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KR102032221B1 - Capacitorless 1t dram cell device using tunneling field effect transistor, fabrication method thereof and memory array using the same - Google Patents

Capacitorless 1t dram cell device using tunneling field effect transistor, fabrication method thereof and memory array using the same Download PDF

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Publication number
KR102032221B1
KR102032221B1 KR1020150157129A KR20150157129A KR102032221B1 KR 102032221 B1 KR102032221 B1 KR 102032221B1 KR 1020150157129 A KR1020150157129 A KR 1020150157129A KR 20150157129 A KR20150157129 A KR 20150157129A KR 102032221 B1 KR102032221 B1 KR 102032221B1
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KR
South Korea
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region
gate
source region
forming
dram cell
Prior art date
Application number
KR1020150157129A
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Korean (ko)
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Inventor
최우영
전우영
Original Assignee
서강대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 소스 영역의 하부에 소스 영역과 반대 타입이고 드레인 영역과 동일한 타입의 불순물로 하부 소스 영역을 형성하고, 하부 소스 영역과 드레인 영역 사이의 바디 영역 하부에 전위우물이 형성되도록 함으로써, MOSFET의 구조를 이용한 1T 디램 셀 소자와 같이 바디 영역에 전위우물을 가지면서, 동작은 TFET과 같이 할 수 있게 하는 터널링 전계효과 트랜지스터를 이용한 1T 디램 셀 소자와 그 제조방법 및 이를 이용한 메모리 어레이를 제공한다.The present invention forms a lower source region with an impurity of a type opposite to that of the source region and the same type as the drain region in the lower portion of the source region, and a potential well is formed under the body region between the lower source region and the drain region. The present invention provides a 1T DRAM cell device using a tunneling field effect transistor, which has a potential well in a body region like a 1T DRAM cell device using a structure, and can be operated like a TFET, a method of manufacturing the same, and a memory array using the same.

Description

터널링 전계효과 트랜지스터를 이용한 1T 디램 셀 소자와 그 제조방법 및 이를 이용한 메모리 어레이{CAPACITORLESS 1T DRAM CELL DEVICE USING TUNNELING FIELD EFFECT TRANSISTOR, FABRICATION METHOD THEREOF AND MEMORY ARRAY USING THE SAME}1T DRAM Cell Device Using Tunneling Field Effect Transistor, Method for Fabrication and Memory Array Using The Same [1]

본 발명은 반도체 메모리 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 커패시터 없이 하나의 터널링 전계효과 트랜지스터를 이용한 1T 디램 셀 소자와 그 제조방법 및 이를 이용한 메모리 어레이에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly, to a 1T DRAM cell device using a tunneling field effect transistor without a capacitor, a method of manufacturing the same, and a memory array using the same.

현재 상용화된 일반적인 디램(DRAM)은 하나의 트랜지스터와 하나의 커패시터 (1T/1C)를 이용하여 1 비트의 정보를 기록하는 셀 소자로 구성되어, 미세화 과정에서 트랜지스터뿐만 아니라 커패시터도 미세화해야하는 어려움이 있어 고집적화에 한계가 있어 왔다.Currently, a commercial DRAM (DRAM) is composed of a cell device that records one bit of information using one transistor and one capacitor (1T / 1C), and there is a difficulty in minimizing the capacitor as well as the transistor during the miniaturization process. High integration has been limited.

그래서, 최근에는 커패시터 없이 하나의 트랜지스터만으로 1 비트의 정보를 저장할 수 있는 셀이 구현되는 1T 디램의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 1T 디램 셀은 기존 1T/1C 디램 셀에 비하여 미세화가 쉽고, 동작속도가 빠르며 CMOS 공정에 통합되기 쉬우므로 생산비용을 감소시킬 수 있다는 장점을 가진다.Therefore, recently, researches on 1T DRAMs in which a cell capable of storing one bit of information with only one transistor without a capacitor have been actively conducted. Compared with the existing 1T / 1C DRAM cells, the 1T DRAM cell has the advantage of being easy to be miniaturized, fast operating speed, and easy to integrate into the CMOS process, thereby reducing the production cost.

이러한 종래 1T 디램 셀 소자는, 도 1과 같이, 매몰산화막(2) 상에 플로팅 바디(30) 양측으로 바디와 반대 타입의 불순물이 고농도로 도핑된 소스/드레인(10)(40)이 형성되고, 바디(30) 상에 게이트 절연막(50)을 사이에 두고 게이트(60)가 형성되는 SOI MOSFET 구조를 이용함으로써, 소스와 드레인 도핑을 통해 고립된 플로팅 바디(30)에 자연스럽게 형성된 전위우물에 전하를 저장하는 구조로 구현이 되어왔다. In the conventional 1T DRAM cell device, as shown in FIG. 1, sources / drains 10 and 40 doped with a high concentration of impurities opposite to the body are formed on both sides of the floating body 30 on the buried oxide film 2. By using the SOI MOSFET structure in which the gate 60 is formed on the body 30 with the gate insulating film 50 interposed therebetween, the electric charge in the potential well naturally formed in the floating body 30 isolated through source and drain doping. It has been implemented as a structure for storing.

그러나, 도 1과 같은 종래 디램 셀 소자는 MOSFET의 구조 및 동작 원리를 이용하므로 디램 셀을 더욱 축소화하는데 기본적인 한계가 존재하며 온도의 증가에 따라 읽기전류와 유휴 상태의 누설 전류가 매우 많이 증가하게 되기 때문에 안정적인 동작이 어렵다는 한계가 존재한다.However, since the conventional DRAM cell device as shown in FIG. 1 uses the structure and operating principle of the MOSFET, there is a fundamental limitation in further minimizing the DRAM cell. As the temperature increases, the read current and the leakage current in the idle state increase very much. Because of this, there is a limit that stable operation is difficult.

한편, 논리 소자 분야에서는 MOSFET의 한계를 해결하고자, 도 2와 같이, 소스(20), 드레인(40)이 반대 타입의 불순물로 형성된 비대칭 구조의 터널링 전계효과 트랜지스터(TFET)가 광범위하게 연구되고 있다.Meanwhile, in the field of logic devices, as shown in FIG. 2, a tunneling field effect transistor (TFET) having an asymmetric structure in which the source 20 and the drain 40 are formed of impurities of opposite types has been extensively studied. .

본 발명자는 TFET를 스위칭 소자에서 벗어나 1T 디램 셀 소자로 이용할 수 있음을 처음으로 제안하여 한국 특허 제10-1085155호를 받은 바 있다.The present inventor has received Korean Patent No. 10-1085155 for the first time suggesting that the TFET can be used as a 1T DRAM cell device away from the switching device.

그러나, 상기 특허는 소스 또는 드레인 영역과 바디 영역 사이에 분리 반도체 영역을 삽입함으로써, 바디에 전위우물 형성이 가능하게 하는 것이어서, 분리 반도체 영역을 새로이 형성해야 하는 문제점이 있다. 또한, 상기 각 영역을 수직으로 적층시킬 경우 하나의 셀 소자가 4F2의 면적을 차지하도록 하여 고집적이 가능하게 한 장점은 있으나, 제조 공정이 용이하지 않은 단점이 있다.However, the patent allows a potential well to be formed in the body by inserting the isolation semiconductor region between the source or drain region and the body region, thereby requiring a new formation of the isolation semiconductor region. In addition, when the respective regions are stacked vertically, one cell element occupies an area of 4F 2 , and thus high integration is possible, but a manufacturing process is not easy.

이에, 본 발명은 통상의 TFET 제조공정에 따르면서도, 소스 영역의 하부에 드레인 영역과 같은 타입의 불순물로 도핑하여 바디 하부를 전위우물로 사용하는 구조를 제안함으로써, 종래 MOSFET 대신 TFET의 구조를 갖는 1T 디램 셀 소자로 대체하여 MOSFET의 셀 축소화의 한계점을 극복하고, MOSFET 보다 낮은 전압으로 동작이 가능하며, 밴드 대 밴드 터널링으로 고온에서도 안정적인 동작이 가능한 터널링 전계효과 트랜지스터를 이용한 1T 디램 셀 소자와 그 제조방법 및 이를 이용한 메모리 어레이를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Accordingly, the present invention proposes a structure using a lower portion of the body as a potential well by doping with impurities of the same type as the drain region in the lower portion of the source region according to a conventional TFET manufacturing process, thereby having a structure of TFET instead of the conventional MOSFET. 1T DRAM cell device using tunneling field effect transistor that overcomes limitations of MOSFET reduction by replacing 1T DRAM cell device, operates at lower voltage than MOSFET, and enables stable operation even at high temperature by band-to-band tunneling. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method and a memory array using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 1T 디램 셀 소자는 반도체 기판에 일정거리 떨어져 서로 반대 타입의 불순물로 도핑되어 형성된 소스 영역과 드레인 영역; 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 채널이 형성되는 바디 영역; 상기 바디 영역 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 게이트; 상기 소스 영역의 하부에 상기 소스 영역과 반대 타입이고 상기 드레인 영역과 동일한 타입의 불순물로 도핑되어 형성된 하부 소스 영역; 상기 하부 소스 영역, 상기 바디 영역 및 상기 드레인 영역의 하부에 형성된 바닥 절연막; 및 상기 하부 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이의 상기 바디 영역의 하부에서 전기적으로 고립되도록 형성된 전위우물을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the 1T DRAM cell device according to the present invention comprises: a source region and a drain region formed by being doped with impurities of opposite types to a semiconductor substrate at a predetermined distance; A body region in which a channel is formed between the source region and the drain region; A gate formed on the body region with a gate insulating layer interposed therebetween; A lower source region formed below the source region opposite to the source region and doped with impurities of the same type as the drain region; A bottom insulating film formed under the lower source region, the body region and the drain region; And a potential well formed to be electrically isolated from the lower portion of the body region between the lower source region and the drain region.

상기 소스 영역은 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역)이고, 상기 하부 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+ 영역)이고, 상기 바디 영역은 상기 소스 영역보다 저농도로 도핑된 P형 불순물 저농도 도핑층(P 영역)인 것일 수 있고, 각각 반대의 도전형을 갖는 불순물로 도핑되어 형성될 수도 있다.The source region is a P-type impurity high concentration doping layer (P + region), the lower source region and the drain region are an N-type impurity high concentration doping layer (N + region), and the body region is P doped at a lower concentration than the source region. It may be a type impurity low concentration doping layer (P region), or may be formed by being doped with impurities having opposite conductivity types, respectively.

상기 전위우물은 상기 바디 영역 및 상기 드레인 영역의 양 측면에 형성된 측면 절연막 또는 상기 소스 영역, 상기 하부 소스 영역, 상기 바디 영역 및 상기 드레인 영역의 양 측면에 형성된 측면 절연막에 의하여 전기적으로 고립되도록 형성될 수 있다.The potential well may be electrically isolated by side insulating films formed on both sides of the body region and the drain region or by side insulating films formed on both sides of the source region, the lower source region, the body region, and the drain region. Can be.

상기 반도체 기판은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이고, 상기 바닥 절연막은 상기 SOI 기판의 매몰 산화막인 것일 수 있다.The semiconductor substrate may be a silicon-on-insulator (SOI) substrate, and the bottom insulating layer may be a buried oxide layer of the SOI substrate.

상기 게이트는 finFET, triple-gate 및 GAA(gate-all-around) 중 하나의 형상을 갖는 것일 수 있다.The gate may have a shape of one of a finFET, a triple-gate, and a gate-all-around (GAA).

본 발명에 의한 1T 디램 셀 소자의 제조방법은 반도체 기판을 식각하고 측면 절연막을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 제 1 단계; 상기 액티브 영역 상에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계; 상기 게이트 절연막 상에 게이트를 형성하는 제 3 단계; 상기 게이트 절연막 및 상기 게이트의 상부에 이온주입 차폐층을 형성한 후 상기 게이트의 일 측만 열어 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로 드레인 영역을 형성하는 제 4 단계; 및 상기 게이트 절연막 및 상기 게이트의 상부에 이온주입 차폐층을 형성한 후 상기 게이트의 타 측만 열어 상기 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로 하부 소스 영역 및 상기 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형을 갖는 불순물 주입으로 소스 영역을 각각 주입에너지를 달리하며 형성하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a 1T DRAM cell device according to the present invention includes a first step of defining an active region by etching a semiconductor substrate and forming a side insulating film; Forming a gate insulating film on the active region; Forming a gate on the gate insulating film; A fourth step of forming a drain region by forming an ion implantation shielding layer on the gate insulating layer and the gate, and then opening only one side of the gate to form an implant region having an impurity having a first conductivity type; And forming an ion implantation shielding layer on the gate insulating layer and the gate, and then opening only the other side of the gate to form an impurity implantation having the first conductivity type, the second conductivity type opposite to the lower source region and the first conductivity type. And a fifth step of forming source regions with different implantation energies by impurity implantation.

상기 반도체 기판은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이고, 상기 제 1 단계에서 상기 반도체 기판의 식각 및 상기 측면 절연막의 형성은 상기 제 5 단계에서 상기 하부 소스 영역 및 상기 소스 영역을 제외하고 이웃 셀과 전기적으로 격리되도록 형성할 수 있다.The semiconductor substrate is a silicon-on-insulator (SOI) substrate, and the etching of the semiconductor substrate and the formation of the side insulating layer in the first step are performed in the fifth step except for the lower source region and the source region. It can be formed to be electrically isolated from the.

본 발명에 의한 메모리 어레이는 상기 1T 디램 셀 소자가 복수 개 배열된 것으로, 상기 반도체 기판은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이고, 상기 바닥 절연막은 상기 SOI 기판의 매몰 산화막이고, 상기 메모리 어레이의 일 측에 상기 SOI 기판의 하부 실리콘층에 전압을 인가하기 위한 백 바이어스 컨택 및 백 바이어스 라인이 형성되고, 상기 백 바이어스 라인을 통하여 상기 각 1T 디램 셀 소자의 전위우물을 제어하는 것을 특징으로 한다.In the memory array according to the present invention, a plurality of 1T DRAM cell elements are arranged, wherein the semiconductor substrate is a silicon-on-insulator (SOI) substrate, the bottom insulating film is a buried oxide film of the SOI substrate, A back bias contact and a back bias line are formed on one side to apply a voltage to the lower silicon layer of the SOI substrate, and the potential well of each 1T DRAM cell device is controlled through the back bias line.

본 발명에 의한 메모리 어레이는 열 방향으로 배열된 상기 각 1T 디램 셀 소자의 게이트는 워드 라인으로 형성되고, 행 방향으로 배열된 상기 각 1T 디램 셀 소자의 드레인 영역은 컨택 플러그를 통하여 상기 워드 라인과 수직인 비트 라인에 연결되고, 상기 각 1T 디램 셀 소자의 소스 영역은 열 방향으로 상기 워드 라인과 나란하게 공통 소스 라인으로 형성된 것을 특징으로 한다.In the memory array according to the present invention, a gate of each of the 1T DRAM cell elements arranged in a column direction is formed of a word line, and a drain region of each of the 1T DRAM cell elements arranged in a row direction is connected to the word line through a contact plug. The source region of each of the 1T DRAM cell elements connected to a vertical bit line is formed as a common source line in parallel with the word line in a column direction.

상기 각 1T 디램 셀 소자의 하부 소스 영역은 열 방향으로 상기 워드 라인과 나란하게 일체의 도전성 라인으로 형성될 수 있고, 이를 통하여 상기 각 1T 디램 셀 소자의 전위우물을 제어할 수 있다.The lower source region of each of the 1T DRAM cell elements may be formed as an integral conductive line in parallel with the word line in the column direction, thereby controlling the potential well of each of the 1T DRAM cell elements.

본 발명은 소스 영역의 하부에 소스 영역과 반대 타입이고 드레인 영역과 동일한 타입의 불순물로 하부 소스 영역을 형성하고, 하부 소스 영역과 드레인 영역 사이의 바디 영역 하부에 전위우물이 형성되도록 함으로써, MOSFET의 구조를 이용한 1T 디램 셀 소자와 같이 바디 영역에 전위우물을 가지면서, 동작은 TFET과 같이 할 수 있게 되어, MOSFET의 셀 축소화의 한계점을 극복하고, MOSFET 보다 낮은 전압으로 동작이 가능하며, 밴드 대 밴드 터널링으로 고온에서도 안정적인 동작이 가능한 1T 디램 셀 소자의 구현이 가능하게 되었고, 제조공정도 통상의 TFET 공정을 이용할 수 있고, 어레이 배선도 간단히 할 수 있는 효과가 있다.The present invention forms a lower source region with an impurity of a type opposite to that of the source region and the same type as the drain region in the lower portion of the source region, and a potential well is formed under the body region between the lower source region and the drain region. By having a potential well in the body region like a 1T DRAM cell device using a structure, the operation can be performed like a TFET, overcoming the limitations of the cell shrinkage of the MOSFET, and operating at a lower voltage than the MOSFET. Band tunneling enables the realization of a 1T DRAM cell device capable of stable operation even at high temperatures. The manufacturing process can also use a conventional TFET process and can simplify array wiring.

도 1은 종래 MOSFET을 이용한 1T 디램 셀 소자의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 종래 터널링 전계효과 트랜지스터(TFET)의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 실시 예에서 소스 영역, 하부 소스 영역, 바디 영역, 드레인 영역의 불순물 도전형을 반대로 한 경우를 보여주는 단면도이다.
도 5는 도 3의 실시 예에서 정보 저장 상태에 따른 전위우물에 쌓인 정공(홀)의 농도를 비교한 전기적 특성도이다.
도 6은 도 3의 실시 예에서 정보 저장 상태에 따른 전위우물에 축적된 정공의 농도에 따른 기판의 전위를 비교한 전기적 특성도이다.
도 7은 도 3의 실시 예에서 정보 저장 상태에 따른 채널 표면의 에너지 밴드도를 비교한 전기적 특성도이다.
도 8은 도 3의 실시 예에서 정보 저장 상태에 따른 채널 표면에서 전자의 밴드 대 밴드터널링 비(band-to-band tunneling rate)를 비교한 전기적 특성도이다.
도 9는 도 3의 실시 예에서 정보 저장 상태에 따른 유지(retention) 특성을 비교한 전기적 특성도이다.
도 10 내지 도 14는 도 3의 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자를 제조하기 위한 공정 단면도이다.
도 15는 도 3의 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자를 단위 셀로 하는 메모리 어레이의 일 예를 보여주는 레이아웃(layout)이다.
도 16은 도 15에서 AA'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이다.
도 17은 도 15에서 BB'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이다.
도 18은 도 15에서 CC'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이다.
도 19는 도 15에서 DD'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이다.
1 is a cross-sectional view showing the structure of a 1T DRAM cell device using a conventional MOSFET.
2 is a cross-sectional view illustrating a structure of a conventional tunneling field effect transistor (TFET).
3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a 1T DRAM cell device according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view illustrating a case in which impurity conductivity types of a source region, a lower source region, a body region, and a drain region are reversed in the embodiment of FIG. 3.
FIG. 5 is an electrical characteristic diagram comparing the concentration of holes (holes) accumulated in the potential well according to the information storage state in the embodiment of FIG. 3.
6 is an electrical characteristic diagram comparing potentials of a substrate according to concentrations of holes accumulated in a potential well according to an information storage state in the embodiment of FIG. 3.
7 is an electrical characteristic diagram comparing energy band diagrams of a channel surface according to an information storage state in the embodiment of FIG. 3.
FIG. 8 is an electrical characteristic diagram comparing band-to-band tunneling ratio of electrons on a channel surface according to an information storage state in the embodiment of FIG. 3.
9 is an electrical characteristic diagram comparing retention characteristics according to an information storage state in the embodiment of FIG. 3.
10 to 14 are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a 1T DRAM cell device according to the embodiment of FIG. 3.
FIG. 15 is a layout illustrating an example of a memory array in which a 1T DRAM cell device is a unit cell according to the exemplary embodiment of FIG. 3.
FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating the array cut along the line AA ′ in FIG. 15.
FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the array cut vertically along the line BB ′ in FIG. 15.
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating the array cut along the line CC ′ in FIG. 15.
19 is a cross-sectional view illustrating the array cut along the line DD ′ in FIG. 15.

이하, 첨부한 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자는, 도 3과 같이, 반도체 기판(3)에 일정거리 떨어져 서로 반대 타입(극성)의 불순물로 도핑되어 형성된 소스 영역(20)과 드레인 영역(40); 상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 채널이 형성되는 바디 영역(30); 상기 바디 영역 상에 게이트 절연막(50)을 사이에 두고 형성된 게이트(60); 상기 소스 영역(20)의 하부에 상기 소스 영역(20)과 반대 타입이고 상기 드레인 영역(40)과 동일한 타입의 불순물로 도핑되어 형성된 하부 소스 영역(10); 상기 하부 소스 영역(10), 상기 바디 영역(30) 및 상기 드레인 영역(40)의 하부에 형성된 바닥 절연막(2); 및 상기 하부 소스 영역(10)과 상기 드레인 영역(40) 사이의 상기 바디 영역(30)의 하부에서 전기적으로 고립되도록 형성된 전위우물(32)을 포함하여 구성된다.1T DRAM cell device according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 3, the source region 20 and the drain region 40 formed by being doped with impurities of opposite types (polarity) to a predetermined distance apart from the semiconductor substrate 3, as shown in FIG. ); A body region 30 in which a channel is formed between the source region and the drain region; A gate 60 formed on the body region with a gate insulating layer 50 interposed therebetween; A lower source region 10 formed below the source region 20 and opposite to the source region 20 and doped with impurities of the same type as the drain region 40; A bottom insulating film (2) formed under the lower source region (10), the body region (30) and the drain region (40); And a potential well 32 formed to be electrically isolated under the body region 30 between the lower source region 10 and the drain region 40.

본 발명의 핵심 기술적 사상은 소스 영역(20)의 하부에 소스 영역(20)과 반대 타입이고 드레인 영역(40)과 동일한 타입의 불순물로 하부 소스 영역(10)을 형성하고, 하부 소스 영역(10)과 드레인 영역(40) 사이의 바디 영역(30)의 하부에 전위우물(32)이 형성되도록 함으로써, 도 1의 MOSFET 구조를 이용한 1T 디램 셀 소자와 같이 바디 영역(30)에 고립된 전위우물(32)을 가지게 하면서, 동작은 도 2의 TFET와 같이 할 수 있게 하여, 양자의 장점을 살릴 수 있게 한 데에 있다.The core technical idea of the present invention is to form the lower source region 10 with impurities of the same type as the source region 20 and the same type as the drain region 40 below the source region 20, and the lower source region 10. The potential well 32 is formed below the body region 30 between the drain region 40 and the drain region 40, so that the potential well isolated to the body region 30, such as a 1T DRAM cell device using the MOSFET structure of FIG. 1. While having (32), the operation is made possible by the TFET of Fig. 2, so that the advantages of both can be utilized.

도 3의 실시 예는 소스 영역(20)은 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역)이고, 하부 소스 영역(10) 및 드레인 영역(40)은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+ 영역)이고, 바디 영역(30)은 소스 영역(20)보다 저농도로 도핑된 P형 불순물 저농도 도핑층(P 영역)으로 형성되어, N채널 TFET로 동작하는 1T 디램 셀 소자이다.3, the source region 20 is a P-type impurity high concentration doping layer (P + region), the lower source region 10 and the drain region 40 are an N-type impurity high concentration doping layer (N + region). The region 30 is a 1T DRAM cell device formed of a P-type impurity low concentration doping layer (P region) doped at a lower concentration than the source region 20 and operating as an N-channel TFET.

도 4의 실시 예는 도 3의 실시 예에서 각 영역의 도전형을 반대로 하여, 소스 영역(20')은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+ 영역)이고, 하부 소스 영역(10')과 드레인 영역(40')은 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역)이고, 바디 영역(30')은 소스 영역(20')보다 저농도로 도핑된 N형 불순물 저농도 도핑층(N 영역)으로 형성되어, P채널 TFET로 동작하는 1T 디램 셀 소자로도 구현될 수 있음을 보여준다.The embodiment of FIG. 4 reverses the conductivity of each region in the embodiment of FIG. 3 so that the source region 20 'is an N-type impurity high concentration doping layer (N + region), and the lower source region 10' and the drain region. 40 'is a P-type impurity high concentration doping layer (P + region), and the body region 30' is formed of an N-type impurity low concentration doping layer (N region) doped at a lower concentration than the source region 20 '. It can also be implemented as a 1T DRAM cell device operating as a channel TFET.

도 3 및 도 4의 실시 예를 포함한 본 명세서에서 설명되는 각 실시 예에서 바디 영역(30, 30')은 반도체 기판(3)에서 액티브 영역으로 정의된 영역 중에서 소스 영역(20, 20'), 하부 소스 영역(10, 10') 및 드레인 영역(40, 40')이 형성된 부분을 제외한 부분으로 정의되고, 상기 바디 영역(30, 30') 중 소스 영역(20, 20')과 드레인 영역(40, 40') 사이에는 상부 표면에 채널이 형성되도록 채널 영역(미도시)을 확보하고, 동시에 하부 소스 영역(10, 10') 및 드레인 영역(40, 40') 사이에는 바디 영역(30, 30')과의 접합(junction)에 생기는 공핍층(미도시)으로 고립된 전위우물(32, 32')을 형성하게 한다.In each of the embodiments described herein, including the embodiments of FIGS. 3 and 4, the body regions 30 and 30 ′ may include the source regions 20 and 20 ′, among the regions defined as active regions in the semiconductor substrate 3. It is defined as a portion excluding portions in which the lower source regions 10 and 10 'and the drain regions 40 and 40' are formed, and among the body regions 30 and 30 ', the source regions 20 and 20' and the drain region ( A channel region (not shown) is secured between 40 and 40 'to form a channel on the upper surface, and at the same time, a body region 30 is formed between the lower source region 10 and 10' and the drain region 40 and 40 '. 30 ') to form an isolated potential well 32, 32' with a depletion layer (not shown) that occurs at the junction.

따라서, 도 3 및 도 4의 실시 예에서 바디 영역(30, 30')은, 특히 채널 영역 밑의 하부 영역은, 하부 소스 영역(10, 10') 및 드레인 영역(40, 40') 각각 사이의 접합으로 공핍층이 형성될 수 있으면 충분하므로, 진성 반도체 또는 소스 영역(20, 20')보다 훨씬 낮은 저농도로 도핑되어 형성될 수도 있다.Thus, in the embodiments of FIGS. 3 and 4, the body regions 30, 30 ′, in particular the lower region under the channel region, are between the lower source regions 10, 10 ′ and the drain regions 40, 40 ′, respectively. Since it is sufficient that the depletion layer can be formed by the junction of, it may be formed doped at a much lower concentration than the intrinsic semiconductor or source regions 20, 20 ′.

상기 반도체 기판(3)은, 도 3 및 도 4의 실시 예와 같이, SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 바닥 절연막(2) 상에 증착된 반도체 기판도 가능하다. SOI 기판은 잘 알려진 바와 같이, 도 16과 같이, 하부 실리콘층(1), 매몰 산화막(BOX, 2) 및 상부 실리콘층(3)으로 구성되므로, 상술한 소스 영역(20, 20'), 하부 소스 영역(10, 10'), 바디 영역(30, 30'), 전위우물(32, 32') 및 드레인 영역(40, 40')은 상부 실리콘층(3)에 형성될 수 있다.3 and 4, the semiconductor substrate 3 is preferably a silicon-on-insulator (SOI) substrate, but is not limited thereto. A semiconductor substrate deposited on the bottom insulating film 2 may also be used. . As is well known, the SOI substrate is composed of the lower silicon layer 1, the buried oxide film BOX 2, and the upper silicon layer 3, as shown in FIG. 16. Source regions 10 and 10 ', body regions 30 and 30', potential wells 32 and 32 'and drain regions 40 and 40' may be formed in upper silicon layer 3, for example.

상기 반도체 기판(3)을 SOI 기판으로 할 경우, 상기 바닥 절연막(2)은 SOI 기판의 매몰 산화막(2)으로 형성될 수 있다. 이때, 후술하는 바와 같이, SOI 기판의 하부 실리콘층(1)에 컨택을 하고 전압을 인가하여 전위우물(32, 32')을 제어할 수 있다. 하부 실리콘층(1)에 컨택을 하여 전위우물(32, 32')을 제어하는 일 예가 도 15 및 도 16의 점선 박스(B)에 도시되어 있다.When the semiconductor substrate 3 is an SOI substrate, the bottom insulating film 2 may be formed as a buried oxide film 2 of the SOI substrate. At this time, as described below, the potential wells 32 and 32 'may be controlled by making a contact with the lower silicon layer 1 of the SOI substrate and applying a voltage. An example of controlling the potential wells 32 and 32 'by making contact with the lower silicon layer 1 is shown in the dotted box B of FIGS. 15 and 16.

상기 바닥 절연막(2)은 바디 영역(30, 30')의 하부에만 있을 수 있으나, 도 3 및 도 4의 실시 예와 같이, 하부 소스 영역(10, 10')과 드레인 영역(40, 40')의 하부에도 형성됨이 공정상 바람직하다.The bottom insulating layer 2 may exist only below the body regions 30 and 30 ', but as shown in FIGS. 3 and 4, the lower source regions 10 and 10' and the drain regions 40 and 40 ', respectively. It is also preferable in the process that it is formed also in the lower part.

상기 전위우물(32, 32')은, 도 3 및 도 4에서 도시된 하부 소스 영역(10, 10'), 바닥 절연막(2) 및 드레인 영역(40, 40') 이외에, 도 3 또는 도 4의 단면도에 수직한 방향의 양 측면에 구비된 측면 절연막(도 18에서 91)으로 전기적으로 고립된다.The potential wells 32 and 32 'are shown in FIG. 3 or 4 in addition to the lower source regions 10 and 10', the bottom insulating film 2 and the drain regions 40 and 40 'shown in FIGS. 3 and 4. It is electrically isolated by the side insulating film (91 in FIG. 18) provided on both sides in the direction perpendicular to the cross sectional view of FIG.

도 18은, 후술하는 바와 같이, 도 15에서 CC'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이고, 도 15는 도 3의 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자를 단위 셀(파선 영역: A)로 하는 메모리 어레이의 일 예를 보여주는 레이아웃(layout)이다.FIG. 18 is a cross-sectional view of an array, which is vertically cut along a line CC ′ of FIG. 15, as described below. FIG. 15 is a unit cell of a 1T DRAM cell device according to the embodiment of FIG. 3. This is a layout showing an example of a memory array referred to as A).

도 16은 도 15에서 AA'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이고, 도 17은 도 15에서 BB'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이고, 도 19는 도 15에서 DD'선을 따라 수직하게 절단한 모습을 보여주는 어레이의 단면도이다.FIG. 16 is a cross-sectional view of the array vertically cut along the AA ′ line in FIG. 15, FIG. 17 is a cross-sectional view of the array vertically cut along the BB ′ line in FIG. 15, and FIG. 19. A cross-sectional view of the array showing vertical cut along line DD 'at 15.

도 16을 참조하면, 메모리 어레이의 단위 셀(A)은, 상술한 1T 디램 셀 소자의 실시 예에 의한 구조를 이루고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 16, it can be seen that the unit cell A of the memory array has a structure according to the embodiment of the above-described 1T DRAM cell device.

도 15 내지 도 19를 참조하면, 상술한 1T 디램 셀 소자(A)의 소스 영역(20), 하부 소스 영역(10), 바디 영역(30) 및 드레인 영역(40)의 양 측면(도 16의 단면도에 수직한 방향의 양 측면)에는 측면 절연막(91)이 형성되어, 이에 의하여 상기 전위우물(32, 32')이 상기 양 측면으로도 전기적으로 고립하게 된다. 15 to 19, both side surfaces of the source region 20, the lower source region 10, the body region 30, and the drain region 40 of the above-described 1T DRAM cell device A (of FIG. 16). Side insulating films 91 are formed on both sides in a direction perpendicular to the cross-sectional view, whereby the potential wells 32 and 32 'are electrically isolated from both sides.

상기 측면 절연막(91)은 메모리 어레이의 각 셀의 액티브 영역 정의시 형성될 수 있다.The side insulating layer 91 may be formed when defining an active region of each cell of the memory array.

후술하는 메모리 어레이의 실시 예에 따라, 상기 측면 절연막(91)은 각 셀의 바디 영역(30) 및 드레인 영역(40)의 양 측면에만 형성되고(미도시), 각 셀의 소스 영역(20) 및/또는 하부 소스 영역(10)은 도 14에서 열 방향(워드 라인 방향)으로 배열된 셀 들의 각 대응되는 영역과 전기적으로 연결되도록 구성될 수도 있다. According to an embodiment of the memory array described below, the side insulating layer 91 is formed only on both sides of the body region 30 and the drain region 40 of each cell (not shown), and the source region 20 of each cell. And / or the lower source region 10 may be configured to be electrically connected to each corresponding region of the cells arranged in the column direction (word line direction) in FIG. 14.

이 경우 각 1T 디램 셀 소자의 소스 영역(20)은 열 방향으로 워드 라인(60)과 나란하게 매립형 소스 라인(미도시)으로 형성할 수 있어, 도 16에 도시된 소스 라인(100) 및 소스 라인 컨택 플러그(84)를 별도로 형성할 필요가 없게 된다. 또한, 각 1T 디램 셀 소자의 하부 소스 영역(10)은 열 방향으로 워드 라인(60)과 나란하게 일체의 도전성 라인(미도시)으로 형성되어, 이 경우 상술한 SOI 기판의 하부 실리콘층(1) 대신 상기 도전성 라인으로 전압을 인가하여 전위우물(32)을 제어할 수도 있다.In this case, the source region 20 of each 1T DRAM cell element may be formed as a buried source line (not shown) parallel to the word line 60 in the column direction, so that the source line 100 and the source shown in FIG. It is not necessary to form the line contact plug 84 separately. In addition, the lower source region 10 of each 1T DRAM cell element is formed of an integral conductive line (not shown) in parallel with the word line 60 in the column direction, and in this case, the lower silicon layer 1 of the SOI substrate described above. Alternatively, the potential well 32 may be controlled by applying a voltage to the conductive line.

상기 게이트(60)는 통상의 MOSFET이나 TFET 소자와 같이 finFET, triple-gate 및 GAA(gate-all-around) 중 하나의 형상으로 형성될 수 있다.The gate 60 may be formed in the shape of one of finFET, triple-gate, and gate-all-around (GAA) like a conventional MOSFET or TFET device.

도 15 및 도 16을 참조하면, 도 3의 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자를 단위 셀(A)로 하는 메모리 어레이는 열 방향으로 배열된 각 1T 디램 셀 소자의 게이트(60)는 워드 라인으로 형성되고, 행 방향으로 배열된 각 1T 디램 셀 소자의 드레인 영역(40)은 컨택 플러그(82)를 통하여 워드 라인(60)과 수직인 비트 라인(200)에 연결되고, 각 1T 디램 셀 소자의 소스 영역(20)은 컨택 플러그(84)를 통해 워드 라인(60)과 나란하고 비트 라인(200)과는 수직인 소스 라인(100)에 연결되도록 배선될 수 있다. Referring to FIGS. 15 and 16, the memory array including the 1T DRAM cell device as the unit cell A according to the embodiment of FIG. 3 is a word line of the gate 60 of each 1T DRAM cell device arranged in the column direction. The drain region 40 of each 1T DRAM cell element formed in the row direction and connected to the bit line 200 perpendicular to the word line 60 through the contact plug 82 is connected to each of the 1T DRAM cell elements. The source region 20 may be wired to be connected to the source line 100 which is parallel to the word line 60 and perpendicular to the bit line 200 through the contact plug 84.

그리고, 상기 메모리 어레이는 하나의 SOI 기판에 형성될 수 있고, 상술한 바와 같이, SOI 기판의 매몰 산화막(2)을 바닥 절연막으로 하고, 메모리 어레이의 일 측(B)에 SOI 기판의 하부 실리콘층(1)에 전압을 인가하기 위한 백 바이어스 컨택(86) 및 백 바이어스 라인(120)이 형성하여, 백 바이어스 라인(120)을 통하여 각 1T 디램 셀 소자의 전위우물(32)을 제어하도록 구성될 수 있다.The memory array may be formed on one SOI substrate, and as described above, the buried oxide film 2 of the SOI substrate is used as the bottom insulating film, and the lower silicon layer of the SOI substrate is formed on one side B of the memory array. A back bias contact 86 and a back bias line 120 for applying a voltage to (1) are formed to be configured to control the potential well 32 of each 1T DRAM cell element via the back bias line 120. Can be.

이때, 백 바이어스 컨택(86)은 SOI 기판의 후면인 하부 실리콘층(1)에 바로 할 수도 있으나, 도 16과 같이, 메모리 어레이의 일 측(B)에서 매몰 산화막(2)을 관통하도록 깊게 형성된 격리절연막(90)으로 둘러싸이고 하부 실리콘층(1)과 동일한 타입의 불순물(예컨대, P형 불순물) 고농도 도핑층(P+ 영역, 22)에 연결되도록 할 수 있다.In this case, the back bias contact 86 may be directly in the lower silicon layer 1, which is a rear surface of the SOI substrate. However, as shown in FIG. 16, the back bias contact 86 is deeply formed to penetrate the buried oxide film 2 at one side B of the memory array. It may be surrounded by the insulating insulating film 90 and connected to the doping layer (P + region) 22 having the same type of impurities (eg, P-type impurities) as the lower silicon layer 1.

상기 백 바이어스 라인(120)이, 도 15 및 도 16과 같이, 소스 라인(100)과 나란하고, 비트 라인(200)과는 수직이게 형성할 경우에는, 소스 라인(100)과 백 바이어스 라인(120)이 비트 라인(200)과 층을 달리하여 배선(형성)되도록 하여야 하므로, 제 1 층간 절연막(92)과 제 2 층간 절연막(94)을 형성하여 층을 나누어 준다. When the back bias line 120 is formed to be parallel to the source line 100 and perpendicular to the bit line 200 as shown in FIGS. 15 and 16, the source line 100 and the back bias line ( Since the wiring 120 is formed by different layers from the bit line 200, the first interlayer insulating layer 92 and the second interlayer insulating layer 94 are formed to divide the layers.

도 16의 실시 예에서는 각 1T 디램 셀 소자의 소스 영역(20)이 컨택 플러그(84)를 통해 소스 라인(100)과 연결하게 되므로, 이때 컨택 플러그(84)가 각 1T 디램 셀 소자의 게이트(워드 라인, 60)와 전기적으로 격리되기 위해, 각 1T 디램 셀 소자의 게이트(워드 라인, 60)의 양 측벽 및 상부에는 측벽 절연막(70)과 상부 절연막(72)이 형성된 구조를 갖게 된다.In the embodiment of FIG. 16, since the source region 20 of each 1T DRAM cell device is connected to the source line 100 through the contact plug 84, the contact plug 84 may include a gate ( In order to be electrically isolated from the word line 60, the sidewall insulating layer 70 and the upper insulating layer 72 are formed on both sidewalls and the upper side of the gate (word line 60) of each 1T DRAM cell element.

또한, 도 15 내지 도 19를 참조하면, 각 1T 디램 셀 소자(A)의 소스 영역(20), 하부 소스 영역(10), 바디 영역(30) 및 드레인 영역(40)의 양 측면(도 16의 단면도에 수직한 방향의 양 측면)에는, 상술한 바와 같이, 측면 절연막(91)이 형성되어, 이에 의하여 각 1T 디램 셀 소자(A)의 전위우물(32)이 상기 양 측면으로도 전기적으로 고립하게 된다. 15 to 19, both side surfaces of the source region 20, the lower source region 10, the body region 30, and the drain region 40 of each 1T DRAM cell element A (FIG. 16). As described above, the side insulating film 91 is formed on both side surfaces in the direction perpendicular to the cross-sectional view of the cross-sectional view of the cross-sectional view of the cross section of the side surface insulating film 91 so that the potential well 32 of each 1T DRAM cell element A is electrically connected to both sides. Isolate.

도면에는 첨부되지 않았으나, 본 발명의 1T 디램 셀 소자를 단위 셀(A)로 하는 다른 메모리 어레이의 실시 예로, 상술한 바와 같이, 각 1T 디램 셀 소자의 소스 영역(20)은 열 방향으로 워드 라인(60)과 나란하게 매립형 소스 라인(미도시)으로 형성될 수 있다. 이 경우, 도 16에 도시된 소스 컨택 플러그(84) 및 소스 라인(100)을 별도 형성할 필요가 없고, 나아가 어레이의 일 측(B)에 형성된 백 바이어스 라인(120)도 컨택 플러그(86) 없이 고농도 도핑층(P+ 영역, 22)을 백 바이어스 라인으로 형성할 경우에는 제 1 층간 절연막(92), 게이트(워드 라인, 60)의 측벽 절연막(70)과 상부 절연막(72) 형성 등의 공정을 줄일 수 있는 장점이 있게 된다.Although not shown in the drawings, an embodiment of another memory array including the 1T DRAM cell device of the present invention as the unit cell A, as described above, the source region 20 of each 1T DRAM cell device is a word line in a column direction. Parallel to 60 may be formed as a buried source line (not shown). In this case, it is not necessary to separately form the source contact plug 84 and the source line 100 shown in FIG. 16, and further, the back bias line 120 formed on one side B of the array also includes the contact plug 86. When the highly doped layer (P + region) 22 is formed as a back bias line without a process, a process such as forming the sidewall insulating film 70 and the upper insulating film 72 of the first interlayer insulating film 92 and the gate (word line) 60 is performed. There is an advantage that can be reduced.

후자의 실시 예에서, 상기 각 1T 디램 셀 소자의 하부 소스 영역(10)도 열 방향으로 워드 라인(60)과 나란하게 일체의 도전성 라인(미도시)으로 형성할 수 있고, 상기 도전성 라인을 통하여 각 1T 디램 셀 소자(A)의 전위우물(32)을 제어할 수 있게 구성할 수도 있다.In the latter embodiment, the lower source region 10 of each 1T DRAM cell element may also be formed as an integral conductive line (not shown) parallel to the word line 60 in the column direction, and may be formed through the conductive line. The potential well 32 of each 1T DRAM cell element A may be controlled.

이하, 도 3 및 도 16을 참조하여, 본 발명의 1T 디램 셀 소자의 기본적인 동작원리에 대하여 간단히 설명한다.3 and 16, the basic operation principle of the 1T DRAM cell device of the present invention will be briefly described.

기본적인 동작원리는 바디 영역(30)의 고립된 전위우물(32)에 저장된 전하량에 따라 채널 표면의 전위를 변화시켜 읽기 동작시 흐르는 드레인의 전류량에 변화를 주어 '0'과 '1'의 정보를 구분하여 읽어내도록 한다. 다음은 전자를 다수 캐리어(major carrier)로 하는 N채널 TFET의 1T 디램 셀 소자의 동작에 대한 설명이다.The basic operation principle is to change the electric potential of the channel surface in accordance with the amount of charge stored in the isolated potential well 32 of the body region 30 to change the amount of current flowing in the drain during the read operation, thereby providing information of '0' and '1'. Read them separately. The following is a description of the operation of a 1T DRAM cell device of an N-channel TFET with electrons as the majority carrier.

<쓰기 '1' 동작><Write '1' action>

게이트가 연결된 워드 라인(60)에 음의 전압(예컨대, -3.0 V)을, 드레인(40)과 연결된 비트 라인(200)에는 양의 전압(예컨대, 1.0 V)을 인가하면 드레인 영역에 있던 정공(홀)이 터널링을 통해 채널로 유입된다. 이때, SOI 기판의 하부 실리콘층(1)과 연결된 백 바이어스 라인(120)에 높은 음의 전압(예컨대, -5.0 V)을 가하면, 유입된 정공을 바디 영역(30)의 전위우물(32)에 저장하게 된다.When a negative voltage (eg, -3.0 V) is applied to the word line 60 connected to the gate and a positive voltage (eg 1.0 V) is applied to the bit line 200 connected to the drain 40, holes in the drain region are provided. (Holes) enter the channel through tunneling. At this time, when a high negative voltage (eg, −5.0 V) is applied to the back bias line 120 connected to the lower silicon layer 1 of the SOI substrate, the introduced holes are applied to the potential well 32 of the body region 30. Will be saved.

<홀드(Hold) 동작><Hold operation>

바디 영역(30)의 전위우물(32)에 정공을 가둔 이후 리드(읽기) 하거나 쓰기 '0' 동작 전에 정공을 유지하기 위한 것으로, 1T DRAM 셀의 보유시간(retention time) 특성을 결정하게 된다. 이를 위해 백 바이어스 라인(120)에 음의 전압을 인가한 상태를 유지한다.It is to retain holes before the read (read) or write '0' operation after the holes are trapped in the potential well 32 of the body region 30, and the retention time characteristics of the 1T DRAM cell are determined. To this end, a negative voltage is applied to the back bias line 120.

<리드(Read) 동작><Read operation>

바디 영역(30)의 전위우물(32) 속에 정공이 저장되어 있는지 여부를 읽기 위한 것으로, 백 바이어스 라인(120)에는 홀드 동작과 동일한 전압을 인가하여(예컨대, -5.0 V) 저장된 정공을 잡아 둔 상태에서 게이트(60)에 일정 리드 전압(예컨대, 1.0 V)을 인가하고, 선택한 비트 라인 및 소스 라인을 통하여 드레인 영역(40)과 소스 영역(20) 사이에 구동 전압(예컨대, 1.0 V)을 인가하여 드레인 영역(40)과 소스 영역(20) 사이에 흐르는 드레인 전류를 센싱함으로써, 정공의 저장 상태를 읽게 된다.This is to check whether holes are stored in the potential well 32 of the body region 30. The back bias line 120 is applied with the same voltage as the hold operation (for example, -5.0 V) to hold the stored holes. In the state, a predetermined read voltage (eg, 1.0 V) is applied to the gate 60, and a driving voltage (eg, 1.0 V) is applied between the drain region 40 and the source region 20 through the selected bit line and the source line. The storage state of the hole is read by applying and sensing the drain current flowing between the drain region 40 and the source region 20.

<쓰기 '0' 동작><Write '0' action>

바디 영역(30)의 전위우물(32) 속에 저장된 정공을 소스 영역(20)으로 배출시키기 위한 것이므로, 백 바이어스 라인(120)에 양의 전압(예컨대, 3.0 V)을 인가하고, 게이트와 연결된 워드 라인(60) 및 소스 영역(20)과 연결된 비트 라인(100)에는 음의 전압(예컨대, -1.0 V)을 인가한다.Since the holes stored in the potential well 32 of the body region 30 are discharged to the source region 20, a word (eg, 3.0 V) is applied to the back bias line 120, and the word is connected to the gate. A negative voltage (eg, -1.0 V) is applied to the bit line 100 connected to the line 60 and the source region 20.

상기 방법으로 '0' 및 '1'의 정보를 저장한 뒤, 리드 동작을 할 때 각 셀의 상태를 비교하면, 도 5 내지 도 9와 같은 전기적 특성에 차이가 있게 된다. 즉, 도 5와 같이, '1'의 정보가 저장되었을 때는 '0'이 저장된 경우와 비교할 때 바디 영역(30)의 전위우물(32)에 현저히 많은 정공이 쌓이고, 이로 인해 리드 동작 시, 도 6과 같이, '1'이 저장된 셀의 전위우물(32)의 전위는 확연하게 증가한다.After storing the information of '0' and '1' by the above method, and comparing the states of each cell during the read operation, there is a difference in the electrical characteristics as shown in FIGS. That is, as shown in FIG. 5, when the information of '1' is stored, a lot of holes are accumulated in the potential well 32 of the body region 30 as compared with the case where '0' is stored. As shown in Fig. 6, the potential of the potential well 32 of the cell in which '1' is stored increases significantly.

결과적으로, 도 7에서 알 수 있듯 전위우물(32)에 저장된 양전하의 영향으로 채널 표면의 전위가 함께 증가하고, 이로 인해, 도 8과 같이, band-to-band tunneling 발생률이 증가하게 된다. 또한, 양자의 유지 능력 특성은 도 9와 같이 된다.As a result, as shown in FIG. 7, the potential of the channel surface increases together under the influence of the positive charge stored in the potential well 32, thereby increasing the incidence of band-to-band tunneling as shown in FIG. 8. In addition, both retaining capability characteristics are as shown in FIG.

다음은, 도 10 내지 도 14를 참조하며, 도 3의 실시 예에 따른 1T 디램 셀 소자의 제조방법에 대하여 간단히 설명한다.Next, referring to FIGS. 10 to 14, a method of manufacturing the 1T DRAM cell device according to the exemplary embodiment of FIG. 3 will be briefly described.

우선, 도 10과 같이, 반도체 기판을 식각하고 측면 절연막(미도시)을 형성하여 액티브 영역(31)을 정의한다(제 1 단계). 이때, 액티브 영역(31)은 차후 소스 영역, 하부 소스 영역, 채널 영역 및 전위우물을 포함하는 바디 영역, 드레인 영역이 형성될 반도체 기판의 일 영역으로, 상기 모든 영역의 양 측면 또는 상기 소스 영역 및 하부 소스 영역을 제외한 나머지 영역의 양 측면(도 10이 도시된 면에 수직한 방향의 양 측면)에 측면 절연막을 형성하여 정의할 수 있다. 상기 반도체 기판이 SOI 기판일 경우 상기 액티브 영역(31)은 바닥 절연막(2)인 매몰 산화막 위에서 정의된다.First, as shown in FIG. 10, the semiconductor substrate is etched and a side insulating film (not shown) is formed to define the active region 31 (first step). In this case, the active region 31 is a region of a semiconductor substrate on which a source region, a lower source region, a channel region, and a potential well including a potential well are to be formed. Both sides of the all regions or the source region and The side insulating layer may be formed on both sides of the remaining region except for the lower source region (both sides in a direction perpendicular to the surface of FIG. 10). When the semiconductor substrate is an SOI substrate, the active region 31 is defined on the buried oxide film, which is the bottom insulating film 2.

이어, 도 11과 같이, 상기 액티브 영역(31) 상에 게이트 절연막(50)을 형성하고(제 2 단계), 상기 게이트 절연막(50) 상에 게이트(60)를 형성한다(제 3 단계). 게이트(60) 형성 후 다음 단계 진행 전에 바로 게이트(60)의 측면으로 나와 있는 게이트 절연막(50)을 제거할 수도 있으나, 후속 이온주입공정 이후에 제거하여 이온주입시 표면 보호층으로 활용할 수도 있도록 함이 바람직하다.Next, as shown in FIG. 11, a gate insulating film 50 is formed on the active region 31 (second step), and a gate 60 is formed on the gate insulating film 50 (third step). The gate insulating film 50 emerging from the side of the gate 60 may be removed immediately before the next step after the formation of the gate 60, but may be removed after a subsequent ion implantation process to be used as a surface protection layer during ion implantation. This is preferable.

다음, 상기 게이트 절연막(50) 및 상기 게이트(60)의 상부에 이온주입 차폐층(미도시)을 형성한 후 상기 게이트(60)의 일 측만 열어 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로, 도 12와 같이, 드레인 영역(40)을 형성한다(제 4 단계).Next, after forming an ion implantation shielding layer (not shown) on the gate insulating film 50 and the gate 60, only one side of the gate 60 is opened to impurity implantation having a first conductivity type, FIG. As described above, the drain region 40 is formed (fourth step).

이후, 도 13과 같이, 상기 게이트 절연막(50) 및 상기 게이트(60)의 상부에 이온주입 차폐층(미도시)을 형성한 후 상기 게이트(60)의 타 측만 열어 상대적으로 높은 주입 에너지로 상기 제 1 도전형을 갖는 불순물을 주입하여 하부 소스 영역(10)을 형성하고, 도 14와 같이, 상기 제 1 도전형과 반대되는 제 2 도전형을 갖는 불순물을 상기 하부 소스 영역(10) 형성시보다 작은 주입 에너지로 주입하여 소스 영역(10)을 형성한다(제 5 단계).Subsequently, as shown in FIG. 13, an ion implantation shielding layer (not shown) is formed on the gate insulating layer 50 and the gate 60, and only the other side of the gate 60 is opened to provide relatively high implantation energy. When the impurity having the first conductivity type is implanted to form the lower source region 10, as shown in FIG. 14, when the impurity having the second conductivity type opposite to the first conductivity type is formed, the lower source region 10 is formed. The source region 10 is formed by implanting with a smaller implantation energy (fifth step).

상기 제 4 단계와 상기 제 5 단계는 서로 순서를 바꾸어 진행할 수 있고, 상기 제 5 단계에서, 하부 소스 영역(10)과 소스 영역(10) 형성 순서도 바꾸어 진행할 수 있다.The fourth step and the fifth step may be performed in reverse order. In the fifth step, the order of forming the lower source region 10 and the source region 10 may also be changed.

나머지 공정들은 MOSFET의 1T 디램 셀 소자의 제조방법에 따르면 되므로, 이들에 대한 설명은 생략한다.The rest of the process is according to the manufacturing method of the 1T DRAM cell device of the MOSFET, so the description thereof will be omitted.

1: SOI 기판의 하부 실리콘층 2: 바닥 절연막(매몰 산화막)
3: 반도체 기판(SOI 기판의 상부 실리콘층) 10, 10': 하부 소스 영역
20, 20': 소스 영역 30, 30': 바디 영역
31: 액티브 영역 32, 32': 전위우물
40, 40': 드레인 영역 50: 게이트 절연막
60: 게이트(워드 라인) 82, 84, 86: 컨택 플러그
90: 격리절연막 100: 소스 라인
120: 백 바이어스 라인 200: 비트 라인
1: bottom silicon layer of SOI substrate 2: bottom insulating film (burying oxide film)
3: semiconductor substrate (top silicon layer of SOI substrate) 10, 10 ': bottom source region
20, 20 ': source area 30, 30': body area
31: active area 32, 32 ': potential well
40, 40 ': drain region 50: gate insulating film
60: gate (word line) 82, 84, 86: contact plug
90: insulating film 100: source line
120: back bias line 200: bit line

Claims (14)

반도체 기판에 수평으로 일정거리 떨어져 서로 반대 타입의 불순물로 도핑되어 형성된 소스 영역과 드레인 영역;
상기 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이에 채널이 형성되는 바디 영역;
상기 바디 영역 상에 게이트 절연막을 사이에 두고 형성된 게이트;
상기 소스 영역의 하부에 상기 소스 영역과 반대 타입이고 상기 드레인 영역과 동일한 타입의 불순물로 도핑되어 형성된 하부 소스 영역;
상기 하부 소스 영역, 상기 바디 영역 및 상기 드레인 영역의 하부에 형성된 바닥 절연막; 및
상기 하부 소스 영역과 상기 드레인 영역 사이의 상기 바디 영역의 하부에서 전기적으로 고립되도록 형성된 전위우물을 포함하여 구성되되,
상기 전위우물은 상기 하부 소스 영역과 상기 드레인 영역과는 pn 접합으로 전기적으로 고립되나, 상기 소스 영역과는 동일한 타입의 불순물로 형성되어 전기적으로 연결된 것이고,
상기 하부 소스 영역은 일 방향으로 배열된 셀들과 전기적으로 연결되도록 일체의 도전성 라인으로 형성되어 전압 인가로 상기 전위우물을 제어하는 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자.
A source region and a drain region formed on the semiconductor substrate by being doped with impurities of opposite types to each other at a distance horizontally;
A body region in which a channel is formed between the source region and the drain region;
A gate formed on the body region with a gate insulating layer interposed therebetween;
A lower source region formed below the source region opposite to the source region and doped with impurities of the same type as the drain region;
A bottom insulating film formed under the lower source region, the body region and the drain region; And
A potential well formed to be electrically isolated from a lower portion of the body region between the lower source region and the drain region,
The potential well is electrically isolated from the lower source region and the drain region by a pn junction, but is formed of an impurity of the same type as the source region and electrically connected thereto.
And the lower source region is formed of an integral conductive line to be electrically connected to cells arranged in one direction to control the potential well by voltage application.
제 1 항에 있어서,
상기 소스 영역은 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역)이고,
상기 하부 소스 영역 및 상기 드레인 영역은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+ 영역)이고,
상기 바디 영역은 상기 소스 영역보다 저농도로 도핑된 P형 불순물 저농도 도핑층(P 영역)인 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자.
The method of claim 1,
The source region is a P-type impurity high concentration doping layer (P + region),
The lower source region and the drain region are N-type impurity high concentration doping layer (N + region),
And the body region is a P-type impurity low concentration doping layer (P region) doped at a lower concentration than the source region.
제 1 항에 있어서,
상기 소스 영역은 N형 불순물 고농도 도핑층(N+ 영역)이고,
상기 하부 소스 영역과 상기 드레인 영역은 P형 불순물 고농도 도핑층(P+ 영역)이고,
상기 바디 영역은 상기 소스 영역보다 저농도로 도핑된 N형 불순물 저농도 도핑층(N 영역)인 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자.
The method of claim 1,
The source region is an N-type impurity high concentration doping layer (N + region),
The lower source region and the drain region are P-type impurity high concentration doping layer (P + region),
And the body region is an N-type impurity low concentration doping layer (N region) doped at a lower concentration than the source region.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전위우물은 상기 바디 영역 및 상기 드레인 영역의 양 측면에 형성된 측면 절연막에 의하여 전기적으로 고립되도록 형성된 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자.
The method according to any one of claims 1 to 3,
And the potential well is electrically isolated by side insulating films formed on both sides of the body region and the drain region.
제 4 항에 있어서,
상기 반도체 기판은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이고,
상기 바닥 절연막은 상기 SOI 기판의 매몰 산화막인 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자.
The method of claim 4, wherein
The semiconductor substrate is a silicon-on-insulator (SOI) substrate,
And the bottom insulating film is a buried oxide film of the SOI substrate.
삭제delete 삭제delete 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 게이트는 finFET, triple-gate 및 GAA(gate-all-around) 중 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자.
The method according to any one of claims 1 to 3,
And the gate has a shape of one of finFET, triple-gate and gate-all-around (GAA).
반도체 기판을 식각하고 측면 절연막을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 제 1 단계;
상기 액티브 영역 상에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계;
상기 게이트 절연막 상에 게이트를 형성하는 제 3 단계;
상기 게이트 절연막 및 상기 게이트의 상부에 이온주입 차폐층을 형성한 후 상기 게이트의 일 측만 열어 상기 액티브 영역과 반대되는 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로 드레인 영역을 형성하는 제 4 단계; 및
상기 게이트 절연막 및 상기 게이트의 상부에 이온주입 차폐층을 형성한 후 상기 게이트의 타 측만 열어 상기 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로 하부 소스 영역 및 상기 제 1 도전형과 반대되고 상기 액티브 영역과 같은 제 2 도전형을 갖는 불순물 주입으로 소스 영역을 각각 주입에너지를 달리하며 형성하는 제 5 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자의 제조방법.
A first step of etching the semiconductor substrate and forming a side insulating film to define an active region;
Forming a gate insulating film on the active region;
Forming a gate on the gate insulating film;
A fourth step of forming a drain region by forming an ion implantation shielding layer on the gate insulating layer and the gate, and then opening only one side of the gate to form a drain region by impurity implantation having a first conductivity type opposite to the active region; And
After forming an ion implantation shielding layer on the gate insulating film and the gate, only the other side of the gate is opened, and impurity implantation having the first conductivity type is opposite to the lower source region and the first conductivity type and is the same as the active region. And a fifth step of forming source regions with different implantation energies by impurity implantation having a second conductivity type.
반도체 기판을 식각하고 측면 절연막을 형성하여 액티브 영역을 정의하는 제 1 단계;
상기 액티브 영역 상에 게이트 절연막을 형성하는 제 2 단계;
상기 게이트 절연막 상에 게이트를 형성하는 제 3 단계;
상기 게이트 절연막 및 상기 게이트의 상부에 이온주입 차폐층을 형성한 후 상기 게이트의 일 측만 열어 상기 액티브 영역과 반대되는 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로 드레인 영역을 형성하는 제 4 단계; 및
상기 게이트 절연막 및 상기 게이트의 상부에 이온주입 차폐층을 형성한 후 상기 게이트의 타 측만 열어 상기 제 1 도전형을 갖는 불순물 주입으로 하부 소스 영역 및 상기 제 1 도전형과 반대되고 상기 액티브 영역과 같은 제 2 도전형을 갖는 불순물 주입으로 소스 영역을 각각 주입에너지를 달리하며 형성하는 제 5 단계를 포함하되,
상기 반도체 기판은 SOI(Silicon-On-Insulator) 기판이고,
상기 제 1 단계에서 상기 반도체 기판의 식각 및 상기 측면 절연막의 형성은 상기 제 5 단계에서 상기 하부 소스 영역 및 상기 소스 영역을 제외하고 이웃 셀과 전기적으로 격리되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 1T 디램 셀 소자의 제조방법.
A first step of etching the semiconductor substrate and forming a side insulating film to define an active region;
Forming a gate insulating film on the active region;
Forming a gate on the gate insulating film;
A fourth step of forming a drain region by forming an ion implantation shielding layer on the gate insulating layer and the gate, and then opening only one side of the gate to form a drain region by impurity implantation having a first conductivity type opposite to the active region; And
After forming an ion implantation shielding layer on the gate insulating film and the gate, only the other side of the gate is opened, and impurity implantation having the first conductivity type is opposite to the lower source region and the first conductivity type and is the same as the active region. A fifth step of forming source regions with different implantation energies by impurity implantation having a second conductivity type,
The semiconductor substrate is a silicon-on-insulator (SOI) substrate,
The etching of the semiconductor substrate and the formation of the side insulating layer in the first step may be performed to electrically isolate the neighboring cell except for the lower source region and the source region in the fifth step. Manufacturing method.
삭제delete 제 1 항의 1T 디램 셀 소자가 복수 개 배열된 메모리 어레이에서,
열 방향으로 배열된 상기 각 1T 디램 셀 소자의 게이트는 워드 라인으로 형성되고,
행 방향으로 배열된 상기 각 1T 디램 셀 소자의 드레인 영역은 컨택 플러그를 통하여 상기 워드 라인과 수직인 비트 라인에 연결되고,
상기 각 1T 디램 셀 소자의 소스 영역은 열 방향으로 상기 워드 라인과 나란하게 공통 소스 라인으로 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 어레이.
In a memory array in which a plurality of 1T DRAM cell elements of claim 1 are arranged,
The gates of each of the 1T DRAM cell elements arranged in the column direction are formed of word lines,
The drain region of each of the 1T DRAM cell elements arranged in a row direction is connected to a bit line perpendicular to the word line through a contact plug,
And the source region of each of the 1T DRAM cell elements is formed as a common source line in parallel with the word line in a column direction.
제 12 항에 있어서,
상기 각 1T 디램 셀 소자의 하부 소스 영역은 열 방향으로 상기 워드 라인과 나란하게 일체의 도전성 라인으로 형성된 것을 특징으로 하는 메모리 어레이.
The method of claim 12,
And a lower source region of each of the 1T DRAM cell elements is formed as an integral conductive line in parallel with the word line in a column direction.
제 13 항에 있어서,
상기 도전성 라인을 통하여 상기 각 1T 디램 셀 소자의 전위우물을 제어하는 것을 특징으로 하는 메모리 어레이.
The method of claim 13,
And a potential well of each of the 1T DRAM cell elements through the conductive line.
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Free format text: TRIAL NUMBER: 2017101005802; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20171130

Effective date: 20190730

S901 Examination by remand of revocation
GRNO Decision to grant (after opposition)
GRNT Written decision to grant