JP2002280466A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】製造容易で、しかも素子の高集積化を可能とす
る多信号入力しきい値処理用半導体装置であるνMOS
トランジスタを提供すること。
【解決手段】Si基板1上に形成されたCMOS回路の
ゲート電極をフローティングゲート電極3とし、フロー
ティングゲート電極3と絶縁膜を介して容量結合する複
数の信号入力用電極5を備えたνMOSトランジスタ回
路において、複数の信号入力用電極5を該Si基板上に
形成したことを特徴とするνMOSトランジスタ回路を
構成する。信号入力用電極5を該Si基板上に形成した
ことによって、信号入力用電極5とフローティングゲー
ト電極3との間の絶縁膜を極めて薄くすることができ、
素子の高集積化が可能となる。
(57) Abstract: νMOS which is a semiconductor device for multi-signal input threshold value processing which is easy to manufacture and enables high integration of elements
To provide a transistor. A νMOS transistor circuit including a gate electrode of a CMOS circuit formed on a Si substrate as a floating gate electrode and a plurality of signal input electrodes coupled capacitively to the floating gate electrode via an insulating film. , A plurality of signal input electrodes 5 are formed on the Si substrate to constitute a νMOS transistor circuit. By forming the signal input electrode 5 on the Si substrate, the insulating film between the signal input electrode 5 and the floating gate electrode 3 can be made extremely thin,
High integration of the device becomes possible.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係わ
り、特に、フローティングゲート電極を有する半導体装
置に係わる。The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device having a floating gate electrode.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、多量のデータを相互に交換しあう
システムであるニューロネットワークが盛んに研究され
ている。このシステムの構成要素として、多入力信号の
積和演算としきい値処理とを行う回路が必要となる。そ
のような、多入力信号の積和演算としきい値処理とを簡
単な回路構成で行うことが可能であるニューロMOSト
ランジスタ(νMOSトランジスタ)回路が考案され、
特許番号第2662559号で登録されている。2. Description of the Related Art In recent years, a neural network, which is a system for exchanging a large amount of data with each other, has been actively studied. As a component of this system, a circuit for performing a product-sum operation of multiple input signals and threshold processing is required. A neuro MOS transistor (νMOS transistor) circuit capable of performing such a multiply-add signal product-sum operation and threshold processing with a simple circuit configuration has been devised.
It is registered under Patent No. 2662559.
【0003】典型的なνMOSトランジスタの構成を図
6の(a)及び(b)に示す。(a)は平面図であり、
(b)は断面図である。このνMOSトランジスタは、
文献1“Tadashi Shibata and Tadahiro Ohmi, A Funct
ional MOS Transistor Featuring Gate-Level Weighted
Sum and Threshold Operations, IEEE Transactionson
Electron Devices, Vol. 39, No. 6, pp. 1444-1455,
1992”で示されたものであり、図6の(a)及び(b)
のような構造とレイアウトによって実現されている。ν
MOSトランジスタの電極構造はEEPROMと類似の
構造であり、Si基板1からゲート酸化膜2を隔てフロ
ーティングゲート電極3があり、フローティングゲート
電極3から更に層間膜4を隔て信号入力用の複数の電極
5がある。構造的には、Si基板1の面に対して垂直方
向に、Si基板1から遠い距離にある上位の層から順
に、2つの部分に分割することができる。第1の部分
は、信号入力用の複数電極5とフローティングゲート電
極3の容量結合部分であり、第2の部分は、フローティ
ングゲート電極3を入力ゲート電極とする一般的なMO
S型電界効果トランジスタ(MOSFET)である。FIGS. 6A and 6B show the configuration of a typical νMOS transistor. (A) is a plan view,
(B) is a sectional view. This νMOS transistor is
Reference 1 “Tadashi Shibata and Tadahiro Ohmi, A Funct
ional MOS Transistor Featuring Gate-Level Weighted
Sum and Threshold Operations, IEEE Transactionson
Electron Devices, Vol. 39, No. 6, pp. 1444-1455,
1992 ", and shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
It is realized by such a structure and layout. ν
The electrode structure of the MOS transistor is similar to that of the EEPROM. The MOS transistor has a floating gate electrode 3 separated by a gate oxide film 2 from a Si substrate 1, and a plurality of signal input electrodes 5 separated by a further interlayer film 4 from the floating gate electrode 3. There is. Structurally, it can be divided into two portions in the direction perpendicular to the surface of the Si substrate 1 in order from an upper layer farther from the Si substrate 1. The first part is a capacitive coupling part between the signal input plural electrodes 5 and the floating gate electrode 3, and the second part is a general MO having the floating gate electrode 3 as an input gate electrode.
It is an S-type field effect transistor (MOSFET).
【0004】[νMOS製造プロセス]νMOSを製造
する際には、通常の半導体装置製造プロセスが利用され
る。[ΝMOS Manufacturing Process] When manufacturing a νMOS, an ordinary semiconductor device manufacturing process is used.
【0005】従来の半導体装置製造技術の中で、本発明
に係る半導体装置の製造に関連するものについて以下に
説明する。[0005] Among the conventional semiconductor device manufacturing techniques, those related to the manufacture of the semiconductor device according to the present invention will be described below.
【0006】まず、SOI(Semiconductor-On-Silico
n)基板上にトランジスタ及び集積回路を製造するSO
I技術について説明する。文献2“S. Nakashima, et a
l., Thickness Increment of Buried Oxide in a SIMOX
Wafer by High-temperature Oxidation, IEEE Interna
tional SOI Coference, pp. 71-72, 1994”に記載され
ているSIMOX(Separation by IMplanted OXygen)
基板、文献3“T. Yonehara, K. Sakaguchi and N. Sat
o, Epitaxial layer transfer by bond and etchback o
f porous Si, Appl. Phys. Lett., Vol. 64, No. 16, 1
8 April, pp. 2108-2110, 1994”に記載されているBE
SOI(Bond and Etchback SOI)であるELTRAN(Ep
itaxial Layer TRANsfer)、文献4“M. Bruel, Silicon
on insulator material technology, Electronics Let
ters, Vol. 31, No. 14, pp. 1201-1202, 6th July 199
5”に記載されているUNIBONDに代表されるSO
I基板が開発され、基板としての質、量ともに向上して
きている。First, SOI (Semiconductor-On-Silico)
n) SO for manufacturing transistors and integrated circuits on a substrate
I technology will be described. Reference 2 “S. Nakashima, et a
l., Thickness Increment of Buried Oxide in a SIMOX
Wafer by High-temperature Oxidation, IEEE Interna
SIMOX (Separation by IMplanted OXygen) described in National SOI Coference, pp. 71-72, 1994 ".
Substrate, Reference 3 “T. Yonehara, K. Sakaguchi and N. Sat
o, Epitaxial layer transfer by bond and etchback o
f porous Si, Appl. Phys. Lett., Vol. 64, No. 16, 1
8 April, pp. 2108-2110, 1994 ”
ELTRAN (Ep) which is SOI (Bond and Etchback SOI)
itaxial Layer TRANsfer), Reference 4 “M. Bruel, Silicon
on insulator material technology, Electronics Let
ters, Vol. 31, No. 14, pp. 1201-1202, 6th July 199
SO represented by UNIBOND described in 5 "
The I-substrate has been developed and the quality and quantity of the substrate have been improved.
【0007】図9は、SIMOX基板上に作製されたn
チャネルMOSトランジスタの構造を表す断面図であ
り、典型的なバルク基板上に製造されたMOSトランジ
スタとは、埋め込み酸化物層(buried oxide layer)6
が存在し、アクティブシリコン層(active Si layer)
7が薄膜化されている点が異なる。また、図9に示すよ
うなSOI基板上のMOSトランジスタを用いたマイク
ロプロセッサーも文献5“D. H. Allen, A. G. Aippers
pach, D. T. Cox, N. V. Phan and S. N. Storino, A
0.2μm 1.8V SOI 550MHz 64b Power PC Microprocesso
r with Copper Interconnects, IEEE International So
lid-State Circuit Conference, WP 25.7 438-439, 199
9”に代表されるように開発されている。FIG. 9 shows an n-type semiconductor device fabricated on a SIMOX substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure of a channel MOS transistor. A typical MOS transistor manufactured on a bulk substrate includes a buried oxide layer (buried oxide layer) 6.
Exists, active silicon layer (active Si layer)
7 is different from that of FIG. A microprocessor using a MOS transistor on an SOI substrate as shown in FIG. 9 is also disclosed in Reference 5 “DH Allen, AG Aippers.
pach, DT Cox, NV Phan and SN Storino, A
0.2μm 1.8V SOI 550MHz 64b Power PC Microprocesso
r with Copper Interconnects, IEEE International So
lid-State Circuit Conference, WP 25.7 438-439, 199
It has been developed as represented by 9 ".
【0008】SOI基板上のMOSトランジスタは、従
来のMOSトランジスタに比べて、高速動作、高集積
化、高信頼性などの特徴があるため、近い将来のLSI
の基本素子となる可能性が高く、市場性も高い。このた
め、SOI基板の低価格化、質の向上、集積回路製造技
術の向上などが見込まれる。A MOS transistor on an SOI substrate has characteristics such as high-speed operation, high integration, and high reliability as compared with a conventional MOS transistor.
Is highly likely to be a basic element and has high marketability. For this reason, it is expected that the price of the SOI substrate will be reduced, the quality will be improved, and the integrated circuit manufacturing technology will be improved.
【0009】SOI基板上にνMOSトランジスタを作
製することは、特許第2662559号の第7の実施例
で示唆されているが、該実施例のνMOSトランジスタ
は前記のνMOSトランジスタと同じ構造をSOI基板
上に作製したものである。Although the manufacture of a νMOS transistor on an SOI substrate is suggested in the seventh embodiment of Japanese Patent No. 2666259, the νMOS transistor of this embodiment has the same structure as the above νMOS transistor on the SOI substrate. It was made in.
【0010】次に、電極配線埋め込み技術について説明
する。Next, an electrode wiring embedding technique will be described.
【0011】近年、LSIの集積度を向上するためと、
LSIの高速化の支配要因になりつつある配線遅延を低
減するために、配線の多層化のため様々な技術が研究開
発され用いられている。この技術の1つに6層Cu配線
を実現している文献6“S. Venkatesan, et al., A Hig
h Performance 1.8V, 0.20 μm CMOS Technology with
Copper Metallization, IEEE Int. Electron Devices
Meeting, Tech. Dig.,pp. 769-772, 1997”、及び、文
献7“D. Edelstein, et al., Full Copper Wiring in
a Sub-0.25 μm CMOS ULSI Technology, IEEE Int. El
ectron DevicesMeeting, Tech. Dig., pp. 773-776, 19
97”に記載されているようなダマシン(Damasine)技術
がある。これは、電気Cuめっき法とCMP(Chemical
Mechanical Polishing)技術を組み合わせたものであ
り、Alよりも比抵抗の小さいCuを配線材料として使
用するために開発された。In recent years, in order to improve the degree of integration of LSI,
In order to reduce the wiring delay, which is becoming a dominant factor in increasing the speed of LSIs, various technologies for multi-layer wiring have been researched, developed, and used. One of the technologies that realizes six-layer Cu wiring is Reference 6 “S. Venkatesan, et al., A Hig
h Performance 1.8V, 0.20 μm CMOS Technology with
Copper Metallization, IEEE Int. Electron Devices
Meeting, Tech. Dig., Pp. 769-772, 1997 ”and Reference 7“ D. Edelstein, et al., Full Copper Wiring in
a Sub-0.25 μm CMOS ULSI Technology, IEEE Int. El
ectron DevicesMeeting, Tech.Dig., pp. 773-776, 19
97 ". There is a Damasine technology as described in" Electrical Cu Plating Method and CMP (Chemical
This is a combination of mechanical polishing technology and was developed to use Cu having a lower specific resistance than Al as a wiring material.
【0012】ダマシン技術の概要は次の通りである。配
線形成のために層間絶縁膜に配線領域の溝を形成し、溝
の底面と側面にCuの拡散を防止するバリアメタルを堆
積し、電気めっき法によりCuを溝に埋め込み、溝の外
部にあるCuをCMPにより研磨除去し、配線を形成す
る。The outline of the damascene technology is as follows. A groove in the wiring region is formed in the interlayer insulating film for forming a wiring, a barrier metal for preventing diffusion of Cu is deposited on the bottom and side surfaces of the groove, and Cu is buried in the groove by electroplating. Cu is polished and removed by CMP to form a wiring.
【0013】このように、LSI製造工程にウエハ研磨
という技術が取り込まれ、Siウエハベンダーのみなら
ず、LSIメーカであっても研磨が可能になっている。As described above, the technique of wafer polishing has been incorporated into the LSI manufacturing process, so that not only Si wafer vendors but also LSI manufacturers can perform polishing.
【0014】[νMOSトランジスタの動作原理]以下
に、νMOSトランジスタをしきい素子として利用する
場合の動作原理について説明する。[Operation Principle of νMOS Transistor] The operation principle when the νMOS transistor is used as a threshold element will be described below.
【0015】まず初めに、しきい素子とは(1)式のし
きい関数を実現する素子であると定義し、否定出力型し
きい素子とは、(1)式の出力値が論理的反転である素
子と定義する。但し、xiは入力値、wiは入力値に乗
算される重み係数、thはしきい値、fは出力値を表
す。First, a threshold element is defined as an element realizing the threshold function of the equation (1), and a negative output type threshold element is defined as a logical inversion of the output value of the equation (1). Is defined as an element. However, x i is the input value, the w i weight coefficient to be multiplied to an input value, th is the threshold, f is representative of the output value.
【0016】[0016]
【数1】 次に、νMOSトランジスタとしきい素子との関係を説
明する。図6(c)は、上記文献1に示されるνMOS
トランジスタを用いてしきい素子を実現するための回路
を表す図である。この回路は、前記のフローティングゲ
ート電極をゲート電極とするnチャネルMOSFETと
pチャネルMOSFETとを用いたCMOSインバータ
回路である。図7は、図6(c)の回路を表す回路図で
ある。V ddを電源電位(supply voltage)、Vssを
グランド電位(GND)V1〜V nの電位を入力する端
子を入力[1]端子〜入力[n]端子とした。このインバータ
回路のことを以降νMOSインバータと呼ぶ。(Equation 1)Next, the relationship between the νMOS transistor and the threshold element is explained.
I will tell. FIG. 6C shows the νMOS shown in the above reference 1.
Circuits for realizing threshold elements using transistors
FIG. This circuit is based on the floating gate
N-channel MOSFET with gate electrode as gate electrode
CMOS inverter using p-channel MOSFET
Circuit. FIG. 7 is a circuit diagram showing the circuit of FIG.
is there. V ddIs the supply voltage, VssTo
Ground potential (GND) V1~ V nTerminal to input the potential of
The terminals were input [1] to input [n] terminals. This inverter
The circuit is hereinafter referred to as a νMOS inverter.
【0017】νMOSインバータの動作と標準的なCM
OSインバータの動作上の相違は、前記第1の部分であ
る入力部の動作にある。νMOSインバータの入力部は
複数の信号入力用の電極(端子)とフローティングゲー
ト電極の容量結合からなり、この複数の信号入力用端子
の電位に関係するフローティングゲート電極の電位によ
って、前記の第2の部分であるMOSインバータが駆動
される。Operation of νMOS inverter and standard CM
The difference in the operation of the OS inverter lies in the operation of the input unit which is the first part. The input part of the νMOS inverter is formed by capacitive coupling between a plurality of signal input electrodes (terminals) and a floating gate electrode. The second gate is connected to the second gate by the potential of the floating gate electrode related to the potential of the plurality of signal input terminals. The MOS inverter which is a part is driven.
【0018】入力部において重要な意味を持つ容量に着
目する。図8は、νMOSインバータの容量成分に着目
した容量成分等価回路を表す図である。図8では、フロ
ーティングゲート電極の電位をVfg、各信号入力端子
の電位をV1〜Vn、出力端子の電位をVoutで表
し、各信号入力端子とフローティングゲート電極との間
の容量値をC1〜Cn、フローティングゲート電極とp
-νMOSの各端子、即ち、ソース、基板(または、ウ
ェル)、ドレインとの間の容量値を各々、Cp1、C
p2、Cp3、同様にn-νMOSとの間の容量値をC
n1、Cn2、Cn 3とした。フローティングゲート電
極とトランジスタの各端子との間の容量は電位依存性を
持つが、ここでは原理を説明することに焦点を当てるた
め、簡単化し、固定容量値として説明する。また、フロ
ーティングゲート電極の電荷量と電位の関係も様々な組
合せが考えられるが、ここでは、フローティングゲート
電極が完全に絶縁されている状態でフローティングゲー
ト電極上の電荷量が「0」である(2)式が成り立つ場
合を考える。Attention is paid to a capacitance having an important meaning in the input section. FIG. 8 is a diagram illustrating a capacitance component equivalent circuit focusing on the capacitance component of the νMOS inverter. In FIG. 8, the potential of the floating gate electrode is represented by V fg , the potential of each signal input terminal is represented by V 1 to V n , and the potential of the output terminal is represented by V out , and the capacitance value between each signal input terminal and the floating gate electrode To C 1 to C n , the floating gate electrode and p
The capacitance value between each terminal of -νMOS, that is, the source, the substrate (or well), and the drain is represented by C p1 and C p , respectively.
p2 , C p3 , and similarly, the capacitance value between n-νMOS
n1, was C n2, C n 3. The capacitance between the floating gate electrode and each terminal of the transistor has potential dependence, but here, for simplicity, the description is made as a fixed capacitance value in order to focus on explaining the principle. Various combinations of the relationship between the charge amount and the potential of the floating gate electrode can be considered. In this case, the charge amount on the floating gate electrode is “0” in a state where the floating gate electrode is completely insulated ( 2) Consider the case where the equation holds.
【0019】[0019]
【数2】 上記のような制限を加えても、動作原理の説明は一般性
を失うことはない。(Equation 2) Even with the above limitations, the description of the operating principle does not lose generality.
【0020】(2)式よりフローティングゲート電極電
位Vfgは次の(3)、(4)式で表される。From the equation (2), the floating gate electrode potential V fg is expressed by the following equations (3) and (4).
【0021】[0021]
【数3】 しきい素子としての入力値xiを入力信号電位Viに、
重みwiを各入力ゲート容量値Ciに、しきい値処理を
行う非線形関数をp-νMOSとn-νMOSによる入出
力特性に対応させる。ここで、Vfgが(5)式で表さ
れ、フローティングゲート電極の電位(フローティング
ゲート電位)に対するしきい値をVft hとし、出力電
位を論理値として表現した値をfoutとした場合、ν
MOSインバータの入出力の関係は、(6)式で表され
る否定出力型しきい素子の関係と一致する。(Equation 3) The input value x i as the threshold element is changed to the input signal potential V i ,
The weight w i is made to correspond to each input gate capacitance value C i , and a nonlinear function for performing threshold processing is made to correspond to the input / output characteristics of the p-νMOS and the n-νMOS. Here, V fg is represented by equation (5), if the threshold for potential (floating gate potential) of the floating gate electrode and V ft h, a value representing the output potential as a logical value was f out, ν
The relationship between the input and output of the MOS inverter coincides with the relationship between the negative output type threshold elements expressed by equation (6).
【0022】[0022]
【数4】 従って、νMOSインバータが前記の定義のような一般
的なしきい素子を実現するためには、入力部において線
形加算が行われることが必要であり、そのためには、
(4)式において、(7)式が満たされることが必要で
ある。(Equation 4) Therefore, in order for the νMOS inverter to realize a general threshold element as defined above, it is necessary that linear addition be performed at the input unit.
In the expression (4), it is necessary that the expression (7) is satisfied.
【0023】[0023]
【数5】 換言すると、(7)式が成り立つ時、νMOSインバー
タは(1)式で表される典型的なしきい素子を実現する
ことになる。(Equation 5) In other words, when the equation (7) holds, the νMOS inverter implements a typical threshold element represented by the equation (1).
【0024】次に、νMOS小面積化の課題について述
べる。Next, the problem of reducing the area of the νMOS will be described.
【0025】(7)式は、フローティングゲート電極と
トランジスタの各電極間の容量値、Cp1、Cp2、C
p3、Cn1、Cn2、Cn3に比べて、フローティン
グゲート電極と信号入力用の電極との間の容量値Ciを
非常に大きくし、前者の容量値を無視できる程度の大き
さにする、ことを意味している。フローティングゲート
電極とトランジスタの各電極との間の容量値を代表して
Cpiと記述すると、Cpiは(8)式で表される。但
し、Spiは容量の面積、tox1は電極間の距離であ
るゲート酸化膜厚、ε1はゲート酸化膜の誘電率を表
す。The equation (7) represents the capacitance value between the floating gate electrode and each electrode of the transistor, C p1 , C p2 , C p
The capacitance C i between the floating gate electrode and the signal input electrode is made very large as compared with p 3 , C n1 , C n2 , and C n3 , and the former is made negligible. , That means. If C pi is described as a representative of the capacitance value between the floating gate electrode and each electrode of the transistor, C pi is expressed by equation (8). Here, S pi is the area of the capacitor, tox 1 is the gate oxide film thickness which is the distance between the electrodes, and ε 1 is the dielectric constant of the gate oxide film.
【0026】[0026]
【数6】 一方、Ciは(9)式で表される。但し、Siは容量の
面積、tox2はフローティングゲート電極と信号入力
用電極との間の距離である層間膜厚、ε2は層間膜の誘
電率を表す。(Equation 6) On the other hand, C i is represented by equation (9). However, S i is the area of the capacitor, tox 2 interlayer thickness is the distance between the floating gate electrode and the signal input electrode, epsilon 2 denotes the dielectric constant of the interlayer film.
【0027】[0027]
【数7】 現在のトランジスタを製造するプロセスでは、Si基板
表面とゲート電極(νMOSトランジスタの場合は、フ
ローティングゲート電極に相当する)との間のゲート酸
化膜厚tox1は層間膜厚(例えば、tox2)などの
他の絶縁膜の厚さに比較して薄い。これは次の理由によ
る。LSIの製造工程において、Si基板上に絶縁膜、
半導体材料、金属材料などを積層するために、基板に平
行な2次元面の平坦化が必要である。しかしながら、そ
の2次元面の完全平坦化が困難であるために、最下層で
あるゲート酸化膜に比較して上層部の膜間の厚さをより
薄くすることが困難であるためである。この理由によ
り、(10)式が成り立っている。(Equation 7) In the process for producing the current of the transistor, Si (in the case of νMOS transistors, corresponding to the floating gate electrode) substrate surface and the gate electrode a gate oxide film thickness tox 1 interlayer thickness between (e.g., tox 2) such as Thinner than other insulating films. This is for the following reason. In an LSI manufacturing process, an insulating film is formed on a Si substrate,
In order to stack a semiconductor material, a metal material, and the like, it is necessary to planarize a two-dimensional plane parallel to the substrate. However, since it is difficult to completely flatten the two-dimensional surface, it is difficult to make the thickness between the upper layers thinner than that of the gate oxide film as the lowermost layer. For this reason, equation (10) holds.
【0028】 tox1 < tox2 (10) また、層間膜としては、ゲート酸化膜と同じ材料である
SiO2が使用されることが多いため、一般的には誘電
率は、ε1=ε2である。Tox 1 <tox 2 (10) Further, since SiO 2, which is the same material as the gate oxide film, is often used as the interlayer film, the dielectric constant is generally ε 1 = ε 2 It is.
【0029】従って、Ci、Cpiが(7)式を満たす
ためには、トランジスタの面積はできるだけ小さくなる
ように最適化されていると仮定すると、(11)式のよ
うに、信号入力用電極とフローティングゲート電極との
間の容量の面積の和をフローティングゲート電極とトラ
ンジスタとの間の容量の面積の和に比較して非常に大き
くする必要がある。但し、Sniは、n-νMOSの電
極とフローティングゲート電極との間の容量値の代表値
であるCniの面積を表していている。Therefore, assuming that the area of the transistor is optimized to be as small as possible in order for C i and C pi to satisfy the equation (7), as shown in the equation (11), The sum of the area of the capacitance between the electrode and the floating gate electrode needs to be much larger than the sum of the area of the capacitance between the floating gate electrode and the transistor. Here, S ni represents the area of C ni which is a representative value of the capacitance value between the n-νMOS electrode and the floating gate electrode.
【0030】[0030]
【数8】 [νMOSトランジスタ高集積化の障害]現在、νMO
Sインバータをしきい素子として使用する場合、(1
1)式が満足されるように、回路設計において、Ciを
大きく、すなわち、Ciがレイアウト上で占める面積を
大きくしているために、標準的CMOSインバータに比
較してレイアウト面積が大きくなるという問題があり、
これが、νMOSの高集積化の障害となっている。(Equation 8) [Barrier to high integration of νMOS transistor] Currently, νMO
When the S inverter is used as a threshold element, (1
In circuit design, C i is large, that is, the area occupied by C i in the layout is large so that the expression 1) is satisfied. Therefore, the layout area is large as compared with a standard CMOS inverter. There is a problem,
This is an obstacle to high integration of νMOS.
【0031】すでに述べたように、LSI製造工程上の
理由から、tox2をtox1より小さくすることが非
常に困難であるので、このことを認めた上で、上記の問
題を解決するために、DRAMメモリセルの高集積化と
レイアウト上の小面積化のために取られている以下の技
術と類似の方針が考えられる。[0031] As already mentioned, for reasons of LSI manufacturing process, since it possible to reduce the tox 2 from tox 1 is very difficult, in terms of acknowledged this fact, in order to solve the above problems A policy similar to the following technique which is adopted for high integration of DRAM memory cells and reduction in layout area can be considered.
【0032】まず、第1の提案として、層間膜の誘電率
ε2をゲート酸化膜の誘電率ε1よりも非常に大きくす
る。これは、DRAMメモリセルの絶縁膜として、Si
O2よりも高い誘電率を有する高誘電体材料であるTa
2O5膜、BaxSr1−xTiO3膜(BST)が研
究開発されているのと同様に、層間膜として高誘電体材
料を用いる方針である。Ta2O5膜については、例え
ば、文献8“H. Miki,et al., Leakage-current mechan
ism of a tantal-pentoxide capacitor on rugged Si w
ith a CVD-TiN plate electrode for high-density DRA
Ms, Symposiumon VLSI Technology Digest of Technica
l Papers, pp. 99-100, 1999”に、BaxSr1−xT
iO3膜については文献9“K. Ono, et al., (Ba,Sr)T
iO3 Capacitor Technology for Gbit-Scale DRAMs, IE
EE Int. Electron Devices Meeting, Tech. Dig., pp.
803-806, 1998”に記載されている。Firstly, as the first proposal is much larger than the dielectric constant epsilon 1 of the gate oxide film dielectric constant epsilon 2 of the interlayer film. This is because the insulating film of the DRAM memory cell
Ta, a high dielectric material having a higher dielectric constant than O 2
Similar to the research and development of 2 O 5 film and Ba x Sr 1-x TiO 3 film (BST), it is a policy to use a high dielectric material as an interlayer film. For the Ta 2 O 5 film, see, for example, Reference 8 “H. Miki, et al., Leakage-current mechan.
ism of a tantal-pentoxide capacitor on rugged Si w
ith a CVD-TiN plate electrode for high-density DRA
Ms, Symposiumon VLSI Technology Digest of Technica
l Papers, pp. 99-100, in 1999 ", Ba x Sr 1- x T
iO 3 for the film literature 9 "K. Ono, et al ., (Ba, Sr) T
iO 3 Capacitor Technology for Gbit-Scale DRAMs, IE
EE Int. Electron Devices Meeting, Tech. Dig., Pp.
803-806, 1998 ".
【0033】次に、第2の提案として、電極の構造を工
夫し、実効的な容量値を大きくする。これは、DRAM
メモリセルが単純な平面型であるプレーナキャパシタ構
造から、レイアウト上の面積の増大を抑えながらも実効
的な面積を大きくするトレンチ構造、スタック構造、H
SG(Hemi-Spherical Grained)技術による構造と2次
元構造から3次元構造へと様々な構造上の工夫がなされ
ているのと類似の方法を用いる方針である。基板に堀っ
た堀の側面を電極とすることによって電極の表面積を増
大させるトレンチ構造に関しては文献10“H. Sunami, e
t al., A Corrugated Capacitor Cell (CCC) for Megab
it Dynamic MOS Memories, IEEE Int. Electron Device
s Meeting, Tech. Dig., pp. 806-808, 1982”に記述さ
れている。単純な平面だけではなく電極を垂直方向に伸
ばすことによって表面積を増大させたスタック構造に関
しては文献11“M. Koyanagi, H. Sunami, N. Hashimoto
and M. Ahikawa, Novel High Density, Stacked Capac
itor MOS RAM, IEEE Int.Electron Devices Meeting, T
ech. Dig., pp. 348-351, 1978”に記述されている。容
量用の電極であるSi表面に半球状の凸形状を形成する
ことによって電極表面積を2倍程度に増大させるHSG
技術に関しては文献12“H. Watanabe, N.Aoto, S. Adac
hi and T. Kikkawa, Device application and structur
e observation for hemispherical-grained Si, J. App
l. Phys., Vol. 71, No. 7, 1 April, pp. 3538-3543,
1992”に記載されている。Next, as a second proposal, the structure of the electrode is devised to increase the effective capacitance value. This is a DRAM
From a planar capacitor structure in which a memory cell is a simple planar type, to a trench structure, a stack structure, and an H structure in which an effective area is increased while suppressing an increase in layout area.
The policy is to use a method similar to that in which various structural devices are devised from a structure based on SG (Hemi-Spherical Grained) technology and a two-dimensional structure to a three-dimensional structure. Reference 10 “H. Sunami, e” describes a trench structure that increases the surface area of an electrode by using the side surface of a moat dug in a substrate as an electrode.
t al., A Corrugated Capacitor Cell (CCC) for Megab
it Dynamic MOS Memories, IEEE Int. Electron Device
s Meeting, Tech. Dig., pp. 806-808, 1982. For a stack structure in which the surface area is increased by extending electrodes in a vertical direction as well as a simple plane, see Reference 11 “M. Koyanagi, H. Sunami, N. Hashimoto
and M. Ahikawa, Novel High Density, Stacked Capac
itor MOS RAM, IEEE Int.Electron Devices Meeting, T
ech. Dig., pp. 348-351, 1978 ". HSG that increases the electrode surface area by about twice by forming a hemispherical convex shape on the surface of Si, which is a capacitor electrode.
For technology, see Reference 12 “H. Watanabe, N. Aoto, S. Adac
hi and T. Kikkawa, Device application and structur
e observation for hemispherical-grained Si, J. App
l. Phys., Vol. 71, No. 7, 1 April, pp. 3538-3543,
1992 ".
【0034】[0034]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
高誘電体材料を使用する方針は、νMOSトランジスタ
で構成された回路(νMOS回路)の製造方法を大幅に
変更することを必要とする。また、電極構造を工夫する
場合でも、トレンチ構造やHSGのような方法は新しい
製造方法の研究開発を余儀なくされている。However, the above policy of using a high dielectric material requires a drastic change in the method of manufacturing a circuit composed of νMOS transistors (νMOS circuit). In addition, even when the electrode structure is devised, methods such as a trench structure and HSG are forced to research and develop a new manufacturing method.
【0035】従って、製造容易で、しかも素子の高集積
化を可能とするνMOSトランジスタを構成すること
は、現在でも、重要な課題となっている。Therefore, it is still an important task to construct a νMOS transistor which is easy to manufacture and enables high integration of elements.
【0036】本発明の目的は、上記の課題を解決し、製
造容易で、しかも素子の高集積化を可能とする多信号入
力しきい値処理用半導体装置であるνMOSトランジス
タを提供することである。An object of the present invention is to provide a νMOS transistor which is a semiconductor device for multi-signal input threshold value processing which solves the above-mentioned problems, is easy to manufacture, and enables high integration of elements. .
【0037】[0037]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、請求項1に記載のように、基板上に第1
の導電型の半導体領域を有し、前記半導体領域内に設け
られている第1の導電型とは異なる第2の導電型の半導
体であるソース領域とドレイン領域とを有し、前記ソー
ス領域とドレイン領域とを隔てる領域の上に、絶縁膜を
介して設けられている電気的に絶縁状態を取るか、また
は、少なくとも過渡的に電気的に絶縁状態を取ることが
可能であるフローティングゲート電極を有し、前記フロ
ーティングゲート電極と、絶縁膜を介して容量結合する
複数のゲート電極を前記基板上に有することを特徴とす
る半導体装置を構成する。In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of:
Having a semiconductor region of a second conductivity type provided in the semiconductor region and having a semiconductor of a second conductivity type different from the first conductivity type. On the region separating from the drain region, an electrically insulating state provided through an insulating film or a floating gate electrode which can at least transiently be electrically insulated is provided. And a plurality of gate electrodes that are capacitively coupled to the floating gate electrode via an insulating film on the substrate.
【0038】また、本発明は、請求項2に記載のよう
に、基板上に第1の導電型の半導体領域を有し、前記半
導体領域内に設けられている第1の導電型とは異なる第
2の導電型の半導体であるソース領域とドレイン領域と
を有し、前記ソース領域とドレイン領域とを隔てる領域
の上に、第1の絶縁膜を介して設けられている電気的に
絶縁状態を取るか、または、少なくとも過渡的に電気的
に絶縁状態を取ることが可能であるフローティングゲー
ト電極を有し、前記フローティングゲート電極と、前記
第1の絶縁膜とは異なる第2の絶縁膜を介して容量結合
する複数のゲート電極を前記基板上に有することを特徴
とする半導体装置を構成する。According to the present invention, there is provided a semiconductor device having a semiconductor region of a first conductivity type on a substrate, which is different from the first conductivity type provided in the semiconductor region. An electrically insulating state provided with a first insulating film on a region separating the source region and the drain region, the source region and the drain region being semiconductors of a second conductivity type; Or a floating gate electrode capable of at least transiently taking an electrically insulating state, wherein the floating gate electrode and a second insulating film different from the first insulating film are formed. A semiconductor device having a plurality of gate electrodes on the substrate that are capacitively coupled through the substrate.
【0039】また、本発明は、請求項3に記載のよう
に、基板上に第1の導電型の半導体領域を有し、前記半
導体領域内に設けられている第1の導電型とは異なる第
2の導電型の半導体であるソース領域とドレイン領域と
を有し、前記ソース領域とドレイン領域とを隔てる領域
の上に、絶縁膜を介して設けられている電気的に絶縁状
態を取るか、または、少なくとも過渡的に電気的に絶縁
状態を取ることが可能であるフローティングゲート電極
を有し、前記フローティングゲート電極と、絶縁膜を介
して容量結合する複数のゲート電極を、前記基板上と前
記フローティングゲート電極の上層部位とに形成したこ
とを特徴とする半導体装置を構成する。According to the present invention, there is provided a semiconductor device having a semiconductor region of a first conductivity type on a substrate, which is different from the first conductivity type provided in the semiconductor region. A second conductive type semiconductor having a source region and a drain region, and an insulating state provided over a region separating the source region and the drain region with an insulating film interposed therebetween; Or, having a floating gate electrode capable of at least transiently taking an electrically insulating state, the floating gate electrode, and a plurality of gate electrodes capacitively coupled via an insulating film, on the substrate A semiconductor device is characterized in that the semiconductor device is formed in an upper layer of the floating gate electrode.
【0040】また、本発明は、請求項4に記載のよう
に、上記基板が上記第1の導電型の半導体領域の直下に
絶縁体層を有することを特徴とする請求項1、2または
3に記載の半導体装置を構成する。According to a fourth aspect of the present invention, the substrate has an insulator layer immediately below the semiconductor region of the first conductivity type. Is constituted.
【0041】また、本発明は、請求項5に記載のよう
に、上記基板が上記第1の導電型の半導体領域の直下に
絶縁体層を有し、該絶縁体層の直下に半導体領域を有す
ることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置を構成
する。Further, according to the present invention, as set forth in claim 5, the substrate has an insulator layer directly below the semiconductor region of the first conductivity type, and the semiconductor region is formed immediately below the insulator layer. A semiconductor device according to claim 4 is provided.
【0042】また、本発明は、請求項6に記載のよう
に、上記複数のゲート電極が上記基板上に形成された半
導体領域であることを特徴とする請求項1、2または3
に記載の半導体装置を構成する。According to the present invention, as set forth in claim 6, the plurality of gate electrodes are semiconductor regions formed on the substrate.
Is constituted.
【0043】また、本発明は、請求項7に記載のよう
に、上記複数のゲート電極が基板上に埋め込まれた導電
体領域であることを特徴とする請求項1、2または3に
記載の半導体装置を構成する。According to a seventh aspect of the present invention, the plurality of gate electrodes are conductor regions embedded on a substrate. A semiconductor device is formed.
【0044】また、本発明は、請求項8に記載のよう
に、上記複数のゲート電極が基板上に形成された半導体
領域または導電体であり、該半導体領域または導電体の
直下に少なくとも1層の絶縁体層が存在することを特徴
とする請求項1、2または3に記載の半導体装置を構成
する。According to a further aspect of the present invention, the plurality of gate electrodes are a semiconductor region or a conductor formed on a substrate, and at least one layer is provided immediately below the semiconductor region or the conductor. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulator layer is present.
【0045】[0045]
【発明の実施の形態】本発明は、信号入力用電極とフロ
ーティングゲート電極との間の容量を形成する絶縁膜
と、フローティングゲート電極とトランジスタの各電極
との間の容量を形成する絶縁膜とを共通化することを最
も主要な特徴し、また、信号入力用電極をSi基板上に
形成することも特徴とする。従来の技術とは、νMOS
トランジスタにおける信号入力用電極とフローティング
ゲート電極との間の容量の構造と信号入力用電極の構造
とが異なる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an insulating film forming a capacitance between a signal input electrode and a floating gate electrode, and an insulating film forming a capacitance between a floating gate electrode and each electrode of a transistor. The most important feature is that the signal input electrode is formed on a Si substrate. Conventional technology is νMOS
The structure of the capacitance between the signal input electrode and the floating gate electrode in the transistor is different from the structure of the signal input electrode.
【0046】νMOSインバータを一般的な否定出力型
しきい素子として用いる場合は、(7)式に示した制約
条件を満たす必要があった。信号入力用電極とフローテ
ィングゲート電極との間の容量値は、(9)式で表され
るように、面積と誘電率に比例し、電極間距離に反比例
する。フローティングゲート電極とトランジスタの各電
極との間の容量値は、(8)式で代表される。従来は、
レイアウト上のCiに関する容量の面積を非常に大きく
することによって、(7)式の制約条件を満たしてい
た。レイアウト上の面積の増大を極力少なくするために
は、Ciに関する電極間距離tox2を小さくすること
が有効である。しかしながら、すでに述べたように、L
SI製造工程上の理由により、Si基板とフローティン
グゲート電極との間の絶縁膜(図6中のゲート酸化膜
2)よりも薄く、かつ、ある程度の大きさの面積を有す
る層間膜(図6中の層間膜4)を形成することは困難で
ある。In the case where the νMOS inverter is used as a general negative output type threshold element, it is necessary to satisfy the constraint shown in the equation (7). The capacitance value between the signal input electrode and the floating gate electrode is proportional to the area and the dielectric constant, and inversely proportional to the distance between the electrodes, as represented by equation (9). The capacitance value between the floating gate electrode and each electrode of the transistor is represented by equation (8). conventionally,
By extremely increasing the area of the capacitance related to C i on the layout, the constraint condition of the expression (7) was satisfied. In order to minimize the increase in the area on the layout, it is effective to reduce the inter-electrode distance tox 2 relates C i. However, as already mentioned, L
For reasons of the SI manufacturing process, an interlayer film (thin FIG. 6) that is thinner than the insulating film (gate oxide film 2 in FIG. 6) between the Si substrate and the floating gate electrode and has a certain size of area. It is difficult to form the interlayer film 4).
【0047】本発明においては、フローティングゲート
電極とトランジスタとの間の絶縁膜、即ち、一般的なM
OSトランジスタの場合のゲート酸化膜と、信号入力用
電極とフローティングゲート電極との間の絶縁膜とを共
通化することで、容量を形成する絶縁膜の距離(tox
1とtox2)を等しくすることができる。また、制約
条件中では、信号入力用電極とフローティングゲート電
極との間の容量値の総和値が比較対象であり、通常のし
きい素子は複数の信号入力を有することから、1つの信
号入力用電極とフローティングゲート電極との間の容量
値は1つのフローティングゲート電極とトランジスタの
各電極との間の容量値の総和と同程度あるいはそれ以下
になることもある。上記のように、絶縁膜を共通化する
ことは、製造工程の短縮にも繋がる。In the present invention, the insulating film between the floating gate electrode and the transistor, that is, the general M
By sharing the gate oxide film in the case of the OS transistor and the insulating film between the signal input electrode and the floating gate electrode, the distance (tox)
1 and tox 2 ) can be equal. Further, in the constraint condition, the total value of the capacitance values between the signal input electrode and the floating gate electrode is a comparison target, and since a normal threshold element has a plurality of signal inputs, one signal input The capacitance value between the electrode and the floating gate electrode may be equal to or less than the sum of the capacitance values between one floating gate electrode and each electrode of the transistor. As described above, the use of a common insulating film also leads to a reduction in the number of manufacturing steps.
【0048】一方、Si基板表面に信号入力用電極を埋
め込むことによっても、トランジスタのチャネル及び各
電極と信号入力用電極が同じSi表面上に形成されるこ
とになり、フローティングゲート電極との間の絶縁膜を
共通化できる。On the other hand, also by embedding the signal input electrode in the surface of the Si substrate, the channel of the transistor and each electrode and the signal input electrode are formed on the same Si surface, and the gap between the floating gate electrode and the floating gate electrode is formed. The insulating film can be shared.
【0049】典型的なνMOSトランジスタと同様にフ
ローティングゲート電極の上層に、Si基板表面に埋め
込まれた信号入力用電極と同じく信号入力用電極を形成
することによって、更に面積を低減することが可能にな
る。By forming a signal input electrode similar to a signal input electrode buried on the surface of a Si substrate in the upper layer of a floating gate electrode as in a typical νMOS transistor, the area can be further reduced. Become.
【0050】このように、本発明の実施によって、しき
い素子のレイアウト上の面積の大幅な増大を抑制するこ
とができる。As described above, by implementing the present invention, a large increase in the layout area of the threshold element can be suppressed.
【0051】以下に、本発明の実施の形態を、第1の実
施の形態例と第2の実施の形態例と第3の実施の形態例
とによって説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to a first embodiment, a second embodiment, and a third embodiment.
【0052】[第1の実施の形態例]第1の実施の形態
例において、標準的なSi基板上に形成された信号入力
用電極を有する構造のしきい素子について説明する。す
なわち、νMOSトランジスタにおいて、Si基板上に
拡散層形成と同様の製造方法を用いて形成された配線を
有する構造を開示する。本実施の形態例は、信号入力用
電極とフローティングゲート電極との間の絶縁膜と、フ
ローティングゲート電極とトランジスタの各電極との間
の絶縁膜とを共通化することを可能にし、νMOSトラ
ンジスタによって構成されたしきい素子の高集積化に寄
与する。[First Embodiment] In the first embodiment, a threshold element having a signal input electrode formed on a standard Si substrate will be described. That is, the present disclosure discloses a structure in which a νMOS transistor has a wiring formed on a Si substrate by using the same manufacturing method as that for forming a diffusion layer. This embodiment makes it possible to share an insulating film between the signal input electrode and the floating gate electrode and an insulating film between the floating gate electrode and each electrode of the transistor. It contributes to high integration of the configured threshold element.
【0053】図1は、信号入力用電極5を、n+拡散層
として、Si基板1に形成したνMOSインバータを表
す概念図である。図1(a)はSi基板1から第1層の
ポリシリコン(Poly-Si)配線、すなわち、フローティ
ングゲート電極3までを表したレイアウト図であり、図
1(b)は図1(a)中のnチャネルνMOS(n-ν
MOS)トランジスタ11上のX-Yでの断面図であ
る。図1中、12は、n-νMOSトランジスタ11と
組み合わされるpチャネルνMOS(p-νMOS)ト
ランジスタであり、13はn-νMOSトランジスタ1
1のソース及びドレインとなるn+拡散層であり、14
はn-νMOSトランジスタ11形成のためのp型ウェ
ルであり、15は、上記2つのランジスタ11、12の
間を分離する絶縁体である。また、上記ソース、ドレイ
ン間の領域とフローティングゲート電極3との間、及
び、信号入力用電極5とフローティングゲート電極3と
の間には、それぞれ、絶縁膜16及び17が存在する
(図中、それらの位置のみを示す)。p型ウェル14は
請求項1、2または3に記載の第1の導電型の半導体領
域に該当し、n+拡散層11は請求項1、2または3に
記載の第2の導電型の半導体に該当し、絶縁膜16及び
17は請求項1、2または3に記載の絶縁膜(請求項2
においては第1または第2の絶縁膜)に該当し、フロー
ティングゲート電極3は請求項1、2または3に記載の
フローティングゲート電極に該当し、信号入力用電極5
は請求項1、2、3または6に記載の複数のゲート電極
に該当する。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a νMOS inverter formed on a Si substrate 1 using a signal input electrode 5 as an n + diffusion layer. FIG. 1A is a layout diagram showing a portion from a Si substrate 1 to a first-layer polysilicon (Poly-Si) wiring, that is, a floating gate electrode 3, and FIG. N-channel νMOS (n-ν
2 is a cross-sectional view along XY of a (MOS) transistor 11. FIG. In FIG. 1, reference numeral 12 denotes a p-channel νMOS (p-νMOS) transistor combined with an n-νMOS transistor 11, and 13 denotes an n-νMOS transistor 1.
N + diffusion layers serving as source and drain of No. 1;
Is a p-type well for forming the n-νMOS transistor 11, and 15 is an insulator that separates the two transistors 11 and 12 from each other. Insulating films 16 and 17 exist between the region between the source and the drain and the floating gate electrode 3 and between the signal input electrode 5 and the floating gate electrode 3, respectively (FIG. Only those positions are shown). The p-type well 14 corresponds to the semiconductor region of the first conductivity type according to claim 1, 2 or 3, and the n + diffusion layer 11 is the semiconductor region of the second conductivity type according to claim 1, 2 or 3. The insulating films 16 and 17 correspond to the insulating film according to claim 1, 2 or 3 (claim 2).
, The floating gate electrode 3 corresponds to the floating gate electrode according to claim 1, 2 or 3, and the signal input electrode 5
Corresponds to the plurality of gate electrodes according to claim 1, 2, 3, or 6.
【0054】なお、上記ソースとドレインと信号入力用
電極5とは、同一のn+拡散プロセスで形成することが
でき、絶縁膜16及び17も同一のプロセス、例えば、
酸化物膜形成プロセスで形成することができるので、製
造工程の短縮も可能となっている。The source, drain, and signal input electrode 5 can be formed by the same n + diffusion process, and the insulating films 16 and 17 can be formed by the same process, for example,
Since it can be formed by an oxide film forming process, the manufacturing process can be shortened.
【0055】図1の構造を有する回路の回路図及び容量
成分等価回路は各々図7と図8と同じである。従来のν
MOSトランジスタでは、図8に示す信号入力用電極と
フローティングゲート電極との間の容量値(以降、入力
ゲート容量値とする)Ciに用いられる層間膜厚tox
2と、フローティングゲート電極と各トランジスタとの
間の容量値CpjとCnjとに用いられるゲート酸化膜
厚tox1は異なっていた。しかしながら、本発明に係
る半導体装置の構造においては、Ciに用いられる絶縁
膜17は層間膜ではなく、トランジスタのゲート酸化
膜、すなわち、縁膜16と同等のものを用いることがで
きるため、前述のtox1とtox2とは等しくなり、
(10)式:tox1 <tox2 に起因する入力ゲー
ト容量面積の増大を抑制することが可能となる。The circuit diagram and the capacitance component equivalent circuit of the circuit having the structure of FIG. 1 are the same as those of FIGS. 7 and 8, respectively. Conventional ν
The MOS transistor, the capacitance value between the signal input electrode and the floating gate electrode shown in FIG. 8 (hereinafter referred to as an input gate capacitance value) interlayer thickness tox for use in C i
2, the gate oxide film thickness tox 1 for use in the capacitance value C pj and C nj between the floating gate electrode and each of the transistors were different. However, in the structure of a semiconductor device according to the present invention, the insulating film 17 used in C i is not a interlayer film, a gate oxide film of the transistor, i.e., it is possible to use the equivalent of Enmaku 16, above Tox 1 and tox 2 are equal,
(10): tox 1 <becomes possible to suppress an increase in the input gate capacitance area due to tox 2.
【0056】図2は、第1の信号入力用電極をSi基板
1に形成し、第2の信号入力用電極18としてフローテ
ィングゲート電極3の上層にあるポリシリコンまたは金
属の配線を用いたνMOSインバータを表す概念図であ
る。図2(a)はSi基板1から第2層のポリシリコン
配線または第1層の金属配線、すなわち、信号入力用電
極5までを表したレイアウト図であり、図2(b)は図
2(a)中のnチャネルνMOS(n-νMOS)トラ
ンジスタ11上のX−Yでの断面図である。第2の信号
入力用電極18は請求項3に記載のフローティングゲー
ト電極の上層部位に形成したゲート電極に該当する。FIG. 2 shows a νMOS inverter in which a first signal input electrode is formed on a Si substrate 1 and a polysilicon or metal wiring above the floating gate electrode 3 is used as a second signal input electrode 18. FIG. FIG. 2A is a layout diagram from the Si substrate 1 to the second-layer polysilicon wiring or the first-layer metal wiring, that is, the signal input electrode 5, and FIG. 2B is a layout diagram. 3A is a cross-sectional view along XY of an n-channel νMOS (n-νMOS) transistor 11 in FIG. The second signal input electrode 18 corresponds to a gate electrode formed in an upper layer portion of the floating gate electrode according to claim 3.
【0057】図2の構造を有する回路の回路図及び容量
成分等価回路は各々図7と図8と同じである。前述の第
1層信号入力用電極5と同じく、Si基板1中の電極に
より従来のνMOSトランジスタの信号入力用電極に対
してレイアウト面積を低減する効果があり、更に、従来
のνMOSトランジスタで用いた信号入力用電極を第2
の信号入力用電極18とすることによって面積を低減す
ることが可能になる。The circuit diagram and the capacitance component equivalent circuit of the circuit having the structure of FIG. 2 are the same as those of FIGS. 7 and 8, respectively. Like the first-layer signal input electrode 5 described above, the electrode in the Si substrate 1 has an effect of reducing the layout area with respect to the signal input electrode of the conventional νMOS transistor. Second signal input electrode
By using the signal input electrode 18 described above, the area can be reduced.
【0058】第2の信号入力用電極18としては、従来
のνMOSトランジスタで用いていたポリシリコン電極
または金属配線を用いるため容易に形成可能である。こ
こでは、第1の信号入力用電極5の形成について説明す
る。The second signal input electrode 18 can be easily formed because a polysilicon electrode or a metal wiring used in a conventional νMOS transistor is used. Here, the formation of the first signal input electrode 5 will be described.
【0059】図1及び図2は、二重ウェルに形成された
n-νMOSトランジスタ11とpチャネルνMOS
(p-νMOS)トランジスタ12の例である。第1の
信号入力用電極5は、MOSトランジスタのソース、ド
レインと同様にSi基板表面に不純物イオンを打ち込み
拡散することで形成される。図1(b)と図2(b)で
は、p型ウェル14中に高濃度n+ 拡散層を形成し、
電極としている。電極の極性としては、複数の電極中に
異極性拡散層の電極が存在する場合と、全ての電極が同
極性の2つの場合に大別できる。異極性拡散層を用いる
場合とは、n-νMOSトランジスタ11に隣接する第
1の信号入力用電極5はn-νMOSトランジスタ11
と同じくp型ウェル14中にn+ 拡散層として形成
し、一方、p-νMOSトランジスタ12に隣接する第
1の信号入力用電極5はp-νMOSトランジスタ12
と同じくn型ウェル中にp+拡散層として形成する場合
である。同極性電極を用いる場合とは、電極領域が少な
くとも一方のトランジスタ領域とは素子分離され、2つ
のウェルのうちのどちらか一方のウェルにそのウェルと
は反対の極性の拡散層によって形成される場合である。FIGS. 1 and 2 show an n-νMOS transistor 11 and a p-channel νMOS formed in a double well.
This is an example of a (p-νMOS) transistor 12. The first signal input electrode 5 is formed by implanting and diffusing impurity ions into the surface of the Si substrate, similarly to the source and drain of the MOS transistor. In FIG. 1B and FIG. 2B, a high concentration n + diffusion layer is formed in the p-type well 14,
Electrodes. The polarity of the electrodes can be roughly classified into a case where the electrodes of the different polarity diffusion layer are present in the plurality of electrodes and a case where all the electrodes have the same polarity. When the different polarity diffusion layer is used, the first signal input electrode 5 adjacent to the n-νMOS transistor 11 is
Similarly, the first signal input electrode 5 adjacent to the p-νMOS transistor 12 is formed as an n + diffusion layer in the p-type well 14.
This is the case where a p + diffusion layer is formed in an n-type well as in the case of FIG. When the same polarity electrode is used, the case where the electrode region is element-isolated from at least one of the transistor regions and is formed in one of the two wells by a diffusion layer having a polarity opposite to that of the well is used. It is.
【0060】次に、素子分離としてLOCOS(LOCal
Oxidation of Silicon)を用いる場合の電極形成手順に
ついて述べる。LOCOS以外の分離方法であるトレン
チ分離、STI(Shallow Trench Isolation)を用いる
場合も同様である。Next, LOCOS (LOCal
An electrode forming procedure when using Oxidation of Silicon) will be described. The same applies to the case where trench isolation and STI (Shallow Trench Isolation), which are isolation methods other than LOCOS, are used.
【0061】第1の信号入力用電極5として拡散層を用
いる点はMOSトランジスタのソース、ドレインと同じ
であるが、形成手順についてはソース、ドレインの場合
とは異なる。ソース、ドレインはフローティングゲート
電極3をマスクとしてイオン打ち込みが行われるが、第
1の信号入力用電極5の形成はフローティングゲート電
極3形成よりも前の段階で専用のマスクを用いて形成さ
れる。これにより、フローティングゲート電極3直下に
第1の信号入力用電極5を形成することが可能になる。The point that a diffusion layer is used as the first signal input electrode 5 is the same as the source and drain of the MOS transistor, but the forming procedure is different from that of the source and drain. The source and the drain are ion-implanted using the floating gate electrode 3 as a mask. The first signal input electrode 5 is formed using a dedicated mask at a stage prior to the formation of the floating gate electrode 3. This makes it possible to form the first signal input electrode 5 directly below the floating gate electrode 3.
【0062】拡散層を電極として用いる場合の問題とし
ては次の事柄がある。すなわち、拡散層を電極として用
いるために、拡散層の抵抗値が金属配線のそれよりも大
きくなり、ウェルとの間にPN接合容量が生じ、寄生容
量が存在する。即ち、配線のRCが大きくなり、それが
信号遅延の増大に通じ、高速動作が妨げられるという問
題が発生する。There are the following problems when the diffusion layer is used as an electrode. That is, since the diffusion layer is used as an electrode, the resistance value of the diffusion layer becomes larger than that of the metal wiring, a PN junction capacitance is generated between the diffusion layer and the well, and a parasitic capacitance exists. In other words, a problem arises in that the RC of the wiring is increased, which leads to an increase in signal delay, and hinders high-speed operation.
【0063】このように、高速動作と低面積化はトレー
ドオフの関係になる。As described above, there is a trade-off between high-speed operation and reduction in area.
【0064】以上、本実施の形態例で説明したように、
第1の信号入力用電極5をSi基板1内に形成すること
により、ゲート酸化膜を入力ゲート容量とフローティン
グゲート電極3とトランジスタとの間の容量との間で共
有することが可能になる。これにより、入力ゲート容量
のレイアウト上の面積コストの大幅な増大を抑制するこ
とが可能になり、しきい素子の高集積化が可能になる。As described above in the present embodiment,
By forming the first signal input electrode 5 in the Si substrate 1, it becomes possible to share the gate oxide film between the input gate capacitance and the capacitance between the floating gate electrode 3 and the transistor. As a result, it is possible to suppress a large increase in the area cost of the layout of the input gate capacitance, and it is possible to highly integrate the threshold element.
【0065】[第2の実施の形態例]第2の実施の形態
例において、標準的なSi基板上にダマシン技術と類似
の技術を応用して形成した信号入力用電極を有する構造
のしきい素子について説明する。すなわち、νMOSト
ランジスタにおいて、Si基板上にダマシン技術に類似
の技術を応用して形成された配線を有する構造を開示す
る。本実施の形態例は、第1の実施の形態例と同様に絶
縁膜を共通化するのみならず、金属配線が埋め込まれる
ため信号入力線の低抵抗化が可能になり、高速動作にも
寄与する。[Second Embodiment] In the second embodiment, a threshold having a signal input electrode formed on a standard Si substrate by applying a technique similar to the damascene technique. The element will be described. That is, the present invention discloses a structure in which a νMOS transistor has a wiring formed on a Si substrate by applying a technique similar to the damascene technique. In this embodiment, as in the first embodiment, not only the insulating film is made common, but also the metal wiring is buried, so that the resistance of the signal input line can be reduced, which contributes to high-speed operation. I do.
【0066】図3は、信号入力用電極をSi基板1を堀
ってバリアメタル層20を形成した後に金属を埋め込む
ことによって形成したνMOSインバータを表す概念図
である。図1(a)はSi基板1から第1層のポリシリ
コン配線、すなわち、フローティングゲート電極3まで
までを表したレイアウト図であり、図1(b)は図1
(a)中のn-νMOSトランジスタ11上のX−Yで
の断面図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a νMOS inverter formed by embedding a metal after forming a barrier metal layer 20 by digging a Si substrate 1 for a signal input electrode. FIG. 1A is a layout diagram showing from the Si substrate 1 to the first-layer polysilicon wiring, that is, from the floating gate electrode 3, and FIG.
FIG. 3A is a cross-sectional view along XY of the n-νMOS transistor 11 in FIG.
【0067】本実施の形態例の構造は、上記第1の実施
の形態例の構造と類似であるが、信号入力用電極5とし
てイオン注入によって形成された拡散層を用いるのでは
なく、金属をSi基板1内に埋め込み、これを配線とし
て用いる点が異なる。信号入力用電極5の構造は、Si
基板1のウェル上に形成されたSiO2に代表される絶
縁体薄膜19、その上層として金属のSi中への拡散を
抑制するバリアメタル層20、そして金属電極(信号入
力用電極5)の積層構造である。使用する物質によって
は、絶縁体薄膜19とバリアメタル層20とは同じ薄膜
によって実現することができる。信号入力用電極5は請
求項1、2、3、7または8に記載の複数のゲート電極
に該当し、絶縁体薄膜19は請求項8に記載の絶縁体層
に該当する。The structure of the present embodiment is similar to the structure of the first embodiment. However, instead of using a diffusion layer formed by ion implantation as the signal input electrode 5, metal is used. The difference is that it is embedded in the Si substrate 1 and used as a wiring. The structure of the signal input electrode 5 is Si
Lamination of an insulator thin film 19 typified by SiO 2 formed on a well of the substrate 1, a barrier metal layer 20 for suppressing diffusion of metal into Si as an upper layer, and a metal electrode (signal input electrode 5) Structure. Depending on the substance used, the insulator thin film 19 and the barrier metal layer 20 can be realized by the same thin film. The signal input electrode 5 corresponds to a plurality of gate electrodes described in claims 1, 2, 3, 7, or 8, and the insulator thin film 19 corresponds to the insulator layer described in claim 8.
【0068】本実施の形態例の構造は、信号入力用電極
5として金属を用いているので、第1の実施の形態例の
問題点であった信号入力用電極の抵抗値と寄生容量値の
低減に効果がある。In the structure of this embodiment, since the metal is used as the signal input electrode 5, the resistance and the parasitic capacitance of the signal input electrode which are the problems of the first embodiment are reduced. Effective for reduction.
【0069】抵抗値については大幅に改善される。Si
基板中にボロンまたはリンを不純物ドーピングした場合
の抵抗率が1×10−4(Ω・cm)〜1×10−3の
オーダーであるのに対し、Cuの抵抗率は2×10−6
(Ω・cm)、A1の抵抗率は3×10−6(Ω・c
m)であり、2桁以上の改善が望める。The resistance value is greatly improved. Si
The resistivity of the substrate when boron or phosphorus is doped with impurities is in the order of 1 × 10 −4 (Ω · cm) to 1 × 10 −3 , whereas the resistivity of Cu is 2 × 10 −6.
(Ω · cm), the resistivity of A1 is 3 × 10 −6 (Ω · c
m), and an improvement of two orders or more can be expected.
【0070】次に、第1の実施の形態例の拡散層を電極
として用いた場合と絶縁体薄膜の上に金属を積層する場
合とについて寄生容量値を比較する。図4(a)は第1
の実施の形態例の場合のn+拡散層とp型ウェルのPN
接合を表す図であり、図4(b)は本実施の形態例の絶
縁体薄膜としてSiO2を用いた場合のMIS(Metal-
Insulator-Semiconductor)接合を表す図である。信号
入力用電極とフローティングゲート電極との間のゲート
酸化膜厚が5nm〜10nmのSiO2であると仮定す
ると、ウェルの不純物濃度が1×1016(cm−3)
よりも低濃度であれば、信号入力用電極とウェルとの間
の寄生容量はゲート酸化膜容量の1/10程度になり、
かつ、MIS構造であったとしてもウェル中の空乏層容
量が支配的になりMIS構造による寄生容量低減効果は
小さい。しかしながら、ウェルと電極界面の不純物濃度
が1×1017(cm−3)程度であれば、MIS構造
は寄生容量低減に対して有効である。Next, the parasitic capacitance value is compared between the case where the diffusion layer of the first embodiment is used as an electrode and the case where a metal is laminated on an insulating thin film. FIG. 4 (a) shows the first
N + diffusion layer and p-type well PN
FIG. 4B is a diagram showing a junction, and FIG. 4B shows a MIS (metal-metal) when SiO 2 is used as the insulator thin film of the present embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating an Insulator-Semiconductor junction. Assuming that the gate oxide film thickness between the signal input electrode and the floating gate electrode is SiO 2 having a thickness of 5 nm to 10 nm, the well has an impurity concentration of 1 × 10 16 (cm −3 ).
If the concentration is lower than that, the parasitic capacitance between the signal input electrode and the well becomes about 1/10 of the gate oxide film capacitance,
In addition, even if the MIS structure is used, the depletion layer capacitance in the well becomes dominant, and the effect of reducing the parasitic capacitance by the MIS structure is small. However, if the impurity concentration at the interface between the well and the electrode is about 1 × 10 17 (cm −3 ), the MIS structure is effective for reducing the parasitic capacitance.
【0071】以下に、寄生容量を具体的に計算した例を
述べる。Hereinafter, an example in which the parasitic capacitance is specifically calculated will be described.
【0072】図4の(a)と(b)ともに不純物濃度分
布が階段型接合であり、空乏層がウェル内にのみ広が
り、フリンジ効果がないという仮定の下で、以下の物理
定数を用いる。ビルトインポテンシャルVbは0.8
V、ウェルの接合面近傍の不純物濃度Nは1×1017
(cm−3)、SiO2の誘電率εoxは3.45×1
0 −11(F/m)、Siの誘電率εsは1×10
−10(F/m)とする。図4(a)のPN接合の単位
面積当たりの容量値をCPNとすると、4A and 4B both show the impurity concentration.
The fabric is a staircase junction, and the depletion layer extends only in the well
And the following physics under the assumption that there is no fringe effect
Use a constant. Built-in potential VbIs 0.8
V, the impurity concentration N near the junction surface of the well is 1 × 1017
(Cm-3), SiO2Permittivity εoxIs 3.45 × 1
0 -11(F / m), dielectric constant ε of SisIs 1 × 10
-10(F / m). The unit of the PN junction in FIG.
The capacitance value per area is CPNThen
【0073】[0073]
【数9】 が成立し、接合電圧Vを0V〜3Vとすると、4.6×
10−4≦CPN(F/m2)≦1.0×10−3であ
る。一方、図4(b)のM1S接合の単位面積当たりの
容量値をCMISとし、絶縁体薄膜単体の単位面積当た
りの容量値をCo xとすると、(Equation 9) Holds, and when the junction voltage V is 0 V to 3 V, 4.6 ×
10 −4 ≦ C PN (F / m 2 ) ≦ 1.0 × 10 −3 . On the other hand, the capacitance value per unit area of the M1S joint shown in FIG. 4 (b) and C MIS, and the capacitance value per unit area of the insulating thin film alone and C o x,
【0074】[0074]
【数10】 が成立し、ウェルと金属との間に印加される電圧Vを0
V〜3Vとすると、絶縁体薄膜の膜厚が10nmの場
合、4.5×10−4≦CMIS(F/m2)≦9.6×
10−4であり、膜厚が50nmの場合、3.8×10
−4≦CMIS(F/m2)(F/m2)≦5.7×10
−4である。このように、不純物濃度が高い場合には、
MIS構造は有効である。(Equation 10) Holds, and the voltage V applied between the well and the metal is reduced to 0.
When V to 3 V, when the thickness of the insulating thin film is 10 nm, 4.5 × 10 −4 ≦ C MIS (F / m 2 ) ≦ 9.6 ×
10 −4 and 3.8 × 10 when the film thickness is 50 nm.
−4 ≦ C MIS (F / m 2 ) (F / m 2 ) ≦ 5.7 × 10
-4 . Thus, when the impurity concentration is high,
The MIS structure is effective.
【0075】上記の信号入力用電極として金属を埋め込
む代わりに、絶縁体薄膜としてSiO2薄膜を用いて、
金属の代わりにポリシリコンを用いることもできる。電
極の抵抗値を下げることはできないが、SiO2薄膜を
厚くするか、比誘電率が7程度のSi3N4のようにS
iO2によりも誘電率の高い材料を使用することによっ
て、寄生容量の抑制ができる。Instead of embedding a metal as the signal input electrode, a SiO 2 thin film is used as an insulator thin film.
Polysilicon can be used instead of metal. Can not be to reduce the resistance value of the electrode, S as SiO 2 thin film thicker or, Si 3 relative dielectric constant of about 7 N 4
By using a material having a higher dielectric constant than iO 2 , the parasitic capacitance can be suppressed.
【0076】また、第1の実施の形態例と同様に、フロ
ーティングゲート電極3の上層部にポリシリコン層また
は金属配線層を設け、それを第2の信号入力用電極18
として用いてフローティングゲート電極3をサンドイッ
チする構造も可能である。As in the case of the first embodiment, a polysilicon layer or a metal wiring layer is provided on the upper layer of the floating gate electrode 3, and the polysilicon layer or the metal wiring layer is provided on the second signal input electrode 18.
And a structure in which the floating gate electrode 3 is sandwiched.
【0077】次に、信号入力用電極5構造の形成の一例
として、多層Cu配線を形成する際に用いられるダマシ
ン技術を応用した信号入力用電極の形成について説明す
る。Next, as an example of the formation of the signal input electrode 5 structure, the formation of the signal input electrode using the damascene technique used when forming the multilayer Cu wiring will be described.
【0078】まず初めに、Si基板の所定の位置をエッ
チングして溝を形成する。その後、SiO2やSi3N
4に代表される絶縁体薄膜層を形成し、金属の拡散を防
ぐバリアメタル層を形成する。次に、金属を塗布また
は、堆積またはメッキし、溝を埋める。所定の領域以外
の金属をCMPにより除去し平滑にする。これにより、
埋め込み金属電極が形成される。最後に入力ゲート容量
を構成する酸化膜を堆積する。First, a groove is formed by etching a predetermined position of the Si substrate. After that, SiO 2 or Si 3 N
4 is formed, and a barrier metal layer for preventing metal diffusion is formed. Next, a metal is applied or deposited or plated to fill the grooves. The metal other than the predetermined area is removed by CMP and smoothed. This allows
An embedded metal electrode is formed. Finally, an oxide film constituting the input gate capacitance is deposited.
【0079】以上、本実施の形態例で説明したように、
信号入力用電極をSi基板内に金属埋め込み技術によっ
て形成することにより、ゲート酸化膜を入力ゲート容量
とフローティングゲート電極とトランジスタとの間の容
量との間で共有することが可能になる。これにより、入
力ゲート容量のレイアウト上の面積コストの大幅な増大
を抑制することが可能になり、しきい素子の高集積化が
可能になる。As described above, as described in the present embodiment,
By forming the signal input electrode in the Si substrate by the metal embedding technique, it becomes possible to share the gate oxide film between the input gate capacitance and the capacitance between the floating gate electrode and the transistor. As a result, it is possible to suppress a large increase in the area cost of the layout of the input gate capacitance, and it is possible to highly integrate the threshold element.
【0080】[第3の実施の形態例]第3の実施の形態
例において、SOI基板のアクティブシリコン層7に形
成された信号入力用電極を有する構造のしきい素子につ
いて説明する。すなわち、νMOSトランジスタにおい
て、SOI基板上に形成された配線を有する構造を開示
する。本実施の形態例は、第1の実施の形態例及び第2
の実施の形態例と同様に絶縁膜を共通化するのみなら
ず、信号入力電極がSi基板から分離されるために寄生
容量が低減され、更に高速動作にも寄与する。また、S
OI基板上に形成されたトランジスタの有する高速性や
高密度化などの長所や低電源電圧使用が可能であるなど
の特徴を継承することができる。[Third Embodiment] In the third embodiment, a description will be given of a threshold element having a structure having a signal input electrode formed on an active silicon layer 7 of an SOI substrate. That is, a structure of a νMOS transistor having a wiring formed on an SOI substrate is disclosed. This embodiment is different from the first embodiment and the second embodiment.
In addition to the common use of the insulating film, the parasitic capacitance is reduced because the signal input electrode is separated from the Si substrate, which contributes to the high-speed operation. Also, S
The advantages of the transistor formed on the OI substrate, such as high speed and high density, and the ability to use a low power supply voltage can be inherited.
【0081】図5は、SOI基板の1つであるSIMO
X基板におけるアクティブシリコン層7に信号入力用電
極5を形成したνMOSインバータを表す概念図であ
る。図5(a)はSIMOX基板から第1層のポリシリ
コン配線、すなわち、信号入力用電極5までを表したレ
イアウト図であり、図5(b)は図1(a)中のn-ν
MOSトランジスタ11上のX−Yでの断面図である。
図5(b)に示す構造におけるトランジスタのソース、
ドレイン領域(n+ 拡散層13)は埋め込み酸化物層
6に接しており、ソース、ドレインの寄生容量は埋め込
み酸化物層6のSiO2を挟む容量と基板中の空乏層容
量との直列容量と基板に水平方向のPN接合容量の和で
ある。このために、SIMOX基板上のMOSトランジ
スタのソース、ドレインの寄生容量は非常に小さい。信
号入力用電極5を上記のソース、ドレインと同様の構造
にすることで、寄生容量を非常に小さくすることができ
る。埋め込み酸化物層6は請求項4または5に記載の絶
縁体層に該当する。FIG. 5 shows a SIMO which is one of the SOI substrates.
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a νMOS inverter in which a signal input electrode 5 is formed on an active silicon layer 7 on an X substrate. FIG. 5A is a layout diagram from the SIMOX substrate to the first-layer polysilicon wiring, that is, the signal input electrode 5, and FIG. 5B is a diagram showing n-ν in FIG. 1A.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the MOS transistor 11 at XY.
The source of the transistor in the structure shown in FIG.
The drain region (n + diffusion layer 13) is in contact with the buried oxide layer 6, and the parasitic capacitance of the source and the drain is equal to the series capacitance of the capacitance sandwiching SiO 2 of the buried oxide layer 6 and the depletion layer capacitance in the substrate. This is the sum of the PN junction capacitance in the horizontal direction of the substrate. Therefore, the parasitic capacitance of the source and drain of the MOS transistor on the SIMOX substrate is very small. When the signal input electrode 5 has the same structure as the above-described source and drain, the parasitic capacitance can be extremely reduced. The buried oxide layer 6 corresponds to the insulator layer according to claim 4 or 5.
【0082】また、トランジスタと信号入力用電極5と
の分離は、SIMOX基板上のトランジスタの分離技術
(素子分離用絶縁体15の形成)を用いて容易に行うこ
とができる。Further, the transistor and the signal input electrode 5 can be easily separated from each other by using the transistor separation technique on the SIMOX substrate (forming the element isolation insulator 15).
【0083】本実施の形態例において使用する信号入力
用電極5は、MOSトランジスタのソース、ドレインと
構造が類似であるが、形成の手順が異なる。ソース、ド
レインがフローティングゲート電極3作製後に、該ゲー
ト電極3をマスクにして形成されるのに対して、信号入
力用電極5は、フローティングゲート電極3作製の前に
別マスクを用いてイオン注入される。この手順により、
フローティングゲート電極3直下に電極を形成すること
ができる。The signal input electrode 5 used in this embodiment is similar in structure to the source and drain of the MOS transistor, but is different in the procedure of formation. The source and the drain are formed using the gate electrode 3 as a mask after the floating gate electrode 3 is formed, whereas the signal input electrode 5 is ion-implanted using another mask before the floating gate electrode 3 is formed. You. With this procedure,
An electrode can be formed immediately below the floating gate electrode 3.
【0084】以上、本実施の形態例で説明したように、
信号入力用電極5をSOI基板のアクティブシリコン層
7に形成することにより、ゲート酸化膜を入力ゲート容
量とフローティングゲート電極3とトランジスタとの間
の容量との間で共有することが可能になる。これによ
り、入力ゲート容量のレイアウト上の面積コストの大幅
な増大を抑制することが可能になり、しきい素子の高集
積化が可能になる。また、SOI基板上に作製されたM
OSトランジスタの有する高速性や高密度・高集積化や
高信頼性などの特徴を、SOI基板を用いて作製された
νMOSトランジスタは継承することが可能であるた
め、面積コスト以外の面においてもしきい素子の高性能
化を図ることができる。As described above in this embodiment,
By forming the signal input electrode 5 on the active silicon layer 7 of the SOI substrate, the gate oxide film can be shared between the input gate capacitance and the capacitance between the floating gate electrode 3 and the transistor. As a result, it is possible to suppress a large increase in the area cost of the layout of the input gate capacitance, and it is possible to highly integrate the threshold element. In addition, M fabricated on an SOI substrate
Features of the OS transistor such as high speed, high density, high integration, and high reliability can be inherited by a νMOS transistor manufactured using an SOI substrate. The performance of the device can be improved.
【0085】SOI基板上にνMOSトランジスタを作
製することは、特許第2662559号の第7の実施例
で示唆されているが、該実施例のνMOSトランジスタ
は図6に示したνMOSトランジスタと同じ構造をSO
I基板上に作製したものであって、SOI基板の有する
固有の構造を積極的に利用した本実施の形態例のνMO
S回路の提案はなされておらず、図9の断面構造で示さ
れるアクティブシリコン層7に配線を形成することも提
案されていない。The production of a νMOS transistor on an SOI substrate is suggested in the seventh embodiment of Japanese Patent No. 2662559. The νMOS transistor of this embodiment has the same structure as the νMOS transistor shown in FIG. SO
ΝMO of the present embodiment manufactured on an I substrate and actively utilizing a unique structure of the SOI substrate.
No proposal has been made for the S circuit, and no proposal has been made to form a wiring in the active silicon layer 7 shown in the sectional structure of FIG.
【0086】上記、各々の実施の形態例においては、信
号入力用電極5とフローティングゲート電極3との間の
絶縁膜と、フローティングゲート電極3とトランジスタ
の各電極との間の絶縁膜とを共通化して使用している
が、この2つの絶縁膜として、相異なる絶縁膜を使用し
ても、何らの支障は無い。この場合の2つの絶縁膜は請
求項2に記載の第1及び第2の絶縁膜に該当する。In each of the above embodiments, the insulating film between the signal input electrode 5 and the floating gate electrode 3 and the insulating film between the floating gate electrode 3 and each electrode of the transistor are common. However, even if different insulating films are used as the two insulating films, there is no problem. The two insulating films in this case correspond to the first and second insulating films described in claim 2.
【0087】また、上記、各々の実施の形態例におい
て、図2に例示したように、典型的なνMOSトランジ
スタと同様にフローティングゲート電極3の上層に第2
の信号入力用電極18を設け、Si基板表面に埋め込ま
れた信号入力用電極5と該上層に設けられた第2の信号
入力用電極18とによって、フローティングゲート電極
3を挟み込むサンドイッチ型構造を構成することもでき
る。In each of the above embodiments, as illustrated in FIG. 2, the second layer is formed on the floating gate electrode 3 in the same manner as in a typical νMOS transistor.
And the second signal input electrode 18 provided on the upper layer has a sandwich type structure in which the floating gate electrode 3 is sandwiched by the signal input electrode 18 embedded in the surface of the Si substrate. You can also.
【0088】また、本発明の実施の形態例に挙げるトラ
ンジスタの構造におけるフローティングゲート電極3と
は、該電極に全く接続されている端子がない完全浮遊構
造の電極のみならず、該電極に高インピーダンスと低イ
ンピーダンスの2つ以上の状態を有するスイッチ機能を
持つ素子または回路が接続されている構造で、トランジ
スタの動作速度からみて過渡的に絶縁状態とみなすこと
ができる状態を採ることが可能な構造の電極も含むこと
を追記しておく。The floating gate electrode 3 in the transistor structure described in the embodiment of the present invention means not only an electrode having a completely floating structure having no terminal connected to the electrode, but also a high impedance And an element or a circuit having a switching function having two or more states of low impedance, and a structure capable of adopting a state that can be regarded as transiently insulated from the viewpoint of the operation speed of the transistor. It should be added that the above-mentioned electrode is also included.
【0089】[0089]
【発明の効果】本発明の実施により、製造容易で、しか
も素子の高集積化を可能とする多信号入力しきい値処理
用半導体装置であるνMOSトランジスタを提供するこ
とができる。According to the present invention, it is possible to provide a νMOS transistor which is a semiconductor device for multi-signal input threshold value processing which is easy to manufacture and enables high integration of elements.
【図1】Si基板中に信号入力用電極を形成したνMO
Sインバータの概念図であり、図中、(a)はレイアウ
ト図、(b)は断面図である。FIG. 1 shows a νMO in which a signal input electrode is formed in a Si substrate.
It is a conceptual diagram of an S inverter, where (a) is a layout diagram and (b) is a sectional view.
【図2】Si基板中に第1の信号入力用電極を形成し、
フローティングゲート電極の上層のポリシリコンまたは
金属を第2の信号入力用電極としたνMOSインバータ
の概念図であり、図中、(a)はレイアウト図、(b)
は断面図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a first signal input electrode formed in a Si substrate;
FIG. 3 is a conceptual diagram of a νMOS inverter in which polysilicon or metal on a floating gate electrode is used as a second signal input electrode, in which (a) is a layout diagram and (b)
Is a sectional view.
【図3】Si基板中に形成された絶縁体薄膜上に信号入
力用電極を形成されたνMOSインバータの概念図であ
り、図中、(a)はレイアウト図、(b)は断面図であ
る。FIGS. 3A and 3B are conceptual diagrams of a νMOS inverter in which a signal input electrode is formed on an insulating thin film formed in a Si substrate, wherein FIG. 3A is a layout diagram and FIG. .
【図4】信号入力用電極とウェルとの界面を表す断面図
であり、(a)はPN接合、(b)はMIS接合を表
す。4A and 4B are cross-sectional views illustrating an interface between a signal input electrode and a well, wherein FIG. 4A illustrates a PN junction and FIG. 4B illustrates a MIS junction.
【図5】SIMOX基板のアクティブシリコン層中に信
号入力用電極を形成したνMOSインバータの概念図で
あり、図中、(a)はレイアウト図、(b)は断面図で
ある。FIGS. 5A and 5B are conceptual diagrams of a νMOS inverter in which a signal input electrode is formed in an active silicon layer of a SIMOX substrate, wherein FIG. 5A is a layout diagram and FIG.
【図6】典型的なνMOSインバータの概念図であり、
図中、(a)はレイアウト図、(b)は断面図、(c)
は回路図である。FIG. 6 is a conceptual diagram of a typical νMOS inverter,
In the figure, (a) is a layout diagram, (b) is a cross-sectional diagram, (c)
Is a circuit diagram.
【図7】典型的なνMOSインバータの回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram of a typical νMOS inverter.
【図8】νMOSインバータの容量成分等価回路図で或
る。FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a capacitance component of a νMOS inverter.
【図9】SIMOX基板上に製造されたnチャネルMO
Sトランジスタの断面図である。FIG. 9 shows an n-channel MO manufactured on a SIMOX substrate.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an S transistor.
1…Si基板、2…ゲート酸化膜、3…フローティング
ゲート電極、4…層間膜、5…信号入力用電極、6…埋
め込み酸化物層、7…アクティブシリコン層、8…サフ
ァイア、9…p-Si、10…絶縁体、11…n-νMO
Sトランジスタ、12…p-νMOSトランジスタ、1
3…n+ 拡散層、14…p型ウェル、15…素子分離
用絶縁体、16…絶縁膜、17…絶縁膜、18…第2の
信号入力用電極、19…絶縁体薄膜、20…バリアメタ
ル層。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Si substrate, 2 ... Gate oxide film, 3 ... Floating gate electrode, 4 ... Interlayer film, 5 ... Signal input electrode, 6 ... Buried oxide layer, 7 ... Active silicon layer, 8 ... Sapphire, 9 ... p- Si, 10 ... insulator, 11 ... n-νMO
S transistor, 12 ... p-νMOS transistor, 1
3 ... n + diffusion layer, 14 ... p-type well, 15 ... insulator for element isolation, 16 ... insulating film, 17 ... insulating film, 18 ... second signal input electrode, 19 ... insulating thin film, 20 ... barrier Metal layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/792 H01L 29/78 622 29/786 Fターム(参考) 5F048 AA01 AA09 AB01 AB04 AC03 AC10 BA16 BB01 BB02 BB05 BB11 BB13 BB19 BE02 BE03 BF03 BF07 5F083 EP02 EP22 EP28 EP48 EP53 GA09 HA02 JA37 PR40 ZA30 5F101 BB12 5F110 AA08 AA30 BB04 BB13 CC02 DD05 DD13 EE24 EE27 EE37 GG02 GG12 NN62 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 29/792 H01L 29/78 622 29/786 F term (Reference) 5F048 AA01 AA09 AB01 AB04 AC03 AC10 BA16 BB01 BB02 BB05 BB11 BB13 BB19 BE02 BE03 BF03 BF07 5F083 EP02 EP22 EP28 EP48 EP53 GA09 HA02 JA37 PR40 ZA30 5F101 BB12 5F110 AA08 AA30 BB04 BB13 CC02 DD05 DD13 EE24 EE27 EE37 GG02 GG12 NN62
Claims (8)
し、前記半導体領域内に設けられている第1の導電型と
は異なる第2の導電型の半導体であるソース領域とドレ
イン領域とを有し、 前記ソース領域とドレイン領域とを隔てる領域の上に、
絶縁膜を介して設けられている電気的に絶縁状態を取る
か、または、少なくとも過渡的に電気的に絶縁状態を取
ることが可能であるフローティングゲート電極を有し、 前記フローティングゲート電極と、絶縁膜を介して容量
結合する複数のゲート電極を前記基板上に有することを
特徴とする半導体装置。1. A source region and a drain having a semiconductor region of a first conductivity type on a substrate, wherein the source region and the drain are semiconductors of a second conductivity type provided in the semiconductor region and different from the first conductivity type. And a region, the region separating the source region and the drain region,
An electrically insulating state provided through an insulating film, or a floating gate electrode capable of at least transiently taking an electrically insulated state, wherein the floating gate electrode is insulated. A semiconductor device having a plurality of gate electrodes capacitively coupled via a film on the substrate.
し、前記半導体領域内に設けられている第1の導電型と
は異なる第2の導電型の半導体であるソース領域とドレ
イン領域とを有し、 前記ソース領域とドレイン領域とを隔てる領域の上に、
第1の絶縁膜を介して設けられている電気的に絶縁状態
を取るか、または、少なくとも過渡的に電気的に絶縁状
態を取ることが可能であるフローティングゲート電極を
有し、 前記フローティングゲート電極と、前記第1の絶縁膜と
は異なる第2の絶縁膜を介して容量結合する複数のゲー
ト電極を前記基板上に有することを特徴とする半導体装
置。2. A source region and a drain having a semiconductor region of a first conductivity type on a substrate, wherein the source region and the drain are semiconductors of a second conductivity type provided in the semiconductor region and different from the first conductivity type. And a region, the region separating the source region and the drain region,
A floating gate electrode provided through a first insulating film and having an electrically insulated state or at least capable of at least transiently insulated electrically; And a plurality of gate electrodes that are capacitively coupled via a second insulating film different from the first insulating film on the substrate.
し、前記半導体領域内に設けられている第1の導電型と
は異なる第2の導電型の半導体であるソース領域とドレ
イン領域とを有し、 前記ソース領域とドレイン領域とを隔てる領域の上に、
絶縁膜を介して設けられている電気的に絶縁状態を取る
か、または、少なくとも過渡的に電気的に絶縁状態を取
ることが可能であるフローティングゲート電極を有し、 前記フローティングゲート電極と、絶縁膜を介して容量
結合する複数のゲート電極を、前記基板上と前記フロー
ティングゲート電極の上層部位とに形成したことを特徴
とする半導体装置。3. A source region and a drain having a semiconductor region of a first conductivity type on a substrate, and a semiconductor region of a second conductivity type provided in the semiconductor region and different from the first conductivity type. And a region, the region separating the source region and the drain region,
An electrically insulating state provided through an insulating film, or a floating gate electrode capable of at least transiently taking an electrically insulated state, wherein the floating gate electrode is insulated. A semiconductor device, wherein a plurality of gate electrodes capacitively coupled via a film are formed on the substrate and an upper layer of the floating gate electrode.
の直下に絶縁体層を有することを特徴とする請求項1、
2または3に記載の半導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate has an insulator layer immediately below the semiconductor region of the first conductivity type.
4. The semiconductor device according to 2 or 3.
の直下に絶縁体層を有し、該絶縁体層の直下に半導体領
域を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装
置。5. The semiconductor according to claim 4, wherein said substrate has an insulator layer immediately below said first conductivity type semiconductor region, and has a semiconductor region immediately below said insulator layer. apparatus.
された半導体領域であることを特徴とする請求項1、2
または3に記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 1, wherein said plurality of gate electrodes are semiconductor regions formed on said substrate.
Or the semiconductor device according to 3.
れた導電体領域であることを特徴とする請求項1、2ま
たは3に記載の半導体装置。7. The semiconductor device according to claim 1, wherein said plurality of gate electrodes are conductor regions embedded on a substrate.
た半導体領域または導電体であり、該半導体領域または
導電体の直下に少なくとも1層の絶縁体層が存在するこ
とを特徴とする請求項1、2または3に記載の半導体装
置。8. The semiconductor device according to claim 1, wherein said plurality of gate electrodes are semiconductor regions or conductors formed on a substrate, and at least one insulator layer exists immediately below said semiconductor regions or conductors. Item 4. The semiconductor device according to item 1, 2 or 3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001083466A JP2002280466A (en) | 2001-03-22 | 2001-03-22 | Semiconductor device |
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|---|---|
| JP2002280466A true JP2002280466A (en) | 2002-09-27 |
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ID=18939271
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| JP2001083466A Pending JP2002280466A (en) | 2001-03-22 | 2001-03-22 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002280466A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009004431A (en) * | 2007-06-19 | 2009-01-08 | Renesas Technology Corp | Semiconductor device |
-
2001
- 2001-03-22 JP JP2001083466A patent/JP2002280466A/en active Pending
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