WO2022219703A1 - 半導体素子を用いたメモリ装置 - Google Patents
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- G11C14/0009—Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down in which the volatile element is a DRAM cell
- G11C14/0018—Digital stores characterised by arrangements of cells having volatile and non-volatile storage properties for back-up when the power is down in which the volatile element is a DRAM cell whereby the nonvolatile element is an EEPROM element, e.g. a floating gate or metal-nitride-oxide-silicon [MNOS] transistor
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Definitions
- the present invention relates to a memory device using semiconductor elements.
- the channel In a normal planar MOS transistor, the channel extends horizontally along the upper surface of the semiconductor substrate. In contrast, the SGT channel extends in a direction perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, for example). For this reason, the SGT enables a higher density semiconductor device compared to a planar MOS transistor.
- a DRAM Dynamic Random Access Memory
- a PCM Phase Change Memory
- Non-Patent Document 4 RRAM (Resistive Random Access Memory, see, for example, Non-Patent Document 4), MRAM (Magneto-resistive Random Access Memory, see, for example, Non-Patent Document 5) that changes the resistance by changing the direction of the magnetic spin by current ) can be highly integrated.
- DRAM memory cell see Non-Patent Document 7 which is composed of one MOS transistor and does not have a capacitor.
- the present application relates to a dynamic flash memory that does not have resistance change elements or capacitors and can be configured only with MOS transistors.
- FIGS. 7(a) to 7(d) show the write operation of a DRAM memory cell composed of a single MOS transistor without the aforementioned capacitor
- FIGS. 8(a) and 8(b) show the operation The problem is shown in FIGS. 9(a) to 9(c) for the read operation (see Non-Patent Documents 7 to 10).
- FIG. 7(a) shows a "1" write state.
- the memory cell is formed on the SOI substrate 100 and includes a source N + layer 103 (hereinafter, a semiconductor region containing a high concentration of donor impurities is referred to as an “N + layer”) to which a source line SL is connected.
- a memory cell of the DRAM is composed of these pieces.
- the SiO 2 layer 101 of the SOI substrate is in contact directly below the floating body 102 .
- the MOS transistor 110 is operated in the saturation region. That is, the electron channel 107 extending from the source N + layer 103 has a pinch-off point 108 and does not reach the drain N + layer 104 connected to the bit line.
- both the bit line BL connected to the drain N + layer and the word line WL connected to the gate conductive layer 105 are set at a high voltage, and the MOS transistor 110 is turned on by setting the gate voltage to about half the drain voltage.
- the electric field strength is maximum at the pinch-off point 108 near the drain N + layer 104 .
- FIG. 7B shows the floating body 102 saturated with the generated holes 106 .
- FIG. 7(c) shows how the "1" write state is rewritten to the "0" write state.
- the capacitance CFB of the floating body is composed of the capacitance CWL between the gate connected to the word line and the floating body, and the source N + layer 103 connected to the source line.
- FIGS. 9(a) to (c) The read operation is shown in FIGS. 9(a) to (c), where FIG. 9(a) shows a "1" write state and FIG. 9(b) shows a "0" write state.
- FIGS. 9(a) to (c) show a "1" write state
- FIG. 9(b) shows a "0" write state.
- Vb the floating body 102
- the floating body 102 is pulled down to a negative bias when the word line returns to 0 V at the end of writing.
- the negative bias becomes even deeper. Therefore, as shown in FIG. Therefore, it has been difficult to commercialize a DRAM memory cell that does not actually have a capacitor.
- Critoloveanu “A Compact Capacitor-Less High-Speed DRAM Using Field Effect-Controlled Charge Regeneration,” Electron Device Letters, Vol. 35, No.2, pp. 179-181 (2012) T. Ohsawa, K. Fujita, T. Higashi, Y. Iwata, T. Kajiyama, Y. Asao, and K. Sunouchi: “Memory design using a one-transistor gain cell on SOI,” IEEE JSSC, vol.37, No.11, pp1510-1522 (2002). T. Shino, N. Kusunoki, T. Higashi, T. Ohsawa, K. Fujita, K. Hatsuda, N. Ikumi, F.
- the memory device includes: A memory device in which pages are configured by a plurality of memory cells arranged in a row direction on a substrate and the plurality of pages are arranged in a column direction, each memory cell included in each page, a semiconductor body on a substrate, standing vertically or extending horizontally with respect to the substrate; a first impurity layer and a second impurity layer at both ends of the semiconductor matrix; a first gate insulating layer surrounding part or all of a side surface of the semiconductor substrate between the first impurity layer and the second impurity layer and in contact with or in close proximity to the first impurity layer; When, a second gate insulating layer surrounding the side surface of the semiconductor base, connected to the first gate insulating layer, and in contact with or close to the second impurity layer; a first gate conductor layer covering part or all of the first gate insulating layer; a second gate conductor layer covering the second gate insulating layer; the semiconductor matrix has a channel semiconductor layer covered with
- the first page is composed of at least one set of divided pages, and the first memory cell group included in the first page performs a divided page write operation during a first period. and the second memory cell group included in the first page performs the divided page write operation during the second period (second invention).
- the third memory cell group included in the second page among the plurality of pages performs the divided page write operation in the third period and is included in the second page.
- the fourth memory cell group performs the divided page write operation in the fourth period, and performs the first period, the third period, the second period, and the fourth period in order of time series. (third invention).
- the first impurity layer of the memory cells included in the plurality of pages is connected to a source line
- the second impurity layer is connected to a bit line
- the first gate conductor layer and the second impurity layer are connected to a bit line.
- one of the two gate conductor layers is connected to the word line and the other is connected to the first drive control line
- the source line is connected between the semiconductor base bodies in the block;
- the group of holes in all the semiconductor bases of the page selected in the block by voltages applied to the source line, the bit line, the first drive control line, and the word line performing the page erase operation to remove the (Fourth invention).
- the first bit line group is selected and the first bit line group is connected during the first period.
- the first gate capacitance between the first gate conductor layer and the channel semiconductor layer is between the second gate conductor layer and the channel semiconductor layer. It is characterized by being larger than the second gate capacitance (sixth invention).
- the first gate conductor layer is separated into two conductor layers surrounding the first gate insulating layer in plan view (seventh invention).
- FIG. 1 is a structural diagram of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. The gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL of the memory device having the SGT according to the first embodiment is greater than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL.
- FIG. 10 is a diagram for explaining the effect of increasing the .
- FIG. 4 is a diagram for explaining a write operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a write operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 2 is a diagram for explaining a read operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a divided page write operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is an operation waveform diagram for explaining a divided page write operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a divided page write operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a divided page write operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 4 is a diagram for explaining a divided page write operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
- FIG. 10 is a diagram for explaining a write operation of a conventional DRAM memory cell that does not have a capacitor;
- FIG. 4 is a diagram for explaining operational problems of a conventional DRAM memory cell that does not have a capacitor;
- FIG. 2 illustrates a read operation of a DRAM memory cell without a conventional capacitor;
- dynamic flash memory a memory device using semiconductor elements (hereinafter referred to as dynamic flash memory) according to the present invention will be described with reference to the drawings.
- FIG. 1 The structure and operation mechanism of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
- FIG. 2 The structure of a dynamic flash memory cell will be described with reference to FIG.
- the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL becomes larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL.
- a data write operation mechanism will be described with reference to FIG. 3
- a data erase operation mechanism will be described with reference to FIG. 4
- a data read operation mechanism will be described with reference to FIG.
- FIG. 1 shows the structure of a dynamic flash memory cell according to a first embodiment of the invention.
- a silicon semiconductor pillar 2 having a conductivity type of P-type or i-type (intrinsic type) formed on a substrate hereinafter, a silicon semiconductor pillar is referred to as a “Si pillar”) (of “semiconductor matrix” in claims) ), one of which serves as a source and the other serves as a drain . ”) is formed.
- Si pillar silicon semiconductor pillar
- a first gate insulating layer 4a (which is an example of the "first gate insulating layer” in the claims) and a second gate insulating layer 4b (the “first gate insulating layer” in the claims) surround the channel region 7. 2) is formed.
- the first gate insulating layer 4a and the second gate insulating layer 4b are in contact with or close to the N + layers 3a and 3b serving as the source and drain, respectively.
- a first gate conductor layer 5a (which is an example of the "first gate conductor layer” in the scope of claims) and a second gate conductor layer 5a surround the first gate insulation layer 4a and the second gate insulation layer 4b.
- a gate conductor layer 5b (which is an example of the "second gate conductor layer” in the claims) is formed respectively.
- the first gate conductor layer 5a and the second gate conductor layer 5b are separated by an insulating layer 6 (which is an example of the "first insulating layer” in the claims).
- a channel region 7 between the N + layers 3a and 3b is a first channel Si layer 7a (an example of a "first channel semiconductor layer” in the scope of claims) surrounded by a first gate insulating layer 4a. ) and a second channel Si layer 7b (which is an example of the "second channel semiconductor layer” in the claims) surrounded by the second gate insulating layer 4b.
- a dynamic flash memory cell 10 is formed.
- the N + layer 3a serving as the source is connected to the source line SL (an example of the "source line” in the scope of claims), and the N + layer 3b serving as the drain is connected to the bit line BL ("bit line" in the scope of claims).
- the first gate conductor layer 5a is a plate line PL (an example of a “first drive control line” in the scope of claims)
- the second gate conductor layer 5b is a word line WL (which is an example of "word line” in the scope of claims), respectively.
- the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a to which the plate line PL is connected may be larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected. desirable.
- the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is made larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL.
- the gate length of the first gate conductor layer 5a is made longer than the gate length of the second gate conductor layer 5b.
- the gate length of the first gate conductor layer 5a is not made longer than the gate length of the second gate conductor layer 5b.
- the thickness of the gate insulating film of the gate insulating layer 4a may be thinner than the thickness of the gate insulating film of the second gate insulating layer 4b.
- the dielectric constant of the gate insulating film of the first gate insulating layer 4a is made higher than that of the gate insulating film of the second gate insulating layer 4b.
- the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is It may be larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected.
- FIG. 2(a) shows a structural diagram of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention with only the main parts simplified.
- a bit line BL, a word line WL, a plate line PL, and a source line SL are connected to the dynamic flash memory cell, and the potential state of the channel region 7 is determined by the voltage state thereof.
- FIG.2(b) is a figure for demonstrating each capacity
- the capacitance CFB of the channel region 7 is composed of the capacitance CWL between the gate conductor layer 5b connected to the word line WL and the channel region 7, and the capacitance CWL between the gate conductor layer 5a connected to the plate line PL and the channel region 7.
- C PL >C WL ⁇ PL > ⁇ WL .
- FIG. 2(c) is a diagram for explaining changes in the voltage VFB of the channel region 7 when the voltage VWL of the word line WL rises and then falls during read and write operations.
- FB is as follows.
- FIG. 3A(a)-(c) and FIG. 3B illustrate a memory write operation (which is an example of a "memory write operation" in the claims) of a dynamic flash memory cell according to a first embodiment of the present invention.
- FIG. 3A(a) shows the mechanism of the write operation
- FIG. 3A(b) shows the operation waveforms of the bit line BL, the source line SL, the plate line PL, the word line WL, and the channel region 7 which is the floating body FB.
- V FB the voltage of channel region 7
- V FB the voltage of channel region 7
- Vss is applied to the bit line BL, source line SL and word line WL
- V PLL is applied to the plate line PL.
- Vss is 0V and V PLL is 2V.
- V PLL is 2V.
- word line WL rises from Vss to V WLH .
- the threshold voltage for erasing "0" of the second N-channel MOS transistor is VtWL "0".
- the second capacitive coupling between the word line WL and the channel region 7 increases the voltage of the channel region 7 to V FB "0"+ ⁇ BL ⁇ V BLH + ⁇ WL ⁇ VtWL becomes "0".
- an annular inversion layer 12b is formed in the channel region 7 on the inner circumference of the second gate conductor layer 5b, and the word line WL and the channel region 7 are separated from each other. block the capacitive coupling of 2.
- V PLL 2 V
- an annular inversion layer 12a is formed in the inner channel region 7 of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL.
- a pinch-off point 13 exists.
- the first N-channel MOS transistor having the first gate conductor layer 5a operates in the linear region.
- the second N channel MOS transistor having second gate conductor layer 5b connected to word line WL operates in the saturation region.
- there is no pinch-off point in channel region 7 on the inner periphery of second gate conductor layer 5b connected to word line WL and inversion layer 12b is formed on the entire inner periphery of gate conductor layer 5b.
- the inversion layer 12b formed entirely on the inner periphery of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL is the substantial drain of the second N-channel MOS transistor having the second gate conductor layer 5b.
- the channel region 7 between the first N-channel MOS transistor having the first gate conductor layer 5a and the second N-channel MOS transistor having the second gate conductor layer 5b, which are connected in series, has a second The electric field is maximum at the boundary region of 1 and the impact ionization phenomenon occurs in this region. Since this region is the region on the source side viewed from the second N-channel MOS transistor having the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL, this phenomenon is called the source-side impact ionization phenomenon. Due to this source-side impact ionization phenomenon, electrons flow from the N + layer 3a connected to the source line SL toward the N + layer 3b connected to the bit line.
- the generated hole group 9 (an example of the "hole group” in the claims) is the majority carrier of the channel region 7, and the channel region 7 is Charge to positive bias. Since the N + layer 3a connected to the source line SL is at 0V, the channel region 7 is at the built-in voltage Vb (approximately 0 V) of the PN junction between the N + layer 3a connected to the source line SL and the channel region 7. .7V). When channel region 7 is positively biased, the threshold voltages of the first N-channel MOS transistor and the second N-channel MOS transistor are lowered due to the substrate bias effect.
- bit line BL drops from V BLH to Vss. Since the bit line BL and the channel region 7 are capacitively coupled, the final "1" write voltage V FB "1" of the channel region 7 is as follows.
- VFB "1" Vb - ⁇ WL x VtWL "1" - ⁇ BL x VBLH (7)
- the coupling ratio ⁇ BL between the bit line BL and the channel region 7 is also small.
- the threshold voltage of the second N-channel MOS transistor in the second channel region 7b connected to the word line WL is lowered.
- a memory write operation is performed by setting the "1" write state of the channel region 7 as a first data retention voltage (which is an example of a "first data retention voltage” in the scope of claims), and logical storage data "1" is stored. ”.
- Electron-hole pairs may be generated by the impact ionization phenomenon in the third boundary region between the channel semiconductor layer 7b and the channel region 7 may be charged with the generated hole groups 9 .
- FIG. 4A shows a memory block circuit diagram for explaining the page erase operation. Although a total of 9 memory cells CL11 to CL33 of 3 rows ⁇ 3 columns are shown here, the actual memory block is larger than this matrix. When memory cells are arranged in rows and columns, one direction of the arrangement is called “row direction” (or “row”), and the direction perpendicular thereto is called “column direction” (or “column”).
- a source line SL, bit lines BL 1 to BL 3 , plate lines PL 1 to PL 3 and word lines WL 1 to WL 3 are connected to each memory cell. For example, in this block, it is assumed that memory cells CL21 to CL23 connected by plate line PL2 and word line WL2 are selected and page erase operation is performed.
- FIG. 4B(a) shows the timing operation waveform diagram of the main nodes of the erase operation.
- T0 to T12 represent times from the start to the end of the erasing operation.
- FIG. 4B(b) shows a state in which the hole groups 9 generated by impact ionization in the previous cycle are stored in the channel region 7 at time T0 before the erasing operation.
- the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL go from Vss to high voltage states of V BLH and V SLH , respectively.
- Vss is 0V, for example.
- the plate line PL 2 and the word line WL 2 selected in the page erase operation are set to the first voltage V PLL to the second voltage V PLH and the third voltage V PLH , respectively, during the next period T3 to T4.
- the inversion layer 12b on the inner circumference of the connected second gate conductor layer 5b is not formed.
- VBLH and VSLH are the threshold voltages of the second N-channel MOS transistor on the word line WL2 side and the first N-channel MOS transistor on the plate line PL2 side , respectively.
- tPL it is desirable that V BLH >V WLH +V tWL and V SLH >V PLH +V tPL .
- V tWL and V tPL are 0.5 V
- V WLH and V PLH should be set to 3 V
- V BLH and V SLH should be set to 3.5 V or more.
- the floating channel is accompanied by the plate line PL 2 and the word line WL 2 going to the high voltage state of the second voltage V PLH and the fourth voltage V WLH .
- the voltage in region 7 is boosted by a first capacitive coupling between plate line PL 2 and channel region 7 and a second capacitive coupling between word line WL 2 and channel region 7 .
- the voltage of the channel region 7 becomes a high voltage from V FB "1" in the "1" write state.
- the voltages of the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL are high voltages V BLH and V SLH , the PN junction between the source N + layer 3a and the channel region 7 and the drain N + A boost is possible because the PN junction between layer 3b and channel region 7 is in a reverse biased state.
- the page erase operation mechanism of FIG. 4B(a) will be described.
- the voltages on the bit lines BL 1 -BL 3 and the source line SL drop from the high voltages V BLH and V SLH to Vss.
- the PN junction between the source N + layer 3a and the channel region 7 and the PN junction between the drain N + layer 3b and the channel region 7 are forward biased as shown in FIG.
- the remaining hole groups in the hole groups 9 in the channel region 7 are discharged to the source N + layer 3a and the drain N + layer 3b.
- the voltage V FB of the channel region 7 becomes the PN junction formed between the source N + layer 3 a and the P layer channel region 7 and the PN junction formed between the drain N + layer 3 b and the P layer channel region 7 . is the built-in voltage Vb.
- the page erase operation mechanism of FIG. 4B(a) will be described.
- the voltages of the bit lines BL 1 -BL 3 and the source line SL rise from Vss to high voltages V BLH and V SLH .
- the plate line PL 2 and the word line WL 2 are changed from the second voltage V PLH and the fourth voltage V WLH to the first voltage V at times T9 to T10, respectively.
- the voltage in the channel region 7 can be efficiently reduced without forming the inversion layer 12a on the plate line PL2 side and the inversion layer 12b on the word line WL2 side in the channel region 7.
- V FB changes from Vb to V FB "0" due to the first capacitive coupling between plate line PL 2 and channel region 7 and the second capacitive coupling between word line WL 2 and channel region 7 . Therefore, the voltage difference ⁇ V FB between the "1" written state and the "0" erased state of the channel region 7 is expressed by the following equation.
- VFB "1” Vb - ⁇ WL x VtWL “1” - ⁇ BL x VBLH (7)
- V FB "0” Vb - ⁇ WL ⁇ V WLH - ⁇ PL ⁇ (V PLH - V PLL )
- the sum of ⁇ WL and ⁇ PL is 0.8 or more, ⁇ V FB becomes large, and a sufficient margin can be obtained.
- the page erase operation mechanism of FIG. 4B(a) will be described.
- the voltages of the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL drop from V BLH to Vss and from V SLH to Vss, respectively, and the erase operation ends.
- the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL slightly lower the voltage of the channel region 7 by capacitive coupling. Since the voltage of the region 7 is equivalent to the amount raised by the capacitive coupling, the increase and decrease of the voltages of the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL are canceled out, and as a result, the voltage of the channel region 7 is not affected. .
- the page erase operation is performed by using the voltage V FB "0" in the "0" erased state of the channel region 7 as the second data retention voltage (which is an example of the "second data retention voltage” in the scope of claims). and assigns it to logical storage data "0".
- the difference between FIG. 4D and FIG. 4B is that the bit lines BL 1 to BL 3 are set to Vss or floating, and the word line WL 2 is fixed to Vss during the page erase operation.
- the second N-channel MOS transistor of the word line WL2 becomes non-conductive and no memory cell current flows. Therefore, the hole group 9 is not generated by the impact ionization phenomenon.
- the source line SL swings between Vss and V SLH
- the plate line PL2 swings between V PLL and V PLH , as in FIG . 4B.
- the hole group 9 is discharged to the first impurity layer N + layer 3a of the source line SL as shown in FIG. 4D(c).
- the difference between FIG. 4E and FIG. 4B is that the source line SL is kept at Vss or in a floating state, and the plate line PL2 is fixed at Vss during the page erase operation.
- the bit lines BL 1 to BL 3 rise from Vss to V BLH at times T1 to T2
- the first N-channel MOS transistors of the plate line PL 2 are rendered non-conductive and no memory cell current flows. . Therefore, the hole group 9 is not generated by the impact ionization phenomenon.
- bit lines BL 1 to BL 3 swing between Vss and V BLH
- word line WL 2 swings between Vss and V WLH , as in FIG. 4B.
- the hole group 9 is discharged to the second impurity layer N + layer 3b of the bit lines BL 1 to BL 3 as shown in FIG. 4E(c).
- FIG. 5A to 5C are diagrams for explaining the read operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention.
- FIG. 5(a) when the channel region 7 is charged to the built-in voltage Vb (approximately 0.7V), a second N-channel having a second gate conductor layer 5b connected to the word line WL is formed.
- the threshold voltage of the MOS transistor is lowered due to the substrate bias effect. This state is assigned to logical storage data "1".
- FIG. 5(b) the memory block selected before writing is in the erased state "0" in advance, and the voltage VFB of the channel region 7 is VFB "0".
- a write operation randomly stores a write state of "1".
- logical storage data of logical "0" and “1” are created for the word line WL.
- reading is performed by the sense amplifier using the level difference between the two threshold voltages for the word line WL.
- FIGS. 6A to 6E A divided page write operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6E.
- FIG. 6A shows part of a block (an example of "block” in the claims) in which a plurality of memory cells C00 to C53 are arranged in a matrix of 4 rows ⁇ 6 columns.
- the number of memory cells is more than 4 rows ⁇ 6 columns.
- Word lines WL0 to WL3, plate lines PL0 to PL3, and bit lines BL0 to BL3 are connected to each memory cell.
- Bit lines BL0 to BL5 are connected to sense amplifier circuits SA0 to SA5.
- FIG. 6A it is assumed that the page erase operation described in FIGS. 4A to 4E has been performed in advance and memory cells C00 to C53 are in the "0" erased state. Then, for example, all the memory cells C01, C11, C21, C31, C41 and C51 included in the first page (which is an example of the "first page” in the claims) are subjected to the divided page write operation (Patent A case of performing the "divided page write operation" in the claims) will be specifically described.
- the divided page write operation divides a selected page that has undergone a page erase operation in advance into at least one set of divided pages (which is an example of a “divided page” in the scope of claims), and writes all of the pages included in the selected page.
- a memory cell is subjected to a page write operation by at least one divided page write operation.
- the operation waveform diagram is shown in FIG. 6B, and word line WL1 and plate line PL1 connected to memory cells C01, C11, C21, C31, C41 and C51 are selected.
- the time T1 to T4 is defined as the first period of the divided page write operation (an example of the "first period” in the scope of claims), and the time T5 to T8 is defined as the second period of the divided page write operation ( is an example of the “second period” in the claims).
- the word line WL1 rises from the first voltage V1 to the second voltage V2.
- the bit lines BL0 to BL5 are at the third voltage V3, which is a low voltage. 12b can be done.
- the capacitive coupling between the word line WL1 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded), and the hole groups 9 accumulated in the channel semiconductor layer of the memory cell to which "1" is written are transferred to the first channel semiconductor layer. It prevents extraction from one or both of the impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- bit lines BL0 and BL2 are raised from the third voltage V3 to the fourth voltage V4. Since the word line WL1 is at the second voltage V2 prior to the bit lines BL0 and BL2, the "1" division page write operation is performed in the memory cells C01 and C21.
- bit lines BL0 and BL2 at the fourth voltage V4 drop to the third voltage V3.
- word line WL1 is at the second voltage V2 and high voltage.
- an inversion layer 12b is formed in the second channel semiconductor layer 7b as the bit lines BL0 and BL2 descend.
- the word line WL1 drops from the second voltage V2 to the first voltage V1.
- the second channel semiconductor layer 7b has an inversion layer 12b, and the capacitive coupling between the word line WL1 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded). This prevents the hole group 9 stored in the channel semiconductor layer from being extracted from one or both of the first impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the word line WL1 again rises from the first voltage V1 to the second voltage V2.
- the bit lines BL0 to BL5 are at the third voltage V3, which is a low voltage. 12b can be done.
- the capacitive coupling between the word line WL1 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded), and the hole groups 9 accumulated in the channel semiconductor layer of the memory cell to which "1" is written are transferred to the first channel semiconductor layer. It prevents extraction from one or both of the impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the bit lines BL3 and BL4 are raised from the third voltage V3 to the fourth voltage V4. Since the word line WL1 is at the second voltage V2 prior to the bit lines BL3 and BL4, the "1" division page write operation is performed in the memory cells C31 and C41.
- bit lines BL3 and BL4 at the fourth voltage V4 drop to the third voltage V3.
- word line WL1 is at the second voltage V2 and high voltage.
- an inversion layer 12b is formed in the second channel semiconductor layer 7b.
- the word line WL1 drops from the second voltage V2 to the first voltage V1.
- the second channel semiconductor layer 7b has an inversion layer 12b, and the capacitive coupling between the word line WL1 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded). This prevents the hole group 9 stored in the channel semiconductor layer from being extracted from one or both of the first impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the source line SL may be set to the fifth voltage V5.
- the plate line PL1 which is the first drive control line, may be set to the sixth voltage V6.
- the plate line PL1 is decoded and selected in the same manner as the word line WL1. good.
- the divided write operation in the first period from time T1 to T4 in FIG. 6C is the same as that in FIG. 6B, so the description is omitted.
- the word line WL2 is raised from the first voltage V1 to the second voltage V2 at time S1.
- the bit lines BL0 to BL5 are at a low voltage of the third voltage V3. 12b can be done.
- the capacitive coupling between the word line WL2 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded), and the hole groups 9 stored in the channel semiconductor layer of the memory cell to which "1" is written are transferred to the first channel semiconductor layer. It prevents extraction from one or both of the impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the sense amplifier circuits SA0 to SA2 receive the third memory cell group (an example of the "third memory cell group” in the scope of claims) in a third period different from the first period. ) is loaded, and according to the data, the bit lines BL1 and BL2 are raised from the third voltage V3 to the fourth voltage V4. Since the word line WL2 is at the second voltage V2 prior to the bit lines BL1 and BL2, the "1" division page write operation is performed in the memory cells C12 and C22.
- the third memory cell group an example of the "third memory cell group” in the scope of claims
- bit lines BL1 and BL2 at the fourth voltage V4 drop to the third voltage V3.
- word line WL2 is at the second voltage V2 and high voltage.
- an inversion layer 12b is formed in the second channel semiconductor layer 7b.
- the word line WL2 drops from the second voltage V2 to the first voltage V1.
- the second channel semiconductor layer 7b has an inversion layer 12b, and the capacitive coupling between the word line WL2 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded). This prevents the hole group 9 stored in the channel semiconductor layer from being extracted from one or both of the first impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the word line WL1 again rises from the first voltage V1 to the second voltage V2.
- the bit lines BL0 to BL5 are at the third voltage V3, which is a low voltage. 12b can be done.
- the capacitive coupling between the word line WL1 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded), and the hole groups 9 accumulated in the channel semiconductor layer of the memory cell to which "1" is written are transferred to the first channel semiconductor layer. It prevents extraction from one or both of the impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- bit lines BL3 and BL4 are set at the third voltage according to the data. From V3, it rises to a fourth voltage V4. Since the word line WL1 is at the second voltage V2 prior to the bit lines BL3 and BL4, the "1" division page write operation is performed in the memory cells C31 and C41.
- bit lines BL3 and BL4 at the fourth voltage V4 drop to the third voltage V3.
- word line WL1 is at the second voltage V2 and high voltage.
- an inversion layer 12b is formed in the second channel semiconductor layer 7b.
- the word line WL1 drops from the second voltage V2 to the first voltage V1.
- the second channel semiconductor layer 7b has an inversion layer 12b, and the capacitive coupling between the word line WL1 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded). This prevents the hole group 9 stored in the channel semiconductor layer from being extracted from one or both of the first impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the word line WL2 again rises from the first voltage V1 to the second voltage V2.
- the bit lines BL0 to BL5 are at a low voltage of the third voltage V3. 12b can be done.
- the capacitive coupling between the word line WL2 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded), and the hole groups 9 stored in the channel semiconductor layer of the memory cell to which "1" is written are transferred to the first channel semiconductor layer. It prevents extraction from one or both of the impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- the sense amplifier circuits SA3 to SA5 receive a fourth memory cell group (an example of a "fourth memory cell group") in a fourth period different from the second period. ) has been loaded, and according to the data, bit lines BL3 and BL5 are raised from the third voltage V3 to the fourth voltage V4. Since the word line WL2 is at the second voltage V2 prior to the bit lines BL3 and BL5, the "1" division page write operation is performed in the memory cells C32 and C52.
- bit lines BL3 and BL5 at the fourth voltage V4 drop to the third voltage V3.
- word line WL2 is at the second voltage V2 and high voltage.
- an inversion layer 12b is formed in the second channel semiconductor layer 7b as the bit lines BL3 and BL5 descend.
- the word line WL2 drops from the second voltage V2 to the first voltage V1.
- the second channel semiconductor layer 7b has an inversion layer 12b, and the capacitive coupling between the word line WL2 and the channel semiconductor layer 7b is interrupted (shielded). This prevents the hole group 9 stored in the channel semiconductor layer from being extracted from one or both of the first impurity layer 3a and the second impurity layer 3b.
- FIG. 6D shows a state in which the word line WL1 and the plate line PL1 of the first page are selected, and the first bit line group BL0 to BL2 ("first bit line group") is selected, the divided page write operation of the first memory cell group connected to the first bit line group is performed, and the second bit line group is written in the second period.
- BL3 to BL5 which is an example of the "first bit line group” in the claims
- FIG. 6E shows an example in which the plate line PL1 is clocked in the same manner as the word line WL1 in divided page writing of the first page.
- the plate line PL1 is raised from the low seventh voltage V7 to the eighth voltage V8 higher than the seventh voltage V7.
- the dynamic flash memory operation described in this embodiment can be performed even if the horizontal cross-sectional shape of the Si pillar 2 is circular, elliptical, or rectangular. Circular, elliptical, and rectangular dynamic flash memory cells may also be mixed on the same chip.
- a first gate insulating layer 4a and a second gate insulating layer 4b are provided to surround the entire side surface of the Si pillar 2 standing vertically on the substrate.
- the dynamic flash memory device has been described by taking as an example the SGT having the first gate conductor layer 5a and the second gate conductor layer 5b surrounding the entirety of the two gate insulating layers 4b.
- this dynamic flash memory device may have any structure as long as it satisfies the condition that the hole groups 9 generated by the impact ionization phenomenon are retained in the channel region 7 .
- the channel region 7 may have a floating body structure separated from the substrate 1.
- Non-Patent Document 10 GAA (Gate All Around: see, for example, Non-Patent Document 10 10) technology and Nanosheet technology (see, for example, Non-Patent Document 11), which is one of the SGTs, the semiconductor matrix in the channel region is formed into the substrate 1
- the dynamic flash memory operation described above is possible even if it is formed horizontally with respect to the
- it may be a device structure using SOI (Silicon On Insulator) (for example, see Non-Patent Documents 7 to 10).
- SOI Silicon On Insulator
- the bottom of the channel region is in contact with the insulating layer of the SOI substrate, and other channel regions are surrounded by a gate insulating layer and an element isolation insulating layer.
- the channel region has a floating body structure.
- the dynamic flash memory device only needs to satisfy the condition that the channel region has a floating body structure. Also, even in a structure in which a Fin transistor (see, for example, Non-Patent Document 13) is formed on an SOI substrate, the dynamic flash operation can be performed if the channel region has a floating body structure.
- a Fin transistor see, for example, Non-Patent Document 13
- a gate induced drain leakage (GIDL) current (see, for example, Non-Patent Document 14) is used to generate electron-hole pairs, and the generated hole groups The inside of the channel region 7 may be filled.
- GIDL gate induced drain leakage
- equations (1) to (12) in this specification and drawings are equations used to qualitatively explain phenomena, and phenomena are not limited by those equations.
- the reset voltage of the word line WL, bit line BL, and source line SL is described as Vss, but they may be set to different voltages.
- FIG. 4A An example of page erase operation conditions is shown in FIG. 4A.
- the voltage applied to the word line WL may be changed.
- a voltage may be applied to the source line SL of the selected page, and the bit line BL may be in a floating state.
- a voltage may be applied to the bit line BL of the selected page, and the source line SL may be in a floating state.
- the vertical length of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is made longer than the vertical length of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL, It is desirable that C PL >C WL .
- simply adding the plate line PL reduces the capacitive coupling ratio (C WL /(C PL +C WL +C BL +C SL )) of the word line WL to the channel region 7 .
- the potential variation ⁇ V FB of the channel region 7 of the floating body becomes small.
- the voltage V PLL of the plate line PL may be a fixed voltage of 2 V, for example, in each operation mode other than selective erasing in the block erasing operation.
- a gate insulating layer, a gate conductor layer, or the like covers a channel or the like means “to cover”. It also includes the case of surrounding a part of the transistor like a transistor, and the case of overlapping a planar object like a planar transistor.
- the first gate conductor layer 5a surrounds the entire first gate insulating layer 4a.
- the first gate conductor layer 5a may have a structure surrounding part of the first gate insulating layer 4a in plan view.
- the outside of the first gate insulating layer not covered with the first gate conductor layer 5a is covered with an insulating layer or a third gate conductor layer electrically isolated from the first gate conductor layer.
- a third gate conductor layer is provided, a constant voltage or pulse voltage can be applied to the third gate conductor layer to perform dynamic flash memory operation.
- many holes are accumulated in the first channel region 7a due to the structure in which the first gate conductor layer 5a surrounds part of the first gate insulating layer 4a in plan view. be able to.
- the N + layer 3a serving as the source is connected to the source line SL
- the N + layer 3b serving as the drain is connected to the bit line BL
- the first gate conductor layer 5a is connected to the plate line PL
- the second gate conductor layer 5b is connected to the word line. line WL, respectively.
- the structure is characterized in that the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a to which the plate line PL is connected is larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected. .
- a first gate conductor layer and a second gate conductor layer are stacked vertically. Therefore, the structure is such that the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a to which the plate line PL is connected is larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected.
- it does not increase the memory cell area in plan view. As a result, high performance and high integration of dynamic flash memory cells can be realized at the same time.
- the user can set the number of memory cells connected to the page (page size) to perform the divided page write operation.
- Data size can be freely selected.
- the memory cell group for the divided page write operation can be easily divided, and the divided page write operation can be performed on different memory cell groups by changing pages to be selected with respect to a plurality of different pages. .
- DRAM which is a conventional volatile memory
- the split page write operation of the dynamic flash memory cell of the present invention greatly expands system flexibility for users dealing with various data capacities. As a result, high speed system can be achieved.
- the plate line may be shared by the memory cells C00 to C53. As a result, not only the process and circuit become simpler, but also higher speed can be realized.
- a Si pillar is formed, but a semiconductor pillar made of a semiconductor material other than Si may be used. This also applies to other embodiments according to the present invention.
- a semiconductor pillar is used as a channel. formed in the direction
- the semiconductor pillars at both ends of these memory cells have a source line impurity layer corresponding to the source and a bit line impurity layer corresponding to the drain.
- the vertical NAND flash memory circuit is one of the SGT circuits. Therefore, the present invention can also be applied to mixed circuits with NAND flash memory circuits.
- a dynamic flash memory which is a memory device using high-density and high-performance SGTs, can be obtained.
- Dynamic flash memory cell 2 Si pillars 3a, 3b having P-type or i-type (intrinsic) conductivity type: N + layer 7: Channel regions 4a, 4b: Gate insulating layers 5a, 5b: Gate conductor layer 6 : Insulating layer for separating two gate conductor layers
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Semiconductor Memories (AREA)
- Dram (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
メモリ装置は、基板上に行状に配列された複数のメモリセルからなるページを備え、列状に複数本の前記ページを備え、前記ページに含まれる各メモリセルは、前記基板上に、前記基板に対して、垂直方向に立つか、または水平方向に伸延する複数個の半導体母体のメモリセルからなり、各メモリセルの、第1のゲート導体層と、第2のゲート導体層と、第1の不純物領域と、第2の不純物領域に印加する電圧を制御して、チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象、またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持するページ書込み動作と、前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域に印加する電圧を制御して、前記正孔群を前記チャネル半導体層の内部から除去するページ消去動作と、とを行い、前記ページ消去動作を施した第1のページに含まれる全てのメモリセルは、少なくとも1回の前記ページ書込み動作を行う。
Description
本発明は、半導体素子を用いたメモリ装置に関する。
近年、LSI(Large Scale Integration)技術開発において、メモリ素子の高集積化と高性能化が求められている。
通常のプレナー型MOSトランジスタでは、チャネルが半導体基板の上表面に沿う水平方向に延在する。これに対して、SGTのチャネルは、半導体基板の上表面に対して垂直な方向に延在する(例えば、特許文献1、非特許文献1を参照)。このため、SGTはプレナー型MOSトランジスタと比べ、半導体装置の高密度化が可能である。このSGTを選択トランジスタとして用いて、キャパシタを接続したDRAM(Dynamic Random Access Memory、例えば、非特許文献2を参照)、抵抗変化素子を接続したPCM(Phase Change Memory、例えば、非特許文献3を参照)、RRAM(Resistive Random Access Memory、例えば、非特許文献4を参照)、電流により磁気スピンの向きを変化させて抵抗を変化させるMRAM(Magneto-resistive Random Access Memory、例えば、非特許文献5を参照)などの高集積化を行うことができる。また、キャパシタを有しない、1個のMOSトランジスタで構成された、DRAMメモリセル(非特許文献7を参照)などがある。本願は、抵抗変化素子やキャパシタを有しない、MOSトランジスタのみで構成可能な、ダイナミック フラッシュ メモリに関する。
図7(a)~(d)に、前述したキャパシタを有しない、1個のMOSトランジスタで構成された、DRAMメモリセルの書込み動作を、図8(a)と(b)に、動作上の問題点を、図9(a)~(c)に、読出し動作を示す(非特許文献7~10を参照)。図7(a)は、“1”書込み状態を示している。ここで、メモリセルは、SOI基板100に形成され、ソース線SLが接続されるソースN+層103(以下、ドナー不純物を高濃度で含む半導体領域を「N+層」と称する。)、ビット線BLが接続されるドレインN+層104、ワード線WLが接続されるゲート導電層105、MOSトランジスタ110のフローティングボディ(Floating Body)102により構成され、キャパシタを有さず、MOSトランジスタ110が1個でDRAMのメモリセルが構成されている。なお、フローティングボディ102直下には、SOI基板のSiO2層101が接している。このMOSトランジスタ110、1個で構成されたメモリセルの“1”書込みを行う際には、MOSトランジスタ110を飽和領域で動作させる。すなわち、ソースN+層103から延びる電子のチャネル107には、ピンチオフ点108があり、ビット線が接続しているドレインN+層104までには、到達していない。このようにドレインN+層に接続されたビット線BLとゲート導電層105に接続されたワード線WLを共に高電圧にして、ゲート電圧をドレイン電圧の約1/2程度で、MOSトランジスタ110を動作させると、ドレインN+層104近傍のピンチオフ点108において、電界強度が最大となる。この結果、ソースN+層103からドレインN+層104に向かって流れる加速された電子は、Siの格子に衝突して、その時に失う運動エネルギーによって、電子・正孔対が生成される(インパクトイオン化現象)。発生した大部分の電子(図示せず)は、ドレインN+層104に到達する。また、ごく一部のとても熱い電子は、ゲート酸化膜109を飛び越えて、ゲート導電層105に到達する。そして、同時に発生した正孔106は、フローティングボディ102を充電する。この場合、発生した正孔は、フローティングボディ102がP型Siのため、多数キャリアの増分として、寄与する。フローティングボディ102は、生成された正孔106で満たされ、フローティングボディ102の電圧がソースN+層103よりもVb以上に高くなると、さらに生成された正孔は、ソースN+層103に放電する。ここで、Vbは、ソースN+層103とP層のフローティングボディ102との間のPN接合のビルトイン電圧であり、約0.7Vである。図7(b)には、生成された正孔106でフローティングボディ102が飽和充電された様子を示している。
次に、図7(c)を用いて、メモリセル110の“0”書込み動作を説明する。共通な選択ワード線WLに対して、ランダムに“1”書込みのメモリセル110と“0”書込みのメモリセル110が存在する。図7(c)では、“1”書込み状態から“0”書込み状態に書き換わる様子を示している。“0”書込み時には、ビット線BLの電圧を負バイアスにして、ドレインN+層104とP層のフローティングボディ102との間のPN接合を順バイアスにする。この結果、フローティングボディ102に予め前サイクルで生成された正孔106は、ビット線BLに接続されたドレインN+層104に流れる。書込み動作が終了すると、生成された正孔106で満たされたメモリセル110(図7(b))と、生成された正孔が吐き出されたメモリセル110(図7(c))の2つのメモリセルの状態が得られる。正孔106で満たされたメモリセル110のフローティングボディ102の電位は、生成された正孔がいないフローティングボディ102よりも高くなる。したがって、“1”書込みのメモリセル110のしきい値電圧は、“0”書込みのメモリセル110のしきい値電圧よりも低くなる。その様子を図7(d)に示している。
次に、この1個のMOSトランジスタ110で構成されたメモリセルの動作上の問題点を図8(a)と(b)を用いて、説明する。図8(a)に示したように、フローティングボディの容量CFBは、ワード線の接続されたゲートとフローティングボディとの間の容量CWLと、ソース線の接続されたソースN+層103とフローティングボディ102との間のPN接合の接合容量CSLと、ビット線の接続されたドレインN+層104とフローティングボディ102との間のPN接合の接合容量CBLとの総和で、
CFB = CWL + CBL + CSL (10)
で表される。また、ワード線の接続されたゲートとフローティングボディ間の容量結合比βWLは、
βWL=CWL/(CWL + CBL + CSL) (11)
で表される。したがって、読出し時または書込み時にワード線電圧VWLが振幅すると、メモリセルの記憶ノード(接点)となるフローティングボディ102の電圧も、その影響を受ける。その様子を図8(b)に示している。読出し時、または、書込み時にワード線電圧VWLが0VからVWLHに上昇すると、フローティングボディ102の電圧VFBは、ワード線電圧が変化する前の初期状態の電圧VFB1からVFB2へワード線との容量結合によって上昇する。その電圧変化量ΔVFBは、
ΔVFB = VFB2 - VFB1
= βWL ×VWLH (12)
で表される。
ここで、式(11)のβWLにおいて、CWLの寄与率が大きく、例えば、CWL:CBL:CSL=8:1:1である。この場合、βWL=0.8となる。ワード線が、例えば、書込み時の5Vから、書込み終了後に0Vになると、ワード線WLとフローティングボディ102との容量結合によって、フローティングボディ102が、5V×βWL=4Vも振幅ノイズを受ける。このため、書込み時のフローティングボディ102の“1”電位と“0”電位との電位差マージンを十分に取れない問題点があった。
CFB = CWL + CBL + CSL (10)
で表される。また、ワード線の接続されたゲートとフローティングボディ間の容量結合比βWLは、
βWL=CWL/(CWL + CBL + CSL) (11)
で表される。したがって、読出し時または書込み時にワード線電圧VWLが振幅すると、メモリセルの記憶ノード(接点)となるフローティングボディ102の電圧も、その影響を受ける。その様子を図8(b)に示している。読出し時、または、書込み時にワード線電圧VWLが0VからVWLHに上昇すると、フローティングボディ102の電圧VFBは、ワード線電圧が変化する前の初期状態の電圧VFB1からVFB2へワード線との容量結合によって上昇する。その電圧変化量ΔVFBは、
ΔVFB = VFB2 - VFB1
= βWL ×VWLH (12)
で表される。
ここで、式(11)のβWLにおいて、CWLの寄与率が大きく、例えば、CWL:CBL:CSL=8:1:1である。この場合、βWL=0.8となる。ワード線が、例えば、書込み時の5Vから、書込み終了後に0Vになると、ワード線WLとフローティングボディ102との容量結合によって、フローティングボディ102が、5V×βWL=4Vも振幅ノイズを受ける。このため、書込み時のフローティングボディ102の“1”電位と“0”電位との電位差マージンを十分に取れない問題点があった。
図9(a)~(c)に読出し動作を示しており、図9(a)は、“1”書込み状態を、図9(b)は、“0”書込み状態を示している。しかし、実際には、“1”書込みでフローティングボディ102にVbが書き込まれていても、書込み終了でワード線が0Vに戻ると、フローティングボディ102は、負バイアスに引き下げられる。“0”が書かれる際には、さらに深く負バイアスになってしまうため、図9(c)に示すように、書込みの際に“1”と“0”との電位差マージンを十分に大きく出来ないため、実際にキャパシタを有しない、DRAMメモリセルの製品化が困難な状況にあった。
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SGTを用いたメモリ装置でキャパシタを無くした、1個のトランジス型のDRAM(ゲインセル)では、ワード線とフローティング状態のSGTのボディとの容量結合カップリングが大きく、データ読み出し時や書き込み時にワード線の電位を振幅させると、直接SGTボディへのノイズとして、伝達されてしまう問題点があった。この結果、誤読み出しや記憶データの誤った書き換えの問題を引き起こし、キャパシタを無くした1トランジス型のDRAM(ゲインセル)の実用化が困難となっていた。
上記の課題を解決するために、本発明に係るメモリ装置は、
基板上に行方向に配列された複数のメモリセルによってページが構成され、複数のページが列方向に配列されたメモリ装置であって、
前記各ページに含まれる各メモリセルは、
基板上に、前記基板に対して、垂直方向に立つか、または水平方向に伸延する半導体母体と、
前記半導体母体の両端にある第1の不純物層と、第2の不純物層と、
前記第1の不純物層と前記第2の不純物層の間の前記半導体母体の側面の一部または全てを囲こみ、前記第1の不純物層に接するか、または、近接した第1のゲート絶縁層と、
前記半導体母体の側面を囲み、前記第1のゲート絶縁層に繋がり、且つ前記第2の不純物層に接するか、または、近接した第2のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第1のゲート導体層と、
前記第2のゲート絶縁層を覆う第2のゲート導体層と、
前記半導体母体が前記第1のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層とで覆われたチャネル半導体層と、を有し、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域と、に印加する電圧を制御して、前記チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象、またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持し、
前記チャネル半導体層の電圧を、第1のデータ保持電圧とする、ページ書込み動作を行い、
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層とに印加する電圧を制御して、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層の、片方、もしくは、両方から、前記正孔群を抜きとり、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い、第2のデータ保持電圧とするページ消去動作を行い、
前記ページ消去動作を施した第1のページに含まれる全てのメモリセルは、少なくとも1回の前記ページ書込み動作を行う、
ことを特徴とする(第1発明)。
基板上に行方向に配列された複数のメモリセルによってページが構成され、複数のページが列方向に配列されたメモリ装置であって、
前記各ページに含まれる各メモリセルは、
基板上に、前記基板に対して、垂直方向に立つか、または水平方向に伸延する半導体母体と、
前記半導体母体の両端にある第1の不純物層と、第2の不純物層と、
前記第1の不純物層と前記第2の不純物層の間の前記半導体母体の側面の一部または全てを囲こみ、前記第1の不純物層に接するか、または、近接した第1のゲート絶縁層と、
前記半導体母体の側面を囲み、前記第1のゲート絶縁層に繋がり、且つ前記第2の不純物層に接するか、または、近接した第2のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第1のゲート導体層と、
前記第2のゲート絶縁層を覆う第2のゲート導体層と、
前記半導体母体が前記第1のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層とで覆われたチャネル半導体層と、を有し、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域と、に印加する電圧を制御して、前記チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象、またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持し、
前記チャネル半導体層の電圧を、第1のデータ保持電圧とする、ページ書込み動作を行い、
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層とに印加する電圧を制御して、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層の、片方、もしくは、両方から、前記正孔群を抜きとり、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い、第2のデータ保持電圧とするページ消去動作を行い、
前記ページ消去動作を施した第1のページに含まれる全てのメモリセルは、少なくとも1回の前記ページ書込み動作を行う、
ことを特徴とする(第1発明)。
上記の第1発明において、前記第1のページは、少なくとも1組以上の分割ページで構成され、前記第1のページに含まれる第1のメモリセル群は第1の期間に分割ページ書込み動作を行い、前記第1のページに含まれる第2のメモリセル群は第2の期間に前記分割ページ書込み動作を行うことを特徴とする(第2発明)。
上記の第2発明において、複数本の前記ページのうちの第2のページに含まれる第3のメモリセル群は第3の期間に前記分割ページ書込み動作を行い、前記第2のページに含まれる第4のメモリセル群は第4の期間に前記分割ページ書込み動作を行い、時系列的に前記第1の期間、前記第3の期間、前記第2の期間、前記第4の期間の順番になることを特徴とする(第3発明)。
状の第1乃至第3発明のいずれかに記載されたメモリ装置の前記ページが複数配置されたブロックを備え、
前記複数本のページに含まれる前記メモリセルの前記第1の不純物層は、ソース線と接続し、前記第2の不純物層は、ビット線と接続し、前記第1のゲート導体層及び前記第2のゲート導体層は、一方がワード線と接続し、他方が第1の駆動制御線と接続し、
前記ソース線は、前記ブロック内の前記半導体母体間で繋がり、
前記ソース線と、前記ビット線と、前記第1の駆動制御線と、前記ワード線とに印加する電圧により、前記ブロックの中の選択した前記ページの全ての前記半導体母体にある前記正孔群を除去する前記ページ消去動作を行う、
ことを特徴とする(第4発明)。
前記複数本のページに含まれる前記メモリセルの前記第1の不純物層は、ソース線と接続し、前記第2の不純物層は、ビット線と接続し、前記第1のゲート導体層及び前記第2のゲート導体層は、一方がワード線と接続し、他方が第1の駆動制御線と接続し、
前記ソース線は、前記ブロック内の前記半導体母体間で繋がり、
前記ソース線と、前記ビット線と、前記第1の駆動制御線と、前記ワード線とに印加する電圧により、前記ブロックの中の選択した前記ページの全ての前記半導体母体にある前記正孔群を除去する前記ページ消去動作を行う、
ことを特徴とする(第4発明)。
上記の第4発明において、前記ページ書込み動作において、前記第1のページを選択した状態で、前記第1の期間に、第1のビット線群が選択され、前記第1のビット線群が接続する前記第1のメモリセル群の前記分割ページ書込み動作を行い、前記第2の期間に、第2のビット線群が選択され、前記第2のビット線群が接続する前記第2のメモリセル群の前記分割ページ書込み動作を行うことを特徴とする(第5発明)。
上記の第1発明において、前記第1のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第1のゲート容量が、前記第2のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第2のゲート容量よりも大きいことを特徴とする(第6発明)。
上記の第1発明において、前記第1のゲート導体層が、平面視において、前記第1のゲート絶縁層を囲んで2つの導体層に分離していることを特徴とする(第7発明)。
以下、本発明に係る、半導体素子を用いたメモリ装置(以後、ダイナミック フラッシュ メモリと呼ぶ)の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
図1~図5を用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造と動作メカニズムを説明する。図1を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの構造を説明する。そして、図2を用いて、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにした場合の効果を説明する。そして、図3を用いてデータ書込み動作メカニズムを、図4を用いてデータ消去動作メカニズムを、図5を用いてデータ読出し動作メカニズムを説明する。
図1~図5を用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造と動作メカニズムを説明する。図1を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの構造を説明する。そして、図2を用いて、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにした場合の効果を説明する。そして、図3を用いてデータ書込み動作メカニズムを、図4を用いてデータ消去動作メカニズムを、図5を用いてデータ読出し動作メカニズムを説明する。
図1に、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造を示す。基板上に形成した、P型又はi型(真性型)の導電型を有するシリコン半導体柱2(以下、シリコン半導体柱を「Si柱」と称する。)(特許請求の範囲の「半導体母体」の一例である)内の上下の位置に、一方がソースとなる場合に、他方がドレインとなるN+層3a、3b(特許請求の範囲の「第1の不純物層」、「第2の不純物層」の一例である)が形成されている。このソース、ドレインとなるN+層3a、3b間のSi柱2の部分がチャネル領域7(特許請求の範囲の「チャネル半導体層」の一例である)となる。このチャネル領域7を囲むように第1のゲート絶縁層4a(特許請求の範囲の「第1のゲート絶縁層」の一例である)、第2のゲート絶縁層4b(特許請求の範囲の「第2のゲート絶縁層」の一例である)が形成されている。この第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bは、このソース、ドレインとなるN+層3a、3bに、それぞれ接するか、または近接している。この第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bを囲むように第1のゲート導体層5a(特許請求の範囲の「第1のゲート導体層」の一例である)、第2のゲート導体層5b(特許請求の範囲の「第2のゲート導体層」の一例である)がそれぞれ形成されている。そして、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bは絶縁層6(特許請求の範囲の「第1の絶縁層」の一例である)により分離されている。そして、N+層3a、3b間のチャネル領域7は、第1のゲート絶縁層4aで囲まれた第1のチャネルSi層7a(特許請求の範囲の「第1のチャネル半導体層」の一例である)と、第2のゲート絶縁層4bで囲まれた第2のチャネルSi層7b(特許請求の範囲の「第2のチャネル半導体層」の一例である)と、よりなる。これによりソース、ドレインとなるN+層3a、3b、チャネル領域7、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4b、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bからなるダイナミック フラッシュ メモリセル10が形成される。そして、ソースとなるN+層3aはソース線SL(特許請求の範囲の「ソース線」の一例である)に、ドレインとなるN+層3bはビット線BL(特許請求の範囲の「ビット線」の一例である)に、第1のゲート導体層5aはプレート線PL(特許請求の範囲の「第1の駆動制御線」の一例である)に、第2のゲート導体層5bはワード線WL(特許請求の範囲の「ワード線」の一例である)に、それぞれ接続している。プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量は、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造を有することが望ましい。
なお、図1では、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるように第1のゲート導体層5aのゲート長を、第2のゲート導体層5bのゲート長よりも長くしている。しかし、その他にも、第1のゲート導体層5aのゲート長を、第2のゲート導体層5bのゲート長よりも長くせずに、それぞれのゲート絶縁層の膜厚を変えて、第1のゲート絶縁層4aのゲート絶縁膜の膜厚を、第2のゲート絶縁層4bのゲート絶縁膜の膜厚よりも薄くしてもよい。また、それぞれのゲート絶縁層の材料の誘電率を変えて、第1のゲート絶縁層4aのゲート絶縁膜の誘電率を、第2のゲート絶縁層4bのゲート絶縁膜の誘電率よりも高くしてもよい。また、ゲート導体層5a、5bの長さ、ゲート絶縁層4a、4bの膜厚、誘電率のいずれかを組み合わせて、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくしてもよい。
図2(a)~(c)は、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにした場合の効果を説明する図である。
図2(a)は、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造図を主要部分のみを簡略化して示している。ダイナミック フラッシュ メモリセルには、ビット線BL、ワード線WL、プレート線PL、ソース線SLが接続されており、その電圧状態によって、チャネル領域7の電位状態が決まる。
図2(b)は、それぞれの容量関係を説明するための図である。チャネル領域7の容量CFBは、ワード線WLの接続されたゲート導体層5bとチャネル領域7の間の容量CWLと、プレート線PLの接続されたゲート導体層5aとチャネル領域7の間の容量CPLと、ソース線SLの接続されたソースN+層3aとチャネル領域7の間のPN接合の接合容量CSLと、ビット線BLの接続されたドレインN+層3bとチャネル領域7の間のPN接合の接合容量CBLとの総和で、
CFB = CWL + CPL + CBL + CSL (1)
で表される。
したがって、ワード線WLとチャネル領域7の間のカップリング率βWL、プレート線PLとチャネル領域7の間のカップリング率βPL、ビット線BLとチャネル領域7の間のカップリング率βBL、ソース線SLとチャネル領域7の間のカップリング率βSLは、以下でそれぞれ表される。
βWL= CWL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (2)
βPL= CPL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (3)
βBL= CBL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (4)
βSL= CSL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (5)
ここで、CPL >CWL であるため、βPL>βWLとなる。
CFB = CWL + CPL + CBL + CSL (1)
で表される。
したがって、ワード線WLとチャネル領域7の間のカップリング率βWL、プレート線PLとチャネル領域7の間のカップリング率βPL、ビット線BLとチャネル領域7の間のカップリング率βBL、ソース線SLとチャネル領域7の間のカップリング率βSLは、以下でそれぞれ表される。
βWL= CWL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (2)
βPL= CPL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (3)
βBL= CBL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (4)
βSL= CSL / (CWL + CPL+ CBL + CSL) (5)
ここで、CPL >CWL であるため、βPL>βWLとなる。
図2(c)は、ワード線WLの電圧VWLが、読出し動作と書込み動作で、上昇し、その後に下降する時のチャネル領域7の電圧VFBの変化を説明するための図である。ここで、ワード線WLの電圧VWLが、0Vから高電圧状態VWLHに上がった時に、チャネル領域7の電圧VFBが、低電圧状態VFBLから高電圧状態VFBHになるときの電位差ΔVFBは、以下となる。
ΔVFB=VFBH-VFBL
=βWL×VWLH (6)
ワード線WLとチャネル領域7の間のカップリング率βWLが小さく、プレート線PLとチャネル領域7の間のカップリング率βPLが大きいため、ΔVFBは、小さく、ワード線WLの電圧VWLが、読出し動作と書込み動作で、上下しても、チャネル領域7の電圧VFBは、殆ど変化しない。
ΔVFB=VFBH-VFBL
=βWL×VWLH (6)
ワード線WLとチャネル領域7の間のカップリング率βWLが小さく、プレート線PLとチャネル領域7の間のカップリング率βPLが大きいため、ΔVFBは、小さく、ワード線WLの電圧VWLが、読出し動作と書込み動作で、上下しても、チャネル領域7の電圧VFBは、殆ど変化しない。
図3A(a)~(c)と図3Bに、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのメモリ書込み動作(特許請求の範囲の「メモリ書込み動作」の一例である)を示す。図3A(a)に書込み動作のメカニズム、図3A(b)にビット線BL、ソース線SL、プレート線PL、ワード線WLと、フローティングボディFBとなっているチャネル領域7の動作波形を示す。時刻T0で、ダイナミック フラッシュ メモリセルは、“0”消去状態にあり、チャネル領域7の電圧は、VFB“0”となっている。また、ビット線BL、ソース線SL、ワード線WLには、Vssが、プレート線PLには、VPLLが印加している。ここで、例えば、Vssは0Vで、VPLLは、2Vである。次に時刻T1~T2で、ビット線BLがVssからVBLHへと上がると、例えば、Vssが0Vの場合、チャネル領域7の電圧は、ビット線BLとチャネル領域7との容量結合により、VFB“0”+βBL×VBLHとなる。
引き続き、図3A(a)と(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T3~T4で、ワード線WLがVssからVWLHへと上がる。これにより、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bがチャネル領域7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタの“0”消去のしきい値電圧をVtWL“0”とすると、ワード線WLの電圧上昇に伴い、VssからVtWL“0”までは、ワード線WLとチャネル領域7との第2の容量結合により、チャネル領域7の電圧は、VFB“0”+βBL×VBLH+βWL×VtWL“0”となる。ワード線WLの電圧がVtWL“0”以上に上昇すると、第2のゲート導体層5bの内周のチャネル領域7に環状の反転層12bが形成され、ワード線WLとチャネル領域7との第2の容量結合を遮る。
引き続き、図3A(a)と(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T3~T4で、プレート線PLの接続された第1のゲート導体層5aに、例えば、VPLL=2Vを固定入力し、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを、例えば、VWLH=4Vまで上げる。その結果、図3A(a)で示したように、プレート線PLの接続された第1のゲート導体層5aの内周のチャネル領域7に環状の反転層12aが形成され、その反転層12aには、ピンチオフ点13が存在する。この結果、第1のゲート導体層5aを有する第1のNチャネルMOSトランジスタは線形領域で動作する。一方、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタは飽和領域で動作する。この結果、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bの内周のチャネル領域7にピンチオフ点は存在せずにゲート導体層5bの内周全面に反転層12bが形成される。このワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bの内周に全面に形成された反転層12bは、第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタの実質的なドレインとして働く。この結果、直列接続された第1のゲート導体層5aを有する第1のNチャネルMOSトランジスタと、第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタとの間のチャネル領域7の第1の境界領域で電界は最大となり、この領域でインパクトイオン化現象が生じる。この領域は、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタから見たソース側の領域であるため、この現象をソース側インパクトイオン化現象と呼ぶ。このソース側インパクトイオン化現象により、ソース線SLの接続されたN+層3aからビット線の接続されたN+層3bに向かって電子が流れる。加速された電子が格子Si原子に衝突し、その運動エネルギーによって、電子・正孔対が生成される。生成された電子の一部は、第1のゲート導体層5aと第2のゲート導体層5bに流れるが、大半はビット線BLの接続されたN+層3bに流れる(図示せず)。
そして、図3A(c)に示すように、生成された正孔群9(特許請求の範囲の「正孔群」の一例である)は、チャネル領域7の多数キャリアであり、チャネル領域7を正バイアスに充電する。ソース線SLの接続されたN+層3aは、0Vであるため、チャネル領域7はソース線SLの接続されたN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合のビルトイン電圧Vb(約0.7V)まで充電される。チャネル領域7が正バイアスに充電されると、第1のNチャネルMOSトランジスタと第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は、基板バイアス効果によって、低くなる。
引き続き、図3A(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T6~T7で、ワード線WLの電圧がVWLHからVssに低下する。その際にワード線WLとチャネル領域7とは、第2の容量結合をするが、ワード線WLの電圧VWLHが、チャネル領域7の電圧がVbの時の、第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧VtWL“1”以下になるまでは、反転層12bが、この第2の容量結合を遮る。したがって、ワード線WLとチャネル領域7との、実質的な容量結合は、ワード線WLがVtWL“1”以下になり、Vssまで下降する時のみである。この結果、チャネル領域7の電圧は、Vb-βWL×VtWL“1”となる。ここで、VtWL“1”は、前記VtWL“0”よりも低く、βWL×VtWL“1”は小さい。
引き続き、図3A(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T8~T9で、ビット線BLが、VBLHからVssへと低下する。ビット線BLとチャネル領域7とは、容量結合しているため、最終的にチャネル領域7の“1”書込み電圧VFB“1”は、以下のようになる。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
ここで、ビット線BLとチャネル領域7とのカップリング比βBLも小さい。これにより、図3Bに示すように、ワード線WLの接続された第2のチャネル領域7bの第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は、低くなる。このチャネル領域7の“1”書込み状態を第1のデータ保持電圧(特許請求の範囲の「第1のデータ保持電圧」の一例である)とする、メモリ書込み動作を行い、論理記憶データ“1”に割り当てる。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
ここで、ビット線BLとチャネル領域7とのカップリング比βBLも小さい。これにより、図3Bに示すように、ワード線WLの接続された第2のチャネル領域7bの第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は、低くなる。このチャネル領域7の“1”書込み状態を第1のデータ保持電圧(特許請求の範囲の「第1のデータ保持電圧」の一例である)とする、メモリ書込み動作を行い、論理記憶データ“1”に割り当てる。
なお、書込み動作時に、第1の境界領域に替えて、第1の不純物層3aと第1のチャネル半導体層7aとのあいだの第2の境界領域、または、第2の不純物層3bと第2のチャネル半導体層7bとのあいだの第3の境界領域において、インパクトイオン化現象で、電子・正孔対を発生させ、発生した正孔群9でチャネル領域7を充電しても良い。
図4A~図4Eを用いて、メモリ消去動作(特許請求の範囲の「メモリ消去動作」の一例である)メカニズムを説明する。
図4Aに、ページ消去動作を説明するためのメモリブロック回路図を示す。ここでは、3行×3列の計9個のメモリセルCL11~CL33を示しているが、実際のメモリブロックは、この行列よりも大きい。メモリセルが行列状に配列されているときに、その配列の一方の方向を「行方向」(もしくは「行状」)、これに垂直な方向を「列方向」(もしくは「列状」)という。各メモリセルには、ソース線SL、ビット線BL1~BL3、プレート線PL1~PL3、ワード線WL1~WL3が接続されている。例えば、このブロックにおいて、プレート線PL2とワード線WL2とが接続するメモリセルCL21~CL23が選択され、ページ消去動作を行うことを想定する。
図4B(a)~(d)と図4Cを用いて、ページ消去動作のメカニズムを説明する。ここで、N+層3a、3b間のチャネル領域7は、電気的に基板から分離され、フローティングボディとなっている。図4B(a)は、消去動作の主要ノードのタイミング動作波形図を示している。図4B(a)において、T0~T12は、消去動作開始から終了までの時刻を表している。図4B(b)に消去動作前の時刻T0に、前のサイクルでインパクトイオン化により生成された正孔群9がチャネル領域7に蓄えられている状態を示す。そして、時刻T1~T2において、ビット線BL1~BL3とソース線SLとが、それぞれVssからVBLHとVSLHの高電圧状態になる。ここで、Vssは、例えば、0Vである。この動作は、次の期間時刻T3~T4で、ページ消去動作で選択されたプレート線PL2とワード線WL2とが、それぞれ第1の電圧VPLLから第2の電圧VPLHと、第3の電圧Vssから第4の電圧VWLHと高電圧状態になり、チャネル領域7にプレート線PL2の接続された第1のゲート導体層5aの内周の反転層12aと、ワード線WL2の接続された第2のゲート導体層5bの内周の反転層12bとを、形成させない。したがって、VBLHとVSLHの電圧は、ワード線WL2側の第2のNチャネルMOSトランジスタとプレート線PL2側の第1のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を、それぞれVtWLとVtPLとした場合、VBLH>VWLH+VtWL、VSLH>VPLH+VtPLであることが望ましい。例えば、VtWLとVtPLが0.5Vの場合、VWLHとVPLHは、3Vに設定して、VBLHとVSLHは、3.5V以上に設定すれば良い。
引き続き、図4B(a)のページ消去動作メカニズムを説明する。第1の期間の時刻T3~T4で、プレート線PL2とワード線WL2とが、第2の電圧VPLHと第4の電圧VWLHの高電圧状態になるのに伴い、フローティング状態のチャネル領域7の電圧が、プレート線PL2とチャネル領域7との第1の容量結合と、ワード線WL2とチャネル領域7との第2の容量結合とによって、押し上げられる。チャネル領域7の電圧は、“1”書込み状態のVFB“1”から高電圧になる。これは、ビット線BL1~BL3とソース線SLの電圧が、VBLHとVSLHと高電圧であるため、ソースN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合と、ドレインN+層3bとチャネル領域7との間のPN接合が逆バイアス状態であるため、昇圧することが可能である。
引き続き、図4B(a)のページ消去動作メカニズムを説明する。次の期間の時刻T5~T6で、ビット線BL1~BL3とソース線SLの電圧が、高電圧のVBLHとVSLHからVssへと低下する。この結果、ソースN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合と、ドレインN+層3bとチャネル領域7との間のPN接合は、図4B(c)に示すように、順バイアス状態となり、チャネル領域7の正孔群9のうちの残存正孔群は、ソースN+層3aと、ドレインN+層3bとに、排出する。その結果、チャネル領域7の電圧VFBは、ソースN+層3aとP層のチャネル領域7とが形成するPN接合と、ドレインN+層3bとP層のチャネル領域7とが形成するPN接合のビルトイン電圧Vbとなる。
引き続き、図4B(a)のページ消去動作メカニズムを説明する。次に時刻T7~T8で、ビット線BL1~BL3とソース線SLの電圧が、Vssから高電圧のVBLHとVSLHへと上昇する。この施策によって、図4B(d)に示すように、時刻T9~T10で、プレート線PL2とワード線WL2を第2の電圧VPLHと第4の電圧VWLHからそれぞれ第1の電圧VPLLと第3の電圧Vssに下降する際に、チャネル領域7にプレート線PL2側の反転層12aとワード線WL2側の反転層12bを形成させずに、効率良く、チャネル領域7の電圧VFBは、プレート線PL2とチャネル領域7との第1の容量結合と、ワード線WL2とチャネル領域7との第2の容量結合によって、VbからVFB“0”となる。したがって、“1”書込み状態と“0”消去状態のチャネル領域7の電圧差ΔVFBは、以下の式で表される。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
VFB“0”=Vb-βWL×VWLH-βPL×(VPLH-VPLL) (8)
ΔVFB=VFB“1”-VFB“0”
=βWL×VWLH+βPL×(VPLH-VPLL)
-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (9)
ここで、βWLとβPLとの和は、0.8以上あり、ΔVFBは、大きくなり、十分にマージンが取れる。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
VFB“0”=Vb-βWL×VWLH-βPL×(VPLH-VPLL) (8)
ΔVFB=VFB“1”-VFB“0”
=βWL×VWLH+βPL×(VPLH-VPLL)
-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (9)
ここで、βWLとβPLとの和は、0.8以上あり、ΔVFBは、大きくなり、十分にマージンが取れる。
その結果、図4Cに示すように、“1”書込み状態と“0”消去状態とで、マージンを大きく取れる。ここで、“0”消去状態において、プレート線PL2側のしきい値電圧は、基板バイアス効果により、高くなっている。したがって、プレート線PL2の印加電圧を、例えば、そのしきい値電圧以下にすると、プレート線PL2側の第1のNチャネルMOSトランジスタは、非導通となりメモリセル電流を流さない。図4Cの右側の「PL:非導通」は、その様子を示している。
引き続き、図4B(a)のページ消去動作メカニズムを説明する。次に第4の期間の時刻T11~T12で、ビット線BL1~BL3とソース線SLの電圧が、VBLHからVssへ、VSLHからVssへとそれぞれ下降して、消去動作が終了する。その際、ビット線BL1~BL3とソース線SLとが、チャネル領域7の電圧を容量結合で若干引き下げるが、時刻T7~T8にビット線BL1~BL3とソース線SLとが、チャネル領域7の電圧を容量結合で引き上げていた分と同等であるため、ビット線BL1~BL3とソース線SLの電圧の上げ下げは相殺され、結果的にチャネル領域7の電圧に影響を与えない。このチャネル領域7の“0”消去状態の電圧VFB“0”を第2のデータ保持電圧(特許請求の範囲の「第2のデータ保持電圧」の一例である)とする、ページ消去動作を行い、論理記憶データ“0”に割り当てる。
次に図4D(a)~(d)を用いて、ページ消去動作のメカニズムを説明する。図4Dの図4Bとの違いは、ページ消去動作中は、ビット線BL1~BL3は、Vssもしくは、フローティング状態とする点と、ワード線WL2は、Vssに固定する点である。これにより、時刻T1~T2で、ソース線SLがVssからVSLHに上がっても、ワード線WL2の第2のNチャネルMOSトランジスタは、非導通となり、メモリセル電流は流れない。従って、インパクトイオン化現象による正孔群9の生成は無い。その他は、図4Bと同様にソース線SLがVssとVSLHとの間を振幅し、プレート線PL2は、VPLLとVPLHとの間を振幅する。その結果、図4D(c)に示すように正孔群9は、ソース線SLの第1の不純物層N+層3aへ排出される。
次に図4E(a)~(d)を用いて、ページ消去動作のメカニズムを説明する。図4Eの図4Bとの違いは、ページ消去動作中は、ソース線SLは、Vssもしくは、フローティング状態とする点と、プレート線PL2は、Vssに固定する点である。これにより、時刻T1~T2で、ビット線BL1~BL3がVssからVBLHに上がっても、プレート線PL2の第1のNチャネルMOSトランジスタは、非導通となり、メモリセル電流は流れない。従って、インパクトイオン化現象による正孔群9の生成は無い。その他は、図4Bと同様にビット線BL1~BL3がVssとVBLHとの間を振幅し、ワード線WL2は、VssとVWLHとの間を振幅する。その結果、図4E(c)に示すように正孔群9は、ビット線BL1~BL3の第2の不純物層N+層3bへ排出される。
図5(a)~(c)は、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの読出し動作を説明するための図である。図5(a)に示すように、チャネル領域7がビルトイン電圧Vb(約0.7V)まで充電されると、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧が基板バイアス効果によって、低下する。この状態を論理記憶データ“1”に割り当てる。図5(b)に示すように、書込みを行う前に選択するメモリブロックは、予め消去状態“0”になっており、チャネル領域7の電圧VFBはVFB“0”となっている。書込み動作によってランダムに書込み状態“1”が記憶される。この結果、ワード線WLに対して、論理“0”と“1”の論理記憶データが作成される。図5(c)に示すように、このワード線WLに対する2つのしきい値電圧の高低差を利用して、センスアンプで読出しが行われる。
図6A~図6Eを用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの分割ページ書込み動作を説明する。
図6Aにおいて、メモリセルC00~C53が複数個行列状に配列する4行×6列に配置されたブロック(特許請求の範囲の「ブロック」の一例である)の一部を示している。ここで、実際のブロックでは、メモリセル数は、4行×6列よりも多い。各メモリセルには、ワード線WL0~WL3と、プレート線PL0~PL3と、ビット線BL0~BL3が接続している。そして、ビット線BL0~BL5は、センスアンプ回路SA0~SA5に接続している。
次に図6Aにおいて、図4A~図4Eで説明したページ消去動作を予め施しており、メモリセルC00~C53は“0”消去状態にあるとする。そして、例えば、第1のページ(特許請求の範囲の「第1のページ」の一例である)に含まれる全てのメモリセルC01、C11、C21、C31、C41とC51が分割ページ書込み動作(特許請求の範囲の「分割ページ書込み動作」の一例である)を行う場合を具体的に説明する。なお、分割ページ書込み動作とは、予めページ消去動作を施した選択ページを少なくとも1組以上の分割ページ(特許請求の範囲の「分割ページ」の一例である)に分け、選択ページに含まれる全てのメモリセルは、少なくとも1回の分割ページ書込み動作により、ページ書込み動作が行われることである。
そして、図6Bにその動作波形図を示しているが、メモリセルC01、C11、C21、C31、C41とC51に接続するワード線WL1と、プレート線PL1が選択される。そして、時刻T1~T4を分割ページ書込み動作の第1の期間(特許請求の範囲の「第1の期間」の一例である)とし、時刻T5~T8を分割ページ書込み動作の第2の期間(特許請求の範囲の「第2の期間」の一例である)とする。
そして、図6Bの時刻T1において、ワード線WL1は、第1の電圧V1から第2の電圧V2へと高くなる。ここで、第1の電圧は、例えば、接地電圧Vss=0Vでも良い。ワード線WL1が第1の電圧V1から第2の電圧V2へ上昇する時にビット線BL0~BL5は、第3の電圧V3と低電圧であるため、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。この結果、ワード線WL1と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルのチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。ここで、第3の電圧は、例えば、接地電圧Vss=0Vでも良い。
次に図6Bの時刻T2において、センスアンプ回路SA0~SA2に予め記憶されている分割ページ書込み動作の第1のメモリセル群(特許請求の範囲の「第1のメモリセル群」の一例である)のためのデータに従い、ビット線BL0とBL2が第3の電圧V3から、第4の電圧V4へと高くなる。ワード線WL1は、ビット線BL0とBL2に先行して、第2の電圧V2となっているため、メモリセルC01、C21において、“1”分割ページ書込み動作が行われる。
次に図6Bの時刻T3において、第4の電圧V4のビット線BL0とBL2が第3の電圧V3へと下降する。この時点では、ワード線WL1は、第2の電圧V2と高電圧である。この結果、ビット線BL0とBL2の下降に伴い、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。
そして、時刻T4において、ワード線WL1が第2の電圧V2から第1の電圧V1へと下降する。第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bがあり、ワード線WL1と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルC01とC21のチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Bの時刻T5において、再びワード線WL1は、第1の電圧V1から第2の電圧V2へと高くなる。ワード線WL1が第1の電圧V1から第2の電圧V2へ上昇する時にビット線BL0~BL5は、第3の電圧V3と低電圧であるため、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。この結果、ワード線WL1と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルのチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Bの時刻T6において、センスアンプ回路SA3~SA5に予め記憶されている分割ページ書込み動作の第2のメモリセル群(特許請求の範囲の「第2のメモリセル群」の一例である)のためのデータに従い、ビット線BL3とBL4が第3の電圧V3から、第4の電圧V4へと高くなる。ワード線WL1は、ビット線BL3とBL4に先行して、第2の電圧V2となっているため、メモリセルC31、C41において、“1”分割ページ書込み動作が行われる。
次に図6Bの時刻T7において、第4の電圧V4のビット線BL3とBL4が第3の電圧V3へと下降する。この時点では、ワード線WL1は、第2の電圧V2と高電圧である。この結果、ビット線BL3とBL4の下降に伴い、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。
そして、時刻T8において、ワード線WL1が第2の電圧V2から第1の電圧V1へと下降する。第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bがあり、ワード線WL1と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルC31とC41のチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
ページ書込み動作において、ソース線SLは、第5の電圧V5に設定しても良い。ここで、第5の電圧V5は、例えば接地電圧Vss=0Vでも良い。また、第1の駆動制御線であるプレート線PL1は、第6の電圧V6に設定しても良い。
図6Aと図6Bにおいて、プレート線PL1は、ワード線WL1と同様にデコードされ、選択される場合を説明したが、プレート線PL0~PL3は、ブロックで共通な構造を有し、デコードされなくとも良い。
次に図6Cを用いて、第1のページと第2のページ(特許請求の範囲の「第2のページ」の一例である)に関しての分割ページ書込み動作を説明する。
図6Cの動作波形図において、第1のページに含まれるメモリセルC01、C11、C21、C31、C41とC51と、第2のページに含まれるメモリセルC02、C12、C22、C32、C42とC52と、とが交互に選択される分割ページ書込み動作を説明する。そして、時刻S1~S4を分割ページ書込み動作の第3の期間(特許請求の範囲の「第3の期間」の一例である)とし、時刻S5~S8を分割ページ書込み動作の第4の期間(特許請求の範囲の「第4の期間」の一例である)とする。
図6Cの時刻T1~T4の第1の期間の分割書込み動作は、図6Bと同じであるため、説明を省略する。第3の期間の分割書込み動作は、時刻S1において、ワード線WL2は、第1の電圧V1から第2の電圧V2へと高くなる。ワード線WL2が第1の電圧V1から第2の電圧V2へ上昇する時にビット線BL0~BL5は、第3の電圧V3と低電圧であるため、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。この結果、ワード線WL2と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルのチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Cの時刻S2において、センスアンプ回路SA0~SA2に第1の期間と異なる、第3の期間の第3のメモリセル群(特許請求の範囲の「第3のメモリセル群」の一例である)のための分割ページ書込み動作のデータがロードされており、そのデータに従い、ビット線BL1とBL2が第3の電圧V3から、第4の電圧V4へと高くなる。ワード線WL2は、ビット線BL1とBL2に先行して、第2の電圧V2となっているため、メモリセルC12、C22において、“1”分割ページ書込み動作が行われる。
次に図6Cの時刻S3において、第4の電圧V4のビット線BL1とBL2が第3の電圧V3へと下降する。この時点では、ワード線WL2は、第2の電圧V2と高電圧である。この結果、ビット線BL1とBL2の下降に伴い、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。
そして、時刻S4において、ワード線WL2が第2の電圧V2から第1の電圧V1へと下降する。第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bがあり、ワード線WL2と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルC12とC22のチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Cの時刻T5において、再びワード線WL1は、第1の電圧V1から第2の電圧V2へと高くなる。ワード線WL1が第1の電圧V1から第2の電圧V2へ上昇する時にビット線BL0~BL5は、第3の電圧V3と低電圧であるため、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。この結果、ワード線WL1と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルのチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Cの時刻T6において、第2の期間の分割ページ書込みのためのデータがセンスアンプ回路SA3~SA5に予め記憶されているため、そのデータに従い、ビット線BL3とBL4が第3の電圧V3から、第4の電圧V4へと高くなる。ワード線WL1は、ビット線BL3とBL4に先行して、第2の電圧V2となっているため、メモリセルC31、C41において、“1”分割ページ書込み動作が行われる。
次に図6Cの時刻T7において、第4の電圧V4のビット線BL3とBL4が第3の電圧V3へと下降する。この時点では、ワード線WL1は、第2の電圧V2と高電圧である。この結果、ビット線BL3とBL4の下降に伴い、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。
そして、時刻T8において、ワード線WL1が第2の電圧V2から第1の電圧V1へと下降する。第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bがあり、ワード線WL1と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルC31とC41のチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Cの時刻S5において、再びワード線WL2は、第1の電圧V1から第2の電圧V2へと高くなる。ワード線WL2が第1の電圧V1から第2の電圧V2へ上昇する時にビット線BL0~BL5は、第3の電圧V3と低電圧であるため、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。この結果、ワード線WL2と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルのチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
次に図6Cの時刻S6において、センスアンプ回路SA3~SA5に第2の期間と異なる、第4の期間の第4のメモリセル群(特許請求の範囲の「第4のメモリセル群」の一例である)のための分割ページ書込み動作のデータがロードされており、そのデータに従い、ビット線BL3とBL5が第3の電圧V3から、第4の電圧V4へと高くなる。ワード線WL2は、ビット線BL3とBL5に先行して、第2の電圧V2となっているため、メモリセルC32、C52において、“1”分割ページ書込み動作が行われる。
次に図6Cの時刻S7において、第4の電圧V4のビット線BL3とBL5が第3の電圧V3へと下降する。この時点では、ワード線WL2は、第2の電圧V2と高電圧である。この結果、ビット線BL3とBL5の下降に伴い、第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bができる。
そして、時刻S8において、ワード線WL2が第2の電圧V2から第1の電圧V1へと下降する。第2のチャネル半導体層7bには、反転層12bがあり、ワード線WL2と、チャネル半導体層7bとの容量結合が遮られ(シールドされ)、“1”書込みが行われたメモリセルC32とC52のチャネル半導体層に蓄えられた正孔群9が第1の不純物層3aと、第2の不純物層3bの、片方、もしくは、両方から、抜き取られることを防止する。
図6Dは、第1のページのワード線WL1とプレート線PL1と、とを選択した状態で、第1の期間で、第1のビット線群BL0~BL2(特許請求の範囲の「第1のビット線群」の一例である)が選択され、第1のビット線群が接続する前記第1のメモリセル群の前記分割ページ書込み動作を行い、第2の期間で、第2のビット線群BL3~BL5(特許請求の範囲の「第1のビット線群」の一例である)が選択され、第2のビット線群が接続する第2のメモリセル群の前記分割ページ書込み動作を行う例を示している。
図6Eは、第1のページの分割ページ書込みにおいて、ワード線WL1と同様にプレート線PL1をクロック動作した例を示している。第1の期間と第2の期間で、プレート線PL1は、低電圧の第7の電圧V7から、第7の電圧V7よりも高電圧の第8の電圧V8に上げている。
図1において、Si柱2の水平断面形状は、円形状、楕円状、長方形状であっても、本実施形態で説明したダイナミック フラッシュ メモリ動作ができる。また、同一チップ上に、円形状、楕円状、長方形状のダイナミック フラッシュ メモリセルを混在させてもよい。
また、図1では、基板上に垂直方向に立ったSi柱2の側面全体を囲んだ第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bを設け、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bの全体を囲んで第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bを有するSGTを例にダイナミック フラッシュ メモリ素子を説明した。本実施形態の説明で示したように、本ダイナミック フラッシュ メモリ素子は、インパクトイオン化現象により発生した正孔群9がチャネル領域7に保持される条件を満たす構造であればよい。このためには、チャネル領域7は基板1と分離されたフローティング・ボディ構造であればよい。これより、例えばSGTの1つであるGAA(Gate All Around :例えば非特許文献10を参照)技術、Nanosheet技術(例えば、非特許文献11を参照)を用いて、チャネル領域の半導体母体を基板1に対して水平に形成されていても、前述のダイナミック フラッシュ メモリ動作ができる。また、SOI(Silicon On Insulator)を用いたデバイス構造(例えば、非特許文献7~10を参照)であってもよい。このデバイス構造ではチャネル領域の底部がSOI基板の絶縁層に接しており、且つ他のチャネル領域を囲んでゲート絶縁層、及び素子分離絶縁層で囲まれている。この構造においても、チャネル領域はフローティング・ボディ構造となる。このように、本実施形態が提供するダイナミック フラッシュ メモリ素子では、チャネル領域がフローティング・ボディ構造である条件を満足すればよい。また、Finトランジスタ(例えば非特許文献13を参照)をSOI基板上に形成した構造であっても、チャネル領域がフローティング・ボディ構造であれば、本ダイナミック・フラッシュ動作が出来る。
また、“1”書込みにおいて、ゲート誘起ドレインリーク(GIDL:Gate Induced Drain Leakage)電流(例えば非特許文献14を参照)を用いて、電子・正孔対を発生させ、生成された正孔群でチャネル領域7内を満たしてもよい。
また、本明細書及び図面の式(1)~(12)は、現象を定性的に説明するために用いた式であり、現象がそれらの式でよって限定されるものではない。
なお、図3Aと図3Bの説明において、ワード線WL、ビット線BL、ソース線SLのリセット電圧をVssと記載しているが、それぞれを異なる電圧にしても良い。
また、図4Aにページ消去動作条件の一例を示した。これに対して、チャネル領域7にある正孔群9を、N+層3a、N+層3bのいずれか、または両方から除去する状態が実現できれば、ソース線SL、プレート線PL、ビット線BL、ワード線WLに印加する電圧を変えてもよい。また、ページ消去動作において、選択されたページのソース線SLに電圧を印加し、ビット線BLはフローティング状態にしても良い。また、ページ消去動作において、選択されたページのビット線BLに電圧を印加し、ソース線SLはフローティング状態にしても良い。
また、図1において、垂直方向において、第1の絶縁層である絶縁層6で囲まれた部分のチャネル領域7では、第1のチャネル領域7a、第2のチャネル領域7bの電位分布が繋がって形成されている。これにより、第1のチャネル領域7a、第2のチャネル領域7bのチャネル領域7が、垂直方向において、第1の絶縁層である絶縁層6で囲まれた領域で繋がっている。
なお、図1において、プレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aの垂直方向の長さを、ワード線WLの接続する第2のゲート導体層5bの垂直方向の長さより更に長くし、CPL>CWLとすることが、望ましい。しかし、プレート線PLを付加することだけで、ワード線WLのチャネル領域7に対する、容量結合のカップリング比(CWL/(CPL+CWL+CBL+CSL))が小さくなる。その結果、フローティングボディのチャネル領域7の電位変動ΔVFBは、小さくなる。
また、プレート線PLの電圧VPLLは、ブロック消去動作で選択消去される以外の各動作モードでは、例えば、2Vの固定電圧を印加しても良い。
なお、本明細書及び特許請求の範囲において「ゲート絶縁層やゲート導体層等がチャネル等を覆う」と言った場合の「覆う」の意味として、SGTやGAAのように全体を囲む場合、Finトランジスタのように一部を残して囲む場合、さらにプレナー型トランジスタのように平面的なものの上に重なるような場合も含む。
図1においては、第1のゲート導体層5aは、第1のゲート絶縁層4aの全体を囲んでいる。これに対して、第1のゲート導体層5aは、平面視において、第1のゲート絶縁層4aの一部を囲んでいる構造としてもよい。この場合、第1のゲート導体層5aで覆われていない第1のゲート絶縁層の外側は、絶縁層、または第1のゲート導体層と電気的に分離した第3のゲート導体層で覆われていてもよい。なお、第3のゲート導体層を設ける場合は、第3のゲート導体層に、定電圧、またはパルス電圧を印加して、ダイナミック フラッシュ メモリ動作を行うことができる。また、上記のように、平面視において、第1のゲート導体層5aが第1のゲート絶縁層4aの一部を囲む構造によって、第1のチャネル領域7aに、多くの正孔群を蓄積することができる。
本実施形態は、下記の特徴を供する。
(特徴1)
本実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、ソース、ドレインとなるN+層3a、3b、チャネル領域7、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4b、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bが、全体として柱状に形成される。また、ソースとなるN+層3aはソース線SLに、ドレインとなるN+層3bはビット線BLに、第1のゲート導体層5aはプレート線PLに、第2のゲート導体層5bはワード線WLに、それぞれ接続している。プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量は、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造を特徴としている。本ダイナミック フラッシュ メモリセルでは、垂直方向に第1のゲート導体層と、第2のゲート導体層が、積層されている。このため、プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造にしても、平面視において、メモリセル面積を大きくさせない。これによりダイナミック フラッシュ メモリセルの高性能化と高集積化が同時に実現できる。
(特徴1)
本実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、ソース、ドレインとなるN+層3a、3b、チャネル領域7、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4b、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bが、全体として柱状に形成される。また、ソースとなるN+層3aはソース線SLに、ドレインとなるN+層3bはビット線BLに、第1のゲート導体層5aはプレート線PLに、第2のゲート導体層5bはワード線WLに、それぞれ接続している。プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量は、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造を特徴としている。本ダイナミック フラッシュ メモリセルでは、垂直方向に第1のゲート導体層と、第2のゲート導体層が、積層されている。このため、プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造にしても、平面視において、メモリセル面積を大きくさせない。これによりダイナミック フラッシュ メモリセルの高性能化と高集積化が同時に実現できる。
(特徴2)
本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの分割ページ書込み動作により、ユーザーはページに接続されているメモリセル数(ページサイズ)の範囲内であれば、分割ページ書込み動作を行うためのデータサイズを自由に選択することが出来る。また、その分割ページ書込み動作のメモリセル群を容易に分けることができ、異なる複数本のページに関して、選択するページを変えて、異なるメモリセル群に対して、分割ページ書込み動作を行うことができる。従来の揮発性メモリであるDRAMは、読出し破壊型(Read Destructive Type)メモリであるため、ページ書込み動作においても、選択するページの全てのメモリセルに関して、同時に書込みをする必要があった。本発明のダイナミック フラッシュ メモリセルの分割ページ書込み動作は、様々なデータ容量を扱うユーザーにとって、システム的な自由度が大幅に拡大する。その結果、システムの高速化が達成できる。
本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの分割ページ書込み動作により、ユーザーはページに接続されているメモリセル数(ページサイズ)の範囲内であれば、分割ページ書込み動作を行うためのデータサイズを自由に選択することが出来る。また、その分割ページ書込み動作のメモリセル群を容易に分けることができ、異なる複数本のページに関して、選択するページを変えて、異なるメモリセル群に対して、分割ページ書込み動作を行うことができる。従来の揮発性メモリであるDRAMは、読出し破壊型(Read Destructive Type)メモリであるため、ページ書込み動作においても、選択するページの全てのメモリセルに関して、同時に書込みをする必要があった。本発明のダイナミック フラッシュ メモリセルの分割ページ書込み動作は、様々なデータ容量を扱うユーザーにとって、システム的な自由度が大幅に拡大する。その結果、システムの高速化が達成できる。
(特徴3)
本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのページ書込み動作および分割ページ書込み動作をする際に、ワード線WLがビット線BLに先行して、立ち上がる。この結果、“1”書込みを行ったメモリセルのチャネル半導体層7には、反転層12bが形成され、ワード線WLとチャネル半導体層7との容量結合を遮る(シールドする)。したがって、チャネル半導体層7に蓄えられた正孔群9の一部を排出することがなく、信頼性の高いメモリ装置を提供できる。
本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのページ書込み動作および分割ページ書込み動作をする際に、ワード線WLがビット線BLに先行して、立ち上がる。この結果、“1”書込みを行ったメモリセルのチャネル半導体層7には、反転層12bが形成され、ワード線WLとチャネル半導体層7との容量結合を遮る(シールドする)。したがって、チャネル半導体層7に蓄えられた正孔群9の一部を排出することがなく、信頼性の高いメモリ装置を提供できる。
(特徴4)
本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのプレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aの役割に注目すると、ダイナミック フラッシュ メモリセルが書込み、読出し動作をする際に、ワード線WLの電圧が上下に振幅する。この際に、プレート線PLは、ワード線WLとチャネル領域7との間の容量結合比を低減させる役目を担う。この結果、ワード線WLの電圧が上下に振幅する際の、チャネル領域7の電圧変化の影響を著しく抑えることができる。これにより、論理“0”と“1”を示すワード線WLのSGTトランジスタのしきい値電圧差を大きくすることが出来る。これは、ダイナミック フラッシュ メモリセルの動作マージンの拡大に繋がる。
本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのプレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aの役割に注目すると、ダイナミック フラッシュ メモリセルが書込み、読出し動作をする際に、ワード線WLの電圧が上下に振幅する。この際に、プレート線PLは、ワード線WLとチャネル領域7との間の容量結合比を低減させる役目を担う。この結果、ワード線WLの電圧が上下に振幅する際の、チャネル領域7の電圧変化の影響を著しく抑えることができる。これにより、論理“0”と“1”を示すワード線WLのSGTトランジスタのしきい値電圧差を大きくすることが出来る。これは、ダイナミック フラッシュ メモリセルの動作マージンの拡大に繋がる。
(特徴5)
図6Aにおいて、プレート線をメモリセルC00~C53で共通にしても良い。その結果、よりプロセスと回路が簡便になるだけではなく、より高速化が実現できる。
図6Aにおいて、プレート線をメモリセルC00~C53で共通にしても良い。その結果、よりプロセスと回路が簡便になるだけではなく、より高速化が実現できる。
(その他の実施形態)
なお、本発明では、Si柱を形成したが、Si以外の半導体材料よりなる半導体柱であってもよい。このことは、本発明に係るその他の実施形態においても同様である。
なお、本発明では、Si柱を形成したが、Si以外の半導体材料よりなる半導体柱であってもよい。このことは、本発明に係るその他の実施形態においても同様である。
また、縦型NAND型フラッシュメモリ回路では、半導体柱をチャネルにして、この半導体柱を囲んだトンネル酸化層、電荷蓄積層、層間絶縁層、制御導体層から構成されるメモリセルが複数段、垂直方向に形成される。これらメモリセルの両端の半導体柱には、ソースに対応するソース線不純物層と、ドレインに対応するビット線不純物層がある。また、1つのメモリセルに対して、その両側のメモリセルの一方がソースならば、他方がドレインの役割を行う。このように、縦型NAND型フラッシュメモリ回路はSGT回路の1つである。従って、本発明はNAND型フラッシュメモリ回路との混在回路に対しても適用することができる。
また、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した各実施形態は、本発明の一実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。上記実施例及び変形例は任意に組み合わせることができる。さらに、必要に応じて上記実施形態の構成要件の一部を除いても本発明の技術思想の範囲内となる。
本発明に係る、半導体素子を用いたメモリ装置によれば、高密度で、かつ高性能のSGTを用いたメモリ装置であるダイナミック フラッシュ メモリが得られる。
10: ダイナミック フラッシュ メモリセル
2: P型又はi型(真性型)の導電型を有するSi柱
3a、3b: N+層
7: チャネル領域
4a、4b: ゲート絶縁層
5a、5b: ゲート導体層
6: 2層のゲート導体層を分離するための絶縁層
BL: ビット線
SL: ソース線
PL: プレート線
WL: ワード線
FB: フローティングボディ
CL11~CL33: メモリセル
SL: ソース線
BL1~BL3、BL: ビット線
PL1~PL3、PL: プレート線
WL1~WL3、WL: ワード線
CL00~CL53: メモリセル
SL: ソース線
BL0~BL5: ビット線
PL0~PL3: プレート線
WL0~WL3: ワード線
SA0~SA5: センスアンプ回路
110: キャパシタを有しない、DRAMメモリセル
100: SOI基板
101: SOI基板のSiO2膜
102: フローティングボディ(Floating Body)
103: ソースN+層
104: ドレインN+層
105: ゲート導電層
106: 正孔
107: 反転層、電子のチャネル
108: ピンチオフ点
109: ゲート酸化膜
2: P型又はi型(真性型)の導電型を有するSi柱
3a、3b: N+層
7: チャネル領域
4a、4b: ゲート絶縁層
5a、5b: ゲート導体層
6: 2層のゲート導体層を分離するための絶縁層
BL: ビット線
SL: ソース線
PL: プレート線
WL: ワード線
FB: フローティングボディ
CL11~CL33: メモリセル
SL: ソース線
BL1~BL3、BL: ビット線
PL1~PL3、PL: プレート線
WL1~WL3、WL: ワード線
CL00~CL53: メモリセル
SL: ソース線
BL0~BL5: ビット線
PL0~PL3: プレート線
WL0~WL3: ワード線
SA0~SA5: センスアンプ回路
110: キャパシタを有しない、DRAMメモリセル
100: SOI基板
101: SOI基板のSiO2膜
102: フローティングボディ(Floating Body)
103: ソースN+層
104: ドレインN+層
105: ゲート導電層
106: 正孔
107: 反転層、電子のチャネル
108: ピンチオフ点
109: ゲート酸化膜
Claims (7)
- 基板上に行方向に配列された複数のメモリセルによってページが構成され、複数のページが列方向に配列されたメモリ装置であって、
前記各ページに含まれる各メモリセルは、
基板上に、前記基板に対して、垂直方向に立つか、または水平方向に伸延する半導体母体と、
前記半導体母体の両端にある第1の不純物層と、第2の不純物層と、
前記第1の不純物層と前記第2の不純物層の間の前記半導体母体の側面の一部または全てを囲こみ、前記第1の不純物層に接するか、または、近接した第1のゲート絶縁層と、
前記半導体母体の側面を囲み、前記第1のゲート絶縁層に繋がり、且つ前記第2の不純物層に接するか、または、近接した第2のゲート絶縁層と、
前記第1のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第1のゲート導体層と、
前記第2のゲート絶縁層を覆う第2のゲート導体層と、
前記半導体母体が前記第1のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層とで覆われたチャネル半導体層と、を有し、
前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域と、に印加する電圧を制御して、前記チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象、またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持し、
前記チャネル半導体層の電圧を、第1のデータ保持電圧とする、ページ書込み動作を行い、
前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層と、前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層とに印加する電圧を制御して、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層の、片方、もしくは、両方から、前記正孔群を抜きとり、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い、第2のデータ保持電圧とするページ消去動作を行い、
前記ページ消去動作を施した第1のページに含まれる全てのメモリセルは、少なくとも1回の前記ページ書込み動作を行う、
ことを特徴とする半導体素子を用いたメモリ装置。 - 前記第1のページは、少なくとも1組以上の分割ページで構成され、前記第1のページに含まれる第1のメモリセル群は第1の期間に分割ページ書込み動作を行い、前記第1のページに含まれる第2のメモリセル群は第2の期間に前記分割ページ書込み動作を行う、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。 - 複数本の前記ページのうちの第2のページに含まれる第3のメモリセル群は第3の期間に前記分割ページ書込み動作を行い、前記第2のページに含まれる第4のメモリセル群は第4の期間に前記分割ページ書込み動作を行い、時系列的に前記第1の期間、前記第3の期間、前記第2の期間、前記第4の期間の順番になる、
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載されたメモリ装置の前記ページが複数配置されたブロックを備え、
前記複数本のページに含まれる前記メモリセルの前記第1の不純物層は、ソース線と接続し、前記第2の不純物層は、ビット線と接続し、前記第1のゲート導体層及び前記第2のゲート導体層は、一方がワード線と接続し、他方が第1の駆動制御線と接続し、
前記ソース線は、前記ブロック内の前記半導体母体間で繋がり、
前記ソース線と、前記ビット線と、前記第1の駆動制御線と、前記ワード線とに印加する電圧により、前記ブロックの中の選択した前記ページの全ての前記半導体母体にある前記正孔群を除去する前記ページ消去動作を行う、
ことを特徴とする半導体素子を用いたメモリ装置。 - 前記ページ書込み動作において、前記第1のページを選択した状態で、前記第1の期間に、第1のビット線群が選択され、前記第1のビット線群が接続する前記第1のメモリセル群の前記分割ページ書込み動作を行い、前記第2の期間に、第2のビット線群が選択され、前記第2のビット線群が接続する前記第2のメモリセル群の前記分割ページ書込み動作を行う、
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。 - 前記第1のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第1のゲート容量が、前記第2のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第2のゲート容量よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
- 前記第1のゲート導体層が、平面視において、前記第1のゲート絶縁層を囲んで2つの導体層に分離している、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
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