JP3456913B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP3456913B2
JP3456913B2 JP37003598A JP37003598A JP3456913B2 JP 3456913 B2 JP3456913 B2 JP 3456913B2 JP 37003598 A JP37003598 A JP 37003598A JP 37003598 A JP37003598 A JP 37003598A JP 3456913 B2 JP3456913 B2 JP 3456913B2
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敏典 沼田
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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、半導体装置、特
に、絶縁性基板上の半導体層に形成されたMISFE
T、いわゆるSOI−MISFET(Silicon on insul
ator-Metal InsulatorSemiconductor Field Effect Tra
nsistor)により形成される半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a MISFE formed on a semiconductor layer on an insulating substrate.
T, so-called SOI-MISFET (Silicon on insul
ator-Metal Insulator Semiconductor Field Effect Tra
nsistor).

【0002】[0002]

【従来の技術】SOI−MISFET、すなわち絶縁性
基板上に形成された半導体層上に形成されたMISFE
Tは、バルクの半導体基板上に形成されたMISFET
に比べ、例えばソース・ドレイン領域と基板との接合容
量を低減できることから、低消費電力、高速デバイスと
して期待されている。
2. Description of the Related Art SOI-MISFET, that is, MISFE formed on a semiconductor layer formed on an insulating substrate.
T is a MISFET formed on a bulk semiconductor substrate
In comparison with, the junction capacitance between the source / drain region and the substrate can be reduced, so that it is expected as a low power consumption and high speed device.

【0003】特に、SOI層の膜厚が、動作時における
チャネル領域の空乏層の厚さ以下のいわゆる完全空乏化
SOI−MISFETは、SOI層が動作時のチャネル
領域の空乏層厚さより大きいいわゆる部分空乏化SOI
−MISFETにおいて問題となるキンク特性や電流オ
ーバーシュート効果など好ましくない現象を解消または
抑制することができる。
Particularly, in a so-called fully depleted SOI-MISFET in which the thickness of the SOI layer is equal to or less than the thickness of the depletion layer in the channel region during operation, a so-called portion in which the SOI layer is larger than the depletion layer thickness in the channel region during operation Depleted SOI
-It is possible to eliminate or suppress unfavorable phenomena such as a kink characteristic and a current overshoot effect which are problems in a MISFET.

【0004】さらに完全空乏化SOI−MISFET
は、短チャネル効果の抑制、パンチスルー耐圧の向上、
サブシュレッショルド係数の改善、そしてチャネル移動
度の増大など多岐にわたる利点が得られる。
Further, a fully depleted SOI-MISFET
Suppresses short channel effect, improves punch-through breakdown voltage,
It offers a wide range of benefits, including improved subthreshold coefficients and increased channel mobility.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図21はSOI基板上
に形成されたMISFETトランジスタQn1、Qn2
をゲートアレイ構造にて形成した従来の半導体装置の断
面図である。ゲートアレイが形成されるSOI層領域と
対向する支持基板5内にバックゲート電極となるn型バ
ックゲート領域1が形成される。バックゲート領域1の
形成方法の例としては、トランジスタ領域に対向したp
型シリコンからなる支持基板5内に、例えば、リン、砒
素またはアンチモンといったn型不純物をイオン注入す
ることによってn型シリコン領域を形成する。そしてバ
ックゲート領域1への電圧ノード18を形成することに
より、バックゲート領域へ電圧を印加することが可能と
なる。よって、図21の構造によって、MISFETト
ランジスタQn1、Qn2に等しいバックゲート電圧を
印加することが可能である。
FIG. 21 shows MISFET transistors Q n1 and Q n2 formed on an SOI substrate.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device in which the gate array structure is formed. In the support substrate 5 facing the SOI layer region in which the gate array is formed, an n-type bar serving as a back gate electrode is formed.
The lock gate region 1 is formed. As an example of the method of forming the back gate region 1, p facing the transistor region is used.
An n-type silicon region is formed by ion-implanting an n-type impurity such as phosphorus, arsenic or antimony into the support substrate 5 made of type silicon. Then, by forming the voltage node 18 to the back gate region 1, it becomes possible to apply a voltage to the back gate region . Therefore, with the structure of FIG. 21, it is possible to apply a back gate voltage equal to that of the MISFET transistors Q n1 and Q n2 .

【0006】しかし、図21に示すバックゲート領域1
の構造では、ドレイン電極15との寄生容量CDが大き
いという問題が生じる。また、MISFETトランジス
タQn1、Qn2に対し、それぞれに独立したバックゲ
ート電圧を印加することができない。そのため、個別に
トランジスタをバックゲート電圧制御することが不可能
である。
However, the back gate region 1 shown in FIG.
The above structure has a problem that the parasitic capacitance CD with the drain electrode 15 is large. Also, independent back gate voltages cannot be applied to the MISFET transistors Q n1 and Q n2 . Therefore, it is impossible to individually control the back gate voltage of the transistors.

【0007】次に図21に示す半導体装置において、回
路上発生する問題点を説明する。図22はNAND回路
を示した回路図である。図22において、Qn1、Q
n2はn型MISFETであり、Qp1、Qp2はp型
MISFETである。そして、Qn1、Qn2
p1、Qp2に対し、それぞれ共通のバックゲート電
極が設けられており、n型MISFET、p型MISF
ETそれぞれにバックゲート電圧VB1、VB2が印加
できるように構成されている。
Next, a problem that occurs in the circuit of the semiconductor device shown in FIG. 21 will be described. FIG. 22 is a circuit diagram showing a NAND circuit. In FIG. 22, Q n1 , Q
n2 is an n-type MISFET, and Q p1 and Q p2 are p-type MISFETs. A common back gate electrode is provided for each of Q n1 , Q n2 and Q p1 , Q p2 , and an n-type MISFET and a p-type MISF are provided.
The back gate voltages VB1 and VB2 can be applied to each ET.

【0008】本回路構成において、Qn2のソース電極
は、Qn1のドレイン電極に直列に接続されている。こ
のため、Qn1とQn2の入力電圧がVDDで導通した
状態において、Qn2のソース電極の電圧はQn1の直
列抵抗のために、例えばVsだけ上昇する。一方、Q
n1のソース電極の電圧は接地されているため0Vであ
る。Qn2のソース電圧の方がQn1のソース電圧より
上昇する。
In this circuit configuration, the source electrode of Q n2 is connected in series with the drain electrode of Q n1 . Therefore, in the state where the input voltages of Q n1 and Q n2 are conductive at VDD, the voltage of the source electrode of Q n2 increases by, for example, Vs due to the series resistance of Q n1 . On the other hand, Q
The voltage of the source electrode of n1 is 0V because it is grounded. The source voltage of Q n2 rises above the source voltage of Q n1 .

【0009】このため、Qn2に入力されるゲート電圧
はVgs2=(VDD−Vs)となり、Qn1のゲート電
圧であるVgs1=VDDより小さくなる。また、Qn2
のバックゲート電圧も同様にVBS2=(VB2−V
s)となり、Qn1のバックゲート電圧のVBS1=V
B1より小さくなる。
Therefore, the gate voltage input to Q n2 becomes Vgs2 = (VDD-Vs), which is smaller than Vgs1 = VDD which is the gate voltage of Q n1 . Also, Q n2
Similarly, the back gate voltage of VBS2 = (VB2-V
s), and the back gate voltage of Q n1 is VBS1 = V
It becomes smaller than B1.

【0010】このため、Qn1、Qn2が等しいしきい
値からなるトランジスタで本回路を形成しても、等しい
電流駆動能力、あるいは等しいしきい値が得られない。
そのため、Qn1、Qn2の遅延時間が異なるといった
問題が生じ、回路のタイミング設計上問題となる。
Therefore, even if this circuit is formed by transistors having the same threshold value for Q n1 and Q n2 , the same current driving capability or the same threshold value cannot be obtained.
Therefore, there arises a problem that the delay times of Q n1 and Q n2 are different, which becomes a problem in the timing design of the circuit.

【0011】本発明はかかる問題を解消したバックゲー
ト電極を有するSOI−MISFETによる半導体装置
で、特にゲートアレイ構造におけるSOI−MISFE
Tによる半導体装置を提供する。
The present invention is a semiconductor device using an SOI-MISFET having a back gate electrode which solves the above problems, and particularly SOI-MISFE in a gate array structure.
A semiconductor device using T is provided.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の態様は、
絶縁膜と、この絶縁膜上に形成された第1導電型の第1
の不純物領域と、この第1の不純物領域に隣接して形成
された第2導電型の第1のチャネル領域と、この第1の
チャネル領域に隣接して形成された第1導電型の第2の
不純物領域と、この第2の不純物領域に隣接して形成さ
れた第2導電型の第2のチャネル領域と、この第2のチ
ャネル領域に隣接して形成された第1導電型の第3の不
純物領域と、前記第1のチャネル領域上に形成された第
1のゲート絶縁膜と、前記第2のチャネル領域上に形成
された第2のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜
上に形成された第1のゲート電極と、前記第2のゲート
絶縁膜上に形成される第2のゲート電極と、前記第1の
チャネル領域直下に前記絶縁膜を介して形成される第1
導電型の第1のバックゲート領域と、前記第2のチャネ
ル領域の直下に前記絶縁膜を介して形成される第1導電
型の第2のバックゲート領域と、前記第1のバックゲー
ト領域に第1の電位を供給する第1の電源と、前記第2
のバックゲート領域に前記第1の電位とは異なる第2の
電位を供給する第2の電源とを備えることを特徴とす
る。
The first aspect of the present invention is as follows.
An insulating film and a first conductive type first film formed on the insulating film;
Impurity region, a second conductivity type first channel region formed adjacent to the first impurity region, and a first conductivity type second region formed adjacent to the first channel region. Impurity region, a second conductivity type second channel region formed adjacent to the second impurity region, and a first conductivity type third channel formed adjacent to the second channel region. Impurity region, a first gate insulating film formed on the first channel region, a second gate insulating film formed on the second channel region, and the first gate insulating film A first gate electrode formed thereon, a second gate electrode formed on the second gate insulating film, and a first gate electrode formed directly below the first channel region with the insulating film interposed therebetween.
A first back gate region of a conductivity type, a second back gate region of a first conductivity type formed directly below the second channel region with the insulating film interposed, and a first back gate region; A first power supply for supplying a first potential;
And a second power supply for supplying a second potential different from the first potential to the back gate region.

【0013】なお、前記第1及び第2のバックゲート領
域を覆う第2導電型の第1の半導体領域を備えるように
構成しても良い。
The second conductive type first semiconductor region may be provided to cover the first and second back gate regions.

【0014】[0014]

【0015】また、本発明の第2の態様は、絶縁膜と、
この絶縁膜上に形成された第1導電型の第1の不純物領
域と、この第1の不純物領域に隣接して形成された第2
導電型の第1のチャネル領域と、この第1のチャネル領
域に隣接して形成された第1導電型の第2の不純物領域
と、この第2の不純物領域に隣接して形成された第2導
電型の第2のチャネル領域と、この第2のチャネル領域
に隣接して形成された第1導電型の第3の不純物領域
と、前記第1のチャネル領域上に形成された第1のゲー
ト絶縁膜と、前記第2のチャネル領域上に形成された第
2のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成
された第1のゲート電極と、前記第2のゲート絶縁膜上
に形成された第2のゲート電極と、前記第2の不純物領
域下に前記絶縁膜を介して形成された第1導電型の第4
の不純物領域と、前記第4の不純物領域を覆う第2導電
型の第5の不純物領域と、前記第4の不純物領域に第1
の電位を供給する第1の電源と、前記第5の不純物領域
に第1の電位とは異なる第2の電位を供給する第2の電
源と、を備えることを特徴とする。
A second aspect of the present invention is an insulating film,
A first impurity region of the first conductivity type formed on the insulating film, and a second impurity region formed adjacent to the first impurity region.
A conductivity type first channel region, a first conductivity type second impurity region formed adjacent to the first channel region, and a second impurity region formed adjacent to the second impurity region. A conductive type second channel region, a first conductive type third impurity region formed adjacent to the second channel region, and a first gate formed on the first channel region. An insulating film, a second gate insulating film formed on the second channel region, a first gate electrode formed on the first gate insulating film, and a second gate insulating film on the second gate insulating film. A second gate electrode formed on the second conductive layer, and a fourth conductive type fourth layer formed under the second impurity region via the insulating film.
First impurity region, a fifth impurity region of the second conductivity type that covers the fourth impurity region, and a first impurity region in the fourth impurity region.
And a second power source that supplies a second potential different from the first potential to the fifth impurity region.

【0016】また、本発明の第3の態様は、絶縁膜と、
この絶縁膜上に形成された第1導電型の第1の不純物領
域と、この第1の不純物領域に隣接して形成された第2
導電型の第1のチャネル領域と、この第1のチャネル領
域に隣接して形成された第1導電型の第2の不純物領域
と、この第2の不純物領域に隣接して形成された第2導
電型の第2のチャネル領域と、この第2のチャネル領域
に隣接して形成された第1導電型の第3の不純物領域
と、前記第1のチャネル領域上に形成された第1のゲー
ト絶縁膜と、前記第2のチャネル領域上に形成された第
2のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成
された第1のゲート電極と、前記第2のゲート絶縁膜上
に形成された第2のゲート電極と、前記第2の不純物領
域下に前記絶縁膜を介して形成された第1導電型の第4
の不純物領域と、前記第4の不純物領域を挟んで対向し
ている第2導電型の第5及び第6の不純物領域と、前記
第5の不純物領域に第1の電位を供給する第1の電源
と、前記第6の不純物領域に前記第1の電位とは異なる
第2の電位を供給する第2の電源とを備えることを特徴
とする。
A third aspect of the present invention is an insulating film,
A first impurity region of the first conductivity type formed on the insulating film, and a second impurity region formed adjacent to the first impurity region.
A conductivity type first channel region, a first conductivity type second impurity region formed adjacent to the first channel region, and a second impurity region formed adjacent to the second impurity region. A conductive type second channel region, a first conductive type third impurity region formed adjacent to the second channel region, and a first gate formed on the first channel region. An insulating film, a second gate insulating film formed on the second channel region, a first gate electrode formed on the first gate insulating film, and a second gate insulating film on the second gate insulating film. A second gate electrode formed on the second conductive layer, and a fourth conductive type fourth layer formed under the second impurity region via the insulating film.
Second impurity type fifth and sixth impurity regions facing each other with the fourth impurity region interposed therebetween, and a first potential supplying a first potential to the fifth impurity region. A power source and a second power source for supplying a second potential different from the first potential to the sixth impurity region are provided.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下に図面を参照しながら、本発
明の実施形態について説明する。図1は第1の実施形態
に係わる半導体装置の断面図で、図2は断面図、図3は
平面図、そして図4は回路図を示す。図1、図2はそれ
ぞれ図3におけるA−A’およびB−B’における断面
構造を示している。図4はNAND回路からなる回路図
を示している。また、図2には、B−B’断面のA側延
長上に形成されるゲートへのコンタクト電極(17)、
およびバックゲートへのコンタクト電極(18)を断面
には含まれていないが、説明のために図示する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to the first embodiment, FIG. 2 is a sectional view, FIG. 3 is a plan view, and FIG. 4 is a circuit diagram. 1 and 2 show sectional structures taken along lines AA 'and BB' in FIG. 3, respectively. FIG. 4 shows a circuit diagram including a NAND circuit. Further, in FIG. 2, a contact electrode (17) to a gate formed on an extension of the A-side of the BB ′ cross section,
And the contact electrode (18) to the back gate is not included in the cross section but is shown for illustration.

【0018】次に本実施形態で用いる引用符号について
説明する。1はn型バックゲート領域、2はp型バック
ゲート領域、3はゲート側壁の絶縁膜、4はチャネル領
域、5は支持基板、6はSOI内の埋め込み絶縁膜、9
はゲート絶縁膜、10はゲート電極、11はソース・ド
レイン領域、12は層間絶縁膜、13は素子分離絶縁
膜、14はコンタクト、15は直列接続したトランジス
タで共有されたソース・ドレイン領域、16,16’は
SOIのSi膜に対するコンタクト、16’’はゲート
電極10に対するコンタクト、17はSOIのSi膜に
対する電極、18は支持基板5に対する電極である。
Next, reference symbols used in this embodiment will be described. 1 is an n-type back gate region, 2 is a p-type back gate region
Gate region, 3 is a gate sidewall insulating film, 4 is a channel region, 5 is a supporting substrate, 6 is a buried insulating film in SOI, 9
Is a gate insulating film, 10 is a gate electrode, 11 is a source / drain region, 12 is an interlayer insulating film, 13 is an element isolation insulating film, 14 is a contact, 15 is a source / drain region shared by transistors connected in series, 16 , 16 'are contacts to the Si film of SOI, 16''are contacts to the gate electrode 10, 17 are electrodes to the Si film of SOI, and 18 is an electrode to the support substrate 5.

【0019】以下に、具体的な構成例について説明す
る。ここではn型MISFETにおける構成を説明す
る。例えば、P,As、Sbを1015〜1018cm
−3ドープした、例えば、SiまたはSiGeからなる
n型半導体からなる支持基板5上に、例えばシリコン酸
化膜やシリコン窒化膜からなる埋め込み絶縁膜6が厚さ
10〜1000nm形成される。そして埋め込み絶縁膜
6上には、例えば、ボロンまたはインジウムを1015
〜1018cm−3添加したp型シリコンまたはp型S
iGeからなる半導体で厚さ1〜300nmの厚さの半
導体層から構成され、SOI基板を形成する。そしてチ
ャネル領域4を含む半導体層上に例えば、シリコン酸化
膜、シリコン窒化膜、シリコンオキシナイトライド膜、
タンタル酸化膜、チタン酸化膜、又はストロンチウムチ
タンオキサイド膜からなり、厚さが1〜200nmのゲ
ート絶縁膜9、そして、例えば、燐またはボロンを10
19 cm −3 以上ドープした多結晶シリコン膜またはT
iNやTaN,W,Alを10〜300nm堆積して形
成したゲート電極10が形成される。ゲート電極10
は、例えば、0.01〜1μmの幅で形成されている。
そして、チャネル領域4を形成した半導体層に、例え
ば、P,AsまたはSbを1016〜1021cm−3
添加したn型領域のソース・ドレイン領域11,1
1’,15がゲート両側に形成され、これらゲート電極
10、チャネル領域4、およびソース・ドレイン領域1
1,11’,15によりn型MISFETトランジスタ
n1、Qn2が形成される。また、ゲート領域の切り
立った側面には、ゲート電極10とソース・ドレイン領
域11,11’,15との電気的分離を良好にするため
に、例えば、シリコン酸化膜や窒化膜からなる絶縁膜3
が、側面厚さ5〜200nmで形成されている。
A specific configuration example will be described below. Here, the configuration of the n-type MISFET will be described. For example, P, As, and Sb are 10 15 to 10 18 cm
A buried insulating film 6 made of, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed to have a thickness of 10 to 1000 nm on a support substrate 5 made of an n-type semiconductor made of -3 doped, for example, Si or SiGe. Then, on the buried insulating film 6, for example, boron or indium 10 15
P-type silicon or p-type S added to 10 18 cm -3
An iGe semiconductor is formed of a semiconductor layer having a thickness of 1 to 300 nm to form an SOI substrate. Then, on the semiconductor layer including the channel region 4, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film,
A gate insulating film 9 made of a tantalum oxide film, a titanium oxide film, or a strontium titanium oxide film and having a thickness of 1 to 200 nm, and, for example, phosphorus or boron 10
19 cm −3 or more doped polycrystalline silicon film or T
The gate electrode 10 is formed by depositing iN, TaN, W, and Al to a thickness of 10 to 300 nm. Gate electrode 10
Are formed with a width of 0.01 to 1 μm, for example.
Then, for example, P, As, or Sb is added to the semiconductor layer in which the channel region 4 is formed, in the range of 10 16 to 10 21 cm −3.
Source / drain regions 11 and 1 of the added n-type region
1'and 15 are formed on both sides of the gate, and these gate electrode 10, channel region 4, and source / drain region 1 are formed.
1, 11 ′ and 15 form n-type MISFET transistors Q n1 and Q n2 . In order to improve the electrical isolation between the gate electrode 10 and the source / drain regions 11, 11 ′, 15 on the raised side surface of the gate region, an insulating film 3 made of, for example, a silicon oxide film or a nitride film is formed.
Are formed with a side surface thickness of 5 to 200 nm.

【0020】また、Qn1のドレイン領域とQn2のソ
ース領域は、同じn型不純物領域15で構成されてお
り、いわゆる2つのトランジスタが直列に接続されたゲ
ートアレイ構造をなしている。
The drain region of Q n1 and the source region of Q n2 are composed of the same n-type impurity region 15 and form a gate array structure in which so-called two transistors are connected in series.

【0021】支持基板5内には、例えば、BまたはIn
を1016〜1018cm−3添加したp型バックゲー
領域2が形成される。このp型バックゲート領域2は
埋め込み絶縁膜6に接している。そしてp型バックゲー
領域2内のQn1、Qn2のチャネル領域と対向した
領域に、例えば、P,AsまたはSbを1016〜10
21cm−3添加したn型不純物からなるバックゲート
領域1,1’が形成される。このバックゲート領域1,
1’は埋め込み絶縁膜6に接して形成されており、SO
I層のチャネル領域4,4’の電位をバックゲート領域
の電位を調節することによって変化させることが可能に
なっている。そしてバックゲート領域1、1’に図2の
電圧ノード18が形成され、電圧を印加することが可能
である。また、バックゲート領域1および1’はそれぞ
れp型バックゲート領域2に囲まれ、n型支持基板5と
接することがない。そこで、p型バックゲート領域2と
バックゲート領域1との間、p型バックゲート領域2と
バックゲート領域1’との間に逆バイアスを印加するこ
とによって電気的に分離された状態となっている。よっ
て、バックゲート領域1とバックゲート領域1’には別
々の電圧を印加することが可能となる。
In the support substrate 5, for example, B or In
Of p-type backgam to which 10 16 to 10 18 cm −3 was added
DOO region 2 is formed. The p-type back gate region 2 is in contact with the buried insulating film 6. And p-type back game
In the region opposite to the channel regions of Q n1 and Q n2 in the transistor region 2, for example, P, As or Sb is 10 16 to 10 16.
Back gate made of n-type impurities added at 21 cm −3
Regions 1, 1'are formed. This back gate area 1,
1'is formed in contact with the embedded insulating film 6,
It is possible to change the potentials of the channel regions 4 and 4'of the I layer by adjusting the potential of the back gate region . Then, the voltage node 18 of FIG. 2 is formed in the back gate regions 1 and 1 ′, and a voltage can be applied. The back gate regions 1 and 1 ′ are surrounded by the p-type back gate region 2 and do not contact the n-type support substrate 5. Therefore, a reverse bias is applied between the p-type back gate region 2 and the back gate region 1 and between the p-type back gate region 2 and the back gate region 1 ′ so that they are electrically separated. There is. Therefore, it becomes possible to apply different voltages to the back gate region 1 and the back gate region 1 '.

【0022】さらに、p型バックゲート領域2は、n型
支持基板5との間にpn接合を形成し、これらの間に逆
バイアスを印加することによって、支持基板5とp型
ックゲート領域2との間の電気的分離を行うことができ
る。これによって、p型バックゲート領域2の電圧を支
持基板5と独立に設定することができ、n型バックゲー
領域1とp型バックゲート領域2との間の容量を小さ
くするように支持基板5と独立に電圧を設定することが
できる。よって、本実施形態では、n型バックゲート
1または1’とp型バックゲート領域2の間が順方向
バイアス条件にならないようにすることが重要である
が、これらバックゲート電圧がソース電圧に対して正負
にバイアスされても、p型バックゲート領域2の電圧を
バックゲート領域1および1’の電圧より負にし、さら
に0Vより負になるように調整することで、基板5の電
位を0Vと保ったままで順方向バイアス条件にならない
ようにすることができる。よって、バックゲートと基板
との容量性結合が弱くなり、バックゲート間の容量性結
合による電圧変化や、少数キャリア注入によるラッチア
ップ効果を低減することができる。また、パッケージと
の間に大きな容量を持つ支持基板5をバイアスする必要
がないので、基板バイアス回路の消費電力を抑えること
ができる。
Furthermore, p-type back gate region 2, the pn junction formed between the n-type support substrate 5, by applying a reverse bias between them, the supporting substrate 5 and p-type bar
The electrical isolation between the gate gate region 2 can be performed. As a result, the voltage of the p-type back gate region 2 can be set independently of the support substrate 5, and the support substrate 5 can be made smaller so that the capacitance between the n-type back gate region 1 and the p-type back gate region 2 can be reduced. And the voltage can be set independently. Therefore, in this embodiment, the n-type back gate region is
It is important to prevent a forward bias condition between the region 1 or 1 ′ and the p-type back gate region 2, but even if these back gate voltages are biased positively and negatively with respect to the source voltage, The voltage of the back gate region 2
By making the voltage of the back gate regions 1 and 1 ′ more negative and adjusting it to be more negative than 0V, it is possible to prevent the forward bias condition while keeping the potential of the substrate 5 at 0V. Therefore, the capacitive coupling between the back gate and the substrate becomes weak, and the voltage change due to the capacitive coupling between the back gates and the latch-up effect due to the minority carrier injection can be reduced. Further, since it is not necessary to bias the support substrate 5 having a large capacitance with the package, it is possible to suppress the power consumption of the substrate bias circuit.

【0023】本実施形態の半導体構造の構成によると、
ゲートアレイ構造からなる半導体装置において、各トラ
ンジスタのチャネル領域4に対向した支持基板5にバッ
クゲート領域1が設けられており、そしてそれぞれに独
立したバックゲート電圧VB1およびVB2を印加が可
能である。よって、それぞれのトランジスタのしきい値
をバックゲート電圧により制御することが可能である。
また、バックゲート領域がチャネル領域に対向した支持
基板領域に形成され、ソース・ドレイン領域11,1
1’,15に対向して、ソース・ドレイン領域11,1
1’,15の導電型と逆方向の導電型を有するp型バッ
クゲート領域2が形成されている。ソース・ドレイン領
域11,11’,15に電位を印加すると、p型バック
ゲート領域2とn型ソース・ドレイン領域11,1
1’,15との間の導電性が異なるため、空乏層がp型
不純物の濃度が薄いバックゲート領域2内に形成され
る。このため、ソース・ドレイン領域11とバックゲー
トとの間の寄生容量が図21に示したバックゲート電極
による構造に比べ小さくすることが可能である。また、
この寄生容量を減少することができるため、ドレイン電
極の信号が支持基板5やバックゲート領域1,1’に伝
わるインピーダンスを小さくでき、より、デバイス間の
クロストークを小さくすることができる。
According to the structure of the semiconductor structure of this embodiment,
In the semiconductor device having the gate array structure, the back gate region 1 is provided on the supporting substrate 5 facing the channel region 4 of each transistor, and independent back gate voltages VB1 and VB2 can be applied to each. Therefore, the threshold value of each transistor can be controlled by the back gate voltage.
In addition, the back gate region is formed in the supporting substrate region facing the channel region, and the source / drain regions 11, 1 are formed.
Source / drain regions 11 and 1 facing 1 ′ and 15
A p-type battery having a conductivity type opposite to those of 1'and 15
The gate region 2 is formed. When a potential is applied to the source / drain regions 11, 11 'and 15 , p-type back
Gate region 2 and n-type source / drain regions 11, 1
Since the conductivity is different between 1'and 15 , a depletion layer is formed in the back gate region 2 having a low p-type impurity concentration. Therefore, the parasitic capacitance between the source / drain region 11 and the back gate can be made smaller than that of the structure including the back gate electrode shown in FIG. Also,
Since this parasitic capacitance can be reduced, the impedance of the signal of the drain electrode transmitted to the supporting substrate 5 and the back gate regions 1 and 1'can be reduced, and the crosstalk between devices can be further reduced.

【0024】次に回路上の問題を本実施形態の半導体装
置におけるバックゲート制御により解消する例について
述べる。図4は、いわゆるNAND回路からなる回路図
を示しており、並列接続された2つのp型MISFET
トランジスタQp1、Qp2と、直列接続された2つの
n型MISFETトランジスタQn1、Qn2から構成
されている。そして、上述したバックゲート電極がn型
MISFET Qn1、Qn2に形成されており、Q
n1、Qn2にそれぞれVB1、VB2のバックゲート
電圧が印加できる。
Next, an example in which a circuit problem is solved by the back gate control in the semiconductor device of this embodiment will be described. FIG. 4 shows a circuit diagram of a so-called NAND circuit, in which two p-type MISFETs connected in parallel are provided.
It is composed of transistors Q p1 and Q p2 and two n-type MISFET transistors Q n1 and Q n2 connected in series. The back gate electrode described above is formed on the n-type MISFETs Q n1 and Q n2 , and Q
Back gate voltages of VB1 and VB2 can be applied to n1 and Qn2 , respectively.

【0025】本回路構成において、Qn2のソース電圧
は、Qn1の直列抵抗のためにQn1とQn2が導通し
た状態において、0VからVsだけ上昇する。一方、Q
n1のソース電圧は接地されており0Vである。よっ
て、Qn2のソース電圧が、Qn1のそれより大きくな
る。
[0025] In this circuit configuration, the source voltage of Q n2, in a state where Q n1 and Q n2 is conductive for the series resistance of Q n1, rises from 0V only Vs. On the other hand, Q
The source voltage of n1 is grounded and is 0V. Therefore, the source voltage of Q n2 becomes higher than that of Q n1 .

【0026】このため、例えば図4の回路構成において
n1、Qn2に等しいバックゲート電圧(VB1=V
B2)を電圧源より印加したとき、Qn1、Qn2の各
トランジスタに印加されるソース電位から測ったバック
ゲート電位は、Qn1はVB1(=VB2)であるが、
n2は(VB2−Vs)となり、Qn2のバックゲー
ト電圧はQn1のそれより小さくなる。
Therefore, for example, in the circuit configuration of FIG. 4, a back gate voltage equal to Q n1 and Q n2 (VB1 = V
When B2) is applied from a voltage source, the back gate potential measured from the source potential applied to each transistor of Q n1 and Q n2 is, although Q n1 is VB1 (= VB2),
Q n2 becomes (VB2-Vs), and the back gate voltage of Q n2 becomes smaller than that of Q n1 .

【0027】ところで、完全空乏化SOI−MISFE
Tのしきい値は、チャネル領域のSOI層の埋め込み酸
化膜に接した領域(以下、back surfaceと呼ぶ)が空乏
状態である時、以下の式が成り立つ。
By the way, fully depleted SOI-MISFE
The threshold value of T is expressed by the following equation when the region of the channel region in contact with the buried oxide film (hereinafter referred to as the back surface) is in a depleted state.

【0028】Vth1,depl2 =Vth1,acc2−CSiCox2
(VG2−VG2,acc)/{Cox1(CSi+Cox2)}
(1) 但し、VG2,acc <VG2 <VG2,inv 式(1)において、Vth1,acc2はback surfaceが蓄積状
態である時のトランジスタのしきい値を示し、CSi、C
ox1、Cox2はそれぞれSOI層、ゲート絶縁膜、埋め込
み絶縁膜の容量、VG2はバックゲート電圧、そしてV
G2,acc、VG2,invはback surfaceが蓄積、反転状態
となる時のバックゲート電圧を示す。
Vth1, depl2 = Vth1, acc2-CSiCox2
(VG2-VG2, acc) / {Cox1 (CSi + Cox2)}
(1) where VG2, acc <VG2 <VG2, inv In equation (1), Vth1 and acc2 represent the threshold values of the transistor when the back surface is in an accumulation state, and CSi and C
ox1 and Cox2 are the capacitance of the SOI layer, the gate insulating film, and the buried insulating film, VG2 is the back gate voltage, and V
G2, acc and VG2, inv indicate the back gate voltage when the back surface is accumulated and is in an inverted state.

【0029】図7は完全空乏化MISFETにおけるし
きい値のバックゲート電圧依存性を表したグラフであ
る。完全空乏化MISFETのしきい値は、バックゲー
ト電圧を印加することにより、SOI層のback surface
が蓄積から反転状態までの範囲で変化させることが可能
である。
FIG. 7 is a graph showing the back gate voltage dependence of the threshold value in the fully depleted MISFET. The threshold value of the fully depleted MISFET is determined by applying a back gate voltage to the back surface of the SOI layer.
Can be changed in the range from accumulation to inversion.

【0030】よって、図4の回路構成においてQn1
n2が等しいしきい値のトランジスタから構成され、
そしてそれぞれに等しいバックゲート電圧(VB1=V
B2)を電圧源より入力した時、Qn2の実効的なバッ
クゲート電圧はソース電圧Vsとバックゲート電圧との
電位差、つまりVG2=(VB1−Vs)となり、Q
n1のバックゲート電圧はVB1となる。このためQ
n2のしきい値はQn1のしきい値よりCSiCox2Vs
/{Cox1 (CSi+Cox2)}だけ大きくなり、トラン
ジスタ動作がQn1とQn2で異なるという問題が生じ
る。
Therefore, in the circuit configuration of FIG. 4, Q n1 ,
Q n2 is composed of transistors of equal threshold,
And the back gate voltage (VB1 = V
When B2) is input from the voltage source, the effective back gate voltage of Q n2 becomes the potential difference between the source voltage Vs and the back gate voltage, that is, VG2 = (VB1-Vs), and Q2
The back gate voltage of n1 becomes VB1. Therefore Q
n2 threshold CSiCox2Vs than the threshold value of Q n1
It becomes larger by / {Cox1 (CSi + Cox2)}, which causes a problem that the transistor operation is different between Q n1 and Q n2 .

【0031】本実施形態の構造では、バックゲート電圧
を各トランジスタ毎に独立して印加することが可能であ
る。そこで、本実施形態の構造を用いてかかる問題を解
消する、つまりQn1、Qn2のバックゲート電圧を制
御することにより、Qn1とQn2のしきい値を等しく
することを実現する。
In the structure of this embodiment, the back gate voltage can be independently applied to each transistor. Therefore, to solve the Kakaru problem with the structure of this embodiment, i.e. by controlling the back gate voltage of Q n1, Q n2, realizing the equalizing the threshold of Q n1 and Q n2.

【0032】具体的に述べると、Qn2に印加するバッ
クゲート電圧VB2をQn1に印加されるバックゲート
電圧VB1に対し、 VB2 =VB1 +Vs (2) 但しVG2,acc <VB2 <VG2,inv とする。これによりQn2のソース電極とバックゲート
電極との電位差はQn1のそれと等しくなり、その結果
n1とQn2のしきい値が等しくなる。つまり、Q
n2のソース電圧増加分をバックゲート電圧に付加する
ことでQn2のトランジスタについてもQn1と同じし
きい値を実現できる。よって、SOI膜厚変動に対する
しきい値の変化量をQn1とQn2で同じ条件にするこ
とができ、より、均一な特性のトランジスタ集積回路が
実現できる。図8はQn2のソース電圧Vsの変化に対
して、しきい値無変動を実現するバックゲート電圧VB
2の関係表したグラフである。ソース電圧Vsに対し、
グラフの直線に対応するVB2をバックゲートに入力す
ることによりQn1、Qn2のしきい値は等しくするこ
とができる。また、この直線より大きなVB2をバック
ゲートに入力することによりQn2のしきい値はQn1
のそれより小さくなる。
Specifically, the back gate voltage VB2 applied to Q n2 is compared with the back gate voltage VB1 applied to Q n1 by: VB2 = VB1 + Vs (2) where VG2, acc <VB2 <VG2, inv and To do. Thus the potential difference between the source electrode and the back gate electrode of Q n2 is equal to that of Q n1, threshold resulting Q n1 and Q n2 are equal. That is, Q
The transistor Q n2 by adding n2 source voltage increment of the back gate voltage can achieve the same threshold as Q n1 also. Therefore, the amount of change in the threshold value with respect to the variation in the SOI film thickness can be set to the same condition for Q n1 and Q n2 , and a transistor integrated circuit with more uniform characteristics can be realized. FIG. 8 shows a back gate voltage VB that realizes no threshold variation with respect to a change in the source voltage Vs of Q n2 .
It is a graph showing the relationship of 2. With respect to the source voltage Vs,
By inputting VB2 corresponding to the straight line of the graph to the back gate, the threshold values of Q n1 and Q n2 can be made equal. By inputting VB2 larger than this straight line to the back gate, the threshold value of Q n2 becomes Q n1.
Smaller than that.

【0033】また、図5に示すようなバックゲート電圧
を制御する制御回路を設けることにより、Qn2のソー
ス電圧の変化によるしきい値変動を抑制することが可能
となる。図5はQn2のソース電圧Vsをフィードバッ
ク制御して、印加するバックゲート電圧を設定する電圧
供給の制御回路8を有した半導体装置の回路図である。
制御回路8はQn2のソース電圧Vsをモニターし、式
(2)を満たすバックゲート電圧VB2を設定してトラ
ンジスタQn2のバックゲート電極に入力する。この制
御回路によりバックゲート電圧制御によって、Qn2
しきい値変動抑えることができる。
Further, by providing a control circuit for controlling the back gate voltage as shown in FIG. 5, it becomes possible to suppress the threshold variation due to the change of the source voltage of Q n2 . FIG. 5 is a circuit diagram of a semiconductor device having a voltage supply control circuit 8 that sets the back gate voltage to be applied by feedback controlling the source voltage Vs of Q n2 .
The control circuit 8 monitors the source voltage Vs of Q n2 , sets the back gate voltage VB2 that satisfies the equation (2), and inputs it to the back gate electrode of the transistor Q n2 . This control circuit can suppress the threshold variation of Q n2 by controlling the back gate voltage.

【0034】ところで、Qn2のソース電圧がVsとな
るため、Qn2へ入力される実効的なゲート電圧も(V
DD−Vs)となり、Qn1のゲート電圧のVDDより
小さくなる。これにより、Qn2の電流駆動能力が下が
り、ゲート遅延時間が大きくなるという問題が生じる。
By the way, since the source voltage of Q n2 is Vs, the effective gate voltage input to Q n2 is also (V
DD-Vs), which is smaller than VDD of the gate voltage of Q n1 . This causes a problem that the current driving capability of Q n2 is lowered and the gate delay time is increased.

【0035】飽和領域におけるドレイン電流Idsat
は、以下に示す式で表される。 Idsat =1/2・W/L・μeff・Cox・(Vgs―
Vth)1.3 〜2(3) 式(3)において、Wはゲート幅、Lはゲート長、μef
fは移動度、Coxはゲート絶縁膜の容量、Vgsはソー
ス電位を基準としたゲート電圧、そしてVthはトランジ
スタのしきい値を表す。
Drain current Idsat in the saturation region
Is represented by the formula shown below. Idsat = 1/2 · W / L · μeff · Cox · (Vgs-
Vth) 1.3 to 2 (3) In formula (3), W is the gate width, L is the gate length, and μef
f is the mobility, Cox is the capacitance of the gate insulating film, Vgs is the gate voltage with reference to the source potential, and Vth is the threshold value of the transistor.

【0036】式(3)からわかるように、トランジスタ
の電流駆動能力はゲート電圧の関数で表され、ゲート電
圧が大きくなると電流駆動能力も大きくなる。そのた
め、図22の回路構成では、Qn1とQn2が同じしき
い値動作をする時、Qn2のゲート電圧は上述のように
Vsだけ減少するため、Qn1に比べ電流駆動能力が低
下する。
As can be seen from the equation (3), the current driving capability of the transistor is represented by a function of the gate voltage, and the higher the gate voltage, the higher the current driving capability. Therefore, in the circuit configuration of FIG. 22, when Q n1 and Q n2 perform the same threshold operation, the gate voltage of Q n2 is reduced by Vs as described above, so that the current driving capability is lower than that of Q n1. .

【0037】また、信号の伝搬遅延時間τは以下の式で
表される。 τ=Cload・VDD/Idsat (4) 式(4)において、Cloadは負荷容量を表す。
The signal propagation delay time τ is expressed by the following equation. τ = Cload · VDD / Idsat (4) In the equation (4), Cload represents a load capacity.

【0038】伝搬遅延時間τは飽和ドレイン電流Ids
atに反比例し、飽和ドレイン電流が低下すると遅延時
間は大きくなる。このことから図22の回路構成、言い
換えると図4においてVB1=VB2となる時、Qn2
の電流駆動能力がQn1のそれより小さいため、Qn2
をオンするまでの遷移時間がQn1のそれより長くな
る。このような入力端子の差によって遷移時間の差が生
じることは、回路のタイミング設計上問題となる。
The propagation delay time τ is the saturated drain current Ids
It is inversely proportional to at, and the delay time increases as the saturation drain current decreases. The circuit arrangement of FIG. 22 Thus, when a 4 in VB1 = VB2 In other words, Q n2
Since the current drive capacity of Q n2 is smaller than that of Q n1 ,
The transition time before turning on becomes longer than that of Q n1 . The difference in transition time caused by the difference in the input terminals causes a problem in the timing design of the circuit.

【0039】以下に、かかる問題を本実施形態で解消す
るバックゲート制御方法について述べる。上述の通り、
電流駆動能力は(Vgs−Vth)1.3 〜2 に比例
する。そのため図4の回路構成においてQn1とQn2
のしきい値が等しい時(Vth1=Vth2)、Qn2の電流
駆動能力はゲート電圧がQn1に比べVsだけ小さいた
め、Qn2の電流駆動能力はQn1のそれより小さくな
る。
A back gate control method for solving this problem in this embodiment will be described below. As mentioned above
The current drive capability is proportional to (Vgs-Vth) 1.3-2. Therefore, in the circuit configuration of FIG. 4, Q n1 and Q n2
When equal threshold (Vth1 = Vth2), the current driving capability of the Q n2 because the gate voltage is smaller by Vs compared to the Q n1, the current driving capability of the Q n2 is smaller than that of Q n1.

【0040】そこでQn1、Qn2の電流駆動能力を等
しくするために、Qn2に入力されるゲート電圧の減少
分Vsをしきい値で補償することにより実現する。つま
り、バックゲート電圧制御により、Qn2のしきい値V
th2をVth2’=Vth1−Vsと小さくすることにで、Q
n1と等しい電流駆動能力を実現する。このVth2’=
Vth1―Vsを実現するために必要なバックゲート電圧
VB2’は次の式を満たす。
Therefore, in order to equalize the current driving capacities of Q n1 and Q n2 , the reduction Vs of the gate voltage input to Q n2 is compensated by a threshold value. That is, the threshold V of Q n2 is controlled by the back gate voltage control.
By reducing th2 to Vth2 '= Vth1-Vs,
A current driving capability equal to n1 is realized. This Vth2 '=
The back gate voltage VB2 ′ required to realize Vth1−Vs satisfies the following equation.

【0041】VB2’(Vs)=Vs/γ+VB1
(5) 式(5)において、γはγ=CSiCox2/{Cox1(CSi
+Cox2)}で、これはtox1/tox2 と近似することが
できる。tox1、tox2はゲート絶縁膜、および埋め込み
絶縁膜の膜厚を表す。よって電流駆動能力を一定にする
バックゲート電圧VB2’はソース電圧Vsとゲート絶
縁膜と埋め込み絶縁膜の膜厚比で決まる。
VB2 '(Vs) = Vs / γ + VB1
(5) In the equation (5), γ is γ = CSiCox2 / {Cox1 (CSi
+ Cox2)}, which can be approximated as tox1 / tox2. tox1 and tox2 represent the film thickness of the gate insulating film and the embedded insulating film. Therefore, the back gate voltage VB2 ′ that makes the current driving capability constant is determined by the source voltage Vs and the film thickness ratio of the gate insulating film and the buried insulating film.

【0042】図9は、Qn2のソース電圧Vsに対し
て、電流駆動能力をQn1と等しくするのに必要なバッ
クゲート電圧VB2’の関係を表したグラフである。Q
n1、Qn2が等しいしきい値により形成された回路に
おいて式(5)を満たすバックゲート電圧VB2’を印
加することにより電流駆動能力をほぼ等しくすることが
可能である。言い換えると図9において、Vsに対しグ
ラフの直線に対応するバックゲート電圧VB2’を印加
することにより、電流駆動能力をほぼ等しくすることが
可能である。ただしトランジスタ制御はback surfaceが
空乏状態である範囲で、つまりバックゲート電圧VB
2’がVG2,acc<VB2’<VG2,invの範囲内で可
能である。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the source voltage Vs of Q n2 and the back gate voltage VB2 'required to make the current driving capability equal to Q n1 . Q
It is possible to make the current driving capacities almost equal by applying the back gate voltage VB2 ′ satisfying the expression (5) in the circuit formed by the thresholds with the same n1 and Q n2 . In other words, in FIG. 9, by applying the back gate voltage VB2 ′ corresponding to the straight line of the graph to Vs, it is possible to make the current driving capacities almost equal. However, transistor control is performed within the range where the back surface is depleted, that is, the back gate voltage VB.
2 ′ is possible within the range of VG2, acc <VB2 ′ <VG2, inv.

【0043】また、先に述べた図5にて示した制御回路
8を、電流駆動能力を一定とする制御回路としてもちい
ることも可能である。つまりQn2のソース電圧Vsを
フィードバックし、図9を満たすバックゲート電圧VB
2’を設定しQn2へ印加する。これにより、Vs変動
に対し、電流駆動能力が変化しない半導体装置を形成す
ることが可能である。
Further, it is also possible to use the control circuit 8 shown in FIG. 5 described above as a control circuit for keeping the current driving capability constant. That is, the source voltage Vs of Q n2 is fed back, and the back gate voltage VB that satisfies FIG.
Set 2 ′ and apply to Q n2 . As a result, it is possible to form a semiconductor device whose current driving capability does not change with respect to Vs fluctuation.

【0044】ここで、式(2)および式(5)のいずれ
かの効果、すなわち、従来例よりもQn2の電流駆動能
力を向上させるには、VB2<VB1となればよいこと
が解る。ここで、VB2を制御するには、図4(b)の
ように、Qn1およびQn2と同等なトランジスタQ
n1’、Qn2’を直列接続して形成したダミー回路に
よって得たソース電圧からバックゲート電圧VB2を得
ても良く、複数のNAND回路に共通にVB2を与えて
もよい。
Here, it is understood that VB2 <VB1 should be satisfied in order to improve the effect of either equation (2) or equation (5), that is, to improve the current driving capability of Q n2 as compared with the conventional example. Here, in order to control VB2, as shown in FIG. 4B, a transistor Q equivalent to Q n1 and Q n2 is used.
The back gate voltage VB2 may be obtained from the source voltage obtained by the dummy circuit formed by connecting n1 ′ and Q n2 ′ in series, or VB2 may be commonly given to a plurality of NAND circuits.

【0045】本実施形態の構造によれば、以下のような
効果が得られる。 (1)図1に示したように、本実施形態ではゲートアレ
イ構造からなる半導体装置に、各トランジスタのチャネ
ル領域と対向する支持基板内にバックゲート領域を設け
ており、ドレインと対向する位置には支持基板に空乏層
が形成されるようにしている。そのため、ソース・ドレ
イン領域と支持基板との間の寄生容量が低減されること
から、例えば動作消費電力を小さくなり、またSファク
タを小さくなる。そして、信号の伝搬遅延時間を小さく
することができる。このように低消費、高速化に大きく
寄与する。
According to the structure of this embodiment, the following effects can be obtained. (1) As shown in FIG. 1, in the present embodiment, a semiconductor device having a gate array structure is provided with a back gate region in a support substrate facing the channel region of each transistor, and is provided at a position facing the drain. Is designed to form a depletion layer on the support substrate. Therefore, the parasitic capacitance between the source / drain region and the supporting substrate is reduced, so that, for example, the operating power consumption is reduced and the S factor is reduced. Then, the signal propagation delay time can be reduced. Thus, it greatly contributes to low consumption and high speed.

【0046】(2)各トランジスタに設けられたバック
ゲート領域が、隣接するトランジスタのバックゲート
と電気的に分離して形成されていることから、個別に
バックゲート電圧を印加してトランジスタ制御すること
が可能である。
[0046] (2) back gate region provided in each transistor, the back gate territory of adjacent transistors
Since it is formed to be electrically separated from the region, it is possible to individually apply a back gate voltage to control the transistor.

【0047】また、本実施形態の制御例によれば、以下
のような効果が得られる。 (3)図8に示したように、Qn2のバックゲート電圧
を制御することによって、Qn2のソース電圧増加によ
るしきい値増加を抑え、Qn1のしきい値と等しくする
ことが可能である。よって、例えば3極管動作における
遅延時間を短くすることができ、3極管動作時における
論理回路の動作時間のマージンを低減し、高速動作を実
現する。また、図5の回路構成に示すように、Qn2
ソース電圧変化をフィードバックしバックゲート電圧を
制御することによってしきい値変動の小さい半導体装置
を実現することができる。
Further, according to the control example of the present embodiment, the following effects can be obtained. (3) As shown in FIG. 8, by controlling the back gate voltage of Q n2, suppressing threshold increase due to the source voltage increase of Q n2, it can be equal to the threshold value of Q n1 is there. Therefore, for example, the delay time in the triode operation can be shortened, the margin of the operation time of the logic circuit in the triode operation can be reduced, and the high speed operation can be realized. Further, as shown in the circuit configuration of FIG. 5, by feeding back the change in the source voltage of Q n2 and controlling the back gate voltage, it is possible to realize a semiconductor device with a small threshold variation.

【0048】(4)図9に示したように、Qn2のバッ
クゲート電圧を制御することにより、Qn2のソース電
圧低下による電流駆動能力低下を抑えることが可能であ
る。よって、論理回路において信号の伝搬遅延時間を抑
え、高速動作を実現する。また、スイッチング時間の最
大値と最小値との差を抑え、より回路の動作速度を揃え
ることができる。
[0048] (4) As shown in FIG. 9, by controlling the back gate voltage of Q n2, it is possible to suppress the current driving capability decreases due to source voltage drop of Q n2. Therefore, the propagation delay time of the signal is suppressed in the logic circuit, and high-speed operation is realized. Further, the difference between the maximum value and the minimum value of the switching time can be suppressed, and the operating speeds of the circuits can be made more uniform.

【0049】図10に本発明の第2の実施形態の構造平
面図を示す。図10は配線層およびコンタクト層を省略
した上面図、図11、図12および図13は、それぞれ
図10の矢視A−A’、B−B’、C−C’の断面図で
ある。第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付け
て詳しい説明は省略する。本実施形態は、第1の実施形
態と比較して直列接続されたトランジスタのしきい値の
制御法およびバックゲート構造が異なっており、いわゆ
るゲートアレイの構成法を開示している。本実施形態に
おいて、支持基板5はp型半導体で形成され、支持基板
5の中にn型バックゲート領域およびn型バックゲー
領域’が形成されている。これらは、支持基板5と
電気的に接続された図10のp型バックゲート領域
によって、互いに電気的に分離されている。
FIG. 10 shows a structural plan view of the second embodiment of the present invention. 10 is a top view in which the wiring layer and the contact layer are omitted, and FIGS. 11, 12 and 13 are cross-sectional views taken along arrows AA ′, BB ′ and CC ′ of FIG. 10, respectively. The same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted. This embodiment differs from the first embodiment in the method of controlling the threshold value of the transistors connected in series and the back gate structure, and discloses a so-called gate array configuration method. In this embodiment, the supporting substrate 5 is formed in p-type semiconductor, n-type back gate region 1 and the n-type back gate in the supporting substrate 5
DOO region 1 'is formed. These are p-type back gate regions 2 ′ of FIG. 10 electrically connected to the support substrate 5.
Are electrically isolated from each other.

【0050】図11に示すように、n型バックゲート
に囲まれるようにp型バックゲート領域が形成さ
れている。このp型バックゲート領域は支持基板5と
はn型バックゲート領域によって電気的に分離されて
いる。これらp型バックゲート領域およびn型バック
ゲート領域1が、p型MISFETのバックゲート電極
として作用している。
As shown in FIG. 11, a p-type back gate region 2 is formed so as to be surrounded by an n-type back gate region 1 . The p-type back gate region 2 is electrically separated from the supporting substrate 5 by the n-type back gate region 1 . These p-type back gate region 2 and n-type back
The gate region 1 acts as the back gate electrode of the p-type MISFET.

【0051】バックゲート電極として作用しているp型
バックゲート領域およびn型バックゲート領域に絶
縁膜6を介して対向する半導体島状領域1つに対して、
p型MISFETは複数形成されている。本実施形態で
は、1つの半導体島状領域に対して2つ形成した例を示
しているが、さらに多く形成しても構わない。ここで、
1つの半導体島状領域に形成された隣接するp型MIS
FETは、直列接続したトランジスタで共有されたp型
半導体からなるソース・ドレイン領域15を備えてい
る。さらに、ゲート電極10を挟んでp型のソース・ド
レイン領域15と対向して、p型半導体からなる領域1
1が形成されている。これら、領域15および領域11
は、p型MISFETのソース領域およびドレイン領
域、またはドレイン領域およびソース領域を形成してい
る。さらに、n型または、1016cm−3以下のp型
不純物添加からなる領域4が、ゲート電極10とゲート
絶縁膜9を挟んで形成され、p型MISFETのチャネ
ル領域となっている。
P-type acting as back gate electrode
For one semiconductor island region facing the back gate region 2 and the n-type back gate region 1 through the insulating film 6,
A plurality of p-type MISFETs are formed. In the present embodiment, an example in which two semiconductor island regions are formed is shown, but more semiconductor island regions may be formed. here,
Adjacent p-type MIS formed in one semiconductor island region
The FET has a source / drain region 15 made of a p-type semiconductor shared by transistors connected in series. Furthermore, the p-type source / drain
A region 1 made of a p-type semiconductor, facing the rain region 15.
1 is formed. These areas 15 and 11
Form the source region and the drain region or the drain region and the source region of the p-type MISFET. Further, an n-type region 10 or a region 4 of p-type impurity addition of 10 16 cm −3 or less is formed so as to sandwich the gate electrode 10 and the gate insulating film 9 and serves as a channel region of the p-type MISFET.

【0052】図12に示すように、n型バックゲート
域1’に囲まれるようにp型バックゲート領域’が形
成されている。このp型バックゲート領域’は支持基
板5とはn型バックゲート領域’によって電気的に分
離されている。これらp型バックゲート領域’および
n型バックゲート領域’が、n型MISFETのバッ
クゲート電極として作用している。
[0052] As shown in FIG. 12, is formed 'p-type back gate region 2 so as to be surrounded by the' n-type back gate territory <br/> zone 1. The p-type back gate region 2 ′ is electrically separated from the supporting substrate 5 by the n-type back gate region 1 ′. The p-type back gate region 2 ′ and the n-type back gate region 1 ′ act as the back gate electrode of the n-type MISFET.

【0053】バックゲート電極として作用しているp型
バックゲート領域’およびn型バックゲート領域
に絶縁膜6を介して対向する半導体島状領域1つに対し
て、n型MISFETは複数形成されている。本実施形
態では、1つの半導体島状領域に対して2つ形成した例
を示しているが、さらに多く形成しても構わない。ここ
で、1つの島状半導体領域に形成された隣接するn型M
ISFETは、直列接続したトランジスタで共有された
n型半導体からなるソース・ドレイン領域15’を備え
ている。さらに、ゲート電極10’を挟んでn型領域1
5’と対向して、n型半導体からなる領域11’が形成
されている。これら、領域15’および領域11’は、
n型MISFETのソース領域およびドレイン領域、ま
たはドレイン領域およびソース領域を形成している。さ
らに、p型または、1016cm−3以下のn型不純物
添加からなる領域4’が、ゲート電極10’とゲート絶
縁膜9を挟んで形成され、n型MISFETのチャネル
領域となっている。
P-type acting as back gate electrode
Back gate region 2 'and the n-type back gate region 1'
A plurality of n-type MISFETs are formed for one semiconductor island-shaped region facing each other with the insulating film 6 interposed therebetween. In the present embodiment, an example in which two semiconductor island regions are formed is shown, but more semiconductor island regions may be formed. Here, adjacent n-type Ms formed in one island-shaped semiconductor region
The ISFET has a source / drain region 15 'made of an n-type semiconductor shared by transistors connected in series. Furthermore, the n-type region 1 is sandwiched by the gate electrode 10 '.
A region 11 'made of an n-type semiconductor is formed so as to face 5'. These regions 15 'and 11' are
The source region and the drain region or the drain region and the source region of the n-type MISFET are formed. Furthermore, a p-type region or region 4'made of n-type impurity addition of 10 16 cm -3 or less is formed with the gate electrode 10 ′ and the gate insulating film 9 sandwiched therebetween, and becomes a channel region of the n-type MISFET.

【0054】ここで、図10のように、n型MISFE
Tおよびp型MISFETはアレイ状に形成されること
が、金属配線の結線によって多段の論理回路を形成する
には望ましい。この場合、図10の構造を紙面左右にア
レイ状に形成することにより、バックゲートとなる半導
体領域1,1’2,2’はそれぞれ連続して接続され、
個々のアレイのバックゲートに電圧印加端子を形成しな
くても、例えば、アレイ端で電圧印加端子を形成するこ
とによって、連続して形成したすべてのアレイのバック
ゲートに電圧を与えることができる。
Here, as shown in FIG. 10, n-type MISFE
It is desirable that the T and p-type MISFETs are formed in an array so as to form a multi-stage logic circuit by connecting metal wires. In this case, by forming the structure of FIG. 10 in the form of an array on the left and right sides of the paper, the semiconductor regions 1, 1'2, 2'to be the back gates are continuously connected,
Even if the voltage application terminals are not formed on the back gates of the individual arrays, the voltage can be applied to the back gates of all the arrays formed successively by forming the voltage application terminals at the array ends, for example.

【0055】ここで、ゲート電極10および10’は、
しきい値を制御するために、異なる導電型を有する半導
体であってもよい。具体的には、ゲート電極10として
は、1019cm−3以上Bを添加したポリシリコン電
極であり、ゲート電極10’としては、1019cm
−3以上PまたはAsを添加したポリシリコン電極であ
ればよい。
Here, the gate electrodes 10 and 10 'are
Semiconductors with different conductivity types may be used to control the threshold. Specifically, the gate electrode 10 is a polysilicon electrode added with 10 19 cm −3 or more of B, and the gate electrode 10 ′ is 10 19 cm.
Any polysilicon electrode having P or As added to -3 or more may be used.

【0056】また、ゲート電極10および10’の側面
には、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜から絶
縁膜3が形成されている。これは、ゲート電極10とソ
ース・ドレイン領域15またはソース・ドレイン領域1
1との電気的絶縁を良好に保つためのものである。さら
に、半導体島状領域間には、例えば、シリコン酸化膜か
らなる素子分離絶縁膜13が形成されている。さらに、
MISFET上部には、例えば、シリコン酸化膜からな
る層間絶縁膜12が形成されている。
On the side surfaces of the gate electrodes 10 and 10 ', an insulating film 3 is formed from, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film. This is the gate electrode 10 and the source / drain region 15 or the source / drain region 1.
The purpose is to maintain good electrical insulation from No. 1. Further, the element isolation insulating film 13 made of, for example, a silicon oxide film is formed between the semiconductor island regions. further,
An interlayer insulating film 12 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the MISFET.

【0057】本実施形態に特徴的なことは、図11のよ
うにp型MISFETにおいて、チャネル領域4と絶縁
膜6を介して対向した支持基板5に、ソース・ドレイン
領域11と反対の導電性を有するn型バックゲート領域
が形成され、隣接するトランジスタが共有するソース
・ドレイン領域15と絶縁膜6を介して対向した支持基
板5に、ソース・ドレイン領域11と同じ導電性を有す
るp型バックゲート領域が形成されていることであ
る。
A feature of this embodiment is that in the p-type MISFET as shown in FIG. 11, the support substrate 5 facing the channel region 4 with the insulating film 6 interposed therebetween has a conductivity opposite to that of the source / drain region 11. N-type back gate region having
1 is formed, and the p-type back gate region 2 having the same conductivity as the source / drain region 11 is formed on the supporting substrate 5 facing the source / drain region 15 shared by the adjacent transistors with the insulating film 6 interposed therebetween. It is that.

【0058】また、相補的に、図12のようにn型MI
SFETにおいて、チャネル領域4’と絶縁膜6を介し
て対向した支持基板5に、ソース・ドレイン領域11’
と反対の導電性を有するp型バックゲート領域2’が形
成され、隣接するトランジスタが共有するソース・ドレ
イン領域15’と絶縁膜6を介して対向した支持基板5
に、ソース・ドレイン領域11’と同じ導電性を有する
n型バックゲート領域1’が形成されていることであ
る。
Complementarily, as shown in FIG.
In the SFET, the source / drain region 11 ′ is formed on the support substrate 5 facing the channel region 4 ′ with the insulating film 6 interposed therebetween.
A support substrate 5 having a p-type back gate region 2'having a conductivity opposite to that of the source / drain region 15 'shared by adjacent transistors and having an insulating film 6 interposed therebetween.
In addition, the n-type back gate region 1'having the same conductivity as the source / drain region 11 'is formed.

【0059】このような構造をとることにより、ソース
・ドレインに流れる電流の方向によって、しきい値が変
化するトランジスタを2つ直列に形成することができ
る。まず、図14を用いて、本バックゲート構造によっ
て、しきい値が変化することを示す。図14(a)は、
本実施形態の1つのn型MISFETを抜き出したこと
に相当する断面図であり、ソース・ドレイン領域11’
aおよび11’bにはそれぞれ、電極17aおよび17
bが接続されている。さらに、11’aの下およびチャ
ネル領域の下には、絶縁膜6を介してp型バックゲート
領域’が形成されている。ここで、p型バックゲート
領域’は高濃度p型バックゲート領域2”を通じて、
電極18と電気的に接続されている。図では示していな
いが、電極18は電圧源と接続され、p型バックゲート
領域’は一定電圧になるように制御されている。さら
に、11’bの下には、絶縁膜6を介してn型バックゲ
ート領域’が形成されている。ここで、n型バックゲ
ート領域’は高濃度n型バックゲート領域”を通じ
て、電極18’と電気的に接続されている。図では、示
していないが、電極18’は電圧源と接続され、n型
ックゲート領域’は一定の電圧となるように制御され
ている。ここで、電圧源の消費電力を抑えるためにp型
バックゲート領域’とn型バックゲート領域’に大
きなリーク電流が流れないようにするためには、n型
ックゲート領域’をp型バックゲート領域’に比べ
正にバイアスするか、順方向電圧以下にバイアスするこ
とが必要となる。そこで、このような条件では、バック
ゲート表面のポテンシャルD−D’は図14(b)のよ
うになり、伝導帯Ecおよび価電子帯Evは領域1’お
よび領域2’の境界を含む空乏層によって、n型バック
ゲート領域’の方が下に曲がる構造となる。よって、
D側、つまり、11’aに近いチャネル4’と絶縁膜6
との界面は、p型層の蓄積(accumulation)状態とな
り、D’側、つまり、11’bに近いチャネル4’と絶
縁膜6との界面は、p型層の反転(inversion)状態と
なる。よって、図14(c)のように、電極17bをド
レイン電極として、電極17aをソース電極とした場合
の5極管しきい値は、しきい値を定めるチャネル部のポ
テンシャルの極大点が、チャネル4’内で17b側より
も17a側に形成されるので、反転層が形成されにくく
なり、高いしきい値となる。一方、図14(d)のよう
に、電極17aをドレイン電極として、電極17bをソ
ース電極とした場合の5極管しきい値は、しきい値を定
めるチャネル部のポテンシャルの極大点が、チャネル
4’内で17a側よりも17b側に形成されるので、反
転層が形成されやすくなり、低いしきい値となる。以上
から、ソース・ドレイン電極の方向によって、バックゲ
ートに与える電圧が同一の条件でも、しきい値に差が形
成される。特に、トランジスタが完全空乏化トランジス
タの場合、バックゲート部から伸びた空乏層がチャネル
部分にも達するので、バックゲートポテンシャルによっ
てしきい値が大きく変化し本実施形態としては望ましい
形態となる。
By adopting such a structure, it is possible to form in series two transistors whose threshold values change depending on the direction of the current flowing through the source / drain. First, FIG. 14 is used to show that the threshold value changes depending on the present back gate structure. FIG. 14A shows
FIG. 9 is a cross-sectional view corresponding to the extraction of one n-type MISFET of the present embodiment, which is a source / drain region 11 ′.
a and 11'b have electrodes 17a and 17 respectively.
b is connected. Further, a p-type back gate region 2 ′ is formed below 11 ′ a and a channel region with an insulating film 6 interposed therebetween. Here, the p-type back gate region 2 ′ is formed through the high-concentration p-type back gate region 2 ″,
It is electrically connected to the electrode 18. Although not shown in the figure, the electrode 18 is connected to a voltage source, p-type back gate <br/> region 2 'is controlled to be constant voltage. Furthermore, under the layer 11′b, an n-type back-gate is provided through the insulating film 6.
Over preparative region 1 'is formed. Where n-type back
The gate region 1 ′ is electrically connected to the electrode 18 ′ through the high-concentration n-type back gate region 1 ″. Although not shown in the figure, the electrode 18 ′ is connected to the voltage source and the n-type barrier region 1 ′.
Kkugeto region 1 'is controlled to be a constant voltage. Here, in order to suppress the power consumption of the voltage source, p-type
The, n-type bar so that a large leakage current flows in the back gate region 2 'and the n-type back gate region 1'
Or positively biased to than 'a p-type back gate region 2' Kkugeto region 1, it is necessary to bias below the forward voltage. Therefore, under such a condition, the potential DD ′ on the surface of the back gate is as shown in FIG. 14B, and the conduction band Ec and the valence band Ev are the depletion layer including the boundary between the regions 1 ′ and 2 ′. By n-type back
Towards the gate region 1 'is the structure to bend down. Therefore,
D side, that is, the channel 4'and the insulating film 6 close to 11'a
The interface with the p-type layer is in the accumulation state, and the interface between the channel 4 ′ near the 11′b and the insulating film 6 is in the inversion state of the p-type layer. . Therefore, as shown in FIG. 14C, when the electrode 17b is used as the drain electrode and the electrode 17a is used as the source electrode, the pentode threshold is such that the maximum point of the potential of the channel portion that determines the threshold is the channel. Since it is formed on the side of 17a rather than the side of 17b in 4 ', it becomes difficult to form an inversion layer, and it becomes a high threshold value. On the other hand, as shown in FIG. 14 (d), when the electrode 17a is the drain electrode and the electrode 17b is the source electrode, the pentode threshold value is the maximum potential of the channel portion that determines the threshold value. Since it is formed on the side of 17b in 17 'rather than on the side of 17a, the inversion layer is easily formed and the threshold value becomes low. From the above, depending on the direction of the source / drain electrodes, a difference in the threshold value is formed even under the same condition of the voltage applied to the back gate. In particular, in the case where the transistor is a fully depleted transistor, the depletion layer extending from the back gate portion reaches the channel portion as well, so that the threshold value is largely changed by the back gate potential, which is a desirable form in this embodiment.

【0060】以後では、ソース電極として用いた場合に
しきい値が高くなる条件で、ソース電極の側に黒丸をつ
けて方向を表わすことにする。なお、以上の説明で明ら
かなように、しきい値に差を形成するためには、チャネ
ル4’と対向するバックゲート電極のポテンシャルがソ
ース・ドレインに対して非対称になっていればよい。よ
って、p型バックゲート領域’とn型バックゲート
’の境界はソース領域に対向した位置ではなく、チ
ャネル4’に対向した位置に形成されていてもよい。p
型MISFETについても同様に、p型バックゲート
とn型バックゲート領域との境界は、ソース領域
に対向した位置ではなく、チャネル4に対向した位置に
形成されていてもよい。
Hereinafter, under the condition that the threshold value becomes high when used as a source electrode, a black circle is attached to the source electrode side to indicate the direction. As is clear from the above description, the potential of the back gate electrode facing the channel 4 ′ may be asymmetrical with respect to the source / drain in order to form the difference in threshold value. Therefore, the boundary between the p-type back gate region 2 ′ and the n-type back gate region 1 ′ may be formed not at the position facing the source region but at the position facing the channel 4 ′. p
Similarly, in the type MISFET, the boundary between the p-type back gate region 2 and the n-type back gate region 1 is formed not at a position facing the source region but at a position facing the channel 4. Good.

【0061】次に、本実施形態のトランジスタを用いた
論理回路例を図15に示す。図15(a)はスタティッ
ク2入力NANDに対する回路図であり、図15(b)
はスタティック2入力NORに対する回路図である。さ
らに、図16(a)は、図15(a)に対応するスタテ
ィック2入力NANDに対する配線層のレイアウトを示
しており、図10のトランジスタ配置を用いている。ま
た、図16(b)は、図16(a)に対応するスタティ
ック2入力NORに対する配線層のレイアウトを示して
おり、図10のトランジスタ配置を用いている。
Next, FIG. 15 shows an example of a logic circuit using the transistor of this embodiment. FIG. 15A is a circuit diagram for a static 2-input NAND, and FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram for a static 2-input NOR. Further, FIG. 16A shows the layout of the wiring layer for the static two-input NAND corresponding to FIG. 15A, and the transistor arrangement of FIG. 10 is used. 16B shows the layout of the wiring layer for the static two-input NOR corresponding to FIG. 16A, and the transistor arrangement of FIG. 10 is used.

【0062】まず、図15(a)および図16(a)に
おいて、Qn1、Qn2が上述した電流方向によってし
きい値が異なるn 型MISFETであり、Qp1、Q
p2が上述した電流方向によってしきい値が異なるp型
MISFETである。これらは、図16(a)のように
対向して形成されることが、配線遅延を抑えるために望
ましい。図16(a)において、17,17’および1
7”は、W,CuまたはAlからなる金属配線を示し、
17’はVDDに接続されており、17”は0Vに接続
されている。また、26はp型ソース・ドレイン電極1
1または15に対するコンタクト電極を示しており、2
6’はn型ソース・ドレイン電極11’またはソース・
ドレイン電極15’に対するコンタクト電極を示してお
り、26’’はゲート電極10または10’、10’’
に対するコンタクト電極を示している。
First, in FIGS. 15A and 16A, Q n1 and Q n2 are n-type MISFETs having different threshold values depending on the current direction, and Q p1 and Q n are shown.
p2 is a p-type MISFET having a threshold value that differs depending on the current direction. It is desirable that these are formed to face each other as shown in FIG. 16A in order to suppress wiring delay. In FIG. 16 (a), 17, 17 'and 1
7 "indicates a metal wiring made of W, Cu or Al,
17 'is connected to VDD, 17 "is connected to 0 V. In addition, 26 is a p-type source / drain electrode 1
Shows contact electrodes for 1 or 15 and 2
6'is an n-type source / drain electrode 11 'or source
A contact electrode for the drain electrode 15 'is shown, and 26''is the gate electrode 10 or 10', 10 ''.
Shows a contact electrode for.

【0063】ここで、Qn2の共通電極でない側のドレ
イン電極が出力ノードと接続されている。また、Qn2
の共通電極となるソース電極が、Qn1のドレイン電極
と接続されている。さらに、Qn1のソース電極は、G
NDと図15では表記されている0Vを有する電圧ノー
ド17’’と接続されている。また、Qn1のゲート電
極は、Qp1のゲート電極と接続され、第一の電圧入力
端子(IN1)となっている。さらに、Qn2のゲート
電極は、Qn1のゲート電極と接続され、第二の電圧入
力端子(IN2)となっている。さらに、Qp1および
n1のソース電極は、共に、例えば、VDDの電圧を
有する電圧ノードと接続され、ドレイン電極は出力ノー
ドに接続されている。つまり、本構成は、2入力NAN
Dの論理回路を示しており、IN1、IN2、OUT
は、ほぼ0VおよびほぼVDDの2つの論理値に対応し
た電圧を有するように動作する。また、図15におい
て、バックゲートとして、領域2’,1’,2,1には
それぞれ、V1,V2,V3,V4の電圧が印加されて
いる。ここで、バックゲート間で順方向バイアスになり
電流が流れないようにするには、バックゲート間のbuil
t-in電圧をViとして、V3>V4−Vi、およびV1
>V2−Viの条件を満たすことが必要となる。
Here, the drain electrode of the side of Q n2 which is not the common electrode is connected to the output node. Also, Q n2
The source electrode serving as the common electrode of Q n1 is connected to the drain electrode of Q n1 . Further, the source electrode of Q n1 is G
It is connected to ND and the voltage node 17 ″ having 0V, which is indicated in FIG. The gate electrode of Q n1 is connected to the gate electrode of Q p1 and serves as a first voltage input terminal (IN1). Further, the gate electrode of Q n2 is connected to the gate electrode of Q n1 and serves as a second voltage input terminal (IN2). Further, the source electrodes of Q p1 and Q n1 are both connected to a voltage node having a voltage of VDD, for example, and the drain electrode is connected to the output node. In other words, this configuration has a 2-input NAN.
The logic circuit of D is shown, IN1, IN2, OUT
Operates to have voltages corresponding to two logic values, approximately 0V and approximately VDD. Further, in FIG. 15, voltages V1, V2, V3, and V4 are applied to the regions 2 ', 1', 2, 1 as back gates, respectively. Here, in order to prevent forward current from flowing between the back gates so that no current flows, the
When t-in voltage is Vi, V3> V4-Vi, and V1
It is necessary to satisfy the condition of> V2-Vi.

【0064】本回路構成において、Qn2のソース電極
は、Qn1の直列抵抗のために、Qn1とQn2の入力
電圧がVDDで導通した状態において、0VよりもVs
だけ上昇する。一方、Qn1のソース電極は0Vに接続
されており、Qn1よりもQn2の方がソース電圧が上
昇する。このため、Qn1とQn2に等しいしきい値の
トランジスタを用いた場合、Qn2の電流駆動能力は、
n1の電流駆動能力に比べ、ゲート電圧を(VDD−
Vs)だけ減じたことに相当し低下する。よって、Q
n2をオンする場合の遷移時間の方が、Qn1をオンす
る場合の遷移時間よりも長くなり、入力端子の差によっ
て遷移時間に差が生じ、回路のタイミング設計上問題と
なる。
[0064] In this circuit configuration, the source electrode of Q n2, for the series resistance of Q n1, in a state where the input voltage of Q n1 and Q n2 is conductive for VDD, Vs than 0V
Only rises. On the other hand, the source electrode of Q n1 is connected to 0 V, and the source voltage of Q n2 is higher than that of Q n1 . Therefore, when a transistor having a threshold value equal to Q n1 and Q n2 is used, the current driving capability of Q n2 is
Compared with the current driving capacity of Q n1 , the gate voltage is (VDD−
Vs) is reduced, which is equivalent to reduction. Therefore, Q
The transition time when n2 is turned on is longer than the transition time when Q n1 is turned on, which causes a difference in transition time due to a difference in input terminals, which causes a problem in the timing design of the circuit.

【0065】ここで、第1の実施形態で説明したよう
に、このソース電圧上昇によるQn2のQn1に対する
電流駆動能力低下を抑えるためには、Qn2のしきい値
Vth2をQn1のしきい値Vth1より低くする条件が
必要である。特に、ほぼVth2=Vth1−Vsとすれば、
n2とQn1の電流駆動能力をほぼ等しくなり、入力
端子に依らず遅延時間をほぼ等しくできる。
Here, as described in the first embodiment, in order to suppress the current driving capability deterioration of Q n2 with respect to Q n1 due to the increase of the source voltage, the threshold Vth2 of Q n2 is set to Q n1. It is necessary to make the condition lower than the threshold value Vth1. Especially, if Vth2 = Vth1−Vs,
The current driving capacities of Q n2 and Q n1 are substantially equal, and the delay times can be approximately equal regardless of the input terminals.

【0066】ここで、本実施形態では、Qn2の電流方
向が、しきい値が低くなる方向であり、Qn1の電流方
向が、しきい値が高くなる方向であるので、n型MIS
FETのバックゲート電圧V1およびV2を調整するこ
とによりこの条件を満たすことができる。この時、p型
MISFET Qp1およびQp2はしきい値が高くな
る方向に共に電流が流れる。よって、2つのp型MIS
FETをオンする場合の遷移時間はほぼ等しく、入力端
子の差によって生じる遷移時間の差はバックゲート電圧
V1およびV2を変化させても変わらない。すなわち、
本2入力NAND回路の遅延時間の入力端子による差を
減少するには、Qn1オン時の遷移時間をQn2オン時
の遷移時間とほぼ等しくなるようにV1およびV2を制
御すればよい。
Here, in this embodiment, the current direction of Q n2 is the direction in which the threshold value is low, and the current direction of Q n1 is the direction in which the threshold value is high, so the n-type MIS is performed.
This condition can be satisfied by adjusting the back gate voltages V1 and V2 of the FET. At this time, current flows in both the p-type MISFETs Q p1 and Q p2 in the direction of increasing the threshold value. Therefore, two p-type MIS
The transition times when the FETs are turned on are almost equal, and the difference in transition times caused by the difference in the input terminals does not change even if the back gate voltages V1 and V2 are changed. That is,
In order to reduce the difference in the delay time of the present two-input NAND circuit due to the input terminals, V1 and V2 may be controlled so that the transition time when Q n1 is on is substantially equal to the transition time when Q n2 is on.

【0067】一方、図15(b)および図16(b)に
おいて、Qn1、Qn2が上述した電流方向によってし
きい値が異なるn型MISFETであり、Qp1、Q
p2が上述した電流方向によってしきい値が異なるp型
MISFETである。これらは、図16(b)のように
対向して形成されることが、配線遅延を抑えるために望
ましい。図16(b)において、17,17’および1
7”は、W,CuまたはAlからなる金属配線を示し、
17’はVDDに接続されており、17”は0Vに接続
されている。Qp2のドレイン電極が出力ノードと接続
されている。また、Qp2のソース電極が、Qp1のド
レイン電極と接続されている。さらに、Qp1のソース
電極は、例えばVDDを有する電圧ノードと接続されて
いる。また、Qp1のゲート電極は、Qn1のゲート電
極と接続され、第一の電圧入力端子(IN1)となって
いる。さらに、Qp2のゲート電極は、Qn2のゲート
電極と接続され、第二の電圧入力端子(IN2)となっ
ている。さらに、Qn1およびQn2のソース電極は、
共に、例えば、0Vの電圧を有する電圧ノード17”と
接続され、ドレイン電極は出力ノードに接続されてい
る。つまり、本構成は、2入力NORの論理回路を示し
ており、IN1、IN2、OUTは、ほぼ0Vおよびほ
ぼVDDの2つの論理値に対応した電圧を有するように
動作する。
On the other hand, in FIGS. 15 (b) and 16 (b), Q n1 and Q n2 are n-type MISFETs having different threshold values depending on the current direction, and Q p1 and Q n
p2 is a p-type MISFET having a threshold value that differs depending on the current direction. It is desirable that these are formed to face each other as shown in FIG. 16B in order to suppress wiring delay. In FIG. 16 (b), 17, 17 'and 1
7 "indicates a metal wiring made of W, Cu or Al,
17 ′ is connected to VDD and 17 ″ is connected to 0V. The drain electrode of Q p2 is connected to the output node. Further, the source electrode of Q p2 is connected to the drain electrode of Q p1. Further, the source electrode of Q p1 is connected to a voltage node having, for example, VDD, and the gate electrode of Q p1 is connected to the gate electrode of Q n1 and the first voltage input terminal ( In addition, the gate electrode of Q p2 is connected to the gate electrode of Q n2 and serves as a second voltage input terminal (IN2), and the source electrodes of Q n1 and Q n2 are ,
Both are connected to, for example, a voltage node 17 ″ having a voltage of 0 V, and a drain electrode is connected to an output node. That is, the present configuration shows a 2-input NOR logic circuit, IN1, IN2, OUT. Operates to have voltages corresponding to two logic values, approximately 0V and approximately VDD.

【0068】図15において、バックゲートとして、領
域2’,1’,2,1にはそれぞれ、V1,V2,V
3,V4の電圧が印加されている。ここで、バックゲー
ト間で順方向バイアスになり電流が流れないようにする
には、バックゲート間のbuilt-in電圧をViとして、V
3>V4−Vi、およびV1>V2−Viの条件を満た
すことが必要となる。
In FIG. 15, as the back gate, V1, V2 and V are provided in the regions 2 ', 1', 2 and 1, respectively.
A voltage of 3, V4 is applied. Here, in order to prevent a current from flowing due to forward bias between the back gates, the built-in voltage between the back gates is set to Vi, and V
It is necessary to satisfy the conditions of 3> V4-Vi and V1> V2-Vi.

【0069】本回路構成において、Qp2のソース電極
は、Qp1の直列抵抗のために、Qp1とQp2の入力
電圧が0Vで導通した状態において、VDDよりもVs
だけ低下する。一方、Qp1のソース電極は0Vに接続
されており、Qp1よりもQp2の方がソース電圧が低
下する。このため、Qp1とQp2に等しいしきい値の
トランジスタを用いた場合、Qp2の電流駆動能力は、
p1の電流駆動能力に比べ、ゲート電圧をVsだけ上
昇させたことに相当し、低下する。よって、Qp2をオ
ンする場合の遷移時間の方が、Qp1をオンする場合の
遷移時間よりも長くなり、入力端子の差によって遷移時
間に差が生じ、回路のタイミング設計上問題となる。
[0069] In this circuit configuration, the source electrode of Q p2, due to the series resistance of Q p1, in a state where the input voltage of Q p1 and Q p2 is conductive for 0V, than VDD Vs
Only drops. On the other hand, the source electrode of Q p1 is connected to 0 V, and the source voltage of Q p2 is lower than that of Q p1 . Therefore, when a transistor having a threshold value equal to Q p1 and Q p2 is used, the current driving capability of Q p2 is
Compared with the current driving capability of Q p1 , it corresponds to the increase of the gate voltage by Vs and decreases. Therefore, the transition time when Q p2 is turned on is longer than the transition time when Q p1 is turned on, and the transition time varies due to the difference in the input terminals, which is a problem in the timing design of the circuit.

【0070】ここで、第1の実施形態で説明したよう
に、このソース電圧上昇によるQp2のQp1に対する
電流駆動能力低下を抑えるためには、Qp2のしきい値
Vth3をQp1のしきい値Vth4より低くする条件が必要
である。特に、ほぼVth4=Vth3−Vsとすれば、Q
p2とQp1の電流駆動能力をほぼ等しくなり、入力端
子に依らず遅延時間をほぼ等しくできる。
Here, as described in the first embodiment, in order to suppress the current driving capability deterioration of Q p2 with respect to Q p1 due to the increase of the source voltage, the threshold value Vth3 of Q p2 is set to Q p1. It is necessary to make the condition lower than the threshold value Vth4. Especially, if Vth4 = Vth3-Vs, then Q
The current driving capacities of p2 and Q p1 are substantially equal, and the delay times can be approximately equal regardless of the input terminals.

【0071】ここで、本実施形態では、Qp2の電流方
向が、しきい値が低くなる方向であり、Qp1の電流方
向が、しきい値が高くなる方向であるので、p型MIS
FETのバックゲート電圧V3およびV4を調整するこ
とによりこの条件を満たすことができる。この時、n型
MISFET Qn1およびQn2はしきい値が高くな
る方向に共に電流が流れる。よって、2つのn型MIS
FETをオンする遷移時間はほぼ等しく、入力端子の差
によって生じる遷移時間の差はバックゲート電圧V3お
よびV4を変化させても変わらない。すなわち、本2入
力NOR回路の遅延時間の入力端子による差を減少する
には、Qp1オン時の遷移時間をQp2オン時の遷移時
間とほぼ等しくなるようにV3およびV4を制御すれば
よい。
Here, in this embodiment, the current direction of Q p2 is the direction in which the threshold value is low, and the current direction of Q p1 is the direction in which the threshold value is high, so that the p-type MIS is formed.
This condition can be satisfied by adjusting the back gate voltages V3 and V4 of the FET. At this time, current flows through both n-type MISFETs Q n1 and Q n2 in the direction of increasing the threshold value. Therefore, two n-type MISs
The transition times for turning on the FETs are almost equal, and the difference in transition time caused by the difference in the input terminals does not change even if the back gate voltages V3 and V4 are changed. That is, in order to reduce the difference between the delay times of the two-input NOR circuit depending on the input terminals, V3 and V4 may be controlled so that the transition time when Q p1 is on is substantially equal to the transition time when Q p2 is on. .

【0072】以上から、本実施形態のNAND回路およ
びNOR回路は、同一基板状に形成し、バックゲート端
子を共有しても、入力端子の差によって生じる遷移時間
の差をそれぞれ独立にV1、V2、V3およびV4を制
御することによって、それぞれ最小にすることができ
る。よって、これらと一入力インバータを組み合わせた
論理回路において、入力端子の差に起因する遅延時間の
ずれを最小にすることが可能になる。
From the above, even if the NAND circuit and the NOR circuit of the present embodiment are formed on the same substrate and share the back gate terminal, the transition time difference caused by the difference of the input terminals is independently V1 and V2. , V3 and V4 can be minimized respectively. Therefore, in a logic circuit in which these and one-input inverters are combined, it is possible to minimize the shift in delay time due to the difference in input terminals.

【0073】図17(b)はクロックドインバータに対
する回路図であり、図17(a)は、図17(b)に対
応するクロックドインバータに対する配線層のレイアウ
トを示しており、図10のトランジスタ配置を用いてい
る。図17(a)および図17(b)において、
n1、Qn2が上述した電流方向によってしきい値が
異なるn型MISFETであり、Qp1、Qp2が上述
した電流方向によってしきい値が異なるp型MISFE
Tである。これらは、図17(a)のように対向して形
成されることが、配線遅延を抑えるために望ましい。図
17(a)において、17,17’および17”は、
W,CuまたはAlからなる金属配線を示し、17’は
VDDに接続されており、17”は0Vに接続されてい
る。ここで、Q の共通電極でない側のドレイン電極
が出力ノードと接続されている。また、Qn2の共通電
極となるソース電極が、Qn1のドレイン電極と接続さ
れている。さらに、Qn1のソース電極は、GNDと図
15では表記されている0Vを有する電圧ノード1
7’’と接続されている。さらに、Qp2の共通電極で
ない側のドレイン電極が出力ノードと接続されている。
また、Qp2の共通電極となるソース電極が、Qp1
ドレイン電極と接続されている。さらに、Qp1のソー
ス電極は、GNDと図15では表記されている0Vを有
する電圧ノード17’’と接続されている。
FIG. 17 (b) is a circuit diagram for the clocked inverter, and FIG. 17 (a) shows the layout of the wiring layer for the clocked inverter corresponding to FIG. 17 (b). The arrangement is used. 17 (a) and 17 (b),
Q n1 and Q n2 are n-type MISFETs having different threshold values depending on the current direction, and Q p1 and Q p2 are p-type MISFE having different threshold values depending on the current direction.
T. It is desirable that these are formed to face each other as shown in FIG. 17A in order to suppress wiring delay. In FIG. 17A, 17, 17 'and 17 "are
A metal wire made of W, Cu, or Al is shown, 17 'is connected to VDD, and 17 "is connected to 0 V. Here, the drain electrode on the side other than the common electrode of Q n 2 serves as an output node. are connected. the common electrode to become the source electrode of Q n2 is connected to the drain electrode of Q n1. in addition, the source electrode of Q n1 has a 0V that is denoted in GND and 15 Voltage node 1
7 '' is connected. Further, the drain electrode of the side of Q p2 which is not the common electrode is connected to the output node.
In addition, the source electrode that serves as the common electrode of Q p2 is connected to the drain electrode of Q p1 . Further, the source electrode of Q p1 is connected to GND and to the voltage node 17 ″ having 0 V, which is labeled in FIG.

【0074】また、Qn2のゲート電極は、Qp2のゲ
ート電極と接続され、インバータの電圧入力端子(I
N)となっている。さらに、Qn1のゲート電極は、ク
ロック入力faiと接続され、Qp1のゲート電極は、
クロックの入力の反転入力/faiと接続されている。
つまり、本構成は、faiがVDDで/faiが0Vの
時にINの反転出力が得られ、faiが0Vで/fai
がVDDの時に出力が高インピーダンス状態となるクロ
ックドインバータの論理回路を示しており、IN、fa
i、/fai、OUTは、ほぼ0VおよびほぼVDDの
2つの論理値に対応した電圧を有するように動作する。
また、図15において、バックゲートとして、領域
2’,1’,2,1にはそれぞれ、V1,V2,V3,
V4の電圧が印加されている。ここでバックゲート間で
順方向バイアスになり電流が流れないようにするには、
バックゲート間のbuilt-in電圧をViとして、V3>V
4−Vi、およびV1>V2−Viの条件を満たすこと
が必要となる。
The gate electrode of Q n2 is connected to the gate electrode of Q p2 , and the voltage input terminal (I
N). Further, the gate electrode of Q n1 is connected to the clock input fai, and the gate electrode of Q p1 is
It is connected to the inverted input / fai of the clock input.
That is, in this configuration, an inverted output of IN is obtained when fai is VDD and / fai is 0V, and when fai is 0V and / fai.
Shows a logic circuit of a clocked inverter whose output is in a high impedance state when is VDD, IN, fa
i, / fai, and OUT operate to have voltages corresponding to two logic values of approximately 0 V and approximately VDD.
Further, in FIG. 15, as the back gate, V1, V2, V3 are respectively provided in the regions 2 ', 1', 2, 1.
The voltage of V4 is applied. Here, in order to prevent forward current due to forward bias between the back gates,
V3> V where Vi is the built-in voltage between the back gates
It is necessary to satisfy the conditions of 4-Vi and V1> V2-Vi.

【0075】本回路構成において、Qn2のソース電極
は、Qn1の直列抵抗のために、Qn1とQn2の入力
電圧がVDDで導通した状態において、0VよりもVs
だけ上昇する。このため、Qn2の電流駆動能力は、Q
n2のソース電極を0Vに接地した場合に比べ、ゲート
電圧を(VDD−Vs)だけ減じたことに相当し低下す
る。一方、Qp2のソース電極は、Qp1の直列抵抗の
ために、Qp1とQp2の入力電圧が0Vで導通した状
態において、VDDよりもVsだけ低下する。このた
め、Qp2の電流駆動能力は、Qp2のソース電極をV
DDに接続した場合に比べ、ゲート電圧をVsだけ上昇
させたことに相当し、低下する。よって、Qp2のソー
ス電極をVDDに接続し、Qn2のソース電極を0Vに
接続した通常のインバータと比較して、同じトランジス
タ寸法でも本インバータの遅延時間が大きくなる。ま
た、Qp2およびQn2の電流駆動能力低下により、ク
ロック信号faiおよび/faiに入力に比べ、INに
加わる信号に対して出力信号の遅延時間が増大するの
で、回路のタイミング設計上問題となる。
[0075] In this circuit configuration, the source electrode of Q n2, for the series resistance of Q n1, in a state where the input voltage of Q n1 and Q n2 is conductive for VDD, Vs than 0V
Only rises. Therefore, the current driving capacity of Q n2 is Q
Compared with the case where the source electrode of n2 is grounded to 0V, the gate voltage is reduced by (VDD-Vs). On the other hand, the source electrode of Q p2, due to the series resistance of Q p1, the input voltage of Q p1 and Q p2 is in a state where the conduction 0V, thereby lowering only the Vs than VDD. Therefore, the current driving capability of the Q p2 is the source electrode of Q p2 V
Compared to the case of connecting to DD, the gate voltage is increased by Vs, and is decreased. Therefore, compared with a normal inverter in which the source electrode of Q p2 is connected to VDD and the source electrode of Q n2 is connected to 0 V, the delay time of the present inverter increases even with the same transistor size. In addition, since the current driving capability of Q p2 and Q n2 is lowered, the delay time of the output signal with respect to the signal added to IN increases as compared with the input to the clock signals fai and / fai, which is a problem in the timing design of the circuit. .

【0076】ここで、第1の実施形態で説明したよう
に、このソース電圧上昇によるQn2のQn1に対する
電流駆動能力低下を抑えるためには、Qn2のしきい値
Vth2をQn1のしきい値Vth1より低くする条件が必要
である。特に、ほぼVth2=Vth1−Vsとすれば、Q
n2とQn1の電流駆動能力をほぼ等しくなり、入力端
子に依らず遅延時間をほぼ等しくできる。さらに、ソー
ス電圧上昇によるQp2のQp1に対する電流駆動能力
低下を抑えるためには、Qp2のしきい値Vth3をQ
p1のしきい値Vth4より低くする条件が必要である。
特に、ほぼVth4=Vth3−Vsとすれば、Qp2とQ
p1の電流駆動能力をほぼ等しくなり、入力端子に依ら
ず遅延時間をほぼ等しくできる。
Here, as described in the first embodiment, in order to suppress the current driving capability deterioration of Q n2 with respect to Q n1 due to the increase of the source voltage, the threshold Vth2 of Q n2 is set to Q n1. It is necessary to make the condition lower than the threshold value Vth1. Especially, if Vth2 = Vth1−Vs, then Q
The current driving capacities of n2 and Qn1 are made substantially equal, and the delay times can be made almost equal regardless of the input terminals. Further, in order to suppress the decrease in the current driving capability of Q p2 with respect to Q p1 due to the increase in the source voltage, the threshold value Vth3 of Q p2 is set to Q.
It is necessary to set the condition to be lower than the threshold value Vth4 of p1 .
In particular, when almost Vth4 = Vth3-Vs, Q p2 and Q
The current drive capability of p1 becomes almost equal, and the delay time can be made almost equal regardless of the input terminal.

【0077】ここで、本実施形態では、Qn2の電流方
向が、しきい値が低くなる方向であり、Qn1の電流方
向が、しきい値が高くなる方向であるので、n型MIS
FETのバックゲート電圧V1およびV2を調整するこ
とによりこの条件を満たすことができる。さらに、本実
施形態では、Qp2の電流方向が、しきい値が低くなる
方向であり、Qp1の電流方向が、しきい値が高くなる
方向であるので、p型MISFETのバックゲート電圧
V3およびV4を調整することによりこの条件を満たす
ことができる。
Here, in the present embodiment, the current direction of Q n2 is the direction in which the threshold value is low, and the current direction of Q n1 is the direction in which the threshold value is high.
This condition can be satisfied by adjusting the back gate voltages V1 and V2 of the FET. Further, in the present embodiment, the current direction of Q p2 is the direction in which the threshold value is low, and the current direction of Q p1 is the direction in which the threshold value is high, so the back gate voltage V3 of the p-type MISFET This condition can be satisfied by adjusting V4 and V4.

【0078】以上から、入力INの出力遅延時間を、ク
ロック入力faiおよび/faiに対する出力遅延時間
に比べ、等しいか短くすることができ、より高速にスイ
ッチングするインバータを形成することができる。
From the above, the output delay time of the input IN can be made equal to or shorter than the output delay time with respect to the clock inputs fai and / fai, and an inverter switching at a higher speed can be formed.

【0079】なお、電流の流れる方向によってしきい値
に差が生じるトランジスタを縦続接続した場合の電流駆
動能力の劣化を抑える本特徴は、上記に示したスタティ
ック論理回路のみならず、さらに多入力の論理回路やダ
イナミック回路にも用いることができ、その入力端子に
依存した遅延時間の差を短縮することができる。
The feature of suppressing the deterioration of the current drivability in the case of cascade-connecting the transistors whose thresholds differ depending on the direction of current flow is not limited to the static logic circuit described above, and is also applicable to more multi-inputs. It can also be used in a logic circuit or a dynamic circuit, and the difference in delay time depending on its input terminal can be shortened.

【0080】本実施形態によれば、以下のような効果が
得られる。 (1)トランジスタのバックゲート電極として作用する
領域1,1’,2,2’ は支持基板5に対して電気的
に分離されている。よって、chip全体よりもバック
ゲートを印加する領域を縮小することができ、領域1,
1’,2,2’の容量を小さくすることができる。よっ
て、領域1,1’,2,2’に接続された基板バイアス
電源として、より小さな容量の電源を用いることがで
き、基板バイアス電源の回路面積および消費電力を小さ
くすることができる。また、基板を通じてのノイズの影
響を受けることが少なくなり、低ノイズの回路を安定に
実現することができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained. (1) Regions 1, 1 ′, 2, 2 ′ that act as back gate electrodes of transistors are electrically isolated from the support substrate 5. Therefore, the region to which the back gate is applied can be made smaller than the entire chip, and the region 1,
The capacity of 1 ', 2, 2'can be reduced. Therefore, as the substrate bias power source connected to the regions 1, 1 ', 2, 2', a power source having a smaller capacity can be used, and the circuit area and power consumption of the substrate bias power source can be reduced. Further, the influence of noise through the substrate is reduced, and a low-noise circuit can be stably realized.

【0081】(2)図11のバックゲート電極として作
用するn型バックゲート領域の電圧及びp型バックゲ
ート領域の電圧とを制御することによって、p型MI
SFETのしきい値、および、ソースおよびドレインの
電流方向によるしきい値の差を制御することができる。
また、図12のバックゲート電極として作用するn型
ックゲート領域’及びp型バックゲート領域’の電
圧を制御することによって、n型MISFETのしきい
値、および、ソースおよびドレインの電流方向によるし
きい値の差を独立に制御することができる。よって、例
えば、半導体素子を配線層まで形成し実動作状態となっ
た後に、外部電圧入力によって、しきい値の差を制御
し、論理回路の遅延時間を最適化することができる。
[0081] (2) the voltage of the n-type back gate region 1 which acts as a back gate electrode 11 and p-type back gate
P-type MI by controlling the voltage of the gate region 2.
It is possible to control the threshold value of the SFET and the difference between the threshold values depending on the current directions of the source and the drain.
In addition, the n-type bar that functions as the back gate electrode in FIG.
The threshold voltage of the n-type MISFET and the difference between the threshold values of the source and drain depending on the current direction can be controlled independently by controlling the voltages of the gate gate region 1 ′ and the p-type back gate region 2 ′. . Therefore, for example, it is possible to optimize the delay time of the logic circuit by controlling the difference in threshold value by the external voltage input after the semiconductor element is formed up to the wiring layer and the actual operation state is achieved.

【0082】(3)配線のレイアウトパターンの変更な
しに、NORやNAND回路およびクロックドインバー
タ論理回路の最大遅延と最小遅延の差を短縮することが
できる。よって、より論理回路の同期余裕に必要な時間
を小さくすることができ、より高速に論理回路を動作さ
せることができる。
(3) The difference between the maximum delay and the minimum delay of the NOR or NAND circuit and the clocked inverter logic circuit can be shortened without changing the wiring layout pattern. Therefore, the time required for the synchronization margin of the logic circuit can be further reduced, and the logic circuit can be operated at a higher speed.

【0083】(4)MISFETのバックゲートとし
て、ソース・ドレイン領域と同じ導電型のバックゲート
をソース・ドレイン層およびチャネル層の下全面に形成
した場合に比較して、ソース・ドレイン領域と逆の導電
型のバックゲートを形成したソース・ドレイン層の一方
の、バックゲートに対する容量を低減することができ
る。特に、ドレイン領域に逆の導電型のバックゲートを
形成した場合には、ドレイン電圧が高い場合に、バック
ゲート領域が空乏化するためにバックゲートに対するド
レイン容量が低減し、ドレインと接続された論理回路出
力の負荷容量を低減し高速動作させることができる。
(4) Compared with the case where a back gate of the same conductivity type as the source / drain region is formed as the back gate of the MISFET on the entire lower surface of the source / drain layer and the channel layer, the source / drain region is opposite to that of the source / drain region. It is possible to reduce the capacitance of one of the source / drain layers in which the conductive type back gate is formed with respect to the back gate. In particular, when a back gate of the opposite conductivity type is formed in the drain region, when the drain voltage is high, the back gate region is depleted and the drain capacitance with respect to the back gate is reduced. It is possible to reduce the load capacitance of the circuit output and operate at high speed.

【0084】一方、ソース・ドレイン領域と逆の導電型
のバックゲートをソース・ドレイン層およびチャネル層
の下全面に形成した場合に比較して、チャネルに対向し
たバックゲート領域の空乏化が小さくため、よりチャネ
ル電位を一定に保つことができ、ゲート長が短くなって
も、しきい値が低下しにくくなる。
On the other hand, the depletion of the back gate region facing the channel is small as compared with the case where the back gate of the conductivity type opposite to that of the source / drain region is formed on the entire lower surface of the source / drain layer and the channel layer. As a result, the channel potential can be kept constant, and the threshold value is less likely to decrease even if the gate length becomes shorter.

【0085】(5)図10の領域1および2’で示すよ
うに、バックゲートとなる1つの導電型を有する半導体
領域を2つのトランジスタで共有することができる。よ
って、ゲート長がソース・ドレイン領域のゲート長に沿
った長さよりも小さくなっても、領域1’および2’の
チャネル方向長さをゲート長よりも広く確保することが
できる。このため、バックゲートのデザインルールをゲ
ートに対するデザインルールより緩和することができ、
より分解能の低い安価なリソグラフィ装置を用いてバッ
クゲートを形成することができる。また、領域1’およ
び2’の幅を広く確保することができるので、バックゲ
ート抵抗を小さく保つことができ、チャネル幅が増大し
ても安定したバックゲート電圧を印加することができ
る。
(5) As shown in regions 1 and 2'of FIG. 10, a semiconductor region having one conductivity type and serving as a back gate can be shared by two transistors. Therefore, even if the gate length becomes smaller than the length along the gate length of the source / drain regions, the length of the regions 1 ′ and 2 ′ in the channel direction can be secured wider than the gate length. Therefore, the backgate design rule can be relaxed more than the gate design rule.
The back gate can be formed using an inexpensive lithographic apparatus with lower resolution. Further, since the widths of the regions 1'and 2'can be secured wide, the back gate resistance can be kept small, and a stable back gate voltage can be applied even if the channel width is increased.

【0086】図18に本発明の第3の実施形態の構造平
面図を示す。図18は配線層およびコンタクト層を省略
した上面図、図19(a)および図19(b)は、それ
ぞれ図10の矢視A−A’、B−B’の断面図である。
第1及び第2の実施形態と同一部分には、同一符号を付
けて詳しい説明は省略する。本実施形態は、第2の実施
形態と比較して直列接続されたトランジスタのしきい値
の制御法および素子分離構造が一部異なっている。ま
た、図19では、p型MISFETが2つ直列されたも
のが2つ、n型MISFETが2つ直列されたものが2
つ形成されている。
FIG. 18 shows a structural plan view of the third embodiment of the present invention. 18 is a top view in which the wiring layer and the contact layer are omitted, and FIGS. 19A and 19B are cross-sectional views taken along arrows AA ′ and BB ′ of FIG. 10, respectively.
The same parts as those of the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The present embodiment is partially different from the second embodiment in the method of controlling the threshold value of the transistors connected in series and the element isolation structure. In FIG. 19, two p-type MISFETs are connected in series and two n-type MISFETs are connected in series.
Is formed.

【0087】図19(a)に示す1つの半導体島状領域
に形成された隣接するp型MISFETは、直列接続し
たトランジスタで共有されたp型半導体からなるソース
・ドレイン領域15を備えている。さらに、ゲート電極
10を挟んでソース・ドレイン領域15と対向して、p
型半導体からなる領域11が形成されている。これら、
領域15および領域11は、p型MISFETのソース
領域およびドレイン領域、またはドレイン領域およびソ
ース領域を形成している。さらに、ゲート電極10とゲ
ート絶縁膜9下のn型不純物添加からなる領域4が、p
型MISFETのチャネル領域となっている。ここで、
このチャネル領域の下の空乏化していない領域(図19
の点線部)をボディ領域20という。
Adjacent p-type MISFETs formed in one semiconductor island region shown in FIG. 19A are provided with source / drain regions 15 made of p-type semiconductors shared by transistors connected in series. Further, the gate electrode 10 is sandwiched between the source / drain region 15 and p,
A region 11 made of a type semiconductor is formed. these,
The region 15 and the region 11 form the source region and the drain region or the drain region and the source region of the p-type MISFET. Furthermore, the region 4 formed by the addition of the n-type impurity under the gate electrode 10 and the gate insulating film 9 is p
Type MISFET. here,
An undepleted region under this channel region (see FIG. 19).
The dotted line portion) is referred to as a body region 20.

【0088】さらに、p型ソース・ドレイン領域11と
n型ボディ領域20との接合の下または側面には、例え
ば1018〜1020cm−3n型不純物としてP、A
s、またはSbを添加した領域19が形成されており、
pn接合のトンネルリーク電流が増加するように設定し
てある。ここで、領域19はソース・ドレイン領域11
に接して選択的に形成され、共有されるソース・ドレイ
ン領域15やダミーソース・ドレイン領域11’’’に
は形成されない。さらに、領域11のゲート電極10が
形成されない側の側面には、フィールドシールド分離を
行うためのダミーゲート電極10’’が形成されてい
る。このダミーゲートは、例えば酸化膜からなる素子分
離13に側面を接した部分のダミーの11と同じ導電型
を有するダミーソース・ドレイン領域11’’’を、ソ
ース・ドレイン領域11から電気的に分離するためのゲ
ートであり、ダミーソース・ドレイン領域11’’’と
基板4との素子分離13に沿った側面リークの影響を小
さくするためのものであり、通常VDDに接続され遮断
状態となっている。また、図の中央のダミーゲート1
0’’は、2つのp型MISFETのソース・ドレイン
領域11をフィールドシールド分離するためのものであ
り、通常VDDに接続され遮断状態となっている。図1
9では、1つの半導体島状領域に対して、回路素子とし
て用いられる4つのp型MISFET、すなわち
p1、Qp2、Qp3、Qp4を形成した例を示して
いるが、A−A’方向に半導体島状領域を延ばして、フ
ィールドシールドゲートを形成することにより、さらに
多く形成しても構わない。
[0088] Further, on the lower or side of the junction between the p-type source and drain regions 11 and n-type body region 20, for example 10 18 ~10 20 cm -3 P as an n-type impurity, A
a region 19 added with s or Sb is formed,
The tunnel leak current of the pn junction is set to increase. Here, the region 19 is the source / drain region 11
Are not formed in the source / drain region 15 and the dummy source / drain region 11 '''which are selectively formed in contact with the common source / drain region 15'''. Further, a dummy gate electrode 10 ″ for field shield isolation is formed on the side surface of the region 11 on the side where the gate electrode 10 is not formed. In this dummy gate, a dummy source / drain region 11 ″ ′ having the same conductivity type as the dummy 11 in a portion in contact with the side surface of the element isolation 13 made of, for example, an oxide film is electrically separated from the source / drain region 11. The gate is for reducing the influence of side leakage along the element isolation 13 between the dummy source / drain region 11 ′ ″ and the substrate 4, and is normally connected to VDD and is in a cutoff state. There is. Also, the dummy gate 1 in the center of the figure
0 ″ is for separating the source / drain regions 11 of the two p-type MISFETs from each other by the field shield, and is normally connected to VDD and is in a cutoff state. Figure 1
9 shows an example in which four p-type MISFETs used as circuit elements, that is, Q p1 , Q p2 , Q p3 , and Q p4 are formed in one semiconductor island region, but AA ′. A larger number may be formed by extending the semiconductor island region in the direction and forming the field shield gate.

【0089】一方、図19(b)に示す1つの半導体島
状領域に形成された隣接するn型MISFETは、直列
接続したトランジスタで共有されたn型半導体からなる
ソース・ドレイン領域15’を備えている。さらに、ゲ
ート電極10’を挟んでn型ソース・ドレイン領域1
5’と対向して、n型半導体からなるソース・ドレイン
領域11’が形成されている。これら、領域15’およ
び領域11’は、n型MISFETのソース領域および
ドレイン領域、またはドレイン領域およびソース領域を
形成している。さらに、ゲート電極10’とゲート絶縁
膜9下のp型不純物添加からなる領域4’が、n型MI
SFETのチャネル領域となっている。
On the other hand, the adjacent n-type MISFET formed in one semiconductor island region shown in FIG. 19B is provided with a source / drain region 15 'made of an n-type semiconductor shared by transistors connected in series. ing. Further, the n-type source / drain region 1 is sandwiched by the gate electrode 10 '.
A source / drain region 11 'made of an n-type semiconductor is formed so as to face 5'. The region 15 'and the region 11' form the source region and the drain region or the drain region and the source region of the n-type MISFET. Further, the region 4 ′ formed by adding the p-type impurity under the gate electrode 10 ′ and the gate insulating film 9 is the n-type MI.
It is the channel region of the SFET.

【0090】さらに、n型ソース・ドレイン領域11’
とp型ボディ領域20’との接合の下または側面には、
例えば1018〜1020cm−3n型不純物として
B,またはInを添加した領域19’が形成されてお
り、pn接合のトンネルリーク電流が増加するように設
定してある。ここで、領域19’はソース・ドレイン領
域11’に接して選択的に形成され、共有されるソース
・ドレイン領域15’やダミーソース・ドレイン領域1
1’’’’には形成されない。さらに、11’のゲート
電極10’が形成されない側の側面には、フィールドシ
ールド分離を行うためのダミーゲート電極10’’が形
成されている。このダミーゲート電極10’’は、例え
ば酸化膜からなる素子分離13に側面を接した部分のダ
ミーの11’と同じ導電型を有するダミーソース・ドレ
イン領域11’’’’を、ソース・ドレイン領域11’
から電気的に分離するためのゲートであり、ダミーソー
ス・ドレイン領域11’’’’と基板4’との素子分離
13に沿った側面リークの影響を小さくするためのもの
でであり、通常0Vに接続され遮断状態となっている。
また、図の中央のダミーゲート電極10’’は、2つの
n型MISFETのソース・ドレイン領域11をフィー
ルドシールド分離するためのためのものであり、通常0
Vに接続され遮断状態となっている。図19では、1つ
の半導体島状領域に対して、回路素子として用いられる
4つのn型MISFET、すなわちQn1、Qn2、Q
n3、Qn4を形成した例を示しているが、B−B’方
向に半導体島状領域を延ばして、フィールドシールドゲ
ートを形成することにより、さらに多く形成しても構わ
ない。
Further, the n-type source / drain region 11 '
Below or on the side surface of the junction between the p-type body region 20 'and
For example, a region 19 'in which B or In is added as 10 18 to 10 20 cm −3 n-type impurity is formed, and the tunnel leak current of the pn junction is set to increase. Here, the region 19 ′ is selectively formed in contact with the source / drain region 11 ′ and is shared, and the source / drain region 15 ′ and the dummy source / drain region 1 are shared.
It is not formed in 1 ''''. Further, a dummy gate electrode 10 ″ for field shield separation is formed on the side surface of 11 ′ on the side where the gate electrode 10 ′ is not formed. In this dummy gate electrode 10 ″, a dummy source / drain region 11 ″ ″ having the same conductivity type as the dummy 11 ′ in the side contact with the element isolation 13 made of, for example, an oxide film is formed as a source / drain region. 11 '
Is a gate for electrically isolating the dummy source / drain region 11 ″ ″ and the substrate 4 ′ to reduce the influence of side leakage along the element isolation 13 and is normally 0 V. Is connected to and is in the cutoff state.
Further, the dummy gate electrode 10 ″ in the center of the figure is for separating the source / drain regions 11 of the two n-type MISFETs from each other by the field shield, and is normally 0.
It is connected to V and is in a cutoff state. In FIG. 19, four n-type MISFETs used as circuit elements, that is, Q n1 , Q n2 , and Q, for one semiconductor island region.
Although an example in which n3 and Qn4 are formed is shown, a larger number may be formed by extending the semiconductor island region in the BB 'direction to form the field shield gate.

【0091】ここで、図18のように、n型MISFE
Tおよびp型MISFETはアレイ状に形成されること
が、金属配線の結線によって多段の論理回路を形成する
には望ましい。ここで、ゲート電極10および10’
は、しきい値を制御するために、異なる導電型を有する
半導体であってもよい。具体的には、ゲート電極10と
しては、1019cm−3以上Bを添加したポリシリコ
ン電極であり、ゲート電極10’としては、1019
−3以上PまたはAsを添加したポリシリコン電極で
あればよい。
Here, as shown in FIG. 18, n-type MISFE is used.
It is desirable that the T and p-type MISFETs are formed in an array so as to form a multi-stage logic circuit by connecting metal wires. Here, the gate electrodes 10 and 10 '
May be semiconductors with different conductivity types to control the threshold. Specifically, the gate electrode 10 is a polysilicon electrode added with 10 19 cm −3 or more of B, and the gate electrode 10 ′ is 10 19 c.
Any polysilicon electrode having P or As added to m −3 or more may be used.

【0092】また、ゲート電極10および10’の側面
には、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜から絶
縁膜3が形成されている。これは、ゲート電極10とソ
ース・ドレイン領域15またはソース・ドレイン領域1
1との電気的絶縁を良好に保つためのものである。さら
に、半導体島状領域間には、例えば、シリコン酸化膜か
らなる素子分離絶縁膜13が形成されている。さらに、
MISFET上部には、例えば、シリコン酸化膜からな
る層間絶縁膜12が形成されている。
On the side surfaces of the gate electrodes 10 and 10 ', an insulating film 3 is formed from, for example, a silicon oxide film or a silicon nitride film. This is the gate electrode 10 and the source / drain region 15 or the source / drain region 1.
The purpose is to maintain good electrical insulation from No. 1. Further, the element isolation insulating film 13 made of, for example, a silicon oxide film is formed between the semiconductor island regions. further,
An interlayer insulating film 12 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the MISFET.

【0093】本実施形態に特徴的なことは、図19
(a)において、隣接するトランジスタが共有するp型
ソース・ドレイン領域15とゲート電極10を挟んで対
向するp型ソース・ドレイン領域11の下部または側面
に接するように、ボディ領域20と同じ導電性を有し、
かつ、不純物濃度が高いn型半導体領域19が形成さ
れ、ボディ領域20とソース・ドレイン領域11との逆
方向バイアス時の抵抗をボディ領域20とソース・ドレ
イン領域15との抵抗よりも減少させていることであ
る。
What is characteristic of this embodiment is that in FIG.
In (a), the same conductivity as that of the body region 20 is provided so that the p-type source / drain region 15 that is shared by the adjacent transistors is in contact with the lower portion or the side face of the p-type source / drain region 11 that faces the gate electrode 10. Have
In addition, the n-type semiconductor region 19 having a high impurity concentration is formed, and the resistance when the body region 20 and the source / drain region 11 are reverse biased is made smaller than the resistance between the body region 20 and the source / drain region 15. It is that you are.

【0094】さらに、図19(b)において、隣接する
トランジスタが共有するn型ソース・ドレイン領域1
5’とゲート電極10を挟んで対向するn型ソース・ド
レイン領域11’の下部または側面に接するように、ボ
ディ領域20’と同じ導電性を有するp型半導体領域1
9’が形成され、ボディ領域20’とソース・ドレイン
領域11’との逆方向バイアス時の抵抗をボディ領域2
0’とソース・ドレイン領域15’との抵抗よりも減少
させていることである。
Further, in FIG. 19B, the n-type source / drain region 1 shared by adjacent transistors is formed.
The p-type semiconductor region 1 having the same conductivity as that of the body region 20 'so as to be in contact with the lower portion or the side surface of the n-type source / drain region 11' that faces the 5'and the gate electrode 10.
9 ′ is formed, and the resistance when the body region 20 ′ and the source / drain region 11 ′ are reverse biased is the body region 2.
0 ′ and the resistance between the source / drain region 15 ′.

【0095】このようにすることにより、ソース・ドレ
インの方向によって電流駆動能力に差を持たせることが
できる。これを説明するために、例えば、図19(b)
でQn1と記したn型MISFETで、11’が0Vに
接地されソース領域となり、15’がVDDとなりドレ
イン電極となった場合は、領域11’とボディ領域2
0’との間の抵抗が、領域15’とボディ領域20’と
の間の抵抗よりも低いため、抵抗分割によりボディの電
圧が0Vに近くなる。逆に、15’が0Vに接地されソ
ース領域となり、11’がVDDとなりドレイン電極と
なった場合は、領域11’とボディ領域20’との間の
抵抗が、領域15’とボディ領域20’との間の抵抗よ
りも低いため、抵抗分割によりボディの電圧がVDDに
近くなる。ここで,n型MISFETではボディの電圧
が低下するとしきい値が基板バイアス効果によって上昇
するため、15’がソース領域となった方が、15’が
ドレイン領域となるよりもしきい値が低くなる。特に、
トランジスタが部分空乏化トランジスタの場合、電気的
に中性のボディ領域形成されるので、本実施形態として
は望ましい形態となる。
By doing so, the current driving capability can be made different depending on the direction of the source / drain. To explain this, for example, FIG.
In the n-type MISFET denoted by Q n1 , in the case where 11 ′ is grounded to 0V to be a source region and 15 ′ is VDD to be a drain electrode, the region 11 ′ and the body region 2 are formed.
Since the resistance between the region 0'and the region 15 'is lower than the resistance between the region 15' and the body region 20 ', the resistance division brings the voltage of the body close to 0V. On the contrary, when 15 ′ is grounded to 0V to be a source region and 11 ′ is VDD to be a drain electrode, the resistance between the region 11 ′ and the body region 20 ′ is equal to that of the region 15 ′ and the body region 20 ′. Since the resistance is lower than the resistance between V and, the voltage of the body becomes close to VDD due to the resistance division. Here, in the n-type MISFET, when the body voltage decreases, the threshold value increases due to the substrate bias effect. Therefore, the threshold value becomes lower when 15 ′ is the source region than when 15 ′ is the drain region. . In particular,
When the transistor is a partially depleted transistor, an electrically neutral body region is formed, which is a desirable form in this embodiment.

【0096】以上から、電流の流す方向によって、しき
い値が変化するトランジスタを用いれば、第2の実施形
態で説明したのと同様の論理回路を形成できる事は明ら
かである。例えば、図20(b)にスタティック2入力
NANDに対する回路図および、図20(a)に図20
(b)に対応するスタティック2入力NANDに対する
配線層のレイアウトを示す。これらは、図18のトラン
ジスタ配置を用いている。p型MISFETのフィール
ドシールドゲート10’’に対するVDD電源線17’
との接続コンタクト26’’、および、n型MISFE
Tのフィールドシールドゲート10’’に対するVDD
電源線17’’との接続コンタクト26’’を除けば、
図16(a)および図15(a)と同様に回路およびレ
イアウト構成できる。また図には示していないが、第2
の実施形態の他の論理素子、2入力NORやクロックド
ゲートも同様に形成できることは明らかである。
From the above, it is apparent that a logic circuit similar to that described in the second embodiment can be formed by using a transistor whose threshold value changes depending on the direction of current flow. For example, FIG. 20B shows a circuit diagram for a static 2-input NAND, and FIG.
The layout of the wiring layer with respect to the static 2-input NAND corresponding to (b) is shown. These use the transistor arrangement of FIG. VDD power supply line 17 'for the field shield gate 10''of the p-type MISFET
Connection contact 26 '' with n-type MISFE
VDD for T field shield gate 10 ''
Except for the connection contact 26 '' with the power line 17 '',
A circuit and a layout can be configured in the same manner as in FIGS. 16A and 15A. Although not shown in the figure, the second
It is obvious that other logic elements, two-input NORs, and clocked gates of the above embodiment can be similarly formed.

【0097】本実施形態で、領域19および19’は、
例えばArやN2、Ge、F2を1013〜1016
−2注入して形成した領域を、領域11および11’
の空乏層および、ボディからの少数キャリアの拡散長内
に形成し代替してもよい。このようなイオンでは、ソー
ス・ドレイン層とボディ電極との間の接合に、発生中心
となる欠陥を形成し逆方向電流が増加するため、同様の
効果が得られる。
In this embodiment, the regions 19 and 19 'are
For example, Ar, N2, Ge, and F2 are 10 13 to 10 16 c
The regions formed by the m −2 implantation are regions 11 and 11 ′.
It may be formed and replaced within the depletion layer and the diffusion length of minority carriers from the body. With such ions, a defect serving as a generation center is formed at the junction between the source / drain layer and the body electrode, and the reverse current increases, so that the same effect can be obtained.

【0098】本実施形態では、第2の実施形態の(3)
の効果に加えて、以下のような効果が得られる。 (1)19の不純物添加量および位置を調整することに
より、p型MISFETのソースおよびドレインの電流
方向によるしきい値の差を制御することができる。ま
た、19’の不純物添加量および位置を調整することに
より、n型MISFETのソースおよびドレインの電流
方向によるしきい値の差をp型MISFETと独立に制
御することができる。
In this embodiment, (3) of the second embodiment is used.
In addition to the above effects, the following effects can be obtained. (1) By adjusting the impurity addition amount and position of 19, it is possible to control the difference in threshold between the source and drain of the p-type MISFET depending on the current direction. Further, by adjusting the amount and position of the impurity added in 19 ', the difference in threshold value between the source and drain of the n-type MISFET in the current direction can be controlled independently of the p-type MISFET.

【0099】(2)接合特性が悪い11または11’の
領域がドレインとなるのは、トランジスタを直列に形成
した場合に限られ、通常、接合特性が良い15または1
5’の領域をドレインとして用いることができる。よっ
て、全ソース・ドレイン領域に19’を形成した場合に
比較して、ドレイン耐圧を向上させることができる。さ
らに、直列接続したトランジスタで電流を流すと、複数
のトランジスタによって電圧分配が生じるために、個々
のトランジスタのドレインとソース間に印加される電圧
が低下する。よって、この場合、電子−正孔対が生じる
確率が低くなり、ホットエレクトロンによる劣化現象も
起きにくくなる。
(2) The region 11 or 11 'having poor junction characteristics serves as the drain only when the transistors are formed in series, and normally the junction property is good 15 or 1
The 5'region can be used as a drain. Therefore, the drain breakdown voltage can be improved as compared with the case where 19 ′ is formed in all the source / drain regions. Furthermore, when a current is caused to flow through the transistors connected in series, voltage distribution is caused by the plurality of transistors, so that the voltage applied between the drain and source of each transistor decreases. Therefore, in this case, the probability that electron-hole pairs are generated is reduced, and the deterioration phenomenon due to hot electrons is less likely to occur.

【0100】[0100]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、ゲー
トアレイ構造からなる半導体装置に、各トランジスタの
チャネル領域と対向する支持基板内にバックゲート電極
を設けており、ドレインと対向する位置には支持基板に
空乏層が形成されるようにしている。そのため、ソース
・ドレイン電極と支持基板との間の寄生容量が低減され
る。
As described above, according to the present invention, in the semiconductor device having the gate array structure, the back gate electrode is provided in the support substrate facing the channel region of each transistor, and the position facing the drain is provided. In this case, a depletion layer is formed on the support substrate. Therefore, the parasitic capacitance between the source / drain electrodes and the supporting substrate is reduced.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係わるSOI−MI
SFETの概略断面図。
FIG. 1 is an SOI-MI according to a first embodiment of the present invention.
The schematic sectional drawing of SFET.

【図2】本発明の第1の実施形態に係わるSOI−MI
SFETの概略断面図。
FIG. 2 is an SOI-MI according to the first embodiment of the present invention.
The schematic sectional drawing of SFET.

【図3】本発明の第1の実施形態に係わるSOI−MI
SFETの概略平面図。
FIG. 3 is an SOI-MI according to the first embodiment of the present invention.
The schematic plan view of SFET.

【図4】本発明の第1の実施形態に係わるSOI−MI
SFETの概略回路図。
FIG. 4 is an SOI-MI according to the first embodiment of the present invention.
Schematic circuit diagram of the SFET.

【図5】本発明の第1の実施形態に係わるSOI−MI
SFETの概略回路図。
FIG. 5 is an SOI-MI according to the first embodiment of the present invention.
Schematic circuit diagram of the SFET.

【図6】本発明の第1の実施形態に係わるSOI−MI
SFETの概略回路図。
FIG. 6 is an SOI-MI according to the first embodiment of the present invention.
Schematic circuit diagram of the SFET.

【図7】本発明の第1の実施形態のしきい値のバックゲ
ート電圧依存性のグラフ。
FIG. 7 is a graph of back gate voltage dependence of threshold value according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第1の実施形態のしきい値無変動を実
現するバックゲート電圧のグラフ。
FIG. 8 is a graph of a back gate voltage that realizes a constant threshold voltage according to the first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1の実施形態の電流駆動能力一定を
実現するバックゲート電圧のグラフ。
FIG. 9 is a graph of back gate voltage that realizes constant current driving capability according to the first embodiment of this invention.

【図10】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略平面図。
FIG. 10 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
The schematic plan view of ISFET.

【図11】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略断面図。
FIG. 11 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
The schematic sectional drawing of ISFET.

【図12】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略断面図。
FIG. 12 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
The schematic sectional drawing of ISFET.

【図13】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略断面図。
FIG. 13 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
The schematic sectional drawing of ISFET.

【図14】本発明の第2の実施形態のトランジスタのソ
ース・ドレイン方向によるしきい値変化を説明する図。
FIG. 14 is a diagram illustrating a threshold change in the source / drain direction of the transistor according to the second embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略回路図。
FIG. 15 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
Schematic circuit diagram of ISFET.

【図16】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略平面図。
FIG. 16 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
The schematic plan view of ISFET.

【図17】本発明の第2の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略平面図及び回路図。
FIG. 17 is an SOI-M according to the second embodiment of the present invention.
The schematic plan view and circuit diagram of ISFET.

【図18】本発明の第3の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略平面図。
FIG. 18 is an SOI-M according to the third embodiment of the present invention.
The schematic plan view of ISFET.

【図19】本発明の第3の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略断面図。
FIG. 19 is an SOI-M according to the third embodiment of the present invention.
The schematic sectional drawing of ISFET.

【図20】本発明の第3の実施形態に係わるSOI−M
ISFETの概略平面図及び回路図。
FIG. 20 is an SOI-M according to the third embodiment of the present invention.
The schematic plan view and circuit diagram of ISFET.

【図21】従来のSOI−MISFETの概略断面図。FIG. 21 is a schematic sectional view of a conventional SOI-MISFET.

【図22】従来のSOI−MISFETの概略回路図。FIG. 22 is a schematic circuit diagram of a conventional SOI-MISFET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型バックゲート領域 2 p型バックゲート領域 3 絶縁膜 4 チャネル領域 5 支持基板 6 絶縁膜 7 電圧源 8 電圧供給する制御回路 9 ゲート絶縁膜 10 ゲート電極 11 ソース・ドレイン領域 12 層間絶縁膜 13 素子分離絶縁膜 14 コンタクト 15 直列接続したトランジスタで共有されたソース・
ドレイン領域 16 コンタクト 17及び18 電極 19 p型半導体領域 20 ボディ領域
1 n-type back gate region 2 p-type back gate region 3 insulating film 4 channel region 5 supporting substrate 6 insulating film 7 voltage source 8 voltage supply control circuit 9 gate insulating film 10 gate electrode 11 source / drain region 12 interlayer insulating film 13 Element isolation insulating film 14 Contact 15 Source shared by transistors connected in series
Drain region 16 contacts 17 and 18 electrode 19 p-type semiconductor region 20 body region

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/786 H01L 21/336 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/786 H01L 21/336

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】絶縁膜と、 この絶縁膜上に形成された第1導電型の第1の不純物領
域と、 この第1の不純物領域に隣接して形成された第2導電型
の第1のチャネル領域と、 この第1のチャネル領域に隣接して形成された第1導電
型の第2の不純物領域と、 この第2の不純物領域に隣接して形成された第2導電型
の第2のチャネル領域と、 この第2のチャネル領域に隣接して形成された第1導電
型の第3の不純物領域と、 前記第1のチャネル領域上に形成された第1のゲート絶
縁膜と、 前記第2のチャネル領域上に形成された第2のゲート絶
縁膜と、 前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電
極と、 前記第2のゲート絶縁膜上に形成される第2のゲート電
極と、 前記第1のチャネル領域直下に前記絶縁膜を介して形成
される第1導電型の第1のバックゲート領域と、 前記第2のチャネル領域の直下に前記絶縁膜を介して形
成される第1導電型の第2のバックゲート領域と、 前記第1のバックゲート領域に第1の電位を供給する第
1の電源と、 前記第2のバックゲート領域に前記第1の電位とは異な
る第2の電位を供給する第2の電源とを備えることを特
徴とする半導体装置。
1. An insulating film, a first conductivity type first impurity region formed on the insulation film, and a second conductivity type first impurity region formed adjacent to the first impurity region. A channel region, a second impurity region of the first conductivity type formed adjacent to the first channel region, and a second impurity region of the second conductivity type formed adjacent to the second impurity region. A channel region; a third impurity region of the first conductivity type formed adjacent to the second channel region; a first gate insulating film formed on the first channel region; A second gate insulating film formed on the second channel region, a first gate electrode formed on the first gate insulating film, and a second gate insulating film formed on the second gate insulating film. And a gate electrode formed directly below the first channel region via the insulating film. A first conductivity type first back gate region, a first conductivity type second back gate region formed directly below the second channel region with the insulating film interposed therebetween, and the first back gate region And a second power source for supplying a second potential different from the first potential to the second back gate region. apparatus.
【請求項2】前記第1及び第2のバックゲート領域を覆
う第2導電型の第1の半導体領域を備えることを特徴と
する請求項1記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a first semiconductor region of a second conductivity type that covers the first and second back gate regions.
【請求項3】絶縁膜と、 この絶縁膜上に形成された第1導電型の第1の不純物領
域と、 この第1の不純物領域に隣接して形成された第2導電型
の第1のチャネル領域と、 この第1のチャネル領域に隣接して形成された第1導電
型の第2の不純物領域と、 この第2の不純物領域に隣接して形成された第2導電型
の第2のチャネル領域と、 この第2のチャネル領域に隣接して形成された第1導電
型の第3の不純物領域と、 前記第1のチャネル領域上に形成された第1のゲート絶
縁膜と、 前記第2のチャネル領域上に形成された第2のゲート絶
縁膜と、 前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電
極と、 前記第2のゲート絶縁膜上に形成された第2のゲート電
極と、 前記第2の不純物領域下に前記絶縁膜を介して形成され
た第1導電型の第4の不純物領域と、 前記第4の不純物領域を覆う第2導電型の第5の不純物
領域と、 前記第4の不純物領域に第1の電位を供給する第1の電
源と、 前記第5の不純物領域に第1の電位とは異なる第2の電
位を供給する第2の電源と、を備えることを特徴とする
半導体装置。
3. An insulating film, a first impurity region of the first conductivity type formed on the insulating film, and a first impurity region of the second conductivity type formed adjacent to the first impurity region. A channel region, a second impurity region of the first conductivity type formed adjacent to the first channel region, and a second impurity region of the second conductivity type formed adjacent to the second impurity region. A channel region; a third impurity region of the first conductivity type formed adjacent to the second channel region; a first gate insulating film formed on the first channel region; A second gate insulating film formed on the second channel region, a first gate electrode formed on the first gate insulating film, and a second gate insulating film formed on the second gate insulating film. And a first conductive layer formed under the second impurity region via the insulating film. An electric conductivity type fourth impurity region, a second conductivity type fifth impurity region that covers the fourth impurity region, a first power supply that supplies a first potential to the fourth impurity region, A second power supply that supplies a second potential different from the first potential to the fifth impurity region, the semiconductor device.
【請求項4】絶縁膜と、 この絶縁膜上に形成された第1導電型の第1の不純物領
域と、 この第1の不純物領域に隣接して形成された第2導電型
の第1のチャネル領域と、 この第1のチャネル領域に隣接して形成された第1導電
型の第2の不純物領域と、 この第2の不純物領域に隣接して形成された第2導電型
の第2のチャネル領域と、 この第2のチャネル領域に隣接して形成された第1導電
型の第3の不純物領域と、 前記第1のチャネル領域上に形成された第1のゲート絶
縁膜と、 前記第2のチャネル領域上に形成された第2のゲート絶
縁膜と、 前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電
極と、 前記第2のゲート絶縁膜上に形成された第2のゲート電
極と、 前記第2の不純物領域下に前記絶縁膜を介して形成され
た第1導電型の第4の不純物領域と、 前記第4の不純物領域を挟んで対向している第2導電型
の第5及び第6の不純物領域と、 前記第5の不純物領域に第1の電位を供給する第1の電
源と、 前記第6の不純物領域に前記第1の電位とは異なる第2
の電位を供給する第2の電源とを備えることを特徴とす
る半導体装置。
4. An insulating film, a first impurity region of the first conductivity type formed on the insulating film, and a first impurity region of the second conductivity type formed adjacent to the first impurity region. A channel region, a second impurity region of the first conductivity type formed adjacent to the first channel region, and a second impurity region of the second conductivity type formed adjacent to the second impurity region. A channel region; a third impurity region of the first conductivity type formed adjacent to the second channel region; a first gate insulating film formed on the first channel region; A second gate insulating film formed on the second channel region, a first gate electrode formed on the first gate insulating film, and a second gate insulating film formed on the second gate insulating film. And a first conductive layer formed under the second impurity region via the insulating film. A fourth impurity region of electrical conductivity type, fifth and sixth impurity regions of second conductivity type that face each other with the fourth impurity region interposed therebetween, and a first potential is applied to the fifth impurity region. A first power supply for supplying the second power to the sixth impurity region having a second potential different from the first potential;
And a second power supply for supplying the electric potential of the semiconductor device.
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