (DCVS) logic relevant to the present invention is shown in FIGS. A configuration circuit diagram of a conventional DCVS AND / NAND gate is shown in FIG. 5, and a layout diagram thereof is shown in FIG. In this case, all six transistors are formed in a single level Si wafer substrate. There are four drive transistors and Q1 through Q4 are NMOS devices, which form an n-channel logic evaluation (true and inversion) tree. The circuit load is constituted by two cross-connected PMOS load transistors Q5 and Q6, which are important to the invention. This is because these devices occupy a large area of the Si wafer structure, thus preventing conventional DCVS logic from achieving very high areal densities.

【0016】図5では、NMOS論理ツリーの左のレグ
(leg)が、直列のNMOSトランジスタQ2及びQ1
により構成され、グラウンドに接続され1個のプルダウ
ン網を形成する。Q2及びQ1は、それらのゲート信号
A及びBによりそれぞれ制御されるスイッチとして動作
する。NMOS論理ツリーの右側のレグは、並列のNM
OSトランジスタQ3及びQ4により構成される。両方
のトランジスタはグラウンドに接続され別のプルダウン
網を形成する。Q3及びQ4はそれらのゲート信号、す
なわち反転入力Aバー及びBバーによりそれぞれ制御さ
れる。プルアップ網は、2個の交差接続PMOSトラン
ジスタQ5及びQ6により構成される。入力信号A及び
Bがロウからハイに遷移するとき、トランジスタQ1及
びQ2がオンする。この時ノードYバーがグラウンドに
放電される。ノードYは、反転入力信号Aバー及びBバ
ーがハイからロウに遷移する遷移期間には浮遊状態であ
る。
In FIG. 5, the left leg of the NMOS logic tree is the series NMOS transistors Q2 and Q1.
And is connected to the ground to form one pull-down network. Q2 and Q1 operate as switches controlled by their gate signals A and B, respectively. The right leg of the NMOS logic tree is a parallel NM
It is composed of OS transistors Q3 and Q4. Both transistors are connected to ground to form another pulldown network. Q3 and Q4 are controlled by their gate signals, inverting inputs A and B, respectively. The pull-up network is composed of two cross-connected PMOS transistors Q5 and Q6. When the input signals A and B transition from low to high, the transistors Q1 and Q2 turn on. At this time, the node Y bar is discharged to the ground. The node Y is in a floating state during the transition period in which the inverted input signals A bar and B bar transit from high to low.

【0017】NMOSトランジスタQ3及びQ4の両方
はオフである。ノードYバー上のグラウンド・レベル
が、交差接続PMOS負荷トランジスタQ6をオンす
る。出力ノードYがハイに充電される。このことが2重
AND/NAND論理機能を実現する。
Both NMOS transistors Q3 and Q4 are off. The ground level on node Y-bar turns on the cross-connected PMOS load transistor Q6. The output node Y is charged high. This implements the dual AND / NAND logic function.

【0018】単純なDCVS AND/NANDゲート
のレイアウト図が図6に示される。NMOSトランジス
タQ1及びQ2は、能動nシリコン層31とポリシリコ
ン層36、37とのオーバラップにより形成される。そ
れによりソース拡散及びドレイン拡散が、ゲートA及び
Bに自己整合される。Q1のソース・コンタクト41は
金属層40により、Vssまたはグラウンドに接続され
る。Q2のドレイン・コンタクト43は、ノード1また
はYバーに接続される。同様に、NMOSトランジスタ
Q3及びQ4は、能動nシリコン層31とポリシリコン
層38、39とのオーバラップにより形成される。それ
によりソース拡散及びドレイン拡散が、ゲートAバー及
びBバーに自己整合される。Q3及びQ4のソース・コ
ンタクト45、47が、金属層40によりVssまたはグ
ラウンドに接続される。Q3及びQ4の共通ドレイン・
コンタクト49がノード2またはYに接続される。PM
OSトランジスタQ5及びQ6は、nウェル領域33内
に打ち込まれるp+領域内に形成される。nウェルは通
常、トランジスタのソース/ドレイン打ち込みに比較し
て、より深い打ち込みである。従って、外寸法がnウェ
ルのエッジと隣接するn+拡散との間に、十分なスペー
スを提供することが必要である。再度、PMOSトラン
ジスタQ5及びQ6は、能動p−シリコン層32とポリ
シリコン層34、35とのオーバラップにより形成され
る。Q5及びQ6のソース・コンタクト51、53は金
属層50すなわちVDDに接続される。Q5及びQ6のド
レイン・コンタクト55、57はノード1及び2または
Yバー及びYにそれぞれ接続される。
A layout diagram of a simple DCVS AND / NAND gate is shown in FIG. The NMOS transistors Q1 and Q2 are formed by overlapping the active n silicon layer 31 and the polysilicon layers 36 and 37. Thereby the source and drain diffusions are self-aligned with the gates A and B. The source contact 41 of Q1 is connected to V ss or ground by the metal layer 40. The drain contact 43 of Q2 is connected to node 1 or Y bar. Similarly, the NMOS transistors Q3 and Q4 are formed by overlapping the active n silicon layer 31 and the polysilicon layers 38 and 39. Thereby the source and drain diffusions are self-aligned with the gates A and B. The source contacts 45, 47 of Q3 and Q4 are connected to V ss or ground by the metal layer 40. Common drain of Q3 and Q4
Contact 49 is connected to node 2 or Y. PM
The OS transistors Q5 and Q6 are formed in the p + region implanted in the n-well region 33. The n-well is typically a deeper implant compared to the source / drain implant of the transistor. Therefore, it is necessary for the outer dimensions to provide sufficient space between the edge of the n-well and the adjacent n + diffusion. Again, PMOS transistors Q5 and Q6 are formed by the overlap of active p-silicon layer 32 and polysilicon layers 34,35. The source contacts 51, 53 of Q5 and Q6 are connected to the metal layer 50 or V DD . The drain contacts 55, 57 of Q5 and Q6 are connected to nodes 1 and 2 or Y-bar and Y, respectively.

【0019】本発明の構造の断面図が図7に示される。
より詳細には、図7は本発明の最も一般的な形態、すな
わち論理素子及びSRAMメモリ素子の両方を形成する
ために使用される、3次元(3D)CMOSトランジス
タ対の構成断面図を示す。便宜上、トランジスタ・レベ
ルだけが示される(配線レベルは示されない)。この単
純化された断面図では、1個のNMOSトランジスタ4
00が結晶バルクSiウエハ基板401内に形成され
る。PMOS負荷トランジスタ411は、NMOS素子
上のSi層内に形成される。Si層406はPMOS
TFTとして使用され、好適には、エキシマ・レーザ・
アニーリング法により形成される多結晶Si(p−S
i)である。或いは、これは急速熱アニーリング(RT
A)法により形成されるp−Siである。要するに、構
造の下部は厚い絶縁体402、バイア・ホール403及
びバイア・ホールを充填する導体404を含む。
A cross-sectional view of the structure of the present invention is shown in FIG.
More specifically, FIG. 7 shows a cross-sectional schematic view of the most general form of the invention, namely, a three-dimensional (3D) CMOS transistor pair used to form both logic and SRAM memory devices. For convenience, only transistor levels are shown (wiring levels not shown). In this simplified sectional view, one NMOS transistor 4
00 is formed in a crystalline bulk Si wafer substrate 401. The PMOS load transistor 411 is formed in the Si layer on the NMOS device. Si layer 406 is PMOS
Used as a TFT, preferably an excimer laser
Polycrystalline Si (p-S) formed by the annealing method
i). Alternatively, this is a rapid thermal annealing (RT
It is p-Si formed by the A) method. In essence, the bottom of the structure includes a thick insulator 402, a via hole 403 and a conductor 404 filling the via hole.

【0020】厚い絶縁体402は、化学機械式研磨(C
MP)法により平坦化され、続くPMOSトランジスタ
411の形成のために平坦な表面405が残される。構
造の上部には薄膜Si層406、ゲート誘電層407、
ゲート導体408及びソース・コンタクト及びドレイン
・コンタクト409が含まれる。ソース金属レベル及び
ドレイン金属レベル409は、厚い絶縁体(不動態化)
層410により絶縁される。この構造の薄膜Si上部レ
ベルの形成については、図16乃至図19に関連して後
述される。
The thick insulator 402 is formed by chemical mechanical polishing (C
MP) method to planarize, leaving a planar surface 405 for subsequent formation of PMOS transistor 411. On top of the structure is a thin Si layer 406, a gate dielectric layer 407,
A gate conductor 408 and source and drain contacts 409 are included. Source metal level and drain metal level 409 are thick insulators (passivation)
Insulated by layer 410. The formation of the thin film Si upper level of this structure will be described later with reference to FIGS.

【0021】本発明の一般的な場合及び好適な実施例に
ついて図8及び図9を参照して述べることにする。これ
は本発明の1実施例である、DCVS論理回路内のAN
D差動論理ゲート及びNAND差動論理ゲートの3D回
路構成の詳細構造を示す。DCVS回路概念が図8に差
動形態で示され、これはDCVS論理回路(3次元構成
すなわち3D DCVS)内のANDゲート及びNAN
Dゲートの両方の回路構成図を示す。再度、便宜上、ト
ランジスタ・レベル及びM4までの選択された配線レベ
ルだけが示される(完全な配線レベルは示されていな
い)。能動トランジスタQ1乃至Q4が、結晶Siウエ
ハ基板内に形成される。2個の交差接続PMOS負荷ト
ランジスタQ5及びQ6が、好適にはエキシマ・レーザ
・アニーリング法により形成される多結晶Si(p−S
i)を用いてTFT層内に形成される。差動入力に依存
して、NMOS組み合わせ論理評価ツリー網により、一
方の出力(FまたはFバー)がプル・ダウンされる。正
のフィードバック作用は、PMOSラッチを静的出力F
及びFバーに、または完全に差動的なVDD及びグラウン
ド論理レベルにセットする。
The general case and preferred embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. This is an embodiment of the present invention, an AN in a DCVS logic circuit.
3 shows a detailed structure of a 3D circuit configuration of a D differential logic gate and a NAND differential logic gate. The DCVS circuit concept is shown in FIG. 8 in differential form, which includes an AND gate and a NAN in a DCVS logic circuit (three-dimensional configuration or 3D DCVS).
Both circuit configuration diagrams of the D gate are shown. Again, for convenience, only transistor levels and selected wire levels up to M4 are shown (full wire levels not shown). Active transistors Q1-Q4 are formed in a crystalline Si wafer substrate. Two cross-connected PMOS load transistors Q5 and Q6 are preferably formed of polycrystalline Si (p-S) by excimer laser annealing.
i) is used to form in the TFT layer. Depending on the differential input, one output (F or F bar) is pulled down by the NMOS combinatorial logic evaluation tree network. Positive feedback action causes the PMOS latch to have a static output F
And F-bar, or fully differential V DD and ground logic levels.

【0022】3D DCVSの基本回路動作は、図5に
関連して上述された2D DCVSと同じである。3D
の場合には、プルアップ負荷網が2個の交差接続PMO
STFTを含む。このことは、前記負荷素子の設計の柔
軟性の点で大きな利点を提供する。複雑な論理ゲートの
プルアップ性能、すなわち早い立上り時間が劇的に向上
され得る。従来、2重レール論理は、もっぱら高性能デ
ジタル・システムにおいて使用された。2Dまたは3D
DCVS対応のより複雑なNMOS論理ツリーを構成
する設計手順が、カルノ図(Karnaugh map、Kマップ)
により合成され得る。
The basic circuit operation of 3D DCVS is the same as 2D DCVS described above in connection with FIG. 3D
, The cross-connect PMO with two pull-up load networks
Including STFT. This offers a great advantage in terms of design flexibility of the load element. The pull-up performance of complex logic gates, ie the fast rise time, can be dramatically improved. Traditionally, dual rail logic was used exclusively in high performance digital systems. 2D or 3D
The design procedure for constructing a more complex NMOS logic tree compatible with DCVS is the Karnaugh map (K map).
Can be synthesized by

【0023】この回路の構成を示す詳細断面図が図9に
示される。p−エピタキシャル層501がp+基板50
0上に付着される。標準のNMOSプロセスにより、p
+基板500上に能動トランジスタQ1乃至Q4が形成
される。トランジスタQ1乃至Q4のための能動領域5
03が、N添加物のイオン打ち込みにより定義される。
次に、浅いトレンチ分離(STI)502が、隣接する
素子Q2及びQ3を分離する。付着されたポリシリコン
層がパターン化され、トランジスタQ1乃至Q4の自己
整合型Siゲート、それぞれ524、525、526及
び527を形成する。イオン打ち込みにより、N添加ソ
ース領域及びドレイン領域503が形成される。ソース
・コンタクト505が形成され第1の金属層(M1)に
接続される。トランジスタQ1、Q3及びQ4のソース
接合コンタクトは、M1すなわちグラウンドに接続され
る。Q1、Q2、Q3及びQ4のトランジスタ・ゲート
は、それぞれ入力信号B、A及びAバー、Bバーに接続
される。厚い絶縁体506が化学蒸着(CVD)により
付着される。前述のように、厚い絶縁体506が化学機
械式研磨(CMP)法により平坦化され、平坦な表面5
18が続くPMOS負荷トランジスタの形成のために残
される。
A detailed sectional view showing the structure of this circuit is shown in FIG. The p− epitaxial layer 501 is the p + substrate 50.
0 attached. P by standard NMOS process
Active transistors Q1 to Q4 are formed on the + substrate 500. Active area 5 for transistors Q1 to Q4
03 is defined by ion implantation of N additive.
A shallow trench isolation (STI) 502 then isolates adjacent devices Q2 and Q3. The deposited polysilicon layer is patterned to form the self-aligned Si gates of transistors Q1-Q4, 524, 525, 526 and 527, respectively. The N-doped source region and drain region 503 are formed by ion implantation. A source contact 505 is formed and connected to the first metal layer (M1). The source junction contacts of transistors Q1, Q3 and Q4 are connected to M1, or ground. The transistor gates of Q1, Q2, Q3 and Q4 are connected to the input signals B, A and A bar, B bar, respectively. Thick insulator 506 is deposited by chemical vapor deposition (CVD). As described above, the thick insulator 506 is planarized by the chemical mechanical polishing (CMP) method to form the flat surface 5
18 is left for the subsequent formation of the PMOS load transistor.

【0024】次に、バルクNMOSトランジスタとPM
OS薄膜トランジスタ(TFT)との接続のために重要
な、バイア・ホールがパターン化されエッチングされ
る。これらのバイア・ホールは、導体530及び532
により充填される。導体530はQ2をQ5に接続す
る。導体532はQ3及びQ4をQ6に接続する。
Next, the bulk NMOS transistor and PM
Via holes, important for connection to OS thin film transistors (TFTs), are patterned and etched. These via holes are made up of conductors 530 and 532.
Is filled with. Conductor 530 connects Q2 to Q5. Conductor 532 connects Q3 and Q4 to Q6.

【0025】PMOS負荷トランジスタがTFT Si
層、好適にはエキシマ・レーザ・アニーリング法により
形成される多結晶Si(p−Si)内に形成される。構
造は薄膜Si層の付着から開始し、能動アイランド50
7をパターニングする。共形に付着されるゲート絶縁体
層508が形成される。次に、高度に添加されたポリシ
リコン層が付着され、自己整合型のシリコン・ゲート5
09を形成する。P添加ソース領域及びドレイン領域を
形成するためにイオン打ち込みが使用される。ソース・
コンタクト及びドレイン・コンタクトがM2金属層また
はM3金属層に接続される。TFT Q5のドレイン・
コンタクト531は金属層M2に接続されノードFバー
を形成する。TFT Q6のドレイン・コンタクト53
3は金属層M2に接続されノードFを形成する。これら
のノードは、出力信号線Fバー及びFにそれぞれ接続さ
れる。更に、TFT Q5のソース・コンタクト512
及びTFT Q6のソース・コンタクト511がM3層
514に接続され、次にバイア516を介して第4の金
属層(M4)517に接続される。VDDが薄膜配線51
4から相互接続511を通じてTFT Q6に印加さ
れ、同様に、薄膜配線514から相互接続512を通じ
てTFT Q5に印加される。付着される誘電層510
及び515は、薄膜配線レベルを分離する。ここで本質
的な配線レベルだけが示される。また、VDD514上に
配置される配線レベルの1つだけが示される。配線接続
の残りは標準のVLSI技術により形成される。
The PMOS load transistor is TFT Si
The layer is formed in polycrystalline Si (p-Si), preferably formed by an excimer laser annealing method. The structure begins with the deposition of a thin Si layer and begins with the active island 50.
7 is patterned. A gate insulator layer 508 is formed conformally deposited. Next, a highly doped polysilicon layer is deposited to self-align the silicon gate 5
09 is formed. Ion implantation is used to form P-doped source and drain regions. Source·
Contact and drain contacts are connected to the M2 or M3 metal layer. Drain of TFT Q5
Contact 531 is connected to metal layer M2 to form node F bar. Drain contact 53 of TFT Q6
3 is connected to the metal layer M2 to form a node F. These nodes are connected to the output signal lines F bar and F, respectively. Further, the source contact 512 of the TFT Q5
And the source contact 511 of the TFT Q6 is connected to the M3 layer 514 and then via the via 516 to the fourth metal layer (M4) 517. V DD is thin film wiring 51
4 to TFT Q6 through interconnect 511 and similarly from thin film wiring 514 to TFT Q5 through interconnect 512. Deposited dielectric layer 510
And 515 separate the thin film wiring levels. Only the essential wiring levels are shown here. Also, only one of the wiring levels placed on V DD 514 is shown. The rest of the wiring connections are formed by standard VLSI technology.

【0026】本発明の特定の場合及び好適な実施例につ
いて、図10及び図11を参照して述べることにする。
パスゲート装備型3D差動カスコード電圧スイッチ(D
CVSPG)と呼ばれる、新たな高性能及び低電力回路
技術について説明する。回路スタイルはDCVS内のN
MOS論理スタック化ツリーの代わりに、DCVSPG
内のパスゲート論理ツリーを用いて設計される。DCV
Sはレシオ回路(ratio circuit)として分類される。
DCVSPGはレシオレス回路(ratioless circuit)
と見なされる。図10は、3次元構造においてDCVS
PG論理を用いて形成される単純なAND/NANDゲ
ートの回路図である。
Specific cases and preferred embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
3D differential cascode voltage switch with pass gate (D
A new high performance and low power circuit technology called CVSPG) is described. Circuit style is N in DCVS
DCVSPG instead of MOS logical stacking tree
It is designed using the passgate logic tree in. DCV
S is classified as a ratio circuit.
DCVSPG is a ratioless circuit
Is considered. FIG. 10 shows the DCVS in the three-dimensional structure.
FIG. 6 is a circuit diagram of a simple AND / NAND gate formed using PG logic.

【0027】図10において、パスゲート論理ツリーの
左側のレグが、並列の2個のNMOS Q2及びQ1か
ら構成される。ここでDCVSでは、これらの2個のN
MOSトランジスタが直列であるが(図8参照)、DC
VSPGでは、これら2個のNMOSトランジスタが並
列である。複雑な論理機能が設計されるときには、明ら
かに有利である(図12乃至図15参照)。パスゲート
・ツリーの右側のレグは、同様に2個の並列なNMOS
Q3及びQ4から構成される。パスゲート論理ツリー
は、再帰的にカルノ図を用いることにより非常に系統的
に合成され得る。2つの入力変数A及びBを有する基本
論理が図10に示される。入力信号AまたはBは、NM
OSゲート制御またはNMOSソース接続のいずれかで
ある。この場合、信号Aが制御変数であると仮定する
と、B信号は機能変数である。制御変数はゲートに接続
するために使用され、機能変数はNMOS素子のソース
に接続される。制御信号Aバー及びAの下で、用語(te
rms)を図10に示されるように一緒にグループ化す
る。AバーはQ1及びQ3の制御ゲートに接続される。
AはQ2及びQ4の制御ゲートに接続される。Q1、Q
2、Q3及びQ4のソースは、それぞれ機能変数VDD
Bバー、グラウンド及びBに接続される。2個の交差接
続TFT PMOSトランジスタQ5及びQ6は、正に
図8に示されるのと同様プルアップ網を形成する。
In FIG. 10, the left leg of the passgate logic tree consists of two parallel NMOS Q2 and Q1. Here in DCVS, these two N
Although the MOS transistors are in series (see FIG. 8), DC
In VSPG, these two NMOS transistors are in parallel. There are clearly advantages when complex logic functions are designed (see Figures 12 to 15). The right leg of the passgate tree is also two parallel NMOSs
It is composed of Q3 and Q4. Passgate logic trees can be very systematically synthesized by using the Carno diagram recursively. The basic logic with two input variables A and B is shown in FIG. Input signal A or B is NM
Either OS gate control or NMOS source connection. In this case, assuming the signal A is a control variable, the B signal is a functional variable. The control variable is used to connect to the gate and the functional variable is connected to the source of the NMOS device. Under the control signals A bar and A, the term (te
rms) are grouped together as shown in FIG. A bar is connected to the control gates of Q1 and Q3.
A is connected to the control gates of Q2 and Q4. Q1, Q
The sources of 2, Q3 and Q4 are the function variables V DD ,
Connected to B bar, ground and B. The two cross-connected TFT PMOS transistors Q5 and Q6 form a pull-up network just as shown in FIG.

【0028】図10に示される3D DCVSPG A
ND/NAND回路は、NMOSツリーをパスゲート設
計により置換することにより、実際に浮遊ノード問題を
解決する。同一の前の状態において、両方の入力信号A
及びBがロウからハイに遷移するときQ2及びQ4の両
方がオンする。次に反転信号Aバー及びBバーがハイか
らロウに遷移するとき、ノードFバーがグラウンドに放
電される。しかしながら、出力ノードFは即時ハイ状態
に充電されている。これは2重AND/NAND論理機
能を実現する。浮遊ノード問題は発生しない。
3D DCVSPG A shown in FIG.
The ND / NAND circuit actually solves the floating node problem by replacing the NMOS tree with a passgate design. In the same previous state, both input signals A
Both Q2 and Q4 turn on when B and B transition from low to high. The node F bar is then discharged to ground when the inverted signals A and B are then transitioned from high to low. However, the output node F is immediately charged to the high state. This implements a dual AND / NAND logic function. The floating node problem does not occur.

【0029】図11は、図10の回路を実現する構造の
詳細断面図である。便宜上、トランジスタ・レベル及び
M4までの選択された配線レベルだけが示される(完全
な配線レベルは示されない)。この回路の詳細な形成は
図9に非常に類似する。変更点はトランジスタ接続機構
だけである。図10では、NMOS網の左側のレグが並
列接続である。p−エピタキシャル層601がp+基板
600上に付着される。p+基板600上に能動トラン
ジスタQ1乃至Q4を形成するために、標準のNMOS
プロセスが使用される。この構造の形成は、図9に関連
して既に上述された。浅いトレンチ分離(STI)60
2が、隣接する素子Q2及びQ3を分離する。付着され
たポリシリコン層がパターン化され、自己整合型Siゲ
ート604、624、625及び626を形成する。イ
オン打ち込みにより、N添加ソース領域及びドレイン領
域603が形成される。
FIG. 11 is a detailed sectional view of a structure for realizing the circuit of FIG. For convenience, only transistor levels and selected wire levels up to M4 are shown (full wire levels not shown). The detailed formation of this circuit is very similar to FIG. The only change is the transistor connection mechanism. In FIG. 10, the left leg of the NMOS network is a parallel connection. A p-epitaxial layer 601 is deposited on the p + substrate 600. A standard NMOS to form active transistors Q1 to Q4 on the p + substrate 600.
Process is used. The formation of this structure has already been described above in connection with FIG. Shallow trench isolation (STI) 60
2 separates adjacent elements Q2 and Q3. The deposited polysilicon layer is patterned to form self-aligned Si gates 604, 624, 625 and 626. The N-doped source and drain regions 603 are formed by ion implantation.

【0030】4つの続く接続が、第1の金属層(M1)
を用いて形成される。トランジスタQ1及びQ2のソー
ス接合コンタクトは、それぞれVDD及び入力信号Bバー
に接続される。トランジスタQ3及びQ4のソース接合
コンタクトは、それぞれグラウンド及び入力信号Bに接
続される。これらの接続は、付着されたポリシリコン層
を用いて形成される。Q1のトランジスタ・ゲート60
4及びQ3のトランジスタ・ゲート625は入力信号A
バーに接続される。Q2のトランジスタ・ゲートは入力
信号Aに接続され、Q4のトランジスタ・ゲートもま
た、入力信号Aに接続される。次に、厚い絶縁体606
が化学蒸着(CVD)により付着される。前述のよう
に、厚い絶縁体606は化学機械式研磨(CMP)法に
より平坦化され、平坦な表面618が続くPMOS負荷
トランジスタの形成のために残される。バイア・ホール
がパターン化されてエッチングされ、導体630がバイ
ア・ホールを充填するために付着される。
Four subsequent connections are connected to the first metal layer (M1).
Is formed by using. The source junction contacts of transistors Q1 and Q2 are connected to V DD and the input signal B bar, respectively. The source junction contacts of transistors Q3 and Q4 are connected to ground and input signal B, respectively. These connections are made using the deposited polysilicon layer. Q1 transistor gate 60
The transistor gates 625 of 4 and Q3 receive the input signal A
Connected to the bar. The transistor gate of Q2 is connected to the input signal A and the transistor gate of Q4 is also connected to the input signal A. Next, a thick insulator 606
Are deposited by chemical vapor deposition (CVD). As described above, the thick insulator 606 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP), leaving a planar surface 618 for subsequent formation of the PMOS load transistor. The via holes are patterned and etched and conductors 630 are deposited to fill the via holes.

【0031】再度、TFT Q5及びQ6の形成は、ト
ランジスタ・アイランド607のための能動領域から開
始される。次に、薄い絶縁体のゲート絶縁体層608が
付着される。次に、高度に添加されたポリシリコン層が
付着され、自己整合型のシリコン・ゲート609を形成
する。ゲート609を自己整合型のマスクとして使用し
て、P添加ソース領域及びドレイン領域を形成するため
にイオン打ち込みが使用される。TFT Q5及びQ6
のドレイン・コンタクトそれぞれ631及び633は、
第2の金属層(M2)を用いてそれぞれ出力信号線Fバ
ー及びFに接続される。更に、TFT Q5及びQ6の
ソース・コンタクトそれぞれ612、611は、第3の
金属層(M3)614に接続される。M3から第4の金
属層(M4)617への接続はスタッド616として示
される。VDDは薄膜配線614から相互接続611を通
じてTFT Q6に印加される。VDDはまた薄膜配線6
14から相互接続612を通じてTFT Q5に印加さ
れる。付着される誘電層610及び615は薄膜配線レ
ベルを分離する。本質的な配線レベルだけが示される。
また、VDD614上に配置される配線レベルの1つだけ
が示される。配線接続の残りは、標準のVLSI技術に
より形成される。
Again, the formation of TFTs Q5 and Q6 begins with the active area for transistor island 607. Next, a thin insulator gate insulator layer 608 is deposited. Next, a highly doped polysilicon layer is deposited to form a self-aligned silicon gate 609. Ion implantation is used to form P-doped source and drain regions using gate 609 as a self-aligned mask. TFT Q5 and Q6
Drain contacts 631 and 633, respectively,
A second metal layer (M2) is used to connect to the output signal lines F bar and F, respectively. Further, the source contacts 612 and 611 of the TFTs Q5 and Q6, respectively, are connected to the third metal layer (M3) 614. The connection from M3 to the fourth metal layer (M4) 617 is shown as stud 616. V DD is applied to TFT Q6 from thin film line 614 through interconnect 611. V DD is also thin film wiring 6
14 through TFT 612 to TFT Q5. Deposited dielectric layers 610 and 615 separate the thin film wiring levels. Only the essential wiring levels are shown.
Also, only one of the wiring levels placed on V DD 614 is shown. The rest of the wiring connections are formed by standard VLSI technology.

【0032】本発明の最も一般的な形態について、図1
2を参照しながら述べることにする。図12は本発明の
一般的な形態であり、複数の差動(2重レール)入力を
有する論理ゲートを含み組み合わせ論理網を形成する。
2個の交差接続PMOS TFT76及び77が一番上
に存在する。論理設計手段がDCVSまたはDCVSP
Gにより、NMOS素子の差動対を複雑なブール論理機
能を処理できる強力な組み合わせ論理ツリー網にカスコ
ードすることにより達成される。従って、従来のCMO
Sにおいて幾つかのゲートを要求し得る複雑な論理が、
DCVSまたはDCVSPGにおいて単一ステージ・ゲ
ートにより実現され得る。例えば、図13に示されるよ
うに、従来のCMOS回路では論理加算回路は16個の
トランジスタ(8個のPMOSトランジスタ及び8個の
NMOSトランジスタ)により実現され得る。それに対
してDCVSでは、図14に示されるように12個のト
ランジスタ(2個のPMOSトランジスタ及び10個の
NMOSトランジスタ)が、またDCVSPGでは、図
15に示されるように10個のトランジスタ(2個のP
MOSトランジスタ及び8個のNMOSトランジスタ)
が論理ゲート回路を形成する。
The most general form of the invention is shown in FIG.
I will describe it with reference to 2. FIG. 12 is a general form of the invention that includes a logic gate with multiple differential (double rail) inputs to form a combinatorial logic network.
There are two cross-connected PMOS TFTs 76 and 77 on top. The logic design means is DCVS or DCVSP
This is accomplished by G by cascoding the differential pair of NMOS devices into a powerful combinatorial logic tree network capable of handling complex Boolean logic functions. Therefore, conventional CMO
The complex logic that may require several gates in S is
It can be implemented with a single stage gate in DCVS or DCVSPG. For example, as shown in FIG. 13, in a conventional CMOS circuit, a logical addition circuit can be realized by 16 transistors (8 PMOS transistors and 8 NMOS transistors). On the other hand, in DCVS, 12 transistors (2 PMOS transistors and 10 NMOS transistors) are provided as shown in FIG. 14, and in DCVSPG, 10 transistors (2 transistors are provided as shown in FIG. 15). Of P
MOS transistor and 8 NMOS transistors)
Form a logic gate circuit.

【0033】組み合わせ論理素子は、非スタック化PM
OS素子を負荷回路及びバッファ回路内のプルアップ素
子として使用して設計され得る。従ってPMOS素子の
最適化及びPMOSとNMOS間の間隔の最適化が緩和
され、DCVS設計における素子及びプロセスの複雑度
の負担を軽減する。
The combinational logic element is a non-stacked PM
It can be designed using OS devices as pull-up devices in load and buffer circuits. Therefore, the optimization of the PMOS device and the optimization of the interval between the PMOS and the NMOS are relaxed, which reduces the burden of device and process complexity in the DCVS design.

【0034】本発明に従い、論理構造及びメモリ構造の
両方を形成するプロセス工程の単一のセットについて、
図16乃至図19を参照して述べることにする。これら
の図は、本発明の薄膜トランジスタ(TFT)PMOS
レベルを形成するプロセス工程の一般的な流れを示すも
のである。まず最初に、完成されたNMOSトランジス
タのレベル802が、Siウエハ基板801上に存在す
ると仮定する。厚い絶縁体803が化学機械式研磨(C
MP)により付着され平坦化される。これによりTFT
形成のための滑らかな開始表面800が提供される。バ
イア・ホール804がリソグラフィによりパターン化さ
れ、エッチングされ、導体を充填されてレベル間接続8
05を形成する。導体は好適には、例えばタングステン
などの耐熱金属である。レベル間接続805の平坦化の
後、アモルファスSiの薄膜(約500オングストロー
ム(Å)乃至1000Åの厚さ)が、好適な方法(スパ
ッタリング、プラズマ加速CVDまたはLPCVD)に
より付着され、リソグラフィによりアイランドにパター
ン化されp−Siに変換される。エキシマ・レーザ・ア
ニーリング(ELA)が、付着したアモルファスSi
薄膜を結晶化するための好適な方法であるが、急速熱ア
ニーリング(RTA)も使用され得る。図16は結果の
ポリシリコン・アイランド806を示す。
In accordance with the present invention, for a single set of process steps forming both logical and memory structures,
It will be described with reference to FIGS. 16 to 19. These figures show the thin film transistor (TFT) PMOS of the present invention.
1 illustrates a general flow of process steps for forming a level. First, assume that a completed NMOS transistor level 802 is present on a Si wafer substrate 801. The thick insulator 803 is chemically mechanically polished (C
MP) to adhere and planarize. This allows TFT
A smooth starting surface 800 for formation is provided. Via holes 804 are lithographically patterned, etched, filled with conductors and interlevel connections 8
Form 05. The conductor is preferably a refractory metal such as tungsten. After planarization of the interlevel connection 805, a thin film of amorphous Si (about 500 Å (Å) to 1000Å thick) is deposited by a suitable method (sputtering, plasma enhanced CVD or LPCVD) and lithographically patterned into islands. Converted to p-Si. Excimer laser annealing (ELA) is deposited amorphous Si
Rapid thermal annealing (RTA) may also be used, although it is the preferred method for crystallizing thin films . FIG. 16 shows the resulting polysilicon island 806.

【0035】図17はゲート誘電体807の付着を示
し、これは好適には約1000Å乃至1500Åの厚さ
の非晶質SiO2であり、化学蒸着(CVD)により3
00℃乃至400℃の温度で付着される。ゲート電極は
ブランケット金属層(アルミニウムまたは他の金属)と
して付着され、リソグラフィによりパターン化されてゲ
ート808が形成される。Pタイプ添加物のホウ素80
9が、イオン打ち込みまたはイオン・シャワー・ドーピ
ングにより薄膜Si層806内に配置される。B+イオ
ンのエネルギは、イオンが誘電体807を貫通し、薄膜
Si層806内に入り込むように選択される。ゲート8
08は添加物が配置されない層をマスクするために使用
され、従ってゲートは自己整合型のマスクである。任意
的に、軽度に添加されたドレイン構造を形成するため
に、2工程ドーピング手順が使用され得る。次に、構造
がRTAまたはELA法により数秒間加熱され、添加物
のホウ素原子を活性化する。
FIG. 17 shows the deposition of the gate dielectric 807, which is preferably about 1000 Å to 1500 Å thick amorphous SiO 2 and is deposited by chemical vapor deposition (CVD).
It is deposited at a temperature of 00 ° C to 400 ° C. The gate electrode is deposited as a blanket metal layer (aluminum or other metal) and lithographically patterned to form gate 808. P-type additive boron 80
9 are placed in the thin film Si layer 806 by ion implantation or ion shower doping. The energy of the B + ions is selected such that the ions penetrate the dielectric 807 and enter the thin film Si layer 806. Gate 8
08 is used to mask the layer where the additive is not placed, so the gate is a self-aligned mask. Optionally, a two step doping procedure may be used to form the lightly doped drain structure. The structure is then heated by RTA or ELA method for a few seconds to activate the boron atoms of the additive.

【0036】図18は厚い絶縁体810の付着を示し、
これは化学蒸着により付着される非晶質SiO2または
窒化ケイ素である。バイア・ホール811がパターン化
され、エッチングされて、TFTのソース領域及びドレ
イン領域812と接触する。
FIG. 18 shows the deposition of thick insulator 810,
This is amorphous SiO 2 or silicon nitride deposited by chemical vapor deposition. Via holes 811 are patterned and etched to contact the source and drain regions 812 of the TFT.

【0037】図19はバイア・ホール811を充填する
導体813の付着を示す。好適な材料はアルミニウムで
あるが他の金属も使用され得る。ソース/ドレイン金属
レベル814が付着され、薄膜配線(TFTソース/ド
レイン金属レベル)にパターン化される。最後に不動態
化絶縁体815が付着される。ここでは回路図及びTF
T層を強調するために、配線レベル814は詳細には示
されていない。本質的な配線レベルは図9及び図11に
示される。
FIG. 19 shows the deposition of conductor 813 filling via hole 811. The preferred material is aluminum, but other metals can be used. Source / drain metal levels 814 are deposited and patterned into thin film wiring (TFT source / drain metal levels). Finally, passivation insulator 815 is deposited. Here is the circuit diagram and TF
Wiring level 814 is not shown in detail to emphasize the T layer. The essential wiring levels are shown in FIGS.

【0038】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
In summary, the following matters will be disclosed regarding the configuration of the present invention.

【0039】(1)単一の集積回路(IC)チップ内
で、バルク・シリコン(Si)・レベル及び薄膜Siレ
ベルの2つの別個の半導体レベル内に形成される複数の
トランジスタであって、該トランジスタが、前記ICチ
ップの選択領域内に論理回路を形成し、前記ICチップ
の残りの領域内にスタティック・ランダム・アクセス・
メモリ(SRAM)・アレイを形成するために接続され
るトランジスタ。 (2)前記薄膜Siレベル内に形成されるpタイプ金属
酸化物半導体(PMOS)負荷素子と、前記バルクSi
レベル内に形成されるnタイプ金属酸化物半導体(NM
OS)駆動素子とを有する、前記(1)記載のトランジ
スタ。 (3)前記論理回路を形成するために接続されるトラン
ジスタが、差動カスコード電圧スイッチ(DCVS)論
理として構成される、前記(1)記載のトランジスタ。 (4)前記トランジスタが、n−ツリー網内に複雑なブ
ール論理機能素子を形成するために接続される、前記
(3)記載のトランジスタ。 (5)前記論理回路を形成するために接続されるトラン
ジスタが、パス・ゲートを具備する差動カスコード電圧
スイッチ(DCVS)論理として構成される、前記
(1)記載のトランジスタ。 (6)前記トランジスタが、n−ツリー網内に複雑なブ
ール論理機能素子を形成するために接続される、前記
(5)記載のトランジスタ。 (7)前記SRAMアレイのセルが、前記バルクSiレ
ベル内に形成される4個のnタイプ金属酸化物半導体
(NMOS)駆動トランジスタと、該駆動トランジスタ
上に配置される前記薄膜Siレベル内に形成される2個
のpタイプ金属酸化物半導体(PMOS)負荷トランジ
スタとを有する、前記(1)記載のトランジスタ。 (8)前記2つのSiレベルが、前記薄膜Si層の形成
以前に、化学機械式研磨(CMP)により平坦化される
誘電層により分離される、前記(1)記載のトランジス
タ。 (9)前記バルクSiレベル内に形成されるnタイプ金
属酸化物半導体(NMOS)トランジスタと、該NMO
Sトランジスタ上に配置される前記薄膜Siレベル内に
形成されるpタイプ金属酸化物半導体(PMOS)トラ
ンジスタとを有し、前記薄膜Siレベルが、エキシマ・
レーザ・アニーリング(ELA)法により形成される、
前記(1)記載のトランジスタ。 (10)集積回路(IC)チップ内の2つの別個の半導
体層内に複数のトランジスタを形成する方法であって、
バルク・シリコン(Si)・レベル内に、nタイプ金属
酸化物半導体(NMOS)トランジスタを形成するステ
ップと、前記バルクSiレベル上に厚い絶縁体を付着す
るステップと、付着された前記厚い絶縁体を平坦化する
ステップと、平坦化された前記厚い絶縁体上に薄膜(T
F)Siレベルを形成するステップと、前記TF Si
レベル内にpタイプ添加物を打ち込むステップと、前記
TF Siレベル内にpタイプ金属酸化物半導体(PM
OS)トランジスタを形成するステップとを含む、方
法。 (11)前記pタイプ添加物がホウ素である、前記(1
0)記載の方法。 (12)前記ICチップの選択領域内に論理回路を形成
するために、前記トランジスタを接続するステップと、
前記ICチップの残りの領域内にスタティック・ランダ
ム・アクセス・メモリ(SRAM)・アレイを形成する
ために、前記トランジスタを接続するステップとを含
む、前記(10)記載の方法。 (13)前記論理回路を形成するために接続される前記
トランジスタが、差動カスコード電圧スイッチ(DCV
S)論理として構成される、前記(10)記載の方法。 (14)前記トランジスタが、n−ツリー網内に複雑な
ブール論理機能素子を形成するために接続される、前記
(13)記載の方法。 (15)前記論理回路を形成するために接続される前記
トランジスタが、パス・ゲートを具備する差動カスコー
ド電圧スイッチ(DCVSPG)論理として構成され
る、前記(10)記載の方法。 (16)前記トランジスタが、n−ツリー網内に複雑な
ブール論理機能素子を形成するために接続される、前記
(15)記載の方法。
(1) A plurality of transistors formed in two separate semiconductor levels, a bulk silicon (Si) level and a thin film Si level, in a single integrated circuit (IC) chip, Transistors form a logic circuit in a selected area of the IC chip, and a static random access transistor in a remaining area of the IC chip.
Transistors connected to form a memory (SRAM) array. (2) A p-type metal oxide semiconductor (PMOS) load element formed in the thin film Si level and the bulk Si
N-type metal oxide semiconductor (NM
The transistor according to (1) above, including an OS) driving element. (3) The transistor according to (1), wherein the transistor connected to form the logic circuit is configured as a differential cascode voltage switch (DCVS) logic. (4) The transistor according to (3), wherein the transistor is connected to form a complex Boolean logic function element in an n-tree network. (5) The transistor according to (1) above, wherein the transistor connected to form the logic circuit is configured as a differential cascode voltage switch (DCVS) logic having a pass gate. (6) The transistor according to (5), wherein the transistor is connected to form a complex Boolean logic function element in an n-tree network. (7) A cell of the SRAM array is formed in four n-type metal oxide semiconductor (NMOS) drive transistors formed in the bulk Si level and in the thin film Si level disposed on the drive transistors. And the two p-type metal oxide semiconductor (PMOS) load transistors described in (1) above. (8) The transistor according to (1), wherein the two Si levels are separated by a dielectric layer that is planarized by chemical mechanical polishing (CMP) before forming the thin film Si layer. (9) An n-type metal oxide semiconductor (NMOS) transistor formed in the bulk Si level, and the NMO.
A p-type metal oxide semiconductor (PMOS) transistor formed in the thin film Si level disposed on the S-transistor, the thin film Si level being an excimer
Formed by a laser annealing (ELA) method,
The transistor according to (1) above. (10) A method of forming a plurality of transistors in two separate semiconductor layers in an integrated circuit (IC) chip, the method comprising:
Forming an n-type metal oxide semiconductor (NMOS) transistor in the bulk silicon (Si) level; depositing a thick insulator on the bulk Si level; and depositing the deposited thick insulator on the bulk Si level. A planarization step, and a thin film (T) on the planarized thick insulator.
F) forming a Si level, said TF Si
Implanting a p-type additive into the level, and adding a p-type metal oxide semiconductor (PM) into the TF Si level.
OS) forming a transistor. (11) The above (1), wherein the p-type additive is boron.
0) The method described. (12) connecting the transistors to form a logic circuit in a selected area of the IC chip;
Connecting the transistors to form a static random access memory (SRAM) array in the remaining area of the IC chip. (13) The transistor connected to form the logic circuit is a differential cascode voltage switch (DCV).
S) The method according to (10) above, which is configured as logic. (14) The method according to (13), wherein the transistors are connected to form a complex Boolean logic function element in an n-tree network. (15) The method according to (10), wherein the transistors connected to form the logic circuit are configured as a differential cascode voltage switch (DCVSPG) logic having a pass gate. (16) The method according to (15), wherein the transistors are connected to form a complex Boolean logic function element in an n-tree network.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】従来のプレーナSRAMセルの構成図である。FIG. 1 is a block diagram of a conventional planar SRAM cell.

【図2】従来のプレーナSRAMセルの平面図である。FIG. 2 is a plan view of a conventional planar SRAM cell.

【図3】従来の3次元SRAMセルの構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram of a conventional three-dimensional SRAM cell.

【図4】従来の3次元SRAMセルの断面図である。FIG. 4 is a sectional view of a conventional three-dimensional SRAM cell.

【図5】従来のDCVS論理セルの構成図である。FIG. 5 is a block diagram of a conventional DCVS logic cell.

【図6】従来のDCVS論理セルの平面図である。FIG. 6 is a plan view of a conventional DCVS logic cell.

【図7】本発明による相補形金属酸化物半導体(CMO
S)トランジスタ対の3次元構造を示す断面図である。
FIG. 7 shows a complementary metal oxide semiconductor (CMO) according to the present invention.
S) A sectional view showing a three-dimensional structure of a transistor pair.

【図8】3次元DCVS論理AND/NANDゲートの
構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram of a three-dimensional DCVS logical AND / NAND gate.

【図9】3次元DCVS論理AND/NANDゲートの
断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a three-dimensional DCVS logic AND / NAND gate.

【図10】3次元DCVSPG(パス・ゲート)論理に
より形成される特定の論理AND/NANDゲートの構
成図である。
FIG. 10 is a block diagram of a specific logical AND / NAND gate formed by three-dimensional DCVSPG (pass gate) logic.

【図11】3次元DCVSPG(パス・ゲート)論理に
より形成される特定の論理AND/NANDゲートの断
面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view of a particular logic AND / NAND gate formed by three-dimensional DCVSPG (pass gate) logic.

【図12】3次元DCVS論理により形成される一般的
なn−ツリー論理のブロック図及び構成図である。
FIG. 12 is a block diagram and block diagram of general n-tree logic formed by three-dimensional DCVS logic.

【図13】DCVS論理により形成される従来(2次
元)のスタティックCMOS加算回路の構成図である。
FIG. 13 is a configuration diagram of a conventional (two-dimensional) static CMOS adder circuit formed by DCVS logic.

【図14】2個のPMOS薄膜トランジスタ(TFT)
及び10個のNMOS結晶Siトランジスタを用いる3
次元のDCVS加算回路の構成図である。
FIG. 14 shows two PMOS thin film transistors (TFTs).
And 3 using 10 NMOS crystalline Si transistors
It is a block diagram of a three-dimensional DCVS addition circuit.

【図15】2個のPMOS TFT及び8個のNMOS
結晶Siトランジスタを用いる3次元のDCVSPG加
算回路の構成図である。
FIG. 15: Two PMOS TFTs and eight NMOSs
It is a block diagram of the three-dimensional DCVSPG addition circuit which uses a crystalline Si transistor.

【図16】3次元SRAM及び3次元DCV論理回路の
両方で使用されるTFTレベルのプロセス手順を示す断
面図である。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing TFT-level process steps used in both 3D SRAM and 3D DCV logic.

【図17】3次元SRAM及び3次元DCV論理回路の
両方で使用されるTFTレベルのプロセス手順を示す断
面図である。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing TFT-level process steps used in both 3D SRAM and 3D DCV logic.

【図18】3次元SRAM及び3次元DCV論理回路の
両方で使用されるTFTレベルのプロセス手順を示す断
面図である。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a TFT level process procedure used in both 3D SRAM and 3D DCV logic.

【図19】3次元SRAM及び3次元DCV論理回路の
両方で使用されるTFTレベルのプロセス手順を示す断
面図である。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing TFT-level process steps used in both 3D SRAM and 3D DCV logic.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11、12、21、23、31 能動nシリコン層 3、4、5、13、14、15、16、17、28、3
4、35、36、37、38、39、406 ポリシリ
コン層 6、7、40、50、513、514、517、61
4、617 金属層 10、18、20、30、32、40、41、42、4
3、45、47、49、51、53、55、57、40
9、505、511、512、531、533、60
5、611、612、628、631、633 ソース
またはドレイン・コンタクト 32 能動pシリコン層 33 nウェル領域 400、802 NMOSトランジスタ 401、500、801 シリコン・ウエハ基板 402、410、506、606、803、810、8
11、815 絶縁体 403、516、530、532、616、630、8
04 バイア・ホール 404、530、532、630、805、813 導
体 407、508、608、807 ゲート誘電層(絶縁
層) 408 ゲート導体 411 PMOS負荷トランジスタ 501、601 p−エピタキシャル層 502、602 トレンチ分離 503、603、812 ソースまたはドレイン領域 507、607、806 ポリシリコン・アイランド 509、524、525、526、527、604、6
09、624、625、626 シリコン・ゲート 510、515、610、615 誘電層 609、808 ゲート 616 スタッド 809 ホウ素添加 814 ソースまたはドレイン金属レベル
1, 11, 12, 21, 23, 31 Active n silicon layers 3, 4, 5, 13, 14, 15, 16, 17, 28, 3
4, 35, 36, 37, 38, 39, 406 Polysilicon layers 6, 7, 40, 50, 513, 514, 517, 61
4,617 metal layers 10, 18, 20, 30, 32, 40, 41, 42, 4
3, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 40
9, 505, 511, 512, 531, 533, 60
5, 611, 612, 628, 631, 633 Source or drain contact 32 Active p silicon layer 33 n-well region 400, 802 NMOS transistor 401, 500, 801 Silicon wafer substrate 402, 410, 506, 606, 803, 810 , 8
11,815 Insulators 403, 516, 530, 532, 616, 630, 8
04 via hole 404, 530, 532, 630, 805, 813 conductors 407, 508, 608, 807 gate dielectric layer (insulating layer) 408 gate conductor 411 PMOS load transistor 501, 601 p-epitaxial layer 502, 602 trench isolation 503 , 603, 812 Source or drain regions 507, 607, 806 Polysilicon islands 509, 524, 525, 526, 527, 604, 6
09, 624, 625, 626 Silicon gate 510, 515, 610, 615 Dielectric layer 609, 808 Gate 616 Stud 809 Boroned 814 Source or drain metal level

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 21/8244 H01L 27/04 A 27/04 27/06 102J 27/06 27/10 381 27/10 461 29/78 613B 27/11 H03K 19/094 A 29/786 H03K 19/0944 19/20 (72)発明者 フィリップ・ジョージ・エマ アメリカ合衆国06811、コネチカット州 ダンバリー、フォックス・デン・ロード 28 (72)発明者 ウェイ・ホワン アメリカ合衆国10504、ニューヨーク州 アーモンク、ロング・ポンド・ロード 3 (72)発明者 ステファン・マックコーネル・ゲイツ アメリカ合衆国10562、ニューヨーク州 オシニング、イニングウッド・ロード 22 (56)参考文献 特開 平6−13576(JP,A) 特開 平8−241957(JP,A) 特開 昭62−190753(JP,A) 特開 平9−45922(JP,A) 特開 平8−167655(JP,A) IEEE Journal of S olid−State Circit s,Vol.32,No.4,April 1997,pp.563−573Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 21/8244 H01L 27/04 A 27/04 27/06 102J 27/06 27/10 381 27/10 461 29/78 613B 27/11 H03K 19/094 A 29/786 H03K 19/0944 19/20 (72) Inventor Philip George Emma United States 06811, Connecticut Fox Den Road 28 (72) Inventor Wei Huang United States 10504, New York Armonk, Long Pond Road 3 (72) Inventor Stefan McConnell Gates, United States 10562, Inningwood Road, Oschining, NY 22 (56) Reference JP-A-6-13576 (JP, A) JP-A-6-13576 8-241957 (JP, A) JP-A-62-190753 (JP, A) JP-A-9-45922 (JP, A) JP-A-8-167655 (JP, A) IEEE Journal of Solid State Circit s, Vol. 32, No. 4, April 1997, pp. 563-573

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】単一の集積回路(IC)チップ内で、バル
ク・シリコン(Si)レベル及び薄膜Siレベルの2つ
の別個の半導体レベル内に3次元形態に形成された複数
トランジスタから成るICチップであって、前記バル
クSiレベルの前記複数のトランジスタ及び前記薄膜S
iレベルの前記複数のトランジスタは、それぞれ、前記
ICチップの選択された領域では差動カスコード電圧ス
イッチ(DCVS)論理回路の差動入力トランジスタ及
び負荷トランジスタを構成するように接続され、かつ、
前記ICチップの残りの領域ではスタティック・ランダ
ム・アクセス・メモリ・アレイの各セルの駆動トランジ
スタ及び負荷トランジスタを構成するように接続されて
いる併合化論理及びメモリICチップ。
1. A plurality of three-dimensional structures formed in two separate semiconductor levels, a bulk silicon (Si) level and a thin film Si level, within a single integrated circuit (IC) chip.
An IC chip consisting of transistors, said Val
The plurality of transistors at the Si level and the thin film S
The i-level transistors are respectively
Differential cascode voltage scans are performed in selected areas of the IC chip.
Switch (DCVS) logic circuit differential input transistor and
And a load transistor, and
In the remaining area of the IC chip, static random
Drive Transistor for Each Cell of the Memory Access Memory Array
Connected to form a star and load transistor
Merged logic and memory IC chip.
【請求項2】前記DCVS論理回路内の前記差動入力
ランジスタがn−ツリー網内に複雑なブール論理機能素
子を構成するように接続されている請求項1に記載の
Cチップ。
Wherein according to the DCVS the differential displays the amount <br/> claim 1 connected to transistor constitutes a complex Boolean logic function element into the n- tree network in the logic circuit I
C chip.
【請求項3】前記DCVS論理回路がパスゲート付き差
カスコード電圧スイッチ(DCVSPG)論理回路で
ある請求項1に記載のICチップ。
3. The DCVS logic circuit includes a pass gated differential circuit.
Dynamic Cascode Voltage Switch (DCVSPG) logic circuit
The IC chip according to claim 1 .
【請求項4】前記DCVSPG論理回路の前記差動入力
トランジスタが、n−ツリー網内に複雑なブール論理機
能素子を構成するように接続されている請求項3に記載
ICチップ
Wherein said differential input <br/> transistors of the DCVSPG logic circuit, IC chip according to claim 3 which is connected to form a complex Boolean logic function element into the n- tree network .
【請求項5】単一の集積回路(IC)チップ内で、バル
ク・シリコン(Si)・レベル及び薄膜Siレベルの2
つの別個の半導体レベル内に3次元形態に形成された複
数のトランジスタの組合せから成るICチップを形成す
る方法であって、前記 バルクSiレベル内に、複数のnタイプ金属酸化物
半導体(NMOS)トランジスタを形成するステップ
と、 前記バルクSiレベル上に厚い絶縁体を付着するステッ
プと、 付着された前記厚い絶縁体を平坦化するステップと、 平坦化された前記厚い絶縁体上に薄膜Siレベルを形成
するステップと、 前記薄膜Siレベル内にpタイプ添加物を打ち込むステ
ップと、 前記薄膜Siレベル内に複数のpタイプ金属酸化物半導
体(PMOS)トランジスタを形成するステップと、前記複数のNMOSトランジスタ及び前記複数のPMO
Sトランジスタを、それぞれ、前記ICチップの選択さ
れた領域では、差動カスコード電圧スイッチ(DCV
S)論理回路の差動入力トランジスタ及び負荷トランジ
スタを構成するように接続し、かつ、前記ICチップの
残りの領域では、スタティック・ランダム・アクセス・
メモリ・アレイの各セルの駆動トランジスタ及び負荷ト
ランジスタを構成するように 接続するステップと、 より成る併合化論理及びメモリICチップの形成方法。
5. Within a single integrated circuit (IC) chip,
Silicon level (Si) and thin film Si level 2
Multiple three-dimensional structures formed in two separate semiconductor levels
A method of forming an IC chip comprising a combination of the number of transistors, the bulk Si level in the steps of forming a plurality of n-type metal oxide semiconductor (NMOS) transistors, thick on the bulk Si level on an insulating Depositing a body, planarizing the deposited thick insulator, forming a thin film Si level on the planarized thick insulator, p-type additive in the thin film Si level Implanting a plurality of p-type metal oxide semiconductor (PMOS) transistors in the thin film Si level, the plurality of NMOS transistors and the plurality of PMOs.
S-transistors are respectively selected from the IC chips.
The differential cascode voltage switch (DCV
S) Differential input transistor and load transistor of logic circuit
Connected to form a star and the IC chip
In the remaining area, static random access
The drive transistor and load transistor of each cell of the memory array
A method of forming a merged logic and memory IC chip comprising the steps of connecting to form a transistor .
【請求項6】前記接続するステップは、前記DCVS論
理回路の前記差動入力トランジスタがn−ツリー網内に
複雑なブール論理機能素子を構成するように接続するこ
とを含む請求項5に記載の方法。
6. The DCVS theory according to the step of connecting.
The method of claim 5 including connecting the differential input transistors of a logic circuit to form a complex Boolean logic functional element in an n-tree network.
【請求項7】前記接続するステップは、前記複数のNM
OSトランジスタ及び前記複数のPMOSトランジスタ
を、それぞれ、前記ICチップの選択された領域では、
パスゲート付き差動カスコード電圧スイッチ(DCVS
PG)論理回路の前記差動入力トランジスタ及び負荷ト
ランジスタを構成するように接続することを含む請求項
に記載の方法。
7. The connecting step comprises the steps of :
OS transistor and the plurality of PMOS transistors
Respectively in selected areas of the IC chip,
Differential cascode voltage switch with pass gate (DCVS
PG) the differential input transistor and load transistor of the logic circuit
Claims including connecting to form a transistor.
The method according to 5 .
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