專(zhuān)利名稱(chēng)：雙晶體管儲(chǔ)存器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種新型高密度無(wú)電容 TTRAM雙晶體管儲(chǔ)存器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)DRAM存儲(chǔ)單元包含一個(gè)MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, M0SFET)和一個(gè)MOS電容(即1T1C)。其中，MOSFET相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制存儲(chǔ)單元寫(xiě)入、更新以及讀出的操作，MOS電容器則作為電荷存儲(chǔ)之用。在實(shí)際應(yīng)用中， 存儲(chǔ)于電容器上的電荷會(huì)逐漸流失，因此DRAM的工作是“動(dòng)態(tài)”的，需做周期性地刷新。根據(jù)摩爾定理，只要DIY硬件在更新?lián)Q代，內(nèi)存規(guī)格也將不斷更替，傳統(tǒng)DRAM中電容器的尺寸和耦合將嚴(yán)重阻礙存儲(chǔ)單元面積的進(jìn)一步縮減。因此，人們提出利用SOI MOSFET固有的浮體效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元的概念。在基于浮體結(jié)構(gòu)(FBC)的存儲(chǔ)器家族中，有兩大典型的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。一種是2002 年由瑞士 hnovative Silicon公司獨(dú)創(chuàng)出的Z-RAM(Zero capacitor RAM)技術(shù)，它不是采用存儲(chǔ)在電容器中的電荷來(lái)表示信息，而是通過(guò)采用這種技術(shù)的DRAM單元在一個(gè)傳統(tǒng)絕緣硅(SOI) MOSFET的溝道下捕獲電荷來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這種基于浮體結(jié)構(gòu)(FBC)的Z-RAM技術(shù)是采用單晶體管(IT)結(jié)構(gòu)。因此，它可以有近SRAM的存取速度、以及勝過(guò)傳統(tǒng)DRAM的記憶密度。另外一種類(lèi)型是2005年，日本Renesas公司提出了 TTRAM的概念，它由兩個(gè)完全相同的PD-SOI η型MOSFET串聯(lián)而成。前一晶體管起讀/寫(xiě)功能，后一晶體管是存儲(chǔ)單元。 其優(yōu)點(diǎn)是⑴完全與CMOS工藝兼容，單元面積雖比Z-RAM (IT)結(jié)構(gòu)的大，但還是小于傳統(tǒng) ITlC的存儲(chǔ)單元。(2)操作電壓完全與CMOS邏輯電路的電壓相兼容，與Z-RAM單晶體管不同的是(操作電壓至少3種)，TTRAM只需VDD、VDD/2和0三種電壓，降低了對(duì)外圍電路的要求。(3) TTRAM存儲(chǔ)單元區(qū)分“0”和“1”態(tài)的保持時(shí)間(retention time)要長(zhǎng)于Z-RAM 單元。其中，保持時(shí)間是DRAM存儲(chǔ)單元一個(gè)重要的指標(biāo)。保持時(shí)間就是能區(qū)分“0”和寫(xiě) “1”狀態(tài)最長(zhǎng)的時(shí)間，也可以認(rèn)為是存儲(chǔ)單元最長(zhǎng)的刷新時(shí)間。由于在保持態(tài)位線的偏置有所不同，會(huì)對(duì)“0”和“1”的保持時(shí)間造成嚴(yán)重影響。例如“0”已經(jīng)寫(xiě)入浮體效應(yīng)單元，然后進(jìn)入保持狀態(tài)，如若再對(duì)同列存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫(xiě)“ 1”操作，位線勢(shì)必會(huì)偏置到較高的正電壓， 由于同列公用位線，所以處于保持“0”狀態(tài)的存儲(chǔ)單元的位線也為正，這樣會(huì)反偏體區(qū)到漏極的P-N結(jié)，產(chǎn)生反向漏電。此外還會(huì)產(chǎn)生GIDL效應(yīng)，所述的GIDL效應(yīng)是指柵極加負(fù)偏壓，在溝道表面形成積累層，同時(shí)漏極加正電壓，在柵極與漏極的重疊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)耗盡，最終形成反型層，結(jié)果導(dǎo)致band to band tunneling隧穿。這樣，體區(qū)的電子會(huì)隧穿到漏極， 留下空穴在體區(qū)，最終對(duì)保持“0”態(tài)而造成嚴(yán)重影響。換言之，由于GIDL電流的存在，會(huì)使得體區(qū)不斷地充電，從而改變了 “0”狀態(tài)，這就是“0”狀態(tài)處于最壞情況的保持時(shí)間
發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種雙晶體管儲(chǔ)存器，以使其不但具有非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度，而且能有效避免“0”狀態(tài)時(shí)GIDL電流的影響，從而提高 “0”態(tài)保持時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種雙晶體管儲(chǔ)存器，其特征在于，包括=I-MOS管，具有掩埋絕緣層、位于所述掩埋絕緣層上的半導(dǎo)體層、所述半導(dǎo)體層包括第一源區(qū)、第一漏區(qū)以及位于所述第一源區(qū)與第一漏區(qū)之間的本征區(qū)、以及位于所述半導(dǎo)體層上的對(duì)應(yīng)所述第一源區(qū)的第一源極、對(duì)應(yīng)所述第一漏區(qū)的第一漏極、以及位于所述第一源極與第一漏極之間并對(duì)應(yīng)所述本征區(qū)的第一柵絕緣層，所述第一柵絕緣層上表面的一側(cè)堆疊有第一柵極，所述第一柵極連接有字線，所述第一漏極連接有第一位線；以及 MOSFET管，具有襯底、位于所述襯底一側(cè)形成有第二源區(qū)、位于所述襯底的另一側(cè)形成有第二漏區(qū)、位于所述襯底上的對(duì)應(yīng)所述第二源區(qū)的第二源極、對(duì)應(yīng)所述第二漏區(qū)的第二漏極、 以及位于所述第二源極與第二漏極之間的第二柵絕緣層，所述第二柵絕緣層上堆疊有第二柵極，所述第二柵極連接所述第一源極，所述第二漏極連接有第二位線，所述第二源極接地。本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器，其中，所述I-MOS管的本征區(qū)中包括有效溝道區(qū)，所述有效溝道區(qū)的寬度隨所述第一柵極上施加的柵壓大小而變化。所述I-MOS管為P型溝道 I-MOS 管。本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器，其中，所述MOSFET管為增強(qiáng)型MOSFET管，或者為耗盡型 MOSFET 管。如上所述，本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器與傳統(tǒng)TTRAM結(jié)構(gòu)上的不同之處是T1管采用I-MOS結(jié)構(gòu)(Impact-Ionization M0S)，T2管為正常M0SFET。其優(yōu)勢(shì)是不但具有非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度，這對(duì)“0”和“1”態(tài)的寫(xiě)、保持、讀狀態(tài)可實(shí)施快速轉(zhuǎn)換。而且能有效避免“0” 狀態(tài)時(shí)GIDL電流的影響，從而提高“0”態(tài)保持時(shí)間。


圖1顯示為本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器中的I-MOS管結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a顯示為本發(fā)明的I-MOS管關(guān)態(tài)時(shí)的能帶示意圖。圖北顯示為本發(fā)明的I-MOS管開(kāi)態(tài)時(shí)的能帶示意圖。圖4顯示為雪崩倍增機(jī)制中的P-N結(jié)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭示的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱圖1至圖4，需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。請(qǐng)參閱圖1，圖1顯示為本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器組成結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，本發(fā)明提供一種雙晶體管儲(chǔ)存器1，包括I-MOS管11與MOSFET管12，其中，所述I-MOS管11 的柵極連接字線WL，所述I-MOS管11的漏極連接有第一位線BLl，所述MOSFET管12的柵極連接所述I-MOS管11的源極，所述MOSFET管12的漏極連接有第二位線BL2，所述MOSFET 管12的源極接地。于本實(shí)施例中，所述I-MOS管11為P型溝道I-MOS管。然并不局限于此，所述I-MOS管11亦可為N型溝道I-MOS管。所述MOSFET管12為增強(qiáng)型MOSFET管，或者為耗盡型MOSFET管。請(qǐng)參閱圖2，顯示為本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器中的I-MOS管結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，所述I-MOS管11具有掩埋絕緣層111、位于所述掩埋絕緣層111上的半導(dǎo)體層(未標(biāo)示)、所述半導(dǎo)體層包括第一源區(qū)112、第一漏區(qū)113以及位于所述第一源區(qū)112與第一漏區(qū)113之間的本征區(qū)114、以及位于所述半導(dǎo)體層上的對(duì)應(yīng)所述第一源區(qū)112的第一源極 115、對(duì)應(yīng)所述第一漏區(qū)113的第一漏極116、以及位于所述第一源極115與第一漏極116之間并對(duì)應(yīng)所述本征區(qū)114的第一柵絕緣層117，所述第一柵絕緣層117上表面的一側(cè)堆疊有第一柵極118，具體地，所述第一柵極118鋪設(shè)的面積小于所述第一柵絕緣層117的面積， 以使所述第一柵極118與下方的溝道部分重疊，換言之，在所述第一柵絕緣層117上預(yù)留出 Overlap。其中，所述I-MOS管11的本征區(qū)114中包括有效溝道區(qū)，所述有效溝道區(qū)的寬度隨所述第一柵極118上施加的柵壓大小而變化。所述I-MOS管11是通過(guò)利用對(duì)有效溝道長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制本征區(qū)114的橫向電場(chǎng)來(lái)控制開(kāi)、關(guān)態(tài)的一種柵控二極管。采用P-I-N結(jié)是為了得到較低的雪崩擊穿場(chǎng)強(qiáng)，這是由于P-N結(jié)的耗盡寬度很窄，擊穿時(shí)所需的電場(chǎng)較大。此外，當(dāng)電子從電場(chǎng)中獲得足夠的動(dòng)能碰撞本征區(qū)114的原子時(shí)，本征區(qū)114可以得到更多的電子-空穴對(duì)。所述I-MOS管 11的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，即第一柵極118并未全部與溝道重疊，可以有效避免在保持“0”態(tài)時(shí)GIDL 電流的影響。所述MOSFET管12具有襯底121、位于所述襯底121 —側(cè)形成有第二源區(qū)122、位于所述襯底121的另一側(cè)形成有第二漏區(qū)123、位于所述襯底121上的對(duì)應(yīng)所述第二源區(qū) 122的第二源極124、對(duì)應(yīng)所述第二漏區(qū)123的第二漏極125、以及位于所述第二源極IM與第二漏極125之間的第二柵絕緣層126，所述第二柵絕緣層1 上堆疊有第二柵極127。
尤其需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器1中，所述第一柵極118連接有字線WL，所述第一漏極116連接有第一位線BLl，所述第二柵極127連接所述第一源極115，所述第二漏極125連接有第二位線BL2，所述第二源極IM接地。為進(jìn)一步闡明本發(fā)明的原理及功效，請(qǐng)參閱圖3a至圖4，首先請(qǐng)參閱圖3a，顯示為 I-MOS管關(guān)態(tài)時(shí)的能帶示意圖。如圖所示，所述I-MOS管11在關(guān)態(tài)下，第一柵極118加較小的正偏置，此時(shí)既不能形成反型又不能積累，有效溝道長(zhǎng)度為整個(gè)本征區(qū)114。此時(shí)，橫向電場(chǎng)不足以達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)，源端的電子無(wú)法獲得足夠能量發(fā)生電離碰撞。再請(qǐng)參閱圖北，顯示為I-MOS管開(kāi)態(tài)時(shí)的能帶示意圖。如圖所示，所述I-MOS管 11在開(kāi)態(tài)下，第一柵極118加較大的負(fù)偏置，所述第一柵極118下方的溝道出現(xiàn)積累P-區(qū) (如圖1所示的Lgate)，從而縮短了器件的有效溝道長(zhǎng)度。這時(shí)隨著Vds增加，一部分增量壓降會(huì)落在LI區(qū)域(如圖1所示)上，即加在所述本征區(qū)114上的橫向電場(chǎng)增大，同時(shí)橫
5向電場(chǎng)會(huì)隨著柵壓的增加而增大。這時(shí)第一源極115的電子可以獲得足夠的動(dòng)能，以至于當(dāng)和本征區(qū)114原子產(chǎn)生撞擊時(shí)，可以破壞鍵而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這些過(guò)程生生不息，連續(xù)不斷產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。由于這種倍增效應(yīng)，使得勢(shì)壘I區(qū)單位內(nèi)產(chǎn)生大量載流子， 迅速增大反向電流，從而發(fā)生P-N結(jié)擊穿。請(qǐng)參閱圖4，顯示為雪崩倍增機(jī)制中的P-N結(jié)示意圖。所述I-MOS管11在較大的反向偏壓下，勢(shì)壘本征區(qū)114中的電場(chǎng)很強(qiáng)，在本征區(qū)114內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作用，具有很大的動(dòng)能，它們與本征區(qū)114內(nèi)的品格原子發(fā)生碰撞時(shí)，可以把價(jià)鍵上的電子碰撞出來(lái)，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。P-I-N結(jié)勢(shì)壘中電子e碰撞出來(lái)一個(gè)電子e和一個(gè)空穴h，這三個(gè)載流子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，向相反的方向運(yùn)動(dòng)，還會(huì)繼續(xù)發(fā)生碰撞，這就是雪崩擊穿的機(jī)理。雪崩擊穿除了與勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)外，還和勢(shì)壘區(qū)寬度有關(guān)，因?yàn)檩d流子動(dòng)能的增加，還需要有一個(gè)加速過(guò)程，如若勢(shì)壘區(qū)很薄，即使電場(chǎng)很強(qiáng)也不能發(fā)生雪崩擊穿，這也是我們采用較寬本征區(qū)114的原因之一。由上可知，本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器1的工作原理為(a)寫(xiě)“1”狀態(tài)，所述第一柵極118加負(fù)偏置，在第一柵極118與溝道的重疊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)積累P區(qū)，有效溝道長(zhǎng)度縮短為L(zhǎng)i。此時(shí)將第一漏極116偏置到正，加到LI區(qū)域上的橫向電場(chǎng)足夠大以致發(fā)生雪崩擊穿，產(chǎn)生的電子經(jīng)漏極流出，體區(qū)空穴通過(guò)所述I-MOS 管11第一源極115排出，所述MOSFET管12的第二柵極127電位被所述I-MOS管11的空穴抬高，此時(shí)所述MOSFET管12將開(kāi)啟，通過(guò)測(cè)量寫(xiě)“1”，“0”時(shí)兩串聯(lián)晶體管的電流值即可分辨不同狀態(tài)。(b)當(dāng)寫(xiě)“1”完成，進(jìn)入保持態(tài)。此時(shí)只需將第一位線BLl零偏置，空穴被抽到所述1-M0S管11溝道下方的P區(qū)儲(chǔ)存。(c)讀“1”時(shí)，將字線WL加正電位，空穴又被排向所述MOSFET管12的第二柵極 127，此時(shí)所述MOSFET管12被開(kāi)啟，由第二位線BL2即可讀取電流值。(d)寫(xiě)“0”狀態(tài)，所述第一柵極118仍加負(fù)偏置，在第一柵極118與溝道的重疊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)積累P區(qū)，此時(shí)將第一漏極116偏置到負(fù)，空穴隨之由所述I-MOS管11的第一漏極116排出。(e)當(dāng)寫(xiě)“0”完成，進(jìn)入保持態(tài)。此時(shí)只需將第一位線BLl偏置到零，這時(shí)所述 I-MOS管11中已無(wú)多余空穴。(d)讀“0”時(shí)，將字線WL加正電位，此時(shí)所述MOSFET管12仍然截止，由第二位線 BL2讀取的電流值為零。通過(guò)區(qū)分“1” “0”狀態(tài)下所述第二位線BL2的電流值，即可完成存儲(chǔ)。綜上所述，本發(fā)明的雙晶體管儲(chǔ)存器與傳統(tǒng)TTRAM結(jié)構(gòu)上的不同之處是T1管采用I-MOS結(jié)構(gòu)(Impact-Ionization M0S)，T2管為正常M0SFET。其優(yōu)勢(shì)是不但具有非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度，這對(duì)“0”和“1”態(tài)的寫(xiě)、保持、讀狀態(tài)可實(shí)施快速轉(zhuǎn)換。而且能有效避免“0” 狀態(tài)時(shí)GIDL電流的影響，從而提高“0”態(tài)保持時(shí)間。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種雙晶體管儲(chǔ)存器，其特征在于，包括I-MOS管，具有掩埋絕緣層、位于所述掩埋絕緣層上的半導(dǎo)體層、所述半導(dǎo)體層包括第一源區(qū)、第一漏區(qū)以及位于所述第一源區(qū)與第一漏區(qū)之間的本征區(qū)、以及位于所述半導(dǎo)體層上的對(duì)應(yīng)所述第一源區(qū)的第一源極、對(duì)應(yīng)所述第一漏區(qū)的第一漏極、以及位于所述第一源極與第一漏極之間并對(duì)應(yīng)所述本征區(qū)的第一柵絕緣層，所述第一柵絕緣層上表面的一側(cè)堆疊有第一柵極，所述第一柵極連接有字線，所述第一漏極連接有第一位線；以及MOSFET管，具有襯底、位于所述襯底一側(cè)形成有第二源區(qū)、位于所述襯底的另一側(cè)形成有第二漏區(qū)、位于所述襯底上的對(duì)應(yīng)所述第二源區(qū)的第二源極、對(duì)應(yīng)所述第二漏區(qū)的第二漏極、以及位于所述第二源極與第二漏極之間的第二柵絕緣層，所述第二柵絕緣層上堆疊有第二柵極，所述第二柵極連接所述第一源極，所述第二漏極連接有第二位線，所述第二源極接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管儲(chǔ)存器，其特征在于所述I-MOS管的本征區(qū)中包括有效溝道區(qū)，所述有效溝道區(qū)的寬度隨所述第一柵極上施加的柵壓大小而變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙晶體管儲(chǔ)存器，其特征在于所述I-MOS管為P型溝道 I-MOS 管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管儲(chǔ)存器，其特征在于所述MOSFET管為增強(qiáng)型 MOSFET 管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙晶體管儲(chǔ)存器，其特征在于所述MOSFET管為耗盡型 MOSFET 管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙晶體管儲(chǔ)存器，包括I-MOS管與MOSFET管，所述I-MOS管的柵極連接有字線，所述I-MOS管的漏極連接有第一位線，所述MOSFET管的柵極連接所述I-MOS管的源極，所述MOSFET管的漏極連接有第二位線，所述MOSFET管的源極接地。本發(fā)明中由I-MOS管與MOSFET管組成的雙晶體管儲(chǔ)存器不但具有非?？斓拈_(kāi)關(guān)速度，而且能有效避免“0”狀態(tài)時(shí)GIDL電流的影響，從而提高“0”態(tài)保持時(shí)間。
文檔編號(hào)G11C11/40GK102360564SQ20111028575
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者伍青青, 余濤, 柴展, 羅杰馨, 陳靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所