JP3407232B2 - Semiconductor memory device and operation method thereof - Google Patents

Semiconductor memory device and operation method thereof

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JP3407232B2
JP3407232B2 JP02008995A JP2008995A JP3407232B2 JP 3407232 B2 JP3407232 B2 JP 3407232B2 JP 02008995 A JP02008995 A JP 02008995A JP 2008995 A JP2008995 A JP 2008995A JP 3407232 B2 JP3407232 B2 JP 3407232B2
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semiconductor memory
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/20DRAM devices comprising floating-body transistors, e.g. floating-body cells

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体記憶装置及びその
動作方法に関し、特に、電荷蓄積用のキャパシタを不要
とした1トランジスタメモリセルからなる多値記憶が可
能なダイナミックランダムアクセス型の半導体記憶装置
及びその動作方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of operating the same, and more particularly to a dynamic random access type semiconductor memory device capable of multi-valued storage composed of a one-transistor memory cell that does not require a capacitor for charge storage. And an operating method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体記憶装置としては、ダイナ
ミックランダムアクセスメモリ(DRAM)やスタティ
ックランダムアクセスメモリ(SRAM)等の半導体装
置が用いられており、特に、MISFETをスイッチン
グ素子として用いた半導体記憶装置が多く用いられてい
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a semiconductor memory device, a semiconductor device such as a dynamic random access memory (DRAM) or a static random access memory (SRAM) has been used. In particular, a semiconductor memory device using a MISFET as a switching element. Is often used.

【0003】このうち、典型的なDRAMのメモリセル
は、スイッチング素子としての一個のMISFETと電
荷を蓄積するための一個のキャパシタから構成されてお
り、キャパシタに電荷が蓄えられてビット線の電位が高
い状態と電荷がなくてビット線の電位が低い状態とで、
夫々の状態を“0”と“1”に記憶している。
Of these, a typical DRAM memory cell is composed of one MISFET as a switching element and one capacitor for accumulating electric charge. The electric charge is accumulated in the capacitor and the potential of the bit line is changed. In the high state and the state where there is no charge and the bit line potential is low,
The respective states are stored in "0" and "1".

【0004】近年、半導体記憶装置の集積度の向上に伴
って、スイッチング素子と共にキャパシタの2次元的面
積を小さくすることが要請されているが、面積が小さく
なると蓄積電荷量が少なくなるためキャパシタが保持で
きる電位が低下する。そうすると、ビット線の電位の高
低差が小さくなるため記憶データの読出が困難となり、
また、α線等に起因するソフトエラーに対しても弱くな
る問題があった。
In recent years, as the integration degree of semiconductor memory devices has been improved, it has been required to reduce the two-dimensional area of the capacitor together with the switching element. The potential that can be held decreases. Then, the difference in height of the bit line potential becomes small, so that it becomes difficult to read the stored data.
Further, there is a problem that it becomes weak against a soft error caused by α ray or the like.

【0005】このような問題を改善するために、キャパ
シタの面積を3次元的に大きくしてキャパシタの蓄積電
荷量を多くするスタック型キャパシタ、フィン型キャパ
シタ、或いは、トレンチ型キャパシタ等が開発され、さ
らに、誘電率を大きくして蓄積電荷量を多くするため
に、高誘電率の絶縁膜を用いたキャパシタも開発されて
いる。
In order to solve such a problem, a stack type capacitor, a fin type capacitor, a trench type capacitor, etc. have been developed in which the area of the capacitor is increased three-dimensionally to increase the accumulated charge amount of the capacitor. Furthermore, a capacitor using an insulating film having a high dielectric constant has been developed in order to increase the dielectric constant and increase the amount of accumulated charges.

【0006】しかし、微細化がさらに進行すると、3次
元的キャパシタを用いた場合には、素子の段差が大きく
なり平坦化が困難になると共に、キャパシタにかかる応
力が大きくなり、絶縁破壊の影響により製造歩留りが低
下し、また、信頼性が低下するという問題が生じてい
る。一方、高誘電率の絶縁膜を用いた場合には、絶縁膜
の薄膜化に伴ってリーク電流が増大するという問題があ
った。
However, as miniaturization progresses further, when a three-dimensional capacitor is used, the step difference of the element becomes large and it becomes difficult to flatten the surface, and the stress applied to the capacitor becomes large, which causes the influence of dielectric breakdown. There is a problem that the manufacturing yield is lowered and the reliability is lowered. On the other hand, when an insulating film having a high dielectric constant is used, there is a problem that the leak current increases as the insulating film becomes thinner.

【0007】そこで、本出願人は、このような問題を解
決するために、以下に示す種々の提案を行っている。第
1の提案(特開昭54−5635号公報)は、絶縁分離
されたSOS(Silicon on Sapphir
e)構造の島状領域に形成したnチャネル型のMISF
ETのみを用いて、データを記憶する半導体記憶装置に
関するものである。
Therefore, the present applicant has made the following various proposals in order to solve such a problem. The first proposal (Japanese Unexamined Patent Publication No. 54-5635) discloses an SOS (Silicon on Sapphire) which is isolated.
e) n-channel MISF formed in the island region of the structure
The present invention relates to a semiconductor memory device that stores data using only ET.

【0008】この半導体記憶装置は、ゲートに正電圧を
印加してチャネルを生成したのち、正電圧を急激に遮断
してチャネル内に流れていた電子を半導体基板内に注入
するチャージポンプ現象を用いて電荷をMISFETの
みで書込・保持するものであり、また、半導体基板のチ
ャネルコンダクタンスの変化を読み取ることによって、
保持データの読出を行うものである。
This semiconductor memory device uses a charge pump phenomenon in which a positive voltage is applied to the gate to generate a channel, and then the positive voltage is rapidly cut off to inject electrons flowing in the channel into the semiconductor substrate. The charge is written and held only by the MISFET, and by reading the change in the channel conductance of the semiconductor substrate,
The held data is read out.

【0009】また、第2の提案(特開昭56−1506
3号公報)は、第1の提案を改良したもので、サファイ
ア基板上に高不純物濃度シリコン層を介して低不純物濃
度シリコン層をエピタキシャル成長させ、この低不純物
濃度シリコン層内にソース・ドレイン領域を形成するも
のであり、第1の提案に比べてソース・ドレイン領域を
設ける低不純物濃度シリコン層の結晶欠陥が少なくなる
ことにより、注入された電荷のライフタイムは長くな
り、リフレッシュ動作を減らすことができる。
The second proposal (Japanese Patent Laid-Open No. 56-1506).
3) is a modification of the first proposal, in which a low impurity concentration silicon layer is epitaxially grown on a sapphire substrate through a high impurity concentration silicon layer, and a source / drain region is formed in the low impurity concentration silicon layer. As compared with the first proposal, the number of crystal defects in the low impurity concentration silicon layer in which the source / drain regions are provided is reduced, so that the lifetime of the injected charges becomes longer and the refresh operation can be reduced. it can.

【0010】さらに、第3の提案(特開平6−1638
95号公報)は、SOI(Silicon on In
sulator)構造のnチャネル型MISFETを用
いたものであり、半導体支持基板と半導体層を分離する
埋込酸化膜中に多結晶シリコン層を埋め込み、このフロ
ーティングゲートとして作用する多結晶シリコン層中に
ドレイン・アバランシェブレークダウンによって生成し
た電子を注入するものであり、蓄積電荷の有無によって
MISFETのしきい値電圧を変化させるものである。
Further, a third proposal (Japanese Patent Laid-Open No. 6-1638)
No. 95) is SOI (Silicon on In).
A n-channel type MISFET having a slater structure is used, a polycrystalline silicon layer is embedded in a buried oxide film separating a semiconductor supporting substrate and a semiconductor layer, and a drain is formed in the polycrystalline silicon layer acting as a floating gate. -Injects electrons generated by avalanche breakdown, and changes the threshold voltage of the MISFET depending on the presence or absence of accumulated charges.

【0011】この第3の提案は、半導体記憶装置のメモ
リセルを構成するものとしては意図されていないが、原
理的には、EPROM或いはEEPROM的な半導体記
憶装置として使用し得るものである。
The third proposal is not intended to constitute a memory cell of a semiconductor memory device, but in principle, it can be used as an EPROM or EEPROM type semiconductor memory device.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかし、第1の提案及
び第2の提案の場合には、蓄積される電荷がソース・ド
レイン領域の導電型と同導電型の電荷であるため、ソー
ス・ドレイン領域と反対導電型の蓄積領域中において、
この蓄積領域の多数キャリアである正孔と再結合して消
滅するので、電荷の保持時間は約100μ秒程度と短
く、頻繁なリフレッシュ動作を必要とする問題があり、
保持時間を長くするためには液体窒素温度に冷却して使
用する必要があった。
However, in the case of the first and second proposals, since the accumulated charge is of the same conductivity type as the conductivity type of the source / drain regions, the source / drain In a storage region of opposite conductivity type to the region,
Since it recombines with holes, which are the majority carriers in this accumulation region, and disappears, the charge retention time is as short as about 100 μsec, and there is a problem that frequent refresh operations are required.
In order to prolong the holding time, it was necessary to cool to liquid nitrogen temperature before use.

【0013】また、第3の提案は、EPROM或いはE
EPROM的な構成であるため、半導体記憶装置として
使用した場合には、紫外線照射や加熱によってデータを
消去するか、或いは、高電圧を印加して電気的に消去す
る必要があるため、消去時間が長くなったり、或いは、
高電圧を必要とする問題がある。
The third proposal is EPROM or E
Since it has an EPROM-like structure, when it is used as a semiconductor memory device, it is necessary to erase data by ultraviolet irradiation or heating, or to electrically erase by applying a high voltage. Longer, or
There is a problem that requires high voltage.

【0014】したがって、本発明は、一個のMISFE
Tのみを用いてメモリセルを構成する際に、液体窒素温
度に冷却することなく電荷の保持時間を長くし、且つ、
消去時間を大幅に短縮し、さらに、多値記憶を可能にす
ることを目的とする。
Therefore, the present invention provides a single MISFE.
When forming a memory cell using only T, the charge retention time is lengthened without cooling to the liquid nitrogen temperature, and
The purpose of the present invention is to significantly reduce the erase time and to enable multi-value storage.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】図1は本発明の半導体記
憶装置を構成するメモリセルの原理的構成の説明図であ
り、この図1を参照して本発明における課題を解決する
ための手段を説明する。なお、図1(a)はメモリセル
の断面図であり、図1(b)は図1(a)のメモリセル
の等価回路であり、また、図1(c)は図1(a)のメ
モリセルのVd−Id 特性を示す特性曲線である。
FIG. 1 is an explanatory view of a principle structure of a memory cell which constitutes a semiconductor memory device of the present invention. With reference to FIG. 1, means for solving the problem of the present invention is shown. Will be explained. 1A is a cross-sectional view of the memory cell, FIG. 1B is an equivalent circuit of the memory cell of FIG. 1A, and FIG. 1C is of the equivalent circuit of FIG. 7 is a characteristic curve showing a V d -I d characteristic of a memory cell.

【0016】図1(a)参照 本発明は、半導体記憶装置において、支持基板1上に絶
縁膜2を介して設けられ、且つ、隣接する領域から完全
に電気的に絶縁分離された厚さ0.1μm以上の複数の
半導体島状領域3に夫々1つのMISFETを設け、且
つ、MISFETのソース・ドレイン領域7,8と反対
導電型の電荷からなるデータ記憶のための電荷12をM
ISFETのソース・ドレイン領域7,8間の電気的に
浮遊した領域11に蓄積することを特徴とする。
Referring to FIG. 1A, according to the present invention, in a semiconductor memory device, a thickness 0 is provided on a supporting substrate 1 with an insulating film 2 interposed therebetween, and is completely electrically insulated and separated from an adjacent region. 1. One MISFET is provided in each of the plurality of semiconductor island regions 3 having a size of 1 μm or more, and the charge 12 for storing data, which is composed of charges of the opposite conductivity type to the source / drain regions 7 and 8 of the MISFET, is M.
It is characterized by accumulating in an electrically floating region 11 between the source / drain regions 7 and 8 of the ISFET.

【0017】図1(b)参照 また、本発明は、支持基板1上に絶縁膜2を介して設け
られ、且つ、隣接する領域から完全に電気的に絶縁分離
された厚さ0.1μm以上の複数の半導体島状領域3に
夫々1つのnチャネル型MISFETを設け、且つ、M
ISFETのソース・ドレイン領域7,8と反対導電型
の電荷からなるデータ記憶のための電荷12をMISF
ETのソース・ドレイン領域7,8間の電気的に浮遊し
た領域11に蓄積するようにした半導体記憶装置の動作
方法において、ホールド線13に接続されているソース
領域7に対し、ビット線14に接続されているドレイン
領域8の電圧が正になるように電圧を印加すると共に、
ワード線15に接続されているゲート電極6にチャネル
領域9の表面がn型に反転するような電位を選択的に印
加してデータの書込みを行うことを特徴とする。
See FIG. 1B. Further, according to the present invention, a thickness of 0.1 μm or more, which is provided on the support substrate 1 via the insulating film 2 and is completely electrically isolated from the adjacent region, is provided. A plurality of semiconductor island regions 3 are each provided with one n-channel type MISFET, and M
The MISF charges 12 for storing data, which are charges of the opposite conductivity type to the source / drain regions 7 and 8 of the ISFET, are provided.
In the operation method of the semiconductor memory device in which the electric charge is accumulated in the electrically floating region 11 between the source / drain regions 7 and 8 of the ET, in the bit line 14 with respect to the source region 7 connected to the hold line 13, A voltage is applied so that the voltage of the connected drain region 8 becomes positive, and
Data is written by selectively applying to the gate electrode 6 connected to the word line 15 a potential such that the surface of the channel region 9 is inverted into n-type.

【0018】また、本発明は、半導体記憶装置の動作方
法において、支持基板1に正電位を印加した状態でデー
タの書込みを行うことを特徴とする。また、本発明は、
半導体記憶装置の動作方法において、ワード線15に印
加する正電位が2つ以上の値を持つことを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that in the method of operating a semiconductor memory device, data writing is performed with a positive potential applied to the supporting substrate 1. Further, the present invention is
The method of operating a semiconductor memory device is characterized in that the positive potential applied to the word line 15 has two or more values.

【0019】また、本発明は、半導体記憶装置の動作方
法において、ビット線14とホールド線13とが同一電
位で電気的に浮遊した領域11に対して正電位になるよ
うに電圧を印加し、且つ、ワード線15を電気的に浮遊
した領域11に対して零または正電位となるように電圧
を印加してデータの保持を行うことを特徴とする。
Further, according to the present invention, in the method of operating a semiconductor memory device, a voltage is applied so that the bit line 14 and the hold line 13 have a positive potential with respect to the region 11 in which they are electrically floating at the same potential. In addition, the word line 15 is characterized in that a voltage is applied to the electrically floating region 11 so as to be zero or a positive potential to hold data.

【0020】また、本発明は、半導体記憶装置の動作方
法において、支持基板1にホールド線13と同一周期で
且つ零または同極性の電位を印加してデータの保持を行
うことを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that in the method of operating a semiconductor memory device, data is held by applying a potential of zero or the same polarity to the support substrate 1 at the same cycle as the hold line 13.

【0021】また、本発明は、半導体記憶装置の動作方
法において、ホールド線13に対してビット線14が正
電位となるように電圧を印加し、且つ、ワード線15を
電気的に浮遊した領域11に対して零または負電位とな
るように電圧を印加してデータの読出を行うことを特徴
とする。
Further, according to the present invention, in the method of operating a semiconductor memory device, a voltage is applied to the hold line 13 so that the bit line 14 has a positive potential and the word line 15 is electrically floating. Data is read by applying a voltage to 11 so as to be zero or a negative potential.

【0022】また、本発明は、半導体記憶装置の動作方
法において、ホールド線13、ビット線14、及び、ワ
ード線15の全てを零電位にしてデータの消去を行うこ
とを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that, in the method of operating a semiconductor memory device, all of the hold line 13, the bit line 14 and the word line 15 are set to zero potential to erase data.

【0023】[0023]

【作用】次に、同じく図1を参照して本発明の作用を説
明する。 図1(a)参照 支持基板1上に分離絶縁膜となる絶縁膜2を介して設け
られ、且つ、隣接する領域から完全に電気的に絶縁分離
された複数の半導体島状領域3の厚さを0.1μm以上
にすることによって、この半導体島状領域3に夫々1つ
のMISFETを設た場合、MISFETのソース・ド
レイン領域7,8間のチャネル領域9に発生する空乏層
10が及ばない電気的に浮遊した領域11が形成され
る。この電気的に浮遊した領域11にMISFETのソ
ース・ドレイン領域7,8と反対導電型の電荷からなる
データ記憶のための電荷12を蓄積することによって1
つのMISFETのみによってデータを長く記憶するこ
とができる。
Next, the operation of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A: Thicknesses of a plurality of semiconductor island-shaped regions 3 provided on a reference support substrate 1 with an insulating film 2 serving as an isolation insulating film interposed therebetween and completely electrically insulated and separated from adjacent regions. Is 0.1 μm or more, and when one MISFET is provided in each of the semiconductor island regions 3, the depletion layer 10 generated in the channel region 9 between the source / drain regions 7 and 8 of the MISFET does not reach the electric field. A region 11 that is electrically floating is formed. By accumulating a charge 12 for storing data, which is composed of a charge having a conductivity type opposite to that of the source / drain regions 7 and 8 of the MISFET, in the electrically floating region 11.
Data can be stored for a long time with only one MISFET.

【0024】また、ホールド線13に接続されているソ
ース領域7に対し、ビット線14に接続されているドレ
イン領域8の電圧が正になるように電圧を印加すると共
に、ワード線15に接続されているゲート電極6にチャ
ネル領域9の表面がn型に反転するような電位を選択的
に印加することによって電子(e- )はドレイン領域8
側に走行し、ドレイン領域8近傍において衝突電離を起
こして電子−正孔対を形成する。
A voltage is applied to the source region 7 connected to the hold line 13 so that the voltage of the drain region 8 connected to the bit line 14 becomes positive, and the source region 7 is connected to the word line 15. Electrons (e ) are generated in the drain region 8 by selectively applying a potential such that the surface of the channel region 9 is inverted to the n-type to the existing gate electrode 6.
Traveling toward the side, collision ionization occurs in the vicinity of the drain region 8 to form an electron-hole pair.

【0025】この電子−正孔対の内の移動度の大きな電
子はゲート電界とドレイン電界とによってゲート電極6
及びドレイン領域8に抜けてしまうが、移動度の小さな
正孔(e+ )12はソース領域7に抜けずにチャネル領
域9に発生する空乏層10が及ばない電気的に浮遊した
領域11に留まることによって、データが書き込まれる
ことになる。
Electrons having high mobility in the electron-hole pairs are generated by the gate electric field and the drain electric field.
However, holes (e + ) 12 having a low mobility do not escape to the source region 7 but remain in the electrically floating region 11 beyond the depletion layer 10 generated in the channel region 9. Thus, the data will be written.

【0026】また、支持基板1に正電位を印加した状態
でデータの書込みを行うことにより、書込時に正孔12
をクーロン斥力によって界面準位の多い支持基板界面か
ら遠ざけることができるので、蓄積されるべき正孔12
が界面準位によって減少することを防止することができ
る。また、ワード線15に印加する正電位を2つ以上の
値を持つようにすることによって多値記憶が可能にな
る。
Further, by writing data in a state where a positive potential is applied to the supporting substrate 1, holes 12 are written at the time of writing.
Can be moved away from the supporting substrate interface with many interface states by the Coulomb repulsive force.
Can be prevented from decreasing due to the interface state. Further, by setting the positive potential applied to the word line 15 to have two or more values, multi-value storage becomes possible.

【0027】また、ビット線14とホールド線13とが
同一電位で且つ電荷蓄積領域である電気的に浮遊した領
域11に対して正電位になるように電圧を印加してソー
ス領域7及びドレイン領域8の正孔12に対するポテン
シャル・バリアを高くすることによって、蓄積された正
孔12がn+ 型のソース・ドレイン領域7,8に拡散し
て再結合によって消滅することを防止すると共に、ワー
ド線15を電気的に浮遊した領域11に対して零または
正電位となるように電圧を印加することによって、蓄積
された正孔12がゲート絶縁膜界面に拡散して消滅する
ことを防止し、保持時間を長くすることができる。
Further, a voltage is applied so that the bit line 14 and the hold line 13 have the same potential and a positive potential with respect to the electrically floating region 11 which is a charge storage region, and the source region 7 and the drain region. By increasing the potential barrier of the holes 12 to the holes 12, the accumulated holes 12 are prevented from diffusing into the n + type source / drain regions 7 and 8 and disappearing by recombination, and at the same time, the word line A voltage is applied to the electrically floating region 11 so as to be zero or a positive potential, whereby the accumulated holes 12 are prevented from diffusing and disappearing at the interface of the gate insulating film, and are retained. The time can be lengthened.

【0028】また、支持基板1にホールド線13と同一
周期で且つ零または同極性の電位を印加することによっ
て、蓄積された正孔12を界面準位の多い支持基板界面
から遠ざけることができるので、さらに、保持時間を長
くすることができる。
Further, by applying a potential of zero or the same polarity as the hold line 13 to the supporting substrate 1, the accumulated holes 12 can be kept away from the supporting substrate interface having many interface states. Further, the holding time can be extended.

【0029】また、ホールド線13に対してビット線1
4が正電位となるように電圧を印加し、且つ、ワード線
15を電気的に浮遊した領域11に対して零または負電
位となるように電圧を印加すると、正孔12の蓄積によ
りチャネル領域9のソース領域7に対するポテンシャル
バリアが低下して正帰還がかかり、ソース領域7をエミ
ッタ、チャネル領域9をベース、及び、ドレイン領域8
をコレクタとする横型のnpnバイポーラトランジスタ
が動作し、このBip動作によって流れるコレクタ電流
を検出することによってデータの読出を行うことができ
る。
In addition, the bit line 1 with respect to the hold line 13
When a voltage is applied so that 4 has a positive potential, and a voltage is applied with respect to the electrically floating region 11 of the word line 15 to zero or a negative potential, holes 12 are accumulated and the channel region is accumulated. The potential barrier of the source region 7 to the source region 7 is lowered and positive feedback is applied, and the source region 7 is the emitter, the channel region 9 is the base, and the drain region 8 is
A horizontal npn bipolar transistor having a collector as a transistor operates, and data can be read by detecting a collector current flowing by this Bip operation.

【0030】この場合のコレクタ電流Id (IC )は、
正孔電流量IB のhFE倍で表され、この正孔電流量IB
は蓄積する正孔濃度に依存するものである。なお、この
FE(≡IC /IB )の値は数十〜数百であるが、ベー
ス領域、即ち、チャネル領域の長さと不純物濃度に依存
し、また、コレクタ電流Id (IC)は、ドレイン電圧
とゲート電圧とに依存する。
In this case, the collector current I d (I C ) is
The hole current amount I B is represented by h FE times the hole current amount I B.
Depends on the concentration of accumulated holes. Although this value of h FE (≡I C / I B ) is several tens to several hundreds, the base region, i.e., depending on the length and the impurity concentration of the channel region, the collector current I d (I C ) Depends on the drain voltage and the gate voltage.

【0031】図1(c)参照 図1(c)は、Vd −Id 特性を示したものであり、衝
突電離によって発生した正孔はドレイン電圧Vd の増加
に伴って増加し、チャネル領域のポテンシャルが低下す
ることによってBip動作を開始する。この場合、ゲー
ト電圧Vg が低いと反転層のキャリア濃度が少ないので
衝突電離の確率が低下し、正孔の発生量が低下するの
で、コレクタ電流Id (IC )も制限されて低下する。
See FIG. 1C. FIG. 1C shows the V d -I d characteristic, in which the holes generated by impact ionization increase as the drain voltage V d increases, and the channel. The Bip operation is started when the potential of the region decreases. In this case, if the gate voltage V g is low, the carrier concentration in the inversion layer is low, so the probability of impact ionization is reduced, and the amount of holes generated is reduced, so that the collector current I d (I C ) is also limited and reduced. .

【0032】また、ホールド線13、ビット線14、及
び、ワード線15の全てを零電位にすることによって、
正孔12を拡散電流としてn+ 型領域であるソース・ド
レイン領域7,8に流し、再結合によって消滅させるこ
とによって、データの消去を行うことができる。
Further, by setting all of the hold line 13, the bit line 14, and the word line 15 to zero potential,
Data can be erased by causing the holes 12 to flow as diffusion currents in the source / drain regions 7 and 8 which are n + -type regions and disappear by recombination.

【0033】[0033]

【実施例】本発明の半導体記憶装置の製造方法に関する
第1の実施例である、SIMOX(Separatio
n by IMplanted OXygen)法を用
いた製造工程を図2乃至図4を参照して説明する。な
お、図3及び図4は、ウェハ状態を示す図2における1
つのメモリセルに対応する一部領域を拡大したものであ
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A SIMOX (Separatio) which is a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.
A manufacturing process using the n by IMplanted OXygen) method will be described with reference to FIGS. 2 to 4. 3 and 4 show the state of the wafer in FIG.
This is an enlarged partial area corresponding to one memory cell.

【0034】図2(a)参照 まず、ボロン濃度が1.35×1015cm-3で厚さが6
00μmのシリコン半導体基板16に、200KeVの
加速電圧で、1.8×1018cm-2のドーズ量で酸素イ
オン17を注入することによって、深さ0.4μmの位
置にイオン注入層18を形成する。
Referring to FIG. 2A, first, the boron concentration is 1.35 × 10 15 cm −3 and the thickness is 6
By implanting oxygen ions 17 into a silicon semiconductor substrate 16 of 00 μm at an acceleration voltage of 200 KeV with a dose amount of 1.8 × 10 18 cm −2 , an ion implantation layer 18 is formed at a position of 0.4 μm in depth. To do.

【0035】図2(b)参照 次いで、アルゴンガス雰囲気中において、基板温度を1
320℃とした状態で6時間熱処理をすることによっ
て、注入した酸素イオン17とSiとを結合させて、厚
さ0.4μmのSiO2 層19及び厚さ0.3μmのシ
リコン半導体層20を形成して、SOI構造を形成す
る。
Next, referring to FIG. 2B, the substrate temperature is set to 1 in an argon gas atmosphere.
By performing heat treatment at 320 ° C. for 6 hours, the implanted oxygen ions 17 and Si are combined to form a SiO 2 layer 19 having a thickness of 0.4 μm and a silicon semiconductor layer 20 having a thickness of 0.3 μm. Then, an SOI structure is formed.

【0036】図3(c)参照 次いで、シリコン半導体層20の表面に熱酸化によって
50Åのパッド酸化膜21を形成したのち、CVD法に
よって0.1μmのSi3 4 膜22を堆積させ、次い
で、レジスト層を塗布しパターニングすることによって
形成したレジストマスク23をマスクとして60KeV
の加速電圧で、5×1013cm-2のドーズ量でBイオン
24をイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 3C, a pad oxide film 21 of 50 Å is formed on the surface of the silicon semiconductor layer 20 by thermal oxidation, and then a Si 3 N 4 film 22 of 0.1 μm is deposited by the CVD method. , 60 KeV using the resist mask 23 formed by applying and patterning a resist layer as a mask
The B ions 24 are ion-implanted at a dose amount of 5 × 10 13 cm -2 with the acceleration voltage of.

【0037】図3(d)参照 次いで、レジストマスクを利用してSi3 4 膜22を
エッチングして、選択酸化用マスクを形成したのち、レ
ジストマスクを除去し、次いで、1000℃のウェット
酸化雰囲気中で熱酸化することによって0.6μmの素
子分離酸化膜25を形成する。この場合、注入したBの
一部は素子分離酸化膜25とシリコン半導体層20の界
面に析出してチャネル・ストッパー(図示せず)とな
る。
Next, as shown in FIG. 3D, the Si 3 N 4 film 22 is etched using a resist mask to form a selective oxidation mask, the resist mask is removed, and then wet oxidation at 1000 ° C. is performed. A 0.6 μm element isolation oxide film 25 is formed by thermal oxidation in an atmosphere. In this case, a part of the injected B is deposited on the interface between the element isolation oxide film 25 and the silicon semiconductor layer 20 and becomes a channel stopper (not shown).

【0038】図3(e)参照 次いで、選択酸化用マスク及びパッド酸化膜を除去した
のち、熱酸化によって50Åのゲート酸化膜26を形成
し、次いで、しきい値Vthを制御するために25KeV
の加速電圧で、1.5×1012cm-2のドーズ量でBイ
オン27をイオン注入する。
Next, after removing the selective oxidation mask and the pad oxide film, a gate oxide film 26 of 50Å is formed by thermal oxidation, and then 25 KeV for controlling the threshold V th.
The B ions 27 are ion-implanted at a dose amount of 1.5 × 10 12 cm −2 at the acceleration voltage of.

【0039】図4(f)参照 次いで、厚さ0.2μmの多結晶シリコンを堆積させ、
Pを1×1020cm-3にドープしたのち、所定パターン
のレジストマスク(図示せず)をマスクとして多結晶シ
リコンをパターニングすることによってゲート電極28
を形成する。
Next, referring to FIG. 4 (f), 0.2 μm thick polycrystalline silicon is deposited,
After doping P to 1 × 10 20 cm −3 , the polycrystalline silicon is patterned using a resist mask (not shown) having a predetermined pattern as a mask to form the gate electrode 28.
To form.

【0040】図4(g)参照 次いで、レジストマスクを除去したのち、20KeVの
加速電圧で、5×10 15cm-2のドーズ量でAsイオン
29をイオン注入し、窒素雰囲気中で800℃で20分
間熱処理をすることによって注入したAsイオンを活性
化してソース・ドレイン領域30,31を形成する。
See FIG. 4 (g). Then, after removing the resist mask, 20 KeV
5 × 10 at accelerating voltage 15cm-2As ion with a dose of
29 ion-implanted, nitrogen atmosphere at 800 ℃ 20 minutes
Activated As ions by heat treatment during
Source / drain regions 30 and 31 are formed.

【0041】図4(h)参照 最後に、PSG(フォスフォシリケート・グラス)膜3
2を堆積させて、このPSG膜32にコンタクトホール
を形成し、次いで、全面にアルミニウム層を蒸着したの
ちパターニングしてソース・ドレイン電極33,34及
びそれに接続する配線層(図示せず)を形成してメモリ
セルが完成する。
Finally, refer to FIG. 4 (h). Finally, PSG (phosphosilicate glass) film 3
2 is deposited to form a contact hole in the PSG film 32, and then an aluminum layer is vapor-deposited on the entire surface and then patterned to form source / drain electrodes 33 and 34 and a wiring layer (not shown) connected thereto. Then, the memory cell is completed.

【0042】従来のDRAMにおいては、MISFET
の占有面積を1とした場合、キャパシタの占有面積は
0.5程度であり、メモリセル全体としては1.5の占
有面積を必要としていたのに対して、本発明の半導体記
憶装置は1つのMISFETのみによって1つのメモリ
セルを構成することができるので、その占有面積は1と
なり、記憶密度は1.5倍に向上する。
In a conventional DRAM, MISFET
When the area occupied by the capacitor is 1, the area occupied by the capacitor is about 0.5, and the area occupied by the entire memory cell is required to be 1.5, whereas the semiconductor memory device of the present invention has one area. Since only one MISFET can form one memory cell, its occupied area is 1, and the storage density is improved by 1.5 times.

【0043】次に、図5を参照して、基板貼り合わせ法
を用いた本発明の第2の実施例の製造工程を説明する。 図5(a)参照 まず、ボロン濃度が1.35×1015cm-3で厚さが6
00μmの第1のシリコン半導体基板35をウェットO
2 雰囲気中において、1100℃の基板温度で1時間熱
処理することによって、表面に0.6μmの厚さのSi
2 膜36を形成する。
Next, the manufacturing process of the second embodiment of the present invention using the substrate bonding method will be described with reference to FIG. See FIG. 5A. First, the boron concentration is 1.35 × 10 15 cm −3 and the thickness is 6
The first silicon semiconductor substrate 35 of 00 μm is wet O
By heat-treating at a substrate temperature of 1100 ° C. for 1 hour in 2 atmospheres, the surface of Si with a thickness of 0.6 μm is
An O 2 film 36 is formed.

【0044】図5(b)参照 次いで、ボロン濃度が1.35×1015cm-3で厚さが
600μmの第2のシリコン半導体基板37と第1のシ
リコン半導体基板35とを重ね合わせ、約50gcm-2
の加重をかけた状態でファンデルワールス力によって両
者を自然に接合させ、ドライO2 雰囲気中において、1
100℃の基板温度で2時間熱処理することによって、
両者を貼り合わせる。
Next, referring to FIG. 5B, the second silicon semiconductor substrate 37 and the first silicon semiconductor substrate 35 having a boron concentration of 1.35 × 10 15 cm −3 and a thickness of 600 μm are superposed on each other, 50gcm -2
Under the weight of, the two are naturally joined by Van der Waals force, and in a dry O 2 atmosphere, 1
By heat treatment at a substrate temperature of 100 ° C. for 2 hours,
Stick both.

【0045】図5(c)参照 次いで、第1のシリコン半導体基板35の表面を研削し
たのち研磨することによって、第1のシリコン半導体基
板35の厚さを0.5μmまで薄層化する。次いで、図
3(c)乃至図4(h)と同様の工程を経て、図4
(h)に示す構造と基本的に同様なメモリセルが完成す
る。
Next, referring to FIG. 5C, the surface of the first silicon semiconductor substrate 35 is ground and then polished to reduce the thickness of the first silicon semiconductor substrate 35 to 0.5 μm. Then, through the same steps as those in FIGS. 3C to 4H,
A memory cell basically similar to the structure shown in (h) is completed.

【0046】次に、図6を参照して、他の基板貼り合わ
せ法を用いた本発明の第3の実施例の製造工程を説明す
る。 図6(a)参照 まず、ボロン濃度が1.00×1019cm-3(比抵抗:
0.01Ω・cm)で厚さが600μmの高不純物濃度
シリコン半導体基板38の表面に、ボロン濃度が1.3
5×1015cm-3(比抵抗:10Ω・cm)の低不純物
濃度シリコン半導体層39を0.3μmエピタキシャル
成長させる。
Next, with reference to FIG. 6, a manufacturing process of the third embodiment of the present invention using another substrate bonding method will be described. See FIG. 6A. First, the boron concentration is 1.00 × 10 19 cm −3 (specific resistance:
0.01 Ω · cm) and a thickness of 600 μm on the surface of the high impurity concentration silicon semiconductor substrate 38, the boron concentration is 1.3
A low impurity concentration silicon semiconductor layer 39 of 5 × 10 15 cm −3 (specific resistance: 10 Ω · cm) is epitaxially grown to 0.3 μm.

【0047】図6(b)参照 次いで、表面に0.5μmのSiO2 膜41を形成した
不純物濃度が1.35×1015cm-3で厚さが600μ
mのシリコン半導体基板40と高不純物濃度シリコン半
導体基板38とを重ね合わせ、約50gcm-2の加重を
かけた状態でファンデルワールス力によって両者を自然
に接合させ、ドライO2 雰囲気中において、1000℃
の基板温度で1時間熱処理することによって、両者を貼
り合わせる。
Next, referring to FIG. 6B, a 0.5 μm SiO 2 film 41 is formed on the surface, the impurity concentration is 1.35 × 10 15 cm −3 , and the thickness is 600 μm.
m of the silicon semiconductor substrate 40 and the high-impurity concentration silicon semiconductor substrate 38 are superposed on each other, and the two are naturally joined by Van der Waals force while applying a weight of about 50 gcm −2 , and the two are subjected to 1000 in a dry O 2 atmosphere. ℃
The two are pasted together by heat treatment at the substrate temperature of 1 hour.

【0048】図6(c)参照 次いで、低不純物濃度シリコン半導体層39を形成した
高不純物濃度シリコン半導体基板38表面を研削して2
00μmの厚さにしたのち、HFとHNO3 からなるエ
ッチング液を用いて高不純物濃度シリコン半導体基板3
8のみを選択的にエッチング除去して0.3μmの厚さ
の低不純物濃度シリコン半導体層39を残存させる。次
いで、図3(c)乃至図4(h)と同様の工程を経て、
図4(h)に示す構造と基本的に同様なメモリセルが完
成する。
Next, referring to FIG. 6C, the surface of the high impurity concentration silicon semiconductor substrate 38 having the low impurity concentration silicon semiconductor layer 39 formed thereon is ground to 2
After the thickness of 00μm, HF and HNO 3 high impurity concentration silicon semiconductor substrate 3 using an etching solution consisting of
Only 8 is selectively removed by etching to leave the low impurity concentration silicon semiconductor layer 39 having a thickness of 0.3 μm. Then, through the same steps as in FIGS. 3C to 4H,
A memory cell basically similar to the structure shown in FIG. 4H is completed.

【0049】なお、上記各実施例において、シリコン層
の厚さを0.3μm或いは0.5μmで説明している
が、この厚さは、メモリセルを形成した際に、ソース・
ドレイン領域間のチャネル領域に発生する空乏層10が
及ばない電気的に浮遊した領域が形成される厚さ、即
ち、0.1μm以上であれば良いものである。
Although the thickness of the silicon layer is described as 0.3 μm or 0.5 μm in each of the above-mentioned embodiments, this thickness does not depend on the source / source when the memory cell is formed.
It suffices that the thickness is not less than 0.1 μm, that is, the thickness at which an electrically floating region that is not covered by the depletion layer 10 generated in the channel region between the drain regions is formed.

【0050】また、分離用絶縁膜(図2の19、図5の
36、図6の41)の厚さとして、0.4μm乃至0.
6μmを採用しているが、これらの数値に限られるもの
ではない。また、ゲート絶縁膜及びゲート電極の厚さと
しては50Å及び0.2μmで説明しているが、これら
の数値に限られるものではなく、夫々45Å乃至55Å
及び0.18乃至0.22であれば良く、さらに、ゲー
ト電極となる多結晶シリコンにドープするPの濃度は2
×1020cm-3以下であれば良い。
The thickness of the isolation insulating film (19 in FIG. 2, 36 in FIG. 5, 41 in FIG. 6) is 0.4 μm to 0.
Although 6 μm is adopted, it is not limited to these numerical values. Further, the thickness of the gate insulating film and the gate electrode is described as 50 Å and 0.2 μm, but the thickness is not limited to these values, and 45 Å to 55 Å respectively.
And 0.18 to 0.22, and the concentration of P doped in the polycrystalline silicon that becomes the gate electrode is 2
It may be × 10 20 cm -3 or less.

【0051】また、チャネル領域のB濃度は6×1016
cm-3乃至6×1017cm-3、好適には3.3×1017
cm-3であれば良く、ソース・ドレイン領域の深さは
0.15μm以下、好適には0.1μmであれば良く、
ソース・ドレイン領域の不純物濃度は6×1019乃至5
×1020cm-3、好適には3.3×1020cm-3であれ
ば良く、さらに、チャネル長は0.15μm以上であれ
ば良い。
The B concentration in the channel region is 6 × 10 16.
cm −3 to 6 × 10 17 cm −3 , preferably 3.3 × 10 17
cm −3 , the depth of the source / drain region is 0.15 μm or less, preferably 0.1 μm,
The impurity concentration of the source / drain region is 6 × 10 19 to 5
× 10 20 cm -3, preferably may be a 3.3 × 10 20 cm -3, further, the channel length may be at 0.15μm or more.

【0052】次に、図7を参照して、本発明のnチャネ
ル型MISFETを用いた半導体記憶装置の動作方法の
内の最も基本的な第1の実施例を説明する。 図7(a)参照 図7(a)は、本発明の半導体記憶装置のデータの書込
時、データの保持時、データの読出時、及び、データの
消去時における、各ドレイン領域に接続するビット線、
ゲート電極に接続するワード線、及び、ソース領域に接
続するホールド線に印加する電圧(動作パルス)を示し
たものであり、上段が正孔を蓄積・保持する“0”の状
態における動作パルスを表し、下段が正孔を蓄積してい
ない“1”の状態における動作パルスを表す。
Next, with reference to FIG. 7, the most basic first embodiment of the operation method of the semiconductor memory device using the n-channel type MISFET of the present invention will be described. See FIG. 7A. FIG. 7A is connected to each drain region at the time of writing data, holding data, reading data, and erasing data in the semiconductor memory device of the present invention. Bit line,
The voltage (operation pulse) applied to the word line connected to the gate electrode and the hold line connected to the source region is shown, and the operation pulse in the state of “0” for accumulating and holding holes is shown in the upper stage. The lower part shows the operation pulse in the state of "1" in which holes are not accumulated.

【0053】まず、データの書込時には、“0”のデー
タを書き込むメモリセルのビット線及びワード線に正電
圧(図の場合には3V)を印加し、ホールド線を0Vに
してMISFETをONさせることによってドレイン近
傍において衝突電離を起こし、衝突電離によって発生し
た電子−正孔対の内の電子をゲート電極及びドレイン領
域に逃がすことによって正孔を半導体層内の電気的に浮
遊した領域に蓄積する。なお、“1”のデータを書き込
むメモリセル、即ち、正孔を蓄積させないメモリセルの
ワード線には反転層が生じないように0Vの電圧を印加
することによって、MISFETをOFF状態にすれば
良い。
First, at the time of data writing, a positive voltage (3V in the case of the figure) is applied to the bit line and word line of the memory cell in which "0" data is written, the hold line is set to 0V, and the MISFET is turned on. By doing so, impact ionization occurs near the drain, and the electrons in the electron-hole pairs generated by impact ionization escape to the gate electrode and drain region, thereby accumulating holes in the electrically floating region in the semiconductor layer. To do. The MISFET may be turned off by applying a voltage of 0 V to the word line of the memory cell in which the data of "1" is written, that is, the memory cell in which holes are not accumulated, so that the inversion layer is not generated. .

【0054】次に、データの保持時には、各メモリセル
のワード線の電位を0Vにすると共に、各メモリセルの
ビット線及びホールド線に正電圧(図の場合には3V)
を印加して、正孔に対するソース・ドレイン領域のポテ
ンシャル・バリアを高くして正孔がソース・ドレイン領
域に拡散することを防止する。なお、この場合の正孔の
ライフタイムはpn接合面やSi/SiO2 界面の結晶
性に強く依存するが、大凡2〜10msecであると推
定されるので、リフレッシュ時間としては2〜4mse
c程度の値が設計的に要求される。
Next, at the time of holding data, the potential of the word line of each memory cell is set to 0V, and a positive voltage (3V in the case of the figure) is applied to the bit line and the hold line of each memory cell.
Is applied to increase the potential barrier of the source / drain region against holes to prevent the holes from diffusing into the source / drain regions. In this case, the lifetime of the holes strongly depends on the crystallinity of the pn junction surface or the Si / SiO 2 interface, but it is estimated to be about 2 to 10 msec. Therefore, the refresh time is 2 to 4 mse.
A value of about c is required by design.

【0055】次に、データの読出時には、各メモリセル
のワード線及びホールド線の電位を0Vにした状態で、
各メモリセルのビット線に正電圧(図の場合には3V)
を印加する。この場合、メモリセルのチャネル領域は蓄
積されている正孔によってソース領域に対してポテンシ
ャル・バリアが低くなっているので、ビット線に正電圧
を印加してソース・ドレイン間にポテンシャル勾配をつ
けることによって電子がソース領域からドレイン領域に
向かって流れる。なお、この場合、ワード線の電位は負
電位にしても良い。
Next, at the time of reading data, with the potential of the word line and the hold line of each memory cell set to 0V,
Positive voltage (3V in the figure) on the bit line of each memory cell
Is applied. In this case, since the potential barrier of the channel region of the memory cell is lower than that of the source region due to accumulated holes, a positive voltage is applied to the bit line to form a potential gradient between the source and drain. Causes electrons to flow from the source region toward the drain region. In this case, the potential of the word line may be negative.

【0056】このドレイン電流は、チャネル表面の反転
層を流れる通常のMIS動作によるものではなく、シリ
コン半導体基板内を流れるBip動作による電流成分で
あり、且つ、このドレイン電流は蓄積されている正孔濃
度に比例する。一方、正孔が蓄積されていないメモリセ
ルにおいては、Bip動作が生ぜず、且つ、ワード線が
0VでMISFETがOFFした状態のままであるため
ドレイン電流は流れないので、この電流の差を検出回路
で直接読み取ることによって“0”或いは“1”の読出
が可能となる。
This drain current is not a normal MIS operation flowing through the inversion layer on the channel surface but a current component due to the Bip operation flowing in the silicon semiconductor substrate, and the drain current is accumulated holes. Proportional to concentration. On the other hand, in the memory cell in which holes are not accumulated, the Bip operation does not occur, and the drain current does not flow because the word line is 0 V and the MISFET remains in the OFF state. Therefore, this difference in current is detected. By directly reading with the circuit, "0" or "1" can be read.

【0057】なお、電流の検出は、ドレインの電位変動
量によって行うことも可能である。即ち、ドレインに電
流が流れるとビット線に流れる電流量に比例した逆起電
力が発生し、この逆起電力はドレインの電位を一時的に
低下させるので、この低下量を検出回路で検出しても良
い。この方法は、デバイスの省電力化にとって有効であ
るが、検出精度は直接電流量を検出する前者の方法に劣
るものである。
The current can be detected by the amount of drain potential fluctuation. That is, when a current flows through the drain, a counter electromotive force proportional to the amount of current flowing through the bit line is generated, and this back electromotive force temporarily lowers the potential of the drain. Is also good. This method is effective for power saving of the device, but the detection accuracy is inferior to the former method of directly detecting the current amount.

【0058】次に、データの消去時には、各メモリセル
のビット線、ワード線、及び、ホールド線の電位を全て
0Vにすることによって、蓄積されていた正孔はn+
のソース・ドレイン領域に拡散によって流れ込み、電子
と再結合して消滅する。この場合の消去時間は、正孔の
移動速度(4.3×107 cm/sec)及びチャネル
長(0.15μm=0.15×10-4cm)からみて、
0.35psec程度と推定される。
Next, at the time of erasing data, the potentials of the bit line, the word line, and the hold line of each memory cell are all set to 0 V, so that the accumulated holes are n + type source / drain regions. Flows in by diffusion into and disappears by recombining with electrons. The erasing time in this case is determined from the hole moving speed (4.3 × 10 7 cm / sec) and the channel length (0.15 μm = 0.15 × 10 −4 cm).
It is estimated to be about 0.35 psec.

【0059】なお、上記の動作の説明は“0”及び
“1”の1ビット/セルとして説明しているが、本発明
の半導体記憶装置は多値記憶が可能になるものである。
この多値記憶方式自体は原理的に知られているものであ
り、電荷の蓄積状態を3つ以上に設定することによっ
て、“0”或いは“1”以外のデータを記憶できるもの
であり、例えば、4つの電荷蓄積状態を設定することに
よって従来の2倍の2ビットの記憶が可能になる。
Although the above description of the operation has been made with 1 bit / cell of "0" and "1", the semiconductor memory device of the present invention is capable of multilevel storage.
This multi-valued storage method itself is known in principle, and data other than “0” or “1” can be stored by setting the charge storage state to three or more. By setting four charge storage states, it is possible to store twice as many bits as the conventional one.

【0060】図7(b)及び(c)参照 図7(b)は、通常の1ビット/セルによる記憶方式を
示すもので、図7(c)は、2ビット/セルによる多値
記憶方式を説明するものである。8ビットのデータ(図
の場合は、11100100)を記憶する場合に、図7
(b)に示すように従来の1ビット/セルによる記憶方
式では8セルが必要であったが、2ビット/セルによる
多値記憶方式では各セルが夫々2ビット分記憶するので
4セルで充分であるため、単純には集積度は2倍に向上
するが、キャパシタの有無を加味すると集積度は3倍に
向上する。
7B and 7C. FIG. 7B shows a normal 1-bit / cell storage system. FIG. 7C shows a 2-bit / cell multi-value storage system. To explain. When storing 8-bit data (11100100 in the figure),
As shown in (b), the conventional 1-bit / cell storage method required 8 cells, but in the 2-bit / cell multi-value storage method, 4 cells are sufficient because each cell stores 2 bits. Therefore, the degree of integration is simply increased by a factor of two, but if the presence or absence of a capacitor is taken into consideration, the degree of integration is improved by a factor of three.

【0061】この様に、多値記憶方式は素子を微細化し
なくとも記憶密度の向上が可能であるため、超高密度メ
モリにとって魅力のある方式であるが、従来のキャパシ
タによって電荷を蓄積する方式では容量が極めて小さい
ため、4つ以上の蓄積電荷の各蓄積量の差が小さすぎ、
その差を精度良く検出することは困難であるため実用に
は至っていなかった。
As described above, the multi-valued storage method is an attractive method for an ultra-high density memory because the storage density can be improved without miniaturizing the elements, but a method of accumulating charges by a conventional capacitor is used. Since the capacitance is extremely small, the difference between the stored amounts of four or more stored charges is too small,
Since it is difficult to accurately detect the difference, it has not been put into practical use.

【0062】しかしながら、本発明の半導体記憶装置を
構成するメモリセルは、正孔の蓄積量が図1(c)に示
すように印加するゲート電圧レベルに依存するものであ
るので、ゲート電極にいくつかのレベルを選択して印加
することによって多値記憶が可能になり、また、データ
の読出においては、ドレイン電流(コレクタ電流)を検
出するものであるので、蓄積されている電荷量の差が小
さくてもhFE(数十〜数百)倍に増幅して検出するので
高精度の検出回路は不要となり、多値記憶の読出が容易
に行えるようになる。
However, in the memory cell constituting the semiconductor memory device of the present invention, the amount of holes accumulated depends on the gate voltage level applied as shown in FIG. By selecting and applying one of these levels, multi-value storage becomes possible, and since the drain current (collector current) is detected during data reading, the difference in the accumulated charge amount is Even if it is small, it is amplified by hFE (several tens to several hundreds) times and detected, so that a highly accurate detection circuit is not required, and reading of multi-valued storage can be easily performed.

【0063】次に、図8乃至図9を参照して、本発明の
nチャネル型MISFETを用いた半導体記憶装置の動
作方法に関する第2乃至第5の実施例を説明する。な
お、図8乃至図9は図7(a)と同様に、データの書込
時、データの保持時、データの読出時、及び、データの
消去時における、ビット線、ワード線、及び、ホールド
線に印加する電圧(動作パルス)を示したものであり、
上段が正孔を蓄積・保持する“0”の状態における動作
パルスを表し、下段が正孔を蓄積していない“1”の状
態における動作パルスを表す。
Next, with reference to FIGS. 8 to 9, second to fifth embodiments of the method of operating a semiconductor memory device using the n-channel type MISFET of the present invention will be described. 8 to 9 are similar to FIG. 7A, the bit line, the word line, and the hold during data writing, data holding, data reading, and data erasing. It shows the voltage (operating pulse) applied to the line,
The upper row shows the operation pulse in the state of "0" for accumulating / holding holes, and the lower row shows the operation pulse in the state of "1" for not accumulating holes.

【0064】図8(a)参照 図8(a)は半導体記憶装置の動作方法に関する第2の
実施例の説明図であり、第1の実施例と比較するとデー
タ保持時にワード線に正電圧(図の場合には3V)を印
加する点で相違しているだけで、他のデータの書込時、
データの読出時、及び、データの消去時の駆動パルスは
第1の実施例と同様であるので、データ保持時について
のみ説明する。
See FIG. 8A. FIG. 8A is an explanatory diagram of the second embodiment relating to the operation method of the semiconductor memory device. Compared with the first embodiment, a positive voltage ( In the case of the figure, it is different only in that 3 V is applied, and when writing other data,
Since the driving pulse at the time of reading the data and at the time of erasing the data is the same as that of the first embodiment, only the data holding will be described.

【0065】データを保持する際に、第1の実施例と同
様に各メモリセルのビット線及びホールド線に正電圧
(図の場合には3V)を印加して、正孔に対するソース
・ドレイン領域のポテンシャル・バリアを高くしてソー
ス・ドレイン領域に拡散することを防止すると共に、ワ
ード線に3Vの電圧を印加することによって正孔がゲー
ト酸化膜界面に拡散して界面準位等により消滅すること
を防止するので、第1の実施例と比較して電荷保持時間
が向上する。
When holding data, a positive voltage (3 V in the case of the figure) is applied to the bit line and the hold line of each memory cell in the same manner as in the first embodiment, and the source / drain region for holes is held. The potential barrier is increased to prevent it from diffusing into the source / drain regions, and by applying a voltage of 3 V to the word line, holes diffuse to the gate oxide film interface and disappear due to the interface state or the like. Since this is prevented, the charge retention time is improved as compared with the first embodiment.

【0066】図8(b)参照 次に、図8(b)を参照して半導体記憶装置の動作方法
に関する第3の実施例を説明すると、この第3の実施例
は、第1の実施例と比較するとデータ保持時に支持基板
に正電圧(図の場合には10V)を印加する点、即ち、
支持基板にホールド線と同周期で電圧を印加する点で相
違しているだけであり、他のデータの書込時、データの
読出時、及び、データの消去時の駆動パルスは第1の実
施例と同様であるので、データ保持時についてのみ説明
する。
Next, referring to FIG. 8B, a third embodiment of the method of operating the semiconductor memory device will be described with reference to FIG. 8B. This third embodiment is the first embodiment. Compared with, the point at which a positive voltage (10 V in the case of the figure) is applied to the supporting substrate during data retention, that is,
The only difference is that a voltage is applied to the support substrate at the same period as the hold line, and the drive pulse for writing other data, reading data, and erasing data is the same as the first embodiment. Since it is the same as the example, only the data retention will be described.

【0067】データを保持する際に、第1の実施例と同
様に各メモリセルのビット線及びホールド線に正電圧
(図の場合には3V)を印加して、正孔に対するソース
・ドレイン領域のポテンシャル・バリアを高くしてソー
ス・ドレイン領域に拡散することを防止すると共に、支
持基板に10Vの電圧を印加することによって正孔が分
離酸化膜界面に拡散して界面準位等により消滅すること
を防止するので、第1の実施例と比較して電荷保持時間
が向上し、また、第2の実施例と比較した場合には略同
等の効果が得られる。
When data is held, a positive voltage (3 V in the figure) is applied to the bit line and the hold line of each memory cell as in the first embodiment, and the source / drain regions for holes are The potential barrier is increased to prevent it from diffusing into the source / drain regions, and by applying a voltage of 10 V to the supporting substrate, holes diffuse to the interface of the isolation oxide film and disappear due to the interface state or the like. Since this is prevented, the charge retention time is improved as compared with the first embodiment, and substantially the same effect is obtained when compared with the second embodiment.

【0068】なお、この支持基板に印加する電圧は、ビ
ット線或いはホールド線に印加する電圧と同じでも良い
が、分離酸化膜の膜厚が0.4〜0.6μmと厚く電界
が弱められるので、正孔の拡散をより効果的に防止する
ためには+10V程度の電圧の印加が好ましい。
The voltage applied to the support substrate may be the same as the voltage applied to the bit line or the hold line, but since the thickness of the isolation oxide film is as thick as 0.4 to 0.6 μm, the electric field is weakened. In order to prevent the diffusion of holes more effectively, it is preferable to apply a voltage of about + 10V.

【0069】図9(a)参照 次に、図9(a)を参照して半導体記憶装置の動作方法
に関する第4の実施例を説明すると、この第4の実施例
は、第2の実施例と比較するとデータ保持時に支持基板
に正電圧(図の場合には10V)を印加する点、即ち、
支持基板にホールド線と同周期で電圧を印加する点で相
違しているだけであり、他のデータの書込時、データの
読出時、及び、データの消去時の駆動パルスは第2の実
施例と同様であるので、データ保持時についてのみ説明
する。
Next, referring to FIG. 9A, a fourth embodiment relating to the operation method of the semiconductor memory device will be described. This fourth embodiment is the second embodiment. Compared with, the point at which a positive voltage (10 V in the case of the figure) is applied to the supporting substrate during data retention, that is,
The only difference is that a voltage is applied to the support substrate at the same cycle as the hold line, and the drive pulse for writing other data, reading data, and erasing data is the same as that of the second embodiment. Since it is the same as the example, only the data retention will be described.

【0070】データを保持する際に、第2の実施例と同
様に各メモリセルのワード線、ビット線、及び、ホール
ド線の全てに正電圧(図の場合には3V)を印加して、
正孔に対するソース・ドレイン領域のポテンシャル・バ
リアを高くしてソース・ドレイン領域に拡散することを
防止し、且つ、正孔がゲート酸化膜界面に拡散して界面
準位等により消滅することを防止すると共に、支持基板
に10Vの電圧を印加することによって正孔が分離酸化
膜界面に拡散して界面準位等により消滅することを防止
するので、第2及び第3の実施例と比較して電荷保持時
間がさらに向上する。
When data is held, a positive voltage (3 V in the case of the figure) is applied to all of the word line, bit line and hold line of each memory cell, as in the second embodiment.
Prevents holes from diffusing into the source / drain regions by increasing the potential barrier of the source / drain regions against holes, and preventing holes from annihilating due to the interface states and the like. In addition, by applying a voltage of 10 V to the supporting substrate, holes are prevented from diffusing to the interface of the isolation oxide film and disappearing due to the interface state, etc. Therefore, compared with the second and third embodiments. The charge retention time is further improved.

【0071】図9(b)参照 次に、図9(b)を参照して半導体記憶装置の動作方法
に関する第5の実施例を説明すると、この第5の実施例
は、第4の実施例と比較するとデータ書込時に支持基板
に正電圧(図の場合には10V)を印加する点で相違し
ているだけで、他のデータの保持時、データの読出時、
及び、データの消去時の駆動パルスは第4の実施例と同
様であるので、データ書込時についてのみ説明する。な
お、図における支持基板電位はワード線の駆動パルスと
重ね合わせて記載している。
Next, referring to FIG. 9B, a fifth embodiment of the method of operating the semiconductor memory device will be described with reference to FIG. 9B. This fifth embodiment is the fourth embodiment. Compared with the above, the only difference is that a positive voltage (10 V in the figure) is applied to the supporting substrate at the time of writing data.
Also, since the driving pulse at the time of erasing data is the same as that of the fourth embodiment, only the data writing will be described. In addition, the potential of the supporting substrate in the drawing is shown by overlapping with the drive pulse of the word line.

【0072】データを書き込む際には第1乃至第4の実
施例と同様に、“0”のデータを書き込むメモリセルの
ビット線及びワード線に正電圧(図の場合には3V)を
印加し、ホールド線を0VにしてMISFETをONさ
せることによってドレイン近傍において衝突電離を起こ
し、この衝突電離によって発生した電子−正孔対の内の
電子をゲート電極及びドレイン領域に逃がすことによっ
て正孔を半導体層内の電気的に浮遊した領域に蓄積す
る。
At the time of writing data, as in the first to fourth embodiments, a positive voltage (3 V in the case shown) is applied to the bit line and the word line of the memory cell to which the data of "0" is written. , The hold line is set to 0 V, and the MISFET is turned on to cause collision ionization in the vicinity of the drain, and electrons in the electron-hole pair generated by the collision ionization are released to the gate electrode and the drain region, so that holes are semiconductor. Accumulates in electrically floating areas of the layer.

【0073】この場合、書込から保持まで支持基板に正
電圧(図の場合には10V)を連続して印加することに
よって、正孔はクーロン斥力によって分離絶縁膜界面か
ら離れ、書込と保持との間の瞬間的な切替え動作中に界
面準位によって正孔が消滅するのを防止することができ
る。なお、“1”のデータを書き込むメモリセルは、正
孔が蓄積されないので、支持基板に正電圧を印加しても
特段の効果は生じないものである。
In this case, by continuously applying a positive voltage (10 V in the figure) to the supporting substrate from writing to holding, holes are separated from the interface of the isolation insulating film by Coulomb repulsion, and writing and holding are performed. It is possible to prevent the holes from disappearing due to the interface state during the momentary switching operation between and. Since holes are not accumulated in the memory cell in which the data of "1" is written, even if a positive voltage is applied to the supporting substrate, no particular effect is produced.

【0074】なお、上記の半導体装置の各実施例及びそ
の動作方法の各実施例においては、n型MISFETに
ついて説明しているが原理的には速度が遅くなるだけ
で、p型MISFETを用いても良いものであり、その
場合には、蓄積される電荷は電子となり、各信号線に印
加する電圧は上記各実施例において印加する電圧と逆極
性の電圧である。
In each of the above embodiments of the semiconductor device and the method of operating the same, the n-type MISFET is described, but in principle, only the speed becomes slower, and the p-type MISFET is used. In that case, the accumulated charges become electrons, and the voltage applied to each signal line has a polarity opposite to that of the voltage applied in each of the above embodiments.

【0075】[0075]

【発明の効果】本発明によれば、SOI構造のMISF
ETからなるメモリセルの電気的に浮遊した領域にソー
ス・ドレイン領域と反対導電型の電荷を蓄積するように
したので、キャパシタが不要になり、且つ、Bip動作
により電荷の蓄積及び読出を行うので多値記憶が可能に
なるので、従来の1トランジスタ及び1キャパシタから
なる半導体記憶装置と比較して集積度を大幅に向上する
ことができ、また、蓄積される電荷がソース・ドレイン
領域と反対導電型であり、且つ、その動作において支持
基板に適当な電位を印加して蓄積された電荷の再結合に
よる消滅を防止することによって、従来の1トランジス
タのみからなる半導体記憶装置と比較して電荷保持時間
を長く且つリフレッシュ時間を長くすることができると
共に、消去時間を大幅に短縮することが可能になる。
According to the present invention, a MISF having an SOI structure is provided.
Since the charge of the opposite conductivity type to the source / drain region is stored in the electrically floating region of the memory cell composed of ET, the capacitor is not required and the charge is stored and read by the Bip operation. Since multi-value storage is possible, the degree of integration can be significantly improved as compared with the conventional semiconductor memory device composed of one transistor and one capacitor, and the accumulated charge has a conductivity opposite to that of the source / drain regions. In this mode, by applying an appropriate potential to the support substrate in its operation to prevent the accumulated charges from disappearing due to recombination, the charge retention is improved as compared with the conventional semiconductor memory device including only one transistor. The time can be lengthened and the refresh time can be lengthened, and the erase time can be significantly shortened.

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

【図1】本発明の半導体記憶装置を構成するメモリセル
の原理的構成の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a principle configuration of a memory cell that constitutes a semiconductor memory device of the present invention.

【図2】本発明の半導体記憶装置の製造方法に関する第
1の実施例の途中までの製造工程の説明図である。
FIG. 2 is an explanatory view of a manufacturing process up to the middle of the first embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図3】本発明の半導体記憶装置の製造方法に関する第
1の実施例の図2以降の途中までの製造工程の説明図で
ある。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the manufacturing process up to the middle of FIG. 2 and subsequent steps of the first embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図4】本発明の半導体記憶装置の製造方法に関する第
1の実施例の図3以降の製造工程の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the manufacturing process after FIG. 3 of the first embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図5】本発明の半導体記憶装置の製造方法に関する第
2の実施例の途中までの製造工程の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory view of the manufacturing process up to the middle of the second embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図6】本発明の半導体記憶装置の製造方法に関する第
3の実施例の途中までの製造工程の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory view of a manufacturing process up to the middle of the third embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図7】本発明の半導体記憶装置の動作方法の第1の実
施例の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a first embodiment of an operating method of a semiconductor memory device of the present invention.

【図8】本発明の半導体記憶装置の動作方法の第2及び
第3の実施例の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of second and third embodiments of the method of operating the semiconductor memory device of the present invention.

【図9】本発明の半導体記憶装置の動作方法の第4及び
第5の実施例の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of fourth and fifth embodiments of the method of operating the semiconductor memory device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 支持基板 2 絶縁膜 3 半導体島状領域 4 素子分離絶縁膜 5 ゲート絶縁膜 6 ゲート電極 7 ソース領域 8 ドレイン領域 9 チャネル領域 10 空乏層 11 電気的に浮遊している領域 12 正孔 13 ホールド線 14 ビット線 15 ワード線 16 シリコン半導体基板 17 酸素イオン 18 イオン注入層 19 SiO2 層 20 シリコン半導体層 21 パッド酸化膜 22 Si3 4 膜 23 レジストマスク 24 Bイオン 25 選択酸化膜 26 ゲート酸化膜 27 Bイオン 28 ゲート電極 29 Asイオン 30 ソース領域 31 ドレイン領域 32 PSG膜 33 ソース電極 34 ドレイン電極 35 第1のシリコン半導体基板 36 SiO2 膜 37 第2のシリコン半導体基板 38 高不純物濃度シリコン半導体基板 39 低不純物濃度シリコン半導体層 40 シリコン半導体基板 41 SiO2 1 Support Substrate 2 Insulating Film 3 Semiconductor Island Region 4 Element Isolation Insulating Film 5 Gate Insulating Film 6 Gate Electrode 7 Source Region 8 Drain Region 9 Channel Region 10 Depletion Layer 11 Electrically Floating Region 12 Hole 13 Hold Line 14 bit line 15 word line 16 silicon semiconductor substrate 17 oxygen ion 18 ion implantation layer 19 SiO 2 layer 20 silicon semiconductor layer 21 pad oxide film 22 Si 3 N 4 film 23 resist mask 24 B ion 25 selective oxide film 26 gate oxide film 27 B ion 28 Gate electrode 29 As ion 30 Source region 31 Drain region 32 PSG film 33 Source electrode 34 Drain electrode 35 First silicon semiconductor substrate 36 SiO 2 film 37 Second silicon semiconductor substrate 38 High impurity concentration silicon semiconductor substrate 39 Low Impurity Concentration Silicon Semiconductor Layer 40 Silicon Semiconductor Body substrate 41 SiO 2 film

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 支持基板上に絶縁膜を介して設けられ、
且つ、隣接する領域から完全に電気的に絶縁分離された
厚さ0.1μm以上の複数の半導体島状領域に夫々1つ
のMISFETを設け、且つ、前記MISFETのソー
ス・ドレイン領域と反対導電型の電荷からなるデータ記
憶のための電荷を前記MISFETのソース・ドレイン
領域間の電気的に浮遊した領域に蓄積することを特徴と
する半導体記憶装置。
1. A support substrate is provided via an insulating film,
In addition, one MISFET is provided in each of a plurality of semiconductor island-shaped regions having a thickness of 0.1 μm or more, which is completely electrically insulated from the adjacent region, and has a conductivity type opposite to that of the source / drain regions of the MISFET. A semiconductor memory device characterized in that charges for storing data, which are charges, are accumulated in an electrically floating region between the source and drain regions of the MISFET.
【請求項2】 支持基板上に絶縁膜を介して設けられ、
且つ、隣接する領域から完全に電気的に絶縁分離された
厚さ0.1μm以上の複数の半導体島状領域に夫々1つ
のnチャネル型MISFETを設け、且つ、前記MIS
FETのソース・ドレイン領域と反対導電型の電荷から
なるデータ記憶のための電荷をMISFETのソース・
ドレイン領域間の電気的に浮遊した領域に蓄積するよう
にした半導体記憶装置の動作方法において、少なくとも
データの書込時にホールド線に接続されている前記ソー
ス領域に対し、ビット線に接続されている前記ドレイン
領域の電圧が正になるように電圧を印加すると共に、ワ
ード線に接続されているゲート電極にチャネル領域の表
面がn型に反転するような電位を選択的に印加してデー
タの書込みを行うことを特徴とする半導体記憶装置の動
作方法。
2. Provided on a supporting substrate via an insulating film,
Further, one n-channel type MISFET is provided in each of a plurality of semiconductor island-shaped regions having a thickness of 0.1 μm or more, which are completely electrically insulated from the adjacent regions, and the MIS is provided.
Charges for data storage composed of charges of opposite conductivity type to the source / drain region of the FET are added to the source / drain region of the MISFET.
In a method of operating a semiconductor memory device, wherein the electric charge is accumulated in an electrically floating region between drain regions, at least the source region connected to a hold line at the time of writing data is connected to a bit line. Data is written by applying a voltage so that the voltage of the drain region becomes positive and selectively applying a potential such that the surface of the channel region is inverted to n-type to the gate electrode connected to the word line. A method of operating a semiconductor memory device, comprising:
【請求項3】 上記支持基板に正電位を印加した状態で
データの書込みを行うことを特徴とする請求項2記載の
半導体記憶装置の動作方法。
3. The method of operating a semiconductor memory device according to claim 2, wherein data writing is performed while a positive potential is applied to the supporting substrate.
【請求項4】 上記ワード線に印加する正電位が2つ以
上の値を持つことを特徴とする請求項2または3記載の
半導体記憶装置の動作方法。
4. The method of operating a semiconductor memory device according to claim 2, wherein the positive potential applied to the word line has two or more values.
【請求項5】 上記ビット線とホールド線とが同一電位
で上記電気的に浮遊した領域に対して正電位になるよう
に電圧を印加し、且つ、上記ワード線を前記電気的に浮
遊した領域に対して零または正電位となるように電圧を
印加してデータの保持を行うことを特徴とする請求項2
乃至4のいずれか1項に記載の半導体記憶装置の動作方
法。
5. A voltage is applied so that the bit line and the hold line have the same potential and a positive potential with respect to the electrically floating region, and the word line has the electrically floating region. The data is retained by applying a voltage to zero or a positive potential with respect to the data.
5. The method for operating the semiconductor memory device according to any one of items 4 to 4.
【請求項6】 上記支持基板にホールド線と同一周期で
且つ零または同極性の電位を印加してデータの保持を行
うことを特徴とする請求項5記載の半導体記憶装置の動
作方法。
6. The method of operating a semiconductor memory device according to claim 5, wherein data is held by applying a potential of zero or the same polarity to the supporting substrate at the same cycle as that of the hold line.
【請求項7】 上記ホールド線に対して上記ビット線が
正電位となるように電圧を印加し、且つ、上記ワード線
を上記電気的に浮遊した領域に対して零または負電位と
なるように電圧を印加してデータの読出を行うことを特
徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の半導体
記憶装置の動作方法。
7. A voltage is applied to the hold line so that the bit line has a positive potential, and the word line has a zero potential or a negative potential with respect to the electrically floating region. 7. The method of operating a semiconductor memory device according to claim 2, wherein data is read by applying a voltage.
【請求項8】 上記ホールド線、ビット線、及び、ワー
ド線の全てを零電位にしてデータの消去を行うことを特
徴とする請求項2乃至7のいずれか1項に記載の半導体
記憶装置の動作方法。
8. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein the hold line, the bit line and the word line are all set to zero potential to erase data. How it works.
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