KR20030088763A - CMOS transistor using channel junctions and logic circuit using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 채널 접합을 이용한 씨모스 트랜지스터에 관한 것으로, 특히 한개의 트랜지스터로 듀얼 게이트(Dual gate)를 구현한 씨모스 트랜지스터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to CMOS transistors using channel junctions, and more particularly to CMOS transistors having dual gates as one transistor.
듀얼 게이트에 있어서 높은 동작 속도는 저용량(low capacitance)을 구현함으로써 얻어 진다. 이는 2개의 트랜지스터를 플로팅 노드(floating node)라는 웰(well) 구조를 공유하게 함으로써 가능해 진다. 씨모스 듀얼 게이트의 경우 향상된 쇼트 채널(short channel)효과 및 I-V 특성, 그리고 문턱 전압을 용이하게 조절하기 위해 표면 채널(surfacr channel)이 가능하도록 PMOS 트랜지스터의 게이트로 P 타입 게이트를 사용한다. 이러한 듀얼 게이트는 그 공정이 복잡하고, 기본적으로 2개의 트랜지스터를 사용하게 됨으로써 회로가 차지하는 면적도 클뿐 아니라 회로 선폭이 더축소 됨에 따라 많은 문제점들이 나타나고 있다.The high operating speed for dual gates is achieved by implementing low capacitance. This is made possible by allowing two transistors to share a well structure called a floating node. The CMOS dual gate uses a P-type gate as the gate of the PMOS transistor to enable a short channel effect, I-V characteristics, and a surface channel to easily adjust the threshold voltage. The dual gate is complicated in its process, and the two transistors basically use a large area of the circuit, and the circuit line width is further reduced, causing many problems.
씨모스 트랜지스터는 한 개의 PMOS 트랜지스터와 한개의 NMOS 트랜지스터로 구성된다. 이러한 씨모스 트랜지스터 2개를 직렬로 연결하여 NAND 게이트를 구성(사용된 트랜지스터 4개)할 수 있다. 또한 씨모스 트랜지스터 2개를 병렬로 연결하여 NOR 게이트를 구성(사용된 트랜지스터 4개)할 수 있다. 이러한 NOR 또는 NAND 게이트를 조합하여 더 복잡한 논리 회로를 구성할 수 있게 된다. 이러한 씨모스 트랜지스터는 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라 많은 면적이 필요함에도 불구하고 저 전력 소비(low power dissipation), 높은 잡음 면역성(higher noise immunity), 레이티오레스(ratioless) 로직 및 고속(higher speed)동작을 이유로 지배적으로 사용되고 있다.CMOS transistors consist of one PMOS transistor and one NMOS transistor. Two CMOS transistors can be connected in series to form a NAND gate (four transistors used). In addition, two CMOS transistors can be connected in parallel to form a NOR gate (four transistors used). These NOR or NAND gates can be combined to form more complex logic circuits. These CMOS transistors have low power dissipation, higher noise immunity, ratioless logic and higher speed, despite the complexity of the manufacturing process and the large area requirements. It is dominant because of its operation.
그러나 앞서 언급한 바와 같이 씨모스 트랜지스터는 제조 공정 이 복잡하고 회로가 차지하는 면적이 크다는 단점을 극복하지 못하고 있다.However, as mentioned above, CMOS transistors do not overcome the disadvantages of complicated manufacturing process and large circuit area.
따라서 본 발명은 기존의 듀얼 게이트에 있어서 두 트랜지스터 사이의 플로팅 노드를 게이트 전압에 의해 유도된 PN 접합으로 대체 함으로써 한개의 트랜지스터 내에 듀얼 게이트를 구현하여 회로의 면적을 줄이면서 고속 동작이 가능한 채널 접합을 이용한 씨모스 트랜지스터를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, in the present invention, a channel junction capable of high-speed operation while reducing circuit area by implementing dual gate in one transistor by replacing a floating node between two transistors with a gate voltage induced PN junction in a conventional dual gate is disclosed. The purpose is to provide a CMOS transistor used.
본 발명의 다른 목적은 논리 회로의 구성을 더욱 간단하고 경제적이며 안정되게 할 수 있는 씨모스 트랜지스터를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a CMOS transistor which can make the configuration of a logic circuit simpler, more economical, and more stable.
도 1a 는 본 발명에 따른 씨모스 트랜지스터의 구성을 설명하기 위한 단면도.1A is a cross-sectional view illustrating the structure of a CMOS transistor according to the present invention.
도 1b 는 본 발명에 따른 씨모스 트랜지스터의 캐패시터 특성을 설명하기 위한 단면도.1B is a cross-sectional view for explaining a capacitor characteristic of a CMOS transistor according to the present invention;
도 1c는 본 발명에 따른 씨모스 트랜지스터의 심벌.1C is a symbol of a CMOS transistor in accordance with the present invention.
도 2a는 본 발명의 씨모스 트랜지스터를 이용한 NAND 논리 회로도.Figure 2a is a NAND logic circuit diagram using the CMOS transistor of the present invention.
도 2b는 도 2a의 심벌.2B is a symbol of FIG. 2A;
도 3a는 본 발명의 씨모스 트랜지스터를 이용한 NOR 논리 회로도.3A is a NOR logic circuit diagram using CMOS transistors of the present invention.
도 3b는 도 3b의 심벌.3B is a symbol of FIG. 3B.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of reference numerals for main parts of the drawings>
10:N형 반도체 기판20: 제 1 영역(NMOS 영역:20)10: N-type semiconductor substrate 20: first region (NMOS region: 20)
30: 제 2 영역(PMOS 영역:30)40: P 웰30: second region (PMOS region: 30) 40: P well
50: n+ 접합 영역(50)60: p+ 영역(60)50: n + junction region 50 60: p + region 60
70: 제 1 절연막(70)80: 제 1 게이트 전극70: first insulating film 70, 80: first gate electrode
90: 제 2 절연막100: 제 2 게이트 전극90: second insulating film 100: second gate electrode
110: 제 1 전극120: 제 2 전극110: first electrode 120: second electrode
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 씨모스트랜지스터는Sea MOS transistor according to the present invention for achieving the above object is
제 1 및 제 2 영역을 갖는 반도체 기판;A semiconductor substrate having first and second regions;
상기 반도체 기판 내의 제 1 영역에 형성된 웰 영역;A well region formed in a first region of the semiconductor substrate;
상기 웰 내에 형성되며 제 1 전극이 인출되는 제 1 접합 영역;A first junction region formed in the well and having a first electrode drawn therethrough;
상기 반도체 기판 내의 제 2 영역에 형성되며 제 2 전극이 인출되는 제 2 접합영역;A second junction region formed in the second region of the semiconductor substrate and from which the second electrode is drawn out;
상기 웰이 형성된 상기 제 1 영역의 상기 반도체 기판 상부에 상기 제 1 접합 영역의 일부와 중첩되도록 적층된 제 1 게이트 산화막 및 제 1 게이트 전극;A first gate oxide layer and a first gate electrode stacked on the semiconductor substrate in the first region where the well is formed so as to overlap a portion of the first junction region;
상기 제 2 영역의 반도체 기판 상부에 상기 제 2 접합 영역의 일부와 중첩되도록 적층된 제 2 게이트 산화막 및 제 2 게이트 전극으로 구성되어 상기 제 1 게이트 전극 하부의 반도체 기판 내에 제 1 채널이 형성되고 상기 제 2 게이트 전극 하부의 반도체 기판 내에 제 2 채널이 형성되어 그로인하여 상기 제 1 및 제 2 채널에 의해 PN 접합이 형성되도록 구성된다.A second channel oxide layer and a second gate electrode stacked on the semiconductor substrate in the second region so as to overlap a portion of the second junction region, and a first channel is formed in the semiconductor substrate below the first gate electrode. A second channel is formed in the semiconductor substrate below the second gate electrode, whereby a PN junction is formed by the first and second channels.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 씨모스 트랜지스터의 단면도를, 도 1b 는 그 심벌을 나타낸다.1A is a cross-sectional view of a CMOS transistor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a symbol thereof.
도 1a를 참조하면, N형 반도체 기판(10)이 제공된다. N형 반도체 기판(10)은 제 1 영역(NMOS 영역:20) 및 제 2 영역(PMOS 영역:30)으로 분리된다. 제 1 영역 (20)내에 P 웰(40)이 형성된다. P 웰(40)내에 n+ 접합 영역(50)이 형성되고, 제 2 영역(30)의 반도체 기판(10)내에 p+ 영역(60)이 형성된다. P 웰(40) 상부에 n+ 접합 영역(50)의 일부와 중첩되는 게이트 옥사이드와 같은 제 1 절연막(70)이 형성되고, 제 1 절연막(70) 상부에 제 1 게이트 전극(80)이 형성된다. 제 2 영역(30)의 반도체 기판(10)상부에 p+ 접합 영역(60)의 일부와 중첩되는 게이트 옥사이드와 같은 제 2 절연막(90)이 형성되고, 제 2 절연막(90) 상부에 제 2 게이트 전극(100)이 형성된다. n+접합 영역(50)으로부터 제 1 전극(110), p+접합 영역(60)으로부터 제 2 전극(120)이 각각 인출된다.Referring to FIG. 1A, an N-type semiconductor substrate 10 is provided. The N-type semiconductor substrate 10 is divided into a first region (NMOS region: 20) and a second region (PMOS region: 30). P wells 40 are formed in the first region 20. An n + junction region 50 is formed in the P well 40, and a p + region 60 is formed in the semiconductor substrate 10 of the second region 30. A first insulating layer 70 such as a gate oxide overlapping a portion of the n + junction region 50 is formed on the P well 40, and a first gate electrode 80 is formed on the first insulating layer 70. . A second insulating film 90 such as a gate oxide overlapping a portion of the p + junction region 60 is formed on the semiconductor substrate 10 of the second region 30, and a second gate is formed on the second insulating film 90. The electrode 100 is formed. The first electrode 110 is drawn from the n + junction region 50 and the second electrode 120 is drawn out from the p + junction region 60, respectively.
이러한 트랜지스터의 구성은 도 1a에 도시된 바와 같이 게이트 라인을 분리하여 한쪽 게이트에 NMOS 트랜지스터의 반쪽 구조를 형성하였고, 다른쪽 게이트에는 PMOS 트랜지스터의 반쪽 구조를 형성하여 이들을 결합함으로써 하나의 트랜지스터가 형성된다.In this transistor configuration, as shown in FIG. 1A, a gate line is separated to form a half structure of an NMOS transistor at one gate, and a half structure of a PMOS transistor is formed at another gate and a single transistor is formed by combining them. .
이러한 트랜지스터의 제조에는 현재 사용중인 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터에 적용되는 제조 공정, 그리고 듀얼 게이트 공정시 적용되는 공정들이 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 이러한 트랜지스터는 노말 MOS 트랜지스터, 디플리션 MOS 트랜지스터, 네이티브 MOS 트랜지스터, 트리플 웰 MOS 트랜지스터 등을 조합하여 목적에 맞게 형성할 수도 있다. 도 1a 는 그 일예로써 노말 NMOS 트랜지스터와 네이티브 PMOS 트랜지스터를 결합한 상태를 나타내고 있다.In the manufacture of such a transistor, a manufacturing process applied to an NMOS transistor and a PMOS transistor currently used, and a process applied to a dual gate process may be equally applied. Further, such a transistor may be formed in accordance with the purpose by combining a normal MOS transistor, a depletion MOS transistor, a native MOS transistor, a triple well MOS transistor, or the like. FIG. 1A shows a state in which a normal NMOS transistor and a native PMOS transistor are combined as an example.
도 1a 의 구조를 갖는 트랜지스터의 기본 동작 원리를 설명하기로 한다.The basic operating principle of the transistor having the structure of FIG. 1A will be described.
NMOS 트랜지스터의 기본 원리는 게이트에 문턱전압보다 높은 전압을 인가했을 경우 게이트 산화막 하부의 P-웰(혹은 P 형 기판)부분에 N형채널이 유도되고 이때 소스와 드레인에 적당한 바이어스를 가하면 유도된 N 형 채널을 통해서 전류가 흐르게 된 트랜지스터가 작동하게 된다. 한편 PMOS 트랜지스터는 게이트에 문턱전압보다 낮은 전압을 인가하여 게이트 산화막 하부에 P 형채널을 유도함으로써 작동한다.The basic principle of the NMOS transistor is that when a voltage higher than the threshold voltage is applied to the gate, an N-type channel is induced in the P-well (or P-type substrate) portion below the gate oxide, and when the proper bias is applied to the source and drain, the induced N Transistors with current flowing through the channel become active. On the other hand, the PMOS transistor operates by applying a voltage lower than the threshold voltage to the gate to induce a P-type channel under the gate oxide layer.
마찬가지로 도 1에 제시된 트랜지스터는 NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 동작 조건이 동시에 적용됨으로써 동작한다. NMOS 쪽의 제 1 게이트 전극(80)에 문턱 전압보다 높은 높은 전압(Vg1)을 인가하여 N 형 채널(Ln)을 형성시키는 한편 PMOS 쪽의 제 2 게이트에 문턱 전압보다 낮은 전압(Vg2)을 인가하여 P 채널(Lp)을 형성 시킨다. 이 N 형 채널 과 P 현 채널이 서로 접하여 PN 접합(junction)을 이룬다. 이러한 PN 접합에 순 방향 바이어스가 가해지면 트랜지스터가 작동하게 된다. 즉, 제 1 전극(110; Vn)에 저 전압을, 제 2 전극(120: Vp)에 고 전압을 가하면, 전류가 PMOS 쪽에서 NMOS 쪽으로 흐르게 되어 트랜지스터가 작동하게 된다. 저 전압을 L, 고전압을 H로 표시하면 본 발명에서 제시한 트랜지스터의 동작은 다음 표 1과 같다.Likewise, the transistor shown in FIG. 1 operates by simultaneously applying the operating conditions of the NMOS and PMOS transistors. A high voltage Vg1 higher than the threshold voltage is applied to the first gate electrode 80 on the NMOS side to form an N-type channel Ln, while a voltage Vg2 lower than the threshold voltage is applied to the second gate on the PMOS side. To form a P channel (Lp). The N-type channel and the P-string channel are in contact with each other to form a PN junction. When forward bias is applied to these PN junctions, the transistors are activated. That is, when a low voltage is applied to the first electrode 110 (Vn) and a high voltage is applied to the second electrode 120 (Vp), current flows from the PMOS side to the NMOS side, thereby operating the transistor. When the low voltage is represented by L and the high voltage is represented by H, the operation of the transistor proposed in the present invention is shown in Table 1 below.
도 1b 는 본 발명에 따른 트랜지스터의 캐패시턴스를 설명하기 위한 단면도이다.1B is a cross-sectional view illustrating a capacitance of a transistor according to the present invention.
본 발명에 따른 트랜지스터의 캐패시턴스는 듀얼 게이트 소자나 CMOS 트랜지스터에 비해 다음과 같은 이유때문에 감소한다.The capacitance of the transistor according to the present invention is reduced compared to a dual gate device or a CMOS transistor for the following reasons.
1. 기존의 듀얼 게이트 소자나 CMOS트랜지스터는 기본적으로 2개의 트랜지스터를 사용한다. 그러나 본 발명은 이러한 2개의 트랜지스터를 1개로 만들었으므로플로팅 면적을 최대 반으로 줄였다고 볼수 있으므로 그 만큼 플로팅 캐패시턴스가 감소한다.1. A conventional dual gate device or CMOS transistor basically uses two transistors. However, since the present invention makes these two transistors one, it can be seen that the floating area is reduced by half, so that the floating capacitance is reduced accordingly.
2. 도1b에서 볼수 있듯이 본 발명의 트랜지스터는 2개의 플로팅 영역으로 나뉘어지며, 이러한 2개의 플로팅 영역이 가해지는 신호에 대해 직렬로 연결되으로 전체 캐패시턴스는 감소한다.2. As can be seen in FIG. 1B, the transistor of the present invention is divided into two floating regions, and the two capacitances are connected in series with respect to the applied signal, thereby reducing the total capacitance.
3. PN접합 사이에 형성되는 캐패시터는 표면 태널을 사용할 경우 채널 폭이 매우 작기 때문에 캐패시턴스가 게이트-옥사이드면의 플로팅 캐패시터에 비해 매우 작을 것으로 여겨지며, 전체 회로의 동작에 영향이 미미하다.3. Capacitors formed between PN junctions have a very small channel width when using surface channels, so the capacitance is considered to be very small compared to the gate-oxide-side floating capacitors, and the overall circuit operation is insignificant.
4. 트랜지스터를 2개를 사용할 경우 모두 4개의 바이어스용 웰이 필요한데 비해 하나의 트랜지스터 CMOS의 경우는 2개만이 필요하다.4. If two transistors are used, all four bias wells are needed, whereas only one transistor CMOS requires two.
도 2a 는 본 발명의 트랜지스터를 이용한 NAND 논리 회로를, 도 2b 는 그 심벌을 나타낸다.2A shows a NAND logic circuit using the transistor of the present invention, and FIG. 2B shows its symbol.
도 2a에 있어서 액트브 로드로드(astive load)로는 디플리션 PMOS 트랜지스터를 사용하였다. 이는 CMOS 논리회로들 처럼 하이 전압은 PMOS를 통해 출력되고 로우 전압은 본 발명에서 제시한 MOS 트랜지스터를 통해 출력되게 함으로서 CMOS 논리회로의 장점을 그대로 유지하기 위함이다. 비교하고자 하는 신호를 X, Y 라 할때 출력 신호의 구성은 다음과 같다In FIG. 2A, a depletion PMOS transistor is used as an active load. This is to maintain the advantages of the CMOS logic circuit by allowing the high voltage to be output through the PMOS and the low voltage through the MOS transistor proposed in the present invention, as in CMOS logic circuits. When the signal to be compared is X and Y, the composition of output signal is as follows.
Vout=X+/Y=/(/X·Y)→NAND(/X,Y)Vout = X + / Y = / (/ XY) → NAND (/ X, Y)
(X,Y)=(0,1)인 경우만 트랜지스터가 턴온되므로 이 경우에만 출력은 로우가 되고 나머지는 모두 하이 신호가 출력된다. (X,Y)=(0,1)일때 출력신호가 로우가 되는 것은 다음 2가지가 가장 큰 이유가 된다.Only when (X, Y) = (0,1) the transistor is turned on, so only in this case the output goes low and the rest are high signals. The reason why the output signal goes low when (X, Y) = (0,1) is the following two reasons.
1. 액티브 로드인 PMOS 트랜지스터의 전류는 전공에 의한 것이며, 본 발명에서 제시한 트랜지스터는 PN 접합이므로 전류는 전자에 의한 것이다. 전자의 이동도가 전공의 2배가 되므로 PMOS트랜지스터보다는 NPMOS트랜지스터에 더 전류가 많이 흐를 것이다. 즉, NPMOS 트랜지스터의 내부 저항이 PMOS 트랜지스터보다 작다.1. The current of the PMOS transistor, which is an active load, is due to electromagnetism. Since the transistor proposed in the present invention is a PN junction, the current is caused by electrons. Since the electron mobility is twice that of the field, more current will flow in the NPMOS transistor than in the PMOS transistor. In other words, the internal resistance of the NPMOS transistor is smaller than that of the PMOS transistor.
2. 액티브 로드인 PMOS 트랜지스터의 로드 비를 조절할 수 있으므로 PMOS 트랜지스터 측에 보다 큰 저항이 걸리게 함으로서 원하는 출력을 저전압으로 할수 있다.2. Since the load ratio of the active load PMOS transistor can be adjusted, a larger resistance is applied to the PMOS transistor side, so that the desired output can be made low voltage.
도 3a는 본 발명의 트랜지스터를 이용한 NOR 논리회로를, 도3b는 그 심벌을 나타낸다.3A shows a NOR logic circuit using the transistor of the present invention, and FIG. 3B shows its symbol.
도 2a의 NAND 논리회로에서와 마찬가지로 하이 신호는 PMOS 트랜지스터를 통해, 로우 신호는 NMOS트랜지스터나 본발명의 트랜지스터를 통해 각각 출력되도록 하여 CMOS트랜지스터 논리회로 특성을 유지하였다. 출력신호의 구성은 다음과 같다.As in the NAND logic circuit of FIG. 2A, the high signal is output through the PMOS transistor and the low signal is output through the NMOS transistor or the transistor of the present invention, thereby maintaining the characteristics of the CMOS transistor logic circuit. The configuration of the output signal is as follows.
Vout=/(X+Y)→NOR(X,Y)Vout = / (X + Y) → NOR (X, Y)
기존의 CMOS 인버터 회로와(혹은 다른 인버터회로)와 위에서 제신한 NAND와 NOR논리회로를 이용하면 모든 논리회로의 구조를 구현할수 있다.By using the conventional CMOS inverter circuit (or other inverter circuit) and the above-described NAND and NOR logic circuits, all logic circuit structures can be realized.
본 발명은 NMOS와 PMOS가 동작할 때 형성되는 N형 및 P형 채널을 한 트랜지스터 내에 형성하고 PN접합을 통해 동작되게 함으로써 기존의 CMOS나 듀얼 게이트 소자와 동일한 동작을 하게 하였다. NMOS 와 PMOS로 이루어진 기존의 CMOS를 한 트랜지스터 내에 구현함으로서 CMOS가 가지고 있던 장점을 그대로 유지하면서 회로 면적을 크게 감소시켰다. 또한, CMOS 혹은 듀얼 게이트 소자보다 캐패시턴스를 감소시켜 회로의 동작속도가 향상된다.According to the present invention, the N-type and P-type channels formed when the NMOS and the PMOS are operated are formed in one transistor and operated through a PN junction to perform the same operation as the conventional CMOS or dual gate devices. By implementing the conventional CMOS, which consists of NMOS and PMOS, in one transistor, the circuit area is greatly reduced while maintaining the advantages of CMOS. In addition, the operating speed of the circuit is improved by reducing capacitance compared to CMOS or dual gate devices.
더욱이 NOR 또는 NAND 논리회로를 간단히 구성할 수 있으므로 회로 면적을 크게 줄였고, 디버깅 작업에도 크게 기여한다.Moreover, the simple configuration of NOR or NAND logic circuits significantly reduces circuit area and contributes significantly to debugging.
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