JPH0459783B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、相補型トランジスタを用いたフリツ
プフロツプに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a flip-flop using complementary transistors.
従来CMOSRAMに用いられているメモリ・セ
ルを第1図に示す。Pチヤネルトランジスタ3,
4、およびNチヤネルトランジスタ5,6よりな
るインバータのループ接続によるフリツプフロツ
プに対し、アドレス線ADRによりON−OFFを
制御されるNチヤネルトランジスタ(トランスフ
アゲート)1,2を介してデータの入出力である
BIT、およびが接続されている。メモリ・セ
ルのリード状態では、フリツプフロツプからデー
タ線へ、また、ライト状態の時は、データ線から
フリツプフロツプへ信号がトランスフアゲートが
ONした時伝達する。このCMOSメモリ・セルの
特徴としては、フリツプフロツプを構成するイン
バータは安定状態では、CMOSであることによ
りパワーは微少しか必要とせず、したがつて、メ
モリに格納されているデータの保持にはほとんど
電力が消費されないことと、また、動作状態にお
いても、N−MOSに比しパワーの消費が少ない
ことであり、低電力動作ということでかなり多方
面に活用されている。 FIG. 1 shows a memory cell conventionally used in CMOSRAM. P channel transistor 3,
4, and a flip-flop formed by a loop connection of an inverter consisting of N-channel transistors 5 and 6, data is input/output via N-channel transistors (transfer gates) 1 and 2 whose ON/OFF is controlled by an address line ADR.
BIT, and are connected. When the memory cell is in the read state, the signal is transferred from the flip-flop to the data line, and in the write state, the signal is transferred from the data line to the flip-flop.
Communicate when turned ON. A feature of this CMOS memory cell is that in a stable state, the inverter that makes up the flip-flop requires very little power because it is CMOS, so it requires very little power to retain the data stored in the memory. It consumes less power than N-MOS, and even in the operating state, it consumes less power than N-MOS, and because of its low power operation, it is used in a wide variety of fields.
一方、このCMOSメモリの欠点としては、そ
のセルサイズが大きく、したがつて、N−MOS
のRAMに比し、同じチツプサイズに格納される
メモリの容量が小さく、大容量化がむずかしいこ
とにある。この根本原因は、CMOSであるため
に、平面的にPチヤネルトランジスタを作成する
スペース、および、Nチヤネルを絶縁しかつ基板
となるP-ウエルを作成、分離するスペースが必
要となることにある。 On the other hand, the disadvantage of this CMOS memory is that its cell size is large, and therefore N-MOS
Compared to RAM, the memory capacity stored on the same chip size is small, making it difficult to increase the capacity. The root cause of this is that, since it is CMOS, space is required to create a P-channel transistor in a plane, and space to create and separate a P - well that insulates the N-channel and serves as a substrate.
そこで、従来では、インバータを構成する一方
のトランジスタを薄膜トランジスタで構成し、基
板に形成したトランジスタの上部に積層して配置
することにより、インバータのサイズを縮小する
ことが提案されているが、基板中に形成されるト
ランジスタのソース、ドレイン等の拡散層と多結
晶シリコン層で形成されるトランジスタのソー
ス、ドレインとは、Al等の配線材料を使つて接
続されていた。 Conventionally, it has been proposed to reduce the size of the inverter by configuring one of the transistors forming the inverter as a thin film transistor and stacking it on top of the transistor formed on the substrate. Diffusion layers such as the source and drain of the transistor formed in the polycrystalline silicon layer and the source and drain of the transistor formed in the polycrystalline silicon layer were connected using a wiring material such as Al.
Al等の金属材料を配線材料とする場合は、コ
ンタクトホールはかなりの面積を必要とし、高集
積化の面からは望ましいものではない。 When a metal material such as Al is used as the wiring material, the contact hole requires a considerable area, which is not desirable from the viewpoint of high integration.
本発明は、以上の問題を解決させるため、第1
導電型及び第2導電型トランジスタをそれぞれ電
源間に直列接続して構成された2つのインバータ
の入出力を交差接続し、基板表面及び該基板上方
に形成されてなるフリツプフロツプにおいて、前
記第1導電型のトランジスタは前記基板表面に形
成された2つの第1導電型の不純物導入層領域を
ソース及びドレインとし、前記第2導電型のトラ
ンジスタは前記基板上方に配置された多結晶シリ
コン層に形成された2つの第2導電型の不純物導
入領域をソース及びドレインとし、少なくとも一
方の前記インバータは、前記第1導電型の不純物
導入層領域の一方と前記第2導電型の不純物導入
領域の一方との電気的接続経路間に、当該第2導
電型の不純物導入領域の一方と部分的に重ねて接
続される第1導電型の多結晶シリコン層を介在さ
せることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides the first
In a flip-flop formed on the surface of a substrate and above the substrate, the input and output of two inverters each configured by connecting a conductivity type transistor and a second conductivity type transistor in series between power supplies are cross-connected. The transistor has two first conductivity type impurity-introduced layer regions formed on the surface of the substrate as a source and drain, and the second conductivity type transistor is formed in a polycrystalline silicon layer disposed above the substrate. Two second conductivity type impurity doped regions are used as a source and a drain, and at least one of the inverters is configured to electrically connect one of the first conductivity type impurity doped regions and one of the second conductivity type impurity doped regions. The method is characterized in that a first conductivity type polycrystalline silicon layer is interposed between the two conductivity type connection paths and is connected to partially overlap one of the second conductivity type impurity-introduced regions.
第2図aは、本発明によるフリツプフロツプの
一実施例の平面パターン図、第2図bは、第2図
aにおけるAB線の断面図を示す。選択酸化マス
クの境界18内にソース・ドレイン領域となる部
分が存在する。選択酸化によるフイールド膜形成
後にゲート酸化膜を成長させてから第1層目の多
結晶シリコンと基板30の接続をするためのコン
タクトホール10,11の開孔をした後に、第1
層目の多結晶シリコン19,20,21,27
(斜線部のパターン)をデポジシヨンした後に、
全面にPイオンを打ち込んでソース・ドレイン3
1,32,33を形成する。この後、第2フイー
ルド膜36をデポジシヨンし、ゲートとなる多結
晶シリコン19,20上の第2フイールド膜を除
去し、前記多結晶シリコン19,20上を熱酸化
して薄膜トランジスタのゲート絶縁膜を形成す
る。その後、第1層と第2層目の多結晶シリコン
を接続するコンタクトホール12,13,14を
開孔し、薄膜トランジスタのチヤネル、およびソ
ース、ドレインを形成する第2層目の多結晶シリ
コン22,23(点部のパターン)をデポジシヨ
ンし、選択的にP+拡散をする。さらに、第3フ
イールド膜35をデポジシヨンした後に、コンタ
クトホール15,16を開孔後、Al−Si層24,
25,26を形成する。この結果N+拡散層31
を(−)電源VSSに接続されたソース、32をド
レイン、多結晶シリコン20をゲートとするNチ
ヤネルトランジスタと多結晶シリコン層22にお
いて(+)電源VDDに接続されたソース55、チ
ヤネル54、ドレイン56、多結晶シリコン20
をゲートとするPチヤネルトランジスタが形成さ
れ、各々のドレインがダイオードを介して接続さ
れるCMOSのフリツプフロツプが構成できる。 FIG. 2a is a plan view of an embodiment of the flip-flop according to the present invention, and FIG. 2b is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. 2a. There are portions that will become source/drain regions within the boundary 18 of the selective oxidation mask. After forming a field film by selective oxidation, growing a gate oxide film, and forming contact holes 10 and 11 for connecting the first layer of polycrystalline silicon to the substrate 30, the first
Layer polycrystalline silicon 19, 20, 21, 27
After depositing (shaded pattern),
Source/drain 3 by implanting P ions into the entire surface
1, 32, 33 are formed. Thereafter, a second field film 36 is deposited, the second field film on the polycrystalline silicon 19, 20 that will become the gate is removed, and the polycrystalline silicon 19, 20 is thermally oxidized to form a gate insulating film of the thin film transistor. Form. After that, contact holes 12, 13, and 14 are opened to connect the first layer and the second layer of polycrystalline silicon, and the second layer of polycrystalline silicon 22, which forms the channel, source, and drain of the thin film transistor, is opened. 23 (pattern of dots) is deposited and selectively P + diffused. Furthermore, after depositing the third field film 35 and opening the contact holes 15 and 16, the Al-Si layer 24 and
25 and 26 are formed. As a result, N + diffusion layer 31
In the polycrystalline silicon layer 22, an N-channel transistor has a source connected to the (-) power supply V SS , a drain 32, and a gate of the polycrystalline silicon 20, and a source 55 connected to the (+) power supply V DD , and a channel 54. , drain 56, polycrystalline silicon 20
A CMOS flip-flop can be constructed in which a P-channel transistor is formed with the gate as the gate, and each drain is connected via a diode.
第5図に第2図に示したセルパターンの回路図
を示す。Nチヤネルトランジスタ40〜43はバ
ルクシリコン単結晶中に、また、Pチヤネルトラ
ンジスタ44,45は多結晶薄膜トランジスタと
して形成される。ダイオード46,47はPチヤ
ネルとNチヤネルトランジスタの接続点に発生す
る多結晶シリコンのダイオードであり、P+多結
晶シリコン層に重合するN+多結晶シリコン層を
介在させたことにより、このダイオードは、多結
晶シリコン層同士が部分的に重ねて形成されたダ
イオードとなり、リーク電流が大きく、接合面積
も大きいから低抵抗であり、フリツプフロツプま
してやシリコンメモリの動作上は障害とならな
い。 FIG. 5 shows a circuit diagram of the cell pattern shown in FIG. 2. N-channel transistors 40 to 43 are formed in bulk silicon single crystal, and P-channel transistors 44 and 45 are formed as polycrystalline thin film transistors. Diodes 46 and 47 are polycrystalline silicon diodes that occur at the connection point between the P channel and N channel transistors, and by interposing an N + polycrystalline silicon layer that is polymerized with the P + polycrystalline silicon layer, these diodes can be The diode is formed by partially overlapping polycrystalline silicon layers, and has a large leakage current and a large junction area, so it has low resistance and does not interfere with the operation of flip-flops or silicon memories.
一般に、多結晶シリコン層は単結晶シリコンに
比し、移動度が極端に低く、トランジスタ特性が
劣悪で、特にOFFリーク電流の多いことが知ら
れている。しかし、発明者らはこの特性の改善に
努力した結果次のことがわかつた。第3図に示す
ように多結晶シリコンのデポジシヨン温度を700
℃以下にすると移動度が改善され、特に500℃近
辺では10に近い特性が得られた。またOFFリー
クの改善には多結晶シリコンを熱酸化して作るゲ
ート膜の製造方法に依存し、高温でドライ酸化の
方式が最も良かつた。また、多結晶シリコンの層
のデポジシヨン温度が高くても、レーザによるア
ニーリングを実施すると移動度、OFFリークの
改善が可能である。 In general, it is known that polycrystalline silicon layers have extremely low mobility and poor transistor characteristics compared to single-crystalline silicon, and in particular have a large OFF leakage current. However, as a result of our efforts to improve this characteristic, the inventors discovered the following. As shown in Figure 3, the deposition temperature of polycrystalline silicon was set to 700℃.
The mobility was improved when the temperature was lower than ℃, and a characteristic close to 10 was obtained especially near 500℃. In addition, improving OFF leakage depends on the manufacturing method of the gate film, which is made by thermally oxidizing polycrystalline silicon, and dry oxidation at high temperature is the best method. Furthermore, even if the deposition temperature of the polycrystalline silicon layer is high, it is possible to improve mobility and OFF leakage by performing laser annealing.
第4図は、500℃で多結晶シリコンをデポジシ
ヨンし、さらにチヤネル部にイオン打ち込みによ
りPイオンをライトドープし、ゲート酸化膜を
1100℃で形成して得られたメモリ・セルに用いる
ものと同じサイズのトランジスタの特性を示す。
特性はメモリに応用するについて十分である。 Figure 4 shows the process of depositing polycrystalline silicon at 500°C, then lightly doping P ions into the channel area by ion implantation, and forming a gate oxide film.
Characteristics of transistors of the same size as those used in memory cells formed at 1100°C.
The properties are sufficient for memory applications.
以上のような構成とすることにより、配線材料
としてAl等の金属材料を用いないので、大きな
コンタクトホールも必要なく、半導体装置のサイ
ズを縮小できる。 With the above configuration, a metal material such as Al is not used as a wiring material, so a large contact hole is not required, and the size of the semiconductor device can be reduced.
また、少なくとも一方のインバータは、第1導
電型の不純物導入層領域の一方と第2導電型の不
純物導入領域の一方との電気的接続経路間に、当
該第2導電型の不純物導入領域の一方と部分的に
重ねて接続される第1導電型の多結晶シリコン層
を介在させることにより、多結晶同士のPN接合
が形成される。多結晶同士のPN接合は、単結晶
シリコン同士で形成されるPN接合、あるいは、
多結晶シリコンと単結晶シリコンによるPN接合
に比してリーク電流が大きいので、電圧降下を小
さくできる効果があり、しかも、多結晶シリコン
同士のPN接合が重合して形成されているから接
合面積が大きく、電圧降下をより小さくできる効
果がある。 Furthermore, at least one of the inverters is arranged between one of the impurity-doped regions of the first conductivity type and one of the impurity-doped regions of the second conductivity type, between the electrical connection path between the one of the impurity-doped regions of the second conductivity type. A PN junction between the polycrystals is formed by interposing a first conductivity type polycrystalline silicon layer that is partially overlapped and connected. A PN junction between polycrystals is a PN junction formed between single crystal silicon, or
Since the leakage current is larger than that of a PN junction made of polycrystalline silicon and single crystal silicon, it has the effect of reducing voltage drop.Furthermore, since the PN junctions of polycrystalline silicon are formed by polymerization, the junction area is small. This has the effect of reducing voltage drop.
第1図はCMOSRAMの回路図である。第2図
aは本発明のフリツプフロツプの一実施例の平面
図で、第2図bは断面図を示す。第3図は多結晶
シリコンの移動度とデポジシヨンの温度の関係を
示す図、また、第4図は本発明により得られた多
結晶シリコントランジスタの特性図である。第5
図は第2図の回路図である。
10,11,12,13,14,15,16…
…コンタクトホール、19,20,21,27…
…第1層目の多結晶シリコン、22,23……第
2層目の多結晶シリコン、30……基板、31,
32,33……ソース・ドレイン、54……チヤ
ネル、55……ソース、56……ドレイン。
FIG. 1 is a circuit diagram of a CMOSRAM. FIG. 2a is a plan view of an embodiment of the flip-flop according to the present invention, and FIG. 2b is a sectional view. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the mobility of polycrystalline silicon and the deposition temperature, and FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of a polycrystalline silicon transistor obtained according to the present invention. Fifth
The figure is a circuit diagram of FIG. 2. 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16...
...Contact hole, 19, 20, 21, 27...
...First layer polycrystalline silicon, 22, 23... Second layer polycrystalline silicon, 30... Substrate, 31,
32, 33...source/drain, 54...channel, 55...source, 56...drain.
Claims (1)
れぞれ電源間に直列接続して構成された2つのイ
ンバータの入出力を交差接続し、基板表面及び該
基板上方に形成されてなるフリツプフロツプにお
いて、 前記第1導電型のトランジスタは前記基板表面
に形成された2つの第1導電型の不純物導入層領
域をソース及びドレインとし、 前記第2導電型のトランジスタは前記基板上方
に配置された多結晶シリコン層に形成された2つ
の第2導電型の不純物導入領域をソース及びドレ
インとし、 少なくとも一方の前記インバータは、前記第1
導電型の不純物導入層領域の一方と前記第2導電
型の不純物導入領域の一方との電気的接続経路間
に、当該第2導電型の不純物導入領域の一方と部
分的に重ねて接続される第1導電型の多結晶シリ
コン層を介在させる ことを特徴とするフリツプフロツプ。[Claims] 1. Inputs and outputs of two inverters each configured by connecting a first conductivity type transistor and a second conductivity type transistor in series between power supplies are cross-connected, and are formed on the surface of a substrate and above the substrate. In the flip-flop, the transistor of the first conductivity type uses two impurity-introduced layer regions of the first conductivity type formed on the surface of the substrate as a source and drain, and the transistor of the second conductivity type is arranged above the substrate. two impurity-introduced regions of the second conductivity type formed in the polycrystalline silicon layer formed in the polycrystalline silicon layer are used as a source and a drain;
Connected between one of the impurity-introduced regions of the conductivity type and one of the impurity-introduction regions of the second conductivity type, partially overlapping with one of the impurity-introduction regions of the second conductivity type. A flip-flop characterized in that a polycrystalline silicon layer of a first conductivity type is interposed.
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