JP2005012109A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】リフレッシュ動作を必要とせず、かつ、高集積化・大容量化を実現するメモリセルを備える半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】メモリセル50は、記憶データおよびその反転データを保持するデータ保持部50A,50Bを備える。pチャネルTFT56A,56Bは、それぞれキャパシタ54A,54Bから漏洩する電荷を補填する。アクセストランジスタ52A(52B)は、それぞれワード線64(66)およびノード62(60)に接続される第1および第2のゲート電極521A(521B)を有する。アクセストランジスタ52A(52B)は、ワード線64(66)が不活性化され、かつ、ノード62(60)がHレベルであるリークモードのとき、電源ノード72からOFF状態のpチャネルTFT56A(56B)を介してリークする電荷をビット線68A(68B)へ放電する。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体記憶装置に関し、特に、電荷保持回路が電荷を保持しているか否かによって記憶情報を記憶し、かつ、リフレッシュ動作が不要な半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体記憶装置の代表格の1つであるDRAM(Dynamic Random Access Memory)は、1つのトランジスタおよび1つのキャパシタでメモリセルが構成され、メモリセル自体の構造が単純であることから、半導体デバイスの高集積化・大容量化に最適なものとして、様々な電子機器において今日使用されている。
【0003】
DRAMのメモリセルにおいては、記憶データに相当するキャパシタの電荷が種々の要因によってリークし、徐々に失われていく。すなわち、時間の経過とともに記憶データが失われる。このため、DRAMでは、データの読出しにおいて、記憶データに対応してビット線に現われる電圧変化を検出することができなくなる前に、データを一旦読出して再度書込むという「リフレッシュ動作」が実施される。
【0004】
DRAMは、このリフレッシュ動作を常時周期的にすべてのメモリセルに対して行なう必要があるため、この点で高速化・低消費電力化に対する欠点を有し、リフレッシュ動作を必要としないSRAM(Static Random Access Memory)などと比べて高速化・低消費電力化の観点からは劣る。しかしながら、DRAMは、上記のようにメモリセルの構造が単純で高集積化が可能であることから、1ビット当りのコストが他のメモリデバイスと比較して格段に安く、現在のRAMの主流となっている。
【0005】
一方、DRAMとともに代表的な半導体記憶装置の1つであるSRAMは、上述したように、DRAMにおいて不可欠なリフレッシュ動作が不要なRAMである。
【0006】
SRAMのメモリセルは、2つのインバータが交差接続されたフリップフロップがトランジスタを介してビット線対に接続される構成となっている。このフリップフロップに記憶されるデータは、双安定状態であり、所定の電源電圧が供給されている限りは状態が維持され続けるため、SRAMは、この点においてキャパシタに蓄電された電荷が時間とともに消失していくDRAMと根本的に異なるものである。
【0007】
このように、SRAMは、リフレッシュ動作が不要であるため消費電力が少なく、また、リフレッシュ動作が不要であるという点からみれば、DRAMよりも高速化が期待できる。
【0008】
一方、SRAMのメモリセルは、一般に、6つのバルクトランジスタを含み、負荷素子が薄膜トランジスタ(TFT(Thin Film Transistor):以下、薄膜トランジスタを「TFT」とも称する。)で構成される場合でも4つのバルクトランジスタを含む。ここで、「バルク」とは、TFTが基板上に形成されるのに対し、シリコン基板中にトランジスタが作り込まれているものという意味で用いている。以下においては、TFTのように基板上に形成される薄膜素子に対し、シリコン基板中に作り込まれるトランジスタを「バルクトランジスタ」と称する。
【0009】
このように、6つまたは4つのバルクトランジスタを含むSRAMのメモリセルは、バルクトランジスタが1つのDRAMのメモリセルに比べて大型化し、両メモリセルで10倍程度もの面積差が生じている。
【0010】
なお、DRAMよりも低消費電力、かつ、高集積を実現できる半導体記憶装置として、特開平7−307445号公報には、導電性のサイドウォールを構成してこれをゲート電極として用い、クーロン遮蔽現象を利用して、リフレッシュ動作が不要な、かつ、低電圧で動作するメモリセルを備える半導体記憶装置に関する技術が開示されている(特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開平7−307445号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、現在主流のDRAMは、メモリセルの構造が単純であることから高集積化・大容量化に適しているが、高速化・低消費電力化を阻害するリフレッシュ動作が不可欠である。
【0013】
一方、SRAMは、リフレッシュ動作が不要であるが、6つまたは4つのバルクトランジスタを必要とする。また、SRAMは、動作を安定化するため、ドライバトランジスタとアクセストランジスタとの電流駆動能力比(「セル比」や「β比」とも称される。)を2〜3以上とする必要があり、ドライバトランジスタのゲート幅を大きく設計する必要がある。したがって、この点からも、SRAMのメモリセルは大型化し、従来のSRAMでは、高集積化・大容量化に対応できない。
【0014】
このように、従来のDRAMおよびSRAMは、ともに、その特性および構造に一長一短がある。しかしながら、今後、IT技術のさらなる進展とあいまって、高性能化(高速化・低消費電力化)および高集積化・大容量化をともに満足する半導体記憶装置への期待は大きい。
【0015】
また、特開平7−307445号公報に記載された半導体記憶装置は、DRAMよりも低消費電力化かつ高集積化できるものとして期待されるが、現在半導体記憶装置において主流のDRAMおよびSRAMをベースに、それらで培われた技術を応用して上記課題を解決する半導体記憶装置を開発することは、開発コストや製造コスト、互換性その他多くの面でメリットが大きい。
【0016】
そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、リフレッシュ動作を必要とせず、かつ、高集積化・大容量化を実現するメモリセルを備える半導体記憶装置を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、半導体記憶装置は、データを記憶するメモリセルと、メモリセルに接続されるビット線対および少なくとも1つのワード線とを備え、メモリセルは、データに応じた電荷およびデータが反転された反転データに応じた電荷をそれぞれ保持する第1および第2の電荷保持回路と、ビット線対の一方と第1の電荷保持回路との間、ならびにビット線対の他方と第2の電荷保持回路との間にそれぞれ設けられ、各々が第1および第2のゲート電極を有する第1および第2のアクセストランジスタと、第1の電荷保持回路から漏洩する電荷および第2の電荷保持回路から漏洩する電荷をそれぞれ補填する第1および第2の電荷補填回路とを含み、第1および第2のアクセストランジスタの第1のゲート電極の各々は、対応するワード線に接続され、第1のアクセストランジスタの第2のゲート電極は、第2の電荷補填回路、第2の電荷保持回路および第2のアクセストランジスタを相互に接続する第1のノードに接続され、第2のアクセストランジスタの第2のゲート電極は、第1の電荷補填回路、第1の電荷保持回路および第1のアクセストランジスタを相互に接続する第2のノードに接続され、第1のアクセストランジスタは、第1のゲート電極が活性化されているとき、ビット線対の一方と第1の電荷保持回路との間でデータに対応する電荷をやり取りし、第1のゲート電極が不活性化され、かつ、第2のゲート電極が活性化されているとき、第1の電荷保持回路に漏洩する電荷をビット線対の一方に放電し、第2のアクセストランジスタは、第1のゲート電極が活性化されているとき、ビット線対の他方と第2の電荷保持回路との間で反転データに対応する電荷をやり取りし、第1のゲート電極が不活性化され、かつ、第2のゲート電極が活性化されているとき、第2の電荷保持回路に漏洩する電荷をビット線対の他方に放電する。
【0018】
また、この発明によれば、半導体記憶装置は、ワード線と、ビット線と、ノードに電荷を補填可能なように接続される電荷補填回路と、ビット線と電荷補填回路との間に接続されるアクセストランジスタとを備える半導体記憶装置であって、アクセストランジスタは、半導体基板上の主表面において、チャネル形成領域を規定するように所定の間隔を隔てて配置される一対の不純物領域と、半導体基板の上にゲート絶縁膜を介在し、チャネル形成領域に対向して設けられる第1のゲート電極と、第1のゲート電極に隣接して配置され、半導体基板の上にゲート絶縁膜を介在し、チャネル形成領域に対向して設けられる第2のゲート電極とを備え、アクセストランジスタの一方の不純物領域は、ビット線に接続され、アクセストランジスタの他方の不純物領域は、ノードに接続され、第1のゲート電極は、ワード線に接続され、第2のゲート電極は、電荷補填回路のON/OFF制御電極に接続される。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【0020】
[実施の形態1]
以下、この発明に基づいた半導体記憶装置の実施の形態1について図を参照して説明する。まず、図1は、この発明による半導体記憶装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
【0021】
図1を参照して、半導体記憶装置10は、制御信号端子12と、クロック端子14と、アドレス端子16と、データ入出力端子18とを備える。また、半導体記憶装置10は、制御信号バッファ20と、クロックバッファ22と、アドレスバッファ24と、入出力バッファ26とを備える。さらに、半導体記憶装置10は、制御回路28と、行アドレスデコーダ30と、列アドレスデコーダ32と、センスアンプ/入出力制御回路34と、メモリセルアレイ36とを備える。
【0022】
なお、図1においては、半導体記憶装置10について、データ入出力に関する主要部分のみが代表的に示されている。
【0023】
制御信号端子12は、チップセレクト信号/CS、行アドレスストローブ信号/RAS、列アドレスストローブ信号/CASおよびライトイネーブル信号/WEのコマンド制御信号を受ける。クロック端子14は、外部クロックCLKおよびクロックイネーブル信号CKEを受ける。アドレス端子16は、アドレス信号A0〜An(nは自然数)を受ける。
【0024】
クロックバッファ22は、外部クロックCLKを受けて内部クロックを発生し、制御信号バッファ20、アドレスバッファ24、入出力バッファ26および制御回路28へ出力する。制御信号バッファ20は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、チップセレクト信号/CS、行アドレスストローブ信号/RAS、列アドレスストローブ信号/CASおよびライトイネーブル信号/WEを取込んでラッチし、制御回路28へ出力する。アドレスバッファ24は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、アドレス信号A0〜Anを取込んでラッチし、内部アドレス信号を発生して行アドレスデコーダ30および列アドレスデコーダ32へ出力する。
【0025】
データ入出力端子18は、半導体記憶装置10において読み書きされるデータを外部とやり取りする端子であって、データ書込時は外部から入力されるデータDQ0〜DQi(iは自然数)を受け、データ読出時はデータDQ0〜DQiを外部へ出力する。
【0026】
入出力バッファ26は、データ書込時は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、データDQ0〜DQiを取込んでラッチし、内部データIDQをセンスアンプ/入出力制御回路34へ出力する。一方、入出力バッファ26は、データ読出時は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、センスアンプ/入出力制御回路34から受ける内部データIDQをデータ入出力端子18へ出力する。
【0027】
制御回路28は、クロックバッファ22から受ける内部クロックに応じて、制御信号バッファ20からコマンド制御信号を取込み、取込んだコマンド制御信号に基づいて行アドレスデコーダ30、列アドレスデコーダ32および入出力バッファ26を制御する。これによって、データDQ0〜DQiのメモリセルアレイ36への読み書きが行なわれる。
【0028】
行アドレスデコーダ30は、制御回路28からの指示に基づいて、アドレス信号A0〜Anに対応するメモリセルアレイ36上のワード線を選択し、図示されないワードドライバによって選択されたワード線を活性化する。また、列アドレスデコーダ32は、制御回路28からの指示に基づいて、アドレス信号A0〜Anに対応するメモリセルアレイ36上のビット線対を選択する。
【0029】
センスアンプ/入出力制御回路34は、データ書込時は、入出力バッファ26から受ける内部データIDQの論理レベルに応じて、列アドレスデコーダ32によって選択されたビット線対を電源電圧Vccまたは接地電圧GNDにプリチャージする。これによって、行アドレスデコーダ30によって活性化されたワード線と、列アドレスデコーダ32によって選択され、かつ、センスアンプ/入出力制御回路34によってプリチャージされたビット線対とに接続されるメモリセルアレイ36上のメモリセルに内部データIDQの書込みが行なわれる。
【0030】
一方、センスアンプ/入出力制御回路34は、データ読出時は、データ読出前に列アドレスデコーダ32によって選択されたビット線対を接地電圧GNDにプリチャージし、選択されたビット線対において読出データに対応して発生する微小電圧変化を検出/増幅して読出データの論理レベルを判定し、入出力バッファ26へ出力する。
【0031】
また、メモリセルアレイ36に対してデータの読書きが行なわれていないスタンバイ時は、センスアンプ/入出力制御回路34は不活性化され、全てのビット線対は、接地電位GNDに固定される。
【0032】
メモリセルアレイ36は、後述するメモリセルが行列状に配列された記憶素子群である。メモリセルアレイ36は、各行に対応するワード線を介して行アドレスデコーダ30と接続され、また、各列に対応するビット線対を介してセンスアンプ/入出力制御回路34と接続される。
【0033】
図2は、図1に示したメモリセルアレイ36において行列状に配置されるメモリセルの構成を示す回路図である。
【0034】
図2を参照して、メモリセル50は、1ビットのデータに対して、そのデータと、そのデータが反転された反転データとをそれぞれ記憶する、行方向に隣接した2つのデータ保持部50A,50Bを含む。データ保持部50Aは、アクセストランジスタ52Aと、キャパシタ54Aと、pチャネルTFT56Aとからなり、データ保持部50Bは、アクセストランジスタ52Bと、キャパシタ54Bと、pチャネルTFT56Bとからなる。
【0035】
アクセストランジスタ52A,52Bは、nチャネル型のMOSトランジスタであり、それぞれ第1のゲート電極521A,521B、および第2のゲート電極522A,522Bを備えている。第1のゲート電極521A,521Bは、ワード線に接続される通常のゲート電極を構成し、第2のゲート電極522A,522Bは、アクセストランジスタ52A,52Bの各々において、もう1つのゲート電極として機能する。第1のゲート電極521A,521BがL(論理ロー)レベルの状態で第2のゲート電極522A,522Bに電圧が印加されると、ドレイン−ソース間に不完全なチャネルが形成され、トランジスタがONされた状態よりははるかに小さいけれども通常のOFFされた状態に比べて大きなリーク電流がドレイン−ソース間に流れる(詳細な原理については後述する)。ここで、通常のON状態では、約1μA(μアンペア)以上の電流が流れ、通常のOFF状態では、約10fA以下の電流しか流れない。一方、ここでのリーク電流(僅かにON状態)は、約1pA〜約10nAの範囲での電流がドレイン−ソース間に流れることを意味する。
【0036】
以下では、第1および第2のゲート電極がそれぞれLレベル,H(論理ハイ)レベルの状態を「リークモード」とも称する。
【0037】
なお、アクセストランジスタ52A,52Bの構造については、後ほど図面を用いて詳しく説明する。
【0038】
アクセストランジスタ52Aは、ビット線68Aとノード60との間に接続され、第1のゲート電極521Aがワード線64に接続される。また、アクセストランジスタ52Aの第2のゲート電極522Aは、ノード62に接続される。アクセストランジスタ52Aは、ワード線64が活性化されるとONし、ワード線64が不活性化されるとOFFする。ここで、ワード線64が不活性化されているときにノード62がHレベルであると、アクセストランジスタ52Aはリークモードとなり、ノード60から接地電位に固定されているビット線68Aへ電荷が放電される。
【0039】
キャパシタ54Aは、電荷を蓄積しているか否かに応じて、2進情報“1”または“0”を記憶する。キャパシタ54Aは、ノード60とセルプレート70との間に接続される。そして、ビット線68Aからアクセストランジスタ52Aおよびノード60を介して2進情報“1”,“0”に対応した電圧がキャパシタ54Aに印加されることによって、キャパシタ54Aの充放電が行なわれ、データの書込みが行なわれる。なお、キャパシタ54Aは、「第1の電荷保持回路」を構成する。
【0040】
pチャネルTFT56Aは、電源ノード72とノード60との間に接続され、ON/OFF制御電極であるゲートがノード62に接続される。pチャネルTFT56Aは、キャパシタ54Aから漏洩する電荷を補填する「第1の電荷補填回路」を構成する。
【0041】
pチャネルTFT56Aおよび後述するpチャネルTFT56Bは、多結晶ポリシリコンで構成されたスイッチング機能を備える抵抗素子であり、T(テラ、「T」は1012を表わす。)ΩオーダのOFF抵抗とG(ギガ、「G」は10を表わす。)ΩオーダのON抵抗とを有する高抵抗素子である。なお、この発明においては、単に抵抗素子といった場合、スイッチング機能を備えるものと定抵抗のものとの両方を示すものとする。
【0042】
アクセストランジスタ52Bは、ビット線対68Aと対をなすビット線68Bとノード62との間に接続され、第1のゲート電極521Bがワード線66に接続される。また、アクセストランジスタ52Bの第2のゲート電極522Bはノード60に接続される。アクセストランジスタ52Bは、ワード線66が活性化されるとONし、ワード線66が不活性化されるとOFFする。ここで、ワード線66が不活性化されているときにノード60がHレベルであると、アクセストランジスタ52Bはリークモードとなり、ノード62から接地電位に固定されているビット線68Bへ電荷が放電される。
【0043】
キャパシタ54Bは、電荷を蓄積しているか否かに応じて、キャパシタ54Aが記憶するデータが反転された反転データを記憶する。キャパシタ54Bは、ノード62とセルプレート70との間に接続される。そして、ビット線68Bからアクセストランジスタ52Bおよびノード62を介して2進情報“1”,“0”に対応した電圧がキャパシタ54Bに印加されることによって、キャパシタ54Bの充放電が行なわれ、データの書込みが行なわれる。なお、キャパシタ54Bは、「第2の電荷保持回路」を構成する。
【0044】
pチャネルTFT56Bは、電源ノード72とノード62との間に接続され、ON/OFF制御電極であるゲートがノード60に接続される。pチャネルTFT56Bは、キャパシタ54Bから漏洩する電荷を補填する「第2の電荷補填回路」を構成する。
【0045】
ポリシリコンで構成されるpチャネルTFT56A,56Bおよびキャパシタ54A,54Bは、バルクトランジスタであるアクセストランジスタ52A,52Bの上部に積層して形成することができる。したがって、この半導体記憶装置10における1ビット当りのメモリセルの大きさは、2つのアクセストランジスタ52A,52Bおよびノード60,62によって占有される面積によってほぼ決定される。
【0046】
次に、図2に示したアクセストランジスタ52A,52Bの構造について、図3を参照して説明する。なお、図3は、アクセストランジスタ52A,52Bの構造を示す断面図である。
【0047】
アクセストランジスタ52Aは、まず、半導体領域としてのp型の半導体基板101と、この半導体基板101の主表面に設けられ、チャネル形成領域Cを規定するように所定の間隔を隔てて配置される一対のソース/ドレイン領域105,106とを備える。ソース/ドレイン領域105,106はLDD構造を有し、n型の低濃度不純物領域105と、n型の高濃度不純物領域106とを含んでいる。
【0048】
半導体基板101の上には、ゲート絶縁膜103を介在し、チャネル形成領域Cに対向して矩形断面形状の第1のゲート電極521Aが設けられている。また、第1のゲート電極521Aの両側の側壁領域には、同じチャネル形成領域Cに対向する位置において、絶縁膜104を介在して第2のゲート電極522Aがそれぞれ設けられている。この第2のゲート電極522Aは、一般的な絶縁膜からなるサイドウォール絶縁膜と同じように、半導体基板101側に向かうにしたがって幅が大きくなるとともに、外表面がなだらかに傾斜する断面形状を有している。なお、第1のゲート電極521Aのゲート長は、第2のゲート電極522Aのゲート長よりも長くなるように設けられる。
【0049】
アクセストランジスタ52Bも、アクセストランジスタ52Aを同じ構造からなり、p型の半導体基板101の主表面に一対のソース/ドレイン領域105,106が設けられている。半導体基板101の上には、ゲート絶縁膜103を介在し、同じチャネル形成領域Cに対向して矩形断面形状の第1のゲート電極521Bが設けられ、この第1のゲート電極521Bの両側の側壁領域には、チャネル形成領域Cに対向する位置において、絶縁膜104を介在して第2のゲート電極522Bがそれぞれ設けられている。この第2のゲート電極522Bは、一般的な絶縁膜からなるサイドウォール絶縁膜と同じように、半導体基板101側に向かうにしたがって幅が大きくなるとともに、外表面がなだらかに傾斜する断面形状を有している。なお、第1のゲート電極521Bのゲート長は、第2のゲート電極522Bのゲート長よりも長くなるように設けられる。
【0050】
アクセストランジスタ52Aの第2のゲート電極522Aは、ノード62に接続され、一方のソース/ドレイン領域105,106は、ノード60に接続され、他方のソース/ドレイン領域105,106はビット線68Aに接続される。また、アクセストランジスタ52Bの第2のゲート電極522Bは、ノード60に接続され、一方のソース/ドレイン領域105,106は、ノード62に接続され、他方のソース/ドレイン領域105,106はビット線68Bに接続される。
【0051】
ここで、上記構成からなるアクセストランジスタ52A,52Bにおける、「ON状態」と「リークモード(僅かにON状態)」とにおけるチャネル形成領域Cの状態について、図4を参照して説明する。なお、その動作原理は、アクセストランジスタ52Aおよびアクセストランジスタ52Bで同じであるため、アクセストランジスタ52Aを用いて説明する。
【0052】
図4(A)は、ワード線64が活性化(Hレベル)され、アクセストランジスタ52Aが「ON状態」の場合を示す。ノード60はHレベル、ノード62はLレベル、ビット線68AはHレベルである。この状態では、空乏層Aが大きく伸び、導電型が反転した反転領域Bがチャネル形成領域Cに形成される。その結果、一対のソース/ドレイン領域105,106が完全に導通状態となる。
【0053】
図4(B)は、ワード線64が不活性化(Lレベル)され、アクセストランジスタ52Aが「リークモード(僅かにON状態)」の場合を示す。ノード60はLレベル、ノード62はHレベル、ビット線68AはLレベルである。この状態では、空乏層Aは大きく伸びないため、導電型が反転した反転領域はチャネル形成領域Cには形成されない。しかし、第2のゲート電極522A下のチャネル形成領域Cには、ノード62の電圧が印加されているため第2のゲート電極522Aの下はその影響を受け、リーク電流が生じることになる。その結果、ノード60から接地電位に固定されているビット線68Aへ電荷が放電することが可能になる。
【0054】
ここで、図5に、Vth(アクセストランジスタ52Aの閾値電圧)とLeff(アクセストランジスタ52Aの電気的効果を有するゲート長)との関係を示す。この図においては、アクセストランジスタ52AがわずかにON状態のとき(ノード62がHレベルのとき)、第2のゲート電極522Aの影響により第2のゲート電極522A下の電界が影響を受け、Leff(電気的効果を有するゲート長)が短くなり、しきい値電圧(Vth)が下がることを示している。図5中においてポイントP1およびP2において、ワード線64の電位は同じであり、また、ノード60の電位は同じである。ノード62の電位は、ポイントP1においてHレベルであり、ポイントP2においてLレベルである。このため、ポイントP2に比べてポイントP1でLeffが短くなることで、しきい値電圧(Vth)が低下していることがわかる。
【0055】
なお、図5において示す縦軸のVthは、定電流源によるものとし、ゲート幅が10μm、ドレイン電流が1μAのときのワード線の電圧を示すものである。また、実際に用いるアクセストランジスタのゲート幅は、1μm以下である。
【0056】
また、図6にデータ保持時のセル特性を示すためのVg−Id特性を示す。ワード線64がHレベル、ビット線68AがLレベル、ノード60がHレベル、ノード62がLレベルの時、または、ワード線64がHレベル、ビット線68AがLレベル、ノード60がLレベル、ノード62がHレベルの時は、読み出し時であり、ワード線64がLレベル、ビット線68AがLレベル、ノード60がHレベル、ノード62がLレベルの時、または、ワード線64がLレベル、ビット線68AがLレベル、ノード60がLレベル、ノード62がHレベルの時は、記憶保持時である。
【0057】
Vgが0Vにおいて、ノード60がHレベル、ノード62がLレベルのときの電流量(図6中のポイントα)に比べ、ノード60が0.1V、ノード62がHレベルのときの電流量(図6中のポイントβ)の方が大きくなる特性が必要となる。なお、ノード60が0.1Vとしたのは、0Vでは電流が流れないため、Lレベル側の電位上昇がたとえば0.1V程度まで上昇する場合を考えられるからである。また、仮に、ポイントαとポイントβとの電流量が逆転していたとしても、TFTのON電流がαの2桁以上かつTFTのOFF電流がβの2桁以下であれば、各ノードの電位は安定しているため問題はない。なお、この「2桁」とは、製造ばらつきを考慮したものである。
【0058】
このようにして、データ保持を安定させることが可能となる。また、ポイントβがポイントαに比べ、リーク電流が多い場合でも、記憶ノードに電荷を充電する負荷側、TFTが記憶ノードLよりHに多く電流を供給できれば、H側のノードがLに下がることはない。
【0059】
なお、上述したように、通常のON状態では、約1μA以上の電流が流れ、通常のOFF状態では、約10fA以下の電流しか流れず、リーク電流(僅かにON状態)は、約1pA〜約10nAの範囲での電流がドレイン−ソース間に流れる。図4(A)に示すように、ノード60がHレベル、ノード62がLレベルのとき、第2のゲート電極522Aの影響により、通常に比べ電流が減少することが考えられる。しかし、第1のゲート電極521Aと第2のゲート電極522Aとの間には、絶縁膜104が設けられているため、ワード線64をHレベルとしたとき、容量カップリングにより第2のゲート電極522Aの電位が吊上げられる。その結果、第2のゲート電極522Aの電位がLレベルの場合であっても、電流が減少するという影響は少ないと考えられる。
【0060】
なお、有効な「リークモード(僅かにON状態)」を実現させるためには、第1のゲート電極521Aのゲート長(L1)が、約0.2μmの場合には、第2のゲート電極522Aのゲート長(L2)は、約0.04μm〜約0.1μm程度が好ましいと言える(図4(B)参照)。
【0061】
再び図2を参照して、次に、このメモリセルの動作について説明する。
(1)データの書込み
キャパシタ54Aに電荷が蓄電され、キャパシタ54Bに電荷が蓄電されていない状態がデータ“1”に対応するものとする。データ“1”の書込みが行なわれるときは、ビット線68A,68Bがそれぞれ電源電位Vccおよび接地電位GNDにプリチャージされ、ワード線64,66が活性化される。これによって、アクセストランジスタ52A,52BがONし、ビット線68Aからアクセストランジスタ52Aおよびノード60を介してキャパシタ54Aに電源電位Vccの電圧が印加され、キャパシタ54Aに電荷が蓄電される。一方、ビット線68Bからはアクセストランジスタ52Bおよびノード62を介してキャパシタ54Bに接地電位GNDの電圧が印加され、キャパシタ54Bからビット線68Bに電荷が放電される。
【0062】
なお、データ保持部50A,50Bは、その回路構成が同じであるので、データ“0”が書込まれるときは、上述したデータ保持部50A,50Bの動作が互いに入れ替わるだけで上述の動作と同様の動作が行なわれるので、その説明は繰り返さない。
【0063】
(2)データの保持
このメモリセル50においては、pチャネルTFT56A,56BのON電流およびOFF電流は、それぞれ1×10−11Aおよび1×10−13A程度である。一方、バルクトランジスタであるアクセストランジスタのOFF電流(リークモードでない)によるノード60,62からのリーク電流は1×10−15A程度である。したがって、pチャネルTFT56A,56BのON電流は、それぞれノード60,62からのリーク電流を4桁上回るため、電源ノード72からノード60,62およびこれらにそれぞれ接続されたキャパシタ54A,54Bを充電することができる。
【0064】
なお、ここに示した各電流値は、これらの数値に限定されるものではなく、これらの程度の次数であることを示すものである。
【0065】
ここで、pチャネルTFT56A,56BのOFF電流も、それぞれノード60,62からのリーク電流を上回っている。そして、このメモリセル50においては、従来のSRAMのようにLレベルにあるノードおよびキャパシタの電荷を放電するドライバトランジスタが設けられていないため、このままでは、Lレベルのノードの電位が上昇し、記憶データが破壊されてしまう。
【0066】
しかしながら、このメモリセル50では、リークモードによりLレベルにあるノードの電荷がアクセストランジスタを介して対応するビット線に放電されるため、記憶データを保持することができる。以下、データ“1”が保持されている場合について具体的に説明する。
【0067】
データ保持時、ビット線68A,68Bは、接地電位に固定され、ワード線64,66は、不活性化される。データ“1”の書込後、キャパシタ54Aおよびノード60は、充電状態(Hレベル)にあり、キャパシタ54Bおよびノード62は、放電状態(Lレベル)にある。ここで、アクセストランジスタ52Aは、OFFされているが、上述のように、OFF状態であっても1×10−15A程度の電流が流れ、キャパシタ54Aおよびノード60に充電されている電荷は、アクセストランジスタ52Aを介してリークする。
【0068】
しかしながら、このリークによる電荷減少分は、ON状態にあるpチャネルTFT56Aから補填される。そして、上述したように、pチャネルTFT56AのON電流、すなわち充電電流は、1×10−11A程度であり、アクセストランジスタ52AのOFF電流、すなわち放電電流を4桁上回るため、キャパシタ54Aおよびノード60の充電状態は、維持される。
【0069】
なお、このpチャネルTFT56Aによる充電電流は、アクセストランジスタ52Aによる放電電流を少なくとも1桁以上上回ることが望ましい。仮に、充電電流が放電電流のn倍(nは10より小さい)であるとすると、Hレベルにあるノードの電位が1/(1+n)Vccだけ低下し、その低下を無視することができなくなるからである。
【0070】
一方、ノード60はHレベルであるので、アクセストランジスタ52Bは、リークモードとなっており、電源ノード72からOFF状態にあるpチャネルTFT56Bを介してノード62にリークした電荷は、アクセストランジスタ52Bを介してビット線68Bにリークされる。ここで、キャパシタ54Bおよびノード62の電位が上昇しないためには、リークモードにあるアクセストランジスタ52Bのリーク電流がpチャネルTFT56BのOFF電流よりも大きいことが条件となる。このメモリセル50においては、リークモード時のアクセストランジスタ52Bのリーク電流は、1×10−11A程度であり、pチャネルTFT56BのOFF電流1×10−13Aを上回るので、キャパシタ54Bおよびノード62の電位が上昇することはなく、キャパシタ54Bおよびノード62の放電状態は維持される。以上のようにして、メモリセル50は、データ“1”を保持することができる。
【0071】
なお、リークモード時のアクセストランジスタ52Bのリーク電流は、pチャネルTFT56BのOFF電流を少なくとも1桁以上上回ることが望ましい。仮に1桁を下回ると、無視できない程度のキャパシタ54Bおよびノード62の電位上昇が現われるからである。
【0072】
また、データ“0”の保持については、上述したデータ保持部50A,50Bの動作が互いに入れ替わるだけで、上述した動作と同様の動作が行なわれるので、その説明は繰り返さない。
【0073】
また、上記においては、データ保持時、ビット線68A,68Bの電位は、接地電位に固定されるとしたが、この電位は、接地電位に限られるものではなく、たとえば、負電位としてもよい。
【0074】
(3)データの読出し
メモリセル50には、データ“1”が記憶されているとする。ビット線68A,68Bは、あらかじめ接地電位にプリチャージされ、データの読出しに際してワード線64,66が活性化される。これによって、アクセストランジスタ52A,52BがONし、充電状態にあるキャパシタ54Aからアクセストランジスタ52Aを介してビット線68Aに電荷が放電され、ビット線68Aの電位が上昇する。
【0075】
一方、キャパシタ54Bは、放電状態であったため、ビット線68Bの電位は、接地電位のままである。したがって、ビット線68A,68Bに電位差が発生し、この電位差が図示されないセンスアンプによって比較され、ビット線対68Aの電位が電源電位Vccに増幅される。そして、このビット線68A,68Bの電位がそれぞれ電源電位Vccおよび接地電位GNDにある状態をデータ“1”に対応させて、データ“1”が読出される。
【0076】
データが読出されると、ビット線対68A,68Bの電位がそれぞれ電源電位Vccおよび接地電位GNDの状態で、再びワード線64,66が活性化される。そうすると、アクセストランジスタ52A,52BがONし、ビット線対68A,68Bからそれぞれアクセストランジスタ52A,52Bを介してキャパシタ54A,54Bに電荷が再チャージされ、データの読出しに際して破壊された記憶データの書戻しが行なわれる。
【0077】
なお、データ“0”の読出しについては、上述したデータ保持部50A,50Bの動作が互いに入れ替わるだけで、上述した動作と同様の動作が行なわれるので、その説明は繰り返さない。
【0078】
次に、図3に示したアクセストランジスタ52A,52Bの製造方法について、図7〜図10を参照して説明する。なお、その製造方法は、アクセストランジスタ52Aおよびアクセストランジスタ52Bで同じであるため、アクセストランジスタ52Aを用いて説明する。
【0079】
図7を参照して、p型の半導体基板101の主表面に、厚さ約25Å〜50Åのシリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜103を形成する。その後、上面にシリコン酸化膜107を備える第1のゲート電極521Aを形成する。第1のゲート電極521Aは2層構造からなり、下層に厚さ約250Å〜500Åのポリシリコン層、上層に厚さ約250Å〜500Åのシリサイド層を有する(図示省略)。その後、シリコン酸化膜107および第1のゲート電極521Aをマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、不純物濃度が約1×1011cm〜1×1019cm程度の低濃度不純物領域105を形成する。
【0080】
次に、図8を参照して、第1のゲート電極521Aの両側面に、厚さ約25Å〜50Åのシリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなる絶縁膜104を形成する。
【0081】
次に、図9を参照して、第1のゲート電極521Aの両側面において、絶縁膜104を覆う第2のゲート電極522Aを形成する。この第2のゲート電極522Aは、n型の不純物(たとえばリン)を含んだ、不純物濃度が約1×1020cm程度のポリシリコンからなり、高さは、約500Å〜1000Å、幅(ゲート長)は、約0.04μm〜約0.1μmに形成される。
【0082】
次に、図10を参照して、第1のゲート電極521Aおよび第2のゲート電極522Aをマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、不純物濃度が約1×1020cm程度の高濃度不純物領域106を形成する。
【0083】
以上により、図3に示すアクセストランジスタ52Aが完成する。なお、アクセストランジスタ52Bも同様に形成される。
【0084】
なお、上記においては、データ保持部50A,50Bが行方向に隣接する構成としたが、データ保持部50A,50Bが列方向に隣接するようにメモリセルを構成してもよい。
【0085】
図11は、図1に示したメモリセルアレイ36において行列状に配置されるメモリセルの他の構成を示す回路図である。
【0086】
図11を参照して、メモリセル51を構成する2つのデータ保持部50A,50Bは、列方向に隣接して配置され、データ保持部50A,50Bは、共通のワード線64に接続される。データ保持部50Bは、データ保持部50Aが記憶するデータが反転された反転データを記憶する。なお、その他の構成については、図2に示したメモリセルの構成と同じである。
【0087】
このような構成としても、図2に示したメモリセルと同様に機能することができる。そして、この場合、1つのメモリセルに対して1本のワード線で足りるので、複数のメモリセルが行列配置されるメモリセルアレイ36における配線ピッチなどを緩和することができる。
【0088】
以上のように、この実施の形態1による半導体記憶装置10によれば、電荷補填回路として動作するpチャネルTFT56A,56Bを備えるメモリセルを構成し、リークモードで動作可能なアクセストランジスタ52A,52Bを備えるようにしたので、1ビット当りのバルクトランジスタ数が2つとなり、かつ、リフレッシュ動作が不要になる。したがって、従来のDRAMに近い高集積化・大容量化が可能であり、さらに、リフレッシュ動作が不要になるという点で高速化・低消費電力化が可能な半導体記憶装置が実現できる。
【0089】
[実施の形態2]
次に、この発明に基づいた半導体記憶装置の実施の形態2について図を参照して説明する。本実施の形態の特徴は、図1に示す半導体記憶装置10のメモリセル50に適用される半導体素子としてのアクセストランジスタ52A,52Bの構造にある。また、アクセストランジスタ52A,52Bの動作原理については、上記実施の形態1の場合と同じである。したがって、ここでは、本実施の形態におけるアクセストランジスタ52A,52Bの構造およびその製造方法についてのみ説明する。
【0090】
図12を参照して、本実施の形態におけるアクセストランジスタ52A,52Bの構造について説明する。なお、上記実施の形態1におけるアクセストランジスタ52A,52Bの構造と同一または相当部分については、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰返さないこととする。
【0091】
本実施の形態におけるアクセストランジスタ52Aの特徴的構成としては、断面が半導体基板101側に向かうにしたがって幅が狭くなるように両側面が傾斜する形状(略V字形状)の第1のゲート電極521Aが設けられ、この第1のゲート電極521Aの両側の側壁部分に絶縁膜104を介在して第2のゲート電極522Aがそれぞれ設けられている点にある。この第2のゲート電極522Aは、第1のゲート電極521Aに対向する面が第2のゲート電極522Aの形状に沿って傾斜し、半導体基板101側に向かうにしたがって幅が広くなる断面形状を有している。なお、第1のゲート電極521Aのゲート長は、第2のゲート電極522Aのゲート長よりも短くなるように設けられる。
【0092】
その結果、上記実施の形態1におけるアクセストランジスタ52Aに比べ、第2のゲート電極522Aのチャネル形成領域Cに対向する領域が大きくなるように設けられている。また、この第2のゲート電極522Aの側面には、絶縁膜からなるサイドウォール絶縁膜109が設けられている。アクセストランジスタ52Bの構造も、アクセストランジスタ52Aと同じである。
【0093】
このアクセストランジスタ52A,52Bにおいても、アクセストランジスタ52Aの第2のゲート電極522Aは、ノード62に接続され、一方のソース/ドレイン領域105,106は、ノード60に接続され、他方のソース/ドレイン領域105,106はビット線68Aに接続される。また、アクセストランジスタ52Bの第2のゲート電極522Bは、ノード60に接続され、一方のソース/ドレイン領域105,106は、ノード62に接続され、他方のソース/ドレイン領域105,106はビット線68Bに接続される。
【0094】
次に、図12に示したアクセストランジスタ52A,52Bの製造方法について、図13〜図19を参照して説明する。なお、その製造方法は、アクセストランジスタ52Aおよびアクセストランジスタ52Bで同じであるため、アクセストランジスタ52Aを用いて説明する。
【0095】
図13を参照して、p型の半導体基板101の主表面に、厚さ約25Å〜50Åのシリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜103を形成する。その後、上面にシリコン酸化膜107を備える第2のゲート電極522Aを形成する。この第2のゲート電極522Aは、n型の不純物(たとえばリン)を含んだ、不純物濃度が約1×1020cm程度のポリシリコンからなる。
【0096】
図14を参照して、第2のゲート電極522Aの上面側中央領域が開口されたレジスト膜110をシリコン酸化膜107およびゲート絶縁膜103の上面に形成する。その後、図15を参照して、レジスト膜110をマスクにして、シリコン酸化膜107、第2のゲート電極522A、およびゲート絶縁膜103のエッチングを行なう。エッチングには、第2のゲート電極522Aの開口幅が基板側に向かうにしたがって小さくなるように(エッチング端面がテーパ形状となるように)、異方性エッチングが用いられる。
【0097】
次に、図16を参照して、レジスト膜110を除去した後、露出するすべての表面に、厚さ約25Å〜50Åのシリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなる絶縁膜104を形成する。
【0098】
次に、図17を参照して、絶縁膜104を覆うように、全面に第1のゲート電極521Aを形成する。第1のゲート電極521Aは2層構造からなり、下層に厚さ約250Å〜500Åのポリシリコン層、上層に厚さ約250Å〜500Åのシリサイド層を有する。その後、チャネル形成領域Cの上方であって、第1のゲート電極521Aの上面に、第1のゲート電極521Aをパターニングするためのレジスト膜111を形成する。
【0099】
次に、レジスト膜111をマスクにして、第1のゲート電極521Aのパターニングを行なうとともに、露出する絶縁膜104の除去を行なう。その後、レジスト膜111および第2のゲート電極522Aをマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、不純物濃度が約1×1011cm〜1×1019cm程度の低濃度不純物領域105を形成する。
【0100】
次に、第2のゲート電極522Aの側壁部分に、シリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなるサイドウォール絶縁膜109を形成する。その後、第1のゲート電極521A、第2のゲート電極522A、およびサイドウォール絶縁膜109をマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、不純物濃度が約1×1020cm程度の高濃度不純物領域106を形成する。
【0101】
以上により、図12に示すアクセストランジスタ52Aが完成する。なお、アクセストランジスタ52Bも同様に形成される。
【0102】
上記構成からなるアクセストランジスタ52A,52Bを採用した半導体記憶装置においても、上記実施の形態1における半導体記憶装置と同様の作用効果を得ることが可能となる。
【0103】
また、本実施の形態においては、サイドウォール絶縁膜109が通常の絶縁膜構造からなるため、このサイドウォール絶縁膜109が保護膜となり、高濃度不純物領域106等に接続するコンタクトと、第1のゲート電極521Aおよび第2のゲート電極522Aとの短絡の発生を回避することが可能となる。
【0104】
[実施の形態3]
次に、この発明に基づいた半導体記憶装置の実施の形態3について図を参照して説明する。本実施の形態の特徴は、図1に示す半導体記憶装置10のメモリセル50に適用される半導体素子としてのアクセストランジスタ52A,52Bの構造にある。また、アクセストランジスタ52A,52Bの動作原理については、上記実施の形態1の場合と同じである。したがって、ここでは、本実施の形態におけるアクセストランジスタ52A,52Bの構造およびその製造方法についてのみ説明する。
【0105】
図20を参照して、本実施の形態におけるアクセストランジスタ52A,52Bの構造について説明する。なお、上記実施の形態1におけるアクセストランジスタ52A,52Bの構造と同一または相当部分については、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰返さないこととする。
【0106】
本実施の形態におけるアクセストランジスタ52Aの特徴的構成としては、矩形断面形状の第1のゲート電極521Aの一方の側壁側にのみ、サイドウォール絶縁膜112を覆い、第1のゲート電極521Aの上方にまで乗り上げる断面形状の第2のゲート電極522Aが設けられている点にある。なお、第1のゲート電極521Aのゲート長は、第2のゲート電極522Aのゲート長よりも長くなるように設けられる。アクセストランジスタ52Bの構造も、アクセストランジスタ52Aと同じである。
【0107】
このアクセストランジスタ52A,52Bにおいては、アクセストランジスタ52Aの第2のゲート電極522Aは、ノード60に接続され、一方のソース/ドレイン領域105,106は、ノード62に接続され、他方のソース/ドレイン領域105,106はビット線68Aに接続される。また、アクセストランジスタ52Bの第2のゲート電極522Bは、ノード62に接続され、一方のソース/ドレイン領域105,106は、ノード60に接続され、他方のソース/ドレイン領域105,106はビット線68Bに接続される。
【0108】
次に、図20に示したアクセストランジスタ52A,52Bの製造方法について、図21〜図25を参照して説明する。なお、その製造方法は、アクセストランジスタ52Aおよびアクセストランジスタ52Bで同じであるため、アクセストランジスタ52Aを用いて説明する。
【0109】
図21を参照して、p型の半導体基板101の主表面に、厚さ約25Å〜50Åのシリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜103を形成する。その後、上面にシリコン酸化膜107を備える第1のゲート電極521Aを形成する。第1のゲート電極521Aは2層構造からなり、下層に厚さ約250Å〜500Åのポリシリコン層、上層に厚さ約250Å〜500Åのシリサイド層を有する。
【0110】
次に、図22を参照して、第1のゲート電極521Aの一方の側面側、および一方の側面側に連続する半導体基板101の主表面を覆うレジスト膜113を形成する。その後、第1のゲート電極521Aおよびレジスト膜113をマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、不純物濃度が約1×1011cm〜1×1019cm程度の低濃度不純物領域105を形成する。
【0111】
次に、図23を参照して、第1のゲート電極521Aの両側壁に、シリコン酸化膜またはシリコン窒化酸化膜からなるサイドウォール絶縁膜112を形成する。その後、半導体基板101の主表面および一方のサイドウォール絶縁膜112を覆うように、第2のゲート電極522Aを形成する。この第2のゲート電極522Aは、n型の不純物(たとえばリン)を含んだ、不純物濃度が約1×1020cm程度のポリシリコンからなり、厚さ(t)は、約500Å〜2000Åに形成される。
【0112】
次に、図24を参照して、第1のゲート電極521Aの一部上面、第2のゲート電極522A、および半導体基板101の主表面を覆うように、レジスト膜115を形成する。その後、このレジスト膜115をマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、一方の領域に不純物濃度が約1×1020cm程度の高濃度不純物領域106を形成する。
【0113】
次に、図25を参照して、レジスト膜115を除去した後、第1のゲート電極521Aの一部上面、第2のゲート電極522A、サイドウォール絶縁膜112および半導体基板101の一部主表面を覆うように、レジスト膜117を形成する。その後、このレジスト膜117をマスクにして、半導体基板101の主表面にn型の不純物を導入し、他方の領域に不純物濃度が約1×1020cm程度の高濃度不純物領域106を形成する。
【0114】
以上により、図20に示すアクセストランジスタ52Aが完成する。なお、アクセストランジスタ52Bも同様に形成される。
【0115】
上記構成からなるアクセストランジスタ52A,52Bを採用した半導体記憶装置においても、上記実施の形態1における半導体記憶装置と同様の作用効果を得ることが可能となる。また、本実施の形態によれば、ノードに接続される第2のゲート電極522Aが複数に分散されないため、デザインルールの最小の単位をその電極に用いた場合、複数に分散するもの(L(最小サイズ:電気的にトランジスタの制御可能なもしくは製造上可能な最小サイズ)×N個)に比べ、サイズを小さくすることができる(L×1個)。また、ゲート電極522Aが複数に分散されないため、各電極の接続が複雑になることを回避できる。
【0116】
なお、上記の実施の形態1〜3においては、リークによってキャパシタ54A,54Bから消失する電荷を補填する電荷補填回路としてpチャネルTFT56A,56Bが用いられたが、pチャネルTFTに代えてポリシリコンからなる抵抗素子を用いてもよい。抵抗素子としては、キャパシタからのリーク電流よりも十分大きい電流を供給でき、かつ、リークモード時にアクセストランジスタがリークする電流よりも小さい電流を供給するように、適切な抵抗値のものが選択される。
【0117】
また、上記の実施の形態1〜3において、上記第1のゲート電極521Aおよび第2のゲート電極522Aとの間においてワード線とノードの機能を入替えることが可能であり、同様に上記第1のゲート電極521Bおよび第2のゲート電極522Bとの間においてワード線とノードの機能を入替えることが可能である。また、アクセストランジスタのON/OFF電流を安定させる観点からは、ワード線側のゲート長が、横のゲート長よりも長い方が好ましい。
【0118】
また、上記においては、記憶データに対応する電荷を保持するためにキャパシタ54A,54Bが設けられたが、ノード60,62の容量が大きく、ノード60,62のみでそれぞれキャパシタ54A,54Bが設けられたときと同等の容量が確保できれば、キャパシタ54A,54Bを別途備えなくてもよい。
【0119】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0120】
【発明の効果】
この発明によれば、電荷補填回路を備えるメモリセルを構成し、リークモードで動作可能なアクセストランジスタを備えるので、1ビット当りのバルクトランジスタ数が2つとなり、かつ、リフレッシュ動作が不要になる。したがって、従来のDRAMに近い高集積化・大容量化が可能であり、さらに、リフレッシュ動作が不要になるという点で高速化・低消費電力化が可能な半導体記憶装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に基づいた実施の形態1における半導体記憶装置の全体構成を示す概略ブロック図である。
【図2】図1に示すメモリセルアレイにおいて行列状に配置されるメモリセルの構成を示す回路図である。
【図3】この発明に基づいた実施の形態1における半導体記憶装置に適用されるアクセストランジスタの構造を示す断面図である。
【図4】(A)および(B)は、この発明に基づいた実施の形態1におけるアクセストランジスタの動作原理を説明するための模式図である。
【図5】実施の形態1におけるアクセストランジスタのVthとLeffとの関係を示す図である。
【図6】実施の形態1におけるアクセストランジスタのVg−Id特性を示す図である。
【図7】実施の形態1におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第1工程断面図である。
【図8】実施の形態1におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第2工程断面図である。
【図9】実施の形態1におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第3工程断面図である。
【図10】実施の形態1におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第4工程断面図である。
【図11】図1に示すメモリセルアレイにおいて行列状に配置されるメモリセルの他の構成を示す回路図である。
【図12】この発明に基づいた実施の形態2における半導体記憶装置に適用されるアクセストランジスタの構造を示す断面図である。
【図13】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第1工程断面図である。
【図14】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第2工程断面図である。
【図15】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第3工程断面図である。
【図16】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第4工程断面図である。
【図17】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第5工程断面図である。
【図18】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第6工程断面図である。
【図19】実施の形態2におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第7工程断面図である。
【図20】この発明に基づいた実施の形態3における半導体記憶装置に適用されるアクセストランジスタの構造を示す断面図である。
【図21】実施の形態3におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第1工程断面図である。
【図22】実施の形態3におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第2工程断面図である。
【図23】実施の形態3におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第3工程断面図である。
【図24】実施の形態3におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第4工程断面図である。
【図25】実施の形態3におけるアクセストランジスタの製造工程を示す第5工程断面図である。
【符号の説明】
10 半導体記憶装置、12 制御信号端子、14 クロック端子、16 アドレス端子、18 データ入出力端子、20 制御信号バッファ、22 クロックバッファ、24 アドレスバッファ、26 入出力バッファ、28 制御回路、30 行アドレスデコーダ、32 列アドレスデコーダ、34 センスアンプ/入出力制御回路、36 メモリセルアレイ、50,51 メモリセル、50A,50B データ保持部、52A,52B アクセストランジスタ、54A,54B キャパシタ、56A,56B pチャネルTFT、60,62 ノード、64,66 ワード線、68A,68B ビット線、70 セルプレート、72電源ノード、101 半導体基板、103 ゲート絶縁膜、104 絶縁膜、105 ソース/ドレイン領域、低濃度不純物領域、106 ソース/ドレイン領域、高濃度不純物領域、107 シリコン酸化膜、109,112 サイドウォール絶縁膜、521A,521B 第1のゲート電極、522A,522B 第2のゲート電極、C チャネル形成領域。

Claims (15)

  1. データを記憶するメモリセルと、
    前記メモリセルに接続されるビット線対および少なくとも1つのワード線とを備え、
    前記メモリセルは、
    前記データに応じた電荷および前記データが反転された反転データに応じた電荷をそれぞれ保持する第1および第2の電荷保持回路と、
    前記ビット線対の一方と前記第1の電荷保持回路との間、ならびに前記ビット線対の他方と前記第2の電荷保持回路との間にそれぞれ設けられ、各々が第1および第2のゲート電極を有する第1および第2のアクセストランジスタと、
    前記第1の電荷保持回路から漏洩する電荷および前記第2の電荷保持回路から漏洩する電荷をそれぞれ補填する第1および第2の電荷補填回路とを含み、
    前記第1および第2のアクセストランジスタの前記第1のゲート電極の各々は、対応するワード線に接続され、
    前記第1のアクセストランジスタの前記第2のゲート電極は、前記第2の電荷補填回路、前記第2の電荷保持回路および前記第2のアクセストランジスタを相互に接続する第1のノードに接続され、
    前記第2のアクセストランジスタの前記第2のゲート電極は、前記第1の電荷補填回路、前記第1の電荷保持回路および前記第1のアクセストランジスタを相互に接続する第2のノードに接続され、
    前記第1のアクセストランジスタは、前記第1のゲート電極が活性化されているとき、前記ビット線対の一方と前記第1の電荷保持回路との間で前記データに対応する電荷をやり取りし、前記第1のゲート電極が不活性化され、かつ、前記第2のゲート電極が活性化されているとき、前記第1の電荷保持回路に漏洩する電荷を前記ビット線対の一方に放電し、
    前記第2のアクセストランジスタは、前記第1のゲート電極が活性化されているとき、前記ビット線対の他方と前記第2の電荷保持回路との間で前記反転データに対応する電荷をやり取りし、前記第1のゲート電極が不活性化され、かつ、前記第2のゲート電極が活性化されているとき、前記第2の電荷保持回路に漏洩する電荷を前記ビット線対の他方に放電する、半導体記憶装置。
  2. 前記第1のゲート電極が不活性化されているとき、前記ビット線対は、接地電位に設定される、請求項1に記載の半導体記憶装置。
  3. 活性化された前記第1および第2の電荷補填回路の各々は、前記第1および第2のゲート電極がいずれも不活性化されているときに前記第1または第2のアクセストランジスタから漏洩する第1の電流よりも大きい電流を前記第1または第2のノードへ供給し、
    前記第1および第2のアクセストランジスタの各々は、前記第1のゲート電極が不活性化され、かつ、前記第2のゲート電極が活性化されているとき、不活性化された前記第1または第2の電荷補填回路から漏洩する第2の電流よりも大きい電流を前記第1または第2のノードから対応する前記ビット線へ流す、請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置。
  4. 前記第1および第2の電荷補填回路の各々は、活性化時、前記第1の電流の10倍以上の電流能力を有し、
    前記第1および第2のアクセストランジスタの各々は、前記第1のゲート電極が不活性化され、かつ、前記第2のゲート電極が活性化されているとき、前記第2の電流の10倍以上の電流能力を有する、請求項3に記載の半導体記憶装置。
  5. 前記第1および第2のアクセストランジスタの各々は、前記第1のゲート電極が不活性化され、かつ、前記第2のゲート電極が活性化されているとき、10−12〜10−9アンペアの電流能力を有する、請求項3または請求項4に記載の半導体記憶装置。
  6. 前記第1の電荷保持回路、前記第1のアクセストランジスタおよび前記第1の電荷補填回路からなる第1のデータ保持部、ならびに前記第2の電荷保持回路、前記第2のアクセストランジスタおよび前記第2の電荷補填回路からなる第2のデータ保持部は、同一のワード線に沿って配置され、
    前記第1および第2のアクセストランジスタの各々の第1のゲート電極は、前記同一のワード線に接続される、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  7. 前記第1および第2の電荷補填回路の各々は、ポリシリコンで形成された抵抗素子からなる、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  8. 前記第1および第2の電荷補填回路は、それぞれ前記第1および第2のノードにゲート電極が接続される第1および第2のpチャネル薄膜トランジスタからなる、請求項7に記載の半導体記憶装置。
  9. ワード線と、ビット線と、ノードに電荷を補填可能なように接続される電荷補填回路と、前記ビット線と前記電荷補填回路との間に接続されるアクセストランジスタとを備える半導体記憶装置であって、
    前記アクセストランジスタは、
    半導体基板上の主表面において、チャネル形成領域を規定するように所定の間隔を隔てて配置される一対の不純物領域と、
    前記半導体基板の上にゲート絶縁膜を介在し、前記チャネル形成領域に対向して設けられる第1のゲート電極と、
    前記第1のゲート電極に隣接して配置され、前記半導体基板の上にゲート絶縁膜を介在し、前記チャネル形成領域に対向して設けられる第2のゲート電極とを備え、
    前記アクセストランジスタの一方の不純物領域は、前記ビット線に接続され、前記アクセストランジスタの他方の不純物領域は、前記ノードに接続され、
    前記第1のゲート電極は、前記ワード線に接続され、
    前記第2のゲート電極は、前記電荷補填回路のON/OFF制御電極に接続される、半導体記憶装置。
  10. 前記第2のゲート電極は、前記第1のゲート電極の側壁領域に対して絶縁膜を介在して設けられる、請求項9に記載の半導体記憶装置。
  11. 前記第2のゲート電極は、前記第1のゲート電極の両側の側壁領域にそれぞれ設けられる、請求項10に記載の半導体記憶装置。
  12. 前記第1のゲート電極のゲート長は、前記第2のゲート電極のゲート長よりも長く設けられる、請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  13. 前記第1のゲート電極は、矩形断面形状を有し、
    前記第2のゲート電極は、断面が前記半導体基板側に向かうにしたがって幅が大きくなる断面形状を有する、請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  14. 前記第1のゲート電極は、前記半導体基板側に向かうにしたがって幅が狭くなるように両側面が傾斜する断面形状を有し、
    前記第2のゲート電極は、前記第1のゲート電極の前記側面に対向する面が前記第2のゲート電極の形状に沿って傾斜し、前記半導体基板側に向かうにしたがって幅が広くなる断面形状を有する、請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
  15. 前記第1のゲート電極は、矩形断面形状を有し、
    前記第2のゲート電極は、前記第1のゲート電極の一方の側壁側において、前記第1のゲート電極の上方にまで乗り上げる断面形状を有する、請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の半導体記憶装置。
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