WO1997038444A1 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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WO1997038444A1
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Nozomu Matsuzaki
Hiroyuki Mizuno
Masashi Horiguchi
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Hitachi, Ltd.
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    • Y10S977/936—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application in a transistor or 3-terminal device

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor integrated circuit having a MOS transistor as a component, and more particularly to an M ⁇ S transistor having a gate insulating film thin enough to allow a tunnel current to flow, particularly suitable for operation under a low-voltage power supply of 2 V or less.
  • the present invention relates to a semiconductor integrated circuit device using the same.
  • a general MOS transistor uses a gate insulating film of about 5 to 6 nm at a gate voltage of about 1.8 to 2.5 V (gate-source voltage, usually equal to the power supply voltage).
  • gate-source voltage usually equal to the power supply voltage.
  • the gate insulating film becomes thinner. The inventors expect a next-generation MOS transistor that uses a gate insulating film of 4 nm or less at a gate voltage of 2 V or less.
  • tunnel leak current such as a source / gate current or a drain / gate current that should not flow. Then, a problem arises that the standby power consumption of the MOS transistor is increased.
  • a leak current tunnel leak current
  • Such an insulating film through which tunnel leakage current flows MOS transistors using such an insulating film are called thin gate insulating films, and thin film MOS transistors.
  • an MOS transistor in which no tunnel leak current flows is called a thick-film MOS transistor. The issue of tunnel leakage current was pointed out in the monthly semiconductor world July 1995 issue, pp. 80-94, but no idea was proposed to solve this problem.
  • FIG. 1 (a) shows the drain voltage vs. current characteristics of a thick-film MOS transistor.
  • the thickness of the gate oxide film is about 6 nm. Since the oxide film thickness is sufficiently large, the tunnel cheek current flowing between the gate and the source and between the gate and the drain can be ignored.
  • Figure 10 (b) shows the drain voltage-current characteristics of a thin film MOS transistor.
  • the thickness of the gate oxide film was assumed to be 3.5 nm. Leakage current flows between the gate and source and between the gate and drain because the oxide film thickness is large. Therefore, if the drain voltage is 0 V and the gate voltage is not 0 V, a non-negligible current flows between the gate and drain. In (b), when the gate voltage is 2.0 V, a drain current of about 0.5 mA flows.
  • FIG. 11 shows the relationship between the thickness of the gate insulating film and the gate leakage current. Even if the gate voltage is about 2 to 3 V, the tunnel leak current is at a level that does not cause any problem if the thickness of the insulating film is about 6 nm or more. On the other hand, even if the gate voltage is lowered to 2 to 1.5 V, the leakage current cannot be ignored if the gate insulating film has a thickness of about 3 cells. If the gate voltage is around 2 V, the boundary is considered to be around 4 nm in thickness of the insulating film. According to the above-mentioned semiconductor world, it is pointed out that a quantum mechanical tunnel effect is observed when the thickness of the gate oxide film is 5 nm as a critical point.
  • the gate oxide film When the gate oxide film is as thin as 1.5 nm, it is of course 3 to 3.5 nm. Remarkable even to the extent It is pointed out that a tunnel current flows. As shown in Fig. 11, the gate voltage tends to decrease in order to save power.However, when the gate insulating film is reduced from 2.9 nm to 2. Onm, large leakage occurs even at a gate voltage of 1 V or less. It can be seen that current flows. At present, the minimum thickness of the gate oxide film that can maintain the properties of silicon oxide is estimated to be about 10 angstroms.
  • the standby time caused by the tunnel current flowing between the source and the gate can be reduced. It is in principle impossible to reduce power consumption.
  • Gate leakage current (tunnel current) can be dealt with by increasing the thickness of the gate insulating film and power consumption during standby can be reduced. However, if such a MOS transistor is used in the circuit, as described above, The operating speed becomes slow, and the desired performance cannot be obtained.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device capable of reducing power consumption during standby without sacrificing circuit operation speed.
  • the present invention achieves the above object by effectively using a thick-film MOS transistor that can ignore a tunnel leak current and a thin-film MOS transistor that can operate at a high speed although there is a problem of a tunnel leak current. And high performance semiconductor integrated circuit devices.
  • a semiconductor integrated circuit having a main circuit composed of at least one large MOS transistor and a control circuit inserted between the main circuit and at least one of the two power supplies and composed of at least one MOS transistor having a small leakage current It is configured as a device.
  • desired characteristics can be obtained by changing the thickness of the gate insulating film, changing the carrier concentration or distribution of the gate electrode, or changing the carrier concentration or distribution of the drain or source electrode. be able to.
  • the thickness of the gate insulating film is increased, the size of the gate length also needs to be increased.
  • the gate insulating film and the gate electrode of the two types of MOS transistors are separated. In this case, the characteristic control becomes accurate.
  • a protective insulating film is formed on the gate electrode layer, deterioration of the gate electrode due to the following process can be prevented.
  • a portion for processing an information signal requiring high speed for example, a logic circuit (a logic gate such as NAND or N0R) in a CPU, a latch, and high speed are required. It is desirable that the memory and the like to be formed are composed of thin-film MOS transistors.
  • a switch for shutting off the standby power of these thin film MOS transistors be a thick-film MOS transistor as the power shutoff transistor.
  • circuits that do not require high speed and circuits that require high withstand voltage should be made up of thick B MOS transistors.
  • memory cells such as SRAMs, DRAMs, and mask ROMs that do not require high-speed performance, and protection circuits inserted to prevent gate insulating film breakdown.
  • the source / drain structure of a thick-film MOS transistor to which a high voltage is applied be an electric field relaxation structure such as an LDD type.
  • a memory cell composed of a thick-film MOS transistor functionally includes at least one of a register file, a cache memory, a TBL, and a DRAM cell, and is configured to hold data in a standby mode. Preferably.
  • the memory cells include a first type of memory having a fast access speed and a second type of memory having a slower access speed, and the leakage current of the MOS transistor constituting the first memory is the second type.
  • the memory may be configured hierarchically so as to be larger than the leakage current of the MOS transistor.
  • the power cutoff transistor shuts off the power of the thin-film MOS transistor, it has a level holding circuit that holds the output of a logic circuit composed of the thin-film MOS transistor. The effect can be eliminated.
  • This level holding circuit is preferably formed of a thick-film MOS transistor having a small leak current.
  • the thin-film MOS transistor used in the present invention has a large leakage current even when operated at a voltage of about 0.8 V or about 1.2 V where the gate voltage does not reach 2 V. Therefore, shutting down the power supply during standby as described above is effective in reducing the current consumption.
  • MOS transistor having a large leak current and the MOS transistor having a small leak current are driven by different gate voltages. Specifically, a MOS transistor with a large leakage current is driven by applying a lower voltage between the gate and the source or drain than a MOS transistor with a small leakage current.
  • One aspect of the present invention is a first MOS transistor in which the thickness of an insulating film existing between a source and a gate or between a drain and a gate is 4 nm or less, and a first MOS transistor in which the thickness of the insulating film exceeds 4 nm. It is also characterized as a semiconductor integrated circuit device in which two MOS transistors are formed on the same silicon substrate.
  • a first MOS transistor having a thickness of 4 nm or less between a source and a gate or between a drain and a gate and a source and a gate or between a drain and a gate. It has a second MOS transistor in which the thickness of the existing insulating film is thicker than that of the first MOS transistor, and between the source and the gate or between the drain and the gate of the first MOS transistor. Current flowing to the second This is a semiconductor integrated circuit device controlled by MOS transistors.
  • the power supply to the first MOS transistor with the thickness of the insulating film between the source and the gate or between the drain and the gate of four plates or less and the first MOS transistor is provided.
  • the present invention is embodied as a semiconductor integrated circuit device having a second MOS transistor for shutting off the power supply and a level hold circuit for holding the output of the first MOS transistor while the power is shut off.
  • the first MOS transistor having a large leakage current flowing between the source and the gate or the drain and the gate is the same as the second MOS transistor having a smaller leakage current than the first MOS transistor. It is formed on a silicon substrate, and is represented as a semiconductor integrated circuit device in which the second MOS transistor is driven by a power supply having a higher voltage than the first MOS transistor.
  • an integrated circuit configuration is a semiconductor integrated circuit device that receives an input signal of an amplitude voltage Vcc2 and responds thereto, and forms an internal signal by lowering the amplitude voltage of the input signal to Vccl.
  • a gate-source or gate-drain leakage current of a MOS transistor having a level conversion circuit and an internal signal is larger than that of a MOS transistor having an input signal as an input. It is embodied as
  • the present invention when the present invention is applied to an integrated circuit device such as a microcomputer, the present invention relates to a semiconductor integrated circuit device in which an arithmetic processing unit and a storage device including at least one of a mask ROM, an SRAM, and a DRAM are configured by MOS transistors.
  • the gate insulating film thickness of the MOS transistor constituting the logical circuit in the arithmetic unit may be configured as a semiconductor integrated circuit device thinner than the gate insulating film of the MOS transistor constituting the memory cell of the storage device. desirable.
  • the present invention also provides, on the same silicon substrate, at least a plurality of types of MOS transistors having different magnitudes of tunnel current flowing between a source and a gate or between a drain and a gate, and a plurality of MOS transistors having different magnitudes of a tunnel current.
  • MOS transistors having different magnitudes of tunnel current flowing between a source and a gate or between a drain and a gate
  • MOS transistors having different magnitudes of a tunnel current are provided, on the same silicon substrate.
  • the M0S transistors there is a main circuit composed of at least one MOS transistor with a large tunnel current and at least one MOS transistor with a small tunnel current.
  • a control circuit inserted between the two, and a control signal supplied to the control circuit causes the It is characterized by controlling whether current can flow between the source and gate or between the drain and the gate of a MOS transistor with a large tunnel current.
  • MOS transistors are composed of MOS transistors having different gate insulating film thicknesses or MOS transistors of the same conductivity type having gate electrodes of the same type and doped with different concentrations of impurities. It is characterized by being performed.
  • the side wall gate made of an insulating material that does not dissolve in hydrofluoric acid is formed on the side wall of the gate electrode of the MOS transistor having the thick gate insulating film. It is characterized by the fact that it has been attached.
  • This side wall spacer can also be used as a mask when forming the aforementioned LDD structure.
  • FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment for manufacturing a semiconductor integrated circuit device of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view showing another embodiment for manufacturing the semiconductor integrated circuit device of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing one embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along a line _ ⁇ ′ in FIG.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows typical current characteristics of a MOS transistor in which a tunnel current flows through a normal MOS transistor and a gate insulating film.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the thickness of the gate insulating film and the gate current density.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a circuit diagram
  • FIG. 20 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 is a plan view of the integrated circuit chip of the present invention.
  • FIG. 23 is a plan view of an integrated circuit chip according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 shows another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a certain integrated circuit chip.
  • FIG. 25 is a plan view of an integrated circuit chip according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a plan view of an integrated circuit chip according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a circuit diagram of the step-down circuit of the present invention.
  • FIG. 28 is a circuit diagram of a step-down circuit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a circuit diagram of a step-down circuit according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 30 is a circuit diagram of the input / output circuit.
  • Figure 31 is a circuit diagram of a level conversion circuit with level hold.
  • Figure 32 is a circuit diagram of another level converter with level hold.
  • Fig. 33 is a circuit diagram of the standby control circuit.
  • FIG. 34 is a block diagram of the micro combination according to the present invention.
  • Figure 35 is a cross-sectional view of the input / output circuit.
  • FIG. 36 is a circuit diagram of the mask ROM of the present invention b .
  • FIG. 37 is another circuit diagram of the mask ROM of the present invention.
  • FIG. 38 is a partial cross-sectional view of the mask ROM of FIG. FIG.
  • FIG. 39 is another circuit diagram of the mask ROM of the present invention.
  • FIG. 40 is a partial cross-sectional view of the mask ROM of FIG.
  • FIG. 41 is another circuit diagram of the mask ROM of the present invention.
  • FIG. 42 is a partial cross-sectional view of the mask R ⁇ M of FIG.
  • FIG. 43 is a circuit configuration diagram of the DRAM of the present invention.
  • Figure 44 is the circuit diagram of the sense amplifier in Figure 43.
  • FIG. 45 is a circuit diagram of the sense amplifier drive signal generation circuit of FIG.
  • Figure 46 is a circuit diagram of the main amplifier in Figure 43.
  • FIG. 47 is a circuit diagram of the SRAM of the present invention.
  • FIG. 48 is a circuit diagram showing the word decoder, word driver, and level conversion circuit of FIG. 47.
  • FIG. 49 is a circuit diagram showing the sense amplifier and the write circuit of FIG. 47.
  • FIG. 50 is an enlarged sectional view of a main part of the n-type MOS transistor of the
  • a transistor is provided on the same silicon substrate, and a MOS transistor through which a tunnel current flows is used as a main circuit such as a logic element. Used as a control circuit for supply / shutoff control. With this configuration, it is possible to reduce power consumption during standby without sacrificing circuit operation speed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a manufacturing procedure of the body integrated circuit device.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention using insulating films having different thicknesses
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention utilizing an impurity concentration.
  • the minimum processing dimension here is usually defined by the processing gate length of the MOS transistor, and there is almost no overlap between the source / drain and the gate electrode.
  • FIGS. 1 and 2 show a mode in which there is almost no difference between the gate length processing dimension and the effective gate length.
  • a manufacturing method in which the effective gate length is intentionally shorter than the gate length processing dimension is shown. However, it is stated that this technology can be applied.
  • FIG. 1 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • This embodiment is an example of manufacturing a MOS transistor in which a tunnel current flows by changing the thickness of a gate insulating film and a MOS transistor in which such a tunnel current does not substantially flow.
  • both a P-type MOS transistor and an n-type MOS transistor having two types of gate insulating film thicknesses are manufactured. Is described.
  • An element isolation insulating region 102 made of a thermal oxide film 30 Onm, an n-type impurity layer 103 and an n-type impurity layer 104 are formed on an n-type silicon substrate 101.
  • 103 and 104 have an average concentration of about 1 ⁇ 1017 / cm3, which is the area necessary for element isolation from the n-type MOS transistor (both thin and thick) that originally exists in the same chip.
  • the method of introducing impurities into the 103 and 104 is not particularly limited.
  • a thermal oxide film 105 of silicon having a thickness of 1 Onm is formed on the entire surface, and then a polysilicon having a thickness of 120 nm is formed.
  • a silicon layer 106 is deposited over the entire surface.
  • the average phosphorus concentration in the polysilicon layer 106 is adjusted to 1 ⁇ 1020 / cm3 or more.
  • the phosphorus ion introduction method may use ion implantation of about 2 ⁇ 1015 / cm2 at an acceleration energy of about 40 KeV, or may use boron, doped polysilicon, or predeposition.
  • a gate electrode protective film 107 made of a silicon oxide film having a thickness of 5 Onm is deposited on the entire surface (a). The operation of 107 will be described later.
  • the thermal oxide film 105, the polysilicon layer 106, and the gate electrode protective film 107 are processed by photolithography and dry etching processes, and a gate electrode 108 having a processing gate length of 0.18 ⁇ m or more in consideration of the short-channel effect. To form This gate electrode 108 forms the gate electrode of the thick-film MOS transistor.
  • boron fluoride is introduced at about 20 ⁇ 10 14 / cm 2 at 20 KeV to form a p-type conductive layer 109 L, and an LDD type (Ligh t 1 y D ope d Dra in) Source 'drain region.
  • LDD Low t 1 y D ope d Dra in
  • Ion implantation is used to introduce p-type impurities, and the average concentration is about 5 x 1018 / cm3. This may be adjusted according to the required characteristics of the MOS transistor.
  • a side spacer 110 made of silicon nitride and having a thickness of 10 Onm is formed on the side wall of the gate electrode 108. Later, when the entire surface is cleaned with hydrofluoric acid, the silicon oxide film (which functions as a gate insulating film of the gate electrode 108) is eroded when the entire surface is washed with hydrofluoric acid. It functions as a protective film to prevent erosion. Immediately thereafter, boron fluoride is introduced at about 2 ⁇ 10 15 / cm 2 at 2 OKe V to form the p-type conductive layer 109, which serves as a source / drain region for the gate electrode 108. Ion implantation is used to introduce p-type impurities, and the average concentration is about 5 1019 / cm3.
  • the gate insulating film of the MOS transistor having the gate electrode 108 thus formed is 10 nm. If a MOS transistor is designed with the gate length of 0.18 m shown in this example, the power supply voltage will be 1.8 to 1.5V. The electric field in the gate oxide film is about 1.8 MV / cm2. The tunnel current is very small, less than 10 to 20 A / cm2, and does not prevent normal operation of the MOS transistor. There is no increase in power consumption due to the gate current. In this p-type MOS transistor, almost no tunnel current flows because the gate insulating film is thick (1 Onm in this embodiment). This p-type MOS transistor is used to supply (when ON) or cut off (when OFF) electric charges from the power supply to the main circuit.
  • the entire surface is hydrofluoric acid.
  • a thermal oxide film 111 having a thickness of 3.5 nm is formed on the surface where the silicon substrate 101 is exposed, except for the region where the element isolation insulating region 102 and the gate electrode 108 are formed.
  • a polysilicon 112 having a thickness of 18 Onm is deposited on the entire surface. Phosphorus ions are introduced into the entire surface of the polysilicon 112 at an acceleration energy of 25 KeV to about 5 ⁇ 10 15 / cm 2, thereby forming an n-type polysilicon having an average impurity concentration of about I xl 020 / cm 3.
  • silicon oxide 113 having a thickness of 10 Onm is deposited (b). 113 is a protective film for the gate electrode.
  • the thermal oxide film 111, the polysilicon 112, and the silicon oxide 113 are processed by a photolithography process and a dry etching process to form a gate electrode 114 having a gate length of 0.18 ⁇ 1.
  • the gate electrode 114 forms the gate of the thin film MOS transistor.
  • the gate electrode 106 of the thick-film MOS transistor is also removed at the time of processing 113. In this production mode, 107 is required.
  • p-type source / drain regions 115 are provided by ion implantation of boron fluoride 20 KeV and about 2 ⁇ 10 15 / cm 2 (c).
  • the voltage applied in thin-film MOS transistors is much lower, and the effects of hot carriers, such as in thick-film MOS transistors, are reduced, so there is no need for an electric field relaxation structure such as the LDD structure.
  • the terminals of each transistor are connected by the first metal wiring layer 117 (d).
  • the second and third wiring layers are formed as necessary.
  • the electric field applied to the gate oxide film is 5 MV / cm2 or more, and the leak current is 1 ⁇ 10—even at a low power supply voltage of 1.8 V. 6 A / cm2.
  • the MOS transistor having this thin gate oxide film is manufactured according to the conventional scaling law, and is suitable for use in a main circuit.
  • the gate length of the thick-film MOS transistor be larger than the gate length of the thin-film MOS transistor, that is, the minimum gate length of the transistors existing in the same chip.
  • the threshold value of the thick-film MOS transistor needs to be set higher than that of the thin-film MOS transistor. However, it is well known that when only the gate oxide film is thickened with the same gate length, the threshold value tends to decrease. Have been. When the threshold value is lowered, the MOS transistor is likely to be in a state where it is not completely turned off. That is, a current is supplied to the MOS transistor in the thin film due to the subthreshold current. This makes it impossible to achieve the effects of the present invention.
  • This phenomenon can be solved by increasing the distance between the source and the drain, that is, by increasing the gate length.
  • This method is consistent with the MOS transistor design guidelines that have been commonly referred to as “scaling rules”. In other words, it is sufficient to use MOS transistors that have not been scaled. However, it cannot be denied that the area increases accordingly.
  • FIG. 50 shows an embodiment in which only an n-type MOS transistor is described. This is based on the assumption that the MOS transistor described in FIG. 1 is manufactured on the same substrate. Hereinafter, the manufacturing method will be briefly described.
  • a device isolation region 5102, an n-type impurity layer 5103, and an n-type impurity layer 5104 formed of a thermal oxide film 30 Onm are formed.
  • 5103 and 5104 have an average concentration of about Ixl017 / cm3, and are regions that are required for element isolation from P-type MOS transistors (both thin and thick) that are originally present in the same chip.
  • the method of introducing impurities into 5103 and 5104 is not particularly limited.
  • a thermal oxide film 5105 of silicon having a thickness of 1 Onm is formed on the entire surface, and then polysilicon having a thickness of 120 nm is formed.
  • Layer 5106 is deposited over the entire surface.
  • Boron ions are introduced into the entire surface of the 6106 to adjust the average concentration of boron in the polysilicon layer 5106 to 11020 / cm3 or more.
  • the boron ion introduction method may use ion implantation of about 2 ⁇ 1015 / cm2 at an acceleration energy of about 4 OKe V, or may use boron-doped polysilicon.
  • a gate electrode protective film 5107 made of a silicon oxide film having a thickness of 5 Onm is deposited on the entire surface (a).
  • the thermal oxide film 5105, the polysilicon layer 5106, and the gate electrode protection film 5107 are processed by photolithography and dry etching processes, and a gate electrode 5 having a processing gate length of 0.1 or more in consideration of the short channel effect.
  • This gate electrode 5108 constitutes the gate electrode of the thick-film MOS transistor.
  • arsenic is introduced at 35 KeV at about 2 X 1014 / cm2 to form an n-type conductive layer 5109 L, and an LDD (Lightly Doped Drain) source / drain region for the gate electrode 5108 .
  • LDD Lightly Doped Drain
  • This n-type impurity is introduced by ion implantation, and has an average concentration of about 5 ⁇ 1018 / cm3. This may be adjusted according to the required characteristics of the MOS transistor.
  • a 100 nm thick side wall spacer 5110 made of silicon nitride is formed on the side wall of the gate electrode 5108. Later, when the entire surface is cleaned with hydrofluoric acid, the silicon oxide film will be used as a silicon oxide film immediately below the gate electrode 5108 (this film functions as a gate insulating film of the gate electrode 5108). It functions as a protective film to prevent erosion. Immediately after this, phosphorus is introduced at about 4 ⁇ 10 15 / cm 2 at 4 OKeV to form an n-type conductive layer 5109, thereby forming a source / drain region for the gate electrode 5108. Ion implantation is used to introduce n-type impurities, and the average concentration is about 5 ⁇ 1019 / cm3.
  • the gate insulating film of the MOS transistor having the gate electrode 5108 thus formed is 1 Onm in the present embodiment.
  • the entire surface is washed with hydrofluoric acid to remove the element isolation insulating region 5102 and the region other than the region where the gate electrode 5108 is formed, that is, the silicon substrate 5101.
  • a thermal oxide film 5111 having a thickness of 3.5 nm is formed on the exposed surface.
  • polysilicon 5 12 having a thickness of 18 Onm is deposited on the entire surface. Boron ions are introduced into the entire surface of the polysilicon 5 1 12 at an acceleration energy of 40 KeV at a dose of about 5 xl 015 / cm2 to form n-type polysilicon having an average impurity concentration of about 1 x 1020 / cm3.
  • silicon oxide 5113 having a thickness of 10 Onm is deposited (b).
  • the thermal oxide film 51 11, polysilicon 5112 and silicon oxide 5113 are processed by photolithography and dry etching to form a gate electrode 5114 having a gate length of 0.18 ⁇ 01.
  • the gate electrode 5114 forms the gate of the thin-film MOS transistor.
  • n-type source / drain regions 5115 are provided by ion implantation of arsenic at 40 KeV and 21015 / cm2 (c
  • the terminals of each transistor are connected with the first metal wiring layer 5117 (d).
  • the second and third wiring layers are formed as necessary.
  • FIG. 1 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  • This embodiment is an example of manufacturing a MOS transistor in which a tunnel current flows and a MOS transistor in which such a tunnel current does not substantially flow by changing the impurity concentration of a gate and a source portion.
  • FIG. 1 As in the first embodiment (FIG. 1), only the cross section of the p-type MOS transistor is described.
  • An element isolation insulating region 202, an n-type impurity layer 203, and a p-type impurity layer 204 are formed on an n-type silicon substrate 201.
  • the n-type impurity layer 203 is provided for the p-well region of the transistor constituting the main circuit, and the n-type impurity layer 204 is used for the p-side of the MOS transistor for supplying power to the main circuit and shutting off the power supply. is there.
  • the average impurity concentration of the n-type impurity layers 203 and 204 is about 1 ⁇ 1017 / cm3.
  • the method of introducing impurities into n-type impurity layers 203 and 204 is not particularly limited. After ion implantation for adjusting the threshold value and ion into the region where each transistor is to be formed, a 3.5-nm-thick silicon thermal oxide film 205 is formed on the exposed substrate surface. Subsequently, a polysilicon layer 206 having a thickness of 180 nm is deposited on the entire surface immediately above 205 (a).
  • Phosphorus ions 207a are introduced into a region where a transistor for normal circuit operation is formed at an acceleration energy of 25 KeV at a dose of 2 ⁇ 1015 / cm2 to form n-type polysilicon 207.
  • Phosphorus ions 208a are introduced into a region for forming a transistor having a function of shutting off the power by introducing 2x1015 / cm2 at 35 KeV to form n-type polysilicon 208 (b). Due to these differences in the boron ion introduction process, the impurity concentration of the upper part of the gate electrode of the transistor having the function of shutting off the power is increased only at the upper part (almost 1 ⁇ 1020 / cm3), and the lower part of the gate electrode near the gate insulating film The impurity concentration becomes lower (almost lxl 017 / cm3). Accordingly, the carrier concentration below the gate electrode is reduced, and the characteristics are similar to those of a MOS transistor having a thick gate insulating film. That is, the tunnel current flowing through the gate insulating film can be reduced.
  • a 100 nm silicon oxide film 209 is deposited on the entire surface.
  • the thermal oxide film 205, the n-type polysilicon 208, and the silicon oxide film 209 are processed by photolithography and dry etching to form gate electrodes 210 and 211 (c).
  • the gate length of the gate electrode 210 is 0.18 m. Since the gate electrode 211 has a thick gate oxide film, the gate length is set to 0.18 zm or more in consideration of the short channel effect.
  • the p-type conductive layer 212 is formed to serve as a source / drain region for the gate electrode 210.
  • a p-type conductive layer 213 is formed to serve as a source / drain region for the gate electrode 211 (d).
  • Ion implantation is used to introduce p-type impurities, and boron fluoride is introduced at about 20 KeV and 21015 / cm2. The description of ion implantation for suppressing the short channel effect is also omitted here to prevent the figure from becoming complicated.
  • the terminals of each transistor are connected with the first metal wiring layer 215. Form second and third wiring layers as needed. Note that the method of the second embodiment (FIG. 2) has no effect until the tunnel current of the oxide film is fundamentally reduced, so that the power consumption reduction effect is smaller than that of the embodiment shown in FIG.
  • FIGS. 3 and 4 show a specific configuration example of a semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a layout diagram of the present embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line A-A 'in the layout diagram of FIG. FIG.
  • This circuit device is an example having a continuous 2 NAND gate circuit.
  • MP and MN are MOS transistors for power cutoff (for control circuit).
  • the thickness of the gate insulating film can be used at about 5 nm, but is 10 nm in this embodiment.
  • TP and TN are MOS transistors for logic circuits (for main circuits), and the thickness of the gate insulating film is 3.5 nm.
  • two types of M ⁇ S transistors having different thicknesses of the gate insulating film are used as described above.
  • the gate length LM of a MOS transistor having a thick gate insulating film is longer than the gate length of a MOS transistor having a thin gate insulating film.
  • high-speed operation is basically obtained by using a thin film MOS transistor.However, in order to prevent consumption of leakage current during standby of the thin film MOS transistor, the power supply during standby is shut off.
  • a switch is provided.
  • a p-type well 302 is provided on an n-type substrate 301 using a thick film MOS transistor having a small tunnel leak current, and an element isolation region 303 is provided.
  • Reference numerals 304 to 307 denote source / drain regions of a MOS transistor TP for a logic circuit
  • reference numerals 308 and 309 denote source / drain regions of a MOS transistor MP for power cutoff.
  • Reference numerals 310 and 311 denote gate electrodes of a MOS transistor TP for a logic circuit
  • reference numeral 312 denotes a gate electrode of a MOS transistor MP for shutting off a power supply.
  • GIT is the gate oxide of TP
  • GIM is the gate oxide of MP.
  • a first interlayer film 313 is formed, and the first interlayer film 313 is perforated and connected to the source, drain and gate electrodes of each transistor by first wiring layers 314, 315, 316, 317.
  • the wiring layers 314 and 316 are connected to the source region of the MOS transistor pMOSL for the logic circuit, and the wiring layer 315 is connected to the drain region of the MOS transistor pMOSL for the logic circuit.
  • the wiring layer 317 connects the source region of the logic circuit MOS transistor pMOSL and the drain region of the power cutoff MOS transistor pMOSV.
  • the wiring layer 318 is connected to the source region of the power cutoff MOS transistor pMOSV.
  • the second interlayer film 319 After forming the second interlayer film 319, it is perforated to form second wiring layers 320 and 32. 1 is connected to a desired region of the first wiring layer.
  • the wiring layer 320 shunts the drain of the power-off M0S transistor pMO SV.
  • the wiring layer 321 is a first power supply line that shunts the source of the power cutoff MOS transistor pMOSV.
  • the wiring layer 321 is connected to the first wiring layer 318 through the perforated second interlayer film 319.
  • FIG. 5 shows the case where the present invention is applied to the simplest one-night circuit.
  • L 1 is a CMOS inverter
  • TP 1 and MP 1 are p-type MOS transistors
  • TN 1 and MN 1 are n-type MOS transistors.
  • the p-type MOS transistor is indicated by a mark on the gate terminal portion.
  • TP 1 and TN 1 correspond to TP and TN in FIG. 1, respectively.
  • the gate insulation thicknesses of the TP 1 and TN 1 MOS transistors are smaller than those of the MP 1 and MN 1 MOS transistors.
  • transistors using thin gate insulating films such as TP1 and TN1 are referred to as thin-film MOS transistors or thin film transistors, and transistors using thick gate insulating films such as MP1 and MN1 are referred to as thick. It is referred to as a film MOS transistor or a thick film transistor.
  • a thin film MOS transistor is indicated by a circle.
  • a thin film transistor called a TFT Thin Film Transistor
  • the thin film transistor and the thick film transistor referred to in the present invention are simply defined for convenience only by comparing the thickness of the gate insulating film.
  • Thick film MOS transistors MP 1 and MN 1 are inserted between the CMOS inverter L 1, the first power supply Vdd, and the second power supply Vss.
  • the control signal CS is set to “ ⁇ ”.
  • the thick-film MOS transistors MP1 and MN1 are turned on, and the first power supply Vdd and the second power supply Vss are directly connected to the inverter L1.
  • the CMOS inverter L 1 is composed of thin-film MOS transistors TP 1 and TN 1, a current (tunnel current) flows between the gate and the source and between the gate and the drain.
  • This leak current flows between the first power supply Vdd and the second power supply Vss through the thick-film MOS transistors MP1 and MN1, and the power consumption of the entire circuit increases.
  • the control signal CS is set to 'L.
  • the thick-film MOS transistors MP1 and MN1 are turned off, and the first power supply Vdd, the second power supply Vss, and the CMOS inverter L1 are separated.
  • the leak current between the gate and the source and between the gate and the drain does not flow between the first power supply Vdd and the second power supply Vss because the thick-film MOS transistors MP1 and MN1 are off.
  • Thick-film MOS transistors MP1 and MN1 can prevent the increase in power consumption due to the above-mentioned leakage current. In this embodiment, if the thickness of the gate insulating film of the thick-film MOS transistor is 3.5 nm and the thickness of the gate insulating film of the thin-film MOS transistor is 6.
  • a circuit usually called a clocked inverter circuit uses CS as the clock input, but if MP 1 and TP 1 and MN 1 and TN 1 are connected in series, MP 1 and TP 1 Even if the order of MN1 and TN1 is changed, circuit operation is not affected.
  • the circuit of the present invention has a different characteristic in that the effect is lost if the connection order of MP1 and TP1 is changed or the connection order of MN1 and TN1 is changed.
  • This embodiment is an embodiment in which the present invention is applied to a three-stage CMOS inverter composed of thin-film PMOS transistors TP1 to TP3 and thin-film n-type MOS transistors TN1 to TN3.
  • p-type MOS transistors MP1 to MP3 and n-type MOS transistors MN1 to MN3 are thick-film transistors.
  • a thick film MOS transistor is connected between the first power supply Vdd and the second power supply Vss of the circuit and the respective power supply electrodes Vcd1, 031, 03, and Vcs3 of the three CMOS inverters. Rungis Evening is inserted.
  • the control signal CS applied to the thick-film MOS transistor to 'L', the current flowing between the gate and the source and between the gate and the drain of the thin-film MOS transistors TP1 to TP3 and TN1 without TN3 is reduced. Power consumption can be reduced.
  • the sources of the thin-film MOS transistors forming the three-stage inverter are connected to the virtual power lines Vcd 0 and Vcs 0, and the virtual power lines Vcd 0, Vcs 0 and the A thick-film MOS transistor is inserted between the first power supply Vdd and the second power supply Vss.
  • FIG. 7 often has a smaller area.
  • the gate widths of MP1 to MP3 and MN1 to MN3 need to be determined so that the delay time of each inversion does not become slow due to the insertion of MP1 to MP3 and MN1 to MN3. is there.
  • the gate width of MP 1 and MN 1 is about the same as the gate width of TP 1 and TN 1.
  • the gate widths of MP 1 and MN 1 can be determined in consideration of the activation rate of each invar. That is, the gates of MP1 and MN1 are determined in consideration of the maximum activation rate of the logic circuit connected to MP1 and MN1 (three stages of inversion in the example of Fig. 7).
  • FIG. 7 shows that the level holder LH1 is connected to the fifth embodiment shown in FIG. 7, the control signal CS becomes' L, the operation of the inverter stops, and the output (OUT2) becomes high impedance. This is an embodiment in which the level of the output OUT can be maintained even in the state.
  • the level holder LH1 is realized by a latch with two members one by one.
  • the level of the output OUT can be held, and the circuit at the next stage using the output OUT as the input can be held. Anything can be used as long as it has no effect.
  • the level holder circuit LH1 does not require high speed, and is constituted by a thick-film MOS transistor to suppress the leak current. If high speed is required, the level holder circuit can be composed of thin-film MOS transistors, but it is meaningless to increase the leakage current compared to the inverter itself, so care must be taken in the design.
  • the place where the level holder circuit is inserted may not be anywhere in the circuit. For example, in FIG. 8, it does not make sense to insert it into OUT 1 or OUT 2.
  • Control signal CS power: 'L must be inserted into a signal line ( ⁇ UT3 in Fig. 8) that needs to maintain the logic level.
  • a seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIGS. 5 (fourth embodiment) to FIG. 8 (sixth embodiment) described above, the embodiment in which “inverted” is formed by a thin film MOS transistor is shown.
  • the circuit may have any function as long as it has a circuit.
  • Fig. 9 shows this example.
  • Figure 9 shows the invar of Figure 5 replaced with a NAND gate with two inputs (INI, IN2). This configuration can also prevent an increase in power consumption as in FIG.
  • the thick-film MOS transistor composed of a thick oxide film is used as the control circuit connected to the control signal CS.
  • Any device can be used as long as the amount of leakage current between the source and between the gate and the drain can be controlled.
  • a MOS transistor whose gate electrode depletion rate is larger than that of the main circuit and a gate insulating film with a small gate leakage force s , even if it is a thin gate insulating film, corresponding to the manufacturing process shown in Fig. 2. It may be constituted by a constituted MOS transistor.
  • the substrate electrode of the MS transistor is not specifically mentioned, but the connection is not particularly defined in the present invention.
  • the substrate electrode of the p-type MOS transistor may be connected to the first power supply Vdd
  • the substrate electrode of the n-type MOS transistor may be connected to the second power supply Vss.
  • the thin film M0 The substrate electrode of the S transistor TP1 may be connected to Vcd1
  • the substrate electrode of the thin film transistor TN1 may be connected to Vcs1.
  • the standard cell of CM0S inverter with the substrate electrode connected to the power supply can be used as it is for the inverter circuit L1 as the main circuit.
  • the semiconductor integrated circuit device manufactured by the procedure described in FIGS. 1 and 2 can be applied to all the circuit configurations in FIGS. 5 to 9 below. Further, the embodiments shown in FIGS. 5 to 9 are more effective when used in a circuit whose operation frequency is low.
  • a word circuit for a memory circuit and a driver circuit can be cited.
  • only one word-deco-driver circuit can be activated at a time.
  • Many other word deco overnight driver circuits remain inactive, and if there is a gate leak, steady current will flow and power consumption will increase.
  • the power consumption of a large number of inactive word decoder / driver circuits can be reduced.
  • Figures 12 to 19 show other examples of the method of inserting a thick-film MOS transistor to reduce leakage current during standby in a circuit composed of thin-film MOS transistors TP1-TP4 and TN1-TN4. Show.
  • the switch MN1 only needs to be inserted on the Vss side, and is not required on the Vdd side.
  • L H1 is a level hold circuit that holds the output during the standby time.
  • FIGS. 14 to 17 show examples in which the logical levels of IN and OUT during the standby time are different. As shown in Figure 14, if the IN and Out logic levels are different during the standby time,
  • FIG. 15 shows a switch in Vdd and IN instead of Vss and OUT (indicated by MP1, MP5, and NM5).
  • the switch must be composed of a large gate width MOS transistor. In practice, the example in Figure 15 is better.
  • Switches MP1 and MN1 may be inserted in Vdd and Vss. No switches are required for in and out.
  • FIG. 19 shows an example in which there are a plurality of input signals (IN1, IN2).
  • IN1 'H'
  • IN2 2UT 'L'
  • switches MP1, MP5, ⁇ 5 should be inserted in Vdd and INI.
  • the insertion point of the thick-film MOS transistor for reducing the gate leakage current has an optimum position depending on the circuit. Therefore, it is not necessary to use the same insertion method for the entire circuit, and it is sufficient to insert the circuit at an optimum position for each circuit block.
  • FIG. 20 and FIG. 21 show other examples of the level hold circuit LH1.
  • Fig. 20 shows a two-stage configuration with one inverter, and the current driving capability of the subsequent transistor is sufficiently smaller than that of the logic gate connected to I ⁇ and the tunnel leakage of the logic gate. Make it sufficiently larger than the current.
  • Figure 21 shows an example in which the latter stage is a clocked inverter, which has the effect of increasing the degree of freedom in designing the current drive capability of the transistor.
  • the threshold value of the transistor is not limited at all. However, it is effective to set the threshold value of the thin-film MOS transistor to a low threshold value and set the thick-film MOS transistor to a higher threshold value. It is a target.
  • a so-called subthreshold leakage current flows between the source and the drain.
  • a high-thickness film inserted between the power supply and the 0 S transistor can cut the leakage current. it can.
  • a thick M0S transformer is used.
  • the threshold voltage is not a problem. For example, a high threshold of about 0.5 V is used, and a thin-film MOS transistor is configured with a low threshold of about 0.5 V, for example. Show.
  • the gate length of the thick-film MOS transistor is preferably longer than the gate length of the thin-film MOS transistor.
  • the threshold value of thick-film MOS transistors can be increased, and the reliability of thick-film MOS transistor devices that operate at high voltages can be improved.
  • a high voltage of, for example, about 3.3 V is basically applied to a thick-film MOS transistor, and a low voltage of, for example, about 1.5 V is applied to a thin-film MOS transistor.
  • a high voltage of, for example, about 3.3 V is basically applied to a thick-film MOS transistor
  • a low voltage of, for example, about 1.5 V is applied to a thin-film MOS transistor.
  • a high voltage of, for example, about 3.3 V is basically applied to a thick-film MOS transistor
  • a low voltage of, for example, about 1.5 V is applied to a thin-film MOS transistor.
  • FIG. 22 is a block diagram showing a semiconductor integrated circuit according to the present invention.
  • the circuit blocks mainly composed of thin-film MOS transistors are enclosed by solid lines
  • the circuit blocks composed of thick-film MOS transistors are enclosed by dotted lines
  • the circuit blocks in which both are mixed are enclosed by both.
  • a main circuit 2201 including a CPU core exchanges signals with input / output terminals via an input / output circuit 2202.
  • the main circuit 2201 also exchanges signals with a memory cell 2205 (comprising, for example, a DRAM) via a memory direct peripheral circuit 2204.
  • Power supply control circuit 2206 controls the power supply and the like of the thin film MOS transistor in each module. Normally, the signal voltage inside the semiconductor integrated circuit chip differs from the signal amplitude outside the chip, so the level conversion of the signal amplitude is performed by a level conversion circuit described later.
  • the memory cell 2205 indicated by the dotted line is mainly It consists of a MOS (thick film MOS transistor) with a gate oxide film with negligible current.
  • the gate oxide film is, for example, a thick oxide film of about 5-1 Onm.
  • the main circuit 2201, the input / output circuit 2202, the memory direct peripheral circuit 2204, and the standby control circuit 2206 mainly use a thin film MOS transistor.
  • a main circuit containing many logic elements has a large proportion of thin film MOS transistors.
  • the thin-film MOS transistors in these circuits are designed so that power can be cut off by a power control switch to reduce leakage current during standby. Since a transistor serving as a power control switch does not make sense if there is a leak current, a thick-film MOS transistor is used. These power switch M0Ss are turned on / off under the control of the stamp pie control circuit 2206. Also, in this semiconductor integrated circuit device, in addition to the thick film MQS transistor for the power switch, the transistor (I / O circuit, etc.) of the part to which a large signal amplitude input from outside the chip is directly applied A thick-film MOS transistor is also used.
  • I / O circuits to which large signal amplitudes are input require high gate withstand voltage MOS, and thick-film MOS transistors generally have high gate withstand voltage.
  • the high voltage MOS transistor used for the I / O circuit the thick film MOS transistor for reducing the gate leak of the thin film MOS transistor described in FIGS. 5 to 21 can be used.
  • the process can be simplified.
  • Memory cells 2205 are memories that need to hold data during standby, and are composed of thick-film MOS transistors with negligible tunnel leak current. If a thick-film MOS transistor is used for the memory cell, the operation speed will be slower, but since there is no problem of increased power consumption due to gate leakage, power can be continuously supplied to the memory cell during standby. Conversely, a memory that does not need to hold information during standby can use a thin film MOS transistor in its memory cell. During standby, the information stored in the memory cell is lost, but turning off the power supply to the memory cell can prevent an increase in power consumption due to gate leakage.
  • the memory cell can be similarly configured with a thin-film MOS transistor.
  • a thin-film MOS transistor For example, register files, etc. —Current is not a major issue, and speed is important.
  • Such a memory is desirably formed of a thin film MOS transistor.
  • the chip is driven by at least two types of power supplies, and the power supply Vc 02 is 0. It is set larger than 1. Thick-film MOS transistors are driven by Vcc2, which has high current supply capability, and thin-film MOS transistors are driven by Vccl.
  • Vc c 1 is assumed to be 1.5 V and Vc c 2 is assumed to be 3.3 V, but any value may be used as long as the relationship of Vc c 2> Vc c 1 is satisfied. Needless to say.
  • the main part of the semiconductor integrated circuit of FIG. 22 described above is constituted by a film MOS transistor, high-speed operation is possible.
  • FIG. 23 shows another embodiment of the semiconductor integrated circuit.
  • the basic configuration is composed of a main circuit 2301 composed of a logic circuit, etc., an input / output circuit 2302, and a standby control circuit 2303.
  • the externally supplied 3.3 V voltage Vcc2 is stepped down to 1.5 V Vccl by the step-down circuit 2304.
  • the step-down circuit 2304 may be provided on the same chip as the main circuit or the like, or may be formed on another chip.
  • the main circuit 2301 is mainly composed of thin-film MOS transistors, enabling high-speed operation.
  • the step-down circuit 2304 is mainly composed of a thick-film MOS transistor.
  • the input / output circuit 2302 and the stamp control circuit contain both thin and thick MOS transistors.
  • the thin film MOS transistor is driven by Vccl, and the thick MOS transistor is driven by Vcc2.
  • the stampy control circuit turns off the output of the step-down circuit 2304 during standby of the circuit to suppress power loss due to leakage current.
  • the output from the input / output circuit 2302 to the main circuit 2301 is also 'L'. Since the input to the main circuit 2301 becomes' L 'and the power supply voltage supplied to the main circuit becomes 0V, the potential of the main node in the main circuit becomes' L, and the power consumption increases due to tunnel leakage. Can be reduced. Note that the thin-film MOS transistor If the threshold voltage is set low, it goes without saying that the increase in power consumption due to the subthreshold leakage current can be reduced at the same time.
  • FIG. 24 shows another embodiment, and portions common to FIG. 23 are denoted by the same reference numerals.
  • two kinds of power supplies Vccl and Vcc2 are supplied to the chip from the outside; Vccl is supplied to the main circuit 2301 and the like via a switch 2404 composed of a thick-film PMOS transistor.
  • the switch 2404 is turned off by the standby control circuit 2303, and the power supply of Vccl is turned off.
  • the output from the output circuit 2302 to the main circuit 2301 becomes “L” during standby.
  • the switch 2404 may be on the same chip as the main circuit or the like, or may be a power MOS transistor external to the chip.
  • the switch 2404 is constituted by a thick-film MOS transistor.
  • the input to the main circuit 2301 becomes' L 'and the power supply voltage supplied to the main circuit becomes 0 V, so that the potential of the main node in the main circuit becomes' L, Therefore, the increase in power consumption due to tunnel leakage can be reduced.
  • FIG. 25 is a diagram showing an embodiment in which a circuit for compensating for variations in the operating speed of the main circuit is further incorporated in FIG.
  • the main circuit 2501 has a delay monitor circuit M0NI.
  • the delay monitor circuit M0NI monitors the delay time of the logic circuit in the main circuit. Therefore, this delay monitor circuit is basically composed of a thin-film MOS transistor similar to the thin-film MOS transistor of the main circuit.
  • the delay monitor circuit is composed of, for example, a ring oscillator.
  • the step-down circuit 2504 that generates Vccl from Vcc2 is based on the delay monitor circuit M0NI in the main circuit, and the delay of the logic circuit that constitutes the main circuit due to changes in the environment such as manufacturing of the transistor and temperature in the main circuit. Control the value of Vccl so as to compensate for variations in time. This is realized, for example, by a PLL method as shown in FIG. For example, when the temperature rises and the delay time of the logic circuit constituting the main circuit becomes slow, the step-down circuit 2504 raises its output Vcc1. Conversely, when the temperature decreases and the delay time of the logic circuit constituting the main circuit increases, the step-down circuit 2504 lowers its output Vcc1. Thereby, the delay time of the logic circuit constituting the main circuit can be kept constant.
  • FIG. 26 is a diagram showing another embodiment.
  • FIG. 25 shows an embodiment in which the monitor circuit MONI monitors the delay time of the logic circuit constituting the main circuit.
  • the characteristics of the MOS transistors or logic circuits that make up the main circuit are measured during the chip manufacturing inspection, and the device information is stored in 2605.
  • the step-down circuit 2604 determines the value of Vccl. For example, if the threshold value of the transistor that constitutes the main circuit is found to be larger than the design value during chip inspection, the step-down circuit 2604 outputs Vcc1 at a value larger than the design value. And store it in 2605.
  • the step-down circuit 2604 sets V cc 1 to a value smaller than the design value. And store it in 2 6 0 5 so that it is output. In this way, manufacturing variations can be compensated.
  • the device information stored in 2605 may be a transistor threshold value or a saturation current value of a transistor. In short, the device information may reflect a delay time of a logic circuit constituting a main circuit. I just need.
  • the storage method is not particularly limited. As a simple method, for example, a method of changing the value of Vref of the step-down circuit in FIG. 27 by a physical method using FIB processing for cutting a fuse (aluminum wiring or the like) with an ion beam may be used.
  • the method of FIG. 26 has an advantage that the area overhead can be reduced more easily than the method of FIG.
  • FIG. 27 is an example of a circuit configuration of a step-down circuit (low voltage limiter) 2304 that converts the high voltage Vcc2 shown in FIG. 23 into the low voltage Vccl.
  • This step-down circuit is controlled by a control signal STB from the standby control circuit 2303, and turns on / off the supply of Vccl.
  • the voltage limiter handles high voltages, it is basically composed of thick-film MOS transistors.
  • the phase compensation capacitance CC is about ⁇ , there may be a leakage current.
  • the circuit area can be reduced by forming it with a thin-film MOS transistor.
  • CC is usually several hundred to several thousand pF, which is effective in reducing the chip area.
  • FIG. 28 is a detailed circuit diagram of the delay monitor circuit M0NI and the step-down circuit 2504 described in FIG.
  • a ring oscillator composed of CM and Simba is used.
  • This circuit forms a phase locked loop (PLL), which compares the oscillation frequency of the delay monitor MONI with the clock signal fl to the main circuit using the frequency phase comparison PFD, and passes through the level converter LC3. Drives the charge pump circuit CP.
  • PLL phase locked loop
  • the output of CP passes through the low-pass filter or LPF and is output as Vref.
  • Vccl is created based on the value of Vref.
  • Vccl is generated according to clock signal ⁇ .
  • the ring oscillator MON I and the frequency phase comparator PFD are composed of thin-film MOS transistors.
  • the charge pump is composed of a thick-film MOS transistor in order to use Vcc 2 as a power supply.
  • FIG. 29 shows another example of the delay monitor circuit and the step-down circuit of FIG.
  • the basic configuration is the same as that of Fig. 28, except that the power supply Vcc1 supplied to the main circuit is separated from Vcc3 supplied to the delay monitor circuit.
  • Vccl and Vcc3 are originally the same voltage, but noise may be mixed into Vccl from the main circuit. Therefore, in order to reduce the influence of the noise mixed in Vccl on the delay monitor circuit, the power supply Vcc 3 to the delay monitor circuit is improved independently of Vcc 1 to improve the monitoring accuracy.
  • FIG. 30 shows an example of the input / output circuits 2202 and 2302 in FIGS. Here, only one bit is shown.
  • the I / O circuit performs internal and external signals via the I / O terminal PAD.
  • PAD When SEL is, PAD is an input terminal, and when SEL is 'H', it is an output terminal.
  • LC1 is a level conversion circuit that converts a Vccl amplitude signal to a large amplitude Vcc2 signal when the control signal STB from the standby control circuits 2206 and 2303 (see FIGS. 22 to 26) is 'L'. Output from the output terminal PAD.
  • the transistor between the level conversion circuit LC1 and the input / output terminal PAD is composed of a thick-film MOS transistor driven by Vcc2.
  • PM0S is composed of a thick-film MOS transistor.
  • STB which indicates the standby state of the circuit
  • STB which indicates the standby state of the circuit
  • LC1 holds the output.
  • a signal having an amplitude of Vcc2 input from the outside is converted into an amplitude of Vccl by an impeller composed of 4004 P and 4004 N. Therefore, the two transistors handle signals before level conversion, so they consist of thick-film MS transistors.
  • the signal from the PAD is cut by 4015P2, and IN is fixed to 'L'.
  • the resistors R1, R2, diodes 4002D1, 4002D2, and transistor 4014N are input protection circuits.
  • the diodes 4002D1 and 4002D2 may be constituted by MOS transistors.
  • the MOS transistor in this input protection circuit is composed of a high-voltage thick-film MOS transistor.
  • FIG. 31 shows a specific circuit example of the level hold and level conversion circuit LC1 in FIG.
  • the level hold circuit 3101 holds the signal of Vccl amplitude by the standby control signal STB, and then converts the signal to the amplitude of Vcc2 by the level conversion circuit 3102 and outputs it.
  • FIG. 32 shows another specific circuit example of the level hold and level conversion circuit L C1 of FIG.
  • the level hold circuit 3201 is on the output side when viewed from the level conversion circuit 3202, and holds and outputs the signal after being converted to a signal of Vcc2 amplitude.
  • FIG. 31 has the advantage of requiring a smaller area.
  • FIG. 33 shows an example of the standby control circuits 2206 and 2303 (see FIGS. 22 to 26).
  • the STBIN signal (Vccl amplitude) output from the main circuits 2202, 2301, etc. is level-converted to Vcc2 to create STB and its inverted signal / STB.
  • FIG. 34 shows an embodiment of the microcomputer.
  • thick-film MOS transistors are used for the memory cells 3403 and 3404 of the instruction cache 3401 and the data cache 3402. It should be noted that high-speed performance is more important than power consumption, and a portion requiring high-speed operation may be configured with a thin-film MOS transistor to form a hierarchical memory structure. Similarly, speed-critical TLBs (in 3410 and 3411) and resist files (3405 and 3406) reduce power consumption mainly in thin-film MOS transistors.
  • Instruction issuing unit 3412 general-purpose register unit 3405, floating-point register unit 3406, integer operation unit 3407, floating-point operation unit 3408, load unit 3409, where speed is important, and power consumption is small if it is small. Since the effect of this is negligible, it is formed with a thin-film MOS transistor. Since the standby control circuit 3413 and the input / output circuit 3414 are the same as those already described, the description will be omitted.
  • FIG. 35 is a partial cross-sectional view of the input / output circuit shown in FIG.
  • the part indicated by A in the figure is the input protection circuit, and the part indicated by B is the input / output circuit area.
  • the input / output circuit area includes a level conversion circuit.
  • a p-type well 4007P and an N-type well 4007N are provided on an n-type substrate 4006, and an element isolation region 4008 is provided.
  • 4010P1, 4009P1, 4009P, and 4010N1 are the source and drain regions of the MOS transistor pMOSL for the input protection circuit.
  • R1 and R2 are resistance elements
  • 4004P1, 4004P2, 4000N2, 4000P2, 4004N1, and 4004N2 are the source-drain regions of the level conversion circuit MOS transistor.
  • 4004N4 and 4004P4 are the gate electrodes of the MS transistors 4004P and 4004N.
  • 4004N3 and 4004P3 are gate insulating films of the MOS transistors 4004P and 4004N.
  • the wiring layer 4013 supplies power through the contact hole 4012.
  • the level conversion circuit in the input circuit area is formed of thick-film MOS transistors 4004P3 and 4004N3. Other outlines are the same as the configuration shown in FIG.
  • a mask ROM basically, binary information is accumulated depending on whether a precharged bit line is discharged to a ground potential and held as it is and kept at a high potential.
  • FIG. 36 shows a block diagram of the N0R type mask ROM using the diffusion layer programming method.
  • the code decoder 3604 receives N sets of row addresses and M sets of column addresses, and Select one of the addresses (in memory cell units).
  • the word driver 3602 receives the output of the word decoder and drives the corresponding memory cell unit.
  • the memory cell is formed of a thick-film MOS transistor as described later, the amplitude of the word line is large (Vc c 2).
  • the word driver is composed of a thick-film MOS transistor to which Vcc2 is supplied, and a small-amplitude (Vcc1) address normally sent from a CPU or the like changes the signal amplitude of Vcc2 through a level conversion circuit.
  • the word decoder 3604 which handles small-amplitude signals, consists of thin-film MOS transistors.
  • memory cell 3601 is formed of a thin film transistor
  • the level conversion circuit 3603, the sense amplifier circuit 3605, and the standby control circuit 3606 include both a thin-film MOS transistor and a thick-film MOS transistor.
  • no transistor is formed in the cell MMN00 holding “1”. That is, no diffusion layer is formed.
  • word line W12 is set to 'H'
  • image 11 turns on and bit line BL1 changes to.
  • the cell MMN11 holding "0" forms a transistor, and even if the word line W11 is set to ",”, the bit line BL1 is not set to "L".
  • FIG. 37 shows an example of a NOR type mask ROM of the ion implantation program system. This is basically the same as the example in FIG. 36, but the internal configuration of the memory cell 3701 is slightly different.
  • the lead lines W21 and W22 are set to ' ⁇ ', whether the cell transistor is turned on or off is controlled by the threshold voltage Vth of each M0S transistor.
  • FIG. 38 is a cross-sectional view of a main part of the memory cell of FIG.
  • the information is determined by whether or not M 0 S turns on when the lead line is selected.
  • the word line voltage (the voltage applied to the gate of the memory cell) is the voltage of the output of the word driver.
  • Vcc2 (> Vccl). Therefore, high Vth means Vth> Vcc2.
  • a diffusion layer for setting a low Vth is provided immediately below the gate insulating film of the MOS connected to the lead line W21.
  • Figure 39 shows an example of a NOR mask ROM using the contact hole program method. Basically, it is the same as the example of FIG. 36, but the internal configuration of the memory cell 3901 is slightly different. Although the configuration of each transistor MMN31 and MM32 is the same, '' 'and' L 'of the output are controlled by whether or not they are connected to bit line BL3.
  • FIG. 40 is a cross-sectional view of a main part of the memory cell portion of FIG. The MOS of the right side is not connected to the bit line BL3.
  • Fig. 41 shows an example of a NAND type mask ROM using the ion implantation program method. It is basically the same as the example of FIG. 36, but the internal configuration of the memory cell 410 is slightly different.
  • the M0S transistor forms a cell block. Whether the threshold value of these MOS transistors is positive (enhancement type) or negative (debrief type) determines whether the memory content is "1" or "0". In this example, MM 4n is a debrief type M0S.
  • the block select transistor BSMN4 is turned on. At the same time, select one of the word lines in this block and set it to 'L'. If the selected lead line is W4n, a cell current flows through this block, and a signal is output to the bit line BL4 through BSMN4.
  • FIG. 42 is a cross-sectional view of a main part of the memory cell of FIG.
  • common parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • FIG. 43 shows an example of a DRAM according to the present invention.
  • the input / output circuit 4 311, the standby control circuit 4306 and the word driver 4 312 mainly composed of thick-film MOS transistors operate with Vcc2 and VPP set to a higher voltage than Vccl.
  • the transistor in the memory cell 4301 is composed of a thick-film MOS transistor in order to prevent electric charge from leaking from a capacitance storing information in the form of electric charge.
  • the word line W is driven with a large amplitude to drive the thick film transistor.
  • the conventional DR For the same purpose, like AM, to prevent charge from leaking out of the capacitance, the transistors in the memory cell should be set to a high threshold.
  • the decoders 4313 and 4318 that handle small-amplitude signals and the address buffers 4315 and 4316 are composed of thin-film transistors and are driven by low-voltage Vccl.
  • the sense amplifier 4305 includes both thick-film MOS transistors and thin-film MOS transistors.
  • the signal Ai input to the input circuit 4311 has a large amplitude Vcc2
  • the signal Ai is converted into a small amplitude Vccl and handled by the address buffers 4315 and 4316 and the decoders 4313 and 4318.
  • a thick-film MOS transistor is suitable for the input circuit before the level conversion to Vccl.
  • the output circuit 4320 also has a thick-film MOS transistor. The power supply to the thin film MOS transistors in the address buffers 4315 and 4316 and the decoders 4313 and 4318 is controlled by the thick-film MOS transistor in the same manner as in the above-described embodiment.
  • a level conversion circuit is provided in the row decoder 4313, which supplies a signal of a larger amplitude (Vpp) to the word driver 4321 as a signal of a larger amplitude (Vpp).
  • Vpp a signal of a larger amplitude
  • Vpp a signal of a larger amplitude
  • Vcc2 is 3.3 V
  • Vccl is 1.8 V
  • Vpp is 3.6 V
  • VDD 1.5 V.
  • FIG. 44 shows the internal configuration of the sense amplifier 4305 in FIG.
  • bit line pair B and / B are precharged to VDD1 / 2 by precharge circuit PC.
  • the sense amplifier drive lines NCS and PCS are both at VDD1 / 2 level. Therefore, since all of the transistors TP11, TP12, TN11, and TN12 constituting the sense amplifier SA have the same potential at the source, drain and gate, neither sub-threshold leakage current nor tunnel leakage current flows. Therefore, these can be constituted by thin-film MOS transistors to speed up the sensing operation.
  • the precharge signal PCB has a high potential (> VDDl / 2) during standby. Therefore, the transistor MN1 and MN13, which constitute the precharge circuit, are composed of MS having a thick gate oxide film to prevent tunnel leak current. Note that since the source and the drain have the same potential, there is no need to set the threshold value to ⁇ .
  • the transistors M14 and MN15 that constitute the input / output gate YG are also composed of thick-film MOS transistors.
  • the gates of these transistors receive the output YS of the column decoder. This is because it is at ground level during standby.
  • FIG. 45 shows details of the sense amplifier circuit 435 of FIG. Of the input signals, Ai and Aj are address signals, and ⁇ is a timing signal.
  • the memory array is divided into a plurality of sub-arrays, and therefore, an address signal (usually the upper few bits of the low-address signal) is required to operate only the sense amplifier of the selected sub-array.
  • the NAND gate NA1 and the inverters IV1 and IV2 are composed of thin-film MOS transistors.
  • Ai, Aj, and ⁇ are 'L,, SA, and SAP is' H, so switches are placed on the power supply side of NA1 and IV1, and the ground side and input of IV2 to prevent tunnel leakage current.
  • level hold circuits LH1 and LH2 are provided to hold SAN and SAP levels.
  • the NCS and PCS precharge circuits are thick-film MOS transistors.
  • Drive transistors MN20 and MP20 are thick-film MOS transistors.
  • the source, drain, and gate of these transistors are all at different potentials during standby, so that leakage between them is prevented.
  • FIG. 46 shows a configuration example of the main amplifier 4309 of FIG. This example consists of a two-stage differential amplifier "MA1 and MA2.
  • the transistors constituting these amplifiers are thin-film MOS transistors to speed up the amplification operation.
  • Amplifier input signals DO, / DO, 1 stage The output signals D1 and / D1 of the second stage and the output circuits D2 and / D2 of the second stage are both precharge circuits (not shown).
  • the activation transistors # 31 and # 32 prevent leakage to VSS as thick-film MOS transistors.
  • FIG. 47 shows an embodiment of the SRAM of the present invention. The basic circuit configuration has already been described
  • the memory cell 4701 is basically composed of a flip-flop, which is composed of a thick-film MOS transistor.
  • the transfer transistor (also referred to as an access transistor) among the transistors constituting the memory cell 4701 is constituted by a thin film transistor
  • the maximum value is (the number of memory cells connected to one bit line)
  • X the number of memory cells connected to one bit line
  • Gate leakage current flows into the bit line through the word line Therefore, it works in the same way as noise is mixed into the bit line, and degrades S / N. Therefore, at least the transfer transistor is preferably a thick-film transistor. Since gate leakage of transistors other than transfer transistors only contributes to the increase in power consumption, thin-film MOS transistors may be used if power consumption is not important.
  • the effect of the present invention increases as the number of memory cells connected to one bit line increases, that is, as the memory capacity increases.
  • the threshold voltage of the transfer transistor O If the threshold value of the transfer transistor is small, the maximum value is (the number of memory cells connected to one bit line) X (one memory cell A leakage current of only a sub-threshold leakage current between the source and the drain of the transfer transistor flows around the bit line. This works in the same way as noise is mixed into the bit line, and degrades S / N. To prevent this, it is advisable to increase the threshold value of the transfer transistor. This may be adjusted, for example, by changing the amount of the channel impeller to the transfer transistor, or the gate length of the transfer transistor may be designed to be slightly longer.
  • FIG. 48 shows a circuit example of the word decoder 4704, word driver 4702, and level conversion circuit 4703 of FIG.
  • the semiconductor device includes a thick-film MOS transistor MN11 configured of a thin-film MOS transistor and for cutting a gate leak current during standby.
  • the word driver is a circuit that operates with the power supply voltage of Vcc2, and has a level conversion circuit between the word decoder and the word driver.
  • the level conversion circuit is basically composed of a thick-film MOS transistor in order to form a signal having a small amplitude to a large amplitude. Basically, it is the same as that described in FIG.
  • the configuration of the above word decoder 4704, word driver 4702, and level conversion circuit 4703 is basically the same in the above-described SRAM and ROM.
  • Figure 49 shows the details of the specific circuit of the sense amplifier circuit 4705 in Figure 43. You. Since the bit line potential has no effect on data retention, the power supply V cc 1 may be turned off during standby.
  • This sense amplifier / write circuit is composed of a thin film MOS transistor circuit.

Description

明細書
半導体集積回路装置
技術分野
本発明は、 MOSトランジスタを構成要素に持つ半導体集積回路に関し、 特に 2 V以下の低電圧電源下で動作させるのに適した、 トンネル電流が流れる程に薄 いゲート絶縁膜を有する M〇Sトランジスタを用いた半導体集積回路装置に関す る。
背景技術
微細な MOSトランジスタからなる半導体集積回路の一従来例として、 「19 94カスタム · ィンテグレ一テツ ド ·サーキッ ト * コンファレンス （CI CC) jの 267ページから 270ベ一ジに掲載されている 「Limit at ion of CMOS Supp 1 y-Vo 1 t age Scal ing by MO SFET Thresho ld-Vo ltage V a r i a t i o n」 が挙げ られる。 この文献には、 トランジスタのしきい値と待機時のリーク電流の関係が 説明されている。
発明の開示
現在一般の MOSトランジスタでは 1. 8〜2. 5 V程度のゲート電圧 （ゲー 卜 ·ソース間電圧で、 通常は電源電圧に等しい） で、 5〜6nm程度のゲート絶縁 膜を用いている。 一般に MOS卜ランジス夕の製造ルールが微細化されるにつれ 、 ゲート絶縁膜も薄膜化される。 発明者らは次世代の MOSトランジスタでは、 2 V以下のゲート電圧で、 4 nm以下のゲ一ト絶縁膜を用いたトランジスタを予想し ている。
MOSトランジスタの動作速度は原理的にはゲート絶縁膜の厚さに反比例して 高速化すると考えられる。 しかし、 あまりに薄い絶縁膜にはトンネル電流が流れ ることが知られている。 MOS卜ランジス夕では、 本来流れないはずのソース . ゲート電流あるいはドレイン 'ゲ一ト電流といったリーク電流 （トンネルリーク 電流） となって現われる。 そして MOSトランジスタの待機時消費電力を増大さ せるという問題を生じる。 以下トンネルリーク電流が流れるこのような絶縁膜を 薄ゲート絶縁膜と呼び、 このような絶縁膜を用いた MOSトランジスタを薄膜 M OSトランジスタと呼ぶことにする。 また、 トンネルリーク電流が流れない M〇 Sトランジスタを厚膜 MOSトランジスタということにする。 トンネルリ一ク電 流の問題については、 月刊 semiconductor world 1995年 7月号 80〜94頁に指摘があ るが、 この問題を解決するアイデアは提示されていなかった。
図 10を用いてトンネル電流による待機時消費電力の増大について具体的に説 明する。
図 1◦ (a) は、 厚膜 MOSトランジスタのドレイン電圧 '電流特性を示して いる。 ここではゲート酸化膜の厚さを約 6nmと想定した。 酸化膜厚が十分に厚い ため、 ゲート ·ソース間およびゲート · ドレイン間に流れるトンネルチーク電流 は無視できる。
図 10 (b) は簿膜 MOSトランジスタのドレイン電圧 ·電流特性を示してい る。 ゲート酸化膜の厚さを 3. 5nmと想定した。 酸化膜厚が簿いため、 ゲート · ソース間およびゲート · ドレイン間にリーク電流が流れる。 したがって、 ドレイ ン電圧が 0Vでもゲート電圧が 0Vでない場合、 ゲート · ドレイン間に無視でき ない電流が流れる。 （b) ではゲート電圧が 2. 0Vのとき、 0. 5mA程度の ドレイン電流が流れている。
厚膜 MOSトランジスタで構成された CM OS回路ではゲ一卜リークは無視で きる量なので、 ソース ' ドレイン間にリーク電流がないかぎり定常電流 （DC電 流） は流れない。 ところが薄膜 MOSトランジスタで構成された CMOS回路で はゲートリークが流れるので、 定常電流 （DC電流） が流れる。 従って、 回路が 動作していな 、場合でも電力を消費することになる。
図 1 1にはゲート絶縁膜の厚さとゲートリーク電流の関係を示す。 ゲート電圧 が 2〜 3 V程度あつても、 絶縁膜の厚さが 6 nm程度以上あればトンネルリーク電 流は問題のないレベルである。 一方、 ゲート電圧を 2〜1. 5 Vと現状より低く したとしても、 ゲート絶縁膜の厚さが約 3腦程度に簿くなると、 リーク電流の大 きさが無視できなくなることがわかる。 ゲート電圧 2 V前後ならば、 絶緣膜の厚 さ 4nm前後が境界と考えられる。 前掲 semiconductor world によると、 ゲート酸 化膜の厚さ 5nmを臨界として量子力学的なトンネル効果が見られることが指摘され ており、 ゲート酸化膜が 1.5nmと薄い場合はもちろん、 3皿〜 3.5nm程度でも顕著な トンネル電流が流れることが指摘されている。 図 1 1に示すように省電力のため にゲート電圧は小さくなる方向にあるが、 それでも、 ゲート絶縁膜が 2. 9nmか ら 2. Onmへと薄くなると、 1 V以下のゲート電圧でも大きなリーク電流が流れ ることがわかる。 なお、 現在のところ酸化シリコンの性質を維持しうるゲート酸 化膜の最小厚さは 10オングストロ一ム程度と推測されている。
また、 MO Sトランジスタのしきい値を上昇させて、 ソース ' ドレイン間に流 れるサブスレツシショルドリーク電流を抑制する技術を用いても、 ソース ·ゲ一 ト間に流れるトンネル電流に起因する待機時消費電力を低減させることは原理的 に不可能である。
ゲートリーク電流 （トンネル電流） はゲート絶縁膜の膜厚を厚くすることで対 処でき待機時消費電力を小さくできるが、 既に述べたようにそのような M OSト ランジス夕を回路に用いれば回路動作速度が遅くなり、 所望の性能を得ることは できない。
本発明の目的は、 回路動作速度を犠牲にすることなく、 待機時の消費電力を小 さくすることが可能な半導体集積回路装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、 トンネルリーク電流を無視しうる厚膜 M OSトランジスタと、 トンネルリーク電流の問題があるが高速の動作可能な薄膜 MOSトランジスタを効果的に使い分け、 低消費電力で高性能な半導体集積回路 装置を提供する。
すなわち、 同一基板上に、 ソース ·ゲート間あるいはドレイン ，ゲート間に流 れるリーク電流の大きさが異なる複数種類の MO Sトランジスタを設けるととも に、 複数種類の MO Sトランジスタのうち、 リーク電流が大きい少なくとも 1つ の MOSトランジスタで構成された主回路と、 主回路と 2つの電源の少なくとも 一方の間に挿入され、 リーク電流が小さい少なくとも 1つの MOSトランジスタ で構成された制御回路を有する半導体集積回路装置として構成される。
MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、 3. 5 nm以下でかなりの高速 性能を得ることができ、 また、 3. Onm以下から、 2. Onm以下へと薄くす ることにより、 さらに高速となる。 しかし、 トンネルリーク電流も増えるため、 リーク電流の小さい MOSトランジスタで、 薄膜 MOSトランジスタへの待機電 源を遮断することが望ましい。 電源遮断用の M OSトランジスタのゲ一卜絶縁膜 の厚さは、 5. 0 nm以上であれば十分効果があり、 高速性を要求されなければ 、 10. 0 nm以上とすることができる。
このような MO Sトランジスタは、 ゲート絶縁膜の厚さを変えたり、 ゲート電 極のキヤリア濃度もしくは分布を変えたり、 ドレインあるいはソース電極のキヤ リア濃度もしくは分布を変えることにより、 所望の特性を得ることができる。 一 般に、 ゲート絶縁膜の厚さを厚くすると、 ゲ一卜長の大きさも増やす必要がある また、 製造プロセス上では、 2種類の MO Sトランジスタのゲート絶縁膜、 ゲ 一ト鼋極は別々に形成すると特性制御が正確となる。 特に、 薄いゲート絶縁膜の 方がプロセス中の特性の制御が難しいため、 厚いゲート絶縁膜を先に形成し、 薄 いゲート絶縁膜を後に形成する方が好ましい。 また、 2種類の MOSトランジス 夕を別々に構成する際、 ゲート電極層の上に保護用の絶縁膜を形成しておくと、 次のプロセスによるゲート電極の劣化を防止することができる。
ここで、 本発明の半導体集積回路装置において、 特に高速性を要求される情報 信号を処理する部分、 例えば CPUの中の論理回路 （NAND，N0R等の論理ゲート） 、 ラ ツチ、 高速性が要求されるメモリ、 などは薄膜 MOSトランジスタで構成するこ とが望ましい。
また、 これら簿膜 MO Sトランジスタの待機中の電源を遮断するスィツチは電 源遮断用トランジスタとして厚膜 M OSトランジスタを用いるのが好ましい。 さ らに、 高速性が要求されない回路、 また、 高耐圧が要求される回路は厚 B莫 MOS トランジスタで構成するのがよい。 例えば、 高速性が要求されない SRAM、 D RAM, マスク ROMなどのメモリセル、 ゲート絶縁膜破壊防止のために挿入さ れる保護回路などである。 また、 高電圧が印加される厚膜 MOSトランジスタの ソース · ドレイン構造は LDD型のような電界緩和構造とすることが望ましい。 また、 本発明の半導体集積回路装置を集積回路チップとして構成した場合には 、 チップ内外の信号レベルが異なる場合があるため、 信号のレベル変換を行うレ ペル変換回路を備えることが望ましいが、 このとき、 チップ外部の高い信号レべ ルがかかる部分には厚膜 MO Sトランジスタを、 チップ内部の低い信号レベルが かかる部分には薄膜 M 0 Sトランジスタを用いることが回路の信頼性からも望ま しい。 厚膜 MO S卜ランジス夕で構成されるメモリセルは機能的にはレジスタフアイ ル、 キヤヅシュメモリ、 TBL、 および DRAMセルのうちの少なくとも一つを含み、 ス 夕ンバイ時にデータを保持するように構成されるのが好ましい。 しかし、 メモリ セルはアクセス速度の速い第 1の種類のメモリと、 それよりアクセス速度の遅い 第 2の種類のメモリを含み、 第 1のメモリを構成する MOSトランジスタのリ一 ク電流は、 第 2のメモリを構成する M OSトランジスタのリーク電流よりも大き いように階層的に構成しても良い。
さらに、 電源遮断用トランジスタが薄膜 MOSトランジスタの電源を遮断した とき、 薄膜 MOSトランジスタで構成される論理回路などの出力を保持するレべ ル保持回路を有することにより、 簿膜 MOSトランジスタの電源遮断による影響 をなくすことができる。 このレベル保持回路はリーク電流が小さい厚膜 MOSト ランジス夕で構成するのが好ましい。
本発明に用いるような、 薄膜 MOSトランジスタはゲート電圧が 2 Vに達しな い 0. 8V、 もしくは、 1. 2 V程度の電圧で動作されるときであっても、 リー ク鼋流が大きくなるので、 上記のような待機中の電源の遮断は消費電流低减の効 果大である。
なお、 このように、 リーク電流が大きい MOSトランジスタとリーク電流が小 さい MOSトランジスタは異なるゲ一卜電圧で駆動されることが望ましい。 具体 的には、 リーク電流が大きい MO Sトランジスタは、 リーク電流が小さい MOS トランジスタよりも低い電圧をゲ一トとソースもしくはドレインの間に印加して 駆動される。
また、 本願発明の一側面は ソース ■ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間に存 在する絶縁膜の厚さが 4nm以下の第 1の MO Sトランジスタと、 この絶緣膜の厚 さが 4 nmを越える第 2の M OSトランジスタが同一のシリコン基板上に形成され ている半導体集積回路装置としても特徴化される。
また、 本願発明の他の側面では ソース ·ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間 に存在する絶縁膜の厚さが 4nm以下の第 1の M OSトランジスタと、 ソース -ゲ ート間あるいはドレイン ·ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが第 1の M0Sトラ ンジス夕のそれよりも厚い第 2の MO Sトランジスタを有し、 第 1の MO Sトラ ンジス夕のソース ·ゲ一卜間あるいはドレイン 'ゲート間に流れる電流を第 2の MOSトランジスタで制御する半導体集積回路装置である。
また、 他の一側面では ソース 'ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間に存在す る絶縁膜の厚さが 4皿以下の第 1の MO Sトランジスタと、 第 1の MOSトラン ジス夕への電源の供給を遮断する第 2の MO Sトランジスタを有し、 電源の遮断 中において第 1の MO Sトランジス夕の出力をホールドするレベルホールド回路 を有する半導体集積回路装置として具体化される。
さらにまた他の側面では ソース ·ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に流れ るリーク電流の大きい第 1の MOS卜ランジス夕と、 リーク電流が第 1の MOS トランジスタよりも小さい第 2の MO Sトランジスタが同一のシリコン基板上に 形成されており、 第 2の MOSトランジスタを第 1の MOSトランジスタよりも 高電圧の電源で駆動する半導体集積回路装置として表される。
また、 本発明の集積回路構成は、 振幅電圧 Vcc2の入力信号を入力してこれに応 答する半導体集積回路装置であって、 入力信号の振幅電圧を Vcclに降下させて内 部信号を形成するレベル変換回路を有し、 内部信号を入力とする MOSトランジ ス夕のゲート ·ソース間あるいはゲート · ドレイン間のリーク電流は、 入力信号 を入力とする MO Sトランジスタのそれよりも大きい半導体集積回路装として具 体化される。
また、 本願発明を特にマイコンなどの集積回路装置に適用すると、 演算処理装 置と、 マスク ROM、 SRAM. DRAMのうち少なくとも一つを含む記憶装置 を MOSトランジスタで構成した半導体集積回路装置であって、 演算装置中の論 理回路を構成する MOSトランジスタのゲート絶縁膜厚は、 記憶装置のメモリセ ルを構成する MO Sトランジスタのゲ一卜絶縁膜よりも薄い半導体集積回路装置 として構成されることが望ましい。
本発明は、 また同一シリコン基板上に、 少なくとも、 ソース 'ゲート間あるい はドレイン ·ゲート間に流れるトンネル電流の大きさが異なる複数種類の MOS トランジスタを設けるとともに、 トンネル電流の大きさが異なる複数種類の M0 Sトランジスタのうち、 トンネル電流が大きい少なくとも 1つの MOSトランジ ス夕で構成された主回路と、 トンネル電流が小さい少なくとも 1つの MOSトラ ンジス夕で構成され、 主回路と 2つの電源の少なくとも一方の間に挿入された制 御回路とを有し、 制御回路に供給される制御信号により、 主回路を構成するトン ネル電流が大きい M O Sトランジスタのソース ·ゲート間あるいはドレイン 'ゲ 一ト間に電流が流れることの許容/不許容を制御するようにしたことを特徴とし ている。
また、 複数種類の M O Sトランジスタは、 ゲート絶縁膜の厚さが異なる M O S 卜ランジス夕、 または、 同一種類でかつ濃度の異なる不純物が導入されたゲート 電極を有する同一導電型の M O S 卜ランジス夕で構成されることを特徴としてい る。
さらに、 ゲート絶縁膜の厚さが異なる M O S トランジスタで構成した場合、 厚 ぃゲート絶縁膜を有する M O Sトランジス夕のゲート電極側壁にフッ化水素酸に 溶解しない絶縁材料からなるサイ ド ·ウォール ·スぺーサを被着したことを特徴 としている。 このサイ ド ·ウォール ·スベーサは、 前述の LDD構造を形成する際の マスクとして用いることもできる。
図面の簡単な説明
図 1は本発明の半導体集積回路装置を製造する一実施例を示す断面図である。 図 2は本発明の半導体集積回路装置を製造する他の一実施例を示す断面図である 。 図 3は本発明の半導体集積回路装置の一実施例を示す平面図である。 図 4は図 3の Α _ Α ' の断面図である。 図 5は本発明の実施例の回路図である。 図 6は本 発明の他の実施例を示す回路図である。 図 7は本発明の他の実施例を示す回路図 である。 図 8は本発明の他の実施例を示す回路図である。 図 9は本発明の他の実 施例を示す回路図である。 図 1 0は通常の M O Sトランジスタおよびゲート絶縁 膜にトンネル電流が流れる M O Sトランジス夕の典型的電流特性である。 図 1 1 はゲート絶縁膜の厚さとゲート電流密度の関係を表すグラフ図である。 図 1 2は 本発明の他の実施例を示す回路図である。 図 1 3は本発明の他の実施例を示す回 路図である。 図 1 4は本発明の他の実施例を示す回路図である。 図 1 5は本発明 の他の実施例を示す回路図である。 図 1 6は本発明の他の実施例を示す回路図で ある。 図 1 7は本発明の他の実施例を示す回路図である。 図 1 8は本発明の他の 実施例を示す回路図である。 図 1 9は本発明の他の実施例を示す回路図である。 図 2 0は本発明の他の実施例を示す回路図である。 図 2 1は本発明の他の実施例 を示す回路図である。 図 2 2は本発明の集積回路チップの平面図。 図 2 3は本発 明の他の実施例である集積回路チップの平面図。 図 2 4は本発明の他の実施例で ある集積回路チップの平面図。 図 25は本発明の他の実施例である集積回路チッ プの平面図。 図 26は本発明の他の実施例である集積回路チップの平面図。 図 2 7は本発明の降圧回路の回路図。 図 28は本発明の他の実施例である降圧回路の 回路図。 図 29は本発明の他の実施例である降圧回路の回路図。 図 30は入出力 回路の回路図。 図 31はレベルホールド付レベル変換回路の回路図。 図 32は他 のレベルホールド付レベル変換回路の回路図。 第 33図はスタンバイ制御回路の 回路図。 図 34は本発明のマイクロコンビユー夕のブロック図。 図 35は入出力 回路の断面図。 図 36は本発明のマスク ROMの回路図 b 図 37は本発明のマス ク ROMの他の回路図。 図 38は図 37のマスク ROMの部分断面図。 図 39は 本発明のマスク ROMの他の回路図。 図 40は図 39のマスク ROMの部分断面 図。 図 41は本発明のマスク ROMの他の回路図。 図 42は図 41のマスク R〇 Mの部分断面図。 図 43は本発明の DRAMの回路構成図。 図 44は図 43のセンス アンプの回路図。 図 45は図 43のセンスアンプ駆動信号発生回路の回路図。 図 46は図 43のメインアンプの回路図。 図 47は本発明の SRAMの回路図。 図 48 は図 47のワードデコーダ、 ワードドライバ、 レベル変換回路を示す回路図。 図 49は図 47のセンスアンプ及びライ ト回路を示す回路図。 図 50は本発明の n 型 MOSトランジスタの要部拡大断面図。
発明を実施するための最良の形態
本発明の好適な実施の形態では、 ソース ·ゲート間あるいはドレイン 'ゲー ト間にトンネル電流が流れる MO Sトランジスタと実質的にこのようなトンネル 電流が流れない （または流れても非常に小さい） MOSトランジスタを同一シリ コン基板上に設け、 トンネル電流が流れる MOSトランジスタを論理素子などの 主回路として用い、 トンネル電流が流れない （または流れても非常に小さい） M OSトランジスタを該主回路への電源供給/遮断制御用の制御回路として用いる 。 この構成により、 回路動作速度を犠牲にすることなく、 待機時の消費電力を小 さくすることが可能になる。
以下、 本発明の半導体集積回路装置を図面を用いて説明する。
図 1および図 2は、 最小加工寸法 0. 18ミクロンの際に、 トンネル電流が流 れる MOSトランジスタと実質的にこのようなトンネル電流が流れない （または 流れても非常に小さい） MOSトランジスタを同一シリコン基板上に設けた半導 体集積回路装置の製造手順を説明する図である。 図 1は厚さの異なる絶縁膜を用 いた本発明の第 1の実施例を、 図 2は不純物濃度を利用した本発明の第 2の実施 例を示している。 尚、 ここで言う最小加工寸法は、 通常は MOSトランジスタの 加工ゲート長で規定され、 ソースおよびドレインとゲート電極の重なりは殆ど無 い。 一方、 ゲート長の形状加工寸法よりも、 電気的な特性を評価して得られるゲ ート長を、 敢えて短くする製造方法も存在する。 その場合、 電気的特性に基づい たゲート長、 すなわち 「実効ゲート長」 が重要となる。 図 1および図 2では、 ゲー ト長の形状加工寸法と実効ゲート長とに殆ど差が無い形態を示すが、 ゲ一卜長の 形状加工寸法より実効ゲート長を意図的に短くする製造方法でも、 本技術の適用 が可能である旨、 明言しておく。
図 1を用いて本発明の第 1の実施例を説明する。 本実施例は、 ゲート絶縁膜の 厚さを変えることによってトンネル電流が流れる M OSトランジスタと実質的に このようなトンネル電流が流れない MOSトランジスタを製造する例である。 本 実施例は P型 MOSトランジスタおよび n型 MOSトランジスタ双方で、 2種類 のゲート絶縁膜厚を有するものを製造するが、 図が煩雑になることを防ぐため、 ここでは p型 MOSトランジスタの断面のみを記載する。 n型シリコン基板 10 1上に、 熱酸化膜 30 Onmからなる素子分離絶縁領域 102、 n型不純物層 1 03および n型不純物層 104を形成する。 103および 104は平均濃度 1 X 1017/cm3 程度であり、 本来、 同一チップ内に存在する n型 MO Sト ランジス夕 （薄膜、 厚膜共） との素子分離に必要な領域である。 103ぉょび1 04への不純物導入方法は特に問わない。
各 MOS卜ランジス夕のしきい値が所望の値になるようにイオン打ち込みを行 なった後、 全面に厚さ 1 Onmのシリコンの熱酸化膜 105を形成し、 続いて厚 さ 120 nmのポリシリコン層 106を全面に被着する。 106全面にリンィ オンを導入して、 ボリシリコン層 106内部のリン平均濃度を 1 x 1020/ cm3 以上に調整する。 この時のリンイオン導入方法は、 加速エネルギー 40 Ke V程度で 2 X 1015/cm2 程度のイオン打ち込みを用いてもよく、 あ るいはボロン · ドーブト ·ポリシリコンやプリデポジションを用いてもよい。 続 いて、 全面に膜厚 5 Onmのシリコン酸化膜からなるゲート電極保護膜 107を 被着する （a) 。 107の作用については、 後述する。 熱酸化膜 105、 ポリシリコン層 106およびゲ一ト電極保護膜 107をフォ 卜リソグラフィとドライエッチング工程により加工し、 ショート ·チャネル効果 を考慮して加工ゲート長 0. 18〃m以上のゲート電極 108を形成する。 この ゲート電極 108は厚膜 MOSトランジスタのゲート電極を構成する。 ゲ一ト電 極をマスクとして、 フッ化ボロンを 20 K e Vで 2 X 1014/cm2 程度導 入し p型導電層 109 Lとなし、 ゲート電極 108に対する LDD型 （L i gh t 1 y D ope d Dra in) ソース ' ドレイン領域とする。 その理由は、 厚 膜 MOSトランジスタに印可される電圧は、 ホットキャリアによる特性劣化の影 響を受けなくなるほどには低くないからである。 信頼性確保のため、 LDD構造 に代表される電界緩和構造の採用が望ましい。 p型不純物の導入はイオン打込み を用い、 平均濃度 5 x 1018/cm3 程度とする。 これは、 必用とする M OSトランジスタの特性に応じて、 調整して構わない。
ゲート電極 108の側壁には窒化シリコンからなる厚さ 10 Onmのサイ ドウ オール ·スぺーサ 1 10を形成する。 サイ ドウオール ·スぺ一サ 1 10は、 この 後全面をフッ化水素酸で洗浄する際に、 ゲート電極 108直下の酸化シリコン膜 (この膜はゲート電極 108のゲート絶縁膜として機能する） が浸食されないた めの保護膜として機能する。 この直後にフッ化ボロンを 2 OKe Vで 2 X 101 5/cm2 程度導入し p型導電層 109となし、 ゲート電極 108に対するソ 一ス · ドレイン領域とする。 p型不純物の導入はイオン打込みを用い、 平均濃度 5 1019/cm3 程度とする。
このように形成されたゲ一卜電極 108を有する MOSトランジスタのゲート 絶縁膜は、 本実施例では、 10 n mである。 本例に示した 0. 18 mのゲート 長で MOSトランジスタを設計した場合、 電源電圧は 1. 8〜1. 5Vとなる。 ゲート酸化膜中の電界は 1. 8MV/cm2 程度となる。 トンネル電流は 10 ~20 A/cm2 以下と非常に小さく、 MO Sトランジスタの正常な動作を妨 げることはない。 ゲ一トリ一ク電流による消費電力の増大もない。 この p型 M〇 Sトランジスタは、 ゲート絶縁膜が厚い （本実施例では 1 Onm) ためにトンネ ル電流は殆ど流れない。 この p型 MOSトランジスタは、 電源から主回路へ電荷 を供給 （ON時） したり遮断 （OFF時） したりするために使用される。
次に、 サイ ドウオール ·スぺーサ 1 10を形成した後、 全面をフッ化水素酸で 洗浄し、 素子分離絶縁領域 102、 ゲ一卜電極 108が形成された領域以外、 即 ちシリコン基板 101が露出した表面に、 厚さ 3. 5 nmの熱酸化膜 111を 形成する。 引き続き厚さ 18 Onmのポリシリコン 112を全面に被着させる。 ポリシリコン 112全面にリンイオンを加速エネルギー 25 KeVで 5 X 10 15/cm2 程度導入し、 不純物平均濃度 I x l 020/cm3 程度の n 型ポリシリコンにする。 その直上に、 膜厚 10 Onmの酸化シリコン 113を被 着する （b) 。 113はゲート電極の保護膜である。
熱酸化膜 1 11、 ポリシリコン 112および酸化シリコン 113をフォトリソ グラフイエ程およびドライエッチング工程により加工し、 ゲート長 0. 1 8 ΛΖΠ1 のゲート電極 114とする。 ゲート電極 114は薄膜 MO Sトランジスタのゲ一 トを構成する。 ここで、 先の工程で形成した 107がなければ、 113の加工時 には、 厚膜 MOSトランジスタのゲート電極 106も同時に除去されてしまう。 本製造形態では 107は必要である。 この直後に、 フヅ化ボロン 20KeV、 2x 1015/cm2 程度のイオン打込みにより p型ソース · ドレイン領域 1 15を設ける （c) 。 薄膜 MOSトランジスタで適用される電圧はかなり低くな るため、 厚膜 MOSトランジスタで^念されるようなホットキャリアの影響は少 なくなるので、 L D D構造のような電界緩和構造とする必要はない。
続いて、 ショートチャネル効果抑制のためのイオン打込みを行なうが、 図が煩 雑になることを防ぐためここでは記載を省略してある。 そして層間絶縁膜 116 を形成した後、 第 1の金属配線層 117をもって各トランジスタの端子を接続す る （d) 。 必要に応じて、 第 2、 第 3の配線層を形成する。 この薄いゲ一卜酸化 膜を有する MOSトランジスタは、 電源電圧 1. 8 Vという低電源電圧であって も、 ゲート酸化膜にかかる電界は 5MV/cm2 以上となり、 一トリーク電 流は 1 X 10— 6 A/cm2になる。 この薄いゲ一卜酸化膜を有する MO Sトラ ンジス夕は、 従来のスケーリング則に従って製造されており、 主回路に使用する のに適している。 尚、 厚膜 MOSトランジスタのゲート長は薄膜 MO Sトランジ ス夕のゲート長、 即ち、 同一チップ内に存在するトランジスタの最小ゲート長よ りも大きくすることが望ましい。 厚膜 MOSトランジスタのしきい値は薄膜 M0 Sトランジスタのそれよりも高く設定する必要がある。 しかし、 同一のゲ一卜長 でゲート酸化膜のみを厚くすると、 しきい値が低くなる傾向にあることがよく知 られている。 しきい値が低くなると、 MO Sトランジスタが完全にオフしない状 態になりやすい、 即ち、 サブスレツショルド電流により、 簿膜 MOSトランジス 夕に電流が供給されてしまう。 これでは本発明の効果を発揮できなくなる。 この 現象は、 ソース ' ドレインの距離を大きくする、 即ち、 ゲ一卜長を大きくするこ とで解决できる。 この方法は、 一般に 「スケーリング則」 として呼び習わされて きた、 MOSトランジスタの設計指針と整合性が良い。 即ち、 スケーリングしな かった MOSトランジスタを適用すれば十分である。 但し、 その分、 面積が増大 することは否めない。
他の方法として、 厚膜 MOSトランジスタのチャネル部の不純物濃度を高くす る方法が挙げられる。 この手法は、 先の方法よりもゲート長を小さくできるので 、 チップにおける MOSトランジスタの占める面積を小さく抑える長所がある。 短所としては、 MOSトランジスタの内部にかかる電界が、 スケーリング則で規 定される以上に大きくなるため、 MOSトランジスタの耐圧や信頼性が低くなる ことである。
図 50は、 n型 MOSトランジスタのみを記載した形態である。 これは図 1で説 明した MO Sトランジスタと同一基板上に製造することを前提にしている。 以下 、 簡略に製造方法を説明する。
n型シリコン基板 5101上に、 熱酸化膜 30 Onmからなる素子分離絶緣領 域 5102、 n型不純物層 5103および n型不純物層 5104を形成する。 5 103および 5104は平均濃度 I x l 017/cm3 程度であり、 本来、 同一チップ内に存在する P型 MOSトランジスタ （薄膜、 厚膜共） との素子分離 に必要な領域である。 5103および 5104への不純物導入方法は特に問わな い。
各 MO Sトランジスタのしきい値が所望の値になるようにイオン打ち込みを行 なった後、 全面に厚さ 1 Onmのシリコンの熱酸化膜 5105を形成し、 続いて 厚さ 120 nmのポリシリコン層 5106を全面に被着する。 6106全面に ボロンイオンを導入して、 ポリシリコン層 5106内部のボロン平均濃度を 1 1020/cm3 以上に調整する。 この時のボロンイオン導入方法は、 加速 エネルギー 4 OKe V程度で 2 X 1015/cm2 程度のイオン打ち込みを用 いてもよく、 あるいはボロン · ドーブト ·ポリシリコンを用いてもよい。 続いて 、 全面に膜厚 5 Onmのシリコン酸化膜からなるゲート電極保護膜 5 107を被 着する （a) 。
熱酸化膜 5105、 ポリシリコン層 5 106およびゲ一ト電極保護膜 5 107 をフォトリソグラフィとドライエッチング工程により加工し、 ショート ·チヤネ ル効果を考慮して加工ゲート長 0. 1 以上のゲート電極 5 108を形成す る。 このゲート電極 5108は厚膜 MO Sトランジスタのゲ一ト電極を構成する 。 ゲート電極をマスクとして、 ヒ素を 35KeVで 2 X 1014/cm2 程度 導入し n型導電層 5 109 Lとなし、 ゲート電極 5108に対する LDD型 （L i ght l y Doped D r a in) ソース · ドレイン領域とする。 その理由 は、 図 1で詳述した通りである。 この n型不純物の導入はイオン打込みを用い、 平均濃度 5 x l 018/cm3 程度とする。 これは、 必用とする MO Sトラ ンジス夕の特性に応じて、 調整して構わない。
ゲート電極 5 108の側壁には窒化シリコンからなる厚さ 100 nmのサイ ド ウォール ·スぺーサ 5 1 10を形成する。 サイ ドウオール ·スぺ一サ 5 1 10は 、 この後全面をフッ化水素酸で洗浄する際に、 ゲート電極 5108直下の酸化シ リコン膜 （この膜はゲート電極 5108のゲート絶縁膜として機能する） が浸食 されないための保護膜として機能する。 この直後にリンを 4 OKeVで 2 X 10 15/cm2 程度導入し n型導電層 5109となし、 ゲート電極 5 108に対 するソース · ドレイン領域とする。 n型不純物の導入はイオン打込みを用い、 平 均濃度 5 x l 019/cm3 程度とする。
このように形成されたゲート電極 5 108を有する MOSトランジスタのゲ一 ト絶縁膜は、 本実施例では、 1 Onmである。
次に、 サイ ドウオール ·スベーサ 5 1 10を形成した後、 全面をフッ化水素酸 で洗浄し、 素子分離絶縁領域 5 102、 ゲート電極 5 108が形成された領域以 外、 即ちシリコン基板 5 10 1が露出した表面に、 厚さ 3. 5 nmの熱酸化膜 51 1 1を形成する。 引き続き厚さ 18 Onmのポリシリコン 5 1 12を全面に 被着させる。 ポリシリコン 5 1 12全面にボロンイオンを加速エネルギー 40 KeVで 5 x l 015/cm2 程度導入し、 不純物平均濃度 1 x 1020/ cm3 程度の n型ボリシリコンにする。 その直上に、 膜厚 10 Onmの酸化シ リコン 51 13を被着する （b) 。 熱酸化膜 51 1 1、 ポリシリコン 5112および酸化シリコン 5113をフォ トリソグラフイエ程およびドライエッチング工程により加工し、 ゲート長 0. 1 8^01のゲート電極 5114とする。 ゲート電極 5114は薄膜 MOSトランジ ス夕のゲートを構成する。 この直後に、 ヒ素 40KeV、 2 1015/cm 2 程度のイオン打込みにより n型ソース · ドレイン領域 5115を設ける （c
) o
続いて、 ショートチャネル効果抑制のためのイオン打込みを行なうが、 図が煩 雑になることを防ぐためここでは記載を省略してある。 そして層間絶緣膜 511 6を形成した後、 第 1の金属配線層 5117をもって各卜ランジス夕の端子を接 続する （d) 。 必要に応じて、 第 2、 第 3の配線層を形成する。
図 2を用いて本発明の第 2の実施例を説明する。 本実施例は、 ゲートおよびソ ース部分の不純物濃度を変えることによってトンネル電流が流れる MOSトラン ジス夕と実質的にこのようなトンネル電流が流れない MOS卜ランジス夕を製造 する例である。 本実施例では、 第 1の実施例 （図 1) と同様に、 p型 MOSトラ ンジス夕の断面のみを記載する。 n型シリコン基板 201上に、 素子分離絶縁領 域 202、 n型不純物層 203および p型不純物層 204を形成する。 ここで n 型不純物層 203は、 主回路を構成するトランジスタのゥエル領域に供するもの であり、 n型不純物層 204は主回路への電源供給および電源遮断用 MOSトラ ンジス夕のゥエルに供するものである。 n型不純物層 203および 204の不純 物平均濃度 は 1 X 1017/cm3程度である。 n型不純物層 203および 2 04への不純物導入方法は特に問わない。 各トランジスタを形成する領域に、 し き t、値調整用イオンをイオン打込みで導入した後、 露出した基板表面に厚さ 3. 5 nmのシリコンの熱酸化膜 205を形成する。 続いて、 205直上全面に厚 さは 180 nmのポリシリコン層 206を被着する （a) 。
通常の回路動作をするためのトランジスタを形成する領域へは、 リンイオン 2 07 aを加速エネルギー 25 Ke Vで 2 X 1015/cm2 導入して、 n型 ポリシリコン 207とする。
電源遮断の機能を持つトランジスタを形成する領域へのリンイオン 208 aの 導入は、 35KeVで 2x l 015/cm2 導入して、 n型ポリシリコン 20 8を形成する （b) 。 これらのボロンイオン導入工程の差異により、 電源遮断の機能を持つトランジ ス夕のゲート電極は上部のみ不純物濃度が高くなり （ほぼ 1 X 1020/cm3 ) 、 ゲ一卜絶縁膜に近いゲート電極下部の不純物濃度は低くなる （ほぼ l x l 017/cm3) 。 従って、 ゲート電極下部のキャリア濃度は低くなり、 ゲート 絶縁膜の厚い MOSトランジスタに電気的に類似した特性を示す。 即ち、 ゲート 絶縁膜に流れるトンネル電流を小さく抑えることができる。
リンイオン 207 aおよび 208 aの打込み後、 全面に 100 nmのシリコ ン酸化膜 209を堆積する。 熱酸化膜 205、 n型ポリシリコン 208、 および シリコン酸化膜 209をフォトリソグラフィとドライエッチング工程により加工 し、 ゲート電極 210および 211を形成する （c) 。 ゲート電極 210のゲ一 ト長は 0. 18 mとする。 ゲート電極 211はゲート酸化膜が厚く見えるので 、 ショートチャネル効果を考慮してゲート長を 0. 18 zm以上とする。 ゲート 電極 210および 211形成直後に p型導電層 212を形成し、 ゲート電極 21 0に対するソース · ドレイン領域とする。 同様に、 p型導電層 213を形成し、 ゲート電極 211に対するソース · ドレイン領域とする （d) 。 p型不純物の導 入はイオン打込みを用い、 フッ化ボロンを 20KeV、 2 1015/cm2 程度導入する。 ショートチャネル効果抑制のためのイオン打込みは、 図が煩雑に なることを防ぐためここでも記載を省略してある。 層間絶縁膜 214を形成した 後、 第 1の金属配線層 215をもって各トランジスタの端子を接続する。 必要に 応じて、 第 2、 第 3の配線層を形成する。 なお、 第 2の実施例 （図 2) の方法は 、 酸化膜のトンネル電流を根本的に低減させるまでの効果はないので、 図 1記載 の形態よりは消費電力低減効果は小さい。 一方、 単なるイオンの打ち分けのみで 済むプロセスであるから、 簡便に製造できる長所がある。 製造後のチェックは、 実際に動作させる必要がある図 2のプロセスによるものよりも、 ゲ一ト糸色緣膜の 厚さを測定するだけで良い図 1のプロセスによるものの方が有利である。
次に、 図 3および図 4を用いて本発明の第 3の実施例を説明する。 図 3および 図 4は本発明に係わる半導体集積回路装置の具体的構成例で、 図 3は本実施例の レイアウト図であり、 図 4は、 図 3のレイアウト図の A— A' 間の断面図である 。 本回路装置は連続した 2 NAN Dゲート回路をもった例である。
図 3において、 MPおよび MNは電源遮断用 （制御回路用） の MOSトランジ ス夕であり、 ゲート絶緣膜の厚さは 5 nm程度でも使用可能であるが、 本実施例で は 10 nmである。 また、 TPおよび TNは論理回路用 （主回路用） の MOSト ランジス夕であり、 ゲート絶縁膜の厚さは 3. 5nmである。 本実施例ではこの ように、 ゲート絶縁膜の厚さの異なる 2種類の M〇Sトランジスタを用いている 。 このとき、 ゲ一卜絶縁膜の厚さの厚い MOS卜ランジス夕のゲート長 LMは、 ゲート絶縁膜の厚さの薄い M OSトランジスタのゲート長よりも大きくしている 。 これは前述の通り、 ゲート絶緣膜に適したゲート長を設定する必要があり、 絶 縁膜が厚いときにゲート長が短いと、 ソース ' ドレイン間のサブスレツシショル ドリークが生じ、 on/of fが完全に行えなくなるからである。
図 4を用いて本実施例における半導体集積回路装置の内部構造を説明する。 こ の実施例においては基本的に簿膜 M OSトランジスタを用いて高速の動作を得て いるが、 薄膜 MOSトランジスタの待機時におけるリーク電流の消費を防止する ために、 待機時の電源を遮断するスィヅチを設けるものである。 そして、 このス ィツチの部分にはトンネルリーク電流の小さな厚膜 MO Sトランジスタを用いる n型基板 301上に p型ゥエル 302を設け、 素子分離領域 303を設ける。 304ないし 307は論理回路用 MOSトランジスタ TPのソース · ドレイン領 域、 308および 309は電源遮断用 MO Sトランジスタ MPのソース ' ドレイ ン領域である。 310および 311は論理回路用 MOSトランジスタ TPのゲ一 卜電極、 312は電源遮断用 MOSトランジスタ MPのゲ一卜電極である。 GI Tは TPのゲート酸化膜、 G IMは MPのゲート酸化膜である。
第 1の層間膜 313を形成し、 それを穿孔して第 1の配線層 314, 315, 316, 317により各トランジスタのソース、 ドレインおよびゲート電極に結 線する。 配線層 314および 316は論理回路用 MOSトランジスタ pMOSL のソース領域へ、 配線層 315は論理回路用 MOSトランジスタ pMOSLのド レイン領域へ接続されている。 配線層 317は論理回路用 MOSトランジスタ p MO S Lのソース領域と電源遮断用 MOSトランジスタ pMO S Vのドレイン領 域を接続している。 配線層 318は電源遮断用 MOSトランジスタ pMOSVの ソース領域へ接続されている。
第 2の層間膜 319を形成した後、 それを穿孔して第 2の配線層 320 , 32 1を前記第 1の配線層の所望の領域に結線する。 配線層 320は電源遮断用 M0 S卜ランジス夕 pMO SVのドレインをシャン卜する。 配線層 321は電源遮断 用 MOSトランジスタ pMOS Vのソースをシャン卜する第 1の電源線である。 配線層 321は穿孔した第 2の層間膜 319を通じて第 1の配線層 318へ結線 される。 以上のレイァゥトにより、 論理回路用 M OSトランジスタ p MOS Lお よび nMO S Lで構成される論理回路と第 1の電源との接続を電源遮断用 MO S トランジスタ pMOSVで制御できる。 なお、 ここでも p型の電源遮断用 MOS トランジスタ pMOSVのみを記したが、 厚いゲ一ト絶縁膜を有する n型の電源 遮断用 MOSトランジスタ nMO SVを、 論理回路用 MOSトランジスタ nMO SLと第 2の電源線の間に接続することもできる。 以降説明する回路図 （図 5， 図 6ないし図 9参照） ではこの構成も記載してある。 図 5を用いて本発明の第 4の実施例を説明する。 図 5は、 本発明を最も簡単な ィンバ一夕回路に適用したものである。
図 5において、 L 1は CMOSインバー夕であり、 TP 1および MP 1は p型 MOSトランジスタ、 TN 1および MN 1は n型 MOS卜ランジス夕である。 （ 本出願のトランジスタ回路図では以降、 p型 MOSトランジスタはゲート端子部 に〇印を付けて記す。 ） TP 1および TN 1はそれそれ図 1の TPおよび TNに 対応する。 TP 1および TN 1の MOSトランジスタのゲート絶縁膜厚は MP 1 および MN 1の MOSトランジスタのゲート絶縁膜厚よりも簿い。 以下、 TP 1 および TN 1のように薄いゲート絶縁膜を使用したトランジスタを薄膜 MOS卜 ランジス夕または簿膜トランジスタ、 MP 1および MN 1のように厚いゲ一卜絶 縁膜を使用したトランジスタを厚膜 MOSトランジスタまたは厚膜トランジスタ と記す。 （本出願のトランジスタ回路図では以降、 簿膜 MOSトランジスタは円 で囲んで示す。 ） なお、 通常、 TFT (Thin F i lm Trans i st or) と呼ばれる薄膜トランジスタは絶縁基板上に薄膜形成技術で作ったもので あるが、 本発明でいう薄膜、 厚膜トランジスタは単純にゲート絶緣膜の厚さの比 較だけで便宜上定義付けしているものであることに注意されたい。
CMOSインバ一夕 L 1と第 1の電源 Vdd, 第 2の電源 Vs sの間に厚膜 M OSトランジスタ MP 1および MN 1が挿入されている。 この回路を使用して信 号を処理する際 （定常時） には、 制御信号 CSを 'Η' とする。 この信号により 、 厚膜 MOSトランジスタ MP 1および MN 1は ONし、 第 1の電源 Vddおよ び第 2の電源 Vs sを直接インバー夕 L 1に接続する。 CMOSインバー夕 L 1 は薄膜 MOSトランジスタ TP 1および TN 1で構成されているので、 そのゲ一 卜 · ソース間およびゲート · ドレイン間にリー'.:''電流 （トンネル電流） が流れる 。 このリーク電流は厚膜 MO Sトランジスタ MP 1および MN 1を通じて第 1の 電源 V d dと第 2の電源 V s s間に流れ、 回路全体としての消費電力が増加する 。 この回路を使用しない時、 すなわち待機時には、 制御信号 CSを 'L， とする 。 この時、 厚膜 MOSトランジスタ MP 1および MN 1は OFFし、 第 1の電源 Vdd, 第 2の電源 Vs sと CMOSインバ一夕 L 1は分離される。 上記ゲート 'ソース間およびゲート · ドレイン間のリーク電流は、 厚膜 MOSトランジスタ MP 1および MN 1がオフであるため第 1の電源 Vd dと第 2の電源 V s s間に 流れることはない。 この時、 第 1の電源 Vddおよび第 2の電源 Vs sが供給さ れないので CMO Sインバー夕 L 1はインバ一夕として機能しないが （ CSが ' L， の時、 出力 OUTはハイインピーダンス状態になる。 ）、 厚膜 MOSトラン ジス夕 MP 1および MN 1によって、 上記リーク電流による消費電力増加を防ぐ ことができる。 この実施例では厚膜 MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さを 3.5nm、 簿膜 MO Sトランジスタのゲート絶縁膜の厚さを 6. Ownとした力 膜厚 の差が少しでもあれば （すなわち、 厚膜トランジスタのトンネルリーク電流が薄 膜トランジスタのトンネルリーク電流より少なければ） 、 待機時のリーク電流減 少の効果を得ることができる。 なお、 通常クロックドインバー夕回路と呼ばれる 回路は CSをクロック入力にした形になっているが、 MP 1と TP 1および MN 1と TN 1が直列接続になっていれば、 MP 1と TP 1の順番および、 MN1と TN 1の順番を変えても回路動作には支障がない。 本発明の回路では MP 1と T P 1の接続順番を変えたり、 MN 1と TN 1の接続順番を変えたりするとその効 果がなくなるという点で性質の異なるものである。
次に、 図 6および図 7を用いて本発明の第 5の実施例を説明する。 本実施例は 、 本発明を薄膜 PMOSトランジスタ TP 1ないし TP 3と薄膜 n型 MOSトラ ンジス夕 TN 1ないし TN 3から構成された 3段構成の CMOSインバー夕に適 用した実施例である。 同図において、 p型 MO Sトランジスタ MP 1ないし MP 3および n型 M〇 S トランジスタ MN 1ないし MN 3は厚膜トランジスタである。
図 6では、 回路の第 1の電源 Vd dおよび第 2の電源 Vs sと 3個の CMOS インバー夕の各電源電極 Vc d 1 , 031なぃし 0 3， Vcs 3間に厚膜 MO S卜ランジス夕を挿入している。 厚膜 MOSトランジスタに印加する制御信 号 CSを 'L' にすることで、 薄膜 MOSトランジスタ TP 1ないし TP 3、 T N 1なぃしTN3のゲート 'ソース間およびゲート · ドレイン間に流れる電流を 小さくすることができ、 消費電力を削減できる。
図 7の実施例では、 3段のインバー夕を形成する薄膜 MO Sトランジスタのソ —スを仮想電源線 V c d 0， V c s 0に接続し、 仮想電源線 V c d 0， V c s 0 および第 1の電源 Vdd, 第 2の電源 Vs sの間に厚膜 MOSトランジスタを揷 入している。 この構成により図 6の場合と同様の効果が得られる。
図 6と図 7を比較すると、 図 7の方が小面積になることが多い。 MP 1ないし MP 3および MN 1ないし MN 3のゲート幅は、 それそれのインバー夕の遅延時 間が、 MP 1ないし MP 3および MN 1ないし MN3を挿入したことにより遅く ならないように決定する必要がある。 図 6の場合にはたとえば MP 1および MN 1のゲート幅は TP 1および TN 1のゲート幅と同じ大きさ程度にすることにな る。 ところが、 図 7ではそれそれのインバ一夕の活性化率を考慮に入れて MP 1 および MN 1のゲート幅を決めることができる。 すなわち、 MP 1および MN1 に接続されている論理回路 （図 7の例では 3段のインバー夕） の最大活性化率を 考慮して MP 1および MN 1のゲ一ト蝠を決める。 図 7の例では 3段のィンバ一 夕のうち、 一度に動作するインバ一夕は 1段だけなので、 その 1段のインバ一夕 に十分に電流を供給できるようなゲート幅に MP 1および MN 1を設計すればよ い。 結果的には図 6の MP 1ないし MP3および MN 1ないし MN3のゲート幅 と同じゲート幅程度で済むことになり、 図 7の方が図 6よりも小面積になる。 図 8を用いて本発明の第 6の実施例を説明する。 図 8は、 図 7に示した第 5の 実施例にレベルホルダ LH 1を接続し、 制御信号 CSが 'L， になってインバ一 夕の動作が停止し、 出力 （OUT 2) がハイインピーダンス状態になっても、 出 力 OUTのレベルを保持できるようにした実施例である。 制御信号 CSが 'Η' から （L， に変わったときに、 'Η' のときの最後の論理レベルを保持する。 こ こではレベルホルダ LH 1としてィンバ一夕 2個によるラッチで実現しているが 、 制御信号 CSが 'L， のときに出力 OUTのレベルが保持でき、 出力 OUTを 入力とする次段の回路に影響がないようなものであれば如何なるものでもよい。 本実施例ではレベルホルダ一回路 LH1は高速性を要求しないものとし、 厚膜 M0 Sトランジスタで構成してリーク電流を押さえた。 高速性を要求する場合には、 レベルホルダー回路は薄膜 M OSトランジスタで構成することもできるが、 イン バー夕本体よりリーク電流が増えては意味がないので、 設計に留意する必要があ る。
また、 レベルホルダー回路の挿入する場所は回路中のどこであっても良いわけ ではない、 たとえば図 8で、 OUT 1や OUT 2に挿入して意味がない。 制御信 号 CS力； 'L， のときも論理レベルを保持する必要のある信号線 （図 8では〇U T 3) に挿入する必要がある。 図 9を用いて本発明の第 7の実施例を説明する。 上述した図 5 (第 4の実施例 ) ないし図 8 (第 6の実施例） では簿膜 M OSトランジスタで 「インバー夕」 を 形成した実施例を示したが、 薄 J5莫 MOSトランジスタで構成された回路であれば 如何なる機能をもつものでもよい。 この例を図 9に示す。 図 9は、 図 5のインバ —夕を 2入力 （INI, IN2) を有する NANDゲートに変えたものである。 この構成によっても図 5と同様に消費電力の増加を防ぐことができる。
図 5ないし図 9に示した実施例では、 制御信号 C Sにつながれた制御回路とし て厚い酸化膜で構成された厚膜 MOSトランジスタを用いているが、 制御信号 C Sによって簿膜 MOSトランジスタのゲート ·ソース間およびゲ一卜 ' ドレイン 間のリーク電流の量を制御できればるものであれば如何なるものでもよい。 例え ば、 図 2に示した製造工程に対応した、 ゲート電極の空乏化率が主回路のそれよ り大きい MOSトランジスタや、 薄膜ゲート絶縁膜でもあってもゲ一トリーク力 s 小さいゲート絶縁膜で構成された MOSトランジスタで構成してもよい。
また、 図 5ないし図 9に示した実施例では、 M〇Sトランジスタの基板電極に ついて特に言及していないが、 本発明ではその接続は特に規定しない。 例えば、 p型 MOSトランジスタの基板電極は第 1の電源 Vddに、 n型 MOS卜ランジ ス夕の基板電極は第 2の電源 Vs sに接铳してもよい。 また、 図 5では薄膜 M0 S トランジスタ T P 1の基板電極を V c d 1に、 薄膜トランジスタ T N 1の基板 電極を V c s 1に接続してもよい。 この場合、 主回路であるインバ一夕 L 1に、 基板電極を電源に接続している C M 0 Sインバー夕の標準セルをそのまま使用で きる。
図 1および図 2に記載した手順で製造した半導体集積回路装置は、 下記、 図 5 ないし図 9全ての回路構成に適用できる。 さらに図 5ないし図 9に記載された実 施例は、 その回路の動作頻度が小さい回路へ用いればより効果がある。 たとえば , メモリ回路のワードデコ一夕 · ドライバ回路が挙げられる。 シングルポートの メモリ回路の場合， ワード線数だけあるワードデコ一夕 ' ドライバ回路は一度に 一つのワードデコ一夕 · ドライバ回路しか活性化されない。 他の多数あるワード デコ一夕 · ドライバ回路は不活性のままであり、 ゲートリークがあると定常電流 が流れ消費電力が増加する。 上記実施例を用いれば、 多数ある不活性のワードデ コ一夕 · ドライバ回路の消費電力を低減できる。
図 1 2〜図 1 9は簿膜 M O Sトランジスタ TP1- TP4，TN1-TN4で構成された回路 における待機時のリーク電流を低減するための厚膜 M O S卜ランジス夕の挿入方 法の他の例を示す。
図 1 2と図 1 3は待機時間中の INと OUTの倫理レベルが等しい場合の例である。 図 1 2に示すように待機時間中に IN=0UT= ' Η ' であることがわかっていれば、
Vss側のみにスィツチ MN1を揷入すればよく、 Vdd側には不要である。
図 1 3に示すように待機時間中に IN=0UT= ' L， であることがわかっていれば
、 Vss側のみにスィッチ MP1を挿入すればよく、 Vdd側には不要である。 L H 1はレ ベルホールド回路で、 待機時間中に出力をホールドするものである。
図 1 4〜図 1 7は待機時間中の INと OUTの論理レベルが異なる場合の例である。 図 1 4に示すように、 待機時間中に INと Outの論理レベルが異なる場合には、
IN-0UT間のリークを防止するために、 INまたは OUTにスィッチを挿入する。 IN= c
H ' ,0UT= ' L， の場合は、 Vssと OUTに入れるか Vddと INに入れる 。 図 1 4は Vss と OUTにスィツチ NM1とスィツチ MP4,MN4を入れたものである。
図 1 5はスィッチを Vssと OUTに入れるのではなく、 Vddと INに入れたものである (MP1，MP5，NM5で示される） 。 負荷駆動能力の必要な OUTにスィッチを入れる場合
、 そのスィツチは大きなゲート幅の M O S 卜ランジス夕で構成する必要があるた め望ましくないので、 実用上は図 1 5の例の方が良い。
図 16に示すように、 待機時間中に INの論理レベルが Outの論理レベルと異なる 場合には、 IN- OUT間のリークを防止するために、 INまたは OUTにスィッチを挿入す る。 IN= 'L' ,0UT= 'H' の場合は、 Vddと OUTにスィッチ MP1と MP4,MN4を入れる 図 17はスィッチを Vddと OUTに入れるのではなく、 Vssと INに入れたものである (M 1，MP5，NM5で示される） 。 負荷駆動能力の必要な OUTにスィッチを入れること は望ましくないので、 実用上は図 17の例の方が良い。
図 18は待機時の IN， OUTの論理レベルは不明だが、 IN=0UTであることがわかつ ている場合の例であり、 Vddと Vssにスィッチ MP1と MN1を入れれば良い。 inと outに はスィツチは不要である。
図 1 9は入力信号が複数 （IN1,IN2) ある場合の例を示す。 待機時には IN1= 'H ' ,IN2二 0UT= 'L' であり、 Vddと INIにスィッチ MP 1と MP 5 , ΜΝ5を入れれ ば良い。
図 12から図 19の例で明らかなように、 ゲートリーク電流を削減するための 厚膜 MOSトランジスタの挿入箇所は回路によって最適な場所がある。 したがつ て、 回路全体で同一の揷入方法にする必要はなく、 回路ブロック毎に最適な箇所 に挿入すればよい。
図 20と図 2 1は、 レベルホールド回路 LH1の他の例を示す。
図 20はインバ一夕 2段構成としており、 後段のトランジスタの電流駆動能力 は、 I Νに接銃されている論理ゲートの卜ランジス夕のそれより十分小さく、 ま た、 その論理ゲートのトンネルリーク電流より十分大きくする。
図 2 1は後段をクロックドインバー夕にした例であり、 トランジスタの電流駆 動能力の設計自由度が大きくなる効果がある。
以上の実施例の説明では、 トランジスタのしきい値については何も限定してい ないが、 薄膜 MOSトランジスタを低しきい値にし、 厚膜 MOSトランジスタを それよりも高しきい値にするのが効果的である。 トランジスタを低しきい値にす るといわゆるサブスレツショルドリーク電流がソース · ドレイン間に流れる力 電源間に挿入した高しき 、値の厚膜 Μ 0 Sトランジスタでそのリーク電流をカツ 卜することができる。 以下の図 22からの実施例では基本的に厚膜 M0Sトラン ジス夕はサブスレツショルドリーク電流が問題にならなし、程度のたとえば 0. 5 V程度の高しきい値で、 また、 薄膜 MOSトランジスタはたとえば 0. I V程度 の低しきい値で構成した例を示す。
また、 以上の実施例では薄膜 MOS トランジスタのゲート端子に入力される電 圧と厚膜 MOS トランジスタのゲ一ト端子に入力される電圧との関係については 何も言及していないが、 厚膜 MOS 卜ランジス夕のゲート端子に入力される電圧 を薄膜 MOSトランジスタのゲート端子に入力される電圧よりも高くすると効果 的である。 厚膜 MOSトランジスタのゲート酸化膜は厚いために薄膜 MOS トラ ンジス夕よりも高い電圧を印加でき、 これにより厚膜 MOS 卜ランジス夕の電流 駆動能力を高めるられる。 図 5から図 2 1までの実施例では CSおよび/ CSの 信号振幅を大きくすればよい。 その時には、 厚膜 MOSトランジスタのゲート長 は薄膜 MOSトランジスタのゲート長よりも長くするのがよい。 厚膜 MOSトラ ンジス夕のしきい値を高くできるし、 高電圧で動作する厚膜 MOSトランジスタ のデバイスの信頼性を向上させることができる。 以下の図 22からの実施例では 基本的に厚膜 MOS トランジスタにはたとえば 3. 3V程度の高電圧を印加し、 また、 薄膜 M 0 S トランジスタにはたとえば 1. 5 V程度の低電圧を印加した例 を示す。
以下に本発明を用いた各種の半導体集積回路例を示す。
図 22は本発明による半導体集積回路のブロック図を示したものである。 以下 の図において、 面積比率において主に薄膜 MOSトランジスタで構成されている 回路ブロックを実線で、 厚膜 MOS トランジスタで構成される回路ブロックを点 線で、 両者が混在する回路プロックを両者で囲んで区別した。
CPUコアなどからなる主回路 2201は入出力回路 2202を介して、 入出力端子と信号 をやりとりする。 主回路 2201はまた、 メモリ直接周辺回路 2204を介してメモリセ ル 2205 (例えば DRAMで構成される） と信号をやりとりする。 スタンバイ制御回路
(電源制御回路） 2206は上記各モジュール内の薄膜 MO Sトランジスタに対して その電源等の制御する。 通常半導体集積回路チップ内の信号電圧とチップ外の信 号振幅が異なるので、 後述するレベル変換回路で信号振幅のレベル変換を行って いる。
図 22において、 点線で示されるメモリセル 2205は主にトンネルリーク電 流が無視しうるゲート酸化膜を有する MOS (厚膜 MOSトランジスタ） により構成 される。 ゲート酸化膜は例えば 5〜 1 Onm程度の厚い酸化膜である。
主回路 2201、 入出力回路 2202、 メモリ直接周辺回路 2204、 およびスタンバイ制 御回路 2206は簿膜 MO Sトランジスタを主として用いる。 特に論理素子を多く含 む主回路は、 簿膜 MOSトランジスタの割合が多い。
これらの回路中にある薄膜 MO Sトランジスタは、 図 5から図 2 1で詳述した ように、 待機時のリーク電流を低減するため電源制御用のスィツチで電源を遮断 できるようにしてある。 電源制御用スィツチとなるトランジスタにはリーク電流 があると意味がないので、 厚膜 MO Sトランジスタを用いる。 これら電源スイツ チ用 M0Sはスタンパイ制御回路 2206からの制御により on/offが行われる。 また、 この半導体集積回路装置の中で、 電源スィッチ用の厚膜 MQSトランジ ス夕の他に、 チップ外部からの大きな信号振幅の入力が直接かかる部分の卜ラン ジス夕 （I/O回路等） にも厚膜 MOSトランジスタを用いる。 これは大きな信 号振幅が入力される I/O回路には高ゲ一ト耐圧 MOSが必要で、 一般に厚膜 M OSトランジスタはゲート耐圧が高いためである。 I/O回路に用いる高耐圧 M OSトランジスタに図 5から図 2 1までで説明した薄膜 MOSトランジスタのゲ ートリーク削減のための厚膜 MO Sトランジスタを用いることができる。 両者の MO Sトランジスタに同じ厚膜 MO Sトランジスタを用いることでプロセスの簡 単化が実現できる。
メモリセル 2205は待機時にデータを保持する必要のあるメモリで、 これら はトンネルリーク電流が無視しうる厚膜 MOSトランジスタで構成される。 メモ リセルに厚膜 MOSトランジスタを使用すれば動作速度が遅くなるが、 ゲートリ ークによる消費電力増加の問題がないので、 待機時にメモリセルに電源を供給し 続けることができる。 逆に、 待機時に情報を保持する必要がないメモリはそのメ モリセルに簿膜 MOSトランジスタを使用することができる。 待機時には、 メモ リセルに蓄えられている情報は消えてしまうが、 メモリセルに供給する電源をォ フすることによってゲートリークによる消費電力増加を防ぐことができる。 また 、 メモリの容量が小容量で待機時に電源を供給し続けてもゲートリークによる消 費電力増加が無視できるのであれば、 同様にメモリセルを薄膜 MOSトランジス 夕で構成することができる。 たとえばレジスタフアイル等は小容量であるためリ —ク電流がそれほど問題にならなず、 速度が重視される。 このようなメモリは薄 膜 MOSトランジスタで構成することが望ましい。 また、 本実施例の半導体集積 回路装置においては、 特にラッチ、 フリップフロップ等のメモリ回路は高速を要 求されるために薄膜 MOS トランジスタを用いることが望ましい。 なお、 高電圧 で駆動され、 早い応答性が要求されない回路、 例えば前述の薄膜 MOS トランジ ス夕の電源制御用のスィツチは厚膜 M OSトランジスタを用いることが望ましい
図 22の例ではチップは少なくとも 2種類の電源で駆動されており、 電源 Vc 02は 0。 1より大きく設定されている。 厚膜 MOSトランジスタは電流供給 能力の高い Vcc 2により駆動されることとし、 膜膜 MOS トランジスタは Vcclによ り駆動されることとする。 以下の実施例では Vc c 1は 1. 5V、 Vc c 2は 3. 3Vと仮定しているが、 それそれ Vc c 2 >Vc c 1の関係を満たせばどのような 値であってもよいことは言うまでない。
以上で説明した図 22の半導体集積回路では、 主な部分を簿膜 MOSトランジ ス夕で構成しているので、 高速の動作が可能となる。
図 23は半導体集積回路の他の実施例である。 基本構成は論理回路などで構成 される主回路 2301と、 入出力回路 2302、 およびスタンバイ制御回路 2303で構成さ れている。 この例では、 外部から供給される 3. 3 Vの電圧 Vcc2を降圧回路 2304 で 1. 5Vの Vcclに降圧させる。 降圧回路 2304は主回路などと同一のチップ上にあ つてもよいし、 別のチップ上に形成されていてもよい。 主回路 2301は、 主に薄膜 MOS トランジスタで構成され、 高速動作が可能となる。 降圧回路 2304は主に厚 膜 MO Sトランジスタで構成される。 入出力回路 2302、 スタンパイ制御回路には 薄膜と厚膜の MOSトランジスタが混在する。 これらの回路において、 薄膜 MO Sトランジスタは Vcclで、 厚膜 MOS 卜ランジス夕は Vcc2で駆動することとする 。 スタンパイ制御回路は、 リーク電流による電力損失を押さえるために、 回路の 待機時に降圧回路 2304の出力をオフにする。 また、 入出力回路 2302から主回路 2301への出力も 'L， とする。 主回路 2301への入力が 'L， になり、 かつ主回路 に供給される電源電圧が 0Vになるため、 主回路中の主なノードの電位が 'L， になり トンネルリークによる消費電力増加を削減できる。 なお、 薄膜 MOS トラ ンジス夕を低しきい値にした場合、 サブスレツショルドリーク電流による消費電 力増加も同時に削減できることは言うまでない。
図 2 4は他の実施例であり、 図 2 3と共通の部分は同じ符号で示した。 この実 施例では外部から 2種の電源 Vcclと Vcc2がチップに供給される力;、 Vcclは厚膜 P M O S トランジスタで構成されたスィツチ 2404を介して主回路 2301などに供給さ れる。 待機時にはスタンバイ制御回路 2303により、 スィッチ 2404がオフになり、 Vcclの給電がオフとなる。 また、 図 2 3と同様に待機時には出力回路 2302から主 回路 2301への出力は ' L ' となる。 スィッチ 2404は主回路などと同一のチップ上 にあってもよいし、 チップ外に外づけしたパワー M O Sトランジスタであっても よい。 ここでスィッチ 2404は厚膜 M O Sトランジスタで構成されている。 図 2 3 と同様に、 主回路 2301への入力が ' L， になり、 かつ主回路に供給される電源電 圧が 0 Vになるため、 主回路中の主なノードの電位が ' L， になりトンネルリ一 クによる消費電力増加を削減できる。
図 2 5は図 2 3にさらに主回路の動作速度ばらつきを補償する回路を組み込ん だ実施例を示す図である。 先の実施例と同様の構成は同一の番号を付した。 この 実施例では主回路 2501は遅延モニタ回路 M0NIを備えている。 遅延モニタ回路 M0NI は主回路中の論理回路の遅延時間をモニタするものである。 したがって、 この遅 延モニタ回路は原則として主回路の薄膜 M O Sトランジスタと同様の薄膜 M 0 S トランジスタで構成する。 遅延モニタ回路は、 例えばリングオシレ一夕で構成さ れる。 Vcc2から Vcclを作る降圧回路 2504は、 主回路中の遅延モニタ回路 M0NIから の信号に応じて、 主回路の卜ランジス夕の製造及び温度等の環境の変化による主 回路を構成する論理回路の遅延時間のばらつきを補償するように Vcclの値を制御 する。 これは例えば図 2 8に示すような PLL方式で実現される。 たとえば、 温度が 上昇し、 主回路を構成する論理回路の遅延時間が遅くなつたときには、 降圧回路 2504はその出力 V c c 1を上昇させる。 また逆に、 温度が低下し、 主回路を構成 する論理回路の遅延時間が速くなつたときには、 降圧回路 2504はその出力 V c c 1を下降させる。 これにより主回路を構成する論理回路の遅延時間を一定に保つ ことができる。
図 2 6は他の実施例を示す図である。 図 2 5ではモニタ回路 M O N Iによって 主回路を構成する論理回路の遅延時間をモニタする実施例を示したが、 ここでは 、 チップの製造時の検査で主回路を構成する M O S トランジスタあるいは論理回 路の特性を測定し、 そのデバイス情報を 2 6 0 5に格納しておく。 この 2605から の制御信号に基づいて、 降圧回路 2604は Vcclの値を决定する。 たとえば、 チップ 検査時に主回路を構成するトランジスタのしきい値が設計値よりも大きめに製造 されたことが分かると、 降圧回路 2 6 0 4が V c c 1を設計値よりも大きな値で 出力するように 2 6 0 5に記憶する。 また逆に、 チップ検査時に主回路を構成す るトランジスタのしきい値が設計値よりも小さめに製造されたことが分かると、 降圧回路 2 6 0 4が V c c 1を設計値よりも小さな値で出力するように 2 6 0 5 に記憶する。 このようにすることによって、 製造ばらつきを補償できる。 なお、 2 6 0 5に記憶するデバイス情報はトランジスタのしきい値でもよいし、 卜ラン ジス夕の飽和電流値でもよい、 要は主回路を構成する論理回路の遅延時間を反映 するものであればよい。 また、 その記憶方法は特に問わない。 簡単な方法として はたとえば図 2 7の降圧回路の V r e fの値をイオンビームによってヒューズ （ アルミ配線等） を切断する F I B加工を用いた物理的な方法等で変化させる方法 でもよい。
図 2 5の方法では、 主回路のトランジスタの製造及び温度等の環境の変化を補 償することができる力 s、 図 2 6の方法では、 主回路の卜ランジス夕の製造ばらつ きのみを補償することができる。 しかし、 図 2 6の方法の方が図 2 5の方法より も簡便で面積オーバーへッドが小さくできるという利点がある。
図 2 5や図 2 6の方法以外にも、 製造及び温度等の環境の変化に伴う主回路の 動作速度ばらつきを補償する方法は考えられるが、 いかなる方法でのよい。
図 2 7は、 図 2 3で示した高電圧 Vcc2を低い電圧 Vcclに変換する降圧回路 （鼋 圧リミッタ） 2304の回路構成例である。 この降圧回路はスタンバイ制御回路 2303 からの制御信号 STBで制御され、 Vcclの供給を on/offする。 電圧リミッタは高い電 圧をとりあつかうので、 原則として厚膜 M O Sトランジスタで構成する。 ただし 、 位相補償容量 CCは； Α程度ならばリーク電流があってもよい。 薄膜 M O S トラ ンジス夕で形成した方が回路面積を小さくできる。 特に CCは通常数百〜数千 p F であるので、 チップの面積縮小に効果がある。 分圧回路 D I V 1を構成するトラ ンジス夕も A程度のリーク電流は許容でき、 リークがあっても分圧抵抗として 働くだけなので、 薄ゲート絶縁膜を有する M O Sトランジスタで構成できる。 図 28は図 25で説明した遅延モニタ回路 M0NIと降圧回路 2504の詳細回路図で ある。 遅延モニタとしては CM〇 Sィンバ一夕で構成したリングオシレー夕を用 いている。 この回路は P ha s e Lo cked L o o p (P L L) を形成し ており、 遅延モニタ MONIの発振周波数と主回路へのクロック信号 flとを周波数位 相比較記 PFDで比較し、 レベル変換器 LC3を通してチャージボンプ回路 CPを駆動す る。 CPの出力はローパスフィル夕一 LPFを通過して、 Vrefとして出力される。 この Vrefの値をもとに Vcclが作られる。 クロック信号 Πに応じた Vcclが作られる。 こ こで、 リングオシレー夕 MON I、 周波数位相比較器 PFDは薄膜 MOSトラン ジス夕で構成する。 また、 チャージポンプは電源として Vc c 2を用いるために 厚膜 MOSトランジスタで構成する。 主回路をクロック信号 f 1に同期させて動 作させることで、 そのクロック周波数に最適な電源電圧で主回路を動作させるこ とができる。
図 29は図 28の遅延モニタ回路と降圧回路の他の例を示す。 基本構成は図 2 8と同様であるが、 主回路に供給する電源 Vcc 1を遅延モニタ回路に供給する Vcc3 とを分離している。 Vcclと Vcc3は本来同じ電圧であるが、 Vcclには主回路からノ ィズが混入することがある。 そこで、 Vcclに混入するノイズの遅延モニタ回路へ の影響を低減するため、 遅延モニタ回路への電源 Vc c 3を Vc c 1とは独立に してモニタ精度を向上させている。
図 30は図 22〜図 26における入出力回路 2202,2302の例を示す。 ここでは 1 ビット分のみを示している。 入出力回路はチップ内部と外部の信号を入出力端子 PADを介して行う。 SELが のとき PADは入力端子となり、 SELが 'H ' のときは出力端子となる。 LC1はレベル変換回路であり、 スタンバイ制御回路 2206,2303 (図 22〜図 26参照） からの制御信号 STBが 'L， のときに Vcclの振 幅の信号を振幅の大きな Vcc2の信号に変換して出力端子 PADから外部に出力する。 従ってレベル変換回路 LC1と入出力端子 PADの間のトランジス夕は Vcc2で駆動され る厚膜 M OSトランジスタで構成する。 ここでは PULUまブルアップする必要があ るときに 'L' にして PM0Sのブルアップトランジスタでプルアップする。 この PM0Sは厚膜 MO Sトランジスタで構成する。 回路のスタンバイ （待機） を示す STB が 'H' のとき、 チップ内部の薄膜 MOSトランジスタは電源を遮断されている ので、 LC1は出力をホールドする。 入力側においては、 外部から入力される Vcc2の振幅を有する信号を、 4004 Pおよび 4004 Nで構成されるインパー夕で Vcclの振幅に変換する。 従って、 その二つのトランジスタはレベル変換前の信号を扱うので厚膜 M〇 Sトランジス 夕で構成する。 待機時には 40 15 P 2によって PADからの信号はカツ 卜され 、 INは 'L' に固定される。
抵抗 R l、 R2、 ダイオード 4002D 1、 4002D 2、 トランジスタ 40 14 Nは入力保護回路である。 なお、 ダイオード 4002 D 1および 4002D 2は MOSトランジスタで構成しても良い。 この入力保護回路中の MO Sトラン ジス夕は高耐圧の厚膜 MOSトランジスタで構成する。
図 31は図 30のレベルホールド及びレベル変換回路 LC 1の具体的な回路例 を示している。 スタンバイ制御信号 STBによって、 レベルホールド回路 3101は Vccl の振幅の信号をホールドし、 その後レベル変換回路 3102で Vcc2の振幅に変換して 出力する。
図 32は図 30のレベルホールド及びレベル変換回路 L C 1の他の具体的な回 路例を示している。 スタンバイ制御信号 STBによって、 レベルホールド回路 3201は レベル変換回路 3202からみて出力側にあり、 Vcc2の振幅の信号に変換後の信号を ホールドし出力する。
図 31と図 32を比較すると、 機能的には小さな振幅 （Vc c l) の信号を大 きな振幅 （Vc c 2) の信号にレベル変換し、 STBが 'Η， になったときには その直前の値を出力し続けるという意味で同じである。 ただし、 図 31の方が小 面積で済むという利点がある。 図 33はスタンバイ制御回路 2206, 2303 (図 22〜図 26参照） の例を示す。 主 回路 2202, 2301などから出される STBIN信号 (Vccl振幅) を Vcc2にレベル変換して STBおよびその反転信号/ STBを作る。 速度が重視されないので、 リーク電流を防止 するため主に厚膜 MOSトランジスタで構成するが、 Vc c 1の信号振幅を扱う 部分は溥膜 MOSトランジスタを用いている （円で囲んだトランジスタ部分） 。 本図では、 STB I N信号を出力する回路も STB信号により待機状態になるこ とを想定し、 待機時に STBIN信号が不定となるのを、 STB出力を保持するようにゲ —ト幅小 （W小） のトランジスタ 3301,3302でラッチをかけて保護している。 図 34はマイコンの実施例である。 記憶容量が大きくてゲー卜リークが問題に なるため、 命令キャッシュ 3401とデータキャッシュ 3402のメモリセル 3403， 3404に は厚膜 MOS トランジスタを用いている。 なお、 消費電力よりも高速性を重視し 、 高速が要求される部分を薄膜 MOS トランジスタで構成し、 階層的なメモリ構 造とすることもできる。 また、 同様に速度を重視する TLB (34 10や 341 1中にある） やレジス夕ファイル （3405や 3406) は薄膜 MOS トランジ ス夕を主体として消費電力を低減する。
命令発行ユニッ ト 3412、 汎用レジス夕 3405、 浮動小数点レジス夕 3406、 整数演 算ュニット 3407、 浮動小数点演算ュニット 3408、 ロード ·ストァュニット 3409は 、 速度が重要であり、 また、 小容量であれば消費電力の影響は無視できるので薄 膜 MOS トランジスタで形成している。 スタンバイ制御回路 3413、 入出力回路 3414はすでに説明したものと同様なので説明は省略する。
図 35は、 図 30に示した入出力回路の部分断面図である。 図中 Aで示す部分は 入力保護回路であり、 Bで示す部分は入出力回路領域である。 入出力回路領域はレ ベル変換回路を含んでいる。
n型基板 4006上に p型ゥエル 4007Pと N型ゥエル 4007Nを設け、 素子分離領域 4008を設ける。 4010P1，4009P1,4009P，4010N1は入力保護回路用 MOS卜ランジス 夕 pMOSLのソース ' ドレイン領域である。 R 1および R 2は抵抗素子、 4004P1，4004P2,4000N2,4000P2,4004N1，および 4004N2はレベル変換回路 MO Sトラ ンジス夕のソース · ドレイン領域である。 4004N4、 4004P4は M〇S トランジスタ 4004 P, 4004Nのゲート電極である。 4004N3、 40 04 P 3は MO Sトランジスタ 4004P， 4004 Nのゲート絶縁膜である。 また、 配線層 40 13は、 コンタクトホール 40 12を介して電源を供給する。 ここで、 入力回路領域中レベル変換回路は厚膜 M OS トランジスタ 4004P3,4004N3 で形成されている。 その他の概略は図 4に示す構成と同様である。
図 36〜図 42は本発明のマスク ROMの例を示すものである。 マスク ROMでは 、 基本的にビッ ト線にプリチャージされた電荷を放電して接地電位とする力 そ のまま保持して高電位に保つかで 2値の情報を蓄積する。
図 36は拡散層プログラム方式の N0R型マスク ROMのプロック図を示す。 ヮー ドデコーダ 3604は N組の行ァドレスと M組の列ァドレスを受けて、 メモリセル の中の一つのアドレス （メモリセル単位） を選択する。 ワードドライバ 3602 はワードデコーダの出力を受けて当該メモリセル単位を駆動する。 ここで、 後述 するようにメモリセルは厚膜 MOS トランジスタで構成しているため、 ワード線 振幅は大振幅 （Vc c 2) になっている。 このためワードドライバには Vc c 2 が給電された厚膜 MOS トランジスタで構成されており、 通常 CPUなどから送られ る小振幅 （Vc c 1) のアドレスは、 レベル変換回路を通して信号振幅を Vcc2の 振幅に変換してヮ一ドドライバに接続されている。 小振幅信号を扱うワードデコ ーダ 3604は薄膜 M OS トランジスタで構成されている。 メモリセル 360 1 を薄膜トランジスタで構成すると最大値として （一つのビヅト線につながれてい るメモリセルの数） X (メモリセル一個あたりのゲ一トリ一ク電流） だけのリー ク電流が、 ワード線を通じてビット線に流れてしまう。 このため厚膜トランジス 夕で構成している。 従って、 一つのビット線につながれるメモリセル数が多くな る、 すなわち、 メモリが大容量になるにつれ本発明の効果が大きくなる。 メモリ セル 360 1を簿膜トランジスタで構成すると非選択セルからのリーク電流がな がれ、 ビット線へのノイズの混入と同等の働きをし、 S/Nを悪化させ、 誤動作 の原因となる。 レベル変換回路 3603、 センスアンプ回路 3605、 スタンバ ィ制御回路 3606は薄膜 MOSトランジスタと厚膜 MOSトランジスタの両者 を含む。
図 36の例では "1" を保持するセル MMN00には、 トランジスタを形成しないよ うにする。 すなわち、 拡散層を形成しない。 ワード線 W12を 'H' にすると画 11 が onになり、 ビッ 卜線 BL1は になる。 一方 "0" を保持するセル MMN11は卜 ランジス夕を構成し、 ワード線 W11を 'Η' にしても、 ビット線 BL1は 'L， にな らない。
図 37はイオン打ち込みプログラム方式の NOR型マスク ROMの例を示す。 基本的 に図 36の例と同様であるが、 メモリセル 370 1内部構成が若干異なる。 ヮ一 ド線 W21,W22を 'Η， にする際に、 セルのトランジスタが onになるか offになるか を、 各 M0Sトランジスタの閾値電圧 Vthで制御する。
図 38は図 37のメモリセルの要部断面図である。 ヮード線を選択した時に M 0 Sが onになるかどうかで、 情報を決定する。 ワード線の電圧 （メモリセルのゲ —卜に印加される電圧） は、 ワードドライバの出力の電圧なので、 この回路の場 合は Vcc2 (>Vccl ) となる。 よって、 高い Vthとは Vth>Vcc2を意味する。 低い Vthの 場合は、 M O Sが onになれば十分なので、 Vthく Vccc2となる。 本実施例においては 、 ヮード線 W21に接続される M O Sのゲート絶縁膜直下の部分に低い Vthとするた めの拡散層を設けている。
図 3 9はコンタクトホールプログラム方式の NOR型マスク ROMの例を示す。 基本 的に図 3 6の例と同様であるが、 メモリセル 3 9 0 1内部構成が若干異なる。 各 トランジスタ MMN31，MM 32の構成は同一であるが、 ビット線 BL3に接続されている かどうかで、 出力の ' Η， と ' L， を制御する。
図 4 0は図 3 9のメモリセル部分の要部断面図である。 右側の M O Sのはビヅ ト線 BL3に接続されていない。
図 4 1はイオン打ち込みプログラム方式の NAND型マスク ROMの例を示す。 基本的 に図 3 6の例と同様であるが、 メモリセル 4 1 0 1の内部構成が若干異なる。 M0S トランジスタはセルブロックを構成している。 これらの M O Sトランジスタの閾 値を正にするか （エンハンスメント型） 、 負にするか （デブリーシヨン型） で、 記憶内容が " 1 " か " 0 " かが定まる。 この例では MM 4nをデブリーシヨン型の M0Sとする。 選択ワード線 BS4を ' Η， にすると、 ブロック選択トランジスタ BSMN4 が Onになる。 同時にこのブロック内のワード線のどれかを選択して ' L ' にする 。 選択されたヮード線が W4nだった場合、 このプロヅクにはセル電流が流れ BSMN4 を通じてビット線 BL4に信号 が出力される。
図 4 2は図 4 1のメモリセルの要部断面図を示す。 以上の図面で共通の部分は 同一の符号をつけて説明を省略した。
以上のように各種のマスク R O Mに本発明は適用できるが、 NOR方式のメモリで は、 M O Sトランジスタが並列に多数アレイ化されており、 入力が多いためリー ク電流が多い構造なので、 本発明によるリーク電流低減の効果が顕著である。 図 4 3は本発明に関わる DRAMの例である。 主に厚膜 M O Sトランジスタで構成 される入出力回路 4 3 1 1、 スタンバイ制御回路 4 3 0 6、 およびワードドライ パ 4 3 1 2は Vcclよりも高電圧に設定される Vcc2，VPPで動作する。 メモリセル 4 3 0 1中のトランジスタは、 情報を電荷の形で貯めているキャパシタンスから電 荷が漏れるのを防ぐために厚膜 M O S 卜ランジス夕で構成する。 その厚膜トラン ジス夕を駆動するため、 ワード線 Wは大振幅で駆動する。 このとき、 従来の D R AMのようにキャパシタンスから電荷が漏れるのを防ぐという同様の目的で、 メ モリセル中のトランジスタを高しきい値にするのがよい。 小振幅信号を扱うデコ —ダ 4313、 4318や、 アドレスバッファ 4315、 4316は薄膜1 03 卜ランジス夕で構成し、 低電圧の Vcclで駆動する。 センスアンプ 4305は厚膜 MOSトランジスタと薄膜 MOSトランジスタが混在する。
入力回路 431 1に入力される信号 Aiは大きな振幅 Vcc2を有しているので、 こ れを小振幅 Vcclにしてアドレスバッファ 4315、 4316、 デコーダ 4313 、 4318で取り扱う。 このため入力回路は Vcclへのレベル変換前の回路は厚膜 MOSトランジスタが適している。 また、 同様の理由で、 出力回路 4320も厚 膜 MOSトランジスタを有する。 ァドレスバッファ 43 15、 4316、 デコー ダ 4313、 4318内の簿膜 MOSトランジスタに供給する電源を厚膜 M 0 S トランジスタで制御することは、 既述の実施例と同様である。 図示されていない が、 ロウデコーダ 4313中にはレベル変換回路があり、 Vcclの振幅の信号をよ り大きい振幅 （Vpp) の信号にしてワードドライバ 4321に供給している。 本実施例では電圧 Vcc2を 3.3V，Vcclを 1.8V、 Vppを 3.6V、 VDDを 1.5Vとした。 これ らの電圧は外部から印加してもよいし、 電圧コンパ一夕を用いて内部で電圧変換 して形成しても良い。
図 44には、 図 43のセンスアンプ 4305の内部構成を示す。 待機時にはビ ット線対 B，/Bはプリチャージ回路 PCによって VDD1/2にプリチャージされている。 また、 センスアンプ駆動線 NCS，PCSは共に VDD1/2レベルにある。 従って、 センスァ ンプ SAを構成するトランジスタ TP11,TP12，TN11,TN12はいずれもソース、 ドレイン 、 ゲートがすべて同じ電位にあるため、 サブスレツシショルドリーク電流も、 ト ンネルリーク電流も流れない。 したがって、 これらは薄膜 MOSトランジスタで 構成し、 センス動作を高速化することができる。
プリチャージ信号 PCBは、 待機時には高い電位 （>VDDl/2) である。 そこで、 プ リチャージ回路を構成する卜ランジス夕 MN1卜 MN13は厚ゲー卜酸化膜を有する M〇 Sで構成し、 トンネルリーク電流を防止する。 なお、 ソースとドレインが同電位 なので髙しきい値である必要はない。
入出力ゲー卜 YGを構成するトランジスタ M 14,MN15も厚膜 MOSトランジスタで 構成する。 これらのトランジスタのゲートにはカラムデコーダの出力 YSが入力き W れており、 待機時には接地レベルにあるからである。
図 4 5は、 図 4 3のセンスアンプ回路 4 3 0 5の詳細を示す。 入力信号のうち 、 Ai ,Ajはアドレス信号、 øはタイミング信号である。 一般のメモリではメモリア レイが複数のサブアレイに分割されているため、 選択されたサブアレイのセンス アンプのみを動作させるためにァドレス信号 （通常はロウァドレス信号のうち上 位の数ビット） が必要である。 NANDゲート NA1及びインバー夕 IV1 , IV2は薄膜 M O Sトランジスタで構成する。 待機時には Ai ,Aj , øは ' L， ，SA も , SAPは ' H， であるから、 トンネルリーク電流を防止するために、 NA1と IV1の電源側、 IV2 の接地側と入力にスィッチを入れて待機時の電源をカットする。 また、 SAN, SAPの レベルを保持するためにレベルホールド回路 LH1，LH2を設ける。
NCS，PCSのプリチャージ回路は、 厚膜 M O Sトランジスタとする。 駆動トランジ ス夕 MN20，MP20は厚膜 M O Sトランジスタとする。 これらのトランジスタのソース 、 ドレイン、 ゲートは待機時には全て異なる電位にあるので、 それらの間のリー クを防止するためである。 図 4 6は、 図 4 3のメインアンプ 4 3 0 9の構成例を示す。 この例は 2段階の 差動アンフ" MA1，MA2で構成されている。 これらのアンプを構成するトランジスタは 薄膜 M O Sトランジスタとして増幅動作の高速化を図る。 アンプの入力信号 DO, /DO, 1段目の出力信号 D1，/D1、 2段目の出力回路 D2, /D2は、 いずれも図示さ れないプリチャージ回路によって、 待機時には ' Η， になっているのでリーク電 流が流れないからである。 しかし、 活性化トランジスタ ΜΝ31，ΜΝ32は厚膜 M O Sト ランジス夕として、 VSSへのリークを防止する。
図 4 7は本発明の SRAMの実施例である。 基本的な回路構成は既に述べた
ROM, DRAMと同様であり詳細は省略する。 ここでは、 メモリセル 4 7 0 1の構造に ついて説明する。 メモリセル 4 7 0 1は基本的にはフリップフ口ヅブで構成され 、 これは厚膜 M O Sトランジスタで構成される。
メモリセル 4 7 0 1を構成するトランジスタの内、 トランスファトランジスタ （ アクセストランジスタとも呼ぶ） を薄膜トランジスタで構成すると最大値として (一つのビット線につながれているメモリセルの数） X (メモリセル一個あたり のゲートリーク電流） だけのリーク電流が、 ワード線を通じてビット線に流れて しまうので、 ビッ ト線へのノイズの混入と同等の働きをし、 S/Nを悪化させる 。 したがって、 少なくともトランスファトランジスタは厚膜卜ランジス夕とする のがよい。 トランスファトランジスタ以外のトランジスタのゲートリークは消費 電力の増加にしか関与しないため、 消費電力を重視しないのであれば薄膜 MOS トランジスタで構成してもよい。 一つのビヅ卜線につながれるメモリセル数が多 くなる、 すなわち、 メモリが大容量になるにつれ本発明の効果が大きくなる。 また、 トランスファトランジスタのしきい値電圧についても同様のことが言える o トランスファトランジスタのしきい値が小さいと、 最大値として （一つのビッ ト線につながれているメモリセルの数） X (メモリセル一個あたりのトランスフ ァ一トランジスタのソース ' ドレイン間サブスレツショルドリーク電流） だけの リーク電流が、 ビット線に流れる。 これはビット線へのノイズの混入と同等の働 きをし、 S/Nを悪化させる。 これを防ぐためには、 トランスファ トランジスタ のしきい値を高くするとよい。 これはたとえばトランスファトランジスタへのチ ャネルインブラの量を変えて調整してもよいし、 トランスファトランジスタのゲ 一ト長を少し長めに設計してもよい。
図 48は図 47のワードデコーダ 4704、 ワードドライバ 4702、 レベル 変換回路 4703の回路例を示す。 ヮ一ドデコーダは小振幅の信号が入力される 。 このため、 薄膜 MOSトランジスタで構成され、 さらに、 待機時のゲートリー ク電流をカツトするための厚膜 MOSトランジスタ MN11を有する。 ワード線は大 振幅で駆動されるため、 ワードドライバは Vc c 2の電源電圧で動作する回路と なっており、 ワードデコーダとワードドライバの間にレベル変換回路を有する。 レベル変換回路は小振幅から大振幅の信号を形成するため、 基本的に厚膜 M 0 S トランジスタで構成する。 基本的には図 33で説明したもの同様である。
待機時には STBは 'Η' となり、 電源 Vc c 1はオフされる。 厚膜 MOS卜 ランジス夕 MN 12によってレベル変換回路の出力 WL 2は 'Η， (3. 3 V) になり、 ワード線 WLの電位は 'L， (0. 0V) に固定される。 これにより待 機時のメモリセルからビット線への電流漏れを防いでいる。
以上のワードデコーダ 4704、 ワードドライバ 4702、 レベル変換回路 4 703の構成は先に述べた SRAMや ROMにおいても基本的には同様である。 図 49は図 43のセンスアンブ ·ライ 卜回路 4705の具体的回路の詳細を示 す。 デ一夕の保持にはビッ ト線電位は影響しないので、 待機時には電源 V c c 1 をオフにすればよい。 このセンスアンプ ·ライ ト回路は薄膜 M O S トランジスタ 回路で構成される。
産業上の利用の可能性
本発明の半導体集積回路装置によれば、 回路動作速度を犠牲にすることなく、 待機時の消費電力を小さくすることが可能になり、 実用的な効果が大きい。

Claims

請求の範囲
1. 同一基板上に、 ソース ·ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に流れるリー ク電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジスタを設けるとともに、 該複 数種類の MOSトランジスタのうち、 上記リーク電流が大きい少なくとも 1つの MOSトランジスタで構成された主回路と、 該主回路と 2つの電源の少なくとも 一方の間に挿入され、 リーク電流が小さい少なくとも 1つの MOSトランジスタ で構成された制御回路を有する半導体集積回路装置。
2. 前記リーク電流はトンネル電流によるものである請求項 1記載の半導体集積 回路装置。
3. 前記リーク電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジスタは、 ゲート 絶縁膜の厚さが異なる MOSトランジスタで構成されることを特徴とする請求項 2記載の半導体集積回路装置。
4. 前記リーク電流の大きい MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、 3. 5 nm以下である請求項 2乃至 3のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置
5. 前記リーク電流の大きい MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、 3. Onm以下である請求項 2乃至 3のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置
6. 前記リーク電流の大きい MO Sトランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、 2. 0 nm以下である請求項 2乃至 3のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置 ο
7. 前記リーク電流の小さい MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さは、 5. 0 nm以上である請求項 2乃至 6のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置
8. 前記リーク電流の小さい MO Sトランジスタのゲート絶緣膜の厚さは、 10 . 0 nm以上である請求項 2乃至 6のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装
9. 前記リーク電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジスタは、 濃度の 異なる不純物が導入されたゲート電極を有する同一導電型の MO Sトランジスタ で構成されることを特徴とする請求項 2に記載の半導体集積回路装置。
10. 前記リーク電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジスタは、 ゲ一 ト電極のキヤリア濃度もしくは分布が異なる MOSトランジスタで構成されるこ とを特徴とする請求項 2に記載の半導体集積回路装置。
1 1. 前記主回路は少なくとも 1つの論理回路を含む請求項 2乃至 10のうちい ずれかに記載の半導体集積回路装置。
12. 前記制御回路は前記電源を遮断する少なくとも 1つの電源遮断用トランジ ス夕を含む請求項 2乃至 1 1のうちいずれかに記載の半導体集積回路装置。
13. 前記電源遮断用トランジス夕が電源を遮断したときの前記論理回路もしく は主回路の出力を保持するレベル保持回路を有する請求項 21記載の半導体集積
14. 前記レベル保持回路は前記リーク電流が小さい M OSトランジスタで構成 される請求項 13記載の半導体集積回路装置。
15前記リーク電流が大きい MOSトランジスタは、 ゲ一卜電圧は 0. 8V以上 で動作されるように構成されている請求項 2乃至 14のうちいずれかに記載の半 導体集積回路装置。
16. 前記リーク電流が大きい MOSトランジスタは、 ゲート電圧は 1. 2V以 上で動作されるように構成されている請求項 2乃至 14のうちいずれかに記載の 半導体集積回路装置。
17. 前記リーク電流が大きい MOSトランジスタとリーク電流が小さい MOS トランジスタは異なるゲート電圧で駆動される請求項 1乃至 16のうちいずれか に記載の半導体集積回路装置。
18. 前記リーク電流が大きい MOSトランジスタは、 前記リーク電流が小さい MO Sトランジスタよりも低い電圧をゲートとソースもしくはドレインの間に印 加して駆動される請求項 1乃至 16のうちいずれかに記載の半導体集積回路装置
19. 入出力端子と、 該入出力端子と前記主回路の間の入出力の制御を行う入出 力回路と、 前記主回路からの出力を記録するメモリセルと、 該メモリセルの動作 を制御するメモリ直接周辺回路を有する請求項 1乃至 18のうちいずれかに記載 の半導体集積回路装置。
20. 前記メモリセルは前記リーク電流が小さい MOSトランジスタで構成され る請求項 19記載の半導体集積回路装置。
21. 前記メモリセルはレジス夕ファイル、 キャッシュメモリ、 TBL、 および DRAM セルのうちの少なくとも一つを含む請求項 19乃至 20のうちのいずれかに記載 の半導体集積回路装置。
22. 前記メモリセルはスタンバイ時にデ一夕を保持する構成である請求項 19 乃至 2 1のうちいずれかに記載の半導体集積回路装置。
23. 前記メモリセルはアクセス速度の速い第 1の種類のメモリと、 それよりァ クセス速度の遅い第 2の種類のメモリを含み、 第 1のメモリを構成する MOSト ランジス夕の前記リーク電流は、 第 2のメモリを構成する MOSトランジスタの リーク電流よりも大きい請求項 19乃至 212のうちのいずれかに記載の半導体 集積回路装置。
24. 前記入出力回路は電源を遮断する少なくとも 1つの電源遮断用トランジス 夕を含む請求項 19乃至 23のうちのいずれかに記載の半導体集積回路装置。
25. 前記メモリ直接周辺回路は電源を遮断する少なくとも 1つの電源遮断用ト ランジス夕を含む請求項 19乃至 24のうちのいずれかに記載の半導体集積回路
26. 前記電源遮断用トランジスタを制御する電源制御回路を有し、 電源遮断用 トランジスタは、 前記主回路を構成する MOSトランジスタよりもリーク電流の 小さい M OSトランジスタで構成される請求項 23乃至 24のうちのいずれかに 記載の半導体集積回路装置。
27. ソース ·ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが 4nm以下の第 1の MOSトランジスタと、 上記絶縁膜の厚さが 4nmを越える第 2 の MO Sトランジス夕が同一のシリコン基板上に形成されている半導体集積回路
28. ソース 'ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが 4nm以下の第 1の MOSトランジスタと、 ソース ·ゲート間あるいはドレイン . ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが上記第 1の M0Sトランジスタのそれよりも 厚い第 2の M OSトランジスタを有し、 上記第 1の M OSトランジスタのソース -ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に流れる電流を上記第 2の MO Sトラン ジス夕で制御する半導体集積回路装置。
29. ソース ·ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが 4nm以下の第 1の MOSトランジスタと、 該第 1の MOSトランジスタへの電源 の供給を遮断する第 2の MOSトランジスタを有し、 該電源の遮断中において上 記第 1の MO Sトランジス夕の出力をホールドするレベルホールド回路を有する 半導体集積回路装置。
30. ソース 'ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に流れるリーク電流の大き い第 1の MOSトランジスタと、 上記リーク電流が第 1の M OSトランジスタよ りも小さい第 2の M OSトランジスタが同一のシリコン基板上に形成されており
、 該第 2の MOSトランジスタを第 1の M OSトランジスタよりも高電圧の電源 で駆動する半導体集積回路装置。
31. 振幅電圧 Vcc2の入力信号を入力してこれに応答する半導体集積回路装置で あって、 上記入力信号の振幅電圧を Vcclに降下させて内部信号を形成するレベル 変換回路を有し、 該内部信号を入力とする MOSトランジスタのゲ一ト ·ソース 間あるいはゲート · ドレイン間のリーク電流は、 上記入力信号を入力とする M〇 Sトランジスタのそれよりも大きい半導体集積回路装置。
32. 演算処理装置と、 マスク ROM、 SRAM, D R AMのうち少なくとも一 つを含む記憶装置を M0Sトランジスタで構成した半導体集積回路装置であって 、 上記演算装置中の論理回路を構成する M0Sトランジスタのゲート絶縁膜厚は 、 上記記憶装置のメモリセルを構成する M0Sトランジスタのゲート絶縁膜より も薄い半導体集積回路装置。
33.同一シリコン基板上に、 ソース ·ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間に流 れる卜ンネル電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジスタを設けるとと もに、 該複数種類の M0Sトランジスタのうち、 トンネル電流が大きい少なくと も 1つの M0S卜ランジス夕で構成された主回路と、 トンネル電流が小さい少な くとも 1つの MOSトランジスタで構成され、 前記主回路と 2つの電源の少なく とも一方の間に挿入された制御回路とを有し、 前記制御回路に供給される制御信 号により、 前記主回路を構成するトンネル電流が大きい M0Sトランジスタのソ —ス 'ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に電流が流れることの許容/不許容 を制御するようにしたことを特徴とする半導体集積回路装置。
34. 同一半導体基板上に、 ソース ·ゲート間あるいはドレイン♦ゲート間に存 在する絶縁膜の厚さの異なる複数種類の MOSトランジスタを設けるとともに、 該複数種類の MOSトランジスタのうち、 上記絶縁膜の薄い M OSトランジスタ で少なくとも一つの論理回路を構成し、 上記絶縁膜の厚い MOSトランジスタで 上記論理回路への電源の供給を制御する制御回路を構成する半導体集積回路装置
35. ソース 'ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが 4nm以下の第 1の MOSトランジスタと、 上記絶縁膜の厚さが 4皿を越える第 2 の MOSトランジスタを有し、 上記第 1の M OSトランジスタへの電源の供給を 上記第 2の MOSトランジスタで制御する半導体集積回路装置。
36. 同一半導体基板上に、 ソース 'ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間に存 在する絶縁膜の厚さ、 ゲート電極のキャリアの密度もしくは分布の少なくとも一 つが異なるために、 同一のゲ一卜電圧で駆動した場合ソース 'ゲート間あるいは ソース · ドレイン間のリーク電流が異なる複数種類の MO Sトランジスタを有し 、 該複数種類の MOSトランジスタにより少なくとも一つの論理回路を含む CP U、 該 CPUへ外部から信号を入出力する入出力回路、 該 CPUからの信号を記憶する メモリ回路を構成し、 上記リーク電流の小さな MOSトランジスタで上記論理回 路を構成し、 上記リーク電流の大きな MOSトランジスタで上記メモリ回路を構 成した半導体集積回路装置。
37. 同一半導体基板上に、 ソース 'ゲ一卜間あるいはドレイン 'ゲート間に存 在する絶縁膜の厚さ、 ゲート電極のキヤリァの密度もしくは分布の少なくとも一 つが異なるために、 同一の電圧をソースまたはドレインとゲートの間に印加した 場合、 ソース 'ゲート間あるいはソース ' ドレイン間のリーク電流が異なる複数 種類の MOSトランジスタを有し、 該複数の MOSトランジスタを駆動するため に電圧の異なる複数の電源を有し、 該複数種類の MOSトランジスタのうち、 上 記リーク電流の大きな第 1の MO Sトランジスタは低い電圧の第 1の電源で駆動 し、 上記リーク電流の小さな第 2のトランジスタは高い電圧の第 2の電源で駆動 する半導体集積回路装置。
38. 同一半導体基板上に、 同一のゲ一卜電圧で駆動した場合ソース .ゲート間 あるいはソース · ドレイン間のリーク電流が異なる複数種類の MO Sトランジス 夕を有し、 該複数の MOSトランジスタを駆動するために電圧の異なる複数の電 源を有し、 該複数種類の MOSトランジスタのうち、 リーク電流の大きな第 1の MOSトランジスタは低い電圧の第 1の電源で駆動し、 リーク電流の小さな第 2 のトランジスタは高い電圧の第 2の電源で駆動し、 上記第 2の MO Sトランジス 夕で上記第 1の MOSトランジスタへの電源の供給を制御する半導体集積回路装
39. 同一半導体基板上に、 同一のゲート電圧で駆動した場合ソース ·ゲート間 あるいはソース · ドレイン間のリーク電流が大きい第 1の MOSトランジスタと
、 リーク電流の小さい第 2の MO Sトランジスタを有し、 上記第 1の MOSトラ ンジス夕で第 1の回路を構成し、 上記第 2の MOS卜ランジス夕で第 2の回路を 構成し、 第 1の回路のスィツチング速度は第 2の回路のスィツチング速度より早 い半導体集積回路装置。
40. ソース ·ゲート間あるいはソース ' ドレイン間の絶縁膜の厚さが薄い第 1 の MOSトランジスタと、 絶縁膜の厚さの厚い第 2の MO Sトランジスタを有し 、 上記第 1の MOSトランジスタを早いスィツチング速度が要求される論理回路 に用い、 上記第 2のトランジスタを上記論理回路よりも遅いスィッチング速度の 回路に用い、 上記第 1の M OSトランジスタ回路の電源は上記第 2の MO Sトラ ンジス夕回路の電源と独立に制御される半導体集積回路装置。
41. 第 1のゲート電極、 第 1の電極及び第 2の電極を備える第 1の MOSトラ ンジス夕と、 第 2のゲート電極、 第 3の電極及び第 4の電極を備える第 2の MO Sトランジスタを有し、 上記第 1の電極が第 1の電位に、 第 2の電極が第 2の電 位に接続され、 上記第 1の電極と第 1の電位の間及び第 2の電極と第 2の電位の 間の少なくとも一方に上記第 2の MOSトランジスタが第 3の電極及び第 4の電 極を介して挿入されており、 上記第 1の M OSトランジスタのゲート絶縁膜の厚 さが第 2の M OSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さよりも薄い半導体集積回路
42. 前記第 1の M0Sトランジスタのゲート長が第 2の M0Sトランジスタの ゲート長よりも小さい請求項 41記載の半導体集積回路装置。
43. 前記第 1の M OSトランジスタのゲート電圧が第 2の MOS卜ランジス夕 のゲート電圧よりも小さい請求項 41記載の半導体集積回路装置。
44. 前記第 1の M OSトランジスタのゲート電圧が 2 V以下である請求項 4 1 記載の半導体集積回路装置。
45. 前記第 1の M〇Sトランジスタのゲート絶縁膜の厚さが 4nmより薄く、 前 記第 2の M OSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さが 4 nmよりも厚い請求項 4 1 記載の半導体集積回路装置。
46. 前記 1の MOSトランジスタのゲ一卜絶縁膜の厚さが 3. 5nmより薄い請 求項 4 1記載の半導体集積回路装置。
47. 前記 1の MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さが 3 nmより薄い請求項 41の半導体集積回路装置。
48. 前記 1の MOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚さが 2nmより簿ぃ請求項 41の半導体集積回路装置。
49. 前記第 2の MOSトランジスタのゲート絶緣膜の厚さが 5皿よりも厚い請 求項 41記載の半導体集積回路装置。
50. 前記第 2の M〇Sトランジスタのゲート絶縁膜の厚さが 6nmよりも厚い請 求項 41記載の半導体集積回路装置。
51. 前記第 2の MOSトランジスタのゲート絶緣膜の厚さが 1 Onmよりも厚い 請求項 4 1記載の半導体集積回路装置。
52. 同一シリコン基板上に、 少なくとも、 ソース .ゲート間あるいはドレイン •ゲート間に流れるトンネル電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジス 夕を設けるとともに、 トンネル電流の大きさが異なる複数種類の M OSトランジ ス夕のうち、 トンネル電流が大きい少なくとも 1つの MOSトランジスタで構成 された主回路と、 トンネル電流が小さい少なくとも 1つの MOSトランジスタで 構成され、 上記主回路と 2つの電源の少なくとも一方の間に挿入された制御回路 とを有し、 制御回路に供給される制御信号により、 主回路を構成するトンネル電 流が大きい MO Sトランジスタのソース ·ゲート間あるいはドレイン 'ゲート間 に電流を制御した半導体集積回路装置。
53. 前記トンネル電流の大きさが異なる複数種類の MO Sトランジスタは、 ゲ ―ト絶縁膜の厚さが異なる MOSトランジスタで構成されることを特徴とする請 求項 52記載の半導体集積回路装置。
54. 前記ゲート絶縁膜の厚さが異なる MO Sトランジスタのうち、 厚いゲート 絶縁膜を有する MOSトランジスタのゲート電極側壁にフッ化水素酸に溶解しな い絶縁材料からなるサイ ド ·ウォール ·スぺ一サを被着したことを特徴とする請 求項 53記載の半導体集積回路装置。
55. 前記トンネル電流の大きさが異なる複数種類の MOSトランジスタは、 同 一種類でかつ濃度の異なる不純物が導入されたゲート電極を有する同一導電型の MO Sトランジスタで構成されることを特徴とする請求項 52に記載の半導体集 積回路装置。
56. 同一シリコン基板に異なる厚さのゲート絶縁膜を有する複数の MOSトラ ンジス夕を形成する半導体装置の製造方法であって、 上記異なる厚さのゲート絶 縁膜は別々に被着される半導体装置の製造方法。
57. 同一シリコン基板に異なる厚さのゲ一ト絶縁膜を有する複数の MO Sトラ ンジス夕を形成する半導体装置の製造方法であって、 厚さの厚いゲート絶縁膜を 厚さの薄いゲート絶縁膜よりも先に形成する半導体装置の製造方法。
58. 同一シリコン基板にゲート絶縁膜とゲート電極の積層構造を有する MOS トランジスタを複数有し、 該複数の M OSトランジスタのなかに上記ゲ一卜絶縁 膜の厚さが異なる第 1の MOSトランジスタと第 2の MO Sトランジスタを含む 半導体装置の製造方法であって、 上記第 1の MOSトランジスタのゲート絶縁膜 は第 2の MOSトランジスタのそれよりも薄く、 上記第 2の M OSトランジスタ のゲ一ト絶縁膜とゲート電極を形成した後に、 上記第 1の MO Sトランジス夕の ゲ一ト絶縁膜とゲ一卜電極を形成する半導体装置の製造方法。
59. 所定膜厚の第 1のゲート絶縁膜を有する第 1の MOSトランジスタと、 上 記第 1の絶縁膜よりも厚い第 2のゲー卜絶縁膜を有する第 2の M 0 Sトランジス 夕が同一のシリコン基板上に形成されており、 上記第 2の MO Sトランジスタの ソース電極およびドレイン鼋極の少なくとも一方は上記第 1の MOSトランジス 夕のソース電極またはドレイン電極とは異なるキヤリァ密度もしくは異なる深さ の不純物注入領域からなる半導体集積回路装置。
60. 第 1のゲート絶緣膜、 その上の第 1のゲート電極、 その上の第 1の保護絶 緣膜を有する第 1の M0Sトランジスタと、 第 2のゲート絶緣膜、 その上の第 2 のゲート電極、 その上の第 2の保護絶縁膜を有する第 2の MOSトランジスタが 同一のシリコン基板上に形成されており、 上記第 1のゲート絶縁膜は上記第 2の ゲート絶縁膜よりも薄く、 上記第 2のゲート絶縁膜、 第 2のゲート電極、 第 2の 保護絶縁膜の断面の少なくとも一部をおおうサイ ドウオール絶縁膜を有する半導 体集積回路装置。
6 1 . 第 1のゲート絶縁膜、 その上の第 1のゲート電極、 その上の第 1の保護絶 縁膜を有する第 1の M O S トランジスタと、 第 2のゲート絶縁膜、 その上の第 2 のゲート電極、 その上の第 2の保護絶緣膜を有する第 2の M〇S トランジスタが 同一のシリコン基板上に形成されており、 上記第 1のゲート絶縁膜は上記第 2の ゲート絶縁膜よりも薄く、 上記第 2のゲート絶縁膜、 第 2のゲート電極、 第 2の 保護絶縁膜の断面の少なくとも一部をおおうサイ ドウオール絶緣膜を有し、 該サ ィ ドウオール絶縁層の下のシリコン基板に存在する第 1の不純物注入領域と、 該 サイ ドウオール絶縁層に隣接するシリコン基板に存在し、 上記サイ ドウオールお よび上記ゲー卜絶緣膜の下に存在しない第 2の不純物注入領域を有する半導体集 積回路装置。
6 2 . ソース ·ゲート間あるいはドレイン ·ゲート間に存在する絶縁膜の厚さが 4 nm以下の第 1の種類の M O Sトランジスタと、 上記絶縁膜の厚さが 4 nmを越え る第 2の種類の M 0 Sトランジスタが同一のシリコン基板上に形成されており、 上記第 1の種類の M O Sトランジスタのゲート長のうち最大のものが、 上記第 2 の種類の M O Sトランジスタのゲート長のうち最小のものよりも小さい半導体集 積回路装置。
6 3 . 第 1のゲート絶縁膜、 その上の第 1のゲート電極、 その上の第 1の保護絶 緣膜を有する第 1の M O Sトランジスタと、 第 2のゲート絶縁膜、 その上の第 2 のゲート電極、 その上の第 2の保護絶縁膜を有する第 2の M O Sトランジスタが 同一のシリコン基板上に形成されており、 上記第 1のゲート絶緣膜は上記第 2の ゲート絶縁膜よりも簿ぃ半導体集積回路装置。
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