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JP3880492B2 - Semiconductor memory device - Google Patents

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JP3880492B2
JP3880492B2 JP2002271287A JP2002271287A JP3880492B2 JP 3880492 B2 JP3880492 B2 JP 3880492B2 JP 2002271287 A JP2002271287 A JP 2002271287A JP 2002271287 A JP2002271287 A JP 2002271287A JP 3880492 B2 JP3880492 B2 JP 3880492B2
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JP
Japan
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transistor
gate
gate electrode
diffusion layer
capacitor
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JP2002271287A
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Inventor
靜憲 大湯
淳史 荻島
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Micron Memory Japan Ltd
Original Assignee
Elpida Memory Inc
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Filing date
Publication date
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  • Dram (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、DRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)におけるセルトランジスタのワード線構造及びその動作に関するものであり、特に、微細化回路構造の妨害効果として発生するディスターブ不良、及びリフロー後に隣接ワード線電位に依存して情報保持時間が変動するという隣接ワード電位モードのリフロー劣化を防止できる半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の半導体記憶装置としてのDRAMにおける典型的なメモリセルでは、電荷蓄積用のキャパシタと電荷入出力用のMOSFET(金属酸化物半導体・電界効果トランジスタ)との2素子により構成される。
【0003】
例えば、図10のレイアウト図に示されるように、一つの活性領域101上に二本のワード線(WL)102が配置される構造である(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
図11に示されるように、この構造における一つのセルトランジスタは、一本のワード線(WL)をゲート(G)に、このワード線(WL)に直交する一本のビット線(BL)をソース(S)に、またキャパシタ(C)をドレイン(D)に、それぞれ接続するMOSFETである。
【0005】
一方、DRAMのメモリセルの高集積化に伴って情報電荷量が激減し、メモリセルのデータ破壊が発生している。このための不良発生を抑制するために、平行平板キャパシタに強誘電率材料を導入したFRAM(強誘電体RAM)が導入されている。このFRAMで、強誘電体分極の双安定状態を用いて、双安定分極状態を記憶論理に用いるスイッチ動作では、分極量の低下による疲労劣化、分極癖によるインプリント劣化という信頼性に問題がある。
【0006】
このような問題を解決するため、図12に示されるようにCMOSトランジスタを第2のトランジスタに形成し、ワード線WL1と直交する第2のワード線WL2を備えるFRAMも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2002−9261号公報(図2)
【0008】
【特許文献2】
特開2002−94024号公報(図7)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体記憶装置では、上述するDRAMのセル構造が、図10に示されるような最小加工寸法部分のハーフピッチが寸法Fである場合、現状では、メモリセルのワード線102の幅Fwは上記寸法Fまたはそれ以下である。このような構造で微細化を進めてワード線の幅を狭くしていく場合、次のような問題点がある。
【0010】
まず、第一の問題点は情報保持時間が短くなることである。
【0011】
その理由は、以下の通りである。セルの微細化を進めてワード線の幅を狭くしていくと、セルトランジスタのしきい値電圧Vthの低下が顕著となる。これを防止するためには、基板濃度を高くする必要があるが、それによって接合電界が大きくなる。このように接合電界が大きくなると、接合電界起因の接合リーク電流が増加する。従って、図13に示されるように、ワード線の幅を狭くしていくと情報保持時間が短くなるからである。
【0012】
第二の問題点は、セルへの妨害(ディスターブ)不良が増加することである。そして、これを回避するために基板濃度を高くすると書込み不良が発生し、ディスターブ不良と書込み不良とを同時に対策することが困難となり、結果的に素子性能を達成できなくなることである。
【0013】
その理由は、以下の通りである。セルの微細化を進めていくと、ワード線の加工寸法のバラツキがしきい値電圧Vthのバラツキの主要因となるため、ディスターブ不良が増加する。これを回避するために基板濃度を高くする必要がでてくるが、基板濃度を高くするとしきい値電圧Vthのバラツキがさらに増加する。また、基板濃度を高くすると、高しきい値電圧Vth側へのバラツキが大きくなるため、書込み不足のビットが増加して書込み不良を発生させる。すなわち、ディスターブ不良と書込み不良とを同時に対策することが困難となるからである。
【0014】
第三の問題点は、リフロー劣化が増加することである。IR(赤外線)リフロー時の熱応力によって、リフロー後に接合リークが増加し情報保持時間を短くするような現象をリフロー劣化と呼んでいる。
【0015】
その理由は、以下の通りである。セルの微細化を進めていくと、平行に走る隣接ワード線が拡散領域に近づいてくるため、隣接ワード線側の接合電界が大きくなる。この状態で、隣接ワード線側に欠陥があると、STI(浅溝素子分離)構造からの応力とパッケージからの応力とによって、接合リーク電流が増加する。このパッケージからの応力は、IRリフロー時の熱応力によって増加するため、リフロー後に接合リークが増加して情報保持時間を短くする。このようなリフロー劣化は、隣接ワード線の電位を高くして回避できるので、隣接ワード電位モードのリフロー劣化と呼ばれる。上述するように、隣接ワード線側の接合リーク電流が増えることにより、隣接ワード電位モードのリフロー劣化が増えるからである。
【0016】
本発明の課題は、このような問題点を解決し、微細化回路構造の妨害効果として発生するディスターブ不良、及びリフロー後に隣接ワード線電位に依存して情報保持時間が変動するという隣接ワード電位モードのリフロー劣化を防止できる半導体記憶装置を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体記憶装置は、DRAMにあって一つのビット線に接続される一つのメモリセルが一つのキャパシタとトランジスタとして二つのMOSFETとを有している。この二つのトランジスタは、前記ビット線と直交するそれぞれが別々のゲート電極からなる二つのワード線を有し、前記ビット線に接続される拡散層とそれぞれの前記ゲート電極に挟まれ両者に共通の拡散層と前記キャパシタに接続される拡散層とのそれぞれをソース・ドレイン領域に形成して直列接続する構造を有している。
【0018】
具体的には、この半導体記憶装置は、一つのビット線に接続する一つのメモリセルが、第一のゲート電極からなる第一のワード線と第二のゲート電極からなる第二のワード線とを前記ビット線に直交して有しており、一つのキャパシタとMOSFETに形成された次のような二つのトランジスタとを有している。
【0019】
第一のトランジスタは、前記第一のゲート電極により形成され、ビット線に接続される拡散層及び当該第一のゲート電極と前記第二のゲート電極とに挟まれる拡散層それぞれをソース・ドレイン領域としている。第二のトランジスタは、第二のゲート電極により形成され、当該第二のゲート電極と前記第一のゲート電極とに挟まれる拡散層及びキャパシタに接続された拡散層それぞれをソース・ドレイン領域としている。
【0020】
このように、二つのトランジスタは、二つのゲート電極に挟まれた拡散層を共通のソース・ドレインとする直列接続された構造が形成されている。
【0021】
更に、書込み・読み出しの際には、二つのゲートに「オン」電圧(Vpp)を印加して二つのトランジスタを「オン」にする。情報保持の際には、第一のゲートには「オフ」電圧(0V)を印加して、第二のゲートには「オン」電圧と「オフ」電圧との中間電圧(例えばVpp/2)を印加する。
【0022】
その結果、情報保持の際のチャネルリークが従来の1本によるゲート電極の場合より極端に減少するため、ディスターブ不良に至る確率は極端に小さくなる。また、第二のゲート電極を有するトランジスタは空乏状態であり、第二のゲート電極端におけるキャパシタ側接合の電界を小さくすることができる。これによって、電界に加速された接合リークによる情報保持特性の劣化が軽減される。したがって、リフロー後に隣接ワード線が「ゼロ」Vの際に問題となる情報保持特性の劣化、すなわちリフロー劣化は、隣接ワード線側では第二のゲート電極が最近接ワード線となるので問題にならなくなる。このように、隣接ワード線電位に依存するリフロー劣化は回避される。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0024】
図1は本発明によるメモリセル部分の平面レイアウトにおける実施の一形態を示す図である。
【0025】
図1に示された半導体記憶装置では、一つの活性領域1上に活性領域1の長さ方向に直交するワード線2が四本配置されている。従って、一つのビットに対応する領域8での一つのメモリセルは二本のワード線2を有した構造である。すなわち、活性領域1上で寸法がほぼ同じ第1ゲート3と第2ゲート4とを有するセルトランジスタが形成されている。第1ゲート3を有する第1トランジスタは、ビット線側接合部の拡散層5と第2ゲート側接合部の拡散層6とをソース・ドレイン領域とするものであり、第2ゲート4を有する第2トランジスタは、キャパシタ側接合部の拡散層7と第1ゲート側接合部の拡散層6とをソース・ドレイン領域とするものである。すなわち、第1ゲート3と第2ゲート4との間には、第1ゲート3及び第2ゲート4に共通のソース・ドレイン用の拡散層6があり、この拡散層6を共通ソース・ドレイン領域とした第1トランジスタ及び第2トランジスタが直列に接続された構造に形成されている(図8を参照)。
【0026】
ここで、最小加工線幅Fを0.15μmとして、第1ゲート3及び第2ゲート4それぞれの幅Fc、第1ゲート3と第2ゲート4との間隔、第1ゲート3とこれに隣接する第1ゲート3との間隔、第2ゲート4とこれに隣接する第2ゲート4の間隔、並びに活性領域1の幅Fa、それぞれを「F」の0.15μmとし、活性領域1の長さを「F」の9倍としたメモリセルを形成した。
【0027】
図2は、図1に示された破線で囲まれた一ビット対応領域8におけるA−A断面図である。一ビット対応領域8は1ビットの大きさを示すものであり、図2を参照してこの断面構造について説明する。
【0028】
p型ウエル層10には、シリコン酸化膜が埋め込まれた深さ250nmの浅溝素子分離層11が形成されている。また、p型ウエル層10が形成された基板表面側には、基板濃度の異なるしきい値電圧制御層12,13が形成されている。なお、一方の基板濃度が低いしきい値電圧制御層12は、第2ゲート4が形成される部分に形成される。他方の基板濃度が高いしきい値電圧制御層13は、第1ゲート3が形成される部分に形成される。ゲート酸化膜14は、第1ゲート3及び第2ゲート4の部分で同じである。
【0029】
第1ゲート3をゲート電極としてビット線側部分18の拡散層5及び拡散層6をソース・ドレインとした第1トランジスタと、第2ゲート4をゲート電極としてキャパシタ側部19の拡散層7及び拡散層6をソース・ドレインとした第2トランジスタとの二つのMOSFETで一つのセルが構成されている。なお、拡散層5,7それぞれでは、これより深い部分に深い拡散層20,21が形成された構造としてもよい。
【0030】
次に、図2に示された構造を達成するための工程フローを図3乃至図7を用いて説明する。なお、図面は模式図であり、説明される寸法の縮尺とは一致していない。また、周辺回路部分については、本発明の説明には不要なので割愛する。
【0031】
まず、図3に示されように、基板には、レトログレード型のホウ素濃度分布を持つp型ウエル層10と共に、素子分離幅が0.15μmで深さ0.25μmの浅溝素子分離層11が形成される。具体的なホウ素濃度分布は、基板表面から深さ250nm程度の深さまで1×1017cm−3程度であり、それより深い部分から750nm程度の深さまで3×1017cm−3程度となった。
【0032】
次に、図4に示されるように、活性領域の全面にホウ素導入を行ない、深さ50nm程度で6×1017cm−3のピーク濃度となるようなしきい値電圧制御層12が形成される。
【0033】
その後、図5に示されるように、活性領域の中央部にホウ素導入を行ない、深さ30nm程度で1.5×1018cm−3のピーク濃度となるようなしきい値電圧制御層13が形成される。
【0034】
次いで、図6に示すように、膜厚が7nmのゲート酸化膜14が形成され、膜厚が70nmの多結晶シリコンと膜厚が120nmのタングステンシリサイドからなるゲート電極、第1ゲート3及び第2ゲート4が形成される。なお、第1ゲート3及び第2ゲート4の上には、ゲート加工用のシリコン窒化膜15が形成されている。
【0035】
次いで、図7に示されるように、図示が省略されているゲート側面酸化の工程後、ソース・ドレインとなる部分にリン導入を行ない、深さ25nm程度で2×1018cm−3のピーク濃度となるような拡散層5,6,7を形成している。
【0036】
この後、図2に示されるように、第1ゲート3及び第2ゲート4それぞれの側面にサイドウオール16を形成し、層間絶縁膜17の堆積及びコンタクト加工により、拡散層5上にビット線接続用のコンタクト穴18と拡散層7上にキャパシタ接続用のコンタクト穴19とが形成される。このコンタクト穴18,19を形成の後に、コンタクト穴18,19から拡散層5,7より深い部分にリン導入を行なうことにより、深さ50nm程度で1×1018cm−3のピーク濃度となるような拡散層20,21が形成される。
【0037】
その後、通常の方法により、上記コンタクト穴に多結晶シリコンを埋め込みプラグが形成され、ビット線側のプラグにはビット線が接続され、キャパシタ側のプラグにはキャパシタの下地電極が接続される。このキャパシタ下地電極上に容量膜及び上部電極を形成して、キャパシタが形成される。
【0038】
次に、図8及び図9に図2を併せ参照して、上記構造における、書込み及び読み出しの際、並びに情報保持時の際の動作機能について説明する。
【0039】
まず図8に示されるように、一方の第1トランジスタは、第1ゲート3をゲートG1、ビット線(BL)側接合部の拡散層5をソースS1、及び第2ゲート側接合部の拡散層6をドレインD1としている。また他方の第2トランジスタは、第2ゲート4をゲートG2、キャパシタ(C)側接合部の拡散層7をドレインD2、及び第1ゲート側接合部の拡散層6をソースS2としている。すなわち、拡散層6が第1トランジスタ及び第2トランジスタに対して共通のドレインD1・ソースS2用となり、第1トランジスタ及び第2トランジスタは直列に接続されている。従って、ビット線BLはソースS1と接続され、直列の第1トランジスタ及び第2トランジスタを順次介してドレインD2がキャパシタCと接続する。
【0040】
また、ゲートG1,G2は、それぞれがビット線BLと直交するワード線WL1,WL2と接続され、ワード線WL1,WL2によりそれぞれへの印加電圧を独立して制御することができる。
【0041】
図9に示されるように、書込みと読み出しの際には、二つのゲートG1,G2にオン電圧(Vpp)を印加して、第1トランジスタ及び第2トランジスタの両者を「オン」にする。情報保持の際には、ゲートG1にオフ電圧(0V)を印加して、ゲートG2にオン電圧とオフ電圧との中間電圧(例えば、Vpp/2)を印加する。
【0042】
その結果、情報保持の際のチャネルリークが、従来における1本のゲート電極の場合より極端に減少するため、ディスターブ不良に至る確率は極端に小さくなる。また、ゲートG2を有する第2トランジスタは空乏状態であり、ゲートG2端のキャパシタ側接合の電界を小さくすることができる。これによって、電界に加速された接合リークによる情報保持特性の劣化が軽減される。したがって、リフロー後に隣接ワード線が0Vと成った際に問題となる情報保持特性劣化、すなわちリフロー劣化は、隣接ワード線WL1側では中間にゲートG2による最近接ワード線WL2が配列されるので問題にならなくなる。このようにして、隣接ワード線電位に依存するリフロー劣化は回避される。
【0043】
ゲートG1とゲートG2との電位を図9に示すように動作させた。
【0044】
まず、ゲートG1を有する第1トランジスタのしきい値電圧Vthは1Vになり、ゲートG2を有する第2トランジスタのしきい値電圧Vthは0.5Vになった。
【0045】
書込みと読み出しとの際には、二つのゲートG1,G2にオン電圧(Vpp=3.6V)を印加して第1トランジスタ及び第2トランジスタの両者を「オン」にした。また、情報保持の際には、ゲートG1には0Vを印加して第1トランジスタをオフ状態にする一方、ゲートG2には0Vと「Vpp=3.6V」の中間電圧「1.8V」を印加して第2トランジスタを空乏状態からオン状態にした。この際、隣接ワード線WL1側のゲートG2には、オン電圧Vppと上記中間電位がほぼ交互に印加される。
【0046】
書込みと読み出しの際には、二つのゲートにオン電圧(Vpp)を印加して第1トランジスタ及び第2トランジスタの両者を「オン」にする。この場合、ゲートG1を有する第1トランジスタにゲートG2を有する第2トランジスタが直列に配置されるため、オン電流の低下が懸念される。しかし、ゲートG2を有する第2トランジスタはしきい値電圧Vthが低い分、十分なオン電流を得ることができる。このため、ゲートG1を有する第1トランジスタで律速されるオン電流に影響を与えることは殆どない。
【0047】
一方、情報保持の際、ゲートG1には0Vを印加して第1トランジスタをオフ状態にし、また、ゲートG2には0Vとオン電圧Vppの中間電圧を印加した。この場合、ゲートG2を有する第2トランジスタのチャネル電流は、通常のオン電流の「1/10」程度となった。その結果、第1トランジスタ及び第2トランジスタの全チャネル電流はゲートG1を有する第1トランジスタだけの場合におけるチャネル電流の「1/10」程度となった。通常、チャネル電流が「1/10」になるのはしきい値電圧Vthが90mV程度高くなったことに相当する。したがって、しきい値電圧Vthのバラツキσが90mV程度であれば、チャネル電流による情報漏れ、すなわちディスターブ不良を引き起こす確率をσ分だけ低減できる。従来のディスターブ不良になる確率は10−7程度であり、その確率から本実施例ではσ分だけディスターブ不良になる確率を低減できたので10−9程度まで低減できたこととなる。
【0048】
また、情報保持の場合には、キャパシタ側拡散層とp型ウエル層との間における接合電界の影響を受けた接合リーク電流によって情報保持特性が劣化する場合がある。特に、リフローの際の熱ストレスによって接合位置近傍の応力が大きくなると、バンドキャップが狭くなる分、等価的に電界が大きくなる。従って、さらに接合リーク電流が増加して情報保持特性が劣化しやすくなる。この現象をリフロー劣化と呼ぶ。この場合、ゲートG2を有する第2トランジスタの基板濃度は低くなっているため、上記接合電界は非常に小さくなっている。その結果、情報保持特性が向上する。この情報保持特性の向上分により、上記リフロー劣化率が低下する。また、接合電界が小さいとき、応力によるバンドギャップ狭化の影響は小さくなるため、上記リフロー劣化率は低下する。
【0049】
さらに、隣接ワード線側のゲートG2には、オン電圧Vppと上記中間電位がほぼ交互に印加される。さて、上記接合電界は、拡散層が接するゲートの電位の影響を受け易く、ゲートの電位が0Vの場合と、0V及びオン電圧Vppの中間電圧とで比較すると、0Vとオン電圧Vppとの中間電圧の方が小さい。その結果、キャパシタ側拡散層に接するゲートがゲートG2であるため、接合電界が小さい分、リフロー劣化率が低下する。その結果、リフロー後に隣接ワード線が0Vの場合に問題となる情報保持特性の劣化をほぼ回避することができた。本実施例では、摂氏260度のリフローにおいて従来の「1/5」のリフロー劣化率まで低減できた。
【0050】
上記説明では、第2ゲートの幅は、第1ゲートと同じに寸法Fとして説明したが、寸法Fより小さい寸法を用いてもよい。寸法Fより小さくした場合、その分だけ、セルサイズを縮小することができる。
【0051】
また、第2ゲートの電位を上記実施例より低くすると、ディスターブ不良になる確率をさらに小さくできた。しかし、上記接合電界が大きくなるので、リフロー劣化率が上記実施例の場合より増加した。また、第2ゲートの電位を上記実施例より高くすると、ディスターブ不良になる確率が上記実施例の場合より高くなるが、リフロー劣化率は上記実施例より小さくなった。
【0052】
以上のように、情報保持時の第2ゲートにおける電位を選ぶことにより、ディスターブ不良が多い場合とリフロー劣化が多い場合のどちらにも対応することができる。
【0053】
また、上述したように、情報保持特性の維持のため、第1ゲート電極直下のチャネル不純物濃度は第2ゲート電極直下の不純物濃度よりも高くしており、リフロー劣化防止のために第2トランジスタのしきい値電圧は第1トランジスタに印加されるしきい値電圧のほぼ「1/2」に設定している。
【0054】
また、上記説明では、メモリセルのデータ書込み及び読み出しそれぞれの際には第1ゲートの電極及び第2ゲートの電極それぞれに昇圧電圧「Vpp」を印加し、情報保持の際に、第1ゲートの電極に電圧「ゼロ」を印加すると共に第2ゲートの電極に電圧「Vpp/2」を印加するとしたが、情報保持の際に、第1ゲートの電極に電圧「ゼロ」を印加すると共に第2ゲートの電極に電圧「ゼロ」から電圧「Vpp」までの中間の電圧を印加することとしてもよい。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、DRAMの微細化で問題となっているディスターブ不良と、リフロー後に隣接ワード線電位に依存して情報保持時間が変動する劣化、すなわち隣接ワード電位モードのリフロー劣化とを対策できると共に、情報保持時間を長くできる。この結果、消費電力の低減に加えて、信頼性の高いメモリセルを得ることができる。
【0056】
その理由は、メモリセルで、一つのトランジスタと一つのキャパシタとの間に更に第二のトランジスタを形成して直列に挿入し、第二のトランジスタにおける第二のゲート電極からなる第二のワード線を、主となる第一のワード線に平行して設ける構造を有しているからである。
【0057】
この構造により、二つのトランジスタにおけるゲート電極直下のチャネル不純物濃度、二つのトランジスタのしきい値電圧、または二つのトランジスタにおけるゲート電極への印加電圧を、最適効果が得られるように変化させることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるメモリセルにおけるレイアウトの実施の一形態を示す図である。
【図2】図1のメモリセルにおけるA−A断面の実施の一形態を示す図である。
【図3】図2の構造を得るため、初期工程結果の実施の一形態を示す図である。
【図4】図2の構造を得るため、図3に続く工程結果の実施の一形態を示す図である。
【図5】図2の構造を得るため、図4に続く工程結果の実施の一形態を示す図である。
【図6】図2の構造を得るため、図5に続く工程結果の実施の一形態を示す図である。
【図7】図2の構造を得るため、図6に続き図2へ進む過程における工程結果の実施の一形態を示す図である。
【図8】図1のメモリセルにおける等価回路の実施の一形態を示す図である。
【図9】図8のメモリセル回路における動作の際のゲートにおける印加電圧適用に対する実施の一形態を示す図である。
【図10】従来のメモリセルにおけるレイアウトの一例を示す図である。
【図11】図10のメモリセルにおける等価回路の一例を示す図である。
【図12】図10とは別の従来のメモリセルにおけるレイアウトの一例を示す図である。
【図13】従来のワード線幅と情報保持特性との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 活性領域
2 ワード線
3 第1ゲート
4 第2ゲート
5、6、7、20,21 拡散層
8 一ビット対応領域
10 p型ウエル層
11 浅溝素子分離層
12、13 しきい値電圧制御層
14 ゲート酸化膜
15 シリコン窒化膜
16 サイドウオール
17 層間絶縁膜
18、19 コンタクト穴
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a word line structure of a cell transistor in a DRAM (Dynamic Random Access Memory) and its operation, and in particular, a disturb failure occurring as a disturbing effect of a miniaturized circuit structure, and an adjacent word line after reflow. The present invention relates to a semiconductor memory device capable of preventing reflow deterioration in an adjacent word potential mode in which an information holding time varies depending on a potential.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a typical memory cell in a DRAM as this type of semiconductor memory device is composed of two elements, a charge storage capacitor and a charge input / output MOSFET (metal oxide semiconductor / field effect transistor).
[0003]
For example, as shown in the layout diagram of FIG. 10, there is a structure in which two word lines (WL) 102 are arranged on one active region 101 (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
As shown in FIG. 11, one cell transistor in this structure has one word line (WL) as a gate (G) and one bit line (BL) orthogonal to the word line (WL). The MOSFET connects the source (S) and the capacitor (C) to the drain (D).
[0005]
On the other hand, along with the high integration of DRAM memory cells, the amount of information charges is drastically reduced, and data destruction of the memory cells occurs. In order to suppress the occurrence of defects due to this, FRAM (ferroelectric RAM) in which a ferroelectric material is introduced into a parallel plate capacitor is introduced. In this FRAM, in the switch operation using the bistable polarization state for the memory logic using the bistable state of the ferroelectric polarization, there is a problem in reliability such as fatigue deterioration due to a decrease in polarization amount and imprint deterioration due to polarization habit. .
[0006]
In order to solve such a problem, there has also been proposed an FRAM in which a CMOS transistor is formed as a second transistor as shown in FIG. 12 and a second word line WL2 orthogonal to the word line WL1 is provided (for example, Patent Document 2).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-9261 (FIG. 2)
[0008]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laying-Open No. 2002-94024 (FIG. 7)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described conventional semiconductor memory device, the DRAM cell structure described above has a width Fw of the word line 102 of the memory cell at present when the half pitch of the minimum feature size portion as shown in FIG. Is the above-mentioned dimension F or less. When miniaturization is advanced with such a structure and the width of the word line is reduced, there are the following problems.
[0010]
First, the first problem is that the information holding time is shortened.
[0011]
The reason is as follows. As the cell size is reduced and the width of the word line is reduced, the threshold voltage Vth of the cell transistor is significantly reduced. In order to prevent this, it is necessary to increase the substrate concentration, but this increases the junction electric field. When the junction electric field increases in this way, the junction leakage current due to the junction electric field increases. Therefore, as shown in FIG. 13, as the width of the word line is reduced, the information holding time is shortened.
[0012]
The second problem is an increase in disturbance to cells. If the substrate concentration is increased in order to avoid this, a write failure occurs, and it becomes difficult to take measures against a disturb failure and a write failure at the same time. As a result, the device performance cannot be achieved.
[0013]
The reason is as follows. As cell miniaturization proceeds, variations in word line processing dimensions become a major factor in variations in threshold voltage Vth, which increases disturb failures. In order to avoid this, it is necessary to increase the substrate concentration. However, when the substrate concentration is increased, the variation of the threshold voltage Vth further increases. Further, when the substrate concentration is increased, the variation toward the high threshold voltage Vth side increases, so that the number of insufficiently written bits increases and a write failure occurs. That is, it is difficult to take measures against disturb failure and write failure at the same time.
[0014]
The third problem is that reflow degradation increases. A phenomenon in which junction leakage increases after reflow due to thermal stress during IR (infrared) reflow and shortens the information retention time is called reflow deterioration.
[0015]
The reason is as follows. As cell miniaturization proceeds, adjacent word lines running in parallel approach the diffusion region, and the junction electric field on the adjacent word line side increases. If there is a defect on the adjacent word line side in this state, the junction leakage current increases due to the stress from the STI (shallow trench isolation) structure and the stress from the package. Since the stress from this package increases due to thermal stress during IR reflow, junction leakage increases after reflow and shortens the information retention time. Such reflow deterioration can be avoided by increasing the potential of the adjacent word line, and is called reflow deterioration in the adjacent word potential mode. As described above, the increase in junction leakage current on the adjacent word line side increases the reflow deterioration in the adjacent word potential mode.
[0016]
An object of the present invention is to solve such a problem, a disturb failure that occurs as a disturbing effect of a miniaturized circuit structure, and an adjacent word potential mode in which an information retention time varies depending on the adjacent word line potential after reflow It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device that can prevent reflow degradation.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In a semiconductor memory device according to the present invention, one memory cell connected to one bit line in a DRAM has one capacitor and two MOSFETs as transistors. The two transistors have two word lines each composed of a separate gate electrode orthogonal to the bit line, and are sandwiched between the diffusion layer connected to the bit line and the gate electrode, and are common to both. Each of the diffusion layer and the diffusion layer connected to the capacitor is formed in a source / drain region and connected in series.
[0018]
Specifically, in this semiconductor memory device, one memory cell connected to one bit line includes a first word line composed of a first gate electrode and a second word line composed of a second gate electrode. Is orthogonal to the bit line, and has one capacitor and the following two transistors formed in a MOSFET.
[0019]
The first transistor includes a diffusion layer formed by the first gate electrode and connected to the bit line and a diffusion layer sandwiched between the first gate electrode and the second gate electrode. It is said. The second transistor is formed of a second gate electrode, and the diffusion layer sandwiched between the second gate electrode and the first gate electrode and the diffusion layer connected to the capacitor are used as source / drain regions. .
[0020]
In this way, the two transistors have a series-connected structure in which the diffusion layer sandwiched between the two gate electrodes is the common source / drain.
[0021]
Further, at the time of writing / reading, an “on” voltage (Vpp) is applied to the two gates to turn the two transistors “on”. When holding information, an “off” voltage (0 V) is applied to the first gate, and an intermediate voltage between the “on” voltage and the “off” voltage (for example, Vpp / 2) is applied to the second gate. Apply.
[0022]
As a result, the channel leak at the time of holding information is extremely reduced as compared with the case of the conventional single gate electrode, and therefore the probability of a disturb failure is extremely reduced. In addition, the transistor having the second gate electrode is in a depleted state, and the electric field at the capacitor side junction at the end of the second gate electrode can be reduced. As a result, the deterioration of the information retention characteristics due to the junction leak accelerated by the electric field is reduced. Therefore, the deterioration of the information retention characteristic which is a problem when the adjacent word line is “zero” V after the reflow, that is, the reflow deterioration becomes a problem because the second gate electrode becomes the nearest word line on the adjacent word line side. Disappear. In this way, reflow deterioration depending on the adjacent word line potential is avoided.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0024]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a planar layout of a memory cell portion according to the present invention.
[0025]
In the semiconductor memory device shown in FIG. 1, four word lines 2 orthogonal to the length direction of the active region 1 are arranged on one active region 1. Accordingly, one memory cell in the region 8 corresponding to one bit has a structure having two word lines 2. That is, a cell transistor having a first gate 3 and a second gate 4 having substantially the same dimensions on the active region 1 is formed. The first transistor having the first gate 3 uses the diffusion layer 5 at the bit line side junction and the diffusion layer 6 at the second gate side junction as source / drain regions, and has a second gate 4. The two-transistor uses the diffusion layer 7 at the capacitor side junction and the diffusion layer 6 at the first gate side junction as the source / drain regions. That is, between the first gate 3 and the second gate 4, there is a source / drain diffusion layer 6 common to the first gate 3 and the second gate 4, and this diffusion layer 6 is used as a common source / drain region. The first transistor and the second transistor are connected in series (see FIG. 8).
[0026]
Here, the minimum processing line width F is set to 0.15 μm, the width Fc of each of the first gate 3 and the second gate 4, the distance between the first gate 3 and the second gate 4, and the first gate 3 is adjacent to this. The distance between the first gate 3, the distance between the second gate 4 and the adjacent second gate 4, and the width Fa of the active region 1 are 0.15 μm of “F”, and the length of the active region 1 is A memory cell having a size 9 times that of “F” was formed.
[0027]
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in the one-bit corresponding region 8 surrounded by a broken line shown in FIG. The 1-bit corresponding area 8 indicates the size of 1 bit, and this cross-sectional structure will be described with reference to FIG.
[0028]
In the p-type well layer 10, a shallow trench isolation layer 11 having a depth of 250 nm in which a silicon oxide film is embedded is formed. Further, threshold voltage control layers 12 and 13 having different substrate concentrations are formed on the substrate surface side where the p-type well layer 10 is formed. One threshold voltage control layer 12 having a low substrate concentration is formed in a portion where the second gate 4 is formed. The other threshold voltage control layer 13 having a high substrate concentration is formed in a portion where the first gate 3 is formed. The gate oxide film 14 is the same for the first gate 3 and the second gate 4.
[0029]
A first transistor using the first gate 3 as a gate electrode and the diffusion layer 5 and diffusion layer 6 of the bit line side portion 18 as a source / drain, and a diffusion layer 7 and diffusion of a capacitor side portion 19 using the second gate 4 as a gate electrode One MOSFET is constituted by two MOSFETs with the second transistor using the layer 6 as a source / drain. Each of the diffusion layers 5 and 7 may have a structure in which deep diffusion layers 20 and 21 are formed in deeper portions.
[0030]
Next, a process flow for achieving the structure shown in FIG. 2 will be described with reference to FIGS. In addition, drawing is a schematic diagram and does not correspond with the reduced scale of the dimension demonstrated. Also, the peripheral circuit portion is omitted because it is not necessary for the description of the present invention.
[0031]
First, as shown in FIG. 3, the substrate includes a p-type well layer 10 having a retrograde boron concentration distribution, and a shallow groove element isolation layer 11 having an element isolation width of 0.15 μm and a depth of 0.25 μm. Is formed. Specific boron concentration distribution is about 1 × 10 17 cm -3 to a depth of approximately the depth 250nm from the surface of the substrate consisted deeper than partial and 3 × 10 17 cm -3 approximately to a depth of about 750nm .
[0032]
Next, as shown in FIG. 4, boron is introduced into the entire active region, and the threshold voltage control layer 12 is formed so as to have a peak concentration of 6 × 10 17 cm −3 at a depth of about 50 nm. .
[0033]
Thereafter, as shown in FIG. 5, boron is introduced into the central portion of the active region, and the threshold voltage control layer 13 is formed so as to have a peak concentration of 1.5 × 10 18 cm −3 at a depth of about 30 nm. Is done.
[0034]
Next, as shown in FIG. 6, a gate oxide film 14 having a thickness of 7 nm is formed, a gate electrode made of polycrystalline silicon having a thickness of 70 nm and tungsten silicide having a thickness of 120 nm, the first gate 3 and the second gate. A gate 4 is formed. A silicon nitride film 15 for gate processing is formed on the first gate 3 and the second gate 4.
[0035]
Next, as shown in FIG. 7, after the gate side surface oxidation process (not shown), phosphorus is introduced into the source / drain portions, and the peak concentration is about 2 × 10 18 cm −3 at a depth of about 25 nm. Diffusion layers 5, 6, and 7 are formed so that
[0036]
Thereafter, as shown in FIG. 2, sidewalls 16 are formed on the side surfaces of the first gate 3 and the second gate 4, and bit line connection is performed on the diffusion layer 5 by depositing an interlayer insulating film 17 and contact processing. A contact hole 18 for connecting a capacitor and a contact hole 19 for connecting a capacitor are formed on the diffusion layer 7. After the contact holes 18 and 19 are formed, phosphorous is introduced from the contact holes 18 and 19 to a portion deeper than the diffusion layers 5 and 7, thereby achieving a peak concentration of 1 × 10 18 cm −3 at a depth of about 50 nm. Such diffusion layers 20 and 21 are formed.
[0037]
Thereafter, a polysilicon plug is formed in the contact hole by a normal method, the bit line is connected to the bit line side plug, and the capacitor base electrode is connected to the capacitor side plug. A capacitor film is formed on the capacitor base electrode to form a capacitor.
[0038]
Next, with reference to FIGS. 8 and 9 together with FIG. 2, operation functions in writing and reading and holding information in the above structure will be described.
[0039]
First, as shown in FIG. 8, one first transistor has a first gate 3 as a gate G1, a bit line (BL) side junction diffusion layer 5 as a source S1, and a second gate side junction diffusion layer. 6 is the drain D1. In the other second transistor, the second gate 4 is the gate G2, the capacitor (C) side junction diffusion layer 7 is the drain D2, and the first gate side junction diffusion layer 6 is the source S2. That is, the diffusion layer 6 is used for the common drain D1 and source S2 for the first transistor and the second transistor, and the first transistor and the second transistor are connected in series. Accordingly, the bit line BL is connected to the source S1, and the drain D2 is connected to the capacitor C through the first and second transistors in series.
[0040]
The gates G1 and G2 are connected to the word lines WL1 and WL2 that are orthogonal to the bit line BL, respectively, and the voltage applied to each of the gates G1 and WL2 can be independently controlled.
[0041]
As shown in FIG. 9, in writing and reading, an on voltage (Vpp) is applied to the two gates G1 and G2 to turn on both the first transistor and the second transistor. When holding information, an off voltage (0 V) is applied to the gate G1, and an intermediate voltage (for example, Vpp / 2) between the on voltage and the off voltage is applied to the gate G2.
[0042]
As a result, the channel leak at the time of information retention is extremely reduced as compared with the conventional case of one gate electrode, and therefore the probability of a disturb failure is extremely reduced. The second transistor having the gate G2 is in a depleted state, and the electric field at the capacitor side junction at the end of the gate G2 can be reduced. As a result, the deterioration of the information retention characteristics due to the junction leak accelerated by the electric field is reduced. Therefore, the deterioration of the information retention characteristic that becomes a problem when the adjacent word line becomes 0 V after reflow, that is, the reflow deterioration is a problem because the closest word line WL2 by the gate G2 is arranged in the middle on the adjacent word line WL1 side. No longer. In this way, reflow degradation depending on the adjacent word line potential is avoided.
[0043]
The potentials of the gate G1 and the gate G2 were operated as shown in FIG.
[0044]
First, the threshold voltage Vth of the first transistor having the gate G1 was 1V, and the threshold voltage Vth of the second transistor having the gate G2 was 0.5V.
[0045]
At the time of writing and reading, an ON voltage (Vpp = 3.6 V) was applied to the two gates G1 and G2 to turn on both the first transistor and the second transistor. When holding information, 0V is applied to the gate G1 to turn off the first transistor, while the gate G2 is set to 0V and an intermediate voltage “1.8V” of “Vpp = 3.6V”. The second transistor was turned on from the depletion state by applying. At this time, the ON voltage Vpp and the intermediate potential are applied almost alternately to the gate G2 on the adjacent word line WL1 side.
[0046]
At the time of writing and reading, an on voltage (Vpp) is applied to the two gates to turn on both the first transistor and the second transistor. In this case, since the second transistor having the gate G2 is arranged in series with the first transistor having the gate G1, there is a concern about a decrease in on-current. However, the second transistor having the gate G2 can obtain a sufficient on-current because the threshold voltage Vth is low. For this reason, there is almost no influence on the on-current limited by the first transistor having the gate G1.
[0047]
On the other hand, when holding information, 0 V was applied to the gate G1 to turn off the first transistor, and an intermediate voltage between 0 V and the on-voltage Vpp was applied to the gate G2. In this case, the channel current of the second transistor having the gate G2 is about “1/10” of the normal on-current. As a result, the total channel current of the first transistor and the second transistor was about “1/10” of the channel current in the case of only the first transistor having the gate G1. Usually, the channel current being “1/10” corresponds to the threshold voltage Vth being increased by about 90 mV. Therefore, if the variation σ of the threshold voltage Vth is about 90 mV, the probability of causing information leakage due to channel current, that is, disturb failure can be reduced by σ. The probability of a conventional disturb failure is about 10 −7. From this probability, in this embodiment, the probability of a disturb failure can be reduced by σ, so that it can be reduced to about 10 −9 .
[0048]
In the case of information retention, the information retention characteristic may be deteriorated by a junction leakage current affected by the junction electric field between the capacitor side diffusion layer and the p-type well layer. In particular, when the stress in the vicinity of the bonding position increases due to thermal stress during reflow, the electric field is equivalently increased as the band cap becomes narrower. Therefore, the junction leakage current further increases, and the information retention characteristics are likely to deteriorate. This phenomenon is called reflow deterioration. In this case, since the substrate concentration of the second transistor having the gate G2 is low, the junction electric field is very small. As a result, information retention characteristics are improved. The reflow deterioration rate is reduced by the improvement in the information retention characteristic. In addition, when the junction electric field is small, the influence of the narrowing of the band gap due to stress is small, so the reflow deterioration rate is lowered.
[0049]
Further, the ON voltage Vpp and the intermediate potential are applied almost alternately to the gate G2 on the adjacent word line side. The junction electric field is easily affected by the potential of the gate with which the diffusion layer is in contact. Compared with the case where the gate potential is 0 V and the intermediate voltage between 0 V and the on voltage Vpp, the junction electric field is intermediate between 0 V and the on voltage Vpp. The voltage is smaller. As a result, since the gate in contact with the capacitor-side diffusion layer is the gate G2, the reflow deterioration rate is lowered because the junction electric field is small. As a result, it was possible to substantially avoid the deterioration of the information retention characteristic that becomes a problem when the adjacent word line is 0 V after reflow. In this example, the reflow deterioration rate of 260 degrees Celsius could be reduced to the conventional “1/5” reflow deterioration rate.
[0050]
In the above description, the width of the second gate has been described as the dimension F in the same manner as the first gate, but a dimension smaller than the dimension F may be used. When the size is smaller than the dimension F, the cell size can be reduced accordingly.
[0051]
Further, when the potential of the second gate was made lower than that in the above embodiment, the probability of disturb failure could be further reduced. However, since the junction electric field is increased, the reflow deterioration rate is increased compared to the case of the above example. Further, when the potential of the second gate was made higher than that in the above example, the probability of disturb failure was higher than in the above example, but the reflow deterioration rate was smaller than that in the above example.
[0052]
As described above, by selecting the potential at the second gate at the time of holding information, it is possible to cope with both cases where there are many disturbance failures and cases where there is much reflow degradation.
[0053]
Further, as described above, the channel impurity concentration immediately below the first gate electrode is set higher than the impurity concentration immediately below the second gate electrode in order to maintain the information retention characteristic, and the second transistor has a lower impurity concentration to prevent reflow deterioration. The threshold voltage is set to approximately “½” of the threshold voltage applied to the first transistor.
[0054]
In the above description, the boosted voltage “Vpp” is applied to each of the first gate electrode and the second gate electrode at the time of data writing and reading of the memory cell, and at the time of holding information, While the voltage “zero” is applied to the electrode and the voltage “Vpp / 2” is applied to the electrode of the second gate, the voltage “zero” is applied to the first gate electrode and the second An intermediate voltage from “zero” to “Vpp” may be applied to the gate electrode.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the disturb failure which is a problem in the miniaturization of the DRAM and the deterioration in which the information holding time varies depending on the adjacent word line potential after reflow, that is, in the adjacent word potential mode. In addition to measures against reflow deterioration, the information retention time can be increased. As a result, in addition to reducing power consumption, a highly reliable memory cell can be obtained.
[0056]
The reason is that in the memory cell, a second transistor is further formed between one transistor and one capacitor and inserted in series, and the second word line comprising the second gate electrode in the second transistor. This is because a structure is provided in parallel with the main first word line.
[0057]
With this structure, the channel impurity concentration immediately below the gate electrode in the two transistors, the threshold voltage of the two transistors, or the voltage applied to the gate electrode in the two transistors can be changed so as to obtain the optimum effect. Because.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a layout in a memory cell according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of an AA cross section in the memory cell of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of an initial process result for obtaining the structure of FIG. 2;
4 is a diagram illustrating one embodiment of a process result subsequent to FIG. 3 to obtain the structure of FIG. 2;
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of a process result subsequent to FIG. 4 to obtain the structure of FIG. 2;
6 is a diagram illustrating an embodiment of a process result subsequent to FIG. 5 to obtain the structure of FIG.
7 is a diagram showing an embodiment of process results in the process of proceeding to FIG. 2 following FIG. 6 in order to obtain the structure of FIG. 2;
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of an equivalent circuit in the memory cell of FIG. 1;
9 is a diagram showing one embodiment for applying an applied voltage at the gate during operation of the memory cell circuit of FIG. 8;
FIG. 10 is a diagram showing an example of a layout in a conventional memory cell.
11 is a diagram showing an example of an equivalent circuit in the memory cell of FIG. 10;
12 is a diagram showing an example of a layout in a conventional memory cell different from FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a conventional word line width and information retention characteristics.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Active region 2 Word line 3 1st gate 4 2nd gate 5, 6, 7, 20, 21 Diffusion layer 8 1 bit corresponding | compatible region 10 P-type well layer 11 Shallow groove element isolation layers 12, 13 Threshold voltage control layer 14 Gate oxide film 15 Silicon nitride film 16 Side wall 17 Interlayer insulating films 18 and 19 Contact hole

Claims (4)

複数のメモリセルで構成されるDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)にあって、一つのビット線に接続される一つの前記メモリセルが一つのキャパシタ及び二つのトランジスタを有し、当該二つのトランジスタは、それぞれのゲート電極からなる二つのワード線を前記ビット線と直交して有し、前記ビット線に接続される拡散層と、それぞれの前記ゲート電極に挟まれ前記トランジスタに共通となる拡散層と、前記キャパシタに接続する拡散層とのそれぞれを、前記二つのゲート電極それぞれに対するソース・ドレイン領域として有し、直列接続をなす構造であることを特徴とする半導体記憶装置。  In a DRAM (dynamic random access memory) composed of a plurality of memory cells, each of the memory cells connected to one bit line has one capacitor and two transistors, and the two The transistor has two word lines each having a gate electrode orthogonal to the bit line, a diffusion layer connected to the bit line, and a diffusion common to the transistor sandwiched between the gate electrodes. A semiconductor memory device having a structure in which a layer and a diffusion layer connected to the capacitor are provided as source / drain regions for the two gate electrodes, respectively, and are connected in series. DRAMにあって、一つのビット線に接続される一つのメモリセルが、一つのキャパシタ、並びに第一のトランジスタ及び第二のトランジスタを有し、かつ第一のゲート電極からなる第一のワード線と第二のゲート電極からなる第二のワード線とを前記ビット線に直交して有し、
前記第一のトランジスタは、前記第一のゲート電極により形成され、ビット線に接続される拡散層及び当該第一のゲート電極と前記第二のゲート電極とに挟まれる拡散層それぞれをソース・ドレイン領域とし、かつ
前記第二のトランジスタは、第二のゲート電極により形成され、当該第二のゲート電極と前記第一のゲート電極とに挟まれる拡散層及び前記キャパシタに接続された拡散層それぞれをソース・ドレイン領域とする第二のトランジスタとを有する構造であることを特徴とする半導体記憶装置。
A first word line in a DRAM, in which one memory cell connected to one bit line has one capacitor, a first transistor and a second transistor, and includes a first gate electrode And a second word line composed of a second gate electrode perpendicular to the bit line,
The first transistor includes a diffusion layer formed by the first gate electrode and connected to a bit line and a diffusion layer sandwiched between the first gate electrode and the second gate electrode. The second transistor is formed by a second gate electrode, and a diffusion layer sandwiched between the second gate electrode and the first gate electrode and a diffusion layer connected to the capacitor are respectively provided. A semiconductor memory device having a structure including a second transistor serving as a source / drain region.
請求項2において、前記第一のゲート電極直下のチャネル不純物濃度は、前記第二のゲート電極直下の不純物濃度よりも高いことを特徴とする半導体記憶装置。  3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein a channel impurity concentration immediately below the first gate electrode is higher than an impurity concentration immediately below the second gate electrode. 請求項2において、前記第二のトランジスタのしきい値電圧は、チャネル不純物濃度の制御により、前記第一のトランジスタに印加されるしきい値電圧のほぼ「1/2」に設定することを特徴とする半導体記憶装置。3. The threshold voltage of the second transistor according to claim 2, wherein the threshold voltage of the second transistor is set to substantially “½” of the threshold voltage applied to the first transistor by controlling the channel impurity concentration. A semiconductor memory device.
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