JP2003068877A - Semiconductor memory device and method of manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor memory device and method of manufacturing the same

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semiconductor memory
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory device which enables dynamic storing of data with less number of signal lines using a simplified transistor structure as a memory cell. SOLUTION: A one-bit memory cell MC is formed of a MOS transistor having a floating bulk region which is electrically isolated from the other circuits and is composed of a p-type silicon layer 12 of the SOI structure. The gate electrode 13 of MOS transistor is connected to the word line WL, while the drain diffusion layer 14 is connected to the bit line BL and the source diffusion layer 15 is connected to the fixed potential line, respectively. A first threshold state which implants and holds a number of carriers generated by impact ionization in the bulk region 12 of MOS transistor and a second threshold state which discharges a number of carriers in the bulk region 12 of the MOS transistor by a bias in the forward direction of a pn connection at the drain side are stored as the binary data.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、ダイナミック型
半導体メモリ装置(DRAM)に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dynamic semiconductor memory device (DRAM).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のDRAMは、MOSトランジスタ
とキャパシタによりメモリセルが構成されている。DR
AMの微細化は、トレンチキャパシタ構造やスタックト
キャパシタ構造の採用により大きく進んでいる。現在、
単位メモリセルの大きさ(セルサイズ)は、最小加工寸
法をFとして、2F×4F=8F2の面積まで縮小され
ている。つまり、最小加工寸法Fが世代と共に小さくな
り、セルサイズを一般にαF2としたとき、係数αも世
代と共に小さくなり、F=0.18μmの現在、α=8
が実現されている。
2. Description of the Related Art In a conventional DRAM, a memory cell is composed of a MOS transistor and a capacitor. DR
The miniaturization of AM has been greatly advanced by adopting a trench capacitor structure or a stacked capacitor structure. Current,
The size (cell size) of the unit memory cell is reduced to an area of 2F × 4F = 8F 2 with the minimum processing dimension being F. That is, the minimum processing dimension F decreases with generation, and when the cell size is generally αF 2 , the coefficient α also decreases with generation, and at the present time of F = 0.18 μm, α = 8.
Has been realized.

【0003】今後も従来と変わらないセルサイズ或いは
チップサイズのトレンドを確保するためには、F<0.
18μmでは、α<8、更にF<0.13μmでは、α
<6を満たすことが要求され、微細加工と共に如何にセ
ルサイズを小さい面積に形成するかが大きな課題にな
る。そのため、1トランジスタ/1キャパシタのメモリ
セルを6F2や4F2の大きさにする提案も種々なされて
いる。しかし、トランジスタを縦型にしなければならな
いといった技術的困難や、隣接メモリセル間の電気的干
渉が大きくなるといった問題、更に加工や膜生成等の製
造技術上の困難があり、実用化は容易ではない。
In order to secure the same trend in cell size or chip size as in the past, F <0.
At 18 μm, α <8, and at F <0.13 μm, α
It is required to satisfy <6, and how to form the cell size in a small area becomes a major issue with fine processing. Therefore, various proposals have been made to make the memory cell of 1 transistor / 1 capacitor to have a size of 6F 2 or 4F 2 . However, it is not easy to put it into practical use due to technical difficulties such as the need to make the transistor vertical, the problem of increased electrical interference between adjacent memory cells, and the difficulties in manufacturing technology such as processing and film formation. Absent.

【0004】これに対して、キャパシタを用いず、1ト
ランジスタをメモリセルとするDRAMの提案も、以下
に挙げるようにいくつかなされている。 JOHN E.LEISS et al,"dRAM Design Using the Taper-
Isolated Dynamic Cell"(IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE
CIRCUITS,VOL.SC-17,NO.2,APRIL 1982,pp337-344) 特開平3−171768号公報 Marnix R.Tack et al,"The Multistable Charge-Cont
rolled Memory Effect in SOI MOS Transistors at Low
Temperatures"(IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONDEVICE
S,VOL.37,MAY,1990,pp1373-1382) Hsing-jen Wann et al,"A Capacitorless DRAM Cell
on SOI Substrate"(IEDM93,pp635-638)
On the other hand, there have been some proposals of DRAMs which use one transistor as a memory cell without using a capacitor as described below. JOHN E.LEISS et al, "dRAM Design Using the Taper-
Isolated Dynamic Cell "(IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE
CIRCUITS, VOL.SC-17, NO.2, APRIL 1982, pp337-344) Japanese Patent Laid-Open No. 3-171768 Marnix R. Tack et al, "The Multistable Charge-Cont
rolled Memory Effect in SOI MOS Transistors at Low
Temperatures "(IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONDEVICE
S, VOL.37, MAY, 1990, pp1373-1382) Hsing-jen Wann et al, "A Capacitorless DRAM Cell
on SOI Substrate "(IEDM93, pp635-638)

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】のメモリセルは、埋
め込みチャネル構造のMOSトランジスタを用いて構成
される。素子分離絶縁膜のテーパ部に形成される寄生ト
ランジスタを利用して、表面反転層の充放電を行い、二
値記憶を行う。のメモリセルは、個々にウェル分離さ
れたMOSトランジスタを用い、MOSトランジスタの
ウェル電位により決まるしきい値を二値データとする。
のメモリセルは、SOI基板上のMOSトランジスタ
により構成される。SOI基板の側から大きな負電圧を
印加してシリコン層の酸化膜と界面部でのホール蓄積を
利用し、このホールの放出、注入により二値記憶を行
う。のメモリセルは、SOI基板上のMOSトランジ
スタにより構成される。MOSトランジスタは構造上一
つであるが、ドレイン拡散層の表面に重ねて逆導電型層
が形成され、実質的に書き込み用PMOSトランジスタ
と読み出し用NMOSトランジスタを一体に組み合わせ
た構造としている。NMOSトランジスタの基板領域を
フローティングのノードとして、その電位により二値デ
ータを記憶する。
The memory cell of the present invention is formed by using a MOS transistor having a buried channel structure. The parasitic transistor formed in the tapered portion of the element isolation insulating film is used to charge and discharge the surface inversion layer to perform binary storage. The memory cell of (1) uses MOS transistors whose wells are individually separated, and the threshold value determined by the well potential of the MOS transistors is used as binary data.
The memory cell of is composed of a MOS transistor on the SOI substrate. A large negative voltage is applied from the side of the SOI substrate to utilize hole accumulation in the oxide film of the silicon layer and the interface portion, and binary storage is performed by emitting and injecting this hole. The memory cell of is composed of a MOS transistor on the SOI substrate. Although there is one MOS transistor in terms of structure, an opposite conductivity type layer is formed so as to overlap the surface of the drain diffusion layer, and a writing PMOS transistor and a reading NMOS transistor are substantially combined together. The substrate region of the NMOS transistor is used as a floating node to store binary data according to its potential.

【0006】しかし、は構造が複雑であり、寄生トラ
ンジスタを利用していることから、特性の制御性にも難
点がある。は、構造は単純であるが、トランジスタの
ドレイン、ソース共に信号線に接続して電位制御する必
要がある。また、ウェル分離であるため、セルサイズが
大きく、しかもビット毎の書き換えができない。で
は、SOI基板側からの電位制御を必要としており、従
ってビット毎の書き換えができず、制御性に難点があ
る。は特殊トランジスタ構造を必要とし、またメモリ
セルには、ワード線、ライトビット線、リードビット
線、パージ線を必要とするため、信号線数が多くなる。
However, since the structure is complicated and the parasitic transistor is used, there is a problem in controllability of characteristics. Has a simple structure, but it is necessary to connect both the drain and source of the transistor to the signal line to control the potential. In addition, because of the well separation, the cell size is large and rewriting cannot be performed for each bit. However, since the potential control from the SOI substrate side is required, rewriting cannot be performed for each bit, and controllability is difficult. Requires a special transistor structure, and the memory cell requires a word line, a write bit line, a read bit line, and a purge line, so that the number of signal lines increases.

【0007】この発明は、単純なトランジスタ構造をメ
モリセルとして、少ない信号線でデータのダイナミック
記憶を可能とした半導体メモリ装置及びその製造方法を
提供することを目的としている。
It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device having a simple transistor structure as a memory cell, which enables dynamic data storage with a small number of signal lines, and a manufacturing method thereof.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体メ
モリ装置は、メモリセルが、他のメモリセルから電気的
に分離されたフローティングの半導体層に形成されたト
ランジスタにより構成される。トランジスタは、半導体
層に互いに離隔して形成されたドレイン及びソース拡散
層と、これらのドレイン及びソース拡散層の間の半導体
層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを
有し、ゲート電極はワード線に、ドレイン拡散層はビッ
ト線に、ソース拡散層は固定電位線にそれぞれ接続され
る。トランジスタは、半導体層に過剰の多数キャリアが
保持された第1のしきい値電圧を有する第1データ状態
と、半導体層の過剰の多数キャリアが放出された第2の
しきい値電圧を有する第2データ状態とをダイナミック
に記憶する。
In a semiconductor memory device according to the present invention, a memory cell is composed of a transistor formed in a floating semiconductor layer electrically isolated from other memory cells. The transistor has a drain and a source diffusion layer formed in a semiconductor layer separated from each other, and a gate electrode formed on the semiconductor layer between these drain and source diffusion layers via a gate insulating film, The gate electrode is connected to the word line, the drain diffusion layer is connected to the bit line, and the source diffusion layer is connected to the fixed potential line. The transistor has a first data state having a first threshold voltage in which excess majority carriers are retained in the semiconductor layer and a second data state having a second threshold voltage in which excess majority carriers in the semiconductor layer are released. Dynamically store two data states.

【0009】この発明において、より具体的には、第1
データ状態は、トランジスタを動作させることによりド
レイン接合近傍でインパクトイオン化を起こして、生成
された過剰の多数キャリアを半導体層に保持することに
より書き込まれ、第2データ状態は、半導体層とドレイ
ン拡散層との間に順方向バイアスを与えて、半導体層の
過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜くことに
より書き込まれる。
In the present invention, more specifically, the first
The data state is written by operating the transistor to cause impact ionization in the vicinity of the drain junction and holding excess majority carriers generated in the semiconductor layer, and the second data state is written in the semiconductor layer and the drain diffusion layer. Writing is performed by applying a forward bias between and to draw excess majority carriers of the semiconductor layer into the drain diffusion layer.

【0010】この発明において、好ましくは、半導体層
は、シリコン基板に絶縁膜を介して形成されたシリコン
層である。更にこの場合、より好ましくは、シリコン層
がp型であり、トランジスタがNチャネルMOSトラン
ジスタであるものとする。
In the present invention, the semiconductor layer is preferably a silicon layer formed on a silicon substrate via an insulating film. Further, in this case, more preferably, the silicon layer is p-type and the transistor is an N-channel MOS transistor.

【0011】この発明による半導体メモリ装置では、デ
ータ書き込み時、固定電位線を基準電位として、選択ワ
ード線に基準電位より高い第1の電位を与え、非選択ワ
ード線に基準電位より低い第2の電位を与え、ビット線
には第1及び第2データ状態に応じてそれぞれ基準電位
より高い第3の電位及び基準電位より低い第4の電位を
与える。これにより、ビット線から第1データが与えら
れた選択セルでは、トランジスタが5極管動作し、ドレ
イン接合近傍の半導体層内でインパクトイオン化が起こ
って、生成された過剰のホールが半導体層に注入保持さ
れる。また第2データが与えられた選択セルでは、ドレ
イン拡散層と半導体層の間が順バイアスとなり、半導体
層の過剰ホールがドレイン拡散層に放出される。
In the semiconductor memory device according to the present invention, when writing data, the fixed potential line is used as a reference potential, a first potential higher than the reference potential is applied to the selected word line, and a second potential lower than the reference potential is applied to the non-selected word line. A potential is applied, and a third potential higher than the reference potential and a fourth potential lower than the reference potential are applied to the bit line according to the first and second data states, respectively. As a result, in the selected cell to which the first data is applied from the bit line, the transistor operates as a pentode, impact ionization occurs in the semiconductor layer near the drain junction, and excess holes generated are injected into the semiconductor layer. Retained. Further, in the selected cell to which the second data is applied, a forward bias is applied between the drain diffusion layer and the semiconductor layer, and excess holes in the semiconductor layer are emitted to the drain diffusion layer.

【0012】データ読み出しは、選択ワード線に第1の
しきい値電圧と第2のしきい値電圧の間にある基準電位
より高い電位を与え、選択されたメモリセルの導通又は
非導通を検出する方式が用いられる。或いは、選択ワー
ド線に第1及び第2のしきい値電圧より高く且つ基準電
位より高い電位を与え、選択されたメモリセルの導通度
を検出するようにしてもよい。
In the data reading, a potential higher than a reference potential between the first threshold voltage and the second threshold voltage is applied to the selected word line, and conduction or non-conduction of the selected memory cell is detected. The method of doing is used. Alternatively, a potential higher than the first and second threshold voltages and higher than the reference potential may be applied to the selected word line to detect the conductivity of the selected memory cell.

【0013】この発明による半導体メモリ装置では、ト
ランジスタは、最小加工寸法をFとして、2F×2Fの
セルサイズでマトリクス配列されてメモリセルアレイが
構成される。
In the semiconductor memory device according to the present invention, the transistors are arranged in a matrix with a cell size of 2F × 2F, where F is the minimum processing size, to form a memory cell array.

【0014】この発明によると、一つのメモリセルは、
フローティングの半導体層をバルク領域(チャネルボデ
ィ)として持つ単純な一つのトランジスタにより形成さ
れ、セルサイズを4F2と小さくすることができる。ト
ランジスタのソースは固定電位線に接続され、また半導
体層に対するバックゲートバイアス制御を行うことな
く、ドレインに接続されたビット線とゲート電極に接続
されたワード線の制御のみによって、読み出し,書き換
え及びリフレッシュの制御が行われる。即ち任意ビット
単位でのデータ書き換えも可能である。また、この発明
によるメモリセルは基本的に非破壊読み出しであるの
で、センスアンプをビット線毎に設ける必要がなく、言
い換えれば、ワード線により同時に選択されるメモリセ
ルの全てに対してセンスアンプを設ける必要がなく、従
ってセンスアンプのレイアウトは容易になる。更に、メ
モリセルは電流読み出しであるので、耐ノイズ性に優れ
ており、オープンビット線方式を用いることもできる。
According to the present invention, one memory cell is
It is formed by one simple transistor having a floating semiconductor layer as a bulk region (channel body), and the cell size can be reduced to 4F 2 . The source of the transistor is connected to a fixed potential line, and read, rewrite and refresh are performed only by controlling the bit line connected to the drain and the word line connected to the gate electrode without controlling the back gate bias to the semiconductor layer. Is controlled. That is, the data can be rewritten in arbitrary bit units. Further, since the memory cell according to the present invention is basically nondestructive read, it is not necessary to provide a sense amplifier for each bit line. In other words, the sense amplifier is not provided for all the memory cells selected simultaneously by the word line. It is not necessary to provide it, and therefore the layout of the sense amplifier is easy. Furthermore, since the memory cell is a current read type, it has excellent noise resistance and an open bit line system can be used.

【0015】この発明によるメモリセルは、二値データ
であるしきい値電圧の高い状態と低い状態を、それらの
しきい値電圧の差が大きい状態で記憶することが好まし
い。またデータは、フローティングの半導体層の電荷蓄
積状態として保持されるため、リーク電流ができる限り
小さいことが望まれる。これらの要求を満たすための好
ましい構造として、バルク領域となる半導体層は、ドレ
イン及びソース拡散層に接する第1の不純物添加領域
と、ドレイン及びソース拡散層から離れてチャネル長方
向の中央部に配置された第1の不純物添加領域より高不
純物濃度の第2の不純物添加領域とを有するものとす
る。更に好ましくは、ドレイン及びソース拡散層のうち
少なくともドレイン拡散層が、第1の不純物添加領域に
接してpn接合を構成する第3の不純物添加領域と、第
1の不純物添加領域から離れた位置に形成された前記第
3の不純物添加領域より高不純物濃度の第4の不純物添
加領域とを有する構造とする。
In the memory cell according to the present invention, it is preferable to store a high threshold voltage state and a low threshold voltage state, which are binary data, in a state where the difference between the threshold voltages is large. Further, since the data is held as the charge storage state of the floating semiconductor layer, it is desired that the leak current is as small as possible. As a preferable structure for satisfying these requirements, the semiconductor layer serving as the bulk region is arranged in the first impurity-added region in contact with the drain and source diffusion layers and in the central portion in the channel length direction away from the drain and source diffusion layers. And a second impurity-added region having a higher impurity concentration than the first impurity-added region thus formed. More preferably, at least the drain diffusion layer of the drain and source diffusion layers is located at a position apart from the third impurity addition region forming a pn junction in contact with the first impurity addition region and the first impurity addition region. A structure having a fourth impurity added region having a higher impurity concentration than the formed third impurity added region is formed.

【0016】また、バルク領域中央部に高濃度層を持つ
メモリセルを形成するための、この発明による半導体メ
モリ装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜により分
離されて形成された第1導電型の半導体層上に、ゲート
電極形成領域に開口を有するマスクを形成する工程と、
前記マスクの開口側壁に側壁絶縁膜を形成する工程と、
前記マスクの開口を介して前記半導体層に不純物を導入
して、前記半導体層より高不純物濃度で第1導電型の不
純物添加層を形成する工程と、前記側壁絶縁膜を除去し
た後、前記マスクの開口にゲート絶縁膜を介してゲート
電極を埋め込む工程と、前記マスクを除去した後、前記
半導体層に不純物を導入することにより、第2導電型の
ドレイン及びソース拡散層を形成する工程とを備える。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention for forming a memory cell having a high-concentration layer in the center of the bulk region is a first conductive film formed on a semiconductor substrate and separated by an insulating film. Forming a mask having an opening in the gate electrode formation region on the mold semiconductor layer,
Forming a sidewall insulating film on the sidewall of the opening of the mask;
A step of introducing an impurity into the semiconductor layer through an opening of the mask to form a first-conductivity-type impurity-added layer with a higher impurity concentration than that of the semiconductor layer; And a step of forming a second conductivity type drain and source diffusion layer by introducing impurities into the semiconductor layer after the mask is removed. Prepare

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態を説明する。図1はこの発明によるDRA
Mの単位メモリセルの断面構造を示し、図2はその等価
回路を示している。メモリセルMCは、SOI構造のN
チャネルMOSトランジスタにより構成されている。即
ち、シリコン基板10上に絶縁膜としてシリコン酸化膜
11が形成され、このシリコン酸化膜11上にp型シリ
コン層12が形成されたSOI基板が用いられている。
この基板のシリコン層12上に、ゲート酸化膜16を介
してゲート電極13が形成され、ゲート電極13に自己
整合されてn型ソース、ドレイン拡散層14,15が形
成されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a DRA according to the present invention.
FIG. 2 shows a sectional structure of an M unit memory cell, and FIG. 2 shows its equivalent circuit. The memory cell MC has an SOI structure of N.
It is composed of a channel MOS transistor. That is, the SOI substrate in which the silicon oxide film 11 is formed as the insulating film on the silicon substrate 10 and the p-type silicon layer 12 is formed on the silicon oxide film 11 is used.
A gate electrode 13 is formed on a silicon layer 12 of this substrate via a gate oxide film 16, and n-type source / drain diffusion layers 14 and 15 are formed in self alignment with the gate electrode 13.

【0018】ソース、ドレイン拡散層14,15は、底
部のシリコン酸化膜11に達する深さに形成されてい
る。従って、p型シリコン層12からなるバルク領域
は、チャネル幅方向(図の紙面に直交する方向)の分離
を酸化膜で行うとすれば、底面及びチャネル幅方向の側
面が他から絶縁分離され、チャネル長方向はpn接合分
離されたフローティング状態になる。このメモリセルM
Cをマトリクス配列する場合、ゲート電極13はワード
線WLに接続され、ソース拡散層15は固定電位線(接
地電位線)に接続され、ドレイン拡散層14はビット線
BLに接続される。
The source / drain diffusion layers 14 and 15 are formed so as to reach the bottom silicon oxide film 11. Therefore, in the bulk region made of the p-type silicon layer 12, if the oxide film is used to separate in the channel width direction (direction orthogonal to the paper surface of the drawing), the bottom surface and the side surface in the channel width direction are insulated and separated from each other. In the channel length direction, a pn junction is separated to be in a floating state. This memory cell M
When Cs are arranged in a matrix, the gate electrode 13 is connected to the word line WL, the source diffusion layer 15 is connected to the fixed potential line (ground potential line), and the drain diffusion layer 14 is connected to the bit line BL.

【0019】図3は、メモリセルアレイのレイアウトを
示し、図4(a),(b)はそれぞれ図3のA−A’,
B−B’断面を示している。p型シリコン層12は、シ
リコン酸化膜21の埋め込みにより、格子状にパターン
形成される。即ちドレインを共有する二つのトランジス
タの領域がワード線WL方向にシリコン酸化膜21によ
り素子分離されて配列される。或いはシリコン酸化膜2
1の埋め込みに代わって、シリコン層12をエッチング
することにより、横方向の素子分離を行っても良い。ゲ
ート電極13は一方向に連続的に形成されて、これがワ
ード線WLとなる。ソース拡散層15は、ワード線WL
方向に連続的に形成されて、これが固定電位線(共通ソ
ース線)となる。トランジスタ上は層間絶縁膜23で覆
われこの上にビット線BLが形成される。ビット線BL
は、二つのトランジスタで共有するドレイン拡散層14
にコンタクトして、ワード線WLと交差するように配設
される。
FIG. 3 shows a layout of the memory cell array, and FIGS. 4 (a) and 4 (b) respectively show AA 'and FIG.
The BB 'cross section is shown. The p-type silicon layer 12 is patterned into a lattice by embedding the silicon oxide film 21. That is, the regions of the two transistors sharing the drain are arranged in the word line WL direction with element isolation by the silicon oxide film 21. Or silicon oxide film 2
Instead of burying 1, the silicon layer 12 may be etched to perform lateral element isolation. The gate electrode 13 is continuously formed in one direction, and this becomes the word line WL. The source diffusion layer 15 is a word line WL
Are formed continuously in the direction, and this becomes a fixed potential line (common source line). The transistor is covered with an interlayer insulating film 23, and the bit line BL is formed thereon. Bit line BL
Is a drain diffusion layer 14 shared by two transistors.
And is arranged so as to intersect with the word line WL.

【0020】これにより、各トランジスタのバルク領域
(チャネルボディ)であるシリコン層12は、底面及び
チャネル幅方向の側面が酸化膜により互いに分離され、
チャネル長方向にはpn接合により互いに分離されてフ
ローティング状態に保たれる。そしてこのメモリセルア
レイ構成では、ワード線WLおよびビット線BLを最小
加工寸法Fのピッチで形成したとして、単位セル面積
は、図3に破線で示したように、2F×2F=4F2
なる。
As a result, the bottom surface and the side surface in the channel width direction of the silicon layer 12 which is the bulk region (channel body) of each transistor are separated from each other by the oxide film.
In the channel length direction, they are separated from each other by a pn junction and kept in a floating state. In this memory cell array configuration, assuming that the word lines WL and the bit lines BL are formed at the pitch of the minimum processing dimension F, the unit cell area is 2F × 2F = 4F 2 as shown by the broken line in FIG.

【0021】このNMOSトランジスタからなるDRA
Mセルの動作原理は、MOSトランジスタのバルク領域
(他から絶縁分離されたp型シリコン層12)の多数キ
ャリアであるホールの蓄積を利用する。即ち、MOSト
ランジスタを5極管領域で動作させることにより、ドレ
イン拡散層14から大きな電流を流し、ドレイン拡散層
14の近傍でインパクトイオン化を起こす。このインパ
クトイオン化により生成される過剰の多数キャリアであ
るホールをp型シリコン層12に保持させ、そのホール
蓄積状態(熱平衡状態より電位が高い状態)を例えばデ
ータ“1”とする。ドレイン拡散層14とp型シリコン
層12の間のpn接合を順方向バイアスして、p型シリ
コン層12の過剰ホールをドレイン側に放出した状態を
データ“0”とする。
DRA composed of this NMOS transistor
The operating principle of the M cell utilizes the accumulation of holes, which are the majority carriers, in the bulk region of the MOS transistor (the p-type silicon layer 12 that is isolated from the others). That is, by operating the MOS transistor in the pentode region, a large current is caused to flow from the drain diffusion layer 14 to cause impact ionization in the vicinity of the drain diffusion layer 14. Holes, which are excess majority carriers generated by this impact ionization, are held in the p-type silicon layer 12, and the hole accumulation state (state in which the potential is higher than the thermal equilibrium state) is, for example, data “1”. The state in which the pn junction between the drain diffusion layer 14 and the p-type silicon layer 12 is forward biased and excess holes of the p-type silicon layer 12 are emitted to the drain side is set as data “0”.

【0022】データ“0”,“1”は、バルク領域の電
位の差であり、MOSトランジスタのしきい値電圧の差
として記憶される。即ち、ホール蓄積によりバルク領域
の電位が高いデータ“1”状態のしきい値電圧Vth1
は、データ“0”状態のしきい値電圧Vth0より低
い。バルク領域に多数キャリアであるホールを蓄積した
“1”データ状態を保持するためには、ワード線には負
のバイアス電圧を印加することが必要になる。このデー
タ保持状態は、逆データの書き込み動作(消去)を行わ
ない限り、読み出し動作を行っても変わない。即ち、キ
ャパシタの電荷蓄積を利用する1トランジスタ/1キャ
パシタのDRAMと異なり、非破壊読み出しが可能であ
る。
The data "0" and "1" are differences in the potentials of the bulk regions and are stored as differences in the threshold voltages of the MOS transistors. That is, the threshold voltage Vth1 in the data "1" state in which the potential of the bulk region is high due to hole accumulation.
Is lower than the threshold voltage Vth0 in the data “0” state. In order to hold the "1" data state in which holes, which are majority carriers, are accumulated in the bulk region, it is necessary to apply a negative bias voltage to the word line. This data holding state does not change even if a read operation is performed unless a reverse data write operation (erase) is performed. That is, unlike a 1-transistor / 1-capacitor DRAM that utilizes charge storage of a capacitor, non-destructive read is possible.

【0023】データ読み出しの方式には、いくつか考え
られる。ワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係
は、データ“0”,“1”と関係で図5のようになる。
従ってデータ読み出しの第1の方法は、選択されたワー
ド線WLにデータ“0”,“1”のしきい値電圧Vth
0,Vth1の中間になる読み出し電位を与えて、
“0”データのメモリセルでは電流が流れず、“1”デ
ータのメモリセルでは電流が流れることを利用する。具
体的には例えば、ビット線BLを所定の電位VBLにプ
リチャージして、その後ワード線WLを駆動する。これ
により、図6に示すように、“0”データの場合、ビッ
ト線プリチャージ電位VBLの変化がなく、“1”デー
タの場合はプリチャージ電位VBLが低下する。
There are several possible data reading methods. The relationship between the word line potential Vwl and the bulk potential VB is as shown in FIG. 5 in relation to the data "0" and "1".
Therefore, the first method of reading data is that the threshold voltage Vth of data “0” and “1” is applied to the selected word line WL.
By giving a read potential in the middle of 0 and Vth1,
It is utilized that no current flows in the memory cell of “0” data and current flows in the memory cell of “1” data. Specifically, for example, the bit line BL is precharged to a predetermined potential VBL, and then the word line WL is driven. As a result, as shown in FIG. 6, the bit line precharge potential VBL does not change in the case of "0" data, and the precharge potential VBL decreases in the case of "1" data.

【0024】第2の読み出し方式は、選択されたワード
線WLを立ち上げてから、ビット線BLに電流を供給し
て、“0”,“1”の導通度に応じてビット線電位の上
昇速度が異なることを利用する。簡単には、ビット線B
Lを0Vにプリチャージし、図7に示すようにワード線
WLを、“0”データのしきい値電圧よりも高い電位ま
で立ち上げて、ビット線電流を供給する。このとき、ビ
ット線の電位上昇の差をダミーセルを利用して検出する
ことにより、データ判別が可能となる。
In the second reading method, after the selected word line WL is raised, a current is supplied to the bit line BL to raise the bit line potential in accordance with the conductivity of "0" or "1". Take advantage of the different speeds. Briefly, bit line B
L is precharged to 0V, the word line WL is raised to a potential higher than the threshold voltage of "0" data as shown in FIG. 7, and the bit line current is supplied. At this time, the data can be discriminated by detecting the difference in the potential rise of the bit line by using the dummy cell.

【0025】第3の読み出し方式は、ビット線BLを所
定の電位にクランプしたときの、“0”,“1”で異な
るビット線電流の差を読む方式である。即ち、選択され
たワード線を、“0”データのしきい値電圧よりも高い
電位まで立ち上げた後、クランプ回路を介してビット線
に電流を供給する。ビット線BLの電位がクランプした
ときの、“0”,“1”で異なるビット線電流の差を検
出することで、データが判定できる。電流差を読み出す
には、電流−電圧変換回路が必要であるが、最終的には
電位差を差動増幅して、センス出力を出す。
The third reading method is a method of reading the difference between different bit line currents between "0" and "1" when the bit line BL is clamped to a predetermined potential. That is, the selected word line is raised to a potential higher than the threshold voltage of "0" data, and then a current is supplied to the bit line via the clamp circuit. Data can be determined by detecting the difference between different bit line currents of "0" and "1" when the potential of the bit line BL is clamped. A current-voltage conversion circuit is required to read out the current difference, but finally the potential difference is differentially amplified and a sense output is output.

【0026】この発明において、選択的に“0”データ
を書き込むためには、即ちメモリセルアレイのなかで選
択されたワード線WLとビット線BLの電位により選択
されたメモリセルのバルク領域のみから過剰ホールを放
出させるには、ワード線WLとバルク領域の間の容量結
合が本質的になる。その詳細検討は後述するが、データ
“1”でバルク領域にホールが蓄積された状態は、ワー
ド線を十分負方向にバイアスして、メモリセルのゲート
・基板間容量が、ゲート酸化膜容量となる状態(即ち表
面に空乏層が形成されていない状態)で保持することが
必要である。また、書き込み動作は、“0”,“1”共
に、パルス書き込みとして消費電力を減らすことが好ま
しい。“0”書き込み時、選択トランジスタのバルク領
域からドレインにホール電流が、ドレインからバルク領
域に電子電流が流れるが、バルク領域にホールが注入さ
れることはない。
In the present invention, in order to selectively write "0" data, that is, in excess of only the bulk region of the memory cell selected by the potentials of the word line WL and the bit line BL selected in the memory cell array. Capacitive coupling between the word line WL and the bulk region is essential for releasing holes. As will be described later in detail, when holes are accumulated in the bulk region with data “1”, the word line is sufficiently biased in the negative direction so that the gate-substrate capacitance of the memory cell becomes equal to the gate oxide film capacitance. It is necessary to maintain the above state (that is, the state in which the depletion layer is not formed on the surface). Further, in the write operation, it is preferable that both “0” and “1” be pulse write to reduce power consumption. At the time of writing “0”, a hole current flows from the bulk region of the select transistor to the drain and an electron current flows from the drain to the bulk region, but holes are not injected into the bulk region.

【0027】より具体的な動作波形を説明する。図8〜
図11は、選択セルによるビット線の放電の有無により
データ判別を行う第1の読み出し方式を用いた場合のリ
ード/リフレッシュ及びリード/ライトの動作波形であ
る。図8及び図9は、それぞれ“1”データ及び“0”
データのリード/リフレッシュ動作である。時刻t1ま
では、データ保持状態(非選択状態)であり、ワード線
WLには負電位が与えられている。時刻t1でワード線
WLを正の所定電位に立ち上げる。このときワード線電
位は、“0”,“1”データのしきい値Vth0,Vt
h1の間に設定する。これにより、“1”データの場
合、予めプリチャージされていたビット線VBLは放電
により低電位になる。“0”データの場合はビット線電
位VBLは保持される。これにより“1”,“0”デー
タが判別される。
A more specific operation waveform will be described. Figure 8 ~
FIG. 11 shows operation waveforms of read / refresh and read / write in the case of using the first read method in which data is discriminated by the presence / absence of discharge of the bit line by the selected cell. 8 and 9 show "1" data and "0", respectively.
This is a data read / refresh operation. Up to time t1, the data holding state (non-selected state), and the word line WL is given a negative potential. At time t1, the word line WL is raised to a predetermined positive potential. At this time, the word line potential is "0", "1" data threshold values Vth0, Vt.
Set during h1. As a result, in the case of "1" data, the pre-charged bit line VBL becomes low potential due to discharge. In the case of "0" data, the bit line potential VBL is held. As a result, "1" and "0" data are discriminated.

【0028】そして、時刻t2で、ワード線WLの電位
を更に高くし、同時に読み出しデータが“1”の場合に
は、ビット線BLに正電位を与え(図8)、読み出しデ
ータが“0”の場合はビット線BLに負電位を与える
(図9)。これにより、選択メモリセルが“1”データ
の場合、5極管動作により大きなチャネル電流が流れて
インパクトイオン化が起こり、バルク領域に過剰のホー
ルが注入保持されて再度“1”データが書き込まれる。
“0”データの場合には、ドレイン接合が順方向バイア
スになり、バルク領域に過剰ホールが保持されていない
“0”データが再度書き込まれる。
Then, at time t2, the potential of the word line WL is further increased, and at the same time, when the read data is "1", a positive potential is applied to the bit line BL (FIG. 8), and the read data is "0". In that case, a negative potential is applied to the bit line BL (FIG. 9). As a result, when the selected memory cell has "1" data, a large channel current flows due to the pentode operation, impact ionization occurs, excess holes are injected and held in the bulk region, and "1" data is written again.
In the case of "0" data, the drain junction is forward biased, and "0" data in which excess holes are not held in the bulk region is rewritten.

【0029】そして、時刻t3でワード線WLを負方向
にバイアスして、リード/リフレッシュ動作を終了す
る。“1”データ読み出しを行ったメモリセルと同じビ
ット線BLにつながる他の非選択メモリセルでは、ワー
ド線WLが負電位、従ってバルク領域が負電位に保持さ
れて、インパクトイオン化は起こらない。“0”データ
読み出しを行ったメモリセルと同じビット線BLにつな
がる他の非選択メモリセルでは、やはりワード線WLが
負電位に保持されて、ホール放出は起こらない。
Then, at time t3, the word line WL is biased in the negative direction to complete the read / refresh operation. In another unselected memory cell connected to the same bit line BL as the memory cell from which the "1" data is read, the word line WL is held at a negative potential, and thus the bulk region is held at a negative potential, and impact ionization does not occur. In other non-selected memory cells connected to the same bit line BL as the memory cell from which "0" data is read, the word line WL is still held at a negative potential, and hole emission does not occur.

【0030】図10及び図11は、同じ読み出し方式に
よるそれぞれ“1”データ及び“0”データのリード/
ライト動作である。図10及び図11での時刻t1での
読み出し動作はそれぞれ、図8及び図9と同様である。
読み出し後、時刻t2でワード線WLを更に高電位と
し、同じ選択セルに“0”データを書き込む場合には同
時に、ビット線BLに負電位を与え(図10)、“1”
データを書き込む場合にはビット線BLに正電位を与え
る(図11)。これにより、“0”データが与えられた
セルでは、ドレイン接合が順方向バイアスになり、バル
ク領域のホールが放出される。“1”データが与えられ
たセルでは、ドレイン近傍でインパクトイオン化が起こ
り、バルク領域に過剰ホールが注入保持される。
10 and 11 show read / write of "1" data and "0" data respectively by the same read method.
It is a write operation. The read operation at time t1 in FIGS. 10 and 11 is the same as that in FIGS. 8 and 9, respectively.
After reading, at time t2, the word line WL is set to a higher potential, and when writing "0" data to the same selected cell, a negative potential is applied to the bit line BL at the same time (FIG. 10) and "1".
When writing data, a positive potential is applied to the bit line BL (FIG. 11). As a result, in the cell to which "0" data is applied, the drain junction becomes forward biased, and holes in the bulk region are emitted. In the cell to which “1” data is given, impact ionization occurs near the drain, and excess holes are injected and held in the bulk region.

【0031】図12〜図15は、ビット線BLを0Vに
プリチャージし、ワード線選択後にビット線BLに電流
を供給して、ビット線BLの電位上昇速度によりデータ
判別を行う第2の読み出し方式を用いた場合のリード/
リフレッシュ及びリード/ライトの動作波形である。図
12及び図13は、それぞれ“1”データ及び“0”デ
ータのリード/リフレッシュ動作である。負電位に保持
されていたワード線WLを、時刻t1で正電位に立ち上
げる。このときワード線電位は、図7に示したように、
“0”,“1”データのしきい値Vth0,Vth1の
いずれよりも高い値に設定する。或いは、ワード線電位
を、第1の読み出し方式と同様に、“0”,“1”デー
タのしきい値Vth0,Vth1の間に設定してもよ
い。そして、時刻t2でビット線に電流を供給する。こ
れにより、“1”データの場合、メモリセルが深くオン
してビット線BLの電位上昇は小さく(図12)、
“0”データの場合メモリセルの電流が小さく(或いは
電流が流れず)、ビット線電位は急速に上昇する。これ
により“1”,“0”データが判別される。
In FIGS. 12 to 15, the second read is performed in which the bit line BL is precharged to 0V, a current is supplied to the bit line BL after the word line is selected, and data is discriminated by the potential rising speed of the bit line BL. Lead when using the method /
It is an operation waveform of refresh and read / write. 12 and 13 show read / refresh operations of "1" data and "0" data, respectively. The word line WL held at the negative potential is raised to the positive potential at time t1. At this time, the word line potential is as shown in FIG.
It is set to a value higher than any of the threshold values Vth0 and Vth1 of "0" and "1" data. Alternatively, the word line potential may be set between the threshold values Vth0 and Vth1 of the “0” and “1” data, as in the first reading method. Then, at time t2, a current is supplied to the bit line. As a result, in the case of "1" data, the memory cell is deeply turned on and the potential rise of the bit line BL is small (FIG. 12).
In the case of “0” data, the current of the memory cell is small (or no current flows) and the bit line potential rises rapidly. As a result, "1" and "0" data are discriminated.

【0032】そして、時刻t3で、読み出しデータが
“1”の場合には、ビット線BLに正の電位を与え(図
12)、読み出しデータが“0”の場合はビット線BL
に負の電位を与える(図13)。これにより、選択メモ
リセルが“1”データの場合、ドレイン電流が流れてイ
ンパクトイオン化が起こり、バルク領域に過剰ホールが
注入保持されて再度“1”データが書き込まれる。
“0”データの場合には、ドレイン接合が順方向バイア
スになり、バルク領域に過剰ホールのない“0”データ
が再度書き込まれる。時刻t4でワード線WLを負方向
にバイアスして、リード/リフレッシュ動作を終了す
る。
Then, at time t3, when the read data is "1", a positive potential is applied to the bit line BL (FIG. 12), and when the read data is "0", the bit line BL.
A negative potential is applied to (FIG. 13). As a result, when the selected memory cell has "1" data, a drain current flows and impact ionization occurs, excess holes are injected and held in the bulk region, and "1" data is written again.
In the case of "0" data, the drain junction is forward biased, and "0" data without excess holes is rewritten in the bulk region. At time t4, the word line WL is biased in the negative direction, and the read / refresh operation ends.

【0033】図14及び図15は、同じ読み出し方式に
よるそれぞれ“1”データ及び“0”データのリード/
ライト動作である。図14及び図15での時刻t1及び
t2での読み出し動作はそれぞれ、図12及び図13と
同様である。読み出し後、同じ選択セルに“0”データ
を書き込む場合には、ビット線BLに負電位を与え(図
14)、“1”データを書き込む場合にはビット線BL
に正電位を与える(図15)。これにより、“0”デー
タが与えられたセルでは、ドレイン接合が順方向バイア
スになり、バルク領域の過剰ホールが放出される。
“1”データが与えられたセルでは、大きなドレイン電
流が流れてドレイン近傍でインパクトイオン化が起こ
り、バルク領域に過剰ホールが注入保持される。
14 and 15 show read / write of "1" data and "0" data by the same read method, respectively.
It is a write operation. The read operations at times t1 and t2 in FIGS. 14 and 15 are the same as those in FIGS. 12 and 13, respectively. After reading, when writing "0" data in the same selected cell, a negative potential is applied to the bit line BL (FIG. 14), and when writing "1" data, the bit line BL is written.
A positive potential is applied to (FIG. 15). As a result, in the cell to which "0" data is applied, the drain junction becomes forward biased, and excess holes in the bulk region are emitted.
In the cell to which “1” data is given, a large drain current flows, impact ionization occurs near the drain, and excess holes are injected and held in the bulk region.

【0034】以上のようにこの発明によるDRAMセル
は、他から電気的に分離されたフローティングのバルク
領域を持つ単純なMOSトランジスタにより構成され、
4F 2のセルサイズが実現可能である。また、フローテ
ィングのバルク領域の電位制御は、ゲート電極からの容
量結合を利用しており、例えばSOI基板裏面からのバ
ックゲート制御は利用していない。ソース拡散層も固定
電位である。即ち、読み出し/書き込みの制御は、ワー
ド線WLとビット線BLのみで行われ、簡単である。更
にメモリセルは基本的に非破壊読み出しであるので、セ
ンスアンプをビット線毎に設ける必要がなく、センスア
ンプのレイアウトは容易になる。更に電流読み出し方式
であるので、ノイズにも強く、例えばオープンビット線
方式でも読み出しが可能である。また、メモリセルの製
造プロセスも簡単である。
As described above, the DRAM cell according to the present invention
Is a floating bulk that is electrically isolated from the others
It consists of a simple MOS transistor with a region,
4F 2A cell size of is feasible. Also, float
The potential control of the bulk region of the gate is controlled by the capacitance from the gate electrode.
It uses the quantity coupling, and for example,
The clock gate control is not used. Fixed source diffusion layer
It is a potential. In other words, read / write control
It is simple because it is performed only with the line WL and the bit line BL. Change
Since memory cells are basically nondestructive read,
It is not necessary to provide a sense amplifier for each bit line,
Layout is easy. Further current reading method
Therefore, it is resistant to noise, for example, open bit line
It is also possible to read by the method. Also, the memory cell
The manufacturing process is also simple.

【0035】また、SOI構造は、今後のロジックLS
Iの性能向上を考えたときに重要な技術となる。この発
明によるDRAMは、この様なSOI構造のロジックL
SIとの混載を行う場合にも非常に有望である。キャパ
シタを用いる従来のDRAMと異なり、ロジックLSI
のプロセスと異なるプロセスを必要とせず、製造工程が
簡単になるからである。
Further, the SOI structure is based on future logic LS.
This is an important technology when considering the performance improvement of I. The DRAM according to the present invention is a logic L having such an SOI structure.
It is also very promising when mixed with SI. Unlike conventional DRAMs that use capacitors, logic LSIs
This is because the manufacturing process is simplified without the need for a process different from the above process.

【0036】更に、この発明によるSOI構造のDRA
Mは、従来の1トランジスタ/1キャパシタ型のDRA
MをSOI構造とした場合に比べて、優れた記憶保持特
性が得られるという利点がある。即ち従来の1トランジ
スタ/1キャパシタ型のDRAMをSOI構造とする
と、フローティングの半導体バルクにホールが蓄積され
てトランジスタのしきい値が下がり、トランジスタのサ
ブスレッショルド電流が増加する。これは記憶保持特性
を劣化させる。これに対してこの発明による1トランジ
スタのみのメモリセルでは、記憶電荷を減少させるトラ
ンジスタパスは存在せず、データ保持特性は純粋にpn
接合のリークのみで決まり、サブスレッショルドリーク
という問題がなくなる。
Further, the DRA of the SOI structure according to the present invention
M is a conventional 1-transistor / 1-capacitor type DRA
Compared to the case where M has an SOI structure, there is an advantage that excellent memory retention characteristics can be obtained. That is, if the conventional 1-transistor / 1-capacitor type DRAM has an SOI structure, holes are accumulated in the floating semiconductor bulk, the threshold value of the transistor is lowered, and the subthreshold current of the transistor is increased. This deteriorates the memory retention characteristic. On the other hand, in the memory cell having only one transistor according to the present invention, there is no transistor path for reducing the storage charge, and the data retention characteristic is purely pn.
The problem of subthreshold leakage is eliminated because it is determined only by junction leakage.

【0037】実際にこの発明によるメモリセルが実用に
耐え得るかどうかは、以下に挙げるような判断基準によ
り判断される。 (a)バルク領域のホールの保持特性が十分か否か(1
0sec程度の保持時間が得られるか否か)。 (b)十分な“1”書き込みの速度が得られるか否か
(書き込み速度10nsecが可能か、書き込み時に2
0nA程度以上のバルク電流が得られるか否か)。 (c)“0”書き込みの選択性が十分か(“0”データ
と“1”データのバルク電位の差ΔVB=1V程度が得
られるか否か)。 (d)ゲートとバルク領域との間の容量がpn接合容量
に比べて十分大きくとれるか、また“1”データのしき
い値を大きくとれるか。 以下にこれらの判断基準の検証を行う。
Whether or not the memory cell according to the present invention can actually be used for practical purposes is determined by the following criteria. (A) Whether the hole retention characteristics in the bulk region are sufficient (1
Whether a holding time of about 0 sec can be obtained). (B) Whether or not a sufficient "1" write speed can be obtained (whether a write speed of 10 nsec is possible, 2
Whether a bulk current of about 0 nA or more can be obtained). (C) Sufficient "0" write selectivity (whether a difference ΔVB = 1V or so between bulk potentials of "0" data and "1" data is obtained). (D) Whether the capacitance between the gate and the bulk region can be made sufficiently larger than the pn junction capacitance, and whether the threshold value of "1" data can be made large. Below, these criteria will be verified.

【0038】[メモリセルの容量・保持時間・リーク電
流について]1G個のメモリセルを持つDRAMのメモ
リセルの記憶保持時間の平均値をRT=10secと考
える。0.1μmルールでメモリセルのゲート酸化膜厚
をtox=2.5nmとすると、ゲート酸化膜容量は、
14fF/cm2であるので、ゲート面積を0.01μ
2として、ゲート酸化膜容量Coxは、Cox=0.
14fFとなる。後に説明するpn接合容量Cj=0.
08fFを含めると、全容量はCtotal=0.22
fFとなる。
[Capacity / Holding Time / Leakage Current of Memory Cell] It is considered that the average value of the memory holding time of the memory cell of the DRAM having 1 G memory cells is RT = 10 sec. If the gate oxide film thickness of the memory cell is set tox = 2.5 nm according to the 0.1 μm rule, the gate oxide film capacitance is
Since it is 14 fF / cm 2 , the gate area is 0.01 μm.
As m 2, the gate oxide film capacitance Cox is, Cox = 0.
It becomes 14 fF. A pn junction capacitance Cj = 0.
Including 08fF, the total capacity is Ctotal = 0.22.
It becomes fF.

【0039】このゲート容量に電荷を蓄積した場合、記
憶保持時間RT=10secの間に、ΔV=0.1Vの
電位変化をさせるセル当たりのリーク電流Ileak/node
は、下記数1となる。
When electric charges are accumulated in this gate capacitance, the leak current Ileak / node per cell that causes a potential change of ΔV = 0.1V during the memory retention time RT = 10 sec.
Is the following formula 1.

【0040】[0040]

【数1】Ileak/node=Ctotal・ΔV/RT=
2.2×10-18A/node
[Equation 1] Ileak / node = Ctotal · ΔV / RT =
2.2 × 10 -18 A / node

【0041】SOI基板上のシリコン層の厚みを100
nmとして、pn接合面積は、0.1μm×0.1μm
×2=0.02μm2であるので、単位面積当たりのリ
ーク電流Ileak/areaを求めると、下記数2となる。
The thickness of the silicon layer on the SOI substrate is 100
nm, the pn junction area is 0.1 μm × 0.1 μm
Since x2 = 0.02 μm 2 , the leak current Ileak / area per unit area is calculated as the following formula 2.

【0042】[0042]

【数2】Ileak/area=2.2×10-18/0.02=
1.1×10-16A/μm2
[Equation 2] Ileak / area = 2.2 × 10 −18 /0.02=
1.1 x 10 -16 A / μm 2

【0043】SOI基板上のpn接合の2V程度の逆バ
イアス時のリーク電流がこの程度以下であれば、平均セ
ルの記憶保持時間RT=10secが保証されることに
なり、1トランジスタ/1キャパシタのDRAMと同程
度の記憶保持特性が得られることになる。ちなみに、こ
れまでのところ、SOI基板上のpn接合のリーク電流
として、1〜3×10-17A/μm(ワード線方向1μ
m当たり)という値が報告されている(1995Sym
p.VSLI Tech.,p.141)。これから
も、上の記憶保持特性が十分実現可能と思われる。
If the leak current of the pn junction on the SOI substrate at the time of reverse bias of about 2 V is less than this level, the storage retention time RT = 10 sec of the average cell is guaranteed, and 1 transistor / 1 capacitor is guaranteed. A memory retention characteristic similar to that of DRAM can be obtained. Incidentally, so far, the leakage current of the pn junction on the SOI substrate is 1 to 3 × 10 −17 A / μm (1 μm in the word line direction).
A value of (per m) has been reported (1995 Sym
p. VSLI Tech. , P. 141). From now on, it seems that the above memory retention characteristics can be sufficiently realized.

【0044】[“1”書き込み時間とバルク電流]書き
込み時間は、セルノード(ゲート)の容量とバルク電流
Isubで決まる。ゲート容量は上述のように、Cto
tal=0.22fFとする。書き込み時間の仕様をt
wr=10nsecとして、この時間内にバルク領域に
ΔV=1Vの電圧を書き込むのに必要なバルク電流は、
下記数3となる。
["1" Writing Time and Bulk Current] The writing time is determined by the capacitance of the cell node (gate) and the bulk current Isub. As described above, the gate capacitance is Cto
Let tal = 0.22 fF. Write time specification is t
With wr = 10 nsec, the bulk current required to write a voltage of ΔV = 1 V in the bulk region within this time is
The following formula 3 is obtained.

【0045】[0045]

【数3】 [Equation 3]

【0046】セルトランジスタのチャネルを流れるドレ
イン電流Idsが10μAとして、上のバルク電流Is
ubはその約2/1000である。ドレイン・ソース間
電圧Vds=2V程度を与えれてインパクトイオン化を
起こさせれば、必要なバルク電流を流すことができる。
Assuming that the drain current Ids flowing through the channel of the cell transistor is 10 μA, the above bulk current Is
ub is about 2/1000 of that. If a drain-source voltage Vds = 2 V is applied to cause impact ionization, a necessary bulk current can be passed.

【0047】[“0”書き込みの選択性と信号量]メモ
リセルのC−Vカーブ(ゲート・バルク間の電圧Vgb
と容量Cgbの関係)は、図16のようになる。バルク
領域のアクセプタ濃度をNA=1018/cm3として、
フラットバンド電圧はVFB=−1.2Vである。ワー
ド線電圧Vwl=1Vで“1”書き込みを行ったとし
(バルク電位VB=0.6V)、書き込み後、ワード線
電位を下げていくと、最初はチャネル反転層によりシー
ルドされているため、容量Cgbはゼロである。また
“1”セルのしきい値をVth1=0Vと仮定すれば、
ワード線電位を0Vまで下げてもバルク電位VBは変化
せず、容量Cgbが顕在化するのは、ワード線電位がし
きい値電圧Vth1即ち、Vwl=0Vの点である。こ
のとき、ゲート・バルク間電圧はVgb=−0.6Vで
ある。
[Selectivity and Signal Amount for Writing "0"] C-V curve of memory cell (voltage Vgb between gate and bulk)
And the capacitance Cgb) are as shown in FIG. With the acceptor concentration in the bulk region being NA = 10 18 / cm 3 ,
The flat band voltage is VFB = -1.2V. Assuming that "1" is written at the word line voltage Vwl = 1V (bulk potential VB = 0.6V), the word line potential is lowered after the writing, and the capacitance is initially shielded by the channel inversion layer. Cgb is zero. Assuming that the threshold value of the "1" cell is Vth1 = 0V,
Even if the word line potential is lowered to 0V, the bulk potential VB does not change, and the capacitance Cgb becomes apparent when the word line potential is the threshold voltage Vth1, that is, Vwl = 0V. At this time, the gate-bulk voltage is Vgb = -0.6V.

【0048】また、pn接合の単位面積当たりの容量
は、NA=1018/cm3 で、ドレイン電圧Vd=0V
の場合、4fF/μm2である。接合面積が0.1μm
×0.1μm×2=0.02μm2の場合、pn接合の
容量は、Cj=0.08fFとなる。図16において、
Vgb=−0.5VでのCgb/Coxを0.8とする
と、Cox=0.14fFの場合、ゲート電圧のバルク
領域に対する容量結合比λは、下記数4となる。
The capacitance per unit area of the pn junction is NA = 10 18 / cm 3 , and the drain voltage Vd = 0V.
In the case of, it is 4 fF / μm 2 . Bonding area is 0.1 μm
In the case of × 0.1 μm × 2 = 0.02 μm 2 , the capacitance of the pn junction is Cj = 0.08 fF. In FIG.
Assuming that Cgb / Cox at Vgb = -0.5V is 0.8, the capacitive coupling ratio λ of the gate voltage to the bulk region is given by the following Expression 4 when Cox = 0.14fF.

【0049】[0049]

【数4】 λ=Cgb/(Cgb+Cox) =0.14×0.8/(0.14×0.8+0.08) =0.58[Equation 4] λ = Cgb / (Cgb + Cox) = 0.14 x 0.8 / (0.14 x 0.8 + 0.08) = 0.58

【0050】従って、ワード線電位が下がってきて、ゲ
ートとバルク間の容量Cgbが見え始めたときの、ワー
ド線の電位変化に対するバルク領域の電位変化の比は、
60%程度である。更にワード線電位を下げると、バル
ク電位も下がるが、Vgbは−0.5Vよりも負側に大
きくなっていく。これに伴って、容量Cgbは大きくな
り、容量結合によってバルク電位を下げることができ
る。最終的に、図16に示すようにワード線電位Vwl
=−1.3Vまで下げたとして、平均の容量結合比λを
0.6とすると、バルク領域は、最初の0.6Vから、
ΔVB=1.3V×0.6=0.78Vだけ下がり、−
0.18Vになる。このとき、Vgb=−1.12Vで
ある。
Therefore, when the potential of the word line decreases and the capacitance Cgb between the gate and the bulk begins to be seen, the ratio of the potential change in the bulk region to the potential change in the word line is:
It is about 60%. When the word line potential is further lowered, the bulk potential is also lowered, but Vgb becomes larger than -0.5V on the negative side. Along with this, the capacitance Cgb increases, and the bulk potential can be lowered by capacitive coupling. Finally, as shown in FIG. 16, the word line potential Vwl
= −1.3V, and assuming that the average capacitive coupling ratio λ is 0.6, the bulk region is changed from the first 0.6V to
ΔVB = 1.3V × 0.6 = 0.78V lower,
It becomes 0.18V. At this time, Vgb = -1.12V.

【0051】即ち、過剰ホール注入によりバルク電位が
VB=0.6Vとなる“1”データ書き込みを行った
後、ワード線電位をVwl=−1.3Vとしてデータ保
持するとき、容量結合によりバルク電位は−0.18V
を保持する。この状態で、ある選択セルについてビット
線電位を負電位に下げて“0”書き込みを行ってバルク
電位を下げる場合、バルク電位が−0.18V以下にな
る条件では、ワード線電位が−1.3Vの非選択セルに
おいてもバルクのホールがドレインに流れて、データが
破壊される。従ってデータ破壊を起こさないための
“0”データ書き込み時のバルク電位の最小値は−0.
18Vということになる。“1”データの書き込み電圧
の最大値は、ビルトイン電圧0.6Vであるので、信号
量の最大値は、0.6V−(−0.18V)=0.78
Vとなる。従って、上述のΔVBそのものが“0”デー
タと“1”データの信号量差(バルク電位の差)とな
る。
That is, when "1" data is written so that the bulk potential becomes VB = 0.6V by injecting excess holes and then the word line potential is set to Vwl = -1.3V to hold the data, the bulk potential is capacitively coupled. Is -0.18V
Hold. In this state, when the bit line potential of a certain selected cell is lowered to a negative potential and "0" is written to lower the bulk potential, the word line potential is -1. Even in a non-selected cell of 3V, bulk holes flow to the drain, and the data is destroyed. Therefore, the minimum value of the bulk potential at the time of writing "0" data is -0.
It will be 18V. The maximum value of the write voltage of the “1” data is the built-in voltage of 0.6V, and therefore the maximum value of the signal amount is 0.6V − (− 0.18V) = 0.78.
It becomes V. Therefore, the above-mentioned ΔVB itself becomes a signal amount difference (bulk potential difference) between “0” data and “1” data.

【0052】[非破壊読み出し性の確認]前述のように
この発明によるメモリセルは、原理的に非破壊読み出し
が行われる。実際に非破壊読み出しを保証するために
は、(1)“0”データのセルに読み出し動作を繰り返
しても、バルク領域にホール注入がなされないこと、
(2)“1”データのセルに読み出し動作を繰り返して
も、バルク領域のホールがなくならないこと、を確認す
ることが必要である。
[Confirmation of Non-Destructive Readability] As described above, the memory cell according to the present invention is non-destructive read in principle. In order to actually guarantee the non-destructive read, (1) hole injection is not performed in the bulk region even if the read operation is repeated for the “0” data cell,
(2) It is necessary to confirm that the holes in the bulk region are not lost even if the read operation is repeated for the cells of "1" data.

【0053】このときの繰り返し回数の最大値Nmax
は、あるリフレッシュと次のリフレッの間(例えば12
8msec)に、同一セルについて読み出し動作(10
0nsec)を連続させた場合に相当するので、Nma
x=128msec/100nsec=1.28×10
16回程度となる。バルクのホール蓄積状態を保持する
“0”データの非破壊性(1)の方がクリティカルにな
ると思われる。従って読み出し時電流を流すとしても、
例えばVds=0.5V程度での低電流の線形領域での
読み出しを行うことが必要であろう。或いは先の第1の
読み出し方式のように、“0”データのセルには電流を
流さない方式を採用することが、非破壊性を保証する上
で好ましい。
Maximum value Nmax of the number of repetitions at this time
Is between one refresh and the next (eg 12
In 8 msec, the read operation (10
0 nsec) corresponds to the case where Nma is continuous.
x = 128 msec / 100 nsec = 1.28 × 10
It will be about 16 times. It is considered that the non-destructiveness (1) of "0" data that holds the bulk hole accumulation state becomes more critical. Therefore, even if the current is passed during reading,
For example, it may be necessary to read in a low current linear region at about Vds = 0.5V. Alternatively, it is preferable to employ a method in which no current flows in the cell of “0” data, like the first reading method described above, in order to guarantee nondestructiveness.

【0054】以上において、この発明によるDRAMの
基本的な実現可能性を示す判断基準の検証を行った。次
に、更に具体的にこの発明によるDRAMの性能を解析
した結果を順次説明する。
In the above, the judgment criteria showing the basic feasibility of the DRAM according to the present invention have been verified. Next, the results of further analysis of the performance of the DRAM according to the present invention will be sequentially described.

【0055】[読み出し時のビット線電位変化につい
て]先に、図12及び図13で説明した第2の読み出し
方式、即ちビット線に一定電流を供給して読み出し行う
場合の、ビット線の電位変化を検証する。図17は、こ
の検証に用いる等価回路である。簡単にために、ビット
線BLの電位は0Vにプリチャージされており、ワード
線WLの電位Vwlは、t>0において、下記数5に示
すように、メモリセルMCのしきい値Vth(Vth
0,Vth1)以上に設定されているものと仮定する。
[Regarding Bit Line Potential Change During Reading] First, the bit line potential change during the second reading method described in FIGS. 12 and 13, that is, when reading is performed by supplying a constant current to the bit line. To verify. FIG. 17 is an equivalent circuit used for this verification. For the sake of simplicity, the potential of the bit line BL is precharged to 0V, and the potential Vwl of the word line WL is t> 0, and the threshold Vth (Vth (Vth
0, Vth1) or more.

【0056】[0056]

【数5】Vwl>Vth[Formula 5] Vwl> Vth

【0057】ビット線BLには、t>0において、Ic
なる一定電流が供給されるものとし、この電流Icは、
下記数6に示すように、セルトランジスタのVgs=V
wlでの飽和電流Idsatに比べて小さいものとす
る。
The bit line BL has Ic at t> 0.
The following constant current is supplied, and this current Ic is
As shown in the following Equation 6, Vgs = V of the cell transistor
It is smaller than the saturation current Idsat at wl.

【0058】[0058]

【数6】 Ic<Idsat=(k/2)(Vwl−Vth)2 但し、k=(W/L)(εox/tox)μeff## EQU6 ## Ic <Idsat = (k / 2) (Vwl-Vth) 2 where k = (W / L) (εox / tox) μeff

【0059】このとき、ビット線BLの電位Vblの変
化は、セルトランジスタのドレイン電流をIdsとし
て、下記数7で表される。
At this time, the change in the potential Vbl of the bit line BL is expressed by the following equation 7 using the drain current of the cell transistor as Ids.

【0060】[0060]

【数7】 dVbl/dt=(1/Cbl)(Ic−Ids)[Equation 7] dVbl / dt = (1 / Cbl) (Ic-Ids)

【0061】セルトランジスタは線形領域で動作してい
るので、Vbl<Vwl−Vthが成り立ち、このとき
セルトランジスタのドレイン電流Idsは下記数8で表
される。
Since the cell transistor operates in the linear region, Vbl <Vwl-Vth is established, and the drain current Ids of the cell transistor at this time is expressed by the following equation 8.

【0062】[0062]

【数8】Ids=k[Vwl−Vth−(1/2)Vb
l]Vbl
## EQU00008 ## Ids = k [Vwl-Vth- (1/2) Vb
l] Vbl

【0063】数8を数7に代入して積分すれば、下記数
9を得る。
[Mathematical formula-see original document] By substituting the equation 8 into the equation 7 and integrating, the following equation 9 is obtained.

【0064】[0064]

【数9】Vbl=α・β[1−exp(t/t0)]/
[β−α・exp(t/t0)] 但し、α=Vwl−Vth+[(Vwl−Vth)2
2Ic/k]1/2 β=Vwl−Vth−[(Vwl−Vth)2−2Ic
/k]1/2 t0=2Cbl/[k(α−β)]
[Formula 9] Vbl = α · β [1-exp (t / t0)] /
[Β−α · exp (t / t0)] where α = Vwl−Vth + [(Vwl−Vth) 2
2Ic / k] 1/2 β = Vwl-Vth-[(Vwl-Vth) 2 -2Ic
/ K] 1/2 t0 = 2Cbl / [k (α-β)]

【0065】数5と数6の仮定から、α>β>0を満た
す。従って、数9は、時間tに関して下に凸の増加関数
であり、Vbl(0)=0,Vbl(∞)=βである。
図18は、数9の計算結果を示す。“0”データのセル
のしきい値をVth0=0.3V、“1”データのセル
のしきい値をVth1=−0.3V、ダミーセルのしき
い値をVthd=0.05V、ビット線容量をCbl=
100fF、セル電流の利得係数をk=2.0×10-5
(A/V2)と仮定し、またIc=0.9Idsat=
13μA、Vwl=1.5Vを用いて、“0”データの
ときのビット線電圧Vbl0、“1”データのときのビ
ット線電圧Vbl1を、それぞれの信号電圧Vsig
0,Vsig1及び参照ビット線の電圧Vbldと共に
示している。この結果から、ワード線を立ち上げてか
ら、10nsec後に、100mVの信号が得られてい
ることがわかる。
From the assumptions of Equations 5 and 6, α>β> 0 is satisfied. Therefore, Equation 9 is an increasing function that is convex downward with respect to time t, and Vbl (0) = 0 and Vbl (∞) = β.
FIG. 18 shows the calculation result of Expression 9. The threshold value of the cell of “0” data is Vth0 = 0.3V, the threshold value of the cell of “1” data is Vth1 = −0.3V, the threshold value of the dummy cell is Vthd = 0.05V, and the bit line capacitance is Cbl =
100 fF, cell current gain coefficient k = 2.0 × 10 −5
(A / V 2 ), and Ic = 0.9Idsat =
Using 13 μA and Vwl = 1.5 V, the bit line voltage Vbl0 for “0” data and the bit line voltage Vbl1 for “1” data are set to respective signal voltages Vsig.
0, Vsig1, and the voltage Vbld of the reference bit line are shown. From this result, it can be seen that a signal of 100 mV is obtained 10 nsec after the word line is activated.

【0066】ダミーセルについては、メモリセルと同じ
構造のMOSトランジスタでバルク電位を適当に設定で
きるタイプであることが好ましい。何故なら、メモリセ
ルのしきい値のプロセス変動や温度変動に自己整合的に
追随するからである。この場合ダミーセルのバルク電位
を選択することにより、“0”,“1”データの信号量
を最適設定することが可能になる。
As for the dummy cell, it is preferable to use a MOS transistor having the same structure as the memory cell so that the bulk potential can be appropriately set. This is because it follows the process variation of the threshold value of the memory cell and the temperature variation in a self-aligned manner. In this case, by selecting the bulk potential of the dummy cell, it becomes possible to optimally set the signal amounts of "0" and "1" data.

【0067】[“0”書き込み速度について]この発明
においては、“0”書き込みは、前述のようにメモりト
ランジスタのp型バルク領域とn型ドレインのpn接合
を順バイアスすることにより、バルク領域のホールを抜
き取る。この“0”書き込みの速度について、図19の
等価回路を用いて以下に検討する。
[Regarding "0" Writing Speed] In the present invention, "0" writing is performed by forward-biasing the p-type bulk region of the memory transistor and the pn junction of the n-type drain, as described above. Pull out the hole. The speed of writing "0" will be examined below using the equivalent circuit of FIG.

【0068】t=0において、pn接合は、p層,n層
共に2.2Vで平衡状態にあるとする。t>0で、n側
を0Vにしたとき、容量Cを持つバルク(p型層)の電
位がどの様に変化するかを計算する。時刻tでのp型層
の電位をVとすれば、下記数10が成立する。
At t = 0, the pn junction is assumed to be in an equilibrium state at 2.2V for both the p layer and the n layer. When t> 0 and the n side is set to 0 V, how the potential of the bulk (p-type layer) having the capacitance C changes will be calculated. When the potential of the p-type layer at time t is V, the following formula 10 is established.

【0069】[0069]

【数10】 [Equation 10]

【0070】ここで、Iはpn接合の電流であり、下記
数11で表される。
Here, I is the current of the pn junction and is expressed by the following equation 11.

【0071】[0071]

【数11】I=Is[exp(V/η・Vt)−1][Expression 11] I = Is [exp (V / η · Vt) -1]

【0072】数11において、Isは飽和電流、ηは1
〜2の間の係数、Vtは熱電圧(Thermal Vo
ltage)であり、Vt=kT/qである。数11を
数10に代入して積分すると、下記数12が得られる。
In Equation 11, Is is a saturation current and η is 1
The coefficient between 2 and Vt is the thermal voltage (Thermal Vo).
and Vt = kT / q. By substituting the equation 11 into the equation 10 and integrating, the following equation 12 is obtained.

【0073】[0073]

【数12】V=η・Vt・ln[1/{1−[1−exp(-
V0/η・Vt)]exp(-t/t0)}]
[Formula 12] V = η · Vt · ln [1 / {1- [1-exp (-
V0 / η ・ Vt)] exp (-t / t0)}]

【0074】ここで、t0は、t0=C・η・Vt/I
sで与えられる時定数である。数12を、下記数13の
数値を用いて数値計算した結果が、図20である。
Here, t0 is t0 = CηVt / I
is a time constant given by s. FIG. 20 shows the result of numerical calculation of Expression 12 using the numerical values of Expression 13 below.

【0075】[0075]

【数13】Is=Js・Aj Js=6.36×10-5A/m2 Aj=0.01μm2 T=85℃ Vt=0.0309 η=1 t0=10.7sec V0=2.2V[Formula 13] Is = Js · Aj Js = 6.36 × 10 −5 A / m 2 Aj = 0.01 μm 2 T = 85 ° C. Vt = 0.0309 η = 1 t0 = 10.7 sec V0 = 2.2V

【0076】図20の数値計算結果から、“0”書き込
み時、1nsec程度でバルク(p型層)の電位は0.
7V以下に落ち着くことがわかる。
From the numerical calculation results of FIG. 20, when writing "0", the potential of the bulk (p-type layer) is about 0.
It can be seen that the voltage settles below 7V.

【0077】[バルク領域の電位変化について]先に、
“0”書き込みの選択性に関して、図16を参照してワ
ード線電位とバルク電位の関係を説明したが、以下にお
いて更に詳細にバルク電位変化を検討する。即ち、正の
ワード線電位Vwlで書き込みを行った後、ワード線電
位を負に下げてデータを保持し、再度ワード線を正電位
に上げて読み出し電位Vrにて読み出しを行う動作にお
いて、バルク領域でどの様な電位変化を示すかを、詳細
に説明する。
[Regarding potential change in bulk region] First,
Regarding the selectivity of "0" writing, the relationship between the word line potential and the bulk potential has been described with reference to FIG. 16, but the bulk potential change will be examined in more detail below. That is, in the operation of performing writing with a positive word line potential Vwl, lowering the word line potential to a negative value to retain data, raising the word line again to a positive potential and reading with the read potential Vr, in the bulk region A detailed description will be given of what kind of potential change is shown by.

【0078】セルトランジスタのゲートとSOI基板の
バルク(p型層)の間の単位面積当たりの容量Cgb
は、ゲートとバルク間の電位差Vgbを用いて、下記数
14で表される。
Capacitance Cgb per unit area between the gate of the cell transistor and the bulk (p-type layer) of the SOI substrate
Is expressed by the following Expression 14 using the potential difference Vgb between the gate and the bulk.

【0079】[0079]

【数14】Cgb/Cox=1/[1+2・lD2(V
gb−δ)/Vt]1/2
## EQU14 ## Cgb / Cox = 1 / [1 + 2.ld 2 (V
gb-δ) / Vt] 1/2

【0080】ゲート酸化膜の単位面積当たりの容量Co
xは、誘電率εoxと酸化膜厚toxを用いて、Cox
=εox/toxで表される。lDは、デバイ長(De
bye Length)LDを、γ=(εsi/εo
x)toxで規格化した無次元数であり、下記数15で
与えられる。
Capacitance Co per unit area of gate oxide film
x is Cox using the dielectric constant εox and the oxide film thickness tox.
= Εox / tox 1D is the Debye length (De
bye Length) LD, γ = (εsi / εo
x) is a dimensionless number standardized by tox and is given by the following Expression 15.

【0081】[0081]

【数15】 lD=(εox/εsi)LD/tox =(εox/εsi)[kT・εsi/(q2NA)]1/2/tox## EQU15 ## ID = (εox / εsi) LD / tox = (εox / εsi) [kT · εsi / (q 2 NA)] 1/2 / tox

【0082】ここで、パラメータδを以下の条件により
決定する。即ち、数14は、バルクに拡がる空乏層の厚
さwp(これは、実際の空乏層の厚さWpをやはりγに
より規格化して無次元化したもの)が下記数16で表さ
れることから導かれている。
Here, the parameter δ is determined under the following conditions. That is, since the thickness 14 of the depletion layer that spreads in the bulk is expressed by the following Expression 16, the thickness Wp (which is the actual thickness Wp of the depletion layer that is also normalized by γ and made dimensionless) is expressed by the following Expression 16. Have been guided.

【0083】[0083]

【数16】 wp=−1+[1+lD2(Vgb−δ)/Vt]1/2 ## EQU16 ## wp = -1 + [1 + ld 2 (Vgb-δ) / Vt] 1/2

【0084】ここで、Vgb=VFB(フラットバンド
電圧)で、wp=lDとなるという条件、つまり下記数
17を与える。
Here, the condition that Vgb = VFB (flat band voltage) and wp = 1D, that is, the following expression 17 is given.

【0085】[0085]

【数17】 lD=−1+[1+lD2(Vgb−δ)/Vt]1/2 ## EQU17 ## 1D = -1 + [1 + 1D 2 (Vgb-δ) / Vt] 1/2

【0086】この数17を解くと、パラメータδは下記
数18となる。
By solving this equation 17, the parameter δ becomes the following equation 18.

【0087】[0087]

【数18】δ=VFB−(1+2/lD)VtΔ = VFB− (1 + 2 / ld) Vt

【0088】数14と数18から、CgbのVgb依存
性が求められるが、これは広範なVgbの領域をカバー
しない。そこで、ゲート・ソース間電圧Vgsがトラン
ジスタのしきい値Vthを越えた場合には、Cgb=0
とすると共に、Cgb/Coxが1を越える場合にはこ
れを1と置き換えるものとして、広範なVgbの値に対
するCgbの値を計算する。
From the equations (14) and (18), the Vgb dependence of Cgb is obtained, but this does not cover a wide Vgb region. Therefore, when the gate-source voltage Vgs exceeds the threshold value Vth of the transistor, Cgb = 0.
In addition, when Cgb / Cox exceeds 1, this is replaced with 1, and the Cgb value for a wide range of Vgb values is calculated.

【0089】その計算結果を、図21に示す。これは、
“0”データのセルのワード線とバルク間の電圧Vgb
と容量Cgbの関係を、ワード線がp型多結晶シリコン
ゲートの場合について、求めた結果である。条件は、t
ox=2.5nm、NA=5×1018/cm3、温度8
5℃、VFB=0.1v、Vth0=1.5v、VB=
−0.7V、Cox=0.14fF、Cj=0.08f
Fである。
FIG. 21 shows the calculation result. this is,
Voltage Vgb between word line and bulk of cell of "0" data
And the capacitance Cgb are obtained when the word line is a p-type polycrystalline silicon gate. The condition is t
ox = 2.5 nm, NA = 5 × 10 18 / cm 3 , temperature 8
5 ° C., VFB = 0.1v, Vth0 = 1.5v, VB =
-0.7V, Cox = 0.14fF, Cj = 0.08f
It is F.

【0090】一方、ゲート電圧の変化ΔVgに対するバ
ルクの電位変化ΔVbは、下記数19で表される。
On the other hand, the bulk potential change ΔVb with respect to the gate voltage change ΔVg is expressed by the following equation 19.

【0091】[0091]

【数19】 ΔVb=[Cgb/(Cgb+Cj)]ΔVg[Formula 19] ΔVb = [Cgb / (Cgb + Cj)] ΔVg

【0092】ここで、Cjはバルクに直列に入る容量
(先に説明したpn接合容量)であり、これを一定とし
て、数19を変形すると、数20が得られる。
Here, Cj is the capacitance that enters into the bulk in series (the pn junction capacitance described above), and if this is kept constant, the equation (20) can be transformed into the equation (20).

【0093】[0093]

【数20】ΔVg=(1+Cgb/Cj)ΔVgbΔVg = (1 + Cgb / Cj) ΔVgb

【0094】数20を積分すると、下記数21となる。When the equation 20 is integrated, the following equation 21 is obtained.

【0095】[0095]

【数21】 [Equation 21]

【0096】数21を書き換えると、数22となる。Rewriting equation 21 gives equation 22.

【0097】[0097]

【数22】 [Equation 22]

【0098】この数22を計算すれば、ゲート電圧Vw
l(ワード線)の電圧変化ΔVgからバルク電圧VBの
変化ΔVbを求めることができる。“0”データのセル
について、先の図21の計算の場合と同じバラメータ条
件の下で計算した結果を、図22に示す。この結果から
例えばワード線を2.0Vで“0”書き込みを行い、バ
ルクを−0.7Vにし、ワード線を−2Vに下げてデー
タ保持すると、このときバルク電位は−2.1Vに保持
されることがわかる。更にワード線を1.0Vに上げて
読み出しを行うと、バルクは−0.9V程度までしか上
昇しない。即ち、“0”データのセルについては、読み
出し時には書き込み時よりバルク電位は低く、従って読
み出しマージンが0.2V拡がることになる。
If this equation 22 is calculated, the gate voltage Vw
The change ΔVb of the bulk voltage VB can be obtained from the voltage change ΔVg of l (word line). FIG. 22 shows the result of calculation under the same parameter condition as the case of the calculation of FIG. 21 described above for the cell of “0” data. From this result, for example, when "0" is written to the word line at 2.0V, the bulk is set to -0.7V, the word line is lowered to -2V, and the data is held, the bulk potential is held at -2.1V. I understand that When the word line is further raised to 1.0V and reading is performed, the bulk voltage rises only up to about -0.9V. That is, for the cell of "0" data, the bulk potential at the time of reading is lower than that at the time of writing, so that the reading margin is expanded by 0.2V.

【0099】同様の計算を、“1”データセルについて
行った結果を、図23に示す。またこのときの容量Cg
bの電圧Vgb依存性を図24に示す。用いたパラメー
タは図21及び図22の場合と同じである。“1”デー
タの場合、書き込み直後にバルクは0.6Vになり、ワ
ード線が−2.0Vで保持される状態ではバルクは、−
1.0Vになることがわかる。“0”データの書き込み
は、原理的にバルク電位−1.0Vまでできるが、
“0”書き込みで−1.5Vまで下げたビット線を0V
に戻すときのpn接合の容量カップリング(カップリン
グ比は18%)でバルクは0.3V上がり、−0.7V
になる。従って図22の“0”データの場合書き込み直
後の電位を−0.7Vとしている。
FIG. 23 shows the result of performing the same calculation for the "1" data cell. The capacity Cg at this time
FIG. 24 shows the voltage Vgb dependency of b. The parameters used are the same as those in FIGS. 21 and 22. In the case of “1” data, the bulk becomes 0.6V immediately after writing, and the bulk becomes −V when the word line is held at −2.0V.
It turns out that it becomes 1.0V. In principle, "0" data can be written up to the bulk potential of -1.0V.
0V for the bit line that has been lowered to -1.5V by writing "0"
Bulk capacity rises by 0.3V and -0.7V by capacitive coupling (coupling ratio is 18%) of pn junction when returning to
become. Therefore, in the case of "0" data in FIG. 22, the potential immediately after writing is set to -0.7V.

【0100】“1”書き込みの場合にも同様に、ビット
線からの容量カップリングがあるが、“0”書き込みと
異なるのは、バルク電流Isubを流して“1”データ
を書いている最中、下記数23で示す電位Vまで、ビル
トイン電圧0.6Vより上昇していることである。
Similarly, in the case of writing "1", there is capacitive coupling from the bit line, but the difference from writing "0" is that the bulk current Isub is passed and "1" data is being written. That is, the built-in voltage is higher than 0.6 V up to the potential V shown by the following formula 23.

【0101】[0101]

【数23】 Isub=Is[exp{V/(η・Vt)−1}][Equation 23] Isub = Is [exp {V / (η · Vt) -1}]

【0102】Isub=14nA、Is=6.36×1
-20A、Vt=0.031V、η=1.2を代入する
と、V=0.96Vを得る。従って、バルク電位は
“1”データ書き込み直後は1V近くあり、ビット線が
1.5Vから0Vに下がってカップリングで0.3V下
がるとしても、0.6V以上あり、その後のダイオード
の順方向電流により、0.6Vになる。即ち、実質的に
“1”データ書き込み直後のバルク電位は、0.6Vに
なっていると考えられる。
Isub = 14 nA, Is = 6.36 × 1
Substituting 0 −20 A, Vt = 0.031V and η = 1.2 gives V = 0.96V. Therefore, the bulk potential is close to 1V immediately after writing "1" data, and is 0.6V or more even if the bit line drops from 1.5V to 0V and drops by 0.3V due to coupling. Becomes 0.6V. That is, it is considered that the bulk potential immediately after writing the "1" data is substantially 0.6V.

【0103】ここまで計算は、フラットバンド電圧をV
FB=0.1Vとした場合である。これは、SOI基板
のp型シリコン層上にp型多結晶シリコンによるゲート
電極(ワード線)を形成した場合に対応する。次に、同
じSOI基板に、n型結晶シリコン膜によりゲート電極
を用いた場合について、同様の計算を行った結果を示
す。この場合、フラットバンド電圧は、VFB=−1.
1Vとなる。
Up to this point, the flat band voltage is calculated by V
This is the case when FB = 0.1V. This corresponds to the case where the gate electrode (word line) made of p-type polycrystalline silicon is formed on the p-type silicon layer of the SOI substrate. Next, the same calculation results are shown for the case of using a gate electrode with an n-type crystalline silicon film on the same SOI substrate. In this case, the flat band voltage is VFB = -1.
It becomes 1V.

【0104】図25は、“1”データセルについて、容
量Cgb−電圧Vgbを求めた結果である。図26は同
様に、“1”データセルについて、ワード線電圧Vwl
とバルク電圧VBの関係を求めた結果である。フラット
バンド電圧以外のパラメータは、先の図21及び図22
の場合と同様である。いずれも、しきい値はVth1=
0Vとしている。
FIG. 25 shows the result of obtaining the capacitance Cgb-voltage Vgb for the "1" data cell. Similarly, FIG. 26 shows the word line voltage Vwl for the "1" data cell.
It is the result of obtaining the relationship between and the bulk voltage VB. Parameters other than the flat band voltage are shown in FIGS.
It is similar to the case of. In both cases, the threshold value is Vth1 =
It is set to 0V.

【0105】これらの結果から、“0”データのしきい
値Vth0=1Vを確保できるものとして、ワード線は
書き込み時1.5V、読み出し時0.5Vである。デー
タ保持時のワード線電圧を−2.5Vとすれば、“1”
データセルのバルクは、−0.8Vまで下がる。従っ
て、p型多結晶シリコンゲートを用いた、VFB=0.
1Vの場合に比べて、同一ワード線振幅に対して、0.
2Vだけ不利になる。
From these results, it is assumed that the threshold value Vth0 = 1V of "0" data can be secured, and the word line is 1.5V for writing and 0.5V for reading. If the word line voltage during data retention is -2.5V, then "1"
The bulk of the data cell drops to -0.8V. Therefore, using the p-type polycrystalline silicon gate, VFB = 0.
Compared to the case of 1 V, 0.
Only 2V will be a disadvantage.

【0106】図27と図28は、同様に“0”データセ
ルについて、FB=−1.1Vの場合の容量Cgb−電
圧Vgb特性と、ワード線電圧Vwl−バルク電圧VB
特性を求めた結果である。しきい値は、Vth0=1V
とした。“0”データ書き込み直後のバルク電位は−
0.8Vであるが、ビット線がプリチャージ電位0V付
近に戻ると、pn接合のカップリングによりバルク電位
は0.3Vだけ浮き上がり、−0.5Vになっているも
のと仮定している。この場合も、書き込み時のワード線
は1.5Vであるが、読み出し時は0.5Vであるの
で、バルク電位は0.15Vだけ回復し、−0.65V
になっている。
27 and 28 similarly show the capacitance Cgb-voltage Vgb characteristic and the word line voltage Vwl-bulk voltage VB in the case of FB = -1.1V for the "0" data cell.
It is the result of obtaining the characteristics. The threshold value is Vth0 = 1V
And The bulk potential immediately after writing “0” data is −
Although it is 0.8V, it is assumed that when the bit line returns to near the precharge potential of 0V, the bulk potential rises by 0.3V due to the coupling of the pn junction to become -0.5V. Also in this case, the word line at the time of writing is 1.5V, but at the time of reading it is 0.5V, so the bulk potential is restored by 0.15V, and -0.65V.
It has become.

【0107】以上のp型多結晶シリコンゲートの場合
と、n型多結晶シリコンゲートの場合の動作条件をそれ
ぞれ表にまとめると、下記表1及び表2となる。
The operating conditions in the case of the p-type polycrystalline silicon gate and in the case of the n-type polycrystalline silicon gate described above are summarized in Tables 1 and 2 below.

【0108】[0108]

【表1】p型多結晶シリコンゲートの場合 Vwl(read)=1V Vwl(hold)=−2V Vwl(write)=2V Vbl(“0”write)=−1.6V Vbl(“1”write)=1.6V Vth0=1.5V Vth1=0.5V “1”データセルの読み出し時のバルク電位VB=0.
6V “0”データセルの読み出し時のバルク電位VB=−1
Table 1 In the case of p-type polycrystalline silicon gate Vwl (read) = 1V Vwl (hold) =-2V Vwl (write) = 2V Vbl (“0” write) = − 1.6V Vbl (“1” write) = 1.6V Vth0 = 1.5V Vth1 = 0.5V Bulk potential VB = 0.
Bulk potential VB = -1 when reading a 6V "0" data cell
V

【0109】[0109]

【表2】n型多結晶シリコンゲートの場合 Vwl(read)=0.5V Vwl(hold)=−2.5V Vwl(write)=1.5V Vbl(“0”write)=−1.4V Vbl(“1”write)=1.4V Vth0=1.0V Vth1=0V “1”データセルの読み出し時のバルク電位VB=0.
6V “0”データセルの読み出し時のバルク電位VB=−
0.6V
Table 2 In case of n-type polycrystalline silicon gate Vwl (read) = 0.5V Vwl (hold) = − 2.5V Vwl (write) = 1.5V Vbl (“0” write) = − 1.4V Vbl (“1” write) = 1.4V Vth0 = 1.0V Vth1 = 0V Bulk potential VB = 0.
Bulk potential VB = − when reading 6V “0” data cell
0.6V

【0110】なお、以上の表1,2において、“1”書
き込み時のビット線レベルVbl(“1”write)
は、基板電流(ホール電流)と書き込み時間で決定され
るべきもので未定であるが、仮の設定値を示している。
以上により、p型多結晶シリコンゲートを用いることの
有利性が明らかになった。ワード線振幅はいずれの場合
も、4Vである。これを更に低電圧化するには、以下の
施策が必要になる。 (A)しきい値Vthのばらつきを小さくすること (B)メモリセル電流を確保すること (c)Cj/Coxの割合を小さくする
In Tables 1 and 2 above, the bit line level Vbl (“1” write) at the time of writing “1”
Is to be determined by the substrate current (Hall current) and the writing time, and is undetermined, but shows a temporary setting value.
From the above, the advantage of using the p-type polycrystalline silicon gate was clarified. The word line amplitude is 4V in both cases. The following measures are required to reduce this voltage further. (A) To reduce the variation of the threshold value Vth (B) To secure the memory cell current (c) To reduce the ratio of Cj / Cox

【0111】(A)及び(B)に関しては、ここまでΔ
Vth=Vth0−Vth1=1.0Vを仮定している
が、これは0.8V〜0.6V程度まで厳しく制御でき
る可能性がある。ΔVth=0.6Vを実現できるとす
れば、ワード線振幅を2×1.2V=2.4Vまで小さ
く抑えられる可能性がある。以下では、(C)について
詳細に検討する。これは、ΔVthのマージンを減らす
ことなく、ワード線振幅の低電圧化を実現できる方法だ
からである。
As for (A) and (B), Δ
It is assumed that Vth = Vth0−Vth1 = 1.0V, but there is a possibility that this can be strictly controlled up to about 0.8V to 0.6V. If ΔVth = 0.6V can be realized, there is a possibility that the word line amplitude can be reduced to 2 × 1.2V = 2.4V. Below, (C) is examined in detail. This is because the word line amplitude can be lowered without reducing the ΔVth margin.

【0112】(C)の要請には、SOI基板のシリコン
層の厚みTsiを、これまで想定してきた100nmよ
り更に薄くすること、これと同時に或いは独立に、n型
ソース、ドレイン拡散層の不純物濃度を低くすることに
より応えることができる。前者は、pn接合面積の縮小
により、pn接合容量Cjを小さくすることに対応す
る。後者は、空乏層がn型拡散層側にも延びる条件を与
えるため、ソース、ドレイン拡散層とバルク領域の接合
容量Cjをやはり小さくする。
The requirement of (C) is that the thickness Tsi of the silicon layer of the SOI substrate is made thinner than 100 nm which has been assumed so far, and at the same time or independently, the impurity concentration of the n-type source / drain diffusion layer is set. Can be met by lowering. The former corresponds to reducing the pn junction capacitance Cj by reducing the pn junction area. Since the latter gives a condition that the depletion layer extends to the n-type diffusion layer side, the junction capacitance Cj between the source / drain diffusion layer and the bulk region is also reduced.

【0113】そこで、これまでの検証に用いた接合容量
Cj=0.08fFに代わって、Cj=0.04fFと
半分にした場合について、Cgb−Vgb曲線と、Vw
l−VB曲線を、それぞれ図29及び図30に示す。C
j以外の条件は、図23及び図24と同じであり、ゲー
ト電極はp型多結晶シリコンである。Cj=0.04f
Fは、シリコン層厚みを50nmとした場合に相当す
る。
Therefore, instead of the junction capacitance Cj = 0.08fF used in the verification so far, the case where the junction capacitance is halved to Cj = 0.04fF, the Cgb-Vgb curve and Vw are obtained.
The l-VB curves are shown in FIGS. 29 and 30, respectively. C
The conditions other than j are the same as those in FIGS. 23 and 24, and the gate electrode is p-type polycrystalline silicon. Cj = 0.04f
F corresponds to the case where the silicon layer thickness is 50 nm.

【0114】この結果から、“1”データセルについ
て、0.6Vのバルク電位が書き込まれた後、ワード線
を−2.0Vまで下げると、バルク電位は−1.3Vま
で下がる。従って、バルク電位を−1Vまで下げるに必
要なワード線電位、即ちデータ保持に必要なワード線電
位Vwl(hold)は、Vwl(hold)=−1.
6Vであることがわかる。
From this result, when the word line is lowered to -2.0V after the bulk potential of 0.6V is written in the "1" data cell, the bulk potential is lowered to -1.3V. Therefore, the word line potential required to lower the bulk potential to -1V, that is, the word line potential Vwl (hold) required to hold data is Vwl (hold) =-1.
It can be seen that it is 6V.

【0115】同様に、“0”データセルについて、Cj
=0.04fFを用いた場合のCgb−Vgb曲線と、
Vwl−VB曲線を、それぞれ図31及び図32に示
す。Cj以外の条件は、先の図21及び図22の場合と
同じである。
Similarly, for the "0" data cell, Cj
And a Cgb-Vgb curve when 0.04 fF is used,
The Vwl-VB curves are shown in FIGS. 31 and 32, respectively. Conditions other than Cj are the same as in the case of FIGS. 21 and 22 described above.

【0116】以上のように、薄いシリコン層(Tsi=
50nm)のSOI基板を用いて、Ciを小さくした場
合のDRAMセルの動作条件を、表1に対応させてまと
めると、下記表3のようになる。
As described above, the thin silicon layer (Tsi =
Table 3 below summarizes the operating conditions of the DRAM cell in the case where Ci is reduced using an SOI substrate of 50 nm) in correspondence with Table 1.

【0117】[0117]

【表3】 Vwl(read)=0.8V Vwl(hold)=−1.6V Vwl(write)=1.6V Vbl(“0”write)=−1.6V Vbl(“1”write)=1.6V Vth0=1.3V Vth1=0.3V “1”データセルの読み出し時のバルク電位VB=0.
6V “0”データセルの読み出し時のバルク電位VB=−1
Table 3 Vwl (read) = 0.8V Vwl (hold) = − 1.6V Vwl (write) = 1.6V Vbl (“0” write) = − 1.6V Vbl (“1” write) = 1 .6V Vth0 = 1.3V Vth1 = 0.3V Bulk potential VB = 0.
Bulk potential VB = -1 when reading a 6V "0" data cell
V

【0118】以上の結果から、シリコン層厚みTsiを
100nmから50nmと半分に薄くして容量Cjを小
さくすると、ワード線振幅を4Vから3.2Vまで低減
できることがわかる。注目すべきは、依然として、デー
タ“0”,“1”のしきい値の差ΔVthとして、1V
を確保できていることである。
From the above results, it is understood that the word line amplitude can be reduced from 4V to 3.2V by reducing the capacitance Cj by reducing the silicon layer thickness Tsi from 100 nm to 50 nm by half. It should be noted that the difference ΔVth between the threshold values of data “0” and “1” is still 1V.
Is being secured.

【0119】SOI基板のシリコン層を更に30nm程
度まで薄くできれば、更に低電圧化を実現することが可
能である。しかし、あまりシリコン層を薄くすると、シ
リコン層が完全空乏化し、メモリ機能自体が失われる危
険がある。従って、シリコン層の厚みは50nm程度が
適当と思われる。
If the silicon layer of the SOI substrate can be further thinned to about 30 nm, it is possible to further reduce the voltage. However, if the silicon layer is made too thin, there is a risk that the silicon layer will be completely depleted and the memory function itself will be lost. Therefore, it seems appropriate that the thickness of the silicon layer is about 50 nm.

【0120】図33は、バルク電位VBが−1Vと0.
6Vでのしきい値の差ΔVthと、シリコン層の不純物
濃度NAの関係を示している。但し、ゲート酸化膜厚が
Tox=2.5nm、温度がT=85℃の場合である。
これから、ΔVth=1Vを確保するためには、NA=
1.0×1019/cm3程度が必要であることがわか
る。これは少し、不純物濃度が濃すぎるため、NA=
0.8×1018/cm3に設定して、ΔVth=0.8
Vとする。このとき、表3の動作条件は少し訂正され、
下記表4のようになる。
In FIG. 33, the bulk potential VB is -1V and 0.
The relationship between the threshold difference ΔVth at 6 V and the impurity concentration NA of the silicon layer is shown. However, the gate oxide film thickness is Tox = 2.5 nm and the temperature is T = 85 ° C.
From now on, in order to secure ΔVth = 1V, NA =
It is understood that about 1.0 × 10 19 / cm 3 is necessary. This is because the impurity concentration is a little too high, so NA =
Setting to 0.8 × 10 18 / cm 3 , ΔVth = 0.8
V. At this time, the operating conditions in Table 3 were slightly corrected,
It is as shown in Table 4 below.

【0121】[0121]

【表4】 Vwl(read)=0.7V Vwl(hold)=−1.6V Vwl(write)=1.4V Vbl(“0”write)=−1.6V Vbl(“1”write)=1.4V Vth0=1.1V Vth1=0.3V “1”データセルの読み出し時のバルク電位VB=0.
6V “0”データセルの読み出し時のバルク電位VB=−1
Table 4 Vwl (read) = 0.7V Vwl (hold) = − 1.6V Vwl (write) = 1.4V Vbl (“0” write) = − 1.6V Vbl (“1” write) = 1 .4V Vth0 = 1.1V Vth1 = 0.3V Bulk potential VB = 0.
Bulk potential VB = -1 when reading a 6V "0" data cell
V

【0122】表4において、“1”書き込み時のビット
線レベルVbl(“1”write)は、基板電流(ホ
ール電流)と書き込み時間で決まるため、1.4Vは仮
の設定値である。セルトランジスタをLDD構造ではな
く、通常の構造として、基板電流Isubを増やすこと
により、この程度の低電圧化が可能と考えられる。
In Table 4, the bit line level Vbl ("1" write) at the time of writing "1" is determined by the substrate current (Hall current) and the writing time, so 1.4V is a temporary set value. It is considered possible to reduce the voltage to this level by increasing the substrate current Isub by setting the cell transistor to have a normal structure instead of the LDD structure.

【0123】上の動作条件では、セルトランジスタに係
る最大電圧は、3.0Vである。ゲート酸化膜厚はTo
x=2.5nmとしており、従ってゲート酸化膜には、
12MV/cm程度の電界が、“1”データ書き込みの
瞬間にかかり、信頼性に不安がある。しかし、信頼性を
確保するためにゲート酸化膜厚を大きくすることは、バ
ルク電位を制御するための容量結合比を悪化させるた
め、好ましくない。従って、ゲート絶縁膜については、
シリコン酸化膜に代わって、誘電率の高いAl2O3等
の他の絶縁膜を用いることが好ましい。
Under the above operating conditions, the maximum voltage across the cell transistor is 3.0V. Gate oxide film thickness is To
Since x = 2.5 nm, the gate oxide film has
An electric field of about 12 MV / cm is applied at the moment of writing "1" data, and there is concern about reliability. However, increasing the gate oxide film thickness in order to ensure reliability deteriorates the capacitive coupling ratio for controlling the bulk potential, which is not preferable. Therefore, regarding the gate insulating film,
Instead of the silicon oxide film, it is preferable to use another insulating film such as Al 2 O 3 having a high dielectric constant.

【0124】更なる低電圧化のためには、SOI基板の
シリコン層の厚みTsiを30nm程度まで薄くするこ
と、セルトランジスタのしきい値制御性を良くすると共
に、移動度を大きくとれるようにすること、が望まれ
る。これらを考慮して、2.0V〜2.5V程度までの
低電圧化が可能と思われる。
In order to further reduce the voltage, the thickness Tsi of the silicon layer of the SOI substrate is reduced to about 30 nm, the threshold controllability of the cell transistor is improved, and the mobility can be increased. That is desired. Considering these, it seems that the voltage can be lowered to about 2.0V to 2.5V.

【0125】図33に示すしきい値の差ΔVthのとき
に確保できる“1”書き込みセルトランジスタのセル電
流Ids1と、それに対応するデータ読み出し時間Δt
をそれぞれ図34及び図35に示す。セル電流はIds
1=(k/2)(ΔVth/2)2により求めている。
また、読み出し時間Δtは、読み出し時のワード線電位
をVth1とVth0の中間に設定して、“1”データ
のセルのみをオンさせ、容量Cbl=100fFのビッ
ト線をプリチャージ電位から200mV放電するまでの
時間として求めている。この結果から、NA=6×10
18/cm3において、Ids1=1.4μA、Δt=1
5nsecが得られている。
The cell current Ids1 of the "1" write cell transistor that can be secured when the threshold difference ΔVth shown in FIG. 33 and the corresponding data read time Δt are obtained.
Are shown in FIGS. 34 and 35, respectively. Cell current is Ids
1 = (k / 2) (ΔVth / 2) 2
Further, for the read time Δt, the word line potential at the time of read is set to the middle of Vth1 and Vth0, only the cells of “1” data are turned on, and the bit line having the capacitance Cbl = 100fF is discharged from the precharge potential by 200 mV. Seeking as time to go. From this result, NA = 6 × 10
At 18 / cm 3 , Ids1 = 1.4 μA and Δt = 1
5 nsec is obtained.

【0126】図36は、“1”データセルのホールド時
のバルク電位VBがしきい値Vth1との関係でどこま
で下がるかを調べた結果である。条件は、ゲート酸化膜
厚tox=2.5nm、不純物濃度NA=5×1018
cm3、フラットバンド電圧VFB=0.1V、“1”
データのバルク電位VB1=0.6V、ゲート酸化膜容
量Cox=0.14fF、接合容量Cj=0.04fF
である。またワード線のホールド電位は、Vwl=Vt
h1−2Vである。
FIG. 36 shows the result of examining how much the bulk potential VB at the time of holding the "1" data cell falls in relation to the threshold value Vth1. The conditions are as follows: gate oxide film thickness tox = 2.5 nm, impurity concentration NA = 5 × 10 18 /
cm 3 , flat band voltage VFB = 0.1V, “1”
Data bulk potential VB1 = 0.6V, gate oxide film capacitance Cox = 0.14fF, junction capacitance Cj = 0.04fF
Is. The hold potential of the word line is Vwl = Vt
It is h1-2V.

【0127】この結果から、Vth1=0.5V以上で
は、ホールド時のバルク電位はVth1と共に上昇して
いる。Vth1<0.5Vでは、バルク電位は−0.9
3Vに飽和している。これは、Vth1<0.5V以下
までワード線が下がると、容量Cgbがゲート酸化膜容
量Coxとして飽和することを意味している。従って、
フラットバンド電圧VFB=0.1Vのとき、つまりゲ
ート電極がp型多結晶シリコン膜のとき、Vth1<
0.5Vに設定すべきである。一方、ΔVth=Vth
0−Vth1=0.8Vを確保できることがわかってい
るので、Vth0<1.3Vである。従って、Vth0
=1.1V、Vth1=0.3Vは良い選択であると言
える。以上の動作ポイントをまとめると、下記表5のよ
うになり、またデバイスパラメータをまとめると、下記
表6のようになる。
From this result, when Vth1 = 0.5V or more, the bulk potential during hold rises with Vth1. When Vth1 <0.5V, the bulk potential is -0.9.
Saturated to 3V. This means that when the word line drops to Vth1 <0.5 V or less, the capacitance Cgb is saturated as the gate oxide film capacitance Cox. Therefore,
When the flat band voltage VFB = 0.1 V, that is, when the gate electrode is a p-type polycrystalline silicon film, Vth1 <
Should be set to 0.5V. On the other hand, ΔVth = Vth
Since it is known that 0-Vth1 = 0.8V can be ensured, Vth0 <1.3V. Therefore, Vth0
= 1.1V and Vth1 = 0.3V are good choices. The above operation points are summarized in Table 5 below, and the device parameters are summarized in Table 6 below.

【0128】[0128]

【表5】 Vth0=1.1V、Vth1=0.3V Vwl(read)=0.7V Vwl(hold)=−1.7V Vwl(write)=1.5V Vbl(“0”write)=−1.5V Vbl(“1”write)=1.5V VB(“1”read)=0.6V VB(“0”read)=−1.0V VB(“1”write)=0.6V VB(“0”write)=−0.9V VB(“1”hold)=−1.0V VB(“0”hold)=−2.4V Vmax=3.2V(非選択WLと“1”書き込みBL
との間のVds)
Table 5 Vth0 = 1.1V, Vth1 = 0.3V Vwl (read) = 0.7V Vwl (hold) =-1.7V Vwl (write) = 1.5V Vbl (“0” write) = − 1 .5V Vbl (“1” write) = 1.5V VB (“1” read) = 0.6V VB (“0” read) = − 1.0V VB (“1” write) = 0.6V VB (“ 0 "write) =-0.9V VB (" 1 "hold) =-1.0V VB (" 0 "hold) =-2.4V Vmax = 3.2V (non-selected WL and" 1 "write BL)
Vds between

【0129】[0129]

【表6】p型多結晶シリコンゲート NA=5×1018/cm3 tox=2.5nm チャネル長L=0.1μm、チャネル幅W=0.1μm Tsi=50nm k=(W/L)(εox/tox)μeff=2.0×
10-5A/V2
Table 6 p-type polycrystalline silicon gate NA = 5 × 10 18 / cm 3 tox = 2.5 nm Channel length L = 0.1 μm, channel width W = 0.1 μm Tsi = 50 nm k = (W / L) ( εox / tox) μeff = 2.0 ×
10 -5 A / V 2

【0130】このときDRAMセルの読み出し特性は、
ビット線容量Cbl=100fFに、200mVの電位
差をつけるまで時間が、Δt=15nsecとなる。
At this time, the read characteristic of the DRAM cell is
It takes Δt = 15 nsec until a potential difference of 200 mV is applied to the bit line capacitance Cbl = 100 fF.

【0131】図37は、VFB=−1.1Vの場合(即
ち、n型多結晶シリコンゲートの場合)について、同様
に“1”データセルのホールド時のバルク電位VBがし
きい値Vth1との関係でどこまで下がる調べた結果で
ある。他の条件は、図36と同様である。この場合も、
Vth1<0.5Vとすべきことが示唆される。このと
きの動作ポイント及びデバイスパラメータは、表5及び
表6に対して、下記表7及び表8となる。
FIG. 37 shows that in the case of VFB = -1.1V (that is, in the case of n-type polycrystalline silicon gate), the bulk potential VB at the time of holding the "1" data cell is the threshold Vth1. It is the result of investigating how far down the relationship. The other conditions are the same as those in FIG. Also in this case,
It is suggested that Vth1 <0.5V should be set. The operation points and device parameters at this time are shown in Tables 7 and 8 below, in contrast to Tables 5 and 6.

【0132】[0132]

【表7】 Vth0=0.1V、Vth1=−0.7V Vwl(read)=0.3V Vwl(hold)=−2.7V Vwl(write)=0.5V Vbl(“0”write)=−1.5V Vbl(“1”write)=0.5V VB(“1”read)=0.6V VB(“0”read)=−1.0V VB(“1”write)=0.6V VB(“0”write)=−0.9V VB(“1”hold)=−1.0V VB(“0”hold)=−2.4V Vmax=3.2V(非選択WLと“1”書き込みBL
との間のVds)
[Table 7] Vth0 = 0.1V, Vth1 = −0.7V Vwl (read) = 0.3V Vwl (hold) = − 2.7V Vwl (write) = 0.5V Vbl (“0” write) = − 1.5V Vbl (“1” write) = 0.5V VB (“1” read) = 0.6V VB (“0” read) = − 1.0V VB (“1” write) = 0.6V VB ( “0” write) = − 0.9V VB (“1” hold) = − 1.0V VB (“0” hold) = − 2.4V Vmax = 3.2V (non-selected WL and “1” write BL)
Vds between

【0133】[0133]

【表8】n型多結晶シリコンゲート NA=5×1018/cm3 tox=2.5nm チャネル長L=0.1μm、チャネル幅W=0.1μm Tsi=50nm k=(W/L)(εox/tox)μeff=2.0×
10-5A/V2
Table 8 n-type polycrystalline silicon gate NA = 5 × 10 18 / cm 3 tox = 2.5 nm Channel length L = 0.1 μm, channel width W = 0.1 μm Tsi = 50 nm k = (W / L) ( εox / tox) μeff = 2.0 ×
10 -5 A / V 2

【0134】このときDRAMセルの読み出し特性は、
ビット線容量Cbl=100fFに、200mVの電位
差をつけるまで時間が、Δt=15nsecとなる。但
し、Vbl(“1”write)が0.5Vで十分な基
板電流Isubが流れるか否かが問題であり、これを
0.5V以上に上げなければならないとすると、その分
最大電圧Vmaxが上昇する。この点で、p型多結晶シ
リコンをゲート電極に用いる方が有利である。つまり、
読み出し特性及び“1”書き込み特性から決まるしきい
値Vth0に対して、書き込み時のワード線レベルVw
l(write)が決まるが、これとは独立に“1”書
き込み特性から決まるビット線電位Vbl(“1”wr
ite)がこのワード線電位Vwlよりも高くなる場合
は、Vmaxは、Vbl(“1”write)−Vwl
(h0ld)で決まる。もし、Vwl(Write)≧
Vbl(“1”write)であれば、Vmax=Vw
l(write)−Vwl(hold)であり、動作電
圧を最小化できる。
At this time, the read characteristic of the DRAM cell is
It takes Δt = 15 nsec until a potential difference of 200 mV is applied to the bit line capacitance Cbl = 100 fF. However, whether Vbl (“1” write) is 0.5V and a sufficient substrate current Isub flows or not is a problem. If it is necessary to raise this to 0.5V or more, the maximum voltage Vmax increases accordingly. To do. In this respect, it is more advantageous to use p-type polycrystalline silicon for the gate electrode. That is,
With respect to the threshold Vth0 determined by the read characteristic and the "1" write characteristic, the word line level Vw at the time of writing
l (write) is determined, but independently of this, the bit line potential Vbl (“1” wr determined by the “1” write characteristic).
ite) becomes higher than the word line potential Vwl, Vmax is Vbl (“1” write) −Vwl.
It is determined by (h01d). If Vwl (Write) ≧
If Vbl (“1” write), Vmax = Vw
l (write) -Vwl (hold), and the operating voltage can be minimized.

【0135】以上の計算は、あくまで標準的なDRAM
セルについてである。実際は、プロセス起因のロット
間、ウェハ間、ウェハ内、チップ内のセルトランジスタ
のしきい値やkの変動、ビット線容量の変動、設計的ワ
ード線レベルの変動等がある。またビット線間のカップ
リングノイズも考慮する必要がある。
The above calculation is based on a standard DRAM
About the cell. Actually, there are variations in the threshold value and k of cell transistors in lots, wafers, wafers, and chips due to processes, variations in bit line capacitance, variations in design word line level, and the like. It is also necessary to consider coupling noise between bit lines.

【0136】これ以外にも、温度によるしきい値Vth
の変動が含まれる。メモリセルと同じ構造の参照セルを
用いた場合には、しきい値変動の要素のある部分は補償
されて、影響が出ないようにすることが可能である。言
い換えると、この様にすることで、基本的には上記しき
い値変動の要素のチップ内でのばらつきのみに制限する
ことができる。また温度変動に伴うしきい値変動は、シ
ステム的に完全にキャンセルすることが可能である。
Besides this, the threshold value Vth depending on the temperature
Fluctuations are included. When a reference cell having the same structure as that of the memory cell is used, it is possible to compensate for a portion of the element of the threshold variation so that it is not affected. In other words, by doing so, basically, it is possible to limit only the variation of the above threshold value variation element within the chip. In addition, the threshold fluctuation due to the temperature fluctuation can be completely canceled systematically.

【0137】この発明によるメモリセルは前述のよう
に、原理的に非破壊読み出しであり且つ、電流読み出し
である。図38は、このメモリセルセル特性を利用した
センスアンプのレイアウト例を示す。対をなすビット線
BL,bBLはセンスアンプSAの両側に配置して、オ
ープンビット線方式としている。ビット線対BL,bB
Lの一方でワード線WLが活性化されたとき、他方では
ダミーセルDCを選択するダミーワード線DWLが活性
化されるようになっている。ダミーセルDCは、メモリ
セルMCと同様のMOSトランジスタにより構成され、
そのバルク領域にデータ“0”,“1”の中間的なバル
ク電位を与えるものとする。
As described above, the memory cell according to the present invention is in principle non-destructive read and current read. FIG. 38 shows a layout example of a sense amplifier utilizing this memory cell characteristic. The paired bit lines BL, bBL are arranged on both sides of the sense amplifier SA to adopt an open bit line system. Bit line pair BL, bB
When the word line WL is activated on the one hand of L, the dummy word line DWL which selects the dummy cell DC is activated on the other hand. The dummy cell DC is composed of the same MOS transistor as the memory cell MC,
An intermediate bulk potential of data "0" and "1" is applied to the bulk region.

【0138】図の例では、二つのビット線対BL,bB
Lが選択ゲートSGにより選択されて一つのセンスアン
プSAに接続される。あるセンスアンプSAにつながる
ビット線と隣のセンスアンプSAにつながるビット線と
は交互に配置される。この場合、一つのワード線WLに
より同時に選択される4個のメモリセルMCに対して、
センスアンプSAは二つである。即ち、同時に選択され
る4個のメモリセルMCのデータのうち、実際にセンス
アンプSAで検出されるのは二つであり、残りのメモリ
セルデータは、読み出されるもののセンスアンプには送
られない。この発明では、通常のDRAMにおけるよう
な破壊読み出しではないため、この様なセンスアンプ方
式が可能になる。
In the illustrated example, two bit line pairs BL and bB are used.
L is selected by the selection gate SG and connected to one sense amplifier SA. Bit lines connected to a certain sense amplifier SA and bit lines connected to an adjacent sense amplifier SA are arranged alternately. In this case, for four memory cells MC that are simultaneously selected by one word line WL,
There are two sense amplifiers SA. That is, of the data of the four memory cells MC selected at the same time, only two are actually detected by the sense amplifier SA, and the remaining memory cell data is read but not sent to the sense amplifier. . According to the present invention, such a sense amplifier system is possible because it is not the destructive read as in a normal DRAM.

【0139】ところで、この発明によるDRAMセルを
0.1μmルールのDRAM世代として実現する上で
は、次の二つの条件を両立させることが重要になる。 ・条件1:基板バイアス効果を十分に利用すること ・条件2:pn接合のリーク電流を小さくすること これらの条件1,2は、バルク領域の不純物濃度に関し
て相反する要請になる。
By the way, in realizing the DRAM cell according to the present invention as a DRAM generation of the 0.1 μm rule, it is important to satisfy the following two conditions. Condition 1: Fully utilize the substrate bias effect. Condition 2: Reduce leakage current of pn junction These conditions 1 and 2 are contradictory requirements regarding the impurity concentration in the bulk region.

【0140】条件1は、大きな基板バイアス効果によ
り、“0”,“1”データのしきい値電圧差を大きくす
るために必要であり、そのためには図1のp型シリコン
層12(バルク領域)の不純物濃度(アクセプタ濃度)
NAが例えば、NA=5×10 18/cm3以上必要であ
る。この事情を図40により説明する。図40は、バル
ク電位VBとNMOSトランジスタのしきい値Vthと
の関係がアクセプタ濃度NAにより異なる様子を示して
いる。
Condition 1 is due to the large substrate bias effect.
Increase the threshold voltage difference between “0” and “1” data.
It is necessary to do so, and for that, the p-type silicon of FIG.
Impurity concentration (acceptor concentration) of layer 12 (bulk region)
NA is, for example, NA = 5 × 10 18/ Cm3More than necessary
It This situation will be described with reference to FIG. Figure 40
Potential VB and the threshold value Vth of the NMOS transistor
Showing how the relationship of
There is.

【0141】アクセプタ濃度がNA1のとき、“0”,
“1”データのしきい値電圧差をΔVth1、これより
低いアクセプタ濃度NA2のときのしきい値電圧差をΔ
Vth2とすると、ΔVth1>ΔVth2となる。即
ち、“0”,“1”データのしきい値電圧差を大きくす
るためには、アクセプタ濃度がある程度以上高いことが
必要になる。なお、NA=5×1018/cm3以上のア
クセプタ濃度濃度は、チャネル長がL=0.1μm程度
の微細MOSトランジスタでの確実な動作を行わせるに
も必要である。
When the acceptor concentration is NA1, "0",
The threshold voltage difference of “1” data is ΔVth1, and the threshold voltage difference when the acceptor concentration NA2 is lower than this is ΔVth1.
If Vth2, then ΔVth1> ΔVth2. That is, in order to increase the threshold voltage difference between “0” and “1” data, it is necessary that the acceptor concentration be higher than a certain level. The acceptor concentration of NA = 5 × 10 18 / cm 3 or more is also necessary for reliable operation in a fine MOS transistor having a channel length of L = 0.1 μm.

【0142】一方、条件2は、データ保持特性を保証す
る上で必要になり、この場合バルク領域の不純物濃度は
当然低い方がよい。0.1μmルールのDRAM世代
で、バルク領域に10秒間データを保持するためには、
ソース、ドレインのpn接合リークを、3×10-17
/cm2以下に抑えることが必要になる。また、リーク
電流の主成分であるトンネル電流を下げるためには、p
n接合部に形成される空乏層内の電界は、2.5×10
5V/cm以下に抑えなければならない。これは、バル
ク領域のアクセプタ濃度がNA=1.0×1017/cm
3以下で実現できる値である。条件1から要請される上
述のアクセプタ濃度では、空乏層内の電界は、1.7×
106V/cm(2Vの逆バイアス時)となり、条件2
の要請を満たすことができない。
On the other hand, the condition 2 is necessary in order to guarantee the data retention characteristic, and in this case, the impurity concentration in the bulk region should naturally be low. In the DRAM generation of the 0.1 μm rule, in order to hold data for 10 seconds in the bulk area,
Source / drain pn junction leakage is 3 × 10 -17 A
/ Cm 2 It is necessary to control below. In order to reduce the tunnel current, which is the main component of leakage current, p
The electric field in the depletion layer formed at the n-junction is 2.5 × 10 5.
Must be kept below 5 V / cm. This is because the acceptor concentration in the bulk region is NA = 1.0 × 10 17 / cm.
It is a value that can be realized with 3 or less. With the above-mentioned acceptor concentration required from condition 1, the electric field in the depletion layer is 1.7 ×
10 6 V / cm (at 2 V reverse bias), and condition 2
Can not meet the request of.

【0143】図39は、以上のような相反する条件1,
2を満たす可能性を持つ実施の形態のDRAMセルMC
の構造を、図1に対応させて示している。図1のセル構
造との相違は、p型シリコン層12からなるバルク領域
にある。即ちこの実施の形態の場合、バルク領域を、ド
レイン、ソース拡散層14,15に接するボロン濃度
(アクセプタ濃度)が比較的低いp型拡散層12aと、
ドレイン、ソース拡散層14,15からは離れたチャネ
ル長方向の中央部に配置されたボロン濃度(アクセプタ
濃度)が高いp+型拡散層12bとから構成している。
+型拡散層12bは、底部のシリコン酸化膜11に達
する深さに形成されている。
FIG. 39 shows the contradictory conditions 1 and 2.
DRAM cell MC of the embodiment having a possibility of satisfying 2
The structure of is shown in correspondence with FIG. The difference from the cell structure of FIG. 1 lies in the bulk region formed of the p-type silicon layer 12. That is, in the case of this embodiment, the p-type diffusion layer 12a having a relatively low boron concentration (acceptor concentration) in contact with the drain and source diffusion layers 14 and 15 in the bulk region
The p + -type diffusion layer 12b having a high boron concentration (acceptor concentration) is arranged in the central portion in the channel length direction away from the drain and source diffusion layers 14 and 15.
The p + type diffusion layer 12b is formed to a depth reaching the bottom silicon oxide film 11.

【0144】このセル構造は、等価的に、しきい値電圧
が高いNMOSトランジスタをしきい値電圧の低い二つ
のNMOSトランジスタで挟んだ形になっている。この
とき全体のしきい値電圧は、中央部のp+型拡散層12
bにより支配される。一方、ドレイン、ソース拡散層1
4,15は、低濃度のp型拡散層12aとの間でpn接
合を構成しているから、バルク領域全体を高濃度のp+
型拡散層で形成する場合に比べて、リーク電流が小さく
なる。以上の結果、上述した相反する二つの条件1,2
を満たすことが可能になる。
This cell structure is equivalently formed by sandwiching an NMOS transistor having a high threshold voltage between two NMOS transistors having a low threshold voltage. At this time, the entire threshold voltage is the p + -type diffusion layer 12 in the central portion.
dominated by b. On the other hand, the drain / source diffusion layer 1
4, 15 form a pn junction with the low-concentration p-type diffusion layer 12a, so that the entire bulk region has a high-concentration p +
The leakage current is smaller than that in the case of forming the type diffusion layer. As a result of the above, the two contradictory conditions 1 and 2 described above are
Will be able to meet.

【0145】具体的に、図39のセル構造により効果が
得られるかどうか、またどの様な濃度設定や位置設定が
必要か、等について、以下に検討結果を説明する。ま
ず、予備的な検討として、図41(a)(b)に示すよ
うに、n型拡散層(ドナー濃度ND)とp型拡散層(ア
クセプタ濃度NA)のpn接合に、電圧Vの逆バイアス
を与えたときの空乏層の拡がり、及び内部電界Eの強度
分布を求める。pn接合は急峻な接合(abrupt
junction)であると仮定する。図41に示すよ
うに、pn接合を横切る方向にx軸を定義する。このと
き、n型拡散層及びp型拡散層内の電位をφD,φAと
し、空乏層のn型拡散層内の先端位置を−xn、p型拡
散層内での先端位置をxpとして、ポアソンの方程式及
び、n型拡散層とp型拡散層内の電界ED,EAは、数
24で表される。εはシリコンの誘電率である。
Concretely, the examination results will be described below as to whether or not the effect can be obtained by the cell structure of FIG. 39, and what kind of density setting and position setting are necessary. First, as a preliminary study, as shown in FIGS. 41A and 41B, a reverse bias of the voltage V is applied to the pn junction of the n-type diffusion layer (donor concentration ND) and the p-type diffusion layer (acceptor concentration NA). Then, the expansion of the depletion layer and the intensity distribution of the internal electric field E are calculated. The pn junction is an abrupt junction.
). As shown in FIG. 41, the x-axis is defined in the direction crossing the pn junction. At this time, the potentials in the n-type diffusion layer and the p-type diffusion layer are φD and φA, the tip position of the depletion layer in the n-type diffusion layer is -xn, and the tip position in the p-type diffusion layer is xp, and Poisson is set. And the electric fields ED and EA in the n-type diffusion layer and the p-type diffusion layer are expressed by Equation 24. ε is the dielectric constant of silicon.

【0146】[0146]

【数24】 d2φD/dx2=−(q/2ε)ND (−xn<x<0) d2φA/dx2=(q/2ε)NA (0<x<xp) ED=−dφD/dx (−xn<x<0) EA=−dφA/dx (0<x<xp)D 2 φD / dx 2 = − (q / 2ε) ND (−xn <x <0) d 2 φA / dx 2 = (q / 2ε) NA (0 <x <xp) ED = −dφD / Dx (-xn <x <0) EA = -dφA / dx (0 <x <xp)

【0147】境界条件は、ビルトインポテンシャルをφ
biとして、次の数25で表される。
The boundary condition is that the built-in potential is φ.
It is represented by the following formula 25 as bi.

【0148】[0148]

【数25】ED(−xn)=0 φD(−xn)=φbi+V ED(0)=EA(0) φD(0)=φA(0) EA(xp)=0 φA(xp)=0ED (-xn) = 0 φD (-xn) = φbi + V ED (0) = EA (0) φD (0) = φA (0) EA (xp) = 0 φA (xp) = 0

【0149】これらの境界条件を入れて、数24を解く
と、次の数26が得られる。
When these boundary conditions are put and the equation 24 is solved, the following equation 26 is obtained.

【0150】[0150]

【数26】 ED=(q/ε)ND・x+A (−xn<x<0) φD=−(q/2ε)ND・x2−A・x+B (−xn<x<0) EA=−(q/ε)NA・x+C (0<x<xp) φA=(q/2ε)NA・x2−C・x+D (0<x<xp)ED = (q / ε) ND · x + A (−xn <x <0) φD = − (q / 2ε) ND · x 2 −A · x + B (−xn <x <0) EA = − ( q / ε) NA · x + C (0 <x <xp) φA = (q / 2ε) NA · x 2 −C · x + D (0 <x <xp)

【0151】数26において、A〜Dは、数25の境界
条件で決まる定数である。数26の解を数25の境界条
件の式に代入すると、次の数27が得られる。
In Expression 26, A to D are constants determined by the boundary condition of Expression 25. Substituting the solution of the equation 26 into the boundary condition equation of the equation 25, the following equation 27 is obtained.

【0152】[0152]

【数27】−(q/ε)ND・xn+A=0 −(q/2ε)ND・xn2+A・xn+B=φbi+
V A=C B=D −(q/ε)NA・xp+C=0 (q/2ε)NA・xp2−C・xp+D=0
-(Q / ε) ND · xn + A = 0 − (q / 2ε) ND · xn 2 + A · xn + B = φbi +
VA = CB = D- (q / ε) NA · xp + C = 0 (q / 2ε) NA · xp 2 −C · xp + D = 0

【0153】数27は、6個の未知数である、xn,x
p,A,B,C及びDを決定する方程式である。これを
解くことにより、下記数28を得る。
Expression 27 is six unknowns, xn, x
is an equation that determines p, A, B, C and D. By solving this, the following Expression 28 is obtained.

【0154】[0154]

【数28】xn={2εNA(φbi+V)/qND
(NA+ND)}1/2 xp={2εND(φbi+V)/qNA(NA+N
D)}1/2
Xn = {2εNA (φbi + V) / qND
(NA + ND)} 1/2 xp = {2εND (φbi + V) / qNA (NA + N
D)} 1/2

【0155】また、最大電界強度Emaxは、x=0の
点での電界であり、下記数29で表される。
The maximum electric field strength Emax is the electric field at the point of x = 0 and is represented by the following formula 29.

【0156】[0156]

【数29】 Emax=A=(q/ε)ND・xn ={2qNA・ND(φbi+V)/ε(NA+ND)}1/2 Emax = A = (q / ε) ND · xn = {2qNA · ND (φbi + V) / ε (NA + ND)} 1/2

【0157】空乏層全体の幅W=xn+xpは、次の数
30となる。
The width W = xn + xp of the entire depletion layer is given by the following equation 30.

【0158】[0158]

【数30】W={2ε(NA+ND)(φbi+V)/
qNA・ND}1/2
(30) W = {2ε (NA + ND) (φbi + V) /
qNA / ND} 1/2

【0159】電界強度分布は、図41(b)に示したよ
うになる。以上の予備検討結果に基づいて、次に図42
(a)(b)に示すように、p型拡散層が、高アクセプ
タ濃度NAと低アクセプタ濃度naの部分に分かれてい
る場合を検討する。これは、図39の実施の形態のセル
構造におけるドレイン接合側の構造に相当する。この場
合も、接合は急峻接合であるものとする。距離軸は、先
の予備検討の結果との比較のために、小文字xに代わっ
て、大文字Xを用いる。p型拡散層に拡がる空乏層の先
端位置Xpは、低アクセプタ濃度naの領域を越えて、
Xp>Lであるものとする。このとき、ポアソンの式及
び電界の式は、数24に対して、p型拡散層を高アクセ
プタ濃度NAの領域と低アクセプタ濃度naの領域に分
けて考えることにより、次の数31となる。高アクセプ
タ濃度NAの領域の電位φA,電界EAに対して、低ア
クセプタ濃度naの領域の電位,電界をそれぞれφa,
Eaとして示す。
The electric field intensity distribution is as shown in FIG. 41 (b). Next, based on the above preliminary examination results, FIG.
As shown in (a) and (b), a case where the p-type diffusion layer is divided into a high acceptor concentration NA portion and a low acceptor concentration na portion will be examined. This corresponds to the structure on the drain junction side in the cell structure of the embodiment of FIG. Also in this case, the junction is assumed to be a steep junction. The distance axis uses a capital letter X instead of a lower case letter x for comparison with the results of the previous preliminary study. The tip position Xp of the depletion layer extending to the p-type diffusion layer exceeds the low acceptor concentration na region,
It is assumed that Xp> L. At this time, the Poisson's formula and the electric field formula are as shown in the following formula 31 by considering the p-type diffusion layer separately for the region of high acceptor concentration NA and the region of low acceptor concentration na with respect to formula 24. With respect to the potential φA and electric field EA in the high acceptor concentration NA region, the potential and electric field in the low acceptor concentration na region are φa and
Shown as Ea.

【0160】[0160]

【数31】 d2φD/dX2=−(q/2ε)ND (−Xn<X<0) d2φa/dX2=(q/2ε)na (0<X<L) d2φA/dX2=(q/2ε)NA (L<X<Xp) ED=−dφD/dX (−Xn<X<0) Ea=−dφa/dX (0<X<L) EA=−dφA/dX (L<X<Xp)D 2 φD / dX 2 = − (q / 2ε) ND (−Xn <X <0) d 2 φa / dX 2 = (q / 2ε) na (0 <X <L) d 2 φA / dX 2 = (q / 2ε) NA (L <X <Xp) ED = −dφD / dX (−Xn <X <0) Ea = −dφa / dX (0 <X <L) EA = −dφA / dX ( L <X <Xp)

【0161】境界条件は、次の数32で表される。The boundary condition is expressed by the following equation 32.

【0162】[0162]

【数32】ED(−Xn)=0 φD(−Xn)=φbi+V ED(0)=Ea(0) φD(0)=φa(0) Ea(L)=EA(L) φa(L)=φA(L) EA(Xp)=0 φA(Xp)=0ED (-Xn) = 0 φD (-Xn) = φbi + V ED (0) = Ea (0) φD (0) = φa (0) Ea (L) = EA (L) φa (L) = φA (L) EA (Xp) = 0 φA (Xp) = 0

【0163】数31を解くと、下記数33が得られる。By solving the equation 31, the following equation 33 is obtained.

【0164】[0164]

【数33】 ED=(q/ε)ND・X+A (−Xn<X<0) φD=−(q/2ε)ND・X2−A・X+B (−Xn<X<0) Ea=−(q/ε)na・X+C (0<X<L) φa=(q/2ε)na・X2−C・X+D (0<X<L) EA=−(q/ε)NA・X+E (L<X<Xp) φA=(q/2ε)NA・X2−E・X+F (L<X<Xp)ED = (q / ε) ND × X + A (−Xn <X <0) φD = − (q / 2ε) ND × X 2 −A × X + B (−Xn <X <0) Ea = − ( q / ε) na · X + C (0 <X <L) φa = (q / 2ε) na · X 2 −C · X + D (0 <X <L) EA = − (q / ε) NA · X + E (L < X <Xp) φA = (q / 2ε) NA · X 2 −E · X + F (L <X <Xp)

【0165】数33において、A〜Fは、数32の境界
条件で決まる定数である。数33の解を数32の境界条
件の式に代入すると、次の数34が得られる。
In Expression 33, A to F are constants determined by the boundary condition of Expression 32. Substituting the solution of Expression 33 into the boundary condition expression of Expression 32, the following Expression 34 is obtained.

【0166】[0166]

【数34】−(q/ε)ND・Xn+A=0 −(q/2ε)ND・Xn2+A・Xn+B=φbi+
V A=C B=D −(q/ε)na・L+C=−(q/ε)NA・L+E (q/2ε)na・L2−C・L+D=(q/2ε)N
A・L2−E・L+F −(q/ε)NA・Xp+E=0 (q/2ε)NA・Xp2−E・Xp+F=0
-(Q / ε) ND · Xn + A = 0 − (q / 2ε) ND · Xn 2 + A · Xn + B = φbi +
VA = CB = D- (q / ε) na · L + C = − (q / ε) NA · L + E (q / 2ε) na · L 2 −C · L + D = (q / 2ε) N
A · L 2 −E · L + F − (q / ε) NA · Xp + E = 0 (q / 2ε) NA · Xp 2 −E · Xp + F = 0

【0167】数34は、8個の未知数である、Xn,X
p,A,B,C,D,E及びFを決定する方程式であ
る。これを解くことにより、下記数35を得る。
Equation 34 is the eight unknowns, Xn and X.
is an equation that determines p, A, B, C, D, E and F. By solving this, the following Expression 35 is obtained.

【0168】[0168]

【数35】Xn=−L・(NA-na)/(NA+ND)+L・{(NA/ND)
(NA-na)(ND+na)/(NA+ND)2+(xn/L)21/2 Xp=(1/NA)・[ND・Xn+(NA-na)・L]
[Formula 35] Xn = -L ・ (NA-na) / (NA + ND) + L ・ {(NA / ND)
(NA-na) (ND + na) / (NA + ND) 2 + (xn / L) 2 } 1/2 Xp = (1 / NA) ・ [ND ・ Xn + (NA-na) ・ L]

【0169】ここで、数35におけるxnは、先に図4
1のpn接合について解いたn型拡散層への空乏層の伸
びを示し、数28で表されるものである。また、最大電
界Emaxは、X=0での電界であり、下記数36で表
される。
Here, xn in the equation (35) is obtained from FIG.
The extension of the depletion layer to the n-type diffusion layer solved for the pn junction of No. 1 is shown by Equation 28. The maximum electric field Emax is an electric field at X = 0 and is represented by the following formula 36.

【0170】[0170]

【数36】Emax=A=(q/ε)ND・Xn[Equation 36] Emax = A = (q / ε) ND · Xn

【0171】このときの電界強度分布は、図42(b)
に示した通りである。数35において、Lを0に限りな
く近づけるか、或いはアクセプタ濃度naを限りなくN
Aに近づければ、Xn=xnとなることが確認される。
The electric field strength distribution at this time is shown in FIG. 42 (b).
As shown in. In Expression 35, L is brought as close as possible to 0, or the acceptor concentration na is made as close to N as possible.
It is confirmed that Xn = xn holds when the value is closer to A.

【0172】以上の検討結果に基づいて、次に図39の
セル構造の最適化条件を具体的に検討する。まず、図4
3は、p型拡散層の高アクセプタ濃度をNA=5×10
18/cm3、低アクセプタ濃度をna=1×1017/c
3、n型拡散層のドナー濃度をND=1×1020/c
3、印加電圧をV=2.0V、周囲温度を85℃とし
て、低アクセプタ濃度領域の幅Lと、空乏層の伸びX
n,Xpの関係を求めた結果である。
Based on the above examination results, the optimization conditions of the cell structure of FIG. 39 will be concretely examined next. First, FIG.
3 is a high acceptor concentration of the p-type diffusion layer NA = 5 × 10
18 / cm 3 , low acceptor concentration na = 1 × 10 17 / c
m 3 , the donor concentration of the n-type diffusion layer is ND = 1 × 10 20 / c
m 3 , applied voltage V = 2.0 V, ambient temperature 85 ° C., width L of low acceptor concentration region and extension X of depletion layer
It is the result of obtaining the relationship between n and Xp.

【0173】図39のセルにおいて、チャネル長が0.
1μmであるとし、ソース、ドレインからの空乏層の伸
びが対称であるとすれば、パンチスルーを生じないため
には、Xp<5×10-6cmであることが必要である。
この条件を満たすためには、図43から、L<4.0×
10-6cm=0.04μmでなければならない。ある程
度の余裕を見ると、L=0.02μmが妥当なところで
ある。このとき、p型拡散層への空乏層の伸びXpは、
高アクセプタ濃度NAの領域に0.01μm食い込んで
いることがわかる。
In the cell of FIG. 39, the channel length is 0.
If it is 1 μm and the extension of the depletion layer from the source and drain is symmetric, it is necessary that Xp <5 × 10 −6 cm in order to prevent punch-through.
To satisfy this condition, from FIG. 43, L <4.0 ×
It must be 10 −6 cm = 0.04 μm. Looking at some margin, L = 0.02 μm is a reasonable place. At this time, the extension Xp of the depletion layer to the p-type diffusion layer is
It can be seen that 0.01 μm is cut into the region of high acceptor concentration NA.

【0174】図43と同様の条件で、最大電界強度Em
axの距離L依存性を示すと、図44のようになる。上
に求めた妥当な距離L=0.02μmのとき、最大電界
強度は、Emax=9.0×105V/cmである。こ
れは、バルク領域全体を高アクセプタ濃度NA=5×1
18/cm3の領域のみで構成した場合と比べて、小さ
くなっているものの、まだ1/2程度までしか最大電界
が弱められていない。更にこの電界の1/3程度まで小
さくすることが望まれる。
Under the same conditions as in FIG. 43, the maximum electric field strength Em
FIG. 44 shows the dependency of ax on the distance L. When the reasonable distance L obtained above is 0.02 μm, the maximum electric field strength is Emax = 9.0 × 10 5 V / cm. This is because the entire bulk region has a high acceptor concentration NA = 5 × 1.
The maximum electric field is still weakened to about ½, although it is smaller than that in the case where only the region of 0 18 / cm 3 is formed. Further, it is desired to reduce the electric field to about 1/3.

【0175】そこで次に、図42において、n型拡散層
のドナー濃度NDを低くする効果を検討する。これは、
空乏層がn型拡散層側にもより延びることになり、最大
電界強度を弱めることが期待されるためである。図45
は、図43に対して、n型拡散層のドナー濃度NDを、
ND=1×10 17/cm3と低くした場合について、低
アクセプタ濃度領域の幅Lと、空乏層の伸びXn,Xp
の関係を求めた結果である。また、図46は、このとき
の最大電界強度Emaxの距離Lに対する依存性を、図
35に対応させて示している。
Then, next, referring to FIG. 42, an n-type diffusion layer is formed.
The effect of lowering the donor concentration ND will be examined. this is,
The depletion layer extends further to the n-type diffusion layer side, and the maximum
This is because it is expected that the electric field strength will be weakened. Figure 45
43, the donor concentration ND of the n-type diffusion layer is
ND = 1 × 10 17/ Cm3And if low, low
The width L of the acceptor concentration region and the extensions Xn and Xp of the depletion layer
Is the result of seeking the relationship. Also, FIG. 46 shows
The dependence of the maximum electric field strength Emax of
It is shown in correspondence with 35.

【0176】この結果から、ソース、ドレイン拡散層の
濃度を下げれば、例えば、L=0.025μm、Xp=
0.03μmで、最大電界強度Emax=3.0×10
5V/cmという値が得られる。この最適化条件での、
図39のセル構造における寸法と空乏層の伸びの様子を
図47に示す。
From this result, if the concentration of the source and drain diffusion layers is lowered, for example, L = 0.025 μm, Xp =
Maximum electric field strength Emax = 3.0 × 10 at 0.03 μm
A value of 5 V / cm is obtained. Under this optimized condition,
FIG. 47 shows the dimensions and extension of the depletion layer in the cell structure of FIG.

【0177】ソース、ドレインのn型拡散層濃度を低く
すると、これらに対するコンタクト抵抗が問題になる。
これに対しては、通常のDRAMのビット線コンタクト
について行われているように、コンタクト孔に再拡散を
行うことが好ましい。或いは、ソース、ドレイン拡散層
の表面に金属シリサイド膜を形成するサリサイド構造を
採用することも有効である。
If the n-type diffusion layer concentration of the source and drain is lowered, the contact resistance to them becomes a problem.
On the other hand, it is preferable to perform re-diffusion in the contact hole, as is done for a normal DRAM bit line contact. Alternatively, it is also effective to adopt a salicide structure in which a metal silicide film is formed on the surface of the source / drain diffusion layer.

【0178】しかし、ソース、ドレインのn型拡散層濃
度がND=1×1017/cm3と低い場合、図47に示
したように、Xn=0.1μmという大きい幅の空乏層
がソース、ドレイン拡散層内にも延びる。この様なソー
ス、トレインの大きな空乏化を抑制するためには、いわ
ゆるLDD構造を採用することが望ましい。
However, when the n-type diffusion layer concentration of the source and drain is as low as ND = 1 × 10 17 / cm 3 , as shown in FIG. 47, the depletion layer having a large width of Xn = 0.1 μm is used as the source, It also extends into the drain diffusion layer. In order to suppress such large depletion of the source and train, it is desirable to adopt a so-called LDD structure.

【0179】図39のセル構造に対して、LDD構造を
採用したセル構造の実施の形態を、図48に示す。ドレ
イン拡散層14が、チャネル領域に接する低ドナー濃度
のn型拡散層14aと、高ドナー濃度のn+型拡散層1
4bとから構成される。ソース拡散層15についても同
様に、チャネル領域に接する低ドナー濃度のn型拡散層
15aと、高ドナー濃度のn+型拡散層15とから構成
される。ソース、ドレイン拡散層及びゲート電極には、
サリサイド工程により金属シリサイド膜18が形成され
ている。但し、このLDD構造は、ドレイン、ソースの
うち例えば、ビット線に接続されるドレイン側のみとす
ることもできる。
FIG. 48 shows an embodiment of a cell structure adopting an LDD structure with respect to the cell structure of FIG. The drain diffusion layer 14 is in contact with the channel region and has a low donor concentration n-type diffusion layer 14a and a high donor concentration n + -type diffusion layer 1
4b and. Similarly, the source diffusion layer 15 is composed of a low donor concentration n-type diffusion layer 15a in contact with the channel region and a high donor concentration n + -type diffusion layer 15. The source and drain diffusion layers and the gate electrode are
The metal silicide film 18 is formed by the salicide process. However, this LDD structure can be provided only on the drain side, which is connected to the bit line, of the drain and the source.

【0180】次に、この様なLDD構造を採用したセル
構造の場合の空乏層の伸び及び電界強度分布について具
体的に検討する。図49(a)(b)は、このセル構造
の例えばドレイン側接合に着目した模式的pn接合構造
と電界分布を、図42(a)(b)と対応させて示して
いる。n型拡散層は低ドナー濃度ndの領域と高ドナー
濃度NDの領域からなり、p型拡散層は、低アクセプタ
濃度naの領域と高アクセプタ濃度NAの領域とからな
る。低ドナー濃度ndの領域の幅はLnとし、低アクセ
プタ濃度naの領域の幅はLpとしてある。高ドナー濃
度NDの領域と高アクセプタ濃度NAの領域はそれぞ
れ、ビット線コンタクト及びソース線コンタクトの抵抗
やトランジスタ特性上必要とされる制約で決まる濃度を
持つものとする。
Next, the extension of the depletion layer and the electric field strength distribution in the case of a cell structure adopting such an LDD structure will be specifically examined. FIGS. 49 (a) and (b) show a schematic pn junction structure and electric field distribution focusing on, for example, the drain side junction of this cell structure, in association with FIGS. 42 (a) and (b). The n-type diffusion layer includes a low donor concentration nd region and a high donor concentration ND region, and the p-type diffusion layer includes a low acceptor concentration na region and a high acceptor concentration NA region. The width of the region of low donor concentration nd is Ln, and the width of the region of low acceptor concentration na is Lp. The region of high donor concentration ND and the region of high acceptor concentration NA each have a concentration determined by the resistance of the bit line contact and the source line contact and the constraint required in terms of transistor characteristics.

【0181】空乏層の伸びが、Xp>Lp,Xn>Ln
となる様な逆バイアス条件を仮定する。このとき、ポア
ソンの方程式は、数32に対して、次の数37のように
表される。高アクセプタ濃度NAの領域の電位φA,電
界EAに対して、低アクセプタ濃度naの領域の電位,
電界をそれぞれφa,Eaとし、高ドナー濃度NDの領
域の電位φD,電界EDに対して、低ドナー濃度ndの
領域の電位,電界をそれぞれφd,Edとして示す。
The extension of the depletion layer is Xp> Lp, Xn> Ln
A reverse bias condition such that At this time, Poisson's equation is expressed as in the following Expression 37 with respect to Expression 32. With respect to the electric potential ΦA of the region of high acceptor concentration NA and the electric field EA, the electric potential of the region of low acceptor concentration na,
The electric fields are represented by φa and Ea, respectively, and the electric potential and electric field in the region of low donor concentration nd are represented by φd and Ed with respect to the electric potential φD and electric field ED of the region of high donor concentration ND, respectively.

【0182】[0182]

【数37】 d2φD/dX2=−(q/2ε)ND (−Xn<X<−Ln) d2φd/dX2=−(q/2ε)nd (−Ln<X<0) d2φa/dX2=(q/2ε)na (0<X<Lp) d2φA/dX2=(q/2ε)NA (Lp<X<Xp) ED=−dφD/dX (−Xn<X<−Ln) Ed=−dφd/dX (−Ln<X<0) Ea=−dφa/dX (0<X<Lp) EA=−dφA/dX (Lp<X<Xp)D 2 φD / dX 2 = − (q / 2ε) ND (−Xn <X <−Ln) d 2 φd / dX 2 = − (q / 2ε) nd (−Ln <X <0) d 2 φa / dX 2 = (q / 2ε) na (0 <X <Lp) d 2 φA / dX 2 = (q / 2ε) NA (Lp <X <Xp) ED = −dφD / dX (−Xn <X <-Ln) Ed = -dφd / dX (-Ln <X <0) Ea = -dφa / dX (0 <X <Lp) EA = -dφA / dX (Lp <X <Xp)

【0183】境界条件は、次の数38で表される。The boundary condition is expressed by the following equation 38.

【0184】[0184]

【数38】ED(−Xn)=0 φD(−Xn)=φbi+V ED(−Ln)=Ed(−Ln) φD(−Ln)=φd(−Ln) Ed(0)=Ea(0) φd(0)=φa(0) Ea(Lp)=EA(Lp) φa(Lp)=φA(Lp) EA(Xp)=0 φA(Xp)=0ED (-Xn) = 0 φD (-Xn) = φbi + V ED (-Ln) = Ed (-Ln) φD (-Ln) = φd (-Ln) Ed (0) = Ea (0) φd (0) = φa (0) Ea (Lp) = EA (Lp) φa (Lp) = φA (Lp) EA (Xp) = 0 φA (Xp) = 0

【0185】数37を解くと、下記数39が得られる。By solving the equation 37, the following equation 39 is obtained.

【0186】[0186]

【数39】 ED=(q/ε)ND・X+A (−Xn<X<−Ln) φD=−(q/2ε)ND・X2−A・X+B (−Xn<X<−Ln) Ed=(q/ε)nd・X+C (−Ln<X<0) φd=−(q/2ε)nd・X2−C・X+D (−Ln<X<0) Ea=−(q/ε)na・X+E (0<X<Lp) φa=(q/2ε)na・X2−E・X+F (0<X<Lp) EA=−(q/ε)NA・X+G (Lp<X<Xp) φA=(q/2ε)NA・X2−G・X+H (Lp<X<Xp)ED = (q / ε) ND · X + A (−Xn <X <−Ln) φD = − (q / 2ε) ND · X 2 −A · X + B (−Xn <X <−Ln) Ed = (Q / ε) nd · X + C (−Ln <X <0) φd = − (q / 2ε) nd · X 2 −C · X + D (−Ln <X <0) Ea = − (q / ε) na · X + E (0 <X <Lp) φa = (q / 2ε) na · X 2 −E · X + F (0 <X <Lp) EA = − (q / ε) NA · X + G (Lp <X <Xp) φA = (Q / 2ε) NA · X 2 −G · X + H (Lp <X <Xp)

【0187】数39において、A〜Hは、数38の境界
条件で決まる定数である。数39の解を数38の境界条
件の式に代入すると、次の数40が得られる。
In Expression 39, A to H are constants determined by the boundary condition of Expression 38. Substituting the solution of Expression 39 into the boundary condition expression of Expression 38, the following Expression 40 is obtained.

【0188】[0188]

【数40】−(q/ε)ND・Xn+A=0 −(q/2ε)ND・Xn2+A・Xn+B=φbi+
V −(q/ε)nd・Ln+C=−(q/ε)ND・Ln
+A −(q/2ε)nd・Ln2+C・Ln+D=−(q/
ε)ND・Ln2+A・Ln+B C=E D=F −(q/ε)na・Lp+E=−(q/ε)NA・Lp
+G (q/2ε)na・Lp2−E・Lp+F=(q/2
ε)NA・Lp2−G・Lp+H −(q/ε)NA・Xp+G=0 (q/2ε)NA・Xp2−G・Xp+H=0
-(Q / ε) ND · Xn + A = 0 − (q / 2ε) ND · Xn 2 + A · Xn + B = φbi +
V − (q / ε) nd · Ln + C = − (q / ε) ND · Ln
+ A − (q / 2ε) nd · Ln 2 + C · Ln + D = − (q /
ε) ND · Ln 2 + A · Ln + B C = ED D = F − (q / ε) na · Lp + E = − (q / ε) NA · Lp
+ G (q / 2ε) na · Lp 2 −E · Lp + F = (q / 2
ε) NA · Lp 2 −G · Lp + H − (q / ε) NA · Xp + G = 0 (q / 2ε) NA · Xp 2 −G · Xp + H = 0

【0189】数40の10個の方程式を解くと、10個
の変数Xn,Xp,A〜Hが求められる。空乏層の幅L
n,Lpは、次の数41で表される。
By solving 10 equations of the equation 40, 10 variables Xn, Xp, A to H are obtained. Depletion layer width L
n and Lp are represented by the following equation 41.

【0190】[0190]

【数41】Xn=[(ND-nd)Ln-(NA-na)Lp]/(NA+ND)+[1/
(NA+ND)](NA/ND)1/2・[(NA-na)(ND+na)Lp2+(ND-nd)(N
A+nd)Ln2 +2(NA-na)(ND-nd)LpLn+(NA+ND)(2ε/q)(φbi
+V)]1/2 Xp=[(NA-na)Lp-(ND-nd)Ln]/(NA+ND)+[1/(NA+ND)](N
D/NA)1/2・[(ND-nd)(NA+nd)Ln2+(NA-na)(ND+na)Lp2
+2(ND-nd)(NA-na)LpLn+(NA+ND)(2ε/q)(φbi+V)]1/2
[Expression 41] Xn = [(ND-nd) Ln- (NA-na) Lp] / (NA + ND) + [1 /
(NA + ND)] (NA / ND) 1/2・ [(NA-na) (ND + na) Lp 2 + (ND-nd) (N
A + nd) Ln 2 +2 (NA-na) (ND-nd) LpLn + (NA + ND) (2ε / q) (φbi
+ V)] 1/2 Xp = [(NA-na) Lp- (ND-nd) Ln] / (NA + ND) + [1 / (NA + ND)] (N
D / NA) 1/2・ [(ND-nd) (NA + nd) Ln 2 + (NA-na) (ND + na) Lp 2
+2 (ND-nd) (NA-na) LpLn + (NA + ND) (2ε / q) (φbi + V)] 1/2

【0191】電界強度分布は、図49(b)のようにな
り、最大電界Emaxは、X=0の点でのそれであり、
数39の第3式から、下記数42で与えられる。
The electric field strength distribution is as shown in FIG. 49 (b), and the maximum electric field Emax is that at the point of X = 0,
From the third equation of the equation 39, the following equation 42 is given.

【0192】[0192]

【数42】Emax=C=(q/ε){NA・Xp−
(NA−na)/Lp}
[Equation 42] Emax = C = (q / ε) {NA · Xp−
(NA-na) / Lp}

【0193】以上において計算したXp,Xn及びEm
axを具体的な数値を入れて求めた結果を次に説明す
る。図50は、p型拡散層の高アクセプタ濃度をNA=
5×1018/cm3、低アクセプタ濃度をna=1×1
17/cm3、n型拡散層の高ドナー濃度をND=1×
1019/cm3、低ドナー濃度をnd=2×1017/c
3とし、印加電圧をV=2.0V、周囲温度を85℃
として、低ドナー濃度領域の幅をLn=0.03μmに
固定した場合の、低アクセプタ濃度領域の幅Lpと、空
乏層の伸びXn,Xpの関係を求めた結果である。図5
1は、同様の条件で最大電界強度Emaxを求めた結果
である。
Xp, Xn and Em calculated above
The result of obtaining ax by entering a specific numerical value will be described below. FIG. 50 shows that the high acceptor concentration of the p-type diffusion layer is NA =
5 × 10 18 / cm 3 , low acceptor concentration na = 1 × 1
0 17 / cm 3 , the high donor concentration of the n-type diffusion layer is ND = 1 ×
10 19 / cm 3 , low donor concentration nd = 2 × 10 17 / c
and m 3, the applied voltage V = 2.0V, 85 ℃ ambient temperature
As a result, the relationship between the width Lp of the low acceptor concentration region and the extensions Xn and Xp of the depletion layer when the width of the low donor concentration region is fixed to Ln = 0.03 μm is shown. Figure 5
No. 1 is the result of obtaining the maximum electric field strength Emax under the same conditions.

【0194】これらの結果から、Lp=0.025μm
に設定すれば、Xp=0.03μmとなり、最大電界強
度はEmax=5.0×105V/cmとなる。図52
は、上述の最大電界強度のときの図48のセル構造にお
ける空乏層の拡がり方と各部の寸法をドレイン領域側に
ついて示している。
From these results, Lp = 0.025 μm
If set to, Xp = 0.03 μm, and the maximum electric field strength is Emax = 5.0 × 10 5 V / cm. Figure 52
Shows how the depletion layer spreads and the dimensions of each part in the cell structure of FIG. 48 at the above-mentioned maximum electric field strength on the drain region side.

【0195】上述の最大電界強度は、図42で解析した
ように、ソース、ドレイン拡散層に低濃度層がない場合
のそれに比べて、1/3以下になっている。従って、図
48に示したように、バルク領域を高濃度層と低濃度層
により形成すると同時に、ドレイン及びソースをLDD
構造とすることによって、最大電界強度を抑えてリーク
電流を小さくすること、また基板バイアス効果を十分に
発揮させることが可能になる。即ち、先の相反する条件
1,2を満足して、優れたDRAM特性を得ることがで
きる。
As described in FIG. 42, the above-mentioned maximum electric field strength is 1/3 or less of that in the case where the source and drain diffusion layers have no low concentration layer. Therefore, as shown in FIG. 48, the bulk region is formed by the high-concentration layer and the low-concentration layer, and at the same time, the drain and source are LDD
With the structure, it becomes possible to suppress the maximum electric field strength to reduce the leakage current and to sufficiently exert the substrate bias effect. That is, excellent DRAM characteristics can be obtained by satisfying the contradictory conditions 1 and 2 described above.

【0196】次に、図48に示したメモリセルMCの構
造を実現するための具体的な製造方法を、図53乃至図
56を参照して説明する。図48のメモリセルMCは実
際には、図3及び図4で説明したと同様のセルアレイと
して配置される。即ち、p型シリコン層12は、紙面に
直交する方向の側面が素子分離絶縁膜に接する状態でス
トライプ状の素子領域としてパターン形成されるが、そ
の素子分離工程の説明は省略する。
Next, a specific manufacturing method for realizing the structure of the memory cell MC shown in FIG. 48 will be described with reference to FIGS. 53 to 56. The memory cell MC of FIG. 48 is actually arranged as a cell array similar to that described with reference to FIGS. That is, the p-type silicon layer 12 is patterned as a stripe-shaped element region in which the side surface in the direction perpendicular to the paper surface is in contact with the element isolation insulating film, but the description of the element isolation step is omitted.

【0197】図53に示すように、p型シリコン層12
(低濃度p型層12aとなる)の表面にまず、素子領域
に開口を持つマスク31を形成し、更にこのマスク31
の開口側壁に側壁絶縁膜32を形成する。具体的に、マ
スク31は例えばシリコン酸化膜を堆積してRIEによ
りパターニングする。そして、シリコン窒化膜を堆積
し、エッチバックを行って側壁絶縁膜32として残す。
この状態で、ボロンイオン注入を行って、p型シリコン
層12に高濃度のp+型層12bを形成する。
As shown in FIG. 53, the p-type silicon layer 12 is formed.
First, a mask 31 having an opening in the element region is formed on the surface (which becomes the low-concentration p-type layer 12a), and the mask 31 is further formed.
A side wall insulating film 32 is formed on the side wall of the opening. Specifically, for the mask 31, for example, a silicon oxide film is deposited and patterned by RIE. Then, a silicon nitride film is deposited and etched back to leave it as the sidewall insulating film 32.
In this state, boron ion implantation is performed to form a high concentration p + -type layer 12b on the p-type silicon layer 12.

【0198】次に、図54に示すように、側壁絶縁膜3
2を選択的にエッチング除去した後、露出したp型シリ
コン層12の表面にゲート絶縁膜16を形成し、多結晶
シリコン膜を堆積して平坦化処理を行って、ゲート電極
13を埋め込む。
Next, as shown in FIG. 54, the sidewall insulating film 3
After 2 is selectively removed by etching, a gate insulating film 16 is formed on the exposed surface of the p-type silicon layer 12, a polycrystalline silicon film is deposited and a planarization process is performed to embed the gate electrode 13.

【0199】次いで、マスク31をエッチング除去し、
ゲート電極13をマスクとして砒素イオン注入を行っ
て、低濃度のドレイン、ソース拡散層14a,15aを
形成する。そして、図46に示すように、ゲート電極1
3の側壁に側壁絶縁膜33を形成し、再度砒素イオン注
入を行って、高濃度のドレイン、ソース拡散層14b,
15bを形成する。この後、サリサイド工程によって、
図48に示すように、ドレイン、ソース拡散層14,1
5及びゲート電極13上に金属シリサイド膜18を形成
する。
Then, the mask 31 is removed by etching,
Arsenic ion implantation is performed using the gate electrode 13 as a mask to form low-concentration drain and source diffusion layers 14a and 15a. Then, as shown in FIG. 46, the gate electrode 1
3, a side wall insulating film 33 is formed on the side wall, and arsenic ion implantation is performed again to form high concentration drain and source diffusion layers 14b,
15b is formed. After this, by the salicide process,
As shown in FIG. 48, the drain and source diffusion layers 14, 1
A metal silicide film 18 is formed on the gate electrode 13 and the gate electrode 13.

【0200】以上のように、ゲート電極の形成にダマシ
ーン法を適用することにより、トランジスタのバルク領
域のうち、チャネル長方向の中央部にセルフアラインさ
れた状態でp+型層12bを形成することができる。
As described above, by applying the damascene method to the formation of the gate electrode, the p + -type layer 12b is formed in a self-aligned state in the central portion in the channel length direction of the bulk region of the transistor. You can

【0201】セルトランジスタのバルク領域中央部を高
濃度層とする構造は、セルトランジスタをプレーナ構造
とする場合に限られない。図57A及び図57Bは、柱
状の半導体層を用いて、この発明に係る1トランジスタ
/1セル構造を実現した実施の形態について、一つのメ
モリセルMC部の平面図とそのA−A’断面図を示して
いる。
The structure in which the central portion of the bulk region of the cell transistor is the high concentration layer is not limited to the case where the cell transistor has the planar structure. 57A and 57B are a plan view of one memory cell MC portion and an AA ′ cross-sectional view of an embodiment in which a one-transistor / one-cell structure according to the present invention is realized by using a columnar semiconductor layer. Is shown.

【0202】シリコン基板40に、柱状シリコン層49
が形成されて、この柱状シリコン層49の側周面を利用
して、いわゆるSGT(Surrounding Ga
teTransistor)が作られる。柱状シリコン
層49は、底部にn+型ソース拡散層43が形成され、
高さ方向に、p型層45により挟まれた状態でp+型層
46を有する。柱状シリコン層49の表面にはn+型ド
レイン拡散層44が形成される。
A columnar silicon layer 49 is formed on the silicon substrate 40.
Is formed, and so-called SGT (Surrounding Ga) is formed by utilizing the side peripheral surface of the columnar silicon layer 49.
teTransistor) is created. The columnar silicon layer 49 has an n + -type source diffusion layer 43 formed at the bottom,
The p + type layer 46 is sandwiched between the p type layers 45 in the height direction. An n + type drain diffusion layer 44 is formed on the surface of the columnar silicon layer 49.

【0203】柱状シリコン層41の側周面にゲート絶縁
膜41が形成され、これを取り囲んでゲート電極42が
形成される。ゲート電極42は、一方向に連続的に形成
されてワード線WLとなる。この様に形成されたSGT
は層間絶縁膜47で覆われ、この上にビット線(BL)
48が形成される。ビット線48は、n+型拡散層44
に接続される。
A gate insulating film 41 is formed on the side peripheral surface of the columnar silicon layer 41, and a gate electrode 42 is formed so as to surround the gate insulating film 41. The gate electrode 42 is continuously formed in one direction to form the word line WL. SGT formed in this way
Is covered with an interlayer insulating film 47, and a bit line (BL) is formed on this.
48 is formed. The bit line 48 is the n + type diffusion layer 44.
Connected to.

【0204】このSGT構造のメモリセルも、バルク領
域がフローティングであり、先の実施の形態で説明した
と同様の書き込み方式により、バルク領域に過剰の多数
キャリアを保持し、或いはこれを放出するという動作に
より、ダイナミックなデータ記憶ができる。そして、バ
ルク領域の中央部に配置した高濃度p+型層46と低濃
度p型層45との不純物濃度や寸法の最適化を行うこと
によって、二値データのしきい値電圧差を大きくする十
分な基板バイアス効果が得られ、またリーク電流を低減
して優れたデータ保持特性を得ることが可能になる。
In the memory cell of this SGT structure, the bulk region is floating, and it is said that the majority majority carrier is held in the bulk region or released in the bulk region by the same writing method as described in the previous embodiment. The operation allows dynamic data storage. Then, by optimizing the impurity concentration and dimensions of the high concentration p + type layer 46 and the low concentration p type layer 45 arranged in the central portion of the bulk region, the threshold voltage difference between the binary data is increased. It is possible to obtain a sufficient substrate bias effect, reduce the leak current, and obtain excellent data retention characteristics.

【0205】図58A及び図58Bは、更に他の実施の
形態による1トランジスタ/1セルのDRAMセル構造
を示している。図58Aは、ビット線(BL)58を仮
想線で示して、それ以下の構造を分かりやすくした斜視
図であり、図58Bはビット線方向に沿った断面図を示
している。
58A and 58B show a 1-transistor / 1-cell DRAM cell structure according to still another embodiment. FIG. 58A is a perspective view in which the bit line (BL) 58 is shown by an imaginary line to facilitate understanding of the structure below it, and FIG. 58B is a sectional view taken along the bit line direction.

【0206】この実施の形態の場合、シリコン基板50
上にシリコン酸化膜51で分離されたp型シリコン層5
2(これが低濃度層52aとなる)が、上面及び両側面
を露出した状態で島状に形成される。そしてこのシリコ
ン層52の上面及び両側面に、ゲート絶縁膜54を介し
てゲート電極54を形成して、セルトランジスタが構成
される。ゲート電極54は一方向に連続的にパターニン
グされてワード線WLとなる。
In the case of this embodiment, the silicon substrate 50
P-type silicon layer 5 separated by a silicon oxide film 51 on top
2 (this becomes the low concentration layer 52a) is formed in an island shape with the upper surface and both side surfaces exposed. Then, a gate electrode 54 is formed on the upper surface and both side surfaces of the silicon layer 52 with a gate insulating film 54 interposed therebetween, thereby forming a cell transistor. The gate electrode 54 is continuously patterned in one direction to form the word line WL.

【0207】シリコン層52のトランジスタ領域には、
チャネル長方向中央部に高濃度のp +型層52bが形成
される。ドレイン、ソース拡散層55,56は、低濃度
n型拡散層55a,56aと高濃度n+型拡散層55
b,56bとから構成されたLDD構造としている。ト
ランジスタ領域は層間絶縁膜57で覆われ、この上にド
レイン拡散層にコンタクトするビット線58が形成され
る。
In the transistor region of the silicon layer 52,
High concentration p in the central part in the channel length direction +Mold layer 52b is formed
To be done. The drain and source diffusion layers 55 and 56 have a low concentration
n-type diffusion layers 55a and 56a and high concentration n+Type diffusion layer 55
The LDD structure is composed of b and 56b. To
The transistor region is covered with the inter-layer insulating film 57, and the transistor region is covered therewith.
A bit line 58 contacting the rain diffusion layer is formed.
It

【0208】この実施の形態のメモリセルも、バルク領
域がフローティングであり、先の実施の形態で説明した
と同様の書き込み方式により、バルク領域に過剰の多数
キャリアを保持し、或いはこれを放出するという動作に
より、ダイナミックなデータ記憶ができる。そして、バ
ルク領域の中央部に配置した高濃度p+型層52bと低
濃度p型層52aとの不純物濃度や寸法の最適化を行う
ことによって、二値データのしきい値電圧差を大きくす
る十分な基板バイアス効果が得られ、またリーク電流を
低減して優れたデータ保持特性を得ることが可能にな
る。
Also in the memory cell of this embodiment, the bulk region is in a floating state, and an excess majority carrier is held in the bulk region or released in the bulk region by the same writing method as described in the previous embodiments. This operation enables dynamic data storage. Then, by optimizing the impurity concentration and dimensions of the high concentration p + type layer 52b and the low concentration p type layer 52a arranged in the central portion of the bulk region, the threshold voltage difference of the binary data is increased. It is possible to obtain a sufficient substrate bias effect, reduce the leak current, and obtain excellent data retention characteristics.

【0209】先に図3及び図4を用いて、4F2の単位
セル面積を持つセルアレイ構成を簡単に説明したが、よ
り具体的なセルアレイ構造と製造方法の実施の形態を次
に説明する。図59Aはセルアレイのレイアウトであ
り、図59BはそのI−I’断面図、図59Cは同じく
II−II’断面図である。シリコン基板101にシリコン
酸化膜等の絶縁膜102が形成され、この上にp型シリ
コン層103が形成されたSOI基板を用いている。シ
リコン層103は、STI法による素子分離絶縁膜10
9が埋め込まれて、ビット線BLの方向に細長いストラ
イプ状の素子形成領域が、ワード線WLの方向に所定ピ
ッチで区画されている。
The cell array structure having a unit cell area of 4F 2 was briefly described above with reference to FIGS. 3 and 4, and a more specific embodiment of the cell array structure and manufacturing method will be described below. 59A is a layout of the cell array, FIG. 59B is a sectional view taken along the line II ′, and FIG. 59C is the same.
It is a II-II 'sectional view. An SOI substrate is used in which an insulating film 102 such as a silicon oxide film is formed on a silicon substrate 101, and a p-type silicon layer 103 is formed thereon. The silicon layer 103 is an element isolation insulating film 10 formed by the STI method.
9 are embedded, and stripe-shaped element formation regions elongated in the direction of the bit line BL are partitioned at a predetermined pitch in the direction of the word line WL.

【0210】この様に素子分離されたシリコン層103
にトランジスタがマトリクス配列されている。即ちシリ
コン層103にゲート絶縁膜104を介してゲート電極
105がワード線WLとして連続するようにパターン形
成されている。ゲート電極105の上面及び側面は、後
に形成される層間絶縁膜110,115とのエッチング
選択比が大きくとれる保護膜としてシリコン窒化膜10
6で覆われている。ゲート電極105に自己整合的にソ
ース及びドレイン拡散層107,108が形成されてい
る。ソース,ドレイン拡散層107,108はシリコン
層103の底部の絶縁膜102に達する深さに形成され
ている。
The silicon layer 103 thus element-isolated
The transistors are arranged in a matrix. That is, the gate electrode 105 is patterned on the silicon layer 103 via the gate insulating film 104 so as to be continuous as the word line WL. The upper surface and the side surface of the gate electrode 105 serve as a protective film capable of achieving a large etching selection ratio with respect to the interlayer insulating films 110 and 115 which will be formed later.
Covered with 6. Source and drain diffusion layers 107 and 108 are formed on the gate electrode 105 in a self-aligned manner. The source / drain diffusion layers 107 and 108 are formed to a depth reaching the insulating film 102 at the bottom of the silicon layer 103.

【0211】トランジスタが形成された面はシリコン酸
化膜等の層間絶縁膜110により覆われて、平坦化され
ている。この層間絶縁膜110に、ソース拡散層107
に対するコンタクト孔111が、ワード線WLの方向に
連続するストライプ状に開けられ、ここに多結晶シリコ
ン膜或いはWSi等によるソース配線層112が埋め込
まれている。
The surface on which the transistor is formed is covered with an interlayer insulating film 110 such as a silicon oxide film to be planarized. The source diffusion layer 107 is formed on the interlayer insulating film 110.
A contact hole 111 for is formed in a stripe shape continuous in the direction of the word line WL, and a source wiring layer 112 made of a polycrystalline silicon film or WSi is embedded therein.

【0212】ソース配線層112が埋め込まれた層間絶
縁膜110上には更にシリコン酸化膜等の層間絶縁膜1
15が形成され、平坦化されている。この層間絶縁膜1
15に、ドレイン拡散層108に対するコンタクト孔1
16が開けられ、ここに多結晶シリコン膜等のコンタク
トプラグ117が埋め込まれる。そして層間絶縁膜11
5上には、コンタクトプラグ117を共通接続するよう
に、ワード線WLと交差するビット線(BL)118が
形成されている。
An interlayer insulating film 1 such as a silicon oxide film is further formed on the interlayer insulating film 110 in which the source wiring layer 112 is embedded.
15 is formed and planarized. This interlayer insulating film 1
15, the contact hole 1 for the drain diffusion layer 108
16 is opened, and a contact plug 117 such as a polycrystalline silicon film is embedded therein. And the interlayer insulating film 11
A bit line (BL) 118 that intersects the word line WL is formed on the wiring 5 so that the contact plugs 117 are commonly connected.

【0213】次に具体的な製造工程を説明する。図60
A,図60B及び図60Cは、SOI基板のp型シリコ
ン層103に素子分離絶縁膜109を形成した段階の平
面図とそのI−I’及びII−II’断面図を示している。
これは例えば、シリコン層103をRIEによりエッチ
ングして素子分離溝を形成し、この素子分離溝に素子分
離絶縁膜109を埋め込むことにより得られる。これに
より、シリコン層103には、ビット線の方向に連続す
る複数本のストライプ状の素子形成領域が区画されたこ
とになる。
Next, a specific manufacturing process will be described. Fig. 60
A, FIG. 60B and FIG. 60C show a plan view and a cross-sectional view taken along the line II ′ and II-II ′ of the stage where the element isolation insulating film 109 is formed on the p-type silicon layer 103 of the SOI substrate.
This can be obtained, for example, by etching the silicon layer 103 by RIE to form an element isolation groove and burying the element isolation insulating film 109 in the element isolation groove. As a result, a plurality of stripe-shaped element formation regions continuous in the bit line direction are defined in the silicon layer 103.

【0214】図61A,図61B及び図61Cは、シリ
コン層103にトランジスタを配列形成した段階の平面
図とそのI−I’及びII−II’断面図である。即ちゲー
ト絶縁膜104を介してゲート電極105をワード線W
Lとして連続するようにパターン形成する。ゲート電極
106の上面及び側面はシリコン窒化膜106で覆われ
た状態とする。このゲート電極保護構造は、具体的に
は、多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜の積層膜をパタ
ーニングし、更にその側壁にシリコン窒化膜を形成する
ことにより、得られる。そしてゲート電極105をマス
クとしてイオン注入を行って、ソース,ドレイン拡散層
107,108を形成する。
61A, 61B, and 61C are a plan view and a cross-sectional view taken along the line II 'and II-II' of the stage in which transistors are arranged in the silicon layer 103. That is, the gate electrode 105 is connected to the word line W through the gate insulating film 104.
The pattern is formed so as to be continuous as L. The upper surface and the side surface of the gate electrode 106 are covered with the silicon nitride film 106. Specifically, this gate electrode protection structure is obtained by patterning a laminated film of a polycrystalline silicon film and a silicon nitride film, and further forming a silicon nitride film on the side wall thereof. Then, ion implantation is performed using the gate electrode 105 as a mask to form source and drain diffusion layers 107 and 108.

【0215】図62A及び図62Bは、素子形成された
基板を層間絶縁膜110で覆い、この層間絶縁膜110
にソース配線層112を埋め込み形成した段階の平面図
とそのI−I’断面図である。即ちシリコン酸化膜等の
層間絶縁膜110を平坦に形成した後、RIEによりソ
ース拡散層107上にワード線WLと平行にストライプ
状に連続するコンタクト孔111を開口する。そして、
多結晶シリコン膜を堆積し、エッチバックして、コンタ
クト孔111にソース配線層112を埋め込み形成す
る。
62A and 62B, the substrate on which elements are formed is covered with an interlayer insulating film 110, and the interlayer insulating film 110 is covered.
FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. That is, after the interlayer insulating film 110 such as a silicon oxide film is formed flat, contact holes 111 continuous in a stripe shape are formed on the source diffusion layer 107 by RIE in parallel with the word lines WL. And
A polycrystalline silicon film is deposited and etched back to fill the contact hole 111 with the source wiring layer 112.

【0216】図63A及び図63Bは、ソース配線層1
12が形成された層間絶縁膜110上に更に層間絶縁膜
115を形成し、この層間絶縁膜115にドレイン拡散
層108に対するコンタクトプラグ117を埋め込んだ
段階の平面図とそのI−I’断面図である。即ちシリコ
ン酸化膜等の層間絶縁膜115を平坦に形成した後、R
IEによりドレイン拡散層108上にコンタクト孔11
6を開口する。そして、多結晶シリコン膜を堆積し、エ
ッチバックして、コンタクト孔116にコンタクトプラ
グ117を埋め込み形成する。この後、図59Bに示す
ように、層間絶縁膜115上に、コンタクトプラグ11
7を共通接続するようにビット線118を形成する。
63A and 63B show the source wiring layer 1
An interlayer insulating film 115 is further formed on the interlayer insulating film 110 on which 12 and the contact plug 117 for the drain diffusion layer 108 is embedded in the interlayer insulating film 115. is there. That is, after the interlayer insulating film 115 such as a silicon oxide film is formed flat, R
The contact hole 11 is formed on the drain diffusion layer 108 by IE.
Open 6 Then, a polycrystalline silicon film is deposited and etched back to form a contact plug 117 in the contact hole 116. Thereafter, as shown in FIG. 59B, the contact plug 11 is formed on the interlayer insulating film 115.
A bit line 118 is formed so as to connect 7 in common.

【0217】以上のようにして、ワード線WL及びビッ
ト線BLを最小加工寸法Fのピッチで形成して、図59
Aに一点鎖線で示したように、4F2のセル面積を持つ
DRAMセルアレイが得られる。図60Aに示したよう
な素子分離構造とした場合、ソース拡散層107は、ワ
ード線WLの方向に飛び飛びに形成されるが、この実施
の形態の場合、このソース拡散層107を共通接続する
ようにソース配線層112を形成することにより、低抵
抗の共通ソース線が得られる。
As described above, the word lines WL and the bit lines BL are formed at the pitch of the minimum processing size F, and the structure shown in FIG.
As indicated by the chain line in A, a DRAM cell array having a cell area of 4F 2 can be obtained. In the case of the element isolation structure as shown in FIG. 60A, the source diffusion layers 107 are formed discretely in the direction of the word lines WL, but in the case of this embodiment, the source diffusion layers 107 are commonly connected. By forming the source wiring layer 112 in, a low resistance common source line is obtained.

【0218】ソース配線層112のコンタクト孔111
及びビット線コンタクトプラグ117のためのコンタク
ト孔116は、いずれも、シリコン窒化膜106で保護
されたゲート電極105に自己整合されて形成される。
従って、コンタクト孔加工のRIEの工程でマスク開口
をFより大きい状態とすることにより、マスクの合わせ
ずれの影響を受けることなく、コンタクト孔を形成する
ことが可能である。
Contact hole 111 of source wiring layer 112
The contact hole 116 for the bit line contact plug 117 and the contact hole 116 for the bit line contact plug 117 are both self-aligned with the gate electrode 105 protected by the silicon nitride film 106.
Therefore, by setting the mask opening larger than F in the RIE process for processing the contact hole, the contact hole can be formed without being affected by the misalignment of the mask.

【0219】上記実施の形態の場合、図63Aに示した
ように、ビット線のコンタクト孔116は、ドレイン拡
散層108上にのみ形成している。これに対して、図6
4に示したように、ビット線のコンタクト孔116b
を、ソースのコンタクト孔111と同様に、ワード線W
L方向に連続するストライプ状に形成することもでき
る。この場合、ビット線のコンタクトプラグ117もス
トライプ状に埋め込まれるが、これは最終的にビット線
BLの下のみに残るようにする必要がある。これは例え
ば、ビット線BLをパターン形成した後、ビット線BL
をマスクとしてコンタクトプラグ117をエッチングす
ればよい。
In the case of the above embodiment, as shown in FIG. 63A, the bit line contact hole 116 is formed only on the drain diffusion layer 108. On the other hand, FIG.
4, the bit line contact hole 116b
In the same manner as the source contact hole 111, the word line W
It is also possible to form stripes continuous in the L direction. In this case, the bit line contact plug 117 is also embedded in a stripe shape, but it is necessary to finally leave it only under the bit line BL. For example, after patterning the bit line BL, the bit line BL is
The contact plug 117 may be etched using this as a mask.

【0220】上記実施の形態において、ソース配線層1
12の上面及び側面をゲート電極105と同様に保護膜
で覆うようにすれば、ビット線コンタクトの合わせ余裕
は更に大きいものとなる。その様な実施の形態を次に説
明する。図61Bの素子形成工程までは先の実施の形態
と同様であり、それ以降の工程を、図61Bの断面対応
の断面のみを用いて説明する。まず図65に示すように
素子形成された基板にシリコン酸化膜等の層間絶縁膜2
01を堆積し、エッチバックして平坦化する。ここで
は、ゲート電極105を覆うシリコン窒化膜106をス
トッパとしてエッチングして、層間絶縁膜201をゲー
ト間隙に埋め込んでいる。
In the above embodiment, the source wiring layer 1
If the upper surface and the side surface of 12 are covered with the protective film similarly to the gate electrode 105, the alignment margin of the bit line contact is further increased. Such an embodiment will be described below. The steps up to the element forming step in FIG. 61B are the same as those in the previous embodiment, and the subsequent steps will be described using only the cross section corresponding to the cross section in FIG. 61B. First, as shown in FIG. 65, an interlayer insulating film 2 such as a silicon oxide film is formed on a substrate on which elements are formed.
01 is deposited and etched back to be flattened. Here, the interlayer insulating film 201 is buried in the gate gap by etching using the silicon nitride film 106 that covers the gate electrode 105 as a stopper.

【0221】この後、図66に示すように、層間絶縁膜
201に、ソース及びドレイン拡散層107,108に
対するコンタクト孔を開口し、多結晶シリコンの堆積と
エッチバックにより、それぞれにコンタクトプラグ20
2,203を埋め込む。コンタクト孔開口のRIEに際
しては、ビット線BLの方向に連続するストライプ状の
開口をもつマスクを用いれば、ゲート電極105の間隙
に自己整合されたコンタクト孔が形成される。但し、ソ
ース拡散層107上のコンタクトプラグ202は、先の
実施の形態と同様に、ワード線WLと平行に連続するも
のであってもよい。
Thereafter, as shown in FIG. 66, contact holes for the source and drain diffusion layers 107, 108 are opened in the interlayer insulating film 201, and the contact plugs 20 are formed by depositing polysilicon and etching back.
Embed 2,203. In the RIE of the contact hole opening, a contact hole self-aligned with the gap of the gate electrode 105 is formed by using a mask having a stripe-shaped opening continuous in the direction of the bit line BL. However, the contact plug 202 on the source diffusion layer 107 may be continuous in parallel with the word line WL as in the previous embodiment.

【0222】この後、図67に示すように、ソース拡散
層107上のコンタクトプラグ202をワード線WL方
向に共通接続するソース配線層204をパターン形成す
る。ソース配線層204の上面及び側面は保護膜である
シリコン窒化膜205で覆われるようにする。この保護
構造は具体的には、多結晶シリコン膜と窒化シリコン膜
の積層膜をパターン形成してソース配線層204を形成
し、更にその側面にシリコン窒化膜を形成すれば得られ
る。
After that, as shown in FIG. 67, a source wiring layer 204 which connects the contact plugs 202 on the source diffusion layers 107 in common in the word line WL direction is formed by patterning. The upper surface and the side surface of the source wiring layer 204 are covered with a silicon nitride film 205 which is a protective film. Specifically, this protective structure can be obtained by patterning a laminated film of a polycrystalline silicon film and a silicon nitride film to form the source wiring layer 204, and further forming a silicon nitride film on the side surface thereof.

【0223】次に、図68に示すように再度シリコン酸
化膜等の層間絶縁膜206を堆積し、平坦化する。そし
て、デュアルダマシーン(Dual Damascen
e)法により層間絶縁膜206にビット線の配線埋め込
み溝とコンタクト孔を形成し、図69に示すようにビッ
ト線207を埋め込む。
Next, as shown in FIG. 68, an interlayer insulating film 206 such as a silicon oxide film is deposited again and planarized. And the dual damascene
A wiring embedding groove and a contact hole for the bit line are formed in the interlayer insulating film 206 by the method e), and the bit line 207 is embedded as shown in FIG.

【0224】この実施の形態によれば、ソース配線層2
04の周囲をシリコン窒化膜205により保護している
ため、ビット線コンタクトのビット線方向の幅を十分に
大きくすることができる。これにより、位置合わせずれ
の影響を受けることなく、低抵抗のビット線コンタクト
をとることができる。
According to this embodiment, the source wiring layer 2
Since the periphery of 04 is protected by the silicon nitride film 205, the width of the bit line contact in the bit line direction can be made sufficiently large. As a result, a low resistance bit line contact can be formed without being affected by misalignment.

【0225】上記した二つの実施の形態では、図60A
に示したように、ストライプ状に連続する素子形成領域
を区画した。各素子形成領域は従って、ワード線方向に
は連続していない。これに対して図70に示すように、
ストライプ状の素子形成領域が、ソース拡散層が形成さ
れる位置でワード線方向に連続するように素子形成領域
を区画することもできる。この場合には、ソース拡散層
自体がワード線方向に連続して形成されて、それ自身共
通ソース線となるが、この場合にも上記実施の形態のよ
うにソース配線層112を形成することは、共通ソース
線の低抵抗化にとって有効である。
In the two embodiments described above, FIG.
As shown in, the stripe-shaped continuous element forming region was divided. Therefore, each element formation region is not continuous in the word line direction. On the other hand, as shown in FIG.
It is also possible to divide the element formation region so that the stripe-shaped element formation region is continuous in the word line direction at the position where the source diffusion layer is formed. In this case, the source diffusion layer itself is continuously formed in the word line direction and becomes the common source line itself. In this case as well, the source wiring layer 112 is not formed as in the above embodiment. , Effective for lowering the resistance of the common source line.

【0226】この発明は上記実施の形態に限られない。
実施の形態ではp型シリコン層に形成したNMOSトラ
ンジスタを用いたが、n型シリコン層を用いたPチャネ
ルMOSトランジスタをメモリセルとしても同様の原理
でダイナミック記憶が可能である。この場合、多数キャ
リアして電子のバルク領域でのと蓄積と放出を利用する
ことになる。また、実施の形態ではSOI基板を用いた
が、pn接合分離によりフローティングとした半導体層
を用いたMOSトランジスタにより、同様の原理のメモ
リセルを構成することも可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment.
In the embodiment, the NMOS transistor formed in the p-type silicon layer is used, but a P-channel MOS transistor using the n-type silicon layer can be used as a memory cell to perform dynamic storage on the same principle. In this case, majority carriers are used to utilize accumulation and emission of electrons in the bulk region. Further, although the SOI substrate is used in the embodiment, it is also possible to form a memory cell of the same principle by using a MOS transistor using a semiconductor layer which is made floating by pn junction separation.

【0227】[0227]

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、単
純なトランジスタ構造をメモリセルとして、少ない信号
線でデータのダイナミック記憶を可能とした半導体メモ
リ装置を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device in which a simple transistor structure is used as a memory cell and data can be dynamically stored with a small number of signal lines.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明によるDRAMのメモリセル構造を示
す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a memory cell structure of a DRAM according to the present invention.

【図2】同DRAMのメモリセルの等価回路である。FIG. 2 is an equivalent circuit of a memory cell of the DRAM.

【図3】同DRAMのメモリセルアレイのレイアウトで
ある。
FIG. 3 is a layout of a memory cell array of the DRAM.

【図4】図3のA−A’及びB−B’断面図である。4 is a cross-sectional view taken along the lines A-A 'and B-B' of FIG.

【図5】同DRAMセルのワード線電位とバルク電位の
関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a word line potential and a bulk potential of the DRAM cell.

【図6】同DRAMセルの読み出し方式を説明するため
の図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a reading method of the same DRAM cell.

【図7】同DRAMセルの他の読み出し方式を説明する
ための図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining another reading method of the DRAM cell.

【図8】同DRAMの“1”データ読み出し/リフレッ
シュの動作波形を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing operation waveforms of “1” data read / refresh of the same DRAM.

【図9】同DRAMの“0”データ読み出し/リフレッ
シュの動作波形を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing operation waveforms of “0” data read / refresh of the same DRAM.

【図10】同DRAMの“1”データ読み出し/“0”
データ書き込みの動作波形を示す図である。
[FIG. 10] “1” data read / “0” of the same DRAM
It is a figure which shows the operation waveform of data writing.

【図11】同DRAMの“0”データ読み出し/“1”
データ書き込みの動作波形を示す図である。
FIG. 11: “0” data read / “1” of the same DRAM
It is a figure which shows the operation waveform of data writing.

【図12】同DRAMの他の読み出し方式による“1”
データ読み出し/リフレッシュの動作波形を示す図であ
る。
FIG. 12 is a "1" according to another read method of the same DRAM.
It is a figure which shows the operation waveform of data read / refresh.

【図13】同DRAMの他の読み出し方式による“0”
データ読み出し/リフレッシュの動作波形を示す図であ
る。
FIG. 13 shows “0” according to another read method of the same DRAM.
It is a figure which shows the operation waveform of data read / refresh.

【図14】同DRAMの他の読み出し方式による“1”
データ読み出し/“0”データ書き込みの動作波形を示
す図である。
FIG. 14 is a "1" according to another read method of the same DRAM.
It is a figure which shows the operation waveform of data read / "0" data write.

【図15】同DRAMの他の読み出し方式による“0”
データ読み出し/“1”データ書き込みの動作波形を示
す図である。
FIG. 15 is “0” according to another read method of the same DRAM.
FIG. 6 is a diagram showing operation waveforms of data read / “1” data write.

【図16】同DRAMセルのゲート容量Cgb−電圧V
gbの特性を示す図である。
FIG. 16: Gate capacitance Cgb-voltage V of the same DRAM cell
It is a figure which shows the characteristic of gb.

【図17】同DRAMセルの定電流読み出し方式による
等価回路図である。
FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of the DRAM cell according to a constant current reading method.

【図18】同DRAMセルの読み出し動作によるビット
線電位変化を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing a change in bit line potential due to a read operation of the DRAM cell.

【図19】同DRAMセルの“0”書き込み速度を説明
するための等価回路である。
FIG. 19 is an equivalent circuit for explaining the “0” write speed of the DRAM cell.

【図20】図19のp型層の電位変化を示す図である。20 is a diagram showing a potential change in the p-type layer of FIG.

【図21】同DRAMセルの“0”データセルのゲート
容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲー
トの場合)を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing a gate capacitance Cgb-voltage Vgb curve (in the case of a p-type polycrystalline silicon gate) of a “0” data cell of the same DRAM cell.

【図22】同じく“0”データセルのワード線電位Vw
lとバルク電位VBの関係を示す図である。
FIG. 22 is a word line potential Vw of a “0” data cell.
It is a figure which shows the relationship between 1 and the bulk electric potential VB.

【図23】同DRAMセルの“1”データセルのワード
線電位Vwlとバルク電位VBの関係を示す図である。
FIG. 23 is a diagram showing a relationship between a word line potential Vwl and a bulk potential VB of a “1” data cell of the DRAM cell.

【図24】“1”データセルのゲート容量Cgb−電圧
Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す
図である。
FIG. 24 is a diagram showing a gate capacitance Cgb-voltage Vgb curve (in the case of a p-type polycrystalline silicon gate) of a “1” data cell.

【図25】“1”データセルのゲート容量Cgb−電圧
Vgb曲線(n型多結晶シリコンゲートの場合)を示す
図である。
FIG. 25 is a diagram showing a gate capacitance Cgb-voltage Vgb curve (in the case of an n-type polycrystalline silicon gate) of a “1” data cell.

【図26】“1”データセルのワード線電位Vwlとバ
ルク電位VBの関係(n型多結晶シリコンゲートの場
合)を示す図である。
FIG. 26 is a diagram showing a relationship between a word line potential Vwl and a bulk potential VB of a “1” data cell (in the case of an n-type polycrystalline silicon gate).

【図27】“0”データセルのゲート容量Cgb−電圧
Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す
図である。
FIG. 27 is a diagram showing a gate capacitance Cgb-voltage Vgb curve (in the case of a p-type polycrystalline silicon gate) of a “0” data cell.

【図28】同“0”データセルのワード線電位Vwlと
バルク電位VBの関係(n型多結晶シリコンゲートの場
合)を示す図である。
FIG. 28 is a diagram showing a relationship between a word line potential Vwl and a bulk potential VB (in the case of an n-type polycrystalline silicon gate) of the same “0” data cell.

【図29】薄いシリコン層を用いた場合の“1”データ
セルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶
シリコンゲートの場合)を示す図である。
FIG. 29 is a diagram showing a gate capacitance Cgb-voltage Vgb curve (in the case of a p-type polycrystalline silicon gate) of a “1” data cell when a thin silicon layer is used.

【図30】同“1”データセルのワード線電位Vwlと
バルク電位VBの関係を示す図である。
FIG. 30 is a diagram showing a relationship between a word line potential Vwl and a bulk potential VB of the same “1” data cell.

【図31】薄いシリコン層を用いた場合の“0”データ
セルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶
シリコンゲートの場合)を示す図である。
FIG. 31 is a diagram showing a gate capacitance Cgb-voltage Vgb curve (in the case of a p-type polycrystalline silicon gate) of a “0” data cell when a thin silicon layer is used.

【図32】同“0”データセルのワード線電位Vwlと
バルク電位VBの関係を示す図である。
FIG. 32 is a diagram showing a relationship between a word line potential Vwl and a bulk potential VB of the same “0” data cell.

【図33】シリコン層の不純物濃度と“0”,“1”デ
ータのしきい値の差との関係を示す図である。
FIG. 33 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration of a silicon layer and the difference between the threshold values of “0” and “1” data.

【図34】同じくシリコン層の不純物濃度と“1”デー
タセルのセル電流の関係を示す図である。
FIG. 34 is a diagram similarly showing a relation between the impurity concentration of the silicon layer and the cell current of the “1” data cell.

【図35】同じくシリコン層の不純物濃度と読み出し時
のビット線電位変化の時間の関係を示す図である。
FIG. 35 is a diagram showing the relationship between the impurity concentration of the silicon layer and the time for which the bit line potential changes during reading.

【図36】“1”データセルのデータ保持時のバルク電
位としきい値の関係(p型多結晶シリコンゲートの場
合)を示す図である。
FIG. 36 is a diagram showing a relationship between a bulk potential and a threshold value (in the case of p-type polycrystalline silicon gate) at the time of holding data of a “1” data cell.

【図37】“1”データセルのデータ保持時のバルク電
位としきい値の関係(n型多結晶シリコンゲートの場
合)を示す図である。
FIG. 37 is a diagram showing a relationship between a bulk potential and a threshold value (in the case of an n-type polycrystalline silicon gate) at the time of holding data of a “1” data cell.

【図38】この発明によるセンスアンプレイアウトの例
を示す図である。
FIG. 38 is a diagram showing an example of a sense amplifier layout according to the present invention.

【図39】他の実施の形態によるDRAMセル構造を図
1に対応させて示す断面図である。
FIG. 39 is a cross-sectional view showing a DRAM cell structure according to another embodiment, corresponding to FIG. 1;

【図40】MOSトランジスタのバルク電位としきい値
電圧の関係を示す図である。
FIG. 40 is a diagram showing the relationship between the bulk potential and the threshold voltage of a MOS transistor.

【図41】図39のセル構造の有効性を検討するための
予備検討のための基本的なpn接合構造とその電界分布
を示す図である。
41 is a diagram showing a basic pn junction structure and its electric field distribution for a preliminary study for studying the effectiveness of the cell structure of FIG. 39. FIG.

【図42】図39のセル構造の有効性を検討するための
ドレイン側のpn接合構造とその電界分布を示す図であ
る。
42 is a diagram showing a drain side pn junction structure and its electric field distribution for examining the effectiveness of the cell structure of FIG. 39. FIG.

【図43】図42における低濃度p型層の幅と空乏層の
伸びの関係を示す図である。
43 is a diagram showing the relationship between the width of the low-concentration p-type layer and the extension of the depletion layer in FIG. 42.

【図44】同じく低濃度p型層の幅と最大電界強度の関
係を示す図である。
FIG. 44 is a diagram showing the relationship between the width of the low-concentration p-type layer and the maximum electric field strength.

【図45】n型拡散層の濃度をより低くした場合につい
て、図43に対応する低濃度p型層の幅と空乏層の伸び
の関係を示す図である。
FIG. 45 is a diagram showing the relationship between the width of the low-concentration p-type layer and the extension of the depletion layer, which corresponds to FIG. 43, when the concentration of the n-type diffusion layer is lowered.

【図46】同じく低濃度p型層の幅と最大電界強度の関
係を示す図である。
FIG. 46 is a diagram showing a relationship between the width of the low-concentration p-type layer and the maximum electric field strength.

【図47】図39のセル構造の最適化条件での空乏層の
伸びの様子を示す図である。
47 is a diagram showing how the depletion layer expands under the optimized conditions of the cell structure of FIG. 39.

【図48】図39のセル構造を改良した実施の形態のセ
ル構造を示す断面図である。
48 is a sectional view showing a cell structure of an embodiment in which the cell structure of FIG. 39 is improved.

【図49】図48のセル構造の有効性を検討するための
ドレイン側のpn接合構造とその電界分布を示す図であ
る。
49 is a diagram showing a drain side pn junction structure and its electric field distribution for examining the effectiveness of the cell structure of FIG. 48. FIG.

【図50】図49における低濃度p型層の幅と空乏層の
伸びの関係を示す図である。
50 is a diagram showing the relationship between the width of the low-concentration p-type layer and the extension of the depletion layer in FIG. 49.

【図51】同じく低濃度p型層の幅と最大電界強度の関
係を示す図である。
FIG. 51 is a diagram showing a relationship between the width of the low-concentration p-type layer and the maximum electric field strength.

【図52】図48のセル構造の最適化条件での空乏層の
伸びの様子を示す図である。
52 is a diagram showing how the depletion layer expands under the optimized conditions of the cell structure of FIG. 48.

【図53】図48のセルの製造工程を説明するための図
である。
FIG. 53 is a diagram illustrating a manufacturing process of the cell in FIG. 48.

【図54】図48のセルの製造工程を説明するための図
である。
FIG. 54 is a diagram for explaining manufacturing steps of the cell in FIG. 48.

【図55】図48のセルの製造工程を説明するための図
である。
FIG. 55 is a diagram illustrating a manufacturing process of the cell in FIG. 48.

【図56】図48のセルの製造工程を説明するための図
である。
FIG. 56 is a diagram illustrating a manufacturing process of the cell in FIG. 48.

【図57A】他の実施の形態によるセル構造を示す平面
図である。
FIG. 57A is a plan view showing a cell structure according to another embodiment.

【図57B】図57AのA−A’断面図である。57B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of FIG. 57A.

【図58A】他の実施の形態によるセル構造を示す斜視
図である。
FIG. 58A is a perspective view showing a cell structure according to another embodiment.

【図58B】図58Aのビット線方向に沿った断面図で
ある。
58B is a cross-sectional view taken along the bit line direction of FIG. 58A.

【図59A】好ましい実施の形態のDRAMセルアレイ
のレイアウトである。
FIG. 59A is a layout of a DRAM cell array of the preferred embodiment.

【図59B】図59AのI−I’断面図である。59B is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. 59A.

【図59C】図59AのII−II’断面図である。59C is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 59A.

【図60A】同実施の形態の素子分離工程を示す平面図
である。
FIG. 60A is a plan view showing the element isolation step of the same embodiment.

【図60B】図60AのI−I’断面図である。FIG. 60B is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. 60A.

【図60C】図60AのII−II’断面図である。FIG. 60C is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 60A.

【図61A】同実施の形態のトランジスタ形成工程を示
す平面図である。
FIG. 61A is a plan view showing a transistor forming step in the same embodiment;

【図61B】図61AのI−I’断面図である。61B is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. 61A.

【図61C】図61AのII−II’断面図である。61C is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 61A.

【図62A】同実施の形態のソース配線層形成工程を示
す平面図である。
FIG. 62A is a plan view showing a step of forming the source wiring layer in the same embodiment.

【図62B】図62AのI−I’断面図である。62B is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. 62A.

【図63A】同実施の形態のビット線コンタクトプラグ
埋め込み工程を示す平面図である。
FIG. 63A is a plan view showing a step of filling the bit line contact plugs of the embodiment.

【図63B】図63AのI−I’断面図である。63B is a cross-sectional view taken along the line I-I ′ of FIG. 63A.

【図64】他のビット線コンタクトプラグ埋め込み工程
を示す平面図である。
FIG. 64 is a plan view showing another step of burying bit line contact plugs.

【図65】他の実施の形態による素子形成後の層間絶縁
膜形成工程を示す断面図である。
FIG. 65 is a cross-sectional view showing the step of forming an interlayer insulating film after element formation according to another embodiment.

【図66】同実施の形態のコンタクトプラグ埋め込み工
程を示す断面図である。
FIG. 66 is a cross-sectional view showing the step of filling the contact plugs of the embodiment.

【図67】同実施の形態のソース配線層形成工程を示す
断面図である。
67 is a cross-sectional view showing the step of forming the source wiring layer in the same embodiment. FIG.

【図68】同実施の形態の層間絶縁膜形成工程を示す断
面図である。
FIG. 68 is a cross-sectional view showing the interlayer insulating film forming step of the same embodiment.

【図69】同実施の形態のビット線形成工程を示す断面
図である。
FIG. 69 is a cross-sectional view showing the bit line forming step of the same embodiment.

【図70】他の実施の形態による素子分離構造を図60
Aに対応させて示す平面図である。
FIG. 70 shows an element isolation structure according to another embodiment.
It is a top view shown corresponding to A.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…シリコン基板、11…シリコン酸化膜、12…シ
リコン層(フローティング)、12…ゲート酸化膜、1
3…ゲート電極(ワード線)、14…n型ドレイン拡散
層(ビット線)、15…n型ソース拡散層(固定電
位)。
10 ... Silicon substrate, 11 ... Silicon oxide film, 12 ... Silicon layer (floating), 12 ... Gate oxide film, 1
3 ... Gate electrode (word line), 14 ... N-type drain diffusion layer (bit line), 15 ... N-type source diffusion layer (fixed potential).

Claims (59)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 メモリセルを構成するトランジスタを有
し、 前記トランジスタは、他のメモリセルから電気的に分離
されてフローティング状態になる第1導電型の半導体層
と、この半導体層に形成されてビット線に接続される第
2導電型のドレイン拡散層と、前記半導体層に前記ドレ
イン拡散層から離隔して形成されてソース線に接続され
る第2導電型のソース拡散層と、前記ドレイン及びソー
ス拡散層の間の前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して
形成されてワード線に接続されるゲート電極とを備えて
構成され、且つ、 前記トランジスタは、前記半導体層に過剰の多数キャリ
アが保持された第1のしきい値電圧を有する第1データ
状態と、前記半導体層の過剰の多数キャリアが放出され
た第2のしきい値電圧を有する第2データ状態とを有す
ることを特徴とする半導体メモリ装置。
1. A semiconductor layer that forms a memory cell, wherein the transistor is formed on the semiconductor layer of a first conductivity type that is electrically isolated from other memory cells and is in a floating state. A second conductivity type drain diffusion layer connected to a bit line; a second conductivity type source diffusion layer formed in the semiconductor layer and separated from the drain diffusion layer and connected to a source line; And a gate electrode that is formed on the semiconductor layer between the source diffusion layers via a gate insulating film and connected to a word line, and the transistor has an excess majority carrier in the semiconductor layer. A first data state having a retained first threshold voltage and a second data state having a second threshold voltage from which excess majority carriers of the semiconductor layer have been released. The semiconductor memory device which is characterized in that.
【請求項2】 前記第1データ状態は、前記トランジス
タを動作させることによりドレイン接合近傍でインパク
トイオン化を起こして、このインパクトイオン化により
生成された過剰の多数キャリアを前記半導体層に保持し
た状態であり、 前記第2データ状態は、前記半導体層と前記ドレイン拡
散層との間に順方向バイアスを与えて、前記半導体層の
過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜いた状態
であることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装
置。
2. The first data state is a state in which impact ionization occurs near the drain junction by operating the transistor, and excess majority carriers generated by the impact ionization are held in the semiconductor layer. The second data state is a state in which a forward bias is applied between the semiconductor layer and the drain diffusion layer to extract excess majority carriers of the semiconductor layer into the drain diffusion layer. The semiconductor memory device according to claim 1.
【請求項3】 前記半導体層は、シリコン基板に絶縁膜
を介して形成されたシリコン層であることを特徴とする
請求項1記載の半導体メモリ装置。
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a silicon layer formed on a silicon substrate via an insulating film.
【請求項4】 前記シリコン層がp型であり、前記トラ
ンジスタがNチャネルMOSトランジスタであることを
特徴とする請求項3記載の半導体メモリ装置。
4. The semiconductor memory device according to claim 3, wherein the silicon layer is p-type, and the transistor is an N-channel MOS transistor.
【請求項5】 前記ソース線の電位は固定であることを
特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
5. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the potential of the source line is fixed.
【請求項6】 データ書き込み時には、 前記ソース線を基準電位として、 選択されたトランジスタのワード線に前記基準電位より
高い第1の電位を与え、 非選択のトランジスタのワード線に前記基準電位より低
い第2の電位を与え、 ビット線には、前記第1データ状態を書き込む場合に
は、前記基準電位より高い第3の電位を与え、前記第2
データ状態を書き込む場合には、前記基準電位より低い
第4の電位を与えることを特徴とする請求項5記載の半
導体メモリ装置。
6. When writing data, the source line is used as a reference potential, a first potential higher than the reference potential is applied to a word line of a selected transistor, and a word line of an unselected transistor is lower than the reference potential. A second potential is applied to the bit line. When writing the first data state, a third potential higher than the reference potential is applied to the bit line and the second potential is applied to the bit line.
6. The semiconductor memory device according to claim 5, wherein when writing the data state, a fourth potential lower than the reference potential is applied.
【請求項7】 データ読み出し時には、 前記ソース線を基準電位として、 選択されたトランジスタのワード線に前記第1のしきい
値電圧と第2のしきい値電圧の間にあり且つ前記基準電
位より高い電位を与えて、選択されたトランジスタの導
通又は非導通を検出することを特徴とする請求項1記載
の半導体メモリ装置。
7. When data is read, the source line is used as a reference potential, and the word line of the selected transistor is between the first threshold voltage and the second threshold voltage and is higher than the reference potential. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a high potential is applied to detect conduction or non-conduction of a selected transistor.
【請求項8】 前記半導体層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
7記載の半導体メモリ装置。
8. The semiconductor layer comprises: a first impurity-doped region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer; a first impurity-doped region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer; 8. The semiconductor memory device according to claim 7, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, which is arranged in contact with the region.
【請求項9】 データ読み出し時には、 前記ソース線を基準電位として、 選択されたトランジスタのワード線に前記第1及び第2
のしきい値電圧より高く且つ、前記基準電位より高い電
位を与えて、選択されたトランジスタの導通度を検出す
ることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
9. When reading data, the source line is used as a reference potential and the first and second word lines of the selected transistor are connected to the word line of the selected transistor.
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the conductivity of the selected transistor is detected by applying a potential higher than the threshold voltage of the above and higher than the reference potential.
【請求項10】 前記半導体層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
9記載の半導体メモリ装置。
10. The semiconductor layer comprises: a first impurity-added region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer; a first impurity-added region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer; 10. The semiconductor memory device according to claim 9, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second memory-doped region being in contact with the region.
【請求項11】 前記半導体層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
1記載の半導体メモリ装置。
11. The semiconductor layer comprises: a first impurity-added region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer; a first impurity-added region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer; 2. The semiconductor memory device according to claim 1, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second impurity-doped region being disposed in contact with the region.
【請求項12】 前記ドレイン拡散層とソース拡散層の
うち少なくともドレイン拡散層が、 前記第1の不純物添加領域に接してpn接合を構成する
第3の不純物添加領域と、 前記第1の不純物添加領域から離れて形成されて、前記
第3の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第4
の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項1
1記載の半導体メモリ装置。
12. A third impurity-doped region in which at least a drain diffused layer of the drain diffused layer and the source diffused layer is in contact with the first impurity-doped region to form a pn junction, and the first impurity-doped region. A fourth region formed away from the region and having a higher impurity concentration than the third impurity doped region.
2. The impurity-doped region according to claim 1,
1. The semiconductor memory device according to 1.
【請求項13】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線に一定電流を流して、ビット線に現れる
電位差を検知することを特徴とする請求項1記載の半導
体メモリ装置。
13. When reading data, it is possible to detect a potential difference appearing on the bit line by raising a selected word line higher than the second threshold voltage and then applying a constant current to the bit line. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the semiconductor memory device is a semiconductor memory device.
【請求項14】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流
を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請
求項1記載の半導体メモリ装置。
14. When reading data, after raising the selected word line higher than the second threshold voltage, a current necessary for clamping the bit line to a constant voltage is passed to reduce the current level. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a difference is detected.
【請求項15】 前記半導体層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
13記載の半導体メモリ装置。
15. The semiconductor layer comprises: a first impurity-doped region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer; a first impurity-doped region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer; 14. The semiconductor memory device according to claim 13, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second memory-doped region being in contact with the region.
【請求項16】 前記半導体層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
14記載の半導体メモリ装置。
16. The semiconductor layer comprises: a first impurity-doped region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer; a first impurity-doped region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer; 15. The semiconductor memory device according to claim 14, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second memory-doped region being in contact with the region.
【請求項17】 複数のビット線に一つのセンスアンプ
が設けられ、その複数のビット線のうち選択された一つ
のビット線が前記センスアンプに接続されることを特徴
とする請求項1記載の半導体メモリ装置。
17. The sense amplifier according to claim 1, wherein one sense amplifier is provided for the plurality of bit lines, and one selected bit line of the plurality of bit lines is connected to the sense amplifier. Semiconductor memory device.
【請求項18】 シリコン基板に絶縁膜を介してシリコ
ン層が形成されたSOI基板と、 前記シリコン層に形成され、ドレイン拡散層を共有する
二つずつがチャネル幅方向に素子分離されてマトリクス
配列されたトランジスタと、 一方向に並ぶトランジスタのゲート電極に共通接続され
たワード線と、 このワード線と交差する方向に配設されて前記トランジ
スタのドレイン拡散層に接続される複数のビット線と、 前記トランジスタのソース拡散層が前記ワード線方向に
連続的に配設されて固定電位が与えられる共通ソース線
とを備え、 前記トランジスタは、前記シリコン層に過剰の多数キャ
リアが保持された第1のしきい値電圧を有する第1デー
タ状態と、前記バルク領域の過剰の多数キャリアが放出
された第2のしきい値電圧を有する第2データ状態とを
有することを特徴とする半導体メモリ装置。
18. An SOI substrate in which a silicon layer is formed on a silicon substrate with an insulating film interposed therebetween, and two of the two, which are formed in the silicon layer and share a drain diffusion layer, are element-separated in the channel width direction to form a matrix arrangement. Transistor, a word line commonly connected to the gate electrodes of the transistors arranged in one direction, and a plurality of bit lines arranged in a direction intersecting the word line and connected to the drain diffusion layer of the transistor, A source diffusion layer of the transistor is continuously arranged in the word line direction and is provided with a common source line to which a fixed potential is applied; and the transistor has a first first layer in which excess majority carriers are held in the silicon layer. A first data state having a threshold voltage and a second threshold voltage having excess majority carriers emitted from the bulk region. The semiconductor memory device characterized by having a data state.
【請求項19】 前記トランジスタは、最小加工寸法を
Fとして、2F×2Fのセルサイズでマトリクス配列さ
れていることを特徴とする請求項18記載の半導体メモ
リ装置。
19. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein the transistors are arranged in a matrix with a cell size of 2F × 2F, with a minimum processing dimension being F.
【請求項20】 前記ドレイン拡散層及びソース拡散層
は、前記シリコン層の下方にある前記絶縁膜に達する深
さに形成されていることを特徴とする請求項18記載の
半導体メモリ装置。
20. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein the drain diffusion layer and the source diffusion layer are formed to a depth reaching the insulating film below the silicon layer.
【請求項21】 前記第1データ状態は、前記トランジ
スタを動作させることによりドレイン接合近傍でインパ
クトイオン化を起こして、このインパクトイオン化によ
り生成された過剰の多数キャリアを前記半導体層に保持
した状態であり、 前記第2データ状態は、前記シリコン層と前記ドレイン
拡散層との間に順方向バイアスを与えて、前記半導体層
の過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜いた状
態であることを特徴とする請求項18記載の半導体メモ
リ装置。
21. The first data state is a state in which impact ionization occurs near the drain junction by operating the transistor, and excess majority carriers generated by this impact ionization are held in the semiconductor layer. The second data state is a state in which a forward bias is applied between the silicon layer and the drain diffusion layer to extract excess majority carriers of the semiconductor layer to the drain diffusion layer. The semiconductor memory device according to claim 18.
【請求項22】 前記シリコン層がp型であり、前記ト
ランジスタがnチャネルMOSトランジスタであること
を特徴とする請求項21記載の半導体メモリ装置。
22. The semiconductor memory device according to claim 21, wherein the silicon layer is p-type, and the transistor is an n-channel MOS transistor.
【請求項23】 前記共通ソース線の電位は固定されて
いることを特徴とする請求項18記載の半導体メモリ装
置。
23. The semiconductor memory device of claim 18, wherein the potential of the common source line is fixed.
【請求項24】 データ書き込み時には、 前記共通ソース線を基準電位として、 選択されたワード線に前記基準電位より高い第1の電位
を与え、 非選択のワード線に前記基準電位より低い第2の電位を
与え、 ビット線には、前記第1データ状態を書き込む場合に
は、前記基準電位より高い第3の電位を与え、前記第2
データ状態を書き込む場合には、前記基準電位より低い
第4の電位を与えることを特徴とする請求項23記載の
半導体メモリ装置。
24. When writing data, the common source line is used as a reference potential, a first potential higher than the reference potential is applied to a selected word line, and a second potential lower than the reference potential is applied to an unselected word line. A potential is applied to the bit line, and when writing the first data state, a third potential higher than the reference potential is applied to the bit line and the second potential is applied to the bit line.
24. The semiconductor memory device according to claim 23, wherein when writing the data state, a fourth potential lower than the reference potential is applied.
【請求項25】 データ読み出し時には、 前記共通ソース線を基準電位として、 選択されたトランジスタのワード線に前記第1のしきい
値電圧と第2のしきい値電圧の間にあり且つ前記基準電
位より高い電位を与えて、選択されたトランジスタの導
通又は非導通を検出することを特徴とする請求項18記
載の半導体メモリ装置。
25. When reading data, the common source line is used as a reference potential, and a word line of a selected transistor is located between the first threshold voltage and the second threshold voltage and has the reference potential. 19. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein a higher potential is applied to detect conduction or non-conduction of a selected transistor.
【請求項26】 データ読み出し時には、 前記共通ソース線を基準電位として、 選択されたトランジスタのワード線に前記第1及び第2
のしきい値電圧より高く且つ、前記基準電位より高い電
位を与えて、選択されたトランジスタの導通度を検出す
ることを特徴とする請求項18記載の半導体メモリ装
置。
26. When reading data, the common source line is used as a reference potential, and the word line of the selected transistor is connected to the first and second word lines.
19. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein the conductivity of the selected transistor is detected by applying a potential higher than the threshold voltage of the above and higher than the reference potential.
【請求項27】 前記シリコン層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
25記載の半導体メモリ装置。
27. The silicon layer comprises: a first impurity-doped region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer; a first impurity-doped region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer; 26. The semiconductor memory device according to claim 25, further comprising: a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second impurity-doped region being in contact with the region.
【請求項28】 前記シリコン層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
26記載の半導体メモリ装置。
28. The silicon layer comprises a first impurity doped region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer, a first impurity doped region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and the first impurity doped region. 27. The semiconductor memory device according to claim 26, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second memory-doped region being in contact with the region.
【請求項29】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線に一定電流を流して、ビット線に現れる
電位差を検知することを特徴とする請求項18記載の半
導体メモリ装置。
29. At the time of reading data, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a constant current is passed through the bit line to detect a potential difference appearing on the bit line. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein the semiconductor memory device is a semiconductor memory device.
【請求項30】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流
を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請
求項18記載の半導体メモリ装置。
30. When reading data, after raising a selected word line to a voltage higher than the second threshold voltage, a current necessary for clamping the bit line to a constant voltage is passed to reduce the current. 19. The semiconductor memory device according to claim 18, wherein a difference is detected.
【請求項31】 前記シリコン層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
29記載の半導体メモリ装置。
31. The silicon layer includes a first impurity-doped region that is in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and is separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and the first impurity addition region. 30. The semiconductor memory device according to claim 29, further comprising: a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second impurity-doped region being in contact with the region.
【請求項32】 前記シリコン層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
30記載の半導体メモリ装置。
32. The silicon layer includes a first impurity-doped region that is in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and is separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and the first impurity addition region. 31. The semiconductor memory device according to claim 30, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second memory-doped region being in contact with the region.
【請求項33】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線に一定電流を流して、ビット線に現れる
電位差を検知することを特徴とする請求項24記載の半
導体メモリ装置。
33. At the time of data reading, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a constant current is passed through the bit line to detect a potential difference appearing on the bit line. 25. The semiconductor memory device according to claim 24.
【請求項34】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流
を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請
求項24記載の半導体メモリ装置。
34. At the time of data reading, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a current necessary for clamping the bit line to a constant voltage is passed to reduce the current. 25. The semiconductor memory device according to claim 24, wherein a difference is detected.
【請求項35】 前記シリコン層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
33記載の半導体メモリ装置。
35. The silicon layer is separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer by a first impurity addition region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and the first impurity addition region. 34. The semiconductor memory device according to claim 33, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second impurity-doped region being in contact with the region.
【請求項36】 前記シリコン層は、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層に接する第1の
不純物添加領域と、 前記ドレイン拡散層と前記ソース拡散層とから離れて且
つ、前記第1の不純物添加領域に接して配置された、前
記第1の不純物添加領域より高い不純物濃度を有する第
2の不純物添加領域とを有することを特徴とする請求項
34記載の半導体メモリ装置。
36. The silicon layer comprises a first impurity doped region in contact with the drain diffusion layer and the source diffusion layer, a first impurity doped region separated from the drain diffusion layer and the source diffusion layer, and the first impurity doped region. 35. The semiconductor memory device according to claim 34, further comprising a second impurity-doped region having a higher impurity concentration than the first impurity-doped region, the second memory-doped region being in contact with the region.
【請求項37】 複数のビット線に一つのセンスアンプ
が設けられ、その複数のビット線のうち選択された一つ
のビット線が前記センスアンプに接続されることを特徴
とする請求項18記載の半導体メモリ装置。
37. A plurality of bit lines are provided with one sense amplifier, and one selected bit line of the plurality of bit lines is connected to the sense amplifier. Semiconductor memory device.
【請求項38】 シリコン基板に絶縁膜を介してシリコ
ン層が形成されたSOI基板と、 前記シリコン層にマトリクス状に配列形成され、上面及
び側面が保護膜で覆われた状態で一方向に連続するワー
ド線としてパターン形成されたゲート電極及び、このゲ
ート電極と自己整合的に形成されたソース及びドレイン
拡散層を有する複数のトランジスタと、 前記複数のトランジスタを覆う第1の層間絶縁膜と、 前記各トランジスタのソース拡散層上で前記第1の層間
絶縁膜に前記ワード線と並行して連続するストライプ状
に形成された第1のコンタクト孔に埋め込まれたソース
配線層と、 前記第1の層間絶縁膜上に形成された第2の層間絶縁膜
と、 前記各トランジスタのドレイン拡散層上で前記第2の層
間絶縁膜に開けられた第2のコンタクト孔に埋め込まれ
たビット線コンタクトプラグと、 前記第2の層間絶縁膜上に前記ワード線と交差して配設
されて、前記ビット線コンタクトプラグを介して前記ト
ランジスタのドレイン拡散層に接続されるビット線とを
備え、 前記トランジスタは、バルク領域に過剰の多数キャリア
が保持された第1のしきい値電圧を有する第1データ状
態と、前記バルク領域の過剰の多数キャリアがドレイン
拡散層に放出された第2のしきい値電圧を有する第2デ
ータ状態とをダイナミックに記憶することを特徴とする
半導体メモリ装置。
38. An SOI substrate in which a silicon layer is formed on a silicon substrate via an insulating film, and the SOI substrate is arranged in a matrix in the silicon layer and is continuous in one direction with the upper surface and side surfaces covered with a protective film. A plurality of transistors each having a gate electrode patterned as a word line and source and drain diffusion layers formed in self alignment with the gate electrode; a first interlayer insulating film covering the plurality of transistors; A source wiring layer embedded in a first contact hole formed in the first interlayer insulating film on the source diffusion layer of each transistor in a stripe shape continuous in parallel with the word line; and the first interlayer A second interlayer insulating film formed on the insulating film, and a second contact formed on the second interlayer insulating film on the drain diffusion layer of each transistor. A bit line contact plug embedded in the bit line, and a bit disposed on the second interlayer insulating film to intersect the word line and connected to the drain diffusion layer of the transistor through the bit line contact plug. A first data state having a first threshold voltage with excess majority carriers retained in the bulk region and excess majority carriers in the bulk region being released into the drain diffusion layer. A semiconductor memory device characterized by dynamically storing a second data state having a second threshold voltage.
【請求項39】 前記SOI基板のシリコン層は、素子
分離絶縁膜により、前記ビット線の方向に連続するスト
ライプ状の素子形成領域として前記ワード線の方向に所
定ピッチで区画されていることを特徴とする請求項38
記載の半導体メモリ装置。
39. The silicon layer of the SOI substrate is divided by an element isolation insulating film as stripe-shaped element formation regions continuous in the bit line direction at predetermined pitches in the word line direction. Claim 38
A semiconductor memory device as described.
【請求項40】 前記第1データ状態は、前記トランジ
スタを動作させることによりドレイン接合近傍でインパ
クトイオン化を起こして、このインパクトイオン化によ
り生成された過剰の多数キャリアを前記シリコン層に保
持した状態であり、 前記第2データ状態は、前記シリコン層と前記ドレイン
拡散層との間に順方向バイアスを与えて、前記シリコン
層の過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜いた
状態であることを特徴とする請求項38記載の半導体メ
モリ装置。
40. The first data state is a state in which impact ionization occurs near the drain junction by operating the transistor and excess majority carriers generated by the impact ionization are held in the silicon layer. The second data state is a state in which a forward bias is applied between the silicon layer and the drain diffusion layer to extract excess majority carriers of the silicon layer to the drain diffusion layer. The semiconductor memory device according to claim 38.
【請求項41】 前記シリコン層がp型であり、前記ト
ランジスタがnチャネルMOSトランジスタであること
を特徴とする請求項38記載の半導体メモリ装置。
41. The semiconductor memory device according to claim 38, wherein the silicon layer is p-type and the transistor is an n-channel MOS transistor.
【請求項42】 前記ソース配線層の電位は固定である
ことを特徴とする請求項38記載の半導体メモリ装置。
42. The semiconductor memory device of claim 38, wherein the potential of the source wiring layer is fixed.
【請求項43】 データ読み出し時には、 前記ソース配線層を基準電位として、 選択されたワード線に前記第1のしきい値電圧と第2の
しきい値電圧の間にあり且つ前記基準電位より高い電位
を与えて、選択されたトランジスタの導通又は非導通を
検出することを特徴とする請求項38記載の半導体メモ
リ装置。
43. When reading data, the source wiring layer is used as a reference potential, and the selected word line is between the first threshold voltage and the second threshold voltage and higher than the reference potential. 39. The semiconductor memory device according to claim 38, wherein a potential is applied to detect conduction or non-conduction of a selected transistor.
【請求項44】 データ読み出し時には、 前記ソース配線層を基準電位として、 選択されたワード線に前記第1及び第2のしきい値電圧
より高く且つ、前記基準電位より高い電位を与えて、選
択されたトランジスタの導通度を検出することを特徴と
する請求項38記載の半導体メモリ装置。
44. When data is read, a potential higher than the first and second threshold voltages and higher than the reference potential is applied to the selected word line with the source wiring layer as a reference potential, and the selected word line is selected. 39. The semiconductor memory device according to claim 38, wherein the conductivity of the formed transistor is detected.
【請求項45】 データ読み出し時には、 選択されたワード線を前記第2のしきい値電圧よりも高
く立ち上げた後に、ビット線に一定電流を流して、ビッ
ト線に現れる電位差を検知することを特徴とする請求項
38記載の半導体メモリ装置。
45. At the time of reading data, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a constant current is passed through the bit line to detect a potential difference appearing on the bit line. 39. The semiconductor memory device according to claim 38, wherein
【請求項46】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流
を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請
求項38記載の半導体メモリ装置。
46. At the time of reading data, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a current necessary for clamping the bit line to a constant voltage is passed to reduce the current. 39. The semiconductor memory device according to claim 38, wherein a difference is detected.
【請求項47】 複数のビット線に一つのセンスアンプ
が設けられ、その複数のビット線のうち選択された一つ
のビット線が前記センスアンプに接続されることを特徴
とする請求項38記載の半導体メモリ装置。
47. The one sense amplifier is provided for a plurality of bit lines, and one selected bit line of the plurality of bit lines is connected to the sense amplifier. Semiconductor memory device.
【請求項48】 シリコン基板に絶縁膜を介してシリコ
ン層が形成されたSOI基板と、 前記シリコン層にマトリクス状に配列形成され、上面及
び側面が第1の保護膜で覆われた状態で一方向に連続す
るワード線としてパターン形成されたゲート電極及び、
このゲート電極と自己整合的に形成されたソース及びド
レイン拡散層を有する複数のトランジスタと、 前記複数のトランジスタを覆う第1の層間絶縁膜と、 前記層間絶縁膜の前記各トランジスタのソース拡散層上
に形成されたコンタクト孔に埋め込まれたソースコンタ
クトプラグと、 前記層間絶縁膜の前記各トランジスタのドレイン拡散層
上に形成されたコンタクト孔にそれぞれ埋め込まれたド
レインコンタクトプラグと、 前記ワード線の方向に並ぶ前記ソースコンタクトプラグ
を共通接続すると共に上面及び側面が第2の保護膜によ
り覆われたソース配線層と、 このソース配線層を覆う第2の層間絶縁膜と、 前記第2の層間絶縁膜上に前記ワード線と交差して配設
されて、前記ドレインコンタクトプラグを介して前記ト
ランジスタのドレイン拡散層に接続されるビット線とを
備え、 前記トランジスタは、バルク領域に過剰の多数キャリア
が保持された第1のしきい値電圧を有する第1データ状
態と、前記バルク領域の過剰の多数キャリアがドレイン
拡散層に放出された第2のしきい値電圧を有する第2デ
ータ状態とをダイナミックに記憶することを特徴とする
半導体メモリ装置。
48. An SOI substrate in which a silicon layer is formed on a silicon substrate via an insulating film, and an SOI substrate arranged in a matrix in the silicon layer, the upper surface and the side surface of which are covered with a first protective film. A gate electrode patterned as a word line continuous in the direction, and
A plurality of transistors having source and drain diffusion layers formed in self-alignment with the gate electrode; a first interlayer insulating film covering the plurality of transistors; and a source diffusion layer of each transistor of the interlayer insulating film. Source contact plugs buried in the contact holes formed in the contact holes, drain contact plugs respectively buried in the contact holes formed on the drain diffusion layers of the transistors of the interlayer insulating film, and in the word line direction. A source wiring layer having the source contact plugs connected in common and having an upper surface and a side surface covered with a second protective film; a second interlayer insulating film covering the source wiring layer; and a second interlayer insulating film on the second interlayer insulating film. Of the transistor is connected to the word line through the drain contact plug. A first data state having a first threshold voltage with excess majority carriers retained in the bulk region, and an excess majority region in the bulk region. A semiconductor memory device characterized in that a carrier dynamically stores a second data state having a second threshold voltage released to the drain diffusion layer.
【請求項49】 前記SOI基板のシリコン層は、素子
分離絶縁膜により、前記ビット線の方向に連続するスト
ライプ状の素子形成領域として前記ワード線の方向に所
定ピッチで区画されていることを特徴とする請求項48
記載の半導体メモリ装置。
49. The silicon layer of the SOI substrate is divided by an element isolation insulating film as stripe-shaped element formation regions continuous in the bit line direction at predetermined pitches in the word line direction. Claim 48
A semiconductor memory device as described.
【請求項50】 前記第1データ状態は、前記トランジ
スタを動作させることによりドレイン接合近傍でインパ
クトイオン化を起こして、このインパクトイオン化によ
り生成された過剰の多数キャリアを前記シリコン層に保
持した状態であり、 前記第2データ状態は、前記シリコン層と前記ドレイン
拡散層との間に順方向バイアスを与えて、前記シリコン
層の過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜いた
状態であることを特徴とする請求項48記載の半導体メ
モリ装置。
50. The first data state is a state in which the transistor is operated to cause impact ionization in the vicinity of a drain junction, and excess majority carriers generated by the impact ionization are held in the silicon layer. The second data state is a state in which a forward bias is applied between the silicon layer and the drain diffusion layer to extract excess majority carriers of the silicon layer to the drain diffusion layer. The semiconductor memory device according to claim 48.
【請求項51】 前記シリコン層がp型であり、前記ト
ランジスタがnチャネルMOSトランジスタであること
を特徴とする請求項48記載の半導体メモリ装置。
51. The semiconductor memory device according to claim 48, wherein the silicon layer is p-type and the transistor is an n-channel MOS transistor.
【請求項52】 前記ソース配線層の電位は固定である
ことを特徴とする請求項48記載の半導体メモリ装置。
52. The semiconductor memory device of claim 48, wherein the potential of the source wiring layer is fixed.
【請求項53】 データ読み出し時には、 前記ソース配線層を基準電位として、 選択されたワード線に前記第1のしきい値電圧と第2の
しきい値電圧の間にあり且つ前記基準電位より高い電位
を与えて、選択されたトランジスタの導通又は非導通を
検出することを特徴とする請求項48記載の半導体メモ
リ装置。
53. When data is read, the source wiring layer is used as a reference potential, and the selected word line is located between the first threshold voltage and the second threshold voltage and higher than the reference potential. 49. The semiconductor memory device according to claim 48, wherein a potential is applied to detect conduction or non-conduction of a selected transistor.
【請求項54】 データ読み出し時には、 前記ソース配線層を基準電位として、 選択されたワード線に前記第1及び第2のしきい値電圧
より高く且つ、前記基準電位より高い電位を与えて、選
択されたトランジスタの導通度を検出することを特徴と
する請求項48記載の半導体メモリ装置。
54. When data is read, a potential higher than the first and second threshold voltages and higher than the reference potential is applied to the selected word line with the source wiring layer as a reference potential to select the word line. 49. The semiconductor memory device according to claim 48, wherein the conductivity of the formed transistor is detected.
【請求項55】 データ読み出し時には、 選択されたワード線を前記第2のしきい値電圧よりも高
く立ち上げた後に、ビット線に一定電流を流して、ビッ
ト線に現れる電位差を検知することを特徴とする請求項
48記載の半導体メモリ装置。
55. At the time of data reading, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a constant current is passed through the bit line to detect a potential difference appearing on the bit line. 49. The semiconductor memory device as claimed in claim 48.
【請求項56】 データ読み出し時には、選択されたワ
ード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた
後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流
を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請
求項48記載の半導体メモリ装置。
56. At the time of data reading, after raising a selected word line higher than the second threshold voltage, a current necessary for clamping the bit line to a constant voltage is supplied to reduce the current. 49. The semiconductor memory device according to claim 48, wherein a difference is detected.
【請求項57】 複数のビット線に一つのセンスアンプ
が設けられ、その複数のビット線のうち選択された一つ
のビット線が前記センスアンプに接続されることを特徴
とする請求項48記載の半導体メモリ装置。
57. The sense amplifier is provided for a plurality of bit lines, and one bit line selected from the plurality of bit lines is connected to the sense amplifier. Semiconductor memory device.
【請求項58】 半導体基板上に絶縁膜により分離され
て形成された第1導電型の半導体層上に、ゲート電極形
成領域に開口を有するマスクを形成する工程と、 前記マスクの開口側壁に側壁絶縁膜を形成する工程と、 前記マスクの開口を介して前記半導体層に不純物を添加
して、前記半導体層より高い不純物濃度を有する第1導
電型の不純物添加層を形成する工程と、 前記側壁絶縁膜を除去した後、前記マスクの開口にゲー
ト絶縁膜を介してゲート電極を埋め込む工程と、 前記マスクを除去した後、前記半導体層に不純物を添加
して、第2導電型のドレイン及びソース拡散層を形成す
る工程とを有することを特徴とする半導体メモリ装置の
製造方法。
58. A step of forming a mask having an opening in a gate electrode formation region on a first conductive type semiconductor layer formed on a semiconductor substrate and separated by an insulating film; and a sidewall on an opening sidewall of the mask. Forming an insulating film; adding an impurity to the semiconductor layer through an opening of the mask to form a first conductivity type impurity added layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer; A step of embedding a gate electrode in the opening of the mask through a gate insulating film after removing the insulating film; and an impurity added to the semiconductor layer after removing the mask to form a drain and a source of the second conductivity type. And a step of forming a diffusion layer.
【請求項59】 半導体基板上に絶縁膜により分離され
て形成された第1導電型の半導体層上に、ゲート電極形
成領域に開口を有するマスクを形成する工程と、 前記マスクの開口側壁に第1の側壁絶縁膜を形成する工
程と、 前記マスクの開口を介して前記半導体層に不純物を添加
して、前記半導体層より高い不純物濃度を有する第1導
電型の第1の不純物添加層を形成する工程と、 前記第1の側壁絶縁膜を除去した後、前記マスクの開口
にゲート絶縁膜とゲート電極を埋め込む工程と、 前記マスクを除去した後、前記半導体層に不純物を添加
して、ドレイン及びソース領域に第2導電型の第2の不
純物添加層を形成する工程と、 前記ゲート電極の側壁に第2の側壁絶縁膜を形成する工
程と、 前記半導体層に不純物を添加して、ドレイン及びソース
領域に前記第2の不純物添加層より高い不純物濃度を有
する第2導電型の第3の不純物添加層を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体メモリ装置の製造方
法。
59. A step of forming a mask having an opening in a gate electrode formation region on a first conductivity type semiconductor layer formed on a semiconductor substrate and separated by an insulating film; and a step of forming a mask on an opening sidewall of the mask. A step of forming a sidewall insulating film of No. 1 and an impurity is added to the semiconductor layer through the opening of the mask to form a first conductivity type first impurity added layer having an impurity concentration higher than that of the semiconductor layer. A step of filling the gate insulating film and the gate electrode in the opening of the mask after removing the first sidewall insulating film, and removing the mask, adding an impurity to the semiconductor layer, and draining the semiconductor layer. And forming a second conductivity type second impurity added layer in the source region, forming a second side wall insulating film on the side wall of the gate electrode, adding impurities to the semiconductor layer, and draining the semiconductor layer. as well as Forming a third impurity-added layer of the second conductivity type having an impurity concentration higher than that of the second impurity-added layer in the source region.
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