KR970001350B1 - Nand gate & method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 종래의 낸드 게이트(NAND Gate)의 한 예를 도시한 회로도.1 is a circuit diagram showing an example of a conventional NAND gate.
제2도는 본 발명의 낸드 게이트를 도시한 회로도.2 is a circuit diagram showing a NAND gate of the present invention.
제3a도는 본 발명의 제1실시예에 의해 제조된 낸드 게이트를 도시한 단면도.FIG. 3A is a sectional view showing a NAND gate manufactured by the first embodiment of the present invention. FIG.
제3b도는 본 발명의 제1실시예에 의해 제조된 낸드 게이트의 등가회로도.3B is an equivalent circuit diagram of a NAND gate manufactured by the first embodiment of the present invention.
제4a도 내지 제4f도는 본 발명의 제1실시예의 낸드 게이트를 제조하는 단계를 도시한 단면도.4A to 4F are cross-sectional views showing steps for manufacturing a NAND gate of a first embodiment of the present invention.
제5a도는 본 발명의 제2실시예에 의해 제조된 낸드 게이트를 도시한 단면도.FIG. 5A is a sectional view showing a NAND gate manufactured by the second embodiment of the present invention. FIG.
제5b도는 본 발명의 제2실시예에 의해 제조된 낸드 게이트의 등가회로도.5B is an equivalent circuit diagram of a NAND gate manufactured by the second embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1, 7 : 게이트 2, 45 : 드레인1, 7: gate 2, 45: drain
3, 46 : 소오스 4 : 도전층 스페이서3, 46: source 4: conductive layer spacer
5, 6 : 채널 8, 10 : 실리콘 기판5, 6: channel 8, 10: silicon substrate
41 : 게이트 42, 47 : 산화막41 gate 42, 47 oxide film
43 : 도전층 44, 44A, 44B : 도전층 스페이서43: conductive layers 44, 44A, 44B: conductive layer spacer
48, 48A, 48B : 제2게이트48, 48A, 48B: second gate
본 발명은 반도체 소자의 낸드 게이트(NAND Gate) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 좁은 면적에 로직을 구성하기 위하여 하나의 소오스, 드레인 사이의 기판 상부에 제1게이트와 플로팅 게이트와 적층되는 제2게이트를 구비하여 2개 또는 3개의 입력 단자를 갖는 낸드 게이트와 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a NAND gate of a semiconductor device and a method of manufacturing the same. In particular, in order to configure logic in a narrow area, a second layer is stacked with a first gate and a floating gate on a substrate between one source and a drain. A NAND gate having a gate or two or three input terminals and a method of manufacturing the same.
반도체 소자의 로직을 구현하는데에는 많은 양의 낸드 게이트가 사용되고, 이러한 낸드 게이트는 3개 이상의 일반적인 모스 트랜지스터로 구현되며, 이에 따라 낸드 게이트가 차지하는 면적이 증가할 뿐만 아니라, 풀-업(Pull-Up), 풀-다운(Pull-Down) 트랜지스터를 사용하기 때문에 나타나는 시간지연의 문제와 회로 래이아웃(Circuit Layout)이 복합해지는 문제점이 존재한다.A large amount of NAND gates are used to implement the logic of the semiconductor device, and these NAND gates are implemented with three or more general MOS transistors, which not only increases the area occupied by the NAND gates but also pull-ups. ), There is a problem in that a time delay caused by using a pull-down transistor and a circuit layout are combined.
따라서, 본 발명에서는 집적도를 향상시키기 위해 하나의 소오스, 드레인 사이의 기판상부에 2개 이상의 게이트를 형성하여 구현되는 낸드 게이트와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a NAND gate implemented by forming two or more gates on a substrate between one source and a drain to improve the degree of integration, and a method of manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 반도체 소자의 2개의 입력단과 1개의 출력단을 갖는 낸드 게이트에 있어서, 실리콘 기판에 형성된 소오스 및 드레인과, 상기 소오스, 드레인 사이의 실리콘 기판 상부의 일정부분에 형성되며 제1입력신호가 인가되는 제1게이트와, 상기 제1게이트이 한쪽 측벽에 형성되며 상기 소오스, 드레인 사이에 존재하는 실리콘 기판 상부의 나머지 부분을 덮고 있는 도전층 스페이서와, 상기 도전층 스페이서의 상부면과 상기 제1게이트의 일정 상부면과 오버랩되며 제2입력신호가 인가되는 제2게이트로 이루어진 2개의 게이트를 갖는 하나의 모스 트랜지스터로 구성되는 것이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a NAND gate having two input terminals and one output terminal of a semiconductor device, the source and drain formed on a silicon substrate and a portion formed on an upper portion of the silicon substrate between the source and the drain. A first gate to which a first input signal is applied, the first gate is formed on one sidewall, and a conductive layer spacer covering the remaining portion of the upper portion of the silicon substrate existing between the source and the drain, and an upper portion of the conductive layer spacer. A MOS transistor having two gates including a surface and a second gate to which a second input signal is applied is overlapped with a predetermined upper surface of the first gate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 낸드 게이트의 구조와 제조방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a structure and a manufacturing method of a NAND gate will be described with reference to the accompanying drawings.
제1도는 종래의 낸드 게이트의 한 예를 도시한 회로도로서, 게이트로는 두개의 입력신호 Vin1, Vin2를 받아들이면서 병렬로 연결되어 출력단 Vout에 전하를 공급해주는 트랜지스터 M11, M12와, 게이트로는 두개의 입력신호 Vin1, Vin2를 받아들이면서 직렬로 연결되어 출력단 Vout의 전하를 방전시키는 트랜지스터 M13, M14로 구성되어 있다.FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a conventional NAND gate. The transistors M11 and M12 are connected in parallel while receiving two input signals Vin1 and Vin2 as gates to supply charges to the output terminal Vout, and two as gates. It consists of transistors M13 and M14 which are connected in series to receive the input signals Vin1 and Vin2, and discharge the charge at the output terminal Vout.
입력단 Vin1, Vin2로 동시에 로직하이를 갖는 신호가 입력되면 트랜지스터 M11, M12가 턴-오프(Turn-Off)되는 동시에 트랜지스터 M13,M14가 턴-온(Turn-On)되어 출력단 Vout를 로직로우 상태로 전이시키고, 2개의 입력신호중 하나라도 로직로우 상태를 가지며 트랜지스터 M11, M12중 하나가 턴-온되고, 트랜지스터 M13, M14중 하나는 턴-오프되어 출력단 Vout의 전하가 방전되지 못하고 공급되는 전하에 의해 로직하이 상태를 갖게 된다.When a signal having logic high is input to the input terminals Vin1 and Vin2 at the same time, transistors M11 and M12 are turned off, and transistors M13 and M14 are turned on to output Vout to a logic low state. One of the two input signals has a logic low state and one of the transistors M11 and M12 is turned on, and one of the transistors M13 and M14 is turned off so that the charge at the output terminal Vout is not discharged and is supplied by the supplied charge. It has a logic high state.
상기 제1도와 같이 낸드 게이트를 구성하게 되면 하나의 낸드 게이트를 구현하는데에 여러개의 트랜지스터가 필요하며, 이에 따라 면적이 증가하는 문제, 풀-업, 풀-다운 트랜지스터로 인해 신호 전달시간이 지연되는 문제, 회로의 래이아웃이 복잡해지는 문제 등이 존재하게 된다.When the NAND gate is configured as shown in FIG. 1, a plurality of transistors are required to implement a single NAND gate, and accordingly, a signal propagation time is delayed due to an increase in area, a pull-up, and a pull-down transistor. Problems, such as a complicated layout of circuit layout, and the like.
따라서, 본 발명에서는 상기의 문제점들을 제거하기 위하여, 2개 이상의 게이트르 갖는 하나의 모스 트랜지스터로 낸드 게이트를 구성하고자 하는 것이다.Accordingly, in the present invention, in order to eliminate the above problems, the NAND gate is formed of one MOS transistor having two or more gates.
제2도는 본 발명의 낸드 게이트를 도시한 회로도로서, 2개의 게이트를 갖는 하나의 모스 트랜지스터와 저항 성분을 이용하여 구성한 것이다.2 is a circuit diagram showing a NAND gate of the present invention, which is constructed by using one MOS transistor having two gates and a resistance component.
제2도의 낸드 게이트는 2개의 입력 신호 Vin1, Vin2를 갖는 하나의 NMOS 트랜지스터 M20를 사용하기 때문에 하나의 낸드 게이트르 구성하는 면적면에서 이득이 많으며, 풀-업 트랜지스터를 사용하지 않고, 풀-다운 트랜지스터를 1개만 사용하기 때문에 신호 전달시간의 지연을 줄일 수 있다.Since the NAND gate of FIG. 2 uses one NMOS transistor M20 having two input signals Vin1 and Vin2, gain is large in area of one NAND gate, and does not use a pull-up transistor and pulls down Since only one transistor is used, the delay of the signal propagation time can be reduced.
제3a도와 제3b도는 본 발명의 제1실시예를 실리콘 기판상에 제조한 것을 도시한 단면도와 그 등가회로(Equivalent Circuit)도이다.3A and 3B are cross sectional views showing the first embodiment of the present invention manufactured on a silicon substrate, and an equivalent circuit diagram thereof.
그 동작을 살펴보면, 2개의 게이트(1,7)에 로직하이 신호를 인가하면 드레인(2)과 소오스(3) 사이에 채널(Channel)(5,6)이 형성되어 출력단 Vout은 로직로우 상태가 되고, 2개의 게이트(1,7)중 하나라도 로직로우가 인가되면 이에 해당하는 채널(5,6)이 소실되어 출력단 Vout은 로직하이 상태를 유지하게 된다.In operation, when a logic high signal is applied to the two gates 1 and 7, a channel 5 and 6 is formed between the drain 2 and the source 3 so that the output terminal Vout has a logic low state. When a logic low is applied to any one of the two gates 1 and 7, the corresponding channel 5 or 6 is lost and the output terminal Vout is maintained at the logic high state.
상기의 게이트(7)는 제3a도에 도시한 바와같이 캐패시티브 커플링(Capacitive Coupling)을 이용하여 채널을 형성하며, 게이트(7)에 전압을 인가하면 게이트(7)와 도전층 스페이서(4), 그리고 실리콘 기판(8) 사이의 산화막 두께(Oxide Thickness) 비에 따라서 실리콘 기판(8)에 전압이 유기되고, 이에 따라 채널(6)이 형성된다.As shown in FIG. 3A, the gate 7 forms a channel by using capacitive coupling. When a voltage is applied to the gate 7, the gate 7 and the conductive layer spacer ( 4) and the voltage is induced in the silicon substrate 8 according to the oxide thickness ratio between the silicon substrates 8, and thus the channel 6 is formed.
제4a도 내지 제4f도는 본 발명의 제1실시예의 낸드 게이트를 제조하는 단계를 도시한 단면도이다.4A to 4F are sectional views showing the steps of manufacturing the NAND gate of the first embodiment of the present invention.
제4a도는 실리콘 기판(100) 상부에 제1게이트(41)를 형성한 후, 산화 공정을 실시하여 상부 표면을 따라 산화막(42)을 형성하고, 다시 그 상부에 도전층(43) 예를들어 폴리실리콘(Polysilicon)을 증착한 단면도이다.4A illustrates that after forming the first gate 41 on the silicon substrate 100, an oxidation process is performed to form an oxide film 42 along the upper surface thereof, and then to the conductive layer 43, for example. Polysilicon (Polysilicon) is a cross-sectional view of the deposition.
제4b도는 제4a도의 공정 후에 제1게이트(41)를 중심으로 하여 상기 도전층(43)의 한쪽 부분을 식각한 단면도이다.FIG. 4B is a cross-sectional view of one portion of the conductive layer 43 being etched around the first gate 41 after the process of FIG. 4A.
제4c도는 제4b도의 공정 후에 식각되지 않는 한쪽 도전층(43)을 에치-백(Etch-Back)하여 상기 게이트(41)의 측벽에 플로팅 게이트로 이용되는 도전층 스페이서(44)를 형성한 단면도이다.4C is a cross-sectional view of the conductive layer spacer 44 used as a floating gate on the sidewall of the gate 41 by etching back one conductive layer 43 that is not etched after the process of FIG. 4B. to be.
제4d도는 제4c도의 공정후에 제1게이트(41)와 도전층 스페이서(44)를 셀프얼라인(Self Align) 마스크로 이용하여 N형 불순물을 기판으로 주입하여 소오스(46)와 드레인(45)을 형성한 단면도이다.4D illustrates that the source 46 and the drain 45 are formed by injecting N-type impurities into the substrate using the first gate 41 and the conductive layer spacer 44 as a self-align mask after the process of FIG. 4C. The cross section is formed.
제4e도는 제4d도의 공정 후에 그 상부 표면을 따라 얇은 산화막(47)을 증착하고 그 상부에 도전층(48) 예를들어 폴리실리콘층을 증착한 단면도이다.4E is a cross-sectional view of depositing a thin oxide film 47 along the upper surface after the process of FIG. 4D and depositing a conductive layer 48, for example, a polysilicon layer thereon.
제4f도는 제4e도의 공정 후에 상기 도전층(48)의 한쪽을 식각하여 상기 도전층 스페이서(44)와 오버랩되는 제2게이트(41)를 형성하여 하나의 소오스, 드레인 사이에 제1게이트와 제2게이트가 구비된 MOS 트랜지스터를 제조하여 낸드 게이트를 완성한 단면도이다.FIG. 4f shows a second gate 41 overlapping the conductive layer spacer 44 by etching one side of the conductive layer 48 after the process of FIG. 4e to form the first gate and the first gate and drain between one source and a drain. A cross-sectional view of a NAND gate manufactured by fabricating a MOS transistor having two gates.
상기 제4a도 내지 제4f도의 실리콘 기판(100) 상에 N-웰(도시안됨)을 형성하고 소오스(46)와 드레인(45)을 P+ 활성층으로 제조하여 PMOS형 낸드 게이트를 제조할 수 있다.An N-well (not shown) may be formed on the silicon substrate 100 of FIGS. 4A through 4F, and the source 46 and the drain 45 may be manufactured using a P + active layer to manufacture a PMOS NAND gate.
제5a도와 제5b도는 본 발명의 제2실시예를 실리콘 기판상에 제조한 것의 도시한 단면도와 그 등가회로도로서, 2개의 도전층 스페이서를 이용하여 3개의 게이트를 하나의 소오스 및 드레인 사이에 구비시켜 낸드게이트 구조를 형성한 것이다.5A and 5B are cross-sectional views and equivalent circuit diagrams of a second embodiment of the present invention fabricated on a silicon substrate, wherein three gates are provided between one source and drain using two conductive layer spacers. This is to form a NAND gate structure.
상기 제4a도 내지 제4f도의 공정에서와 마찬가지로 우선, 실리콘기판(100)상부에 제1게이트(41)를 형성한 다음, 그 상부표면에 산화막(42)을 형성하고, 도전층을 도포하여 식각 공정으로 제1게이트(41)의 양쪽에 도전층 스페이서(44A,44B)를 형성한 후, 그 상부에 다시 얇은 산화막(47)을 증착한 다음, 도전층(48)을 도포하고, 상기의 공정 후에 제1게이트(41)를 중심으로 하여 도전층(48)의 가운데 부분의 일정 부분을 식각하여 2개로 분리되고, 상기 도전층 스페이서(44A,44B)에 오버랩되는 제2게이트(48A,48B)를 형성함으로써, 3개의 게이트가 하나의 소오스, 드레인 사이의 기판 상부에 구비되어 3개의 입력 단자를 갖는 낸드 게이트 구조를 완성한다.As in the processes of FIGS. 4A to 4F, first, a first gate 41 is formed on the silicon substrate 100, an oxide film 42 is formed on the upper surface thereof, and a conductive layer is coated to etch it. After the conductive layer spacers 44A and 44B are formed on both sides of the first gate 41 by the process, a thin oxide film 47 is further deposited on top of the first gate 41, and then the conductive layer 48 is applied. Subsequently, the second gates 48A and 48B overlapping the conductive layer spacers 44A and 44B are separated into two by etching a portion of the center portion of the conductive layer 48 around the first gate 41. By forming N, three gates are provided on the substrate between one source and a drain to complete a NAND gate structure having three input terminals.
상기의 제5a도 내지 제5b도에서도 활성층을 N+형 또는 P+형으로 하여 선택적으로 PMOS형 또는 NMOS형 트랜지스터를 포함하는 낸드 게이트를 제조할 수 있다.5A to 5B, the NAND gate including the PMOS transistor or the NMOS transistor can be selectively manufactured by making the active layer an N + type or a P + type.
상기한 본 발명의 실시예에서 설명한 바와같이 여러개의 게이트를 갖는 하나의 소오스, 드레인 사이의 기판 상부에 형성하여 낸드 게이트를 구성하게 되면 종래의 여러개의 모스펫을 이용하여 낸드 게이트를 구현할 때에 비해서 낸드 게이트가 반도체 소자 내부에서 차지하는 면적을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 동작시 신호의 전달 지연시간도 줄이고, 회로의 래이아웃도 단순화시키는 효과를 얻을 수 있다.As described in the above-described embodiments of the present invention, when a NAND gate is formed by forming an upper portion of a substrate between a single source and a drain having multiple gates, the NAND gate is implemented as compared with the conventional NAND gate using a plurality of MOSFETs. Not only can reduce the area occupied within the semiconductor device, but also reduce the propagation delay time of the signal during operation and simplify the layout of the circuit.
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