JPH041505B2 - - Google Patents

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JPH041505B2
JPH041505B2 JP58132570A JP13257083A JPH041505B2 JP H041505 B2 JPH041505 B2 JP H041505B2 JP 58132570 A JP58132570 A JP 58132570A JP 13257083 A JP13257083 A JP 13257083A JP H041505 B2 JPH041505 B2 JP H041505B2
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JP
Japan
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region
drain
conductivity type
gate
source
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JP58132570A
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JPS5936960A (en
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Junichi Nishizawa
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Individual
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Publication of JPH041505B2 publication Critical patent/JPH041505B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices

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  • Static Random-Access Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、絶縁ゲート型(IG)静電誘導トラ
ンジスタに関し、特にゲート容量を十分少なくし
た絶縁ゲート型(IG)静電誘導トランジスタ
(SIT)及びそれを用いた半導体記憶集積回路に
関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an insulated gate (IG) static induction transistor, and more particularly to an insulated gate (IG) static induction transistor (SIT) with sufficiently reduced gate capacitance and a semiconductor memory using the same. Concerning integrated circuits.

従来の電界効果トランジスタは、接合型、絶縁
ゲート型のいずれにおいても、ドレイン電流がド
レイン電圧の増加に対して次第に飽和する飽和型
の電流電圧特性を示していた。
Conventional field effect transistors, both junction type and insulated gate type, have exhibited saturation type current-voltage characteristics in which the drain current gradually saturates as the drain voltage increases.

一方、ドレイン電流がドレイン電圧の増加とと
もに増加し続ける静電誘導電界効果トランジスタ
(以後SITと称す。)が本発明者によつて発明され
(特許第968336号)、その後種々の発展がなされて
いる(特許第968337号他)。SITは従来の電界効
果トランジスタ(以後FETと称す。)に対して次
のような特徴を有している。
On the other hand, a static induction field effect transistor (hereinafter referred to as SIT) in which the drain current continues to increase as the drain voltage increases was invented by the present inventor (Patent No. 968336), and various developments have been made since then. (Patent No. 968337, etc.). SIT has the following characteristics compared to conventional field effect transistors (hereinafter referred to as FETs).

(1) 主動作領域の少なくとも一部において、ソー
ス、ドレイン間がパンチスルーしない状態即
ち、ソース、ゲート間に空乏状態にならない状
態が残つて、キヤリア注入状態が存在し、しか
もソースからピンチオフ点までの直列抵抗rs
固有の(真の)変換コンダクタンスGnとの積
が1より小になるように選定された不純物密度
並びに諸寸法を有することにより、電流電圧特
性が不飽和特性を示すこと。
(1) In at least a part of the main operating region, there remains a state in which there is no punch-through between the source and drain, that is, a state in which there is no depletion state between the source and gate, and a carrier injection state exists, and furthermore, from the source to the pinch-off point By having the impurity density and various dimensions selected so that the product of the series resistance r s and the specific (true) conversion conductance G n is less than 1, the current-voltage characteristics exhibit unsaturated characteristics. .

(2) 電流電圧特性が不飽和特性を示すことによ
り、高入力インピーダンス、低出力インピーダ
ンス素子として使用でき、しかも見掛上の変換
コンダクタンスGnが大きくとれ、歪も小さく
できること。
(2) Since the current-voltage characteristics exhibit unsaturated characteristics, it can be used as a high input impedance, low output impedance element, and the apparent conversion conductance G n can be increased and distortion can be reduced.

(3) 出力電流が大きくとれ、所定の領域に高低抗
層を用いることにより耐圧を大きくすることも
でき、大電流、高耐圧の大出力用素子が得られ
ること。
(3) A large output current can be obtained, and the withstand voltage can also be increased by using a high-low resistance layer in a predetermined region, and a large output device with a large current and a high withstand voltage can be obtained.

(4) ゲート領域の密度を高不純物密度とでき、し
かもゲートの形状を小型にできるので、電極間
寄生容量及びゲート抵抗を減少させることがで
き、直列抵抗が小さいことと相まつて高周波
化、高速度化がはかれること。
(4) Since the density of the gate region can be made high and the gate shape can be made small, it is possible to reduce parasitic capacitance between electrodes and gate resistance. Speeding up the process.

(5) ゲートから延びる空乏層によりチヤンネルが
殆んど覆われるような状態にあるSITでは、き
わめて広いゲート電圧範囲にわたり、また、電
流電圧特性が殆んど指数関数則に従う低電流領
域はもとより、直列抵抗rsやドレイン抵抗Rd
効果により特性が指数関数則からずれ、ほとん
ど直線的な特性となる大電流領域まで含めたき
わめて広い、場合によつては、10桁以上の電流
範囲にわたり、増幅係数を殆んど一定に保つな
ど、きわめて歪の少ない動作が行なえること。
(5) In SIT, where the channel is almost covered by the depletion layer extending from the gate, the gate voltage range is extremely wide, and the current-voltage characteristics almost follow an exponential law, not only in the low current region. Due to the effects of the series resistance r s and drain resistance R d , the characteristics deviate from the exponential law and become almost linear over an extremely wide current range, including a large current range, in some cases over 10 orders of magnitude. Ability to operate with extremely low distortion, such as by keeping the amplification coefficient almost constant.

(6) 電流値がきわめて小さな領域になつても増幅
係数を殆んど一定に保てることから、低電流、
低消費電力状態において、きわめて優れたスイ
ツチング動作等が行なえること。
(6) Since the amplification coefficient can be kept almost constant even when the current value is extremely small, it is possible to
Ability to perform extremely excellent switching operations under low power consumption conditions.

(7) 大電流状態の温度特性を負にできることから
熱暴走が起らないこと。また、殆んど温度特性
を持たない構造設計が行なえること。
(7) Thermal runaway does not occur because the temperature characteristics in the large current state can be made negative. Also, it is possible to design a structure that has almost no temperature characteristics.

(8) きわめて広い動作温度範囲にわたり、たとえ
ば200℃以上にわたり、増幅係数を一定に保て
ること。
(8) The amplification factor can be kept constant over an extremely wide operating temperature range, for example over 200°C.

(9) チヤンネル幅を狭くし、チヤンネルの不純物
密度を低くすることにより、ゲート電圧が零で
は殆んど電流が流れず、ゲートに順方向電圧が
加わつて始めて電流が流れるという高速度のエ
ンハンスメント・モードのスイツチング動作が
行なえること。
(9) By narrowing the channel width and lowering the impurity density in the channel, it is possible to achieve high-speed enhancement, in which almost no current flows when the gate voltage is zero, and current only flows when a forward voltage is applied to the gate. Ability to perform mode switching operations.

すなわち、SITは大電力、高耐圧、大電流、低
歪、低雑音、低消費電力高速度動作等いずれの面
においてもすぐれており、その温度特性をも含め
て、従来のバイポーラトランジスタ、電界効果ト
ランジスタにくらべて、優れた面のきわめて多い
トランジスタである。個別素子として、また集積
回路用素子としてその優秀さはすでに実証され、
各方面にあらたな応用分野を切り開いている。
In other words, SIT is superior in all aspects such as high power, high withstand voltage, large current, low distortion, low noise, low power consumption, and high speed operation. Transistors have many advantages over other transistors. Its excellence has already been demonstrated both as an individual element and as an element for integrated circuits.
It is opening up new fields of application in various fields.

特に集積回路に適用した場合、高入力インピー
ダンスであるので、駆動電流を必要とせず集積度
を高くでき、かつ不飽和型電流電圧特性を示して
変換コンダクタンスが大きいのでフアンアウト
(fan−out)数を多く取れる等の利点を有してい
る。
In particular, when applied to integrated circuits, the high input impedance allows for high integration without the need for drive current, and the unsaturated current-voltage characteristics and large conversion conductance allow for high fan-out. It has the advantage of being able to obtain a large amount of

接合型SITの電流電圧特性の1例を第1図a,
bに示す。ゲート電圧だけでチヤンネルがピンチ
オフする1〜2V以上のゲート電圧では、ドレイ
ン電流Idは、ゲート電圧Vg、ドレイン電圧Vd
いずれに対しても低電流状態では殆んど指数関数
則に従つており、電流が大きくなつて直列抵抗に
よる負帰還作用が効果を持ち始めると指数関数則
からずれてくる。第1図bで電流の大きな領域が
点線で示されているのは、温度上昇をさけるため
にパルス測定された結果を示しているからであ
る。
An example of the current-voltage characteristics of junction type SIT is shown in Figure 1a,
Shown in b. At a gate voltage of 1 to 2 V or higher, at which the channel is pinched off by the gate voltage alone, the drain current I d almost follows an exponential law in the low current state for both the gate voltage V g and the drain voltage V d . As the current increases and the negative feedback effect of the series resistance begins to take effect, the exponential law deviates from the law. The reason why regions of large current are indicated by dotted lines in FIG. 1b is that the results are shown by pulse measurement to avoid temperature rise.

エンハンスモード(Eモード)或いはエンハン
スモードとデイプレツシヨンモード(Dモード)
で動作する絶縁ゲート型静電誘導トランジスタの
基本的構造は、本願発明者が昭和52年1月11日出
願の「MOS、MIS静電誘導電界効果トランジス
タ」においてすでに明らかにしている。拡散電位
を含めたゲート電圧の影響がソース近傍で弱くな
るようにして、ソース領域近傍に電位障壁を生じ
させる手段として、具体的に五種類の構造を提案
している。すなわち、(1)ゲート電極(Alなどの
金属、もしくはポリシリコン等の低抵抗半導体)
がソース領域まで達していない構造、(2)ソース領
域近傍の絶縁層の厚さが一部厚くされた構造、(3)
ソース領域近傍のゲート電極金属が異種金属にな
つている構造、(4)ソース領域近傍でゲート電極下
の絶縁膜の一部が誘電率の小さいもので構成され
ている構造、及び(5)チヤンネルの不純物密度がソ
ース領域近傍で一部高くされている構造である。
これらの構造は平面構造として取り入れてもよい
し、半導体表面に切欠き(V型、U型等)を設
け、その側面に構成してもよい。いずれにして
も、主動作領域においてチヤンネル内のソース前
面に電位障壁が生じて多数キヤリア注入量制御動
作となり、不飽和型電流電圧特性を示す。しかし
ながら、これらの構造では、ゲート電極が殆んど
ソース領域からドレイン領域まで達していて、従
来型MOSFETの持つていた、ゲート容量(ゲー
トと基板の間の容量)が大きいこと、またゲー
ト・ドレイン間容量の大きいことによつて動作速
度が遅いこと、あるいはゲート・ドレイン間耐圧
が小さくて大電圧動作が向かないこと、等の欠点
が完全には克服されておらず、接合型SITにおけ
る低電力、高速度動作、あるいは大電圧、大電力
動作可能という特徴が必ずしも十分に発揮されな
いものになつていた。
Enhancement mode (E mode) or enhancement mode and depression mode (D mode)
The basic structure of an insulated gate type electrostatic induction transistor that operates in the present invention has already been clarified by the inventor of the present invention in his application entitled "MOS, MIS electrostatic induction field effect transistor" filed on January 11, 1972. Specifically, five types of structures are proposed as means for creating a potential barrier near the source region by weakening the influence of gate voltage, including the diffusion potential, near the source. That is, (1) gate electrode (metal such as Al or low resistance semiconductor such as polysilicon)
(2) A structure in which the insulating layer near the source region is partially thickened; (3)
(4) a structure in which the gate electrode metal near the source region is a different metal; (4) a structure in which a part of the insulating film under the gate electrode near the source region is made of a material with a low dielectric constant; and (5) a channel. This is a structure in which the impurity density is partially high near the source region.
These structures may be incorporated as planar structures, or may be formed on the sides of a notch (V-shaped, U-shaped, etc.) provided on the semiconductor surface. In any case, a potential barrier is generated in front of the source in the channel in the main operating region, resulting in a majority carrier injection amount control operation, and unsaturated current-voltage characteristics are exhibited. However, in these structures, the gate electrode extends almost from the source region to the drain region, and the gate capacitance (capacitance between the gate and substrate) of conventional MOSFETs is large, and the gate electrode extends from the source region to the drain region. The drawbacks such as slow operation speed due to large capacitance between the gate and low breakdown voltage between the gate and drain, which is not suitable for high voltage operation, have not been completely overcome, and low power consumption in junction type SIT has not been completely overcome. However, the characteristics of high-speed operation, high voltage, and high power operation were not always fully demonstrated.

本発明の目的は、上記の絶縁ゲート(IG)SIT
の欠点を克服して、ゲート容量及びゲート・ドレ
イン間容量が小さく、しかもゲート・ドレイン間
耐圧が大きくでき、低電力で高速度動作が行なえ
る構造の絶縁ゲート静電誘導トランジスタを提供
することであり、同時にまたこうした絶縁ゲート
静電誘導トランジスタを用いた低電力でしかも高
速度動作する半導体集積回路を提供することであ
る。
The purpose of the present invention is to provide the above-mentioned insulated gate (IG) SIT
The present invention aims to overcome the drawbacks of the present invention by providing an insulated gate static induction transistor having a structure that has low gate capacitance and gate-drain capacitance, high gate-drain breakdown voltage, and can operate at low power and high speed. At the same time, it is an object of the present invention to provide a semiconductor integrated circuit using such an insulated gate static induction transistor that operates at low power and at high speed.

以下図面を参照して本発明を詳細に述べる。 The present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

IGSITにおいてゲート容量を減少させるために
は、当然のことながら、チヤンネル上に存在する
ゲート電極の面積を小さくするか、ゲート電極下
の絶縁層の厚さを厚くするかのいずれかである。
絶縁膜を厚くすると反転層を作つてチヤンネルを
導通状態にするに必要なゲートの印加電圧(しき
い値電圧)が高くなつて、動作特性上望ましいこ
とではない。残る方法は、ゲート電極を小さくす
ることだけである。ゲート容量を十分に小さくし
た構造の1実施例の断面図をnチヤンネル型のも
ので第2図に示す。
In order to reduce the gate capacitance in IGSIT, it is natural to either reduce the area of the gate electrode existing on the channel or increase the thickness of the insulating layer under the gate electrode.
If the insulating film is made thicker, the voltage applied to the gate (threshold voltage) necessary to create an inversion layer and make the channel conductive becomes higher, which is not desirable in terms of operating characteristics. The only remaining method is to make the gate electrode smaller. FIG. 2 shows a cross-sectional view of one embodiment of an n-channel type structure with a sufficiently small gate capacitance.

第2図でn+領域51,54はそれぞれソース
領域、ドレイン領域であり、不純物密度は1017
1021cm-3程度である。p領域52はソースからド
レイン側に注入される電子の量を制御するチヤン
ネル部となるところで、その不純物密度はチヤン
ネル長によるが1014〜1020cm-3程度である。この
領域の不純物密度は、主動作領域において、ソー
ス・ドレイン間がパンチスルーしないように、即
ち全領域がドレインから延びる空乏層によつて覆
われてしまわないように選定される。又その長さ
は数100Åから数μmである。p-領域53は、低不
純物密度領域で、ドレイン領域54との拡散電位
だけでp-領域全体が空乏層となるような寸法と
不純物密度を有している。たとえば不純物密度は
1011〜1016cm-3程度であり、チヤンネルからドレ
イン領域までの距離が長いほど低不純物密度にし
なければならない。55は、SiO2,Si3N4
Al2O3等の絶縁層、あるいはこれらを複数個組み
合せた絶縁層である。51′,54′はそれぞれソ
ース、ドレインの金属電極である。56はゲート
電極であり、Al等の金属でもよいし、ポリシリ
コン等の低抵抗率半導体でもよい。しかし、チヤ
ンネルが非常に短かくなつて、ゲート電極が細く
なつた場合には、ゲート電極の抵抗とゲート容量
から決る時定数が動作速度の限界を与えることに
なるから、金属電極であることが望ましく、しか
もその金属の厚さも厚いほど抵抗が小さくなつて
望ましい。ゲート電極下の絶縁層の厚さは、チヤ
ンネル長や動作モード(EモードかE/Dモー
ド)によつて変るが100Å程度から1000Å程度で
ある。同一材料、同一チヤンネル長であれば、E
モードで動作する場合は絶縁層の厚さは、E/D
モードで動作する場合に比べてやや厚い。ドレイ
ン電極にある正電圧が印加されており、さらにゲ
ート電極に正電圧が印加されて絶縁層に接するp
領域の表面近傍の電位が引き下げられると、この
電位障壁を越えて空乏層となつたp-層に電子が
注入され、p-層は電界によつてドリフトしドレ
イン領域に流れる。従つて、この構造で、流れる
電流はドレイン側に注入される電子の量によつて
殆んど決定するから、ソースから電位障壁までの
直列抵抗rsによる負帰還作用や、電位障壁からド
レインまでのドレイン抵抗の電圧効果が顕著にな
らない電流領域では、ドレイン電流はゲート電圧
Vg、ドレイン電圧Vdのいずれに対しても殆んど
指数関数則に従つてドレイン電流は流れることに
なる。チヤンネルとなるp領域の不純物密度を表
面近傍において表面から中に入るにつれて漸減す
るような分布にすればチヤンネルとなる反転層が
広くなつて直列抵抗が低下し、電流の立上りは急
峻になる。また、ドレイン側のp-領域も同様で、
表面から中に入るほど不純物密度が低下していれ
ば注入された電子がより拡がつて流れて、ドレイ
ン抵抗を小さくする。第2図の構造でゲート容量
は十分小さくなるが、もう一つ絶縁ゲート(IG)
SITの動作速度を低下する大きな要因になつてい
るソース・基板間容量及びドレイン・基板間容量
は殆んど減少していない。勿論、ソースと基板を
同電位にして使用するときは、ソース・基板間容
量は動作に影響しないし、ドレインと基板を同電
位にすればドレイン・基板間容量は動作に影響し
ないが、ソースとドレインとのうち少なくとも一
方は電位変動をするのでその容量が動作速度を制
限する。ドレイン・基板間容量を減少させる構造
を第3図に示す。即ち、チヤンネルとなるべきp
領域62は、ソース領域61の周囲にのみ形成さ
れている。その厚さは、第2図と同様にソース・
ドレイン間がパンチスルーしてしまわないように
不純物密度とともに決定される。p領域62の厚
さ及び不純物密度は、p-領域63の不純物密度
及び厚さとの関連で決定される。p領域62の厚
さW2、不純物密度NA2、p-領域63の厚さW1
不純物密度NA1として、ドレインに加える代表的
な電圧VD、拡散電位Vbiとすると、ソース・ドレ
イン間がパンチスルーしない条件は、 VD+VbiqNA1W1 2/2ε +qNA2W1 2/2ε+qNA2W1W2/ε でほぼ与えられる。n+領域64がドレイン、6
6がゲート電極である。各領域の不純物密度等
は、第2図の場合と同様である。ドレイン領域6
4はp-領域63と接しているから空乏層がp-
域63に十分拡がつて、ドレイン・基板間容量は
非常に小さくできる。第3図の構造で、ドレイン
の電圧が高速で変化する場合には、p-層での空
乏層の幅の変化が追随できず、電力消費の原因と
なる。従つて、非常に高速の動作をさせる場合に
は、第4図のようにp-領域の下にさらにp領域
67を設けて、ドレイン領域からの空乏層が殆ん
どの動作領域で、p領域67に到達しているよう
にすればよい。p領域67の不純物密度はp-
域63の不純物密度より十分高く、1015〜1020cm
-3程度である。第5図は、イオン打込み等でソー
ス領域をドレイン側に延ばした構造の実施例を示
す。不純物密度や動作は第3図と殆んど同じであ
る。第3図と同様にドレインの空乏層幅の変化の
遅れが動作速度を限定するような場合には、第6
図のようにp領域77を設けて、殆んどの動作状
態でドレインからの空乏層がp領域77に到達す
るようにしておけばよい。いずれの構造でもドレ
インからチヤンネルまでのp-領域は拡散電位だ
けで空乏層となるように不純物密度及び寸法が選
定されている。ゲート電極面積を小さくして容量
を減少させる構造は、勿論これに限るものではな
い。導電型を全く反転したpチヤンネルでもよい
し、ソース、ゲート、ドレインの形状やチヤンネ
ルの形状も、勿論これに限るものではなく、各種
の変形がある。
In FIG. 2, n + regions 51 and 54 are a source region and a drain region, respectively, and the impurity density is 10 17 ~
It is about 10 21 cm -3 . The p region 52 becomes a channel portion that controls the amount of electrons injected from the source to the drain side, and its impurity density is approximately 10 14 to 10 20 cm −3 depending on the channel length. The impurity density in this region is selected so that there is no punch-through between the source and drain in the main operating region, that is, the entire region is not covered by a depletion layer extending from the drain. Moreover, its length is from several 100 Å to several μm. The p - region 53 is a low impurity density region, and has such dimensions and impurity density that the entire p - region becomes a depletion layer just by the diffusion potential with the drain region 54 . For example, the impurity density is
The impurity density is approximately 10 11 to 10 16 cm -3 , and the longer the distance from the channel to the drain region, the lower the impurity density must be. 55 is SiO 2 , Si 3 N 4 ,
This is an insulating layer such as Al 2 O 3 or a combination of two or more of these. 51' and 54' are source and drain metal electrodes, respectively. Reference numeral 56 denotes a gate electrode, which may be made of a metal such as Al or a low resistivity semiconductor such as polysilicon. However, when the channel becomes very short and the gate electrode becomes thin, the time constant determined by the gate electrode's resistance and gate capacitance limits the operating speed, so a metal electrode is recommended. This is desirable, and the thicker the metal, the lower the resistance. The thickness of the insulating layer under the gate electrode varies depending on the channel length and operation mode (E mode or E/D mode), but is about 100 Å to 1000 Å. If the material is the same and the channel length is the same, E
When operating in mode, the thickness of the insulating layer is E/D
Slightly thicker than when operating in mode. A certain positive voltage is applied to the drain electrode, and a positive voltage is further applied to the gate electrode so that the p
When the potential near the surface of the region is lowered, electrons are injected across this potential barrier into the p - layer, which has become a depletion layer, and the p - layer drifts due to the electric field and flows to the drain region. Therefore, in this structure, the flowing current is mostly determined by the amount of electrons injected into the drain side, so there is a negative feedback effect due to the series resistance rs from the source to the potential barrier, and a negative feedback effect from the potential barrier to the drain. In the current region where the voltage effect of the drain resistance is not significant, the drain current is proportional to the gate voltage.
The drain current flows almost according to an exponential law for both Vg and drain voltage Vd. If the impurity density of the p-region, which becomes a channel, is distributed near the surface so that it gradually decreases from the surface to the inside, the inversion layer, which becomes a channel, becomes wider, the series resistance decreases, and the rise of the current becomes steeper. The same is true for the p - region on the drain side.
If the impurity density decreases from the surface to the inside, the injected electrons will spread out more and flow, reducing the drain resistance. Although the gate capacitance is sufficiently small with the structure shown in Figure 2, there is another insulated gate (IG)
The source-to-substrate capacitance and drain-to-substrate capacitance, which are major factors that reduce the operating speed of SIT, have hardly decreased. Of course, when using the source and substrate at the same potential, the capacitance between the source and the substrate does not affect the operation.If the drain and the substrate are at the same potential, the capacitance between the drain and the substrate does not affect the operation, but when the source and the substrate Since the potential of at least one of the drain and the drain fluctuates, its capacitance limits the operating speed. A structure for reducing the drain-to-substrate capacitance is shown in FIG. That is, p which should be the channel
Region 62 is formed only around source region 61 . Its thickness is the same as in Figure 2.
It is determined together with the impurity density to prevent punch-through between drains. The thickness and impurity density of p region 62 are determined in relation to the impurity density and thickness of p - region 63. Thickness W 2 of p region 62, impurity density N A2 , thickness W 1 of p - region 63,
Assuming that the impurity density N A1 is the typical voltage applied to the drain, V D , and the diffusion potential Vbi, the conditions for preventing punch-through between the source and drain are: V D + VbiqN A1 W 1 2 /2ε +qN A2 W 1 2 /2ε + qN A2 It is approximately given by W 1 W 2 /ε. n + region 64 is the drain, 6
6 is a gate electrode. The impurity density etc. of each region are the same as in the case of FIG. 2. drain region 6
Since 4 is in contact with the p - region 63, the depletion layer spreads sufficiently into the p - region 63, and the capacitance between the drain and the substrate can be made very small. In the structure shown in FIG. 3, if the drain voltage changes rapidly, the change in the width of the depletion layer in the p - layer cannot be followed, causing power consumption. Therefore, in the case of very high-speed operation, a p - region 67 is further provided below the p-region as shown in FIG. It is sufficient if the number reaches 67. The impurity density of p-region 67 is sufficiently higher than that of p - region 63, and is 10 15 to 10 20 cm.
It is about -3 . FIG. 5 shows an example of a structure in which the source region is extended toward the drain side by ion implantation or the like. The impurity density and operation are almost the same as in FIG. Similarly to Fig. 3, if the delay in the change in the drain depletion layer width limits the operating speed,
It is sufficient to provide a p region 77 as shown in the figure so that the depletion layer from the drain reaches the p region 77 under most operating conditions. In either structure, the impurity density and dimensions are selected so that the p - region from the drain to the channel becomes a depletion layer with only a diffusion potential. Of course, the structure in which the capacitance is reduced by reducing the area of the gate electrode is not limited to this. It may be a p-channel in which the conductivity type is completely reversed, and the shapes of the source, gate, and drain and the shape of the channel are, of course, not limited to these, and there are various modifications.

ゲート電極面積を小さくしてゲート容量を十分
減少させた縦型のIG SITの断面構造例をnチヤ
ンネルを例にして第7〜10図に示す。
Examples of the cross-sectional structure of a vertical IG SIT in which the gate capacitance is sufficiently reduced by reducing the gate electrode area are shown in FIGS. 7 to 10 using an n-channel as an example.

第7図でn+領域81,84はそれぞれソース、
ドレインであり、p領域82はチヤンネルとなる
べき領域、p-領域83は拡散電位だけで空乏層
となる領域、85は絶縁層、86はゲート電極で
ある。不純物密度等は前述のプレーナ型の場合と
同じである。ゲート電極により反転層が生じ始め
るとドレイン電流が流れ出す。第7図では、ゲー
ト・ソース間容量が大きくなる傾向にあるが、そ
れを改善した例が第8図であり、ゲート電極がチ
ヤンネルとなるp領域上に殆んど限定されている
以外は第7図と同じである。第9図では、ソース
が基板側に構成された例である。n+領域101,
104がそれぞれソース、ドレイン、p領域10
2がチヤンネルとなるべき領域、p-領域103
は拡散電位だけで空乏層となる領域、105が絶
縁層、106はゲート電極である。第9図のV字
型構造をU字型構造にした例が第10図である。
ゲート電極116が二つに分かれたことを除けば
原理的には第9図と同じである。勿論、ここでソ
ース・ゲート間容量が多少大きくなつてもよいの
であれば、二つのゲート電極はつながつていても
構わない。第7〜10図では、ソースとドレイン
が広い面積で対向することになつて、高速動作を
目的として、ソース・ドレイン間距離が短くされ
た場合には、ソース・ドレイン間容量が大きくな
る傾向にあり、やはり高速動作の限界を与える要
素となつてくる。この困難を克服するには、ソー
スもしくはドレインの一方を小さく構成すればよ
い。その例を第11〜13図に示す。
In FIG. 7, n + regions 81 and 84 are sources, respectively.
A p region 82 is a region to be a channel, a p region 83 is a region which becomes a depletion layer only by a diffusion potential, 85 is an insulating layer, and 86 is a gate electrode. The impurity density etc. are the same as in the case of the planar type described above. When an inversion layer begins to form due to the gate electrode, a drain current begins to flow. In Fig. 7, the gate-source capacitance tends to increase, but Fig. 8 shows an example in which this has been improved. It is the same as Figure 7. FIG. 9 shows an example in which the source is arranged on the substrate side. n + area 101,
104 are the source, drain, and p region 10, respectively.
The area where 2 should be the channel, p - area 103
105 is an insulating layer, and 106 is a gate electrode. FIG. 10 shows an example in which the V-shaped structure in FIG. 9 is changed to a U-shaped structure.
The principle is the same as that in FIG. 9 except that the gate electrode 116 is divided into two parts. Of course, the two gate electrodes may be connected as long as the capacitance between the source and the gate becomes somewhat large. In Figures 7 to 10, when the source and drain face each other over a wide area and the distance between the source and drain is shortened for the purpose of high-speed operation, the capacitance between the source and drain tends to increase. This is a factor that limits high-speed operation. To overcome this difficulty, either the source or the drain can be made smaller. Examples are shown in FIGS. 11-13.

第11図、第12図は、第7図、第8図の構造
において、ソース領域を小さく構成した場合であ
る。第11図でn+領域121,131はソース、
124はドレイン、p領域122,132はチヤ
ンネルとなる領域、p-領域123は拡散電位だ
けで空乏層となる領域、125は絶縁層、12
6,136はゲート電極、121′,132′はそ
れぞれソース、金属電極である。第12図はV字
型切り込みが基板のn+まで到達している例を示
し、それ以外は、第11図と同じである。第9図
のドレインを小さな領域164に形成した例が第
13図である。第11〜13図のように構成する
ことにより、各種容量を十分小さく抑え、高速度
動作可能なIG SITを作れる。第7図ないし第1
3図に示された構造も、勿論これに限るものでは
なく、切り込みもV字、U字型に限るものではな
い。導電型を全く反転したpチヤンネルでもよい
ことは勿論であるし、チヤンネルを多数備えたマ
ルチチヤンネル型にするのも容易である。大電力
動作を目的とする場合には、ドレインからチヤン
ネルまでのp-領域を長くして耐圧を十分取るよ
うにすればよい。またこの時には、ある程度ドレ
イン電圧が加わつてp-領域が全領域空乏層とな
るようにしても構わないから、拡散電位だけでは
p-領域全体は空乏層とならないような長さ及び
不純物密度に選定してもよい。又こうした時に
は、ゲート電極がp-領域上に相当はみだしてい
ても、いずれp-領域は殆んどの動作状態で空乏
層となつているから、殆んど容量の増加にはなら
ない。勿論、集積回路内の低電力高速スイツチン
グ用等に用いるときにはドレイン電圧を印加しな
い状態で全領域空乏層となつている方が、わずか
なドレイン電圧で電流が流れるから多くの場合は
好都合である。もつとも、ある程度ドレイン電圧
が加わつてはじめて所望の電流が流れるようにす
るため、拡散電位だけでは一部空乏層とならない
領域がp-領域に残るように設計する場合もある。
チヤンネル長が短く、ゲート電極下の絶縁層が薄
くて、しかも誘電率が大きく設定されれば、ゲー
トに加えられた電圧は殆んどチヤンネルとなる半
導体領域に加わるから、電位障壁を越えてドレイ
ン側に注入されるキヤリアの量はバイポーラトラ
ンジスタの場合にかなり近い値になる。
FIGS. 11 and 12 show cases in which the source regions are made smaller in the structures shown in FIGS. 7 and 8. In FIG. 11, n + regions 121 and 131 are sources,
124 is a drain, p regions 122 and 132 are regions that become channels, p - region 123 is a region that becomes a depletion layer only by diffusion potential, 125 is an insulating layer, and 12
6 and 136 are gate electrodes, and 121' and 132' are source and metal electrodes, respectively. FIG. 12 shows an example in which the V-shaped cut reaches up to n + of the substrate, and the rest is the same as FIG. 11. FIG. 13 shows an example in which the drain shown in FIG. 9 is formed in a small region 164. By configuring as shown in FIGS. 11 to 13, it is possible to keep various capacitances sufficiently small and create an IG SIT capable of high-speed operation. Figures 7 to 1
Of course, the structure shown in FIG. 3 is not limited to this, and the cut is not limited to the V-shape or U-shape. Of course, it is possible to use a p-channel whose conductivity type is completely reversed, and it is also easy to use a multi-channel type having a large number of channels. If high power operation is desired, the p - region from the drain to the channel may be made long to ensure sufficient breakdown voltage. Also, at this time, it is okay to apply a certain amount of drain voltage so that the entire p - region becomes a depletion layer, so the diffusion potential alone is not sufficient.
The length and impurity density of the entire p - region may be selected so as not to form a depletion layer. Furthermore, in such a case, even if the gate electrode protrudes considerably over the p - region, the p - region eventually becomes a depletion layer in most operating conditions, so the capacitance hardly increases. Of course, when used for low-power, high-speed switching in integrated circuits, etc., it is often more advantageous to form a depletion layer in the entire region without applying a drain voltage, since current flows with a small drain voltage. However, in order to allow the desired current to flow only after a certain amount of drain voltage is applied, the p - region may be designed so that a region that does not become a depletion layer with only the diffusion potential remains.
If the channel length is short, the insulating layer under the gate electrode is thin, and the dielectric constant is set high, most of the voltage applied to the gate will be applied to the semiconductor region that becomes the channel, and the voltage will be applied to the drain beyond the potential barrier. The amount of carriers injected into the side is quite similar to that of a bipolar transistor.

このような低電力、高速度で動作する本発明の
IG SITを半導体記憶装置として使用するならば、
その性能を一段と向上させることができる。以下
にその具体例を示す。
The present invention operates at such low power and high speed.
If IG SIT is used as a semiconductor storage device,
Its performance can be further improved. A specific example is shown below.

第14図、第15図は本発明IG SITを用いた
ダイナミツクRAMメモリセルの例である。
FIGS. 14 and 15 are examples of dynamic RAM memory cells using the IG SIT of the present invention.

第14図は一個のIG SIT303を使つて、容
量C304にメモリするメモリセルである。30
1が書き込み読み出しのアドレス線(列線)、3
02が書き込み読み出しのデータ線(行線)であ
る。書き込み、読み出しの速度はIG SITの変換
コンダクタンスをGnとすると、殆んどC/Gn
与えられる。本発明のIG SITのGnはバイポーラ
トランジスタにかなり近い値にできるから、
MOS FETによるメモリセルより少なくとも一
桁以上高速の書き込み、読み出しが行える。第1
5図は、3個の本発明のSIT、315,316,
317を用いたメモリセルであり、311,31
2は書き込み、読み出しアドレス線、313,3
14はデータ読み出し線、書き込み線である。こ
の回路では、SIT316のゲート容量にメモリす
る方式であるから、この316のゲート容量は大
きいことが望ましい、又316は動作速度にそれ
ほど影響しないから、従来のIG SITでもよいし、
IG FETでもよい。
FIG. 14 shows a memory cell that uses one IG SIT 303 to store memory in a capacitor C 304. 30
1 is the write/read address line (column line), 3
02 is a data line (row line) for writing and reading. Writing and reading speeds are almost given by C/G n , where G n is the conversion conductance of IG SIT. Since G n of the IG SIT of the present invention can be set to a value quite close to that of a bipolar transistor,
Writing and reading can be performed at least an order of magnitude faster than memory cells using MOS FETs. 1st
Figure 5 shows three SITs of the present invention, 315, 316,
It is a memory cell using 317, and 311, 31
2 is write and read address line, 313,3
14 is a data read line and a write line. In this circuit, the memory is stored in the gate capacitance of the SIT 316, so it is desirable that the gate capacitance of the SIT 316 is large.Also, since the gate capacitance of the SIT 316 does not significantly affect the operating speed, a conventional IG SIT may be used.
An IG FET may also be used.

第16図は、本発明のIG SITをスタテイツク
RAMメモリセルに応用した一例である。
Figure 16 shows the IG SIT of the present invention.
This is an example of application to RAM memory cells.

321はアドレス線、322はデータ読み出し
線、323はデータ書き込み線、324乃至32
9は本発明のIG SITである。特に動作速度を決
定する324,325,328,329のSITは
ゲート容量などの各容量を小さく設定し、gmも
大きくなるように設定するのがよい。326,3
27は従来のSITでも、又従来のMOS FETでも
よい。第16図の構成で、従来MOS FETで構
成されていたものより1桁程度以上書き込み読み
出し速度の速い動作が行える。RAMの回路構成
は勿論、これらに限るものではない。又、nチヤ
ンネルSITを主体に回路を構成したが、pチヤン
ネルでもよいことはいうまでもない。第17図は
本発明のIG SITを相補型に構成した場合のスタ
テイツクRAMメモリセルの1例である。第16
図のものに比べれば、相補型構成になつているこ
とから電力消費は極めて少なく、1/10程度に減少
している。331はアドレス線、332はデータ
読み出し線、333はデータ書き込み線、334
乃至339は本発明のIG SITである。
321 is an address line, 322 is a data read line, 323 is a data write line, 324 to 32
9 is the IG SIT of the present invention. In particular, for the SITs 324, 325, 328, and 329 that determine the operating speed, each capacitance such as the gate capacitance is preferably set to be small, and gm is also set to be large. 326,3
27 may be a conventional SIT or a conventional MOS FET. With the configuration shown in FIG. 16, write and read speeds can be performed that are about one order of magnitude faster than those conventionally configured with MOS FETs. Of course, the circuit configuration of the RAM is not limited to these. Further, although the circuit is constructed mainly using an n-channel SIT, it goes without saying that a p-channel may also be used. FIG. 17 shows an example of a static RAM memory cell in which the IG SIT of the present invention is constructed in a complementary manner. 16th
Compared to the one shown in the figure, power consumption is extremely low due to the complementary configuration, and has been reduced to about 1/10. 331 is an address line, 332 is a data read line, 333 is a data write line, 334
339 are IG SITs of the present invention.

本発明のSITは、こうしたRAMばかりでなく、
ROM(Read Only Memory)にも、シフトレジ
スタにも、又浮遊ゲートなどを備えた不揮発性メ
モリにも応用できる。
The SIT of the present invention is not limited to such RAM.
It can be applied to ROM (Read Only Memory), shift registers, and nonvolatile memories equipped with floating gates.

以上述べたIG SIT及びそれを用いた記憶集積
回路は、全てこれまで公知の結晶技術、拡散技
術、イオン打ち込み技術、微細加工技術により製
造することができる。
The IG SIT described above and the memory integrated circuit using the same can all be manufactured using conventionally known crystal technology, diffusion technology, ion implantation technology, and microfabrication technology.

本発明のIG SITは、ソース近傍のチヤンネル
となるべき狭い半導体領域の上に絶縁層を介して
ゲート電極を構成し、チヤンネルからドレインま
では高抵抗率領域になつていて実質的に空乏層化
しており、キヤリアはドリフト走行する。このよ
うに構成することにより、ゲート容量を十分小さ
くでき、又ドレイン・基板間容量を十分小さくで
きるうえに、変換コンダクタンスを大きくできる
から、極めて低電力かつ高速度で動作する。その
製造もそれほど複雑でないこととあいまつて、記
憶装置に応用された時、極めて顕著な性能向上を
もたらし、その工業的価値は非常に大きい。
In the IG SIT of the present invention, a gate electrode is formed via an insulating layer on a narrow semiconductor region that is to become a channel near the source, and the region from the channel to the drain is a high resistivity region that is essentially a depletion layer. The carrier is drifting. With this configuration, the gate capacitance can be made sufficiently small, the drain-to-substrate capacitance can be made sufficiently small, and the conversion conductance can be made large, so that the device operates at extremely low power and high speed. Coupled with the fact that its manufacture is not so complicated, it brings about a very significant performance improvement when applied to storage devices, and its industrial value is very large.

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

第1図a及びbは静電誘導トランジスタの1構
造例の動作特性図、第2図乃至第6図はそれぞれ
本発明の実施例によるIG SITの平面型構造の断
面図、第7図乃至第10図はそれぞれ本発明の実
施例による切欠きゲート型IG SITの構造を示す
断面図、第11図乃至第13図は本発明の他の実
施例による切欠きゲート型IG SITの構造を示す
断面図、第14図、第15図はIG SITで構成し
たダイナミツクRAMメモリセルの1例の回路
図、第16図はIG SITを用いたスタテイツク
RAMメモリセルの1例の回路図、第17図は相
補型IG SITスタテイツクRAMメモリセルの1
例の回路図である。
1a and 1b are operational characteristic diagrams of an example of a structure of a static induction transistor, FIGS. 2 to 6 are sectional views of a planar structure of an IG SIT according to an embodiment of the present invention, and FIGS. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a notched gate type IG SIT according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 11 to 13 are cross-sectional views showing the structure of a notched gate type IG SIT according to other embodiments of the present invention. Figures 14 and 15 are circuit diagrams of an example of a dynamic RAM memory cell configured with IG SIT, and Figure 16 is a circuit diagram of an example of a dynamic RAM memory cell configured with IG SIT.
A circuit diagram of an example of a RAM memory cell, FIG. 17 is an example of a complementary IG SIT static RAM memory cell.
FIG. 3 is an example circuit diagram.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 所要本数のアドレス用列線及び所要本数の書
込み読み出し用行線の行列線から成るマトリツク
スの交点中、少なくとも一部に高不純物密度領域
からなるソース領域に隣接して反対導電型領域を
設け、さらに前記反対導電型と同導電型高抵抗領
域を、ソース領域と同じ導電型高不純物領域から
なるドレイン領域に隣接して配置し、ソースに近
い部分の表面上に絶縁物膜を介して前記反対導電
型領域にほぼ局在したゲート電極を設け、前記ド
レイン領域と前記高抵抗率反対導電型領域の拡散
電位で前記高抵抗率反対導電型領域は常に空乏化
しており、不飽和型電流電圧特性を示すべく不純
物密度及び諸寸法を選定した絶縁ゲート静電誘導
トランジスタを少なくとも一個含むメモリセルを
配置し、前記静電誘導トランジスタの少なくとも
一つのゲートが直接もしくは他の素子を介して前
記行線もしくは前記列線に接続されるよう構成し
た部分を少なくとも一部に含むことを特徴とする
半導体記憶装置。
1. Providing an opposite conductivity type region adjacent to a source region consisting of a high impurity density region at least in part at the intersection of a matrix consisting of a required number of address column lines and a required number of write/read row lines; Further, the high resistance regions of the opposite conductivity type and the same conductivity type are arranged adjacent to a drain region made of a highly impurity region of the same conductivity type as the source region, and the opposite A gate electrode is provided almost localized in a conductivity type region, and the high resistivity opposite conductivity type region is always depleted due to the diffusion potential of the drain region and the high resistivity opposite conductivity type region, resulting in unsaturated current-voltage characteristics. A memory cell including at least one insulated gate static induction transistor whose impurity density and various dimensions are selected to exhibit the A semiconductor memory device characterized in that at least a portion of the semiconductor memory device includes a portion configured to be connected to the column line.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS50128475A (en) * 1974-03-27 1975-10-09

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