JPH0812917B2 - Misトランジスタの動作方法およびmisトランジスタ - Google Patents

Misトランジスタの動作方法およびmisトランジスタ

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JPH0812917B2
JPH0812917B2 JP60025474A JP2547485A JPH0812917B2 JP H0812917 B2 JPH0812917 B2 JP H0812917B2 JP 60025474 A JP60025474 A JP 60025474A JP 2547485 A JP2547485 A JP 2547485A JP H0812917 B2 JPH0812917 B2 JP H0812917B2
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は動作電圧が低い場合に於ても充分なオン/オ
フ電流比と駆動能力が得られるMISトランジスタの動作
方法とそれに用いるMISトランジスタに関する。
〔従来の技術〕
MISトランジスタの微細化に伴ない、高電界による問
題を避けるためあるいは、消費電力を下げるために、電
源電圧を低下させる必要が生じて来ている。しかしなが
ら通常の動作方法では、単純に電源電圧を下げると、オ
ン/オフの電流比が取れなかったりあるいは駆動能力が
落ちてしまい実用上大きな障害となる。
第6図に示す従来のCMOSインバータを例にとってその
動作を示す。
図において、41はPMOSトランジスタ、42はNMOSトラン
ジスタ、43は電源、44はアース、45は入力、46は出力で
ある。
通常はNMOSトランジスタ42の基板は接地され、PMOSト
ランジスタ41の基板はドレインに接続されている。この
状態では飽和状態に於けるドレイン電流IDは次式で表わ
される。
ID=K(VD−VT ここでKは比例定数、VDは電源電圧、VTは閾電圧であ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
したがってVDがVT近くまで下がると、駆動能力は極端
に減少する。
これを避けるためにVTを下げると、オフ電流を充分下
げることができなくなる。
すなわち、VT以下のゲート電圧ではIDはexp(8VG/nK
T)に比例するので(通常はn=1.2〜1.3)、オン/オ
フ比を充分取ろうとするとVTは実用上0.5〜0.6V以下に
は設定できない。このため従来の動作方法では0.5V前後
の低電圧動作は、実用的には全く実現することができな
い。
本発明の目的は電源電圧が0.5V程度であっても、充分
小さなオフ電流と、比較的大きなオン電流とが同時に実
現できるMISトランジスタの動作方法とこの動作に適し
たMISトランジスタを提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、電気的に接続されたゲートと半導体基体を
入力端子とし、ソース及びドレインを出力端子あるいは
信号伝達端子とするか又は電源に接続されたエンハンス
メント型MISトランジスタをnチャネル型とpチャネル
型の2種類用意し、これをCMOS構成とし、このCMOSがオ
ン、オフする入力信号を加えることを特徴とするMISト
ランジスタの動作方法である。
また本発明は、ソース・ドレイン領域の直下に絶縁層
を有し、半導体基体がこの絶縁層に囲まれながら下方に
延びて側方に広がっており、さらに半導体基体全体が絶
縁膜に囲まれ、ゲートとこの半導体基体とが、アクティ
ブ領域の外で電気的に接続されたエンハンスメント型MI
Sトランジスタを、nチャネル型とpチャネル型の2種
類を用意してCMOS構成とし、このCMOSがオン、オフする
入力信号を前記ゲートに加えることを特徴とするMISト
ランジスタである。
〔作用・効果〕
次に本発明の原理を説明する。第1図は本発明のトラ
ンジスタによる典型的な動作方法である。ここでnMOSの
ゲートと基体とは電気的に接続され入力端子3を形成し
ている。閾電圧は一般に次式で与えられる。
ここでa,bは定数、φは基体のフェルミレベル、Vsub
は基体電位である。通常のシリコンゲートMOSトランジ
スタではa0である。又、b0である。
本発明のMOSトランジスタの入力端子3に0電位を加
えたとき、Vsub=0となるのでこのときのVTとなり、基体濃度、ゲート酸化膜厚を適当な値に設定す
れば、このときのチャネル電流を充分小さくできる。た
とえばVT=0.4Vとすると約10-12A/μm程度になる。こ
れは次のような理由による。VG=VTにおけるMISFETを流
れるドレイン電流は一般にチャネル幅1μm当たり10-7
A(通常10-7A/μmと表記する)程度である。一方VG≦V
Tにおけるドレイン電流はexp(qVG/nkT)に比例し、通
常、ドレイン電流を1桁変化させるのに必要なゲート電
圧VGの変化量は80mV前後である。従ってVT=0.4Vであれ
ばVG≠0Vのときのドレイン電流(リーク電流)は ID=10-7A/μm×10−(400/80)=10-12A/μm となる。一方入力端子3に2φを越えない正の電位VI
を与えたとき Vsub=VIとなるので、 となり、VTは0に近ずく。
このときのVTがもしVIよりも小さければ、このMOSト
ランジスタはオン状態となり、比較的大きなオン電流が
流れる。これは となる様にb及びVIを設定することによって達成でき
る。bはゲート絶縁膜厚と半導体基体の不純物濃度から
決まるので、この二つを適宜設定すればよい。
以上説明した本発明のMISトランジスタのVG−ID特性
(VG−IDカーブ)の例を第7図に示す。本発明では閾値
電圧が入力によって変化するため、閾値が高い場合と低
い場合のそれぞれのカーブの間を通るカーブとなる。
なお、オンしているとき基板とソース2とは順方向に
バイアスされるが、VIは2φを越えることはないので
順方向電流はほとんど無視することができる。これは次
のような理由による。
pn接合をオンさせるためにはビルトインポテンシャル
Vbi以上の電圧を印加する必要がある。SiではVbiは0.9V
程度である。第8図に、n型MOSトランジスタのソース
とp型半導体基体で構成されたpn接合の平衡状態でのバ
ンド図を示す。ミッドギャップEiとフェルミレベルEf
差がφである。半導体基体はソースより不純物濃度が
低いので、ソースのミッドギャップとフェルミレベルの
差φはφより大きい。Vbiはφとφの和なの
で、2φはVbiより小さい。従ってpn接合に順方向電
流は流れない。この様に本発明のトランジスタを動作さ
せるときには、電源電圧が0.5V程度であっても比較的大
きな駆動能力と充分小さなオフ電流とを同時に実現でき
る。
この様な動作をLSIで実現するためには基体が名トラ
ンジスタ毎に独立している必要がある。この様な動作を
実現するためには基体が各トランジスタ毎に独立してい
る必要がある。
これは、いわゆる通常のSOI基板にトランジスタを形
成することで達成できる。すなわち、SOI基板でMOSFET
を作成するとき、通常はチャネルが形成されるべき基体
は電気的に浮遊している。しかし基板をゲート巾方向に
延長し、通常の方法でコンタクトを取りゲートと金属配
線によって結ぶことによってゲートと基体は接続され、
かつ他のMOSFETとは完全に分離される。従って本発明の
動作が可能となる。
次に第2図に本発明の動作に適した本発明のMISトラ
ンジスタの構造を示す。
第3図は第2図のIII−III線断面図である。これから
わかる様に本発明トランジスタの構造ではチャネルが形
成される領域の半導体基体16の下に半導体基体15と同14
が順に連なっておりこれらは絶縁基板13で囲まれてい
る。又半導体基体14はチャネル巾方向に延びており、ア
クティブ領域の外側でゲート18とメタル20とによって電
気的に接続されている。従って本発明のトランジスタを
動作させる場合、比較的巾の広い半導体基体14のために
基板16への寄生抵抗は充分小さくでき、又ソース・ドレ
インの直下は絶縁層なので寄生容量も小なく高速動作が
可能となる。
〔実施例〕
次に本発明のMOSトランジスタの典型的な製造工程を
第4図(a)〜(f)に示す。
以下の説明では説明の便宜上第4図(a)〜(f)に
ついてはnチャネルMOSトランジスタを仮定する。第4
図(a)はSiO2基板23にドライエッチング法により深さ
1μm、巾5μmのみぞhを掘った状態である。第4図
(b)において、ポリシリコンをCVD法により1μm堆
積した後、ストリップヒータ法で単結晶化し、1015/cm2
のボロンをイオン注入し、レジストを塗布しエッチバッ
クによりSiO2基板23の表面を露出させ、その後CVD SiO2
膜を1μm堆積する。このとき先のみぞhに単結晶シリ
コン24がうめこまれている。次に第4図(c)に示すよ
うにみぞhの上にSiO2基板23をよりせまい巾でエッチオ
フし、選択的エピタキシヤル法により単結晶シリコン25
を成長させる。このときエピタキシヤル成長した単結晶
シリコン25の膜にはボロンガスの流れをコントロールを
する。第4図(d)において、さらにポリシリコンを1
μm堆積し、レーザーアニール法で単結晶化させた後、
アクティブ領域26のみを残してエッチオフし、ゲート酸
化膜27を成長させ、必要なチャネルドープを施こす。第
4図(e)は単結晶シリコン24がアクティブ領域26の外
側に延びた部分の上に乗っているSiO2をエッチングした
後、ゲート酸化膜を成長させ、その後ポリシリコンゲー
ト28を形成し、ソース・ドレイン用のヒ素をイオン注入
した状態である。先の単結晶シリコン24がアクティブ領
域26の外に延びた部分の上には、ゲート酸化膜厚程度の
酸化膜をはさんでポリシリコンゲート28の延長部分が乗
ることになる。第5図(f)において、層内絶縁用のCV
D SiO2を堆積した後、先ず先のゲート延長部分に於て、
ドライエッチングによって、下の単結晶シリコン24の延
長部分の表面が露出するまで全てのSiとSiO2を除去した
後、他のコンタクトホール(ソース及びドレイン等用)
をあけて金属配線30を施こす。なお先の延長部分では第
3図に示す様な形状でポリシリコンゲートと半導体基体
14はコンタクトされる。この第4図(f)が本発明のMI
Sトランジスタの典型的な構造の1例であり第4図
(a)〜(f)で説明した方法が、本発明のMOSトラン
ジスタの典型的な製造方法の1例である。
このnチャネルMOSトランジスタと同様にして作られ
たpチャネルMOSトランジスタとを用いてインバータを
形成した時等第5図中、31はPMOSトランジスタ回路図を
第5図に示す。
32はNMOSトランジスタ、33は電源、34はアース、35は
入力、36は出力を示している。
本発明のMISトランジスタは電気的に接続されたゲー
トと基体を入力端子とし、ソース及びドレインを出力端
子あるいは信号伝達端子又は電源端子に用いて動作させ
る。
〔発明の効果〕
本発明の動作方法によれば、電源電圧が0.5V程度と非
常に低い場合に於ても、オフ電流は小さくかつ高い駆動
能力を容易に実現でき、極微細トランジスタに於て、高
速性と低電力を両立させることができる。又本発明の構
造によれば、基体にかかわる寄生抵抗をごく小さくする
ことができ、高速動作が実現できると共にゲートと基体
を電気的に接続する領域がゲートへの通常のコンタクト
に必要とされる面積の中に入ってしまうため、集積度の
劣下もない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明トランジスタの動作原理を示す図、第2
図は本発明の構造のトランジスタの断面図、第3図は第
2図のIII−III線断面図、第4図(a)〜(f)は本発
明の実施例につき製造工程順に示した図、第5図は本発
明の典型的実施例を示した図、第6図は従来の動作方法
を示した図である。第7図は本発明のMISトランジスタ
のVG−ID特性の例を示す図である。第8図はn型MOSト
ランジスタのソースとp型半導体基体で構成されたpn接
合の平衡状態でのバンド図である。 1……ドレイン、2……ソース、3……入力、11,21…
…ソース、12,22……ドレイン、13,23……絶縁(SiO2
基板、14,24……半導体基体(単結晶シリコン)、15,25
……半導体基体(単結晶シリコン)、16,26……半導体
基体(アクティブ領域)、17,27……ゲート絶縁膜、18,
28……ポリシリコンゲート、29……層間絶縁膜、20,30
……メタル配線、31……PMOSトランジスタ、32……NMOS
トランジスタ、33……電源端子、34……アース、35……
入力端子、36……出力端子。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気的に接続されたゲートと半導体基体を
    入力端子とし、ソース及びドレインを出力端子あるいは
    信号伝達端子とするか又は電源に接続されたエンハンス
    メント型MISトランジスタをnチャネル型とpチャネル
    型の2種類用意し、これをCMOS構成とし、このCMOSがオ
    ン、オフする入力信号を加えることを特徴とするMISト
    ランジスタの動作方法。
  2. 【請求項2】ソース・ドレイン領域の直下に絶縁層を有
    し、半導体基体がこの絶縁層に囲まれながら下方に延び
    て側方に広がっており、さらに半導体基体全体が絶縁膜
    に囲まれ、ゲートとこの半導体基体とが、アクティブ領
    域の外で電気的に接続されたエンハンスメント型MISト
    ランジスタを、nチャネル型とpチャネル型の2種類を
    用意してCMOS構成とし、このCMOSがオン、オフする入力
    信号を前記ゲートに加えることを特徴とするMISトラン
    ジスタ。
JP60025474A 1985-02-13 1985-02-13 Misトランジスタの動作方法およびmisトランジスタ Expired - Lifetime JPH0812917B2 (ja)

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