JP5865421B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体を用いたメモリ装置に関する。
半導体を用いたメモリ装置には多くの種類がある。例えば、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）
、電子的消去可能プログラマブル・リード・オンリー・メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）やフラッ
シュメモリ等である。
ＤＲＡＭは記憶セルに設けたキャパシタに電荷を保持することにより、データを記憶する
。しかしながら、スイッチングに用いるトランジスタはオフ状態であっても、わずかにソ
ースとドレイン間にリーク電流が生じるため、データは比較的短時間（長くても数十秒）
で失われる。そのため、一定周期（一般的には数十ミリ秒）でデータを再書き込み（リフ
レッシュ）する必要がある。
また、ＳＲＡＭはフリップフロップ回路の双安定状態を用いてデータを保持する。ＳＲＡ
Ｍのフリップフロップ回路には、通常、ＣＭＯＳインバータを用いるが、ひとつの記憶セ
ルに６つのトランジスタを用いるため、集積率がＤＲＡＭより低くなる。また、電源が供
給されないとデータが失われてしまう。
一方、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリは、フローティングゲートと呼ばれるものを、チ
ャネルとゲートの間に設け、フローティングゲートに電荷を蓄えることにより、データを
保持する。フローティングゲートに蓄えられた電荷は、トランジスタへの電源が途絶えた
後でも保持されるので、これらのメモリは不揮発性メモリと呼ばれる。フラッシュメモリ
に関しては、例えば、特許文献１を参照するとよい。
本明細書では、特に、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ等、フローティングゲートを有す
るメモリを、フローティングゲート型不揮発性メモリ（ＦＧＮＶＭ）という。ＦＧＮＶＭ
では、多段階のデータを１つの記憶セルに保存できるので、記憶容量を大きくできる。加
えて、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリはコンタクトホールの数を大幅に減らせるため、ある
程度まで集積度を高めることができる。
しかしながら、従来のＦＧＮＶＭは、フローティングゲートへの電荷の注入や除去の際に
高い電圧を必要とし、また、そのせいもあって、ゲート絶縁膜の劣化が避けられず、無制
限に書き込みや消去を繰り返せなかった。
特開昭５７−１０５８８９号公報
上述のように従来の半導体メモリ装置は一長一短があり、実際のデバイスで必要とされる
要件すべてを必要十分に満たすものはなかった。メモリ装置においては、低消費電力が求
められる。消費電力が大きいと、電源を供給するための装置を大きくしなければならず、
また、バッテリでの駆動時間が短くなる。のみならず、半導体素子の発熱により、素子の
特性が劣化し、さらには、回路が破壊される場合もある。また、メモリ装置においては、
書き換え回数の制限がないことが好ましく、１０億回以上の書き換えができることが望ま
れる。もちろん、集積度の高いことも必要である。
この点、ＤＲＡＭは常時、リーク電流を生じ、リフレッシュをおこなっているため消費電
力の点で難があった。一方、ＳＲＡＭでは、１つの記憶セルに６つのトランジスタを有す
るため集積度を上げられないという別の問題がある。また、ＦＧＮＶＭにおいては消費電
力や集積度の点では問題はなかったが、書き換え回数が１０万回以下であった。
上記に鑑み、記憶セルで記憶保持のために使用される電力をＤＲＡＭよりも削減すること
、１つの記憶セルに用いるトランジスタの数を５つ以下とすること、書き換え回数を１０
０万回以上とすること、という３つの条件を同時に克服することが第一の課題となる。ま
た、電力の供給がない状態で、データを１０時間以上、好ましくは、１００時間以上保持
することと、書き換え回数を１００万回以上とすること、という２つの条件を同時に克服
することが第二の課題となる。なお、本明細書では、データの保持時間とは、記憶セルに
保持された電荷量が初期の電荷量の９０％となる時間と定義する。
本発明では、上記の課題に加えて、新規の半導体装置（特に、半導体メモリ装置）を提供
することを課題とする。また、新規の半導体装置の駆動方法（特に、半導体メモリ装置の
駆動方法）を提供することを課題とする。さらに、新規の半導体装置の作製方法（特に、
半導体メモリ装置の作製方法）を提供することを課題とする。
以下、本発明の説明をおこなうが、本明細書で用いる用語について簡単に説明する。まず
、トランジスタのソースとドレインは、構造や機能が同じもしくは同等である、また、仮
に構造が異なっていたとしても、それらに印加される電位やその極性が一定でない、等の
理由から、本明細書では、いずれか一方をソースと呼んだ場合には、便宜上、他方をドレ
インと呼ぶこととし、特に区別しない。したがって、本明細書においてソースとされてい
るものをドレインと読み替えることも可能である。
また、本明細書では、「（マトリクスにおいて）直交する」とは、直角に交差するという
意味だけではなく、物理的にはその他の角度であっても最も簡単に表現した回路図におい
て直交する、という意味であり、「（マトリクスにおいて）平行である」とは、２つの配
線が物理的には交差するように設けられていても、最も簡単に表現した回路図において平
行である、という意味である。
さらに、明細書においては、「接続する」と表現される場合であっても、現実の回路にお
いては、物理的な接続部分がなく、配線が延在しているだけの場合のこともある。例えば
、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）の回路では、一本の配線が複数の
ＭＩＳＦＥＴのゲートを兼ねている場合もある。その場合、回路図では、一本の配線から
ゲートに何本もの分岐が生じるように書かれることもある。本明細書では、そのような場
合でも、「配線がゲートに接続する」という表現を用いることがある。
本発明の態様の一は、オフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流が少ないトランジス
タを書き込みトランジスタとし、もう一つのトランジスタ（読み出しトランジスタ）およ
び、キャパシタで１つの記憶セルを構成する。読み出しトランジスタの導電型は書き込み
トランジスタの導電型と異なるものとする。例えば、書き込みトランジスタがＮチャネル
型であれば、読み出しトランジスタはＰチャネル型とする。また、書き込みトランジスタ
や読み出しトランジスタに接続する配線として、書き込みワード線、ビット線、読み出し
ワード線という３種類の配線を用意する。
そして、書き込みトランジスタのドレインを読み出しトランジスタのゲートおよびキャパ
シタの一方の電極に接続する。さらに、書き込みトランジスタのゲートを書き込みワード
線に、書き込みトランジスタのソースおよび読み出しトランジスタのソースをビット線に
、キャパシタの他方の電極を読み出しワード線に接続する。
書き込みトランジスタのオフ状態（Ｎチャネル型にあっては、ゲートの電位がソース、ド
レインのいずれよりも低い状態）でのソースとドレイン間のリーク電流は、使用時の温度
（例えば、２５℃）で１×１０−２０Ａ以下、好ましくは、１×１０−２１Ａ以下、ある
いは８５℃で１×１０−２０Ａ以下であることが望ましい。
通常のシリコン半導体では、リーク電流をそのような低い値とすることは困難であるが、
酸化物半導体を好ましい条件で加工して得られたトランジスタにおいては達成しうる。こ
のため、書き込みトランジスタの材料として、酸化物半導体を用いることが好ましい。も
ちろん、何らかの方法により、シリコン半導体やその他の半導体において、リーク電流を
上記の値以下にすることができるのであれば、その使用を妨げるものではない。
酸化物半導体としては、公知の各種の材料を用いることができるが、バンドギャップが３
ｅＶ以上、好ましくは、３ｅＶ以上３．６ｅＶ未満であるものが望ましい。また、電子親
和力が４ｅＶ以上、好ましくは、４ｅＶ以上４．９ｅＶ未満であるものが望ましい。特に
、ガリウムとインジウムを有する酸化物は、本発明の目的には好適である。このような材
料において、さらに、ドナーあるいはアクセプタに由来するキャリア濃度が１×１０−１
４ｃｍ−３未満、好ましくは、１×１０−１１ｃｍ−３未満であるものが望ましい。
読み出しトランジスタとしては、オフ状態でのソースとドレイン間のリーク電流について
の制限はないが、リーク電流が少ない方が消費電力を少なくできるので好ましい。また、
読み出しの速度を高くするために、高速で動作するものが望ましい。具体的には、スイッ
チングスピードが１０ｎｓｅｃ以下であることが好ましい。また、書き込みトランジスタ
、読み出しトランジスタともゲートリーク電流（ゲートとソースあるいはゲートとドレイ
ン間のリーク電流）が極めて低いことが求められ、また、キャパシタも内部リーク電流（
電極間のリーク電流）が低いことが求められる。いずれのリーク電流も、使用時の温度（
例えば、２５℃）で１×１０−２０Ａ以下、好ましくは、１×１０−２１Ａ以下であるこ
とが望ましい。
また、読み出しトランジスタのゲートの電位は、読み出しワード線の電位に応じて変化す
るが、その結果、読み出しトランジスタのゲート容量が変動する。すなわち、読み出しト
ランジスタがオフ状態である場合より、オン状態である場合の方がゲート容量が大きくな
る。ゲート容量の変動が、キャパシタの容量よりも大きいと、記憶セルを動作させる上で
問題が生じる。
したがって、キャパシタの容量は、読み出しトランジスタのゲート容量以上、好ましくは
２倍以上とするとよい。また、半導体メモリ装置の動作を高速におこなう目的では、キャ
パシタの容量は１０ｆＦ以下とすることが望ましい。
書き込みワード線、ビット線、読み出しワード線はマトリクスを構成するが、マトリクス
駆動をおこなうためには、書き込みワード線とビット線は直交し、書き込みワード線と読
み出しワード線は平行であることが望ましい。
図１（Ａ）に、上記の構造を有する記憶セルの例を図示する。図１（Ａ）では、書き込み
トランジスタＷＴｒと読み出しトランジスタＲＴｒとキャパシタＣからなる記憶セルが示
されている。ここで、書き込みトランジスタＷＴｒのドレインは読み出しトランジスタＲ
ＴｒのゲートおよびキャパシタＣの一方の電極に接続されている。この例では、書き込み
ワード線Ｑ、ビット線Ｒ、読み出しワード線Ｐに加えてバイアス線Ｓを示す。書き込みワ
ード線Ｑと読み出しワード線Ｐは平行である。そして、書き込みワード線Ｑとビット線Ｒ
は直交する。
すなわち、書き込みトランジスタＷＴｒのゲートは書き込みワード線Ｑに、書き込みトラ
ンジスタＷＴｒのソースと読み出しトランジスタＲＴｒのソースはビット線Ｒに、読み出
しトランジスタＲＴｒのドレインはバイアス線Ｓに、キャパシタＣの他方の電極は読み出
しワード線Ｐに、それぞれ接続されている。
図１（Ａ）に示す記憶セルでは、書き込みワード線Ｑに適切な電位を与えることによって
、書き込みトランジスタＷＴｒをオン状態とする。その際のビット線Ｒの電位により、書
き込みトランジスタＷＴｒのドレインに電荷が注入される。この際の電荷の注入量は、ビ
ット線Ｒの電位、読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量、キャパシタＣの容量等によ
って決定されるため、同じ条件でおこなえば、ほぼ同じ結果となり、ばらつきが少ない。
このようにして、データが書き込まれる。
次に、書き込みワード線Ｑに別の適切な電位を与えることによって、書き込みトランジス
タＷＴｒをオフ状態とする。この場合、書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電荷は
そのまま保持される。読み出す際には、読み出しワード線Ｐに適切な電位を与え、読み出
しトランジスタＲＴｒがどのような状態となるかをモニターすることによって、書き込ま
れたデータを知ることができる。
別の本発明の態様の一は、上記したものと同様な書き込みトランジスタ、読み出しトラン
ジスタ、キャパシタをそれぞれ複数個用いて形成される記憶ユニットからなる半導体メモ
リ装置である。ここで、書き込みトランジスタと読み出しトランジスタの導電型は互いに
異なるものとし、例えば、書き込みトランジスタがＮチャネル型であれば読み出しトラン
ジスタはＰチャネル型である。
ここで、第１の書き込みトランジスタのドレインは第１のキャパシタの一方の電極、およ
び第１の読み出しトランジスタのゲートに接続し、第２の書き込みトランジスタのドレイ
ンは第２のキャパシタの一方の電極、および第２の読み出しトランジスタのゲートに接続
する。
また、第１の書き込みトランジスタのドレインは第２の書き込みトランジスタのソースと
接続し、第１の読み出しトランジスタのドレインは第２の読み出しトランジスタのソース
と接続する。さらに、第１の書き込みトランジスタのゲートは、第１の書き込みワード線
に、第２の書き込みトランジスタのゲートは、第２の書き込みワード線に、第１のキャパ
シタの他方の電極は、第１の読み出しワード線に、第２のキャパシタの他方の電極は、第
２の読み出しワード線に、それぞれ接続する。
また、第１の書き込みトランジスタのソースと第１の読み出しトランジスタのソースはビ
ット線に接続してもよい。なお、第１の書き込みトランジスタのソースとビット線の間、
あるいは、第１の読み出しトランジスタのソースとビット線の間のいずれか一方、あるい
は双方に、１つ以上のトランジスタが挿入されてもよい。
第１の書き込みワード線、第２の書き込みワード線、第１の読み出しワード線、第２の読
み出しワード線は、互いに平行であり、また、ビット線とは直交する。
図２（Ａ）に、上記の構造を有する記憶ユニットの例を図示する。ここでは、記憶ユニッ
トは、書き込みトランジスタ、読み出しトランジスタ、キャパシタを各１つ備えた単位記
憶セルを複数有する。すなわち、書き込みトランジスタＷＴｒ１と読み出しトランジスタ
ＲＴｒ１とキャパシタＣ１からなる第１の記憶セル、書き込みトランジスタＷＴｒ２と読
み出しトランジスタＲＴｒ２とキャパシタＣ２からなる第２の記憶セル、書き込みトラン
ジスタＷＴｒ３と読み出しトランジスタＲＴｒ３とキャパシタＣ３からなる第３の記憶セ
ル、という３つの記憶セルよりなる記憶ユニットが示されている。
それぞれの記憶セルにおける書き込みトランジスタのドレインはキャパシタの一方の電極
と読み出しトランジスタのゲートに接続されている。これらのトランジスタやキャパシタ
の接続される交点の電位は、読み出しトランジスタのオンオフと関連があるので、以下、
これらの交点をノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３という。
書き込みトランジスタＷＴｒ１のドレインは書き込みトランジスタＷＴｒ２のソースと接
続し、読み出しトランジスタＲＴｒ１のドレインは読み出しトランジスタＲＴｒ２のソー
スと接続する。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ２のドレインは書き込みトランジス
タＷＴｒ３のソースと接続し、読み出しトランジスタＲＴｒ２のドレインは読み出しトラ
ンジスタＲＴｒ３のソースと接続する。
この例では、読み出しトランジスタＲＴｒ３のドレインはバイアス線Ｓに接続される。読
み出しトランジスタＲＴｒ３のドレインとバイアス線Ｓの間に１つ以上のトランジスタを
有してもよい。また、書き込みトランジスタＷＴｒ１のソースと読み出しトランジスタＲ
Ｔｒ１のソースは、ビット線Ｒと接続する。書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、
ＷＴｒ３のゲートは、それぞれ、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に接続する。キャパ
シタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の他方の電極は、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に接続する。
書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３と、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は互いに平行
であり、また、ビット線Ｒと直交する。なお、バイアス線Ｓを常に一定の電位に保つので
あれば、その他の配線と平行にする、あるいは直交させる必要はない。ただし、集積度を
高める点では、ビット線と直交する方が好ましい。
このように、３つの記憶セルで、ビット線と記憶セルの間に設けられるコンタクトを共有
することにより、単位記憶セルあたりの当該部のコンタクトの面積を削減することができ
、集積度を向上させることができる。図２（Ａ）では記憶ユニットに３つの記憶セルを設
ける例を示したが、ひとつの記憶ユニットをより多くの記憶セルで構成してもよい。例え
ば、１６個、３２個といった記憶セルで構成してもよい。
このような構造は、フラッシュメモリのＮＡＮＤ構造と同様のものである。図２（Ａ）の
ように記憶セルを直列に接続することにより、より多くの記憶セルでひとつのビット線と
記憶セルの間に設けられるコンタクトを共有することができ、単位記憶セルあたりの面積
を低減できる。例えば、最小加工線幅をＦとしたときに、半導体メモリ装置における単位
記憶セルあたりの面積を１２Ｆ２、あるいはそれ以下まで低減できる。
図２（Ａ）に示す回路図は、半導体メモリ装置の記憶ユニットである。半導体メモリ装置
は、これらの記憶ユニットをマトリクス状に構成して得られる。図５にその例を示す。こ
こでは、第ｎ行第（ｍ−１）列、第ｎ行第ｍ列、第ｎ行第（ｍ＋１）列、第ｎ行第（ｍ＋
２）列、第（ｎ＋１）行第（ｍ−１）列、第（ｎ＋１）行第ｍ列、第（ｎ＋１）行第（ｍ
＋１）列、第（ｎ＋１）行第（ｍ＋２）列、という８つの記憶ユニット、３２個の記憶セ
ルが示されている。
第ｎ行第ｍ列の記憶ユニットには、書き込みワード線Ｑ１＿ｎ、Ｑ２＿ｎ、Ｑ３＿ｎ、Ｑ
４＿ｎ、読み出しワード線Ｐ１＿ｎ、Ｐ２＿ｎ、Ｐ３＿ｎ、Ｐ４＿ｎ、バイアス線Ｓ＿ｎ
、ビット線Ｒ＿ｍが設けられる。他の記憶ユニットでも同様である。
本発明の態様の一は、上記したものと同様な書き込みトランジスタ、読み出しトランジス
タ、キャパシタをそれぞれ複数個用いて形成される記憶ユニットからなる半導体メモリ装
置である。ここで、書き込みトランジスタと読み出しトランジスタの導電型は互いに異な
るものとし、例えば、書き込みトランジスタがＮチャネル型であれば読み出しトランジス
タはＰチャネル型である。
ここで、第１の書き込みトランジスタのドレインは第１のキャパシタの一方の電極、およ
び第１の読み出しトランジスタのゲートに接続し、第２の書き込みトランジスタのドレイ
ンは第２のキャパシタの一方の電極、および第２の読み出しトランジスタのゲートに接続
し、第３の書き込みトランジスタのドレインは第３のキャパシタの一方の電極、および第
３の読み出しトランジスタのゲートに接続し、第４の書き込みトランジスタのドレインは
第４のキャパシタの一方の電極、および第４の読み出しトランジスタのゲートに接続する
。
また、第１の書き込みトランジスタのドレインは第２の書き込みトランジスタのソースと
接続し、第１の読み出しトランジスタのドレインは第２の読み出しトランジスタのソース
と接続する。同様に、第３の書き込みトランジスタのドレインは第４の書き込みトランジ
スタのソースと接続し、第３の読み出しトランジスタのドレインは第４の読み出しトラン
ジスタのソースと接続する。
さらに、第３の書き込みトランジスタのゲートは、第１の書き込みワード線に、第１の書
き込みトランジスタのゲートと第３のキャパシタの他方の電極は、第２の書き込みワード
線に、第１のキャパシタの他方の電極と第４の書き込みトランジスタのゲートは、第３の
書き込みワード線に、第２の書き込みトランジスタのゲートと第４のキャパシタの他方の
電極は、第４の書き込みワード線に、それぞれ接続する。
また、第１の書き込みトランジスタのソースと第１の読み出しトランジスタのソースはビ
ット線に接続してもよい。なお、第１の書き込みトランジスタのソースとビット線の間、
あるいは、第１の読み出しトランジスタのソースとビット線の間のいずれか一方、あるい
は双方に、１つ以上のトランジスタが挿入されてもよい。さらに、第１の書き込みトラン
ジスタとビット線の間に挿入されるトランジスタのゲートは第１の書き込みワード線に接
続してもよい。
第１の書き込みワード線、第２の書き込みワード線、第３の書き込みワード線、第４の書
き込みワード線は、互いに平行であり、また、ビット線とは直交する。
図２（Ｂ）に、上記の構造を有する記憶ユニットの例を図示する。図２（Ｂ）では、記憶
ユニットは、書き込みトランジスタ、読み出しトランジスタ、キャパシタを各１つ備えた
単位記憶セルを複数有する。すなわち、書き込みトランジスタＷＴｒ１と読み出しトラン
ジスタＲＴｒ１とキャパシタＣ１からなる第１の記憶セル、書き込みトランジスタＷＴｒ
２と読み出しトランジスタＲＴｒ２とキャパシタＣ２からなる第２の記憶セル、書き込み
トランジスタＷＴｒ３と読み出しトランジスタＲＴｒ３とキャパシタＣ３からなる第３の
記憶セル、書き込みトランジスタＷＴｒ４と読み出しトランジスタＲＴｒ４とキャパシタ
Ｃ４からなる第４の記憶セル、という４つの記憶セルよりなる記憶ユニットが示されてい
る。
それぞれの記憶セルにおける書き込みトランジスタのドレインとキャパシタの一方の電極
、読み出しトランジスタのゲートは接続されている。これらのトランジスタやキャパシタ
の接続される交点の電位は、読み出しトランジスタのオンオフと関連があるので、以下、
これらの交点をノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４という。
書き込みトランジスタＷＴｒ１のドレインは書き込みトランジスタＷＴｒ２のソースと接
続し、読み出しトランジスタＲＴｒ１のドレインは読み出しトランジスタＲＴｒ２のソー
スと接続する。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ３のドレインは書き込みトランジス
タＷＴｒ４のソースと接続し、読み出しトランジスタＲＴｒ３のドレインは読み出しトラ
ンジスタＲＴｒ４のソースと接続する。
この例では、読み出しトランジスタＲＴｒ２およびＲＴｒ４のドレインはバイアス線Ｓに
接続される。読み出しトランジスタＲＴｒ２のドレインとバイアス線Ｓの間、あるいは、
読み出しトランジスタＲＴｒ４のドレインとバイアス線Ｓの間のいずれか一方、あるいは
双方に１つ以上のトランジスタを有してもよい。
また、書き込みトランジスタＷＴｒ１のソースはトランジスタＴｒ０のドレインと接続す
る。トランジスタＴｒ０は意図的に設ける必要はないが、レイアウトの都合で形成されて
しまうことがある。しかしながら、トランジスタＴｒ０のゲートの電位を、書き込みトラ
ンジスタＷＴｒ３のゲートと同じ電位とすることで、動作に障害をもたらすことはない。
トランジスタＴｒ０のソースと読み出しトランジスタＲＴｒ１のソースは、ビット線Ｒと
接続する。書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、ＷＴｒ４のゲートは、
それぞれ、書き込みワード線Ｑ２、Ｑ４、Ｑ１、Ｑ３に接続する。キャパシタＣ１、Ｃ３
、Ｃ４の他方の電極も、それぞれ、書き込みワード線Ｑ３、Ｑ２、Ｑ４に接続する。また
、キャパシタＣ２の他方の電極は、読み出しワード線Ｐに接続する。
さらに、上述の通り、トランジスタＴｒ０のゲートを書き込みワード線Ｑ１に接続するこ
とで、書き込みトランジスタＷＴｒ３のゲートと同じ電位とすることができる。
書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、読み出しワード線Ｐは互いに平行であり、ま
た、ビット線Ｒと直交する。なお、バイアス線Ｓを常に一定の電位に保つのであれば、そ
の他の配線と平行にする、あるいは直交させる必要はない。ただし、集積度を高める点で
は、ビット線と直交する方が好ましい。
４つの記憶セルで、ビット線と記憶セルの間に設けられるコンタクトを共有することによ
り、単位記憶セルあたりの当該部のコンタクトの面積を削減することができ、集積度を向
上させることができる。より多くの記憶セルでひとつのビット線と記憶セルの間に設けら
れるコンタクトを共有することができ、単位記憶セルあたりの面積を低減できる。
加えて、本態様では、上記態様で必要な読み出しワード線の一部を書き込みワード線で代
用することによる面積の削減効果もある。以上のような効果により、例えば、半導体メモ
リ装置における単位記憶セルあたりの面積を８Ｆ２、あるいはそれ以下まで低減できる。
本発明の態様の一は、上記したものと同様な書き込みトランジスタ、読み出しトランジス
タ、キャパシタで１つの記憶セルを構成する。読み出しトランジスタの導電型は書き込み
トランジスタの導電型と同じものとする。また、これらに接続する配線として、書き込み
ワード線、ビット線、読み出しワード線、選択線という４種類の配線を用意する。
そして、書き込みトランジスタのドレインを読み出しトランジスタのゲートおよびキャパ
シタの一方の電極に接続する。また、読み出しトランジスタのドレインを選択トランジス
タのソースに接続する。さらに、書き込みトランジスタのゲートを書き込みワード線に、
書き込みトランジスタのソースおよび読み出しトランジスタのソースをビット線に、キャ
パシタの他方の電極を読み出しワード線に接続する。
書き込みワード線、ビット線、読み出しワード線、選択線はマトリクスを構成するが、マ
トリクス駆動をおこなうためには、書き込みワード線とビット線は直交し、書き込みワー
ド線と読み出しワード線、選択線は平行であることが望ましい。
図１２（Ａ）に、上記の構造を有する記憶セルの例を図示する。図１２（Ａ）では、書き
込みトランジスタＷＴｒと読み出しトランジスタＲＴｒと選択トランジスタＳＴｒとキャ
パシタＣからなる記憶セルが示されている。ここで、書き込みトランジスタＷＴｒのドレ
インは読み出しトランジスタＲＴｒのゲートおよびキャパシタＣの一方の電極に接続され
ている。また、読み出しトランジスタのドレインは選択トランジスタのソースに接続され
ている。
この例では、書き込みワード線Ｑ、ビット線Ｒ、読み出しワード線Ｐ、選択線Ｔに加えて
バイアス線Ｓを示す。書き込みワード線Ｑと読み出しワード線Ｐ、選択線Ｔは平行である
。そして、書き込みワード線Ｑとビット線Ｒは直交する。
そして、書き込みトランジスタＷＴｒのゲートは書き込みワード線Ｑに、選択トランジス
タＳＴｒのゲートは選択線Ｔに、書き込みトランジスタＷＴｒのソースと読み出しトラン
ジスタＲＴｒのソースはビット線Ｒに、選択トランジスタＳＴｒのドレインはバイアス線
Ｓに、キャパシタＣの他方の電極は読み出しワード線Ｐに、それぞれ接続されている。
図１２（Ａ）に示す記憶セルでは、書き込みワード線Ｑに適切な電位を与えることによっ
て、書き込みトランジスタＷＴｒをオン状態とする。その際のビット線Ｒの電位により、
書き込みトランジスタＷＴｒのドレインに電荷が注入される。この際の電荷の注入量は、
ビット線Ｒの電位、読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量、キャパシタＣの容量等に
よって決定されるため、同じ条件でおこなえば、ほぼ同じ結果となり、ばらつきが少ない
。このようにして、データが書き込まれる。
次に、書き込みワード線Ｑに別の適切な電位を与えることによって、書き込みトランジス
タＷＴｒをオフ状態とする。この場合でも、書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電
荷はそのまま保持される。読み出す際には、読み出しワード線Ｐに適切な電位を与え、読
み出しトランジスタＲＴｒがどのような状態となるかをモニターすることによって、書き
込まれたデータを知ることができる。
本発明の態様の一は、上記したものと同様な書き込みトランジスタ、読み出しトランジス
タ、キャパシタをそれぞれ複数個用いて形成される記憶ユニットからなる半導体メモリ装
置である。ここで、書き込みトランジスタと読み出しトランジスタの導電型は同じものと
する。
ここで、第１の書き込みトランジスタのドレインは第１のキャパシタの一方の電極、およ
び第１の読み出しトランジスタのゲートに接続し、第２の書き込みトランジスタのドレイ
ンは第２のキャパシタの一方の電極、および第２の読み出しトランジスタのゲートに接続
する。
また、第１の書き込みトランジスタのドレインは第２の書き込みトランジスタのソースと
接続し、第１の読み出しトランジスタのドレインは第２の読み出しトランジスタのソース
と接続する。さらに、第１の書き込みトランジスタのゲートは、第１の書き込みワード線
に、第２の書き込みトランジスタのゲートは、第２の書き込みワード線に、第１のキャパ
シタの他方の電極は、第１の読み出しワード線に、第２のキャパシタの他方の電極は、第
２の読み出しワード線に、それぞれ接続する。
また、第１の書き込みトランジスタのソースと第１の読み出しトランジスタのソースはビ
ット線に接続してもよい。なお、第１の書き込みトランジスタのソースとビット線の間、
あるいは、第１の読み出しトランジスタのソースとビット線の間のいずれか一方、あるい
は双方に、１つ以上のトランジスタが挿入されてもよい。
第１の書き込みワード線、第２の書き込みワード線、第１の読み出しワード線、第２の読
み出しワード線は、互いに平行であり、また、ビット線とは直交する。
図１３（Ａ）に、上記の構造を有する記憶ユニットの例を図示する。ここでは、記憶ユニ
ットは、書き込みトランジスタ、読み出しトランジスタ、キャパシタを各１つ備えた単位
記憶セルを複数有する。すなわち、書き込みトランジスタＷＴｒ１と読み出しトランジス
タＲＴｒ１とキャパシタＣ１からなる第１の記憶セル、書き込みトランジスタＷＴｒ２と
読み出しトランジスタＲＴｒ２とキャパシタＣ２からなる第２の記憶セル、書き込みトラ
ンジスタＷＴｒ３と読み出しトランジスタＲＴｒ３とキャパシタＣ３からなる第３の記憶
セル、という３つの記憶セルよりなる記憶ユニットが示されている。
それぞれの記憶セルにおける書き込みトランジスタのドレインはキャパシタの一方の電極
と読み出しトランジスタのゲートに接続されている。これらのトランジスタやキャパシタ
の接続される交点の電位は、読み出しトランジスタのオンオフと関連があるので、以下、
これらの交点をノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３という。
書き込みトランジスタＷＴｒ１のドレインは書き込みトランジスタＷＴｒ２のソースと接
続し、読み出しトランジスタＲＴｒ１のドレインは読み出しトランジスタＲＴｒ２のソー
スと接続する。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ２のドレインは書き込みトランジス
タＷＴｒ３のソースと接続し、読み出しトランジスタＲＴｒ２のドレインは読み出しトラ
ンジスタＲＴｒ３のソースと接続する。
また、読み出しトランジスタＲＴｒ３のドレインは選択トランジスタＳＴｒ１のソースに
接続される。この例では、選択トランジスタＳＴｒ１のドレインはバイアス線Ｓに接続さ
れる。また、書き込みトランジスタＷＴｒ１のソースと読み出しトランジスタＲＴｒ１の
ソースは、ビット線Ｒと接続する。書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３
のゲートは、それぞれ、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に接続する。キャパシタＣ１
、Ｃ２、Ｃ３の他方の電極は、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に接続する。
書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３と、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は互いに平行
であり、また、ビット線Ｒと直交する。また、選択トランジスタＳＴｒ１のゲートは選択
線Ｔに接続され、選択線Ｔは書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、読み出しワード線Ｐ１
、Ｐ２、Ｐ３と平行である。なお、バイアス線Ｓを常に一定の電位に保つのであれば、そ
の他の配線と平行にする、あるいは直交させる必要はない。ただし、集積度を高める点で
は、ビット線と直交する方が好ましい。
このように、３つの記憶セルで、ビット線と記憶セルの間に設けられるコンタクトを共有
することにより、単位記憶セルあたりの当該部のコンタクトの面積を削減することができ
、集積度を向上させることができる。図１３（Ａ）では記憶ユニットに３つの記憶セルを
設ける例を示したが、ひとつの記憶ユニットをより多くの記憶セルで構成してもよい。例
えば、１６個、３２個といった記憶セルで構成してもよい。
図１３（Ａ）のように記憶セルを直列に接続することにより、より多くの記憶セルでひと
つのビット線と記憶セルの間に設けられるコンタクトを共有することができ、単位記憶セ
ルあたりの面積を低減できる。例えば、最小加工線幅をＦとしたときに、半導体メモリ装
置における単位記憶セルあたりの面積を１２Ｆ２、あるいはそれ以下まで低減できる。
図１３（Ａ）に示す回路図は、半導体メモリ装置の１つの記憶ユニットである。半導体メ
モリ装置は、これらの記憶ユニットをマトリクス状に構成して得られる。図１６にその例
を示す。ここでは、第ｎ行第（ｍ−１）列、第ｎ行第ｍ列、第ｎ行第（ｍ＋１）列、第ｎ
行第（ｍ＋２）列、第（ｎ＋１）行第（ｍ−１）列、第（ｎ＋１）行第ｍ列、第（ｎ＋１
）行第（ｍ＋１）列、第（ｎ＋１）行第（ｍ＋２）列、という８つの記憶ユニット、２４
個の記憶セルが示されている。
第ｎ行第ｍ列の記憶ユニットには、書き込みワード線Ｑ１＿ｎ、Ｑ２＿ｎ、Ｑ３＿ｎ、読
み出しワード線Ｐ１＿ｎ、Ｐ２＿ｎ、Ｐ３＿ｎ、選択線Ｔ＿ｎ、バイアス線Ｓ＿ｎ、ビッ
ト線Ｒ＿ｍが設けられる。他の記憶ユニットでも同様である。
なお、図１３（Ｂ）に示すように、読み出しトランジスタＲＴｒ１のソースとビット線Ｒ
との間に、第２の選択トランジスタＳＴｒ２を設けてもよい。選択トランジスタＳＴｒ２
のゲートは選択線Ｔ’に接続する。この場合には、選択トランジスタＳＴｒ２のゲートに
印加される信号は、選択トランジスタＳＴｒ１のゲートに印加される信号と同じか同期さ
せることが望ましい。そのため、選択線Ｔと選択線Ｔ’を同じ配線で形成してもよい。
また、図１３（Ｃ）に示すように、選択トランジスタを設けない構造としてもよい。
本発明の態様の一は、上記したものと同様な書き込みトランジスタ、読み出しトランジス
タ、キャパシタをそれぞれ複数個用いて形成される記憶ユニットからなる半導体メモリ装
置である。ここで、書き込みトランジスタと読み出しトランジスタの導電型は同じとする
。
すなわち、第１の書き込みトランジスタのドレインは第１のキャパシタの一方の電極、お
よび第１の読み出しトランジスタのゲートに接続し、第２の書き込みトランジスタのドレ
インは第２のキャパシタの一方の電極、および第２の読み出しトランジスタのゲートに接
続し、第３の書き込みトランジスタのドレインは第３のキャパシタの一方の電極、および
第３の読み出しトランジスタのゲートに接続し、第４の書き込みトランジスタのドレイン
は第４のキャパシタの一方の電極、および第４の読み出しトランジスタのゲートに接続す
る。
また、第１の書き込みトランジスタのドレインは第２の書き込みトランジスタのソースと
接続し、第１の読み出しトランジスタのドレインは第２の読み出しトランジスタのソース
と接続する。同様に、第３の書き込みトランジスタのドレインは第４の書き込みトランジ
スタのソースと接続し、第３の読み出しトランジスタのドレインは第４の読み出しトラン
ジスタのソースと接続する。
さらに、第１の書き込みトランジスタのゲートと第３のキャパシタの他方の電極は、第１
の書き込みワード線に、第１のキャパシタの他方の電極と第４の書き込みトランジスタの
ゲートは、第２の書き込みワード線に、第２の書き込みトランジスタのゲートと第４のキ
ャパシタの他方の電極は、第３の書き込みワード線に、第２のキャパシタの他方の電極は
、読み出しワード線に、それぞれ接続する。
また、第２の読み出しトランジスタのドレインは第１の選択トランジスタのソースに、第
４の読み出しトランジスタのドレインは第２の選択トランジスタのソースに、それぞれ接
続してもよい。また、第１の選択トランジスタのゲートおよび第２の選択トランジスタの
ゲートはともに同じ選択線に接続してもよい。
なお、第１の書き込みトランジスタのソースとビット線の間、あるいは、第１の読み出し
トランジスタのソースとビット線の間のいずれか一方、あるいは双方に、１つ以上のトラ
ンジスタが挿入されてもよい。
第１の書き込みワード線、第２の書き込みワード線、第３の書き込みワード線、読み出し
ワード線、選択線は、互いに平行であり、また、ビット線とは直交する。
図１７に、上記の構造を有する記憶ユニットの例を図示する。図１７（Ａ）では、記憶ユ
ニットは、書き込みトランジスタ、読み出しトランジスタ、キャパシタを各１つ備えた単
位記憶セルを複数有する。すなわち、書き込みトランジスタＷＴｒ１と読み出しトランジ
スタＲＴｒ１とキャパシタＣ１からなる第１の記憶セル、書き込みトランジスタＷＴｒ２
と読み出しトランジスタＲＴｒ２とキャパシタＣ２からなる第２の記憶セル、書き込みト
ランジスタＷＴｒ３と読み出しトランジスタＲＴｒ３とキャパシタＣ３からなる第３の記
憶セル、書き込みトランジスタＷＴｒ４と読み出しトランジスタＲＴｒ４とキャパシタＣ
４からなる第４の記憶セル、という４つの記憶セルよりなる記憶ユニットが示されている
。
それぞれの記憶セルにおける書き込みトランジスタのドレインとキャパシタの一方の電極
、読み出しトランジスタのゲートは接続されている。これらのトランジスタやキャパシタ
の接続される交点の電位は、読み出しトランジスタのオンオフと関連があるので、以下、
これらの交点をノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４という。
書き込みトランジスタＷＴｒ１のドレインは書き込みトランジスタＷＴｒ２のソースと接
続し、読み出しトランジスタＲＴｒ１のドレインは読み出しトランジスタＲＴｒ２のソー
スと接続する。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ３のドレインは書き込みトランジス
タＷＴｒ４のソースと接続し、読み出しトランジスタＲＴｒ３のドレインは読み出しトラ
ンジスタＲＴｒ４のソースと接続する。
さらに、読み出しトランジスタＲＴｒ２のドレインと読み出しトランジスタＲＴｒ４のド
レインは、それぞれ、第１の選択トランジスタＳＴｒ１のソースと第２の選択トランジス
タＳＴｒ２のソースに接続する。選択トランジスタＳＴｒ１およびＳＴｒ２のゲートは、
ともに、選択線Ｔに接続する。さらに、この例では、選択トランジスタＳＴｒ１およびＳ
Ｔｒ２のドレインはバイアス線Ｓに接続される。
図１７（Ａ）の例では、書き込みトランジスタＷＴｒ１のソースはトランジスタＴｒ０の
ドレインと接続する。トランジスタＴｒ０は意図的に設ける必要はないが、レイアウトの
都合で形成されてしまうことがある。しかしながら、トランジスタＴｒ０のゲートの電位
を、書き込みトランジスタＷＴｒ３のゲートと同じ電位とすることで、動作に障害をもた
らすことはない。
トランジスタＴｒ０のソースと読み出しトランジスタＲＴｒ１のソースは、ビット線Ｒと
接続する。書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、ＷＴｒ４のゲートは、
それぞれ、書き込みワード線Ｑ２、Ｑ４、Ｑ１、Ｑ３に接続する。キャパシタＣ１、Ｃ３
、Ｃ４の他方の電極も、それぞれ、書き込みワード線Ｑ３、Ｑ２、Ｑ４に接続する。また
、キャパシタＣ２の他方の電極は、読み出しワード線Ｐに接続する。
さらに、上述の通り、トランジスタＴｒ０のゲートを書き込みワード線Ｑ１に接続するこ
とで、書き込みトランジスタＷＴｒ３のゲートと同じ電位とすることができる。
書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、読み出しワード線Ｐ、選択線Ｔは互いに平行
であり、また、ビット線Ｒと直交する。なお、バイアス線Ｓを常に一定の電位に保つので
あれば、その他の配線と平行にする、あるいは直交させる必要はない。ただし、集積度を
高める点では、ビット線と直交する方が好ましい。
図１７（Ａ）では、１つの記憶ユニットに２つの選択トランジスタが設けられるが、これ
を１つの選択トランジスタとすることもできる。図１７（Ｂ）には、その回路図を示す。
図１７（Ｂ）では、第２の読み出しトランジスタのドレインと第４の読み出しトランジス
タのドレインを選択トランジスタＳＴｒ１のソースに接続する構成とし、図１７（Ａ）に
おける第２の選択トランジスタＳＴｒ２を省略した。このような構成とすることで、トラ
ンジスタの配置に余裕ができ、コンタクトホールや接続電極を追加できる。
４つの記憶セルで、ビット線と記憶セルの間に設けられるコンタクトや選択トランジスタ
を共有することにより、単位記憶セルあたりの当該部のコンタクトの面積を削減すること
ができ、集積度を向上させることができる。より多くの記憶セルでひとつのビット線と記
憶セルの間に設けられるコンタクトを共有することができ、単位記憶セルあたりの面積を
低減できる。
加えて、本態様では、上記態様における読み出しワード線の一部を書き込みワード線で代
用することによる面積の削減効果もある。以上のような効果により、例えば、半導体メモ
リ装置における単位記憶セルあたりの面積を８Ｆ２、あるいはそれ以下まで低減できる。
上記の構成のいずれかを採用することにより、前記課題の少なくとも１つを解決できる。
書き換え回数に関しては、上記の構成においては、書き込み動作がいずれも通常のトラン
ジスタのオンオフによりなされるため、絶縁膜の劣化は起こりえない。すなわち、上記し
た半導体メモリ装置は実質的に書き換えの制限がない。
また、データの保存できる期間に関しても、本発明は優れた特性を示す。用いるトランジ
スタのソースとドレイン間のオフ状態でのリーク電流やゲートリーク電流、キャパシタの
内部リーク電流を上記の条件とすることにより、電荷を１０時間以上、さらには１００時
間以上保持できる。さらに条件を改善することにより、１ヶ月以上、あるいは１年以上保
持できる。
リークにより電荷が減少した場合は、従来のＤＲＡＭと同様にリフレッシュをおこなえば
よいが、その間隔は、上記の電荷の保持できる期間によって定められる。上記のように長
期間、電荷が保持されることにより、リフレッシュの間隔は、例えば、１ヶ月に１度とか
１年に１度とかとなる。従来のＤＲＡＭで必要であった頻繁なリフレッシュは不要である
ので、より消費電力の少ない半導体メモリ装置となる。
なお、従来のＤＲＡＭでは、データの読み出しの度に、再度、データを書き込む操作が必
要であったが、上記した半導体メモリ装置では、データを読み出す操作により、データが
消えることがないため、そのような操作は不要である。従来、このような特徴はＳＲＡＭ
で実現できるものであったが、上記した半導体メモリ装置は、一つの記憶セルに用いられ
るトランジスタの数は従来のＳＲＡＭより少なく、５つ以下、典型的には２つである。し
かも、トランジスタのひとつを薄膜状の酸化物半導体を用いて形成すれば、従来のシリコ
ン半導体の上に積層して形成できるため集積度を向上できる。
集積度に関しては、本発明では、記憶セルに必要な容量の絶対値を低減させることができ
る。例えば、ＤＲＡＭにおいては、記憶セルの容量は配線容量と同程度以上でないと動作
に支障をきたすため、少なくとも３０ｆＦの容量が必要とされた。しかしながら、容量は
面積に比例するため、集積度を上げてゆくと１つの記憶セルの面積が小さくなり、必要な
容量を確保できなくなる。そのため、ＤＲＡＭでは特殊な形状や材料を用いて大きな容量
を形成する必要があった。
これに対し、本発明では、キャパシタの容量は、読み出しトランジスタのゲート容量との
相対比で定めることができる。すなわち、集積度が高くなっても、そのことは読み出しト
ランジスタのゲート容量が低くなることを意味するので、キャパシタに必要とされる容量
も同じ比率で低下する。したがって、集積度が高くなっても、基本的に同じ構造のキャパ
シタを用いることができる。
さらに、上記構成を有する半導体メモリ装置は、ＦＧＮＶＭで書き込みや消去の際に必要
な高い電圧を必要としない。また、ＦＧＮＶＭにおいては、書き込み時のフローティング
ゲートへの電荷の注入は一方通行であり、非平衡状態でなされるため、電荷量のばらつき
が大きかった。フローティングゲートで保持される電荷量によって、複数段階のデータを
記憶することもできるが、電荷量のばらつきを考慮すると、４段階（２ビット）程度が一
般的であった。より高ビットのデータを記憶するためには、より高い電圧を用いる必要が
あった。
これに対し、上記した構成では、キャパシタへの電荷の蓄積が可逆的におこなわれるため
、ばらつきが小さく、例えば、電荷の注入による読み出しトランジスタのしきい値のばら
つきを０．５Ｖ以下にできる。このため、より狭い電圧範囲において、より多くのデータ
を１つの記憶セルに保持でき、結果的に、その書き込みや読み出しの電圧も低くできる。
例えば、４ビット（１６段階）のデータの書き込みや読み出しに際して、使用する電圧を
１０Ｖ以下とできる。
本発明の半導体メモリ装置と駆動方法の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（書き込み）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（読み出し）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（書き込み）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（読み出し）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の配線のレイアウトの例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の作製工程の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の作製工程の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の配線のレイアウトの例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置と駆動方法の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（書き込み）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（読み出し）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（書き込み）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の駆動方法（読み出し）の例を説明する図である。 本発明の半導体メモリ装置の配線のレイアウトの例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の配線のレイアウトの例を示す図である。 本発明の半導体メモリ装置の配線のレイアウトの例を示す図である。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異な
る態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及
び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、
以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、以下の実施の形態で開示された構造や条件等の項目は、他の実施の形態においても
適宜、組み合わせることができる。なお、以下に説明する構成において、同様のものを指
す符号は異なる図面間で共通の符号を用いて示し、同一部分又は同様な機能を有する部分
の詳細な説明は省略することもある。
（実施の形態１）
本実施の形態では、図１（Ａ）に示す半導体メモリ回路の動作の例について、図１（Ｂ）
乃至図１（Ｅ）を用いて説明する。なお、電位として、以下に具体的な数値を挙げるが、
それは、本発明の技術思想の理解を助けることが目的である。言うまでもなく、それらの
値はトランジスタやキャパシタのさまざまな特性によって、あるいは実施者の都合によっ
て変更される。また、図１（Ａ）に示される半導体メモリ回路は、以下の方法以外の方法
によっても、データを書き込み、あるいは読み出すことができる。
ここでは、書き込みトランジスタＷＴｒをＮチャネル型、読み出しトランジスタＲＴｒを
Ｐチャネル型とする。書き込みトランジスタＷＴｒは、ゲートの電位が、ソースあるいは
ドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上高くなるとオンになる（電流を流す）とし、
それ以外はオフである（電流を流さない）とする。また、読み出しトランジスタＲＴｒは
、ゲートの電位が、ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上低くなる
とオンになる（電流を流す）とし、それ以外はオフである（電流を流さない）とする。
また、読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量のうち、ゲートバイアスによって変動す
る分はキャパシタＣの容量に対して無視できるものとする。さらに、書き込みトランジス
タＷＴｒの寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒの寄生容量、その他、配線間の寄生容
量等、図に示されていない容量はすべて０として考える。また、図１（Ｂ）乃至（Ｅ）で
は、オン状態であるトランジスタには丸印を、オフ状態であるトランジスタには×印をそ
れぞれ、トランジスタの記号に重ねて表記する。特定の条件でオンになるものについては
、別途記載する。以下の例では、バイアス線Ｓの電位は常時０Ｖであるとする。
最初に、この記憶セルへの書き込みについて説明する。書き込み時には、図１（Ｂ）に示
すように、読み出しワード線Ｐの電位を０Ｖとする。また、ビット線Ｒの電位は、書き込
むデータに応じて、０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖの４段階の値をとるものとする。そし
て、書き込みワード線Ｑの電位を、＋４Ｖとすると、書き込みトランジスタＷＴｒがオン
となり、書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位は書き込みトランジスタのソース
（すなわち、ビット線Ｒ）の電位に近づく。ここでは、ビット線Ｒの電位と等しくなるも
のとする。
一方、この段階では読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位は、書き込みトランジス
タＷＴｒのドレインの電位と等しい。すなわち、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの
電位は０Ｖ以上であり、読み出しトランジスタＲＴｒのソース（すなわち、ビット線Ｒ）
の電位と同じである。
また、読み出しトランジスタＲＴｒのドレイン（すなわち、バイアス線Ｓ）の電位は０Ｖ
である。したがって、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位は、ソースやドレイン
の電位と同じか高いので、読み出しトランジスタＲＴｒはオフ状態である。このようにし
て、データを書き込むことができる。
なお、書き込み時を含めて、可能な限り、読み出しトランジスタＲＴｒをオフ状態とする
ことは、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートからソース、あるいはゲートからドレイン
へのリーク電流を低減する上で効果がある。一般に、このようなリーク電流は、オン状態
で増加し、オフ状態では非常に少なくなる。
このようなリーク電流は、キャパシタＣに保持された電荷の漏れであるので、その量が多
ければ、データの保持時間の減少につながる。本実施の形態では、読み出しトランジスタ
ＲＴｒがオンとなるのは、読み出し時のみであるため、データの保持の面で優れている。
次に、当該行以外の行の書き込みをおこなう場合には、図１（Ｃ）に示すように、書き込
みワード線Ｑの電位を、０Ｖとする。また、読み出しワード線Ｐの電位を＋３Ｖとする。
一方、ビット線Ｒの電位は、書き込みのおこなわれる行に書き込むデータに応じて、０Ｖ
、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖの４段階の値をとる。
書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位は、読み出しワード線ＰとキャパシタＣを
介して接続しているため、読み出しワード線Ｐの電位の変動（すなわち、図１（Ｂ）の０
Ｖから図１（Ｃ）の＋３Ｖへの上昇）により、３Ｖ上昇する。すなわち、書き込まれたデ
ータに応じて、＋３Ｖ、＋４Ｖ、＋５Ｖ、＋６Ｖのいずれかの値となる。
また、この状態では、書き込みトランジスタＷＴｒのソース（ビット線Ｒ）の電位（０〜
＋３Ｖ）や書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位（＋３〜＋６Ｖ）よりも、書き
込みトランジスタＷＴｒのゲートの電位（０Ｖ）が低いため、書き込みトランジスタＷＴ
ｒはオフとなる。
さらに、読み出しトランジスタＲＴｒのソース（すなわち、ビット線Ｒ）の電位（０〜＋
３Ｖ）や読み出しトランジスタＲＴｒのドレイン（すなわち、バイアス線Ｓ）の電位（０
Ｖ）よりも、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位（＋３〜＋６Ｖ）が高いため、
読み出しトランジスタＲＴｒはオフとなる。
次に、読み出しについて説明する。図１（Ｄ）に示すように、書き込みワード線Ｑの電位
を０Ｖとする。また、読み出しワード線Ｐの電位を＋２Ｖとする。また、ビット線Ｒの電
位を＋３Ｖとする。この状態では、書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位は、書
き込まれたデータに応じて、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖ、＋５Ｖのいずれかとなり、読み出
しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が＋２Ｖであれば読み出しトランジスタＲＴｒはオ
ンとなるが、それ以外の場合にはオフとなる。
この段階で、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が＋２Ｖであるのは、書き込み
の時にビット線Ｒの電位が０Ｖであった場合である。すなわち、読み出しワード線Ｐの電
位を＋２Ｖとしたときに読み出しトランジスタＲＴｒがオンであれば、書き込みの時にビ
ット線Ｒの電位が０Ｖであったとわかる。
読み出しトランジスタＲＴｒがオン状態となると、ビット線Ｒに電流が流れるので、これ
を検知することによって、読み出しトランジスタＲＴｒがオン状態であることを知ること
ができる。あるいは、ビット線Ｒの一端がキャパシタであるならば、当初の電位（＋３Ｖ
）は、バイアス線Ｓの電位（０Ｖ）に近づくので、やはり、読み出しトランジスタＲＴｒ
がオン状態であることを知ることができる。
同様に、図１（Ｅ）に示すように、読み出しワード線Ｐの電位が、０Ｖになれば、読み出
しトランジスタＲＴｒのゲートの電位は０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖとなる。そして、
読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が、＋３Ｖの場合のみ、読み出しトランジス
タＲＴｒはオフとなり、それ以外の場合はオンとなる。
この段階で、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が＋３Ｖであるのは、書き込み
の時にビット線Ｒの電位が＋３Ｖであった場合である。すなわち、読み出しワード線Ｐの
電位を０Ｖとしたときに読み出しトランジスタＲＴｒがオフであれば、書き込みの時にビ
ット線Ｒの電位が＋３Ｖであったとわかる。
なお、ビット線Ｒにキャパシタを接続し、その電位を測定することにより、データを読み
出すこともできる。例えば、図１（Ｅ）において、読み出しトランジスタＲＴｒのゲート
の電位が＋２Ｖであるとすると、読み出しトランジスタＲＴｒはオンとなり、ビット線Ｒ
の電位は、バイアス線Ｓの電位に近づくが、ビット線Ｒの電位が＋２Ｖとなると、読み出
しトランジスタＲＴｒのゲートの電位と同じなので読み出しトランジスタＲＴｒはオフと
なる。すなわち、ビット線Ｒの電位は、＋２Ｖ以上、＋３Ｖ未満となる。
同様に、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が＋１Ｖであるとすると、ビット線
Ｒの電位は、＋１Ｖ以上、＋２Ｖ未満となり、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電
位が０Ｖであるとすると、ビット線Ｒの電位は、０Ｖ以上＋１Ｖ未満となる。読み出しト
ランジスタＲＴｒのゲートの電位が＋３Ｖであると、読み出しトランジスタＲＴｒはオフ
であるため、ビット線の電位は初期の値（＋３Ｖ）から変わらない。
このようにして４段階のデータ（２ビット）を書き込み・読み出しできる。もちろん、同
様にして、さらに多くのデータ、例えば、８段階のデータ（３ビット）、１６段階のデー
タ（４ビット）を書き込み・読み出しできる。
上記の説明では、寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量をキャパシタＣの
容量に対して無視したが、現実の記憶セルではそれらを考慮した上で、与える電位を決定
する必要がある。
読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量は、オン状態とオフ状態で大きく変動するので
、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位はその影響を受ける。読み出しトランジス
タＲＴｒのゲート容量のキャパシタＣの容量に対する比率が大きいほど、その影響が大き
いので、好ましくは、キャパシタＣの容量は読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量の
２倍以上とするとよい。
なお、記憶セルに保持される電荷量を複数段階とすることによって多段階のデータ（多値
のデータ）を記憶するには、保持される電荷量のばらつきが小さいことが必要である。本
実施の形態で示した半導体メモリ回路および半導体メモリ装置は、保持される電荷量のば
らつきが小さいため、この目的に適している。
（実施の形態２）
本実施の形態では、図２（Ａ）に示す半導体メモリ回路の動作の例について、図３および
図４を用いて説明する。なお、電位として、以下に具体的な数値を挙げるが、それは、本
発明の技術思想の理解を助けることが目的である。言うまでもなく、それらの値はトラン
ジスタやキャパシタのさまざまな特性によって、あるいは実施者の都合によって変更され
る。また、図２（Ａ）に示される半導体メモリ回路は、以下の方法以外の方法によっても
、データを書き込み、あるいは読み出すことができる。
ここでは、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３をＮチャネル型、読み出
しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３をＰチャネル型とする。また、書き込みト
ランジスタは、ゲートの電位が、ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ
以上高くなるとオンになるとし、それ以外はオフであるとする。また、読み出しトランジ
スタは、ゲートの電位が、ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上低
くなるとオンになるとし、それ以外はオフであるとする。
また、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲート容量のうち、ゲート
バイアスによって変動する分はキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量に対して無視できるも
のとする。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒの寄生容量や読み出しトランジスタＲＴ
ｒの寄生容量、その他、配線間の寄生容量等、図に示されていない容量はすべて０として
考える。また、図３および図４では、オン状態であるトランジスタには丸印を、オフ状態
であるトランジスタには×印をそれぞれ、トランジスタの記号に重ねて表記する。特定の
条件でオンになるものについては、別途記載する。以下の例では、バイアス線Ｓの電位は
常時０Ｖであるとする。
最初に、この記憶ユニットへの書き込みについて説明する。書き込みは、一番右の記憶セ
ルから始める。書き込み時には、図３（Ａ）に示すように、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２
、Ｐ３の電位を０Ｖとする。また、ビット線Ｒの電位は、書き込むデータに応じて、０Ｖ
、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖの４段階の値をとるものとする。
そして、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の電位を、＋４Ｖとすると、書き込みトラン
ジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３がオンとなり、書き込みトランジスタＷＴｒ３のド
レインの電位（すなわち、ノードＦ３の電位）はビット線Ｒの電位に近づく。ここでは、
ビット線Ｒの電位と等しくなるものとする。
一方、この段階では、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３はオフ状態で
ある。そして、図３（Ｂ）に示すように、書き込みワード線Ｑ３の電位を０Ｖとする。す
ると、書き込みトランジスタＷＴｒ３はオフとなるため、ノードＦ３では、直前のビット
線Ｒの電位が保持される。このようにして、一番右側の記憶セルにデータを書き込むこと
ができる。
次に、中央の記憶セルにデータを書き込む。図３（Ｂ）の段階では、ノードＦ２の電位は
、ビット線Ｒの電位と等しくなる。そして、書き込みワード線Ｑ２の電位を０Ｖとする（
図３（Ｃ）参照）と、書き込みトランジスタＷＴｒ２がオフとなるため、ノードＦ２では
、直前のビット線Ｒの電位が保持される。このようにして、中央の記憶セルにデータを書
き込むことができる。
このようにして、すべての記憶セルにデータを書き込むことができる。当該記憶ユニット
内に書き込む作業を必要としない場合は、図３（Ｄ）に示すように、読み出しワード線Ｐ
１の電位を＋３Ｖとするとよい。このときノードＦ１の電位は、＋３Ｖ以上＋６Ｖ以下と
なる。ビット線Ｒの電位は０Ｖ以上＋３Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴｒ
１はオフ状態を保つことができる。
次に読み出しについて図４を用いて説明する。まず、当該記憶ユニット以外の行の読み出
しをおこなう場合には、図４（Ａ）に示すように、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の
電位を０Ｖ、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の電位を＋４Ｖとする。こうすると、書
き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３はオフとなる。また、ノードＦ１、Ｆ
２、Ｆ３の電位は、＋４Ｖ以上＋７Ｖ以下である。そして、ビット線Ｒの電位は、後で説
明するように０Ｖ以上＋４Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２
、ＲＴｒ３はオフを維持できる。
当該記憶ユニットの読み出しをおこなうには、図４（Ｂ）に示すように、書き込みワード
線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の電位を０Ｖ、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の電位を０Ｖとす
る。また、ビット線の電位を＋４Ｖとする。このときには、書き込みトランジスタＷＴｒ
１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３はオフとなるが、ノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３の電位が０Ｖ以上＋３
Ｖ以下であり、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３はオンとなる。この
ため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れる。
もし、ビット線Ｒの一端がキャパシタであれば、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が
流れると、当初の電位（＋４Ｖ）は、バイアス線Ｓの電位（０Ｖ）に近づくこととなる。
最終的な電位は、ノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３の電位の最小値で決まるが、いずれにせよ、ビ
ット線Ｒの電位は０Ｖ以上＋４Ｖ以下で変動することとなる。
以下では、記憶ユニットのうち、中央の記憶セルのデータを読み出すものとする。図４（
Ｃ）に示すように読み出しワード線Ｐ２の電位を＋１Ｖに上昇させると、ノードＦ２の電
位は、書き込まれたデータに応じて＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖのいずれかとなる。
ここで、ノードＦ２の電位が＋４Ｖであれば、読み出しトランジスタＲＴｒ２はオフとな
るため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
この段階で、ノードＦ２の電位が＋４Ｖであるのは、書き込みの時にビット線の電位が＋
３Ｖであった場合である。すなわち、読み出しワード線Ｐ２の電位を＋１Ｖとしたときに
読み出しトランジスタＲＴｒ２がオフであれば、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋３
Ｖであったとわかる。このようにして、保持されているデータの値を知ることができる。
さらに、図４（Ｄ）に示すように読み出しワード線Ｐ２の電位を＋２Ｖに上昇させると、
ノードＦ２の電位は、書き込まれたデータに応じて＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖ、＋５Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ２の電位が＋４Ｖか＋５Ｖであれば、読み出しトランジ
スタＲＴｒ２はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
このことを検知してデータの値を知ることができる。すなわち、この段階で、読み出しト
ランジスタＲＴｒ２のゲートの電位が＋４Ｖあるいは＋５Ｖであるのは、書き込みの時に
ビット線Ｒの電位が＋２Ｖあるいは＋３Ｖであった場合であり、読み出しワード線Ｐ２の
電位が＋１Ｖ（すなわち、図４（Ｃ）の状態）ではオン状態であったのに、＋２Ｖになる
とオフ状態となった場合には、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋２Ｖであったときで
ある。
同様に、図４（Ｅ）に示すように読み出しワード線Ｐ２の電位を＋３Ｖに上昇させると、
ノードＦ２の電位は、書き込まれたデータに応じて＋３Ｖ、＋４Ｖ、＋５Ｖ、＋６Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ２の電位が＋４Ｖか＋５Ｖ、＋６Ｖであれば、読み出し
トランジスタＲＴｒ２はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れな
くなる。すなわち、書き込み時にビット線の電位が＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖのいずれかで
あった場合である。
書き込み時にビット線の電位が０Ｖであった場合には、読み出しワード線Ｐ２の電位を＋
３Ｖとした場合、ノードＦ２の電位は＋３Ｖであり、依然としてオンである。すなわち、
読み出しワード線Ｐ２の電位が＋３Ｖでもビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れる
場合は、書き込みの時にビット線の電位が０Ｖであったとわかる。
以上は、読み出しワード線Ｐ２の電位を段階的に変化させてデータの値を知る方法である
が、電位を測定することによってもデータの値を知ることもできる。例えば、ビット線の
端にキャパシタを設け、記憶セル側の電位を＋４Ｖとしておく。
また、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３と読み出しワード線Ｐ１、Ｐ３の電位を−３Ｖ
とする。この状態では、ノードＦ１、Ｆ３とも電位は−３Ｖ以上０Ｖ以下であるため、読
み出しトランジスタＲＴｒ１とＲＴｒ３はビット線Ｒの電位をバイアス線Ｓの電位（０Ｖ
）と等しくすることができる。正確には、ノードＦ２が０Ｖ以下であれば、ビット線Ｒの
キャパシタの電位は０Ｖ以上＋１Ｖ未満となる。
一方、読み出しワード線Ｐ２を＋３Ｖとすると、ノードＦ２の電位は＋３Ｖ以上＋６Ｖ以
下であるので、この段階では読み出しトランジスタＲＴｒ２はオフである。しかし、次に
読み出しワード線の電位を０Ｖに下げると、ノードＦ２の電位は０Ｖ以上＋３Ｖ以下とな
り、読み出しトランジスタＲＴｒ２はオンとなる。
先に説明したように、ノードＦ２の電位が０Ｖであれば、ビット線Ｒのキャパシタの電位
は０Ｖ以上＋１Ｖ未満となる。ここで、ノードＦ２の電位が０Ｖとなるのは、書き込み時
のビット線の電位が０Ｖであった場合である。
同様に、ノードＦ２の電位が＋１Ｖであれば、ビット線Ｒのキャパシタの電位は＋１Ｖ以
上＋２Ｖ未満、ノードＦ２の電位が＋２Ｖであれば、ビット線Ｒのキャパシタの電位は＋
２Ｖ以上＋３Ｖ未満、ノードＦ２の電位が＋３Ｖであれば、ビット線Ｒのキャパシタの電
位は＋３Ｖ以上＋４Ｖ未満となる。そして、それぞれの場合において、書き込み時のビッ
ト線の電位が特定できる。すなわち、ビット線Ｒのキャパシタの電位を測定することによ
り、ノードＦ２の電位を知ることができ、そのことから、書き込み時のビット線の電位を
知ることができる。
このようにして４段階のデータ（２ビット）を書き込み・読み出しできる。もちろん、同
様にして、さらに多くのデータ、例えば、８段階のデータ（３ビット）、１６段階のデー
タ（４ビット）を書き込み・読み出しできる。
上記の説明では、寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ３のゲート容量をキ
ャパシタＣ１〜Ｃ３の容量に対して、無視したが、現実の記憶セルではそれらを考慮した
上で、与える電位を決定する必要がある。
読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ３のゲート容量は、オン状態とオフ状態で大きく
変動するので、読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ３のゲートの電位はその影響を受
ける。読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ３のゲート容量のキャパシタＣ１〜Ｃ３の
容量に対する比率が大きいほど、その影響が大きいので、好ましくは、キャパシタＣ１〜
Ｃ３の容量は読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ３のゲート容量の２倍以上とすると
よい。
（実施の形態３）
本実施の形態では、実施の形態２で説明した半導体メモリ装置の形状や作製方法の例につ
いて説明する。本実施の形態では、書き込みトランジスタは、ガリウムとインジウムを含
有する酸化物半導体を用い、読み出しトランジスタとしては、単結晶シリコン半導体を用
いる。そのため、書き込みトランジスタは読み出しトランジスタの上に積層して設けられ
る。
すなわち、単結晶シリコン基板上に設けられた単結晶シリコン半導体を用いた絶縁ゲート
型トランジスタを読み出しトランジスタとし、その上に、酸化物半導体を用いたトランジ
スタを形成して、これを書き込みトランジスタとする。なお、本実施の形態は単結晶シリ
コン基板上に半導体メモリ装置を形成する例について説明するが、それ以外の基板上に設
けることも可能である。
図８に本実施の形態の半導体メモリ装置の記憶ユニットのレイアウト例を示す。本実施の
形態では、単位記憶ユニット内に４つの記憶セルを有する。
図８（Ａ）は単結晶シリコン基板上に設けられた主要な配線・電極等を示す。基板上に素
子分離領域１０２を形成する。基板上には、導電性の材料やドーピングされたシリコンを
用いた導電性領域１０６を形成し、その一部は、読み出しトランジスタのソース、ドレイ
ンとなる。導電性領域１０６の一部はバイアス線Ｓの一部となる。隣接する導電性領域１
０６が読み出しトランジスタのゲート電極１１１で隔てられているものもある。導電性領
域１０６の一部には接続電極１１０が設けられる。
導電性領域１０６を用いて、バイアス線Ｓを形成すると集積度を高めることができる。し
かしながら、その場合には、バイアス線Ｓは、書き込みワード線、読み出しワード線と平
行である（すなわち、ビット線と直交する）ことが必要である。なお、図に示すように、
バイアス線Ｓを隣接する記憶ユニットと共有することにより集積度を高められる。
ゲート電極１１１や接続電極１１０の材料としては、後に形成する酸化物半導体とオーミ
ック接触を形成する材料が好ましい。そのような材料としては、その仕事関数Ｗが酸化物
半導体の電子親和力φ（酸化物半導体の導電帯の下限と真空準位の間のエネルギー差）と
ほぼ同じか小さい材料が挙げられる。すなわち、Ｗ＜φ＋０．３［ｅＶ］の関係を満たせ
ばよい。例えば、チタン、モリブデン、窒化チタン等である。
図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の回路の上に形成される酸化物半導体を用いたトランジスタを
中心とした主要な配線や電極等を示す。複数の島状の酸化物半導体領域１１２と複数の配
線１１４を形成する。配線１１４は、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、あるい
は読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４となる。
配線１１４の一部は酸化物半導体と重なって、書き込みトランジスタのゲート電極となる
。また、酸化物半導体領域１１２は、下層のゲート電極１１１と接触する。配線１１４の
一部は、ゲート電極１１１と重なり、キャパシタを形成する。また、酸化物半導体領域１
１２の一部には、上層（例えば、ビット線Ｒ）への接続のための接続電極１１７が設けら
れている。
図８（Ａ）および（Ｂ）を重ね合わせると、図８（Ｃ）に示すようになる。ここでは、重
なりが分かるように、意図的に少しずらして重ねてある。さらに、酸化物半導体を用いた
トランジスタの上に形成される配線１１８も図示してある。配線１１８はビット線Ｒを構
成する。
なお、図８（Ａ）乃至（Ｃ）の点Ａ、点Ｂは同じ位置を示すものである。
図８においては、導電性領域１０６の幅、配線１１４は最小加工線幅Ｆで加工する。すな
わち、線幅および線間隔はＦである。その場合、単位記憶セルの大きさは１２Ｆ２となる
。記憶ユニットには、各記憶セルで共有する部分もあるため、現実には、記憶セルあたり
の面積は１２Ｆ２より大きくなる。図８に示す記憶ユニットには、４つの記憶セルが設け
られているが、記憶ユニット内の記憶セルの数を増やせば、記憶セルあたりの面積は１２
Ｆ２に近づく。
以下、上記の構造の半導体メモリ装置の作製方法について説明する。図９および図１０は
図８の点Ａと点Ｂを結ぶ工程断面を示す。本実施の形態では、基板として、ｎ型の単結晶
シリコン基板を用いるが、ｐ型の単結晶シリコン基板にｎ型のウェルを形成し、その上に
本実施の形態のトランジスタを設けてもよい。以下、図の番号にしたがって、作製工程を
説明する。
＜図９（Ａ）＞
まず、公知の半導体製造技術を用いて、ｎ型の単結晶シリコン基板１０１上に、図９（Ａ
）に示すように、素子分離領域１０２、ｐ型にドーピングされたシリコンによる導電性領
域１０６、ゲート絶縁膜１０３、ダミーゲート１０４、層間絶縁物１０７を形成する。ダ
ミーゲート１０４の側面には、図に示すようにサイドウォールを設けてもよい。
ダミーゲート１０４としては、多結晶シリコンを用いるとよい。ゲート絶縁膜１０３の厚
さはリーク電流を抑制するために厚さ１０ｎｍ以上であることが好ましい。また、ゲート
容量を、その後に形成するキャパシタの容量よりも小さくする目的で、ゲート絶縁膜１０
３の誘電体として酸化珪素等の比誘電率の低い材料を用いることが好ましい。
導電性領域１０６には、その表面にシリサイド領域１０５を設けて導電性を高める構造と
してもよい。図８（Ａ）に関連して、説明したように、導電性領域１０６はバイアス線Ｓ
の一部となるので、導電性が高いことは好ましい。
層間絶縁物１０７は単層でも多層でもよく、また、トランジスタのチャネルにひずみを与
えるためのストレスライナーを含んでもよい。最上層の膜は、スピンコーティング法によ
って平坦な膜とすると、その後の工程で有利である。例えば、層間絶縁物１０７として、
プラズマＣＶＤ法による窒化珪素膜を形成し、その上にスピンコーティング法により得ら
れる平坦な酸化シリコン膜を形成した多層膜を用いてもよい。
＜図９（Ｂ）＞
層間絶縁物１０７の表面が十分に平坦である場合には、ドライエッチング法により、層間
絶縁物１０７をエッチングし、ダミーゲート１０４の上面が現れた時点でドライエッチン
グをやめる。ドライエッチング法の代わりに化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いてもよ
いし、最初にＣＭＰ法で層間絶縁物１０７の表面を平坦にした後、ドライエッチング法で
、さらにエッチングを進めてもよい。あるいは逆に、ドライエッチング法である程度、層
間絶縁物をエッチングした後、ＣＭＰ法で平坦化処理してもよい。かくして、層間絶縁物
１０７を加工して、平坦な表面を有する層間絶縁物１０７ａを得るとともに、ダミーゲー
ト１０４の表面を露出せしめる。
＜図９（Ｃ）＞
次に、層間絶縁物１０７ａを選択的にエッチングして、シリサイド領域１０５に達する開
口部１０８を形成する。
＜図９（Ｄ）＞
さらに、ダミーゲート１０４を選択的にエッチングして、開口部１０９を形成する。ダミ
ーゲート１０４の材料として多結晶シリコンを使用している場合には、２乃至４０％、好
ましくは、２０乃至２５％のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用いればよ
い。
なお、開口部１０８，１０９の形成順序は逆でもよい。上記のように、開口部１０８を形
成してから、開口部１０９を形成すると、ゲート絶縁膜１０３がレジスト等と接すること
がないためより好ましい。その際には、単結晶シリコン基板１０１がＴＭＡＨで侵食され
ることを防ぐために表面にシリサイド領域１０５が形成されていることが好ましい。
＜図１０（Ａ）＞
単層あるいは多層の導電性材料の膜を堆積する。導電性材料としては、後に形成する酸化
物半導体とオーミック接触を形成する材料が好ましい。また、この導電膜は、読み出しト
ランジスタ（ここではＰチャネル型）のゲート電極でもあるので、そのしきい値を決定す
る上でも、仕事関数等の物性値が適切なものが好ましい。ひとつの材料で、これら２つの
要件を満たせない場合は多層の膜にして、それぞれの条件を満足するようにすればよい。
例えば、導電性材料として窒化チタンと窒化タンタルの多層膜を用いるとよい。
次に、導電性材料の膜をＣＭＰ法で平坦化しつつエッチングする。この作業は、層間絶縁
物１０７ａが現れた時点、あるいは、しばらくしてから停止するとよい。かくして、図１
０（Ａ）に示すように、読み出しトランジスタのゲート電極１１１、接続電極１１０が形
成される。その後、層間絶縁物１０７ａの表面付近に含まれる水素を低減させるために、
フッ素を含むプラズマによる表面処理をおこなうとよい。層間絶縁物１０７ａの水素濃度
が十分に低ければ、その処理は必要ない。層間絶縁物１０７ａの表面から１００ｎｍの領
域における水素濃度は１×１０１８ｃｍ−３未満、好ましくは、１×１０１６ｃｍ−３未
満とするとよい。
＜図１０（Ｂ）＞
厚さ３乃至２０ｎｍの酸化物半導体膜をスパッタ法により形成する。酸化物半導体膜の作
製方法はスパッタ法以外でもよい。酸化物半導体はガリウムとインジウムを含むことが好
ましい。半導体メモリ装置の信頼性を高めるためには、酸化物半導体膜中の水素濃度は、
１×１０１８ｃｍ−３未満、好ましくは１×１０１６ｃｍ−３未満とするとよい。組成比
ガリウム／インジウムは、０．５以上２未満、好ましくは、０．９以上１．２未満とする
とよい。ガリウム、インジウム以外に亜鉛を含んでもよい。
この酸化物半導体膜をエッチングして島状の酸化物半導体領域１１２を形成する。半導体
特性を改善するため酸化物半導体領域１１２に熱処理を施してもよい。かくして、ゲート
電極１１１と酸化物半導体領域１１２、接続電極１１０と酸化物半導体領域１１２が、そ
れぞれ接触する構造が得られる。
その後、ゲート絶縁膜１１３をスパッタ法等の公知の成膜方法で形成する。リーク電流を
減らす目的から、ゲート絶縁膜１１３の厚さは１０ｎｍ以上が好ましく、また、ゲート絶
縁膜中の水素濃度は、１×１０−１８ｃｍ−３未満、好ましくは、１×１０１６ｃｍ−３
未満とするとよい。
ゲート絶縁膜としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ランタン、
窒化アルミニウム等を用いるとよい。これらの単層膜のみならず多層膜を用いてもよい。
ゲート絶縁膜１１３は、後で形成されるキャパシタの誘電体でもあり、キャパシタの容量
を読み出しトランジスタのゲート容量よりも大きくするために、比誘電率が１０以上の材
料を用いることが好ましい。ゲート絶縁膜形成後にも酸化物半導体領域１１２の特性を改
善するため熱処理をしてもよい。
＜図１０（Ｃ）＞
導電性材料により複数の配線１１４を形成する。配線１１４は、書き込みワード線Ｑ１、
Ｑ２や読み出しワード線Ｐ１となる。書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２の一部は酸化物半導体
を用いたトランジスタのゲート電極となる。配線１１４の材料としては、その仕事関数が
酸化物半導体の電子親和力より０．５ｅＶ以上高い材料が好ましい。例えば、タングステ
ン、金、白金、ｐ型シリコン等である。
ゲート電極１１１と読み出しワード線Ｐ１の間には、ゲート絶縁膜１１３を誘電体とする
キャパシタが形成される。このキャパシタの容量はゲート電極１１１と読み出しワード線
Ｐ１の重なりで定義されるが、その面積は１００ｎｍ２以上０．０１μｍ２以下とするこ
とが好ましい。
次に、公知のイオン注入法を用いて、酸化物半導体よりも酸化されやすい元素のイオンを
注入する。そのような元素としては、チタン、亜鉛、マグネシウム、シリコン、リン、硼
素等が挙げられる。一般に、硼素やリンは従来の半導体プロセスにおいて使用されている
ため利用しやすく、特に、上記のような薄いゲート絶縁膜１１３、酸化物半導体領域１１
２に注入するには、硼素よりも原子量の大きいリンイオンが望ましい。
これらのイオンには水素が可能な限り含まれないようにすることが望まれる。イオン中の
水素の濃度は好ましくは、０．１％以下とする。水素は酸化物半導体のドナーとなること
が知られているが、イオン中に水素が含まれていると、酸化物半導体に注入された水素が
酸化物半導体中を移動して、半導体装置の信頼性を低下させる。
酸化物半導体では、注入されたイオンが酸素と結合するため、酸素欠損が生じて、ｎ型の
導電性を示すようになる。シリコン半導体と異なる点は、シリコン半導体ではイオン注入
後に、結晶性を回復するために高温での熱処理が必要であるが、多くの酸化物半導体では
、そのような熱処理をおこなわなくても必要とする導電性を得られることにある。
かくして、酸化物半導体領域１１２中にｎ型の導電性を示す領域１１５が形成される。こ
れらの領域のキャリア（電子）濃度が１×１０−１９ｃｍ−３以上、好ましくは１×１０
−２０ｃｍ−３以上となるようにイオン注入条件を設定することが好ましい。ｎ型の導電
性を示す領域１１５は、配線１１４をマスクとして自己整合的に形成される。高温での熱
処理が必要ないため、ドナーの再拡散もほとんどおこらず、ｎ型の導電性を示す領域１１
５と配線１１４との重なりは非常に小さい。
なお、酸化物半導体は、ドナーあるいはアクセプタの濃度が極めて低い真性に近い状態で
あっても、オーミックコンタクトを形成するような金属材料と接した部分では、金属材料
から電子が注入され、金属材料から数１０ｎｍ以内の部分では良好な導電性を示す。した
がって、図１０（Ｂ）のゲート電極１１１上の酸化物半導体領域は、ドーピングされてい
ないが、導体と扱ってよい。
＜図１０（Ｄ）＞
その後、単層もしくは多層の薄膜よりなる層間絶縁物１１６を形成する。そして、その表
面を平坦化し、選択的にエッチングして、ｎ型の導電性を示す領域１１５に達するコンタ
クトホールを形成し、接続電極１１７を埋め込む。その後、配線１１８を形成する。配線
１１８はビット線Ｒである。同様な配線を、配線１１４、あるいは、バイアス線Ｓと平行
に形成してもよい。かくして、図１０（Ｄ）に示されるように、書き込みトランジスタ１
１９、読み出しトランジスタ１２０、キャパシタ１２１を有する半導体メモリ装置の記憶
セルおよびそれらを有する記憶ユニットが作製される。
（実施の形態４）
本実施の形態では、図２（Ｂ）に示す半導体メモリ回路の動作の例について、図６および
図７を用いて説明する。なお、電位として、以下に具体的な数値を挙げるが、それは、本
発明の技術思想の理解を助けることが目的である。言うまでもなく、それらの値はトラン
ジスタやキャパシタのさまざまな特性によって、あるいは実施者の都合によって変更され
る。また、図２（Ｂ）に示される半導体メモリ回路は、以下の方法以外の方法によっても
、データを書き込み、あるいは読み出すことができる。
ここでは、トランジスタＴｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、
ＷＴｒ４をＮチャネル型、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ
４をＰチャネル型とする。また、上記のＮチャネル型トランジスタは、ゲートの電位が、
ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上高くなるとオンになるとし、
それ以外はオフであるとする。また、上記のＰチャネル型トランジスタは、ゲートの電位
が、ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上低くなるとオンになると
し、それ以外はオフであるとする。
また、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４のゲート容量のう
ち、ゲートバイアスによって変動する分はキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の容量に対
して無視できるものとする。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ
３、ＷＴｒ４の寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ
４の寄生容量、その他、配線間の寄生容量等、図に示されていない容量はすべて０として
考える。また、図６および図７では、オン状態であるトランジスタには丸印を、オフ状態
であるトランジスタには×印をそれぞれ、トランジスタの記号に重ねて表記する。特定の
条件でオンになるものについては、別途記載する。以下の例では、バイアス線Ｓの電位は
常時０Ｖであるとする。
書き込みは、一番右の記憶セルから始める。書き込み時には、図６（Ａ）に示すように、
書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の電位を＋４Ｖ、読み出しワード線Ｐの電位を
−４Ｖとする。また、ビット線Ｒの電位は、書き込むデータに応じて、０Ｖ、＋１Ｖ、＋
２Ｖ、＋３Ｖの４段階の値をとるものとする。
この状態では、トランジスタＴｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ
３、ＷＴｒ４がオンとなり、ノードＦ２の電位はビット線Ｒの電位に近づく。ここでは、
ビット線Ｒの電位と等しくなるものとする。
一方、この段階では、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４は
オフ状態である。そして、図６（Ｂ）に示すように、書き込みワード線Ｑ４の電位を−４
Ｖとする。すると、書き込みトランジスタＷＴｒ２はオフとなるため、ノードＦ２では直
前のビット線Ｒの電位が保持される。このようにして、一番右側の記憶セルにデータを書
き込むことができる。
次に、右から２つめの記憶セル（ノードＦ４）にデータを書き込む。図６（Ｂ）の状態で
、ノードＦ４の電位は、ビット線Ｒの電位と等しくなる。そして、書き込みワード線Ｑ３
の電位を−４Ｖとする（図６（Ｃ）参照）と、書き込みトランジスタＷＴｒ４がオフとな
り、ノードＦ４では直前のビット線Ｒの電位が保持される。このようにして、右から２つ
めの記憶セルにデータを書き込むことができる。以下同様に順にデータを書き込み、すべ
ての記憶セルにデータを書き込むことができる。
当該記憶ユニット内に書き込む作業を必要としない場合は、図６（Ｄ）に示すように、書
き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の電位を０Ｖ、読み出しワード線Ｐの電位を０Ｖ
とするとよい。このときノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の電位は、＋４Ｖ以上＋７Ｖ以下
となる。ビット線Ｒの電位は０Ｖ以上＋３Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴ
ｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４はオフ状態を保つことができる。
次に読み出しについて図７を用いて説明する。まず、当該記憶ユニット以外の行の読み出
しをおこなう場合には、図７（Ａ）に示すように、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、
Ｑ４の電位を０Ｖ、読み出しワード線Ｐの電位を０Ｖとする。こうすると、トランジスタ
Ｔｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、ＷＴｒ４はオフとなる。
また、ノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の電位は、＋４Ｖ以上＋７Ｖ以下である。そして、
ビット線Ｒの電位は、後で説明するように０Ｖ以上＋４Ｖ以下であるので、読み出しトラ
ンジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４はオフを維持できる。
当該記憶ユニットの読み出しをおこなうには、図７（Ｂ）に示すように、書き込みワード
線Ｑ２、Ｑ４の電位を−４Ｖ、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ３の電位を０Ｖ、読み出しワー
ド線Ｐの電位を０Ｖとする。また、ビット線の電位を＋４Ｖとする。このときには、トラ
ンジスタＴｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、ＷＴｒ４はオフ
となる。また、ノードＦ１、Ｆ２の電位が＋４Ｖ以上＋７Ｖ以下であるので、読み出しト
ランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２はオフとなる。一方、ノードＦ３、Ｆ４の電位は０Ｖ以上
＋３Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴｒ３、ＲＴｒ４はオンとなる。このた
め、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れる。
もし、ビット線Ｒの一端がキャパシタであれば、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が
流れると、当初の電位（＋４Ｖ）は、バイアス線の電位（０Ｖ）に近づくこととなる。最
終的な電位は、ノードＦ３、Ｆ４の電位の最小値で決まるが、いずれにせよ、ビット線Ｒ
の電位は０Ｖ以上＋４Ｖ以下で変動することとなる。
以下では、記憶ユニットのうち、右から２番目の記憶セル（ノードＦ４）のデータを読み
出すものとする。図７（Ｃ）に示すように書き込みワード線Ｑ４の電位を−３Ｖに上昇さ
せると、ノードＦ４の電位は、書き込まれたデータに応じて＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋
４Ｖのいずれかとなる。ここで、ノードＦ４の電位が＋４Ｖであれば、読み出しトランジ
スタＲＴｒ４はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
この段階で、ノードＦ４の電位が＋４Ｖであるのは、書き込みの時にビット線の電位が＋
３Ｖであった場合である。すなわち、書き込みワード線Ｑ４の電位を＋１Ｖとしたときに
読み出しトランジスタＲＴｒ４がオフであれば、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋３
Ｖであったとわかる。このようにして、データの値を知ることができる。
さらに、図７（Ｄ）に示すように書き込みワード線Ｑ４の電位を−２Ｖに上昇させると、
ノードＦ４の電位は、書き込まれたデータに応じて＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖ、＋５Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ４の電位が＋４Ｖか＋５Ｖであれば、読み出しトランジ
スタＲＴｒ４はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
ノードＦ４の電位が＋４Ｖか＋５Ｖとなるのは、書き込み時のビット線Ｒの電位が＋２Ｖ
か＋３Ｖであった場合である。
同様に、図７（Ｅ）に示すように書き込みワード線Ｑ４の電位を−１Ｖに上昇させると、
ノードＦ４の電位は、書き込まれたデータに応じて＋３Ｖ、＋４Ｖ、＋５Ｖ、＋６Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ４の電位が＋４Ｖか＋５Ｖ、＋６Ｖであれば、読み出し
トランジスタＲＴｒ４はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れな
くなる。すなわち、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖのいずれ
かであった場合である。
書き込みの時にビット線の電位が０Ｖであった場合には、書き込みワード線Ｑ４の電位を
−１Ｖとした場合、ノードＦ４の電位は＋３Ｖであり、依然としてオンのままである。す
なわち、書き込みワード線Ｑ４の電位が＋３Ｖでもビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流
が流れる場合は、書き込みの時にビット線Ｒの電位が０Ｖであったとわかる。
なお、実施の形態１で説明したように、ビット線Ｒにキャパシタを接続し、その電位を測
定することによっても多値のデータを読み出すことができる。
このようにして４段階のデータ（２ビット）を書き込み・読み出しできる。もちろん、同
様にして、さらに多くのデータ、例えば、８段階のデータ（３ビット）、１６段階のデー
タ（４ビット）を書き込み・読み出しできる。
上記の説明では、寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ４のゲート容量をキ
ャパシタＣ１〜Ｃ４の容量に対して、無視したが、現実の記憶セルではそれらを考慮した
上で、与える電位を決定する必要がある。
読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ４のゲート容量は、オン状態とオフ状態で大きく
変動するので、読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ４のゲートの電位はその影響を受
ける。読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ４のゲート容量のキャパシタＣ１〜Ｃ４の
容量に対する比率が大きいほど、その影響が大きいので、好ましくは、キャパシタＣ１〜
Ｃ４の容量は読み出しトランジスタＲＴｒ１〜ＲＴｒ４のゲート容量の２倍以上とすると
よい。
（実施の形態５）
本実施の形態では、実施の形態４で説明した半導体メモリ装置の形状について説明する。
図１１に本実施の形態の半導体メモリ装置の記憶ユニットのレイアウト例を示す。本実施
の形態では、単位記憶ユニットに６つの記憶セルを有する。本実施の形態で示す半導体メ
モリ装置は、配線のパターン等は異なるが、実施の形態３で示した方法により作製できる
。
図１１（Ａ）は単結晶シリコン基板上に設けられた主要な配線・電極等を示す。基板上に
は素子分離領域１０２を形成する。また、導電性の材料やドーピングされたシリコンを用
いた導電性領域１０６を形成し、その一部は、読み出しトランジスタのソース、ドレイン
となる。導電性領域１０６の一部はバイアス線Ｓの一部となる。隣接する導電性領域１０
６が読み出しトランジスタのゲート電極１１１で隔てられている部分もある。
導電性領域１０６の一部には接続電極１１０が設けられる。ゲート電極１１１や接続電極
１１０の材料としては、実施の形態３に示したゲート電極１１１や接続電極１１０の条件
を満たすものを用いればよい。
本実施の形態で特徴的なことは、ゲート電極１１１を互い違いに配置したことである。す
なわち、図２２に示すように、ゲート電極１１１のうち、第１の導電性領域１０６ａに最
も近い４つのゲート電極、すなわち第１乃至第４のゲート電極１１１ｂ、１１１ｃ、１１
１ｄ、１１１ｅにおいて、第１のゲート電極１１１ｂと第３のゲート電極１１１ｄはチャ
ネル長方向に垂直な方向（すなわち、図２２中にＹで示す方向、Ｙ方向）で重なり、第１
のゲート電極１１１ｂと第３のゲート電極１１１ｄの間には、第１の導電性領域１０６ａ
がある。また、第２のゲート電極１１１ｃと第４のゲート電極１１１ｅはチャネル長方向
（すなわち、図２２中にＸで示す方向、Ｘ方向）で重なり、第２のゲート電極１１１ｃと
第４のゲート電極１１１ｅの間には第１の導電性領域１０６ａがある。
その結果、図８（Ａ）に比べて、より高密度にゲート電極１１１を配置できる。図８（Ａ
）では、ゲート電極１１１を同一直線上に配置したため、図８（Ａ）にａで示す間隔を、
最小加工線幅の２倍（２Ｆ）とする必要があった。しかしながら、本実施の形態では、同
じ間隔を、最小加工線幅の１倍（Ｆ）とすることができる。そのため、単位記憶セルあた
りの幅を、図８（Ａ）の３Ｆから２Ｆに削減できる。このことにより、単位記憶セルあた
りの面積を８Ｆ２とできる。
図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）の回路の上に形成される酸化物半導体を用いたトランジス
タを中心とした主要な配線や電極等を示す。複数の島状の酸化物半導体領域１１２と複数
の配線１１４を形成する。配線１１４は、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ
５、Ｑ６あるいは読み出しワード線Ｐとなる。
配線１１４の一部は酸化物半導体と重なって、書き込みトランジスタのゲート電極となる
。また、酸化物半導体領域１１２は、下層のゲート電極１１１と接触する。配線１１４の
一部は、ゲート電極１１１と重なり、キャパシタを形成する。また、酸化物半導体領域１
１２には、上層（例えば、ビット線Ｒ）への接続のための接続電極１１７が設けられる。
図１１（Ａ）および（Ｂ）を重ね合わせると、図１１（Ｃ）に示すようになる。ここでは
、重なりが分かるように、意図的に少しずらして重ねてある。さらに、酸化物半導体を用
いたトランジスタの上に形成される配線１１８も図示してある。配線１１８はビット線Ｒ
を構成する。
上述のように単位記憶セルの大きさは８Ｆ２となる。記憶ユニットには、各記憶セルで共
有する部分もあるため、現実には、記憶セルあたりの面積は８Ｆ２より大きくなる。図１
１に示す記憶ユニットには、６つの記憶セルが設けられているが、記憶ユニット内の記憶
セルの数を増やせば、記憶セルあたりの面積は８Ｆ２に近づく。
（実施の形態６）
本実施の形態では、図１２（Ａ）に示す半導体メモリ回路の動作の例について、図１２（
Ｂ）乃至図１２（Ｅ）を用いて説明する。なお、電位として、以下に具体的な数値を挙げ
るが、それは、本発明の技術思想の理解を助けることが目的である。言うまでもなく、そ
れらの値はトランジスタやキャパシタのさまざまな特性によって、あるいは実施者の都合
によって変更される。また、図１２（Ａ）に示される半導体メモリ回路は、以下の方法以
外の方法によっても、データを書き込み、あるいは読み出すことができる。
ここでは、書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒともＰチャネル型
とする。書き込みトランジスタＷＴｒ、読み出しトランジスタＲＴｒは、ともに、ゲート
の電位が、ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上高くなるとオンに
なる（電流を流す）とし、それ以外はオフである（電流を流さない）とする。
また、読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量のうち、ゲートバイアスによって変動す
る分はキャパシタＣの容量に対して無視できるものとする。さらに、書き込みトランジス
タＷＴｒの寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒの寄生容量、その他、配線間の寄生容
量等、図に示されていない容量はすべて０として考える。また、図１２（Ｂ）乃至図１２
（Ｅ）では、オン状態であるトランジスタには丸印を、オフ状態であるトランジスタには
×印をそれぞれ、トランジスタの記号に重ねて表記する。特定の条件でオンになるものに
ついては、別途記載する。以下の例では、バイアス線Ｓの電位は常時０Ｖであるとする。
最初に、この記憶セルへの書き込みについて説明する。書き込み時には、図１２（Ｂ）に
示すように、読み出しワード線Ｐと選択線Ｔの電位を０Ｖとする。また、ビット線Ｒの電
位は、書き込むデータに応じて、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖの４段階の値をとるも
のとする。そして、書き込みワード線Ｑの電位を、＋５Ｖとすると、書き込みトランジス
タＷＴｒがオンとなり、書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位は書き込みトラン
ジスタのソース（すなわち、ビット線Ｒ）の電位に近づく。ここでは、ビット線Ｒの電位
と等しくなるものとする。
一方、この段階では読み出しトランジスタＲＴｒは、オン状態となるが、バイアス線Ｓと
読み出しトランジスタＲＴｒの間にある選択トランジスタＳＴｒがオフであるため、バイ
アス線Ｓとビット線Ｒの間には電流が流れない。このようにして、データを書き込むこと
ができる。
次に、当該行以外の行の書き込みをおこなう場合には、図１２（Ｃ）に示すように、書き
込みワード線Ｑの電位を、−３Ｖとする。また、読み出しワード線Ｐの電位を−４Ｖとす
る。一方、ビット線Ｒの電位は、書き込みのおこなわれる行に書き込むデータに応じて、
＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖの４段階の値をとる。
書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位は、読み出しワード線ＰとキャパシタＣを
介して接続しているため、読み出しワード線Ｐの電位の変動（すなわち、図１２（Ｂ）の
０Ｖから図１２（Ｃ）の−４Ｖへの低下）により、４Ｖ低下する。すなわち、書き込まれ
たデータに応じて、−３Ｖ、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖのいずれかの値となる。
また、この状態では、書き込みトランジスタＷＴｒのソース（ビット線Ｒ）の電位（０〜
＋３Ｖ）や書き込みトランジスタＷＴｒのドレインの電位（−３〜０Ｖ）と書き込みトラ
ンジスタＷＴｒのゲートの電位（−３Ｖ）の関係から、書き込みトランジスタＷＴｒはオ
フとなる。
さらに、読み出しトランジスタＲＴｒのソース（すなわち、ビット線Ｒ）の電位（０〜＋
３Ｖ）や読み出しトランジスタＲＴｒのドレイン（すなわち、バイアス線Ｓ）の電位（０
Ｖ）と、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位（−３〜０Ｖ）の関係から、読み出
しトランジスタＲＴｒはオフとなる。上記に加えて、選択トランジスタＳＴｒがオフであ
るので、バイアス線Ｓとビット線Ｒの間には電流が流れない。
次に、読み出しについて説明する。図１２（Ｄ）に示すように、書き込みワード線Ｑの電
位を−３Ｖ、選択線Ｔの電位を＋１Ｖとする。そのため、書き込みトランジスタＷＴｒは
オフとなり、選択トランジスタＳＴｒはオンとなる。また、読み出しワード線Ｐの電位を
０Ｖ、ビット線Ｒの電位を＋４Ｖとする。この状態では、読み出しトランジスタＲＴｒの
ゲートの電位は、書き込まれたデータに応じて、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖのいず
れかとなり、読み出しトランジスタＲＴｒは、いずれの場合もオンとなる。
読み出しワード線Ｐの電位によって、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が変動
し、結果として、読み出しトランジスタはオンとなったり、オフとなったりする。例えば
、図１２（Ｅ）のように、読み出しワード線Ｐの電位を−２Ｖとすると、読み出しトラン
ジスタＲＴｒのゲートの電位は−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖ、のいずれかとなり、その
うち、−１Ｖと０Ｖの場合には、読み出しトランジスタＲＴｒはオフとなる。
読み出しトランジスタＲＴｒがオフとなった場合には、バイアス線Ｓとビット線Ｒの間に
電流が流れないので、そのことを検知することにより、読み出しトランジスタＲＴｒのゲ
ートの電位を知ることができる。あるいは、ビット線Ｒの一端がキャパシタであり、バイ
アス線Ｓとビット線Ｒの間に電流が流れないならば、当初の電位（＋４Ｖ）のまま変動し
ないので、やはり、読み出しトランジスタＲＴｒがオフであることを知ることができる。
読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位が−１Ｖあるいは０Ｖであるのは、書き込み
の時にビット線Ｒの電位が＋１Ｖあるいは＋２Ｖであった場合である。すなわち、読み出
しワード線Ｐの電位を−２Ｖとしたときにバイアス線Ｓとビット線Ｒの間に電流がながれ
れば、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋１Ｖあるいは＋２Ｖであったとわかる。
同様に、読み出しワード線Ｐの電位を−１Ｖとすると、読み出しトランジスタＲＴｒのゲ
ートの電位は０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖのいずれかとなり、そのうち、０Ｖの場合に
は、読み出しトランジスタＲＴｒはオフとなる。読み出しワード線Ｐの電位を−３Ｖとす
ると、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位は、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖの
いずれかとなり、そのうち、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖの場合には、読み出しトランジスタＲ
Ｔｒはオフとなる。これらのことから、書き込み時にどのような電位が与えられたか、す
なわち、どのようなデータが与えられたかを知ることができる。
このようにして４段階のデータ（２ビット）を書き込み・読み出しできる。もちろん、同
様にして、さらに多くのデータ、例えば、８段階のデータ（３ビット）、１６段階のデー
タ（４ビット）を書き込み・読み出しできる。あるいは、２段階のデータ（１ビット）を
書き込み・読み出しできる。
上記の説明では、寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量をキャパシタＣの
容量に対して無視したが、現実の記憶セルではそれらを考慮した上で、与える電位を決定
する必要がある。
読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量は、オン状態とオフ状態で大きく変動するので
、読み出しトランジスタＲＴｒのゲートの電位はその影響を受ける。読み出しトランジス
タＲＴｒのゲート容量のキャパシタＣの容量に対する比率が大きいほど、その影響が大き
いので、好ましくは、キャパシタＣの容量は読み出しトランジスタＲＴｒのゲート容量の
２倍以上とするとよい。
なお、記憶セルに保持される電荷量を複数段階とすることによって多段階のデータ（多値
のデータ）を記憶するには、保持される電荷量のばらつきが小さいことが必要である。本
実施の形態で示した半導体メモリ回路および半導体メモリ装置は、保持される電荷量のば
らつきが小さいため、この目的に適している。
（実施の形態７）
本実施の形態では、図１３（Ａ）に示す半導体メモリ回路の動作の例について、図１４お
よび図１５を用いて説明する。なお、電位として、以下に具体的な数値を挙げるが、それ
は、本発明の技術思想の理解を助けることが目的である。言うまでもなく、それらの値は
トランジスタやキャパシタのさまざまな特性によって、あるいは実施者の都合によって変
更される。また、図１３（Ａ）に示される半導体メモリ装置は、以下の方法以外の方法に
よっても、データを書き込み、あるいは読み出すことができる。
ここでは、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、読み出しトランジスタ
ＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３ともＮチャネル型とする。また、書き込みトランジスタＷ
Ｔｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３とも
、ゲートの電位が、ソースあるいはドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上高くなる
とオンになるとし、それ以外はオフであるとする。
また、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲート容量のうち、ゲート
バイアスによって変動する分はキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量に対して無視できるも
のとする。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３の寄生容量や読
み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３の寄生容量、その他、配線間の寄生容
量等、図に示されていない容量はすべて０として考える。
また、図１４および図１５では、オン状態であるトランジスタには丸印を、オフ状態であ
るトランジスタには×印をそれぞれ、トランジスタの記号に重ねて表記する。特定の条件
でオンになるものについては、別途記載する。以下の例では、バイアス線Ｓの電位は常時
０Ｖであるとする。
最初に、この記憶ユニットへの書き込みについて説明する。書き込みは、一番右の記憶セ
ルから始める。書き込み時には、図１４（Ａ）に示すように、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ
２、Ｐ３、選択線Ｔの電位を０Ｖとする。また、ビット線Ｒの電位は、書き込むデータに
応じて、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖの４段階の値をとるものとする。
そして、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の電位を、＋５Ｖとすると、書き込みトラン
ジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３がオンとなり、書き込みトランジスタＷＴｒ３のド
レインの電位（すなわち、ノードＦ３の電位）はビット線Ｒの電位に近づく。ここでは、
ビット線Ｒの電位と等しくなるものとする。
一方、この段階では、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３はオン状態で
あり、選択トランジスタＳＴｒ１はオフである。そのため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓと
の間には電流は流れない。
次に、図１４（Ｂ）に示すように、書き込みワード線Ｑ３の電位を−３Ｖとする。すると
、書き込みトランジスタＷＴｒ３はオフとなるため、ノードＦ３では、直前のビット線Ｒ
の電位が保持される。さらに、読み出しワード線Ｐ３の電位を−４Ｖとする。この結果、
ノードＦ３の電位は、書き込まれたデータに応じて、−３Ｖ、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖのい
ずれかとなる。その結果、読み出しトランジスタＲＴｒ３はオフとなる。このようにして
、一番右側の記憶セルにデータを書き込むことができる。
次に、中央の記憶セルにデータを書き込む。図１４（Ｂ）の段階では、ノードＦ２の電位
は、ビット線Ｒの電位と等しくなる。そして、書き込みワード線Ｑ２の電位を−３Ｖとす
る（図１４（Ｃ）参照）と、書き込みトランジスタＷＴｒ２がオフとなるため、ノードＦ
２では、直前のビット線Ｒの電位が保持される。さらに、読み出しワード線Ｐ２の電位を
−４Ｖとする。この結果、ノードＦ２の電位は、書き込まれたデータに応じて、−３Ｖ、
−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖのいずれかとなる。また、読み出しトランジスタＲＴｒ２はオフと
なる。このようにして、中央の記憶セルにデータを書き込むことができる。
このようにして、すべての記憶セルにデータを書き込むことができる。書き込みが終了し
た後は、図１４（Ｄ）に示すように、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ
３、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のいずれもがオフとなる。
次に読み出しについて説明する。まず、当該記憶ユニット以外の行の読み出しをおこなう
場合には、図１４（Ｄ）に示すように、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の電位を−３
Ｖ、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の電位を−４Ｖとする。こうすると、書き込みト
ランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３はオフとなる。また、ノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３
の電位は、−３Ｖ以上０Ｖ以下である。そして、ビット線Ｒの電位は、後で説明するよう
に０Ｖ以上＋４Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３
はオフを維持できる。
当該記憶ユニットの読み出しをおこなうには、図１５（Ａ）に示すように、書き込みワー
ド線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の電位を−３Ｖ、読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の電位を０Ｖ
とする。また、ビット線の電位を＋４Ｖとする。このときには、書き込みトランジスタＷ
Ｔｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３はオフとなるが、ノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３の電位が＋１Ｖ以
上＋４Ｖ以下であり、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３はオンとなる
。このため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れる。
もし、ビット線Ｒの一端がキャパシタであれば、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が
流れると、当初の電位（＋４Ｖ）は、バイアス線Ｓの電位（０Ｖ）に近づくこととなる。
すなわち、ビット線の電位は０Ｖ以上＋４Ｖ以下で変動することとなる。
以下では、記憶ユニットのうち、中央の記憶セルのデータを読み出すものとする。図１５
（Ｂ）に示すように読み出しワード線Ｐ２の電位を−１Ｖに低下させると、ノードＦ２の
電位は、書き込まれたデータに応じて０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖのいずれかとなる。
ここで、ノードＦ２の電位が０Ｖであれば、読み出しトランジスタＲＴｒ２はオフとなる
ため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
この段階で、ノードＦ２の電位が＋４Ｖであるのは、書き込みの時にビット線の電位が＋
１Ｖであった場合である。すなわち、読み出しワード線Ｐ２の電位を＋１Ｖとしたときに
読み出しトランジスタＲＴｒ２がオフであれば、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋１
Ｖであったとわかる。このようにして、保持されているデータの値を知ることができる。
さらに、図１５（Ｃ）に示すように読み出しワード線Ｐ２の電位を−２Ｖに低下させると
、ノードＦ２の電位は、書き込まれたデータに応じて−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ２の電位が−１Ｖか０Ｖであれば、読み出しトランジス
タＲＴｒ２はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
このことを検知してデータの値を知ることができる。すなわち、この段階で、読み出しト
ランジスタＲＴｒ２のゲートの電位が−１Ｖあるいは０Ｖであるのは、書き込みの時にビ
ット線Ｒの電位が＋１Ｖあるいは＋２Ｖであった場合であり、読み出しワード線Ｐ２の電
位が−１Ｖ（すなわち、図１５（Ｂ）の状態）ではオン状態であったのに、−２Ｖになる
とオフ状態となった場合には、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋２Ｖであったときで
ある。
同様に、図１５（Ｄ）に示すように読み出しワード線Ｐ２の電位を−３Ｖに低下させると
、ノードＦ２の電位は、書き込まれたデータに応じて−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ２の電位が−２Ｖか−１Ｖ、０Ｖであれば、読み出しト
ランジスタＲＴｒ２はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなく
なる。すなわち、書き込み時にビット線の電位が＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖのいずれかであ
った場合である。
書き込み時にビット線の電位が＋４Ｖであった場合には、読み出しワード線Ｐ２の電位を
−３Ｖとした場合、ノードＦ２の電位は＋１Ｖであり、依然としてオンである。すなわち
、読み出しワード線Ｐ２の電位が−３Ｖでもビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れ
る場合は、書き込みの時にビット線の電位が＋４Ｖであったとわかる。
このようにして４段階のデータ（２ビット）を書き込み・読み出しできる。もちろん、同
様にして、さらに多くのデータ、例えば、８段階のデータ（３ビット）、１６段階のデー
タ（４ビット）を書き込み・読み出しできる。あるいは、２段階のデータ（１ビット）を
書き込み・読み出しできる。
上記の説明では、寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲー
ト容量をキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量に対して、無視したが、現実の記憶セルでは
それらを考慮した上で、与える電位を決定する必要がある。
読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲート容量は、オン状態とオフ状
態で大きく変動するので、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲート
の電位はその影響を受ける。読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲー
ト容量のキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量に対する比率が大きいほど、その影響が大き
いので、好ましくは、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３の容量は読み出しトランジスタＲＴｒ
１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３のゲート容量の、それぞれ２倍以上とするとよい。
（実施の形態８）
本実施の形態では、実施の形態７で説明した半導体メモリ装置の形状の例について説明す
る。本実施の形態では、書き込みトランジスタは、ガリウムとインジウムを含有する酸化
物半導体を用い、読み出しトランジスタとしては、単結晶シリコン半導体を用いる。その
ため、実施の形態３と同様に書き込みトランジスタは読み出しトランジスタの上に積層し
て設けられる。
図２０に本実施の形態の半導体メモリ装置の記憶ユニットのレイアウト例を示す。本実施
の形態では、単位記憶ユニット内に４つの記憶セルを有する。
図２０（Ａ）は単結晶シリコン基板上に設けられた主要な配線・電極等を示す。基板上に
素子分離領域１０２を形成する。基板上には、導電性の材料やドーピングされたシリコン
を用いた導電性領域１０６を形成し、その一部は、読み出しトランジスタのソース、ドレ
インとなる。導電性領域１０６の一部はバイアス線Ｓの一部となる。隣接する導電性領域
１０６が読み出しトランジスタのゲート電極１１１あるいは１１１ａで隔てられている部
分もある。導電性領域１０６の一部には接続電極１１０が設けられる。
なお、ゲート電極１１１ａは選択トランジスタのゲート電極となるものであり、選択線Ｔ
を構成する。ゲート電極１１１とゲート電極１１１ａは同じ材料を用いて、同時に形成す
るとよい。
導電性領域１０６を用いて、バイアス線Ｓを形成すると集積度を高めることができる。し
かしながら、その場合には、バイアス線Ｓは、書き込みワード線、読み出しワード線と平
行である（すなわち、ビット線と直交する）ことが必要である。なお、図に示すように、
バイアス線Ｓを隣接する記憶ユニットと共有することにより集積度を高められる。
図２０（Ｂ）は、図２０（Ａ）の回路の上に形成される酸化物半導体を用いたトランジス
タを中心とした主要な配線や電極等を示す。複数の島状の酸化物半導体領域１１２と複数
の配線１１４を形成する。配線１１４は、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、あ
るいは読み出しワード線Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４となる。
配線１１４の一部は酸化物半導体と重なって、書き込みトランジスタのゲート電極となる
。また、酸化物半導体領域１１２は、下層のゲート電極１１１と接触する。配線１１４の
一部は、ゲート電極１１１と重なり、キャパシタを形成する。また、酸化物半導体領域１
１２の一部には、上層（例えば、ビット線Ｒ）への接続のための接続電極１１７が設けら
れている。
図２０（Ａ）および図２０（Ｂ）を重ね合わせると、図２０（Ｃ）に示すようになる。こ
こでは、重なりが分かるように、意図的に少しずらして重ねてある。さらに、酸化物半導
体を用いたトランジスタの上に形成される配線１１８も図示してある。配線１１８はビッ
ト線Ｒを構成する。
なお、図２０（Ａ）乃至（Ｃ）の点Ａ、点Ｂは同じ位置を示すものである。図２０におい
ては、導電性領域１０６の幅、配線１１４は最小加工線幅Ｆで加工する。すなわち、線幅
および線間隔はＦである。その場合、単位記憶セルの大きさは１２Ｆ２となる。上記の構
造の半導体メモリ装置の作製方法については、実施の形態３を参酌すればよい。
（実施の形態９）
本実施の形態では、図１７（Ａ）に示す半導体メモリ回路の動作の例について、図１８お
よび図１９を用いて説明する。図１７（Ａ）の回路と図１７（Ｂ）の回路の違いは、全く
同じ動作をする選択トランジスタを２つ設けるのか、１つ設けるのか、ということだけで
あるので、図１７（Ｂ）の回路においても、以下の方法で同様に書き込みや読み出しをお
こなうことができる。
なお、電位として、以下に具体的な数値を挙げるが、それは、本発明の技術思想の理解を
助けることが目的である。言うまでもなく、それらの値はトランジスタやキャパシタのさ
まざまな特性によって、あるいは実施者の都合によって変更される。また、図１７（Ａ）
（あるいは図１７（Ｂ））に示される半導体メモリ回路は、以下の方法以外の方法によっ
ても、データを書き込み、あるいは読み出すことができる。
ここでは、トランジスタＴｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、
ＷＴｒ４、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４をＮチャネル
型とする。また、上記のＮチャネル型トランジスタは、ゲートの電位が、ソースあるいは
ドレインのいずれか一方の電位より１Ｖ以上高くなるとオンになるとし、それ以外はオフ
であるとする。
また、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４のゲート容量のう
ち、ゲートバイアスによって変動する分はキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の容量に対
して無視できるものとする。さらに、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ
３、ＷＴｒ４の寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ
４の寄生容量、その他、配線間の寄生容量等、図に示されていない容量はすべて０として
考える。
また、図１８および図１９では、オン状態であるトランジスタには丸印を、オフ状態であ
るトランジスタには×印をそれぞれ、トランジスタの記号に重ねて表記する。特定の条件
でオンになるものについては、別途記載する。以下の例では、バイアス線Ｓの電位は常時
０Ｖであるとする。
書き込みは、一番右の記憶セルから始める。書き込み時には、図１８（Ａ）に示すように
、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の電位を＋５Ｖ、読み出しワード線Ｐの電位
を−３Ｖ、選択線Ｔの電位を０Ｖとする。また、ビット線Ｒの電位は、書き込むデータに
応じて、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖ、＋４Ｖの４段階の値をとるものとする。
この状態では、トランジスタＴｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ
３、ＷＴｒ４、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４がオンと
なり、ノードＦ２の電位はビット線Ｒの電位に近づく。ここでは、ビット線Ｒの電位と等
しくなるものとする。一方、書き込みの過程では、選択トランジスタＳＴｒ１、ＳＴｒ２
は常時、オフであるので、バイアス線Ｓとビット線Ｒの間に電流は流れない。
次に、図１８（Ｂ）に示すように、書き込みワード線Ｑ４の電位を−３Ｖとする。すると
、書き込みトランジスタＷＴｒ２はオフとなるため、ノードＦ２では直前のビット線Ｒの
電位が保持される。さらに、読み出しワード線Ｐの電位を−７Ｖに下げると、ノードＦ２
の電位は、書き込まれたデータに応じて、−３Ｖ、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖとなる。この結
果、書き込みトランジスタＷＴｒ２と読み出しトランジスタＲＴｒ２がオフとなる。この
ようにして、一番右側の記憶セルにデータを書き込むことができる。
次に、右から２つめの記憶セル（ノードＦ４）にデータを書き込む。図１８（Ｂ）の状態
で、ノードＦ４の電位は、ビット線Ｒの電位と等しくなる。そして、書き込みワード線Ｑ
３の電位を−３Ｖとする（図１８（Ｃ）参照）と、書き込みトランジスタＷＴｒ４がオフ
となり、ノードＦ４では直前のビット線Ｒの電位が保持される。
さらに、書き込みワード線Ｑ４の電位を−７Ｖに下げると、ノードＦ４の電位は、書き込
まれたデータに応じて、−３Ｖ、−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖとなる。この結果、書き込みトラ
ンジスタＷＴｒ４と読み出しトランジスタＲＴｒ４がオフとなる。このようにして、右か
ら２つめの記憶セルにデータを書き込むことができる。以下同様に順にデータを書き込み
、すべての記憶セルにデータを書き込むことができる。
当該記憶ユニット内に書き込む作業を必要としない場合は、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２
、Ｑ３、Ｑ４の電位を−７Ｖ、読み出しワード線Ｐの電位を−７Ｖとするとよい。このと
きノードＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の電位は、−３Ｖ以上０Ｖ以下となる。ビット線Ｒの電
位は＋１Ｖ以上＋４Ｖ以下であるので、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴ
ｒ３、ＷＴｒ４、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４はオフ
状態を保つことができる。
次に読み出しについて図１９を用いて説明する。まず、当該記憶ユニット以外の行の読み
出しをおこなう場合には、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の電位を−７Ｖ、読
み出しワード線Ｐの電位を−７Ｖとする。こうすると、トランジスタＴｒ０、書き込みト
ランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ３、ＷＴｒ４はオフとなる。また、ノードＦ１、
Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の電位は、−３Ｖ以上０Ｖ以下である。そして、ビット線Ｒの電位は、
後で説明するように０Ｖ以上＋４Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴｒ１、Ｒ
Ｔｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４はオフを維持できる。
当該記憶ユニットの読み出しをおこなうには、図１９（Ａ）に示すように、書き込みワー
ド線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ４の電位を−３Ｖ、書き込みワード線Ｑ３の電位を−７Ｖ、読み出し
ワード線Ｐの電位を−７Ｖ、選択線Ｔの電位を＋１Ｖとする。また、ビット線の電位を＋
４Ｖとする。
このときには、トランジスタＴｒ０、書き込みトランジスタＷＴｒ１、ＷＴｒ２、ＷＴｒ
３、ＷＴｒ４はオフとなる。また、ノードＦ１、Ｆ２の電位が−３Ｖ以上０Ｖ以下である
ので、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２はオフとなる。一方、ノードＦ３、Ｆ４
の電位は＋１Ｖ以上＋４Ｖ以下であるので、読み出しトランジスタＲＴｒ３、ＲＴｒ４は
オンとなる。このため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れる。
もし、ビット線Ｒの一端がキャパシタであれば、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が
流れると、当初の電位（＋４Ｖ）は、バイアス線の電位（０Ｖ）に近づくこととなる。そ
のため、ビット線の電位は０Ｖ以上＋４Ｖ以下で変動することとなる。
以下では、記憶ユニットのうち、右から２番目の記憶セル（ノードＦ４）のデータを読み
出すものとする。図１９（Ｂ）に示すように書き込みワード線Ｑ４の電位を−４Ｖに低下
させると、ノードＦ４の電位は、書き込まれたデータに応じて０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋
３Ｖのいずれかとなる。ここで、ノードＦ４の電位が０Ｖであれば、読み出しトランジス
タＲＴｒ４はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。
この段階で、ノードＦ４の電位が０Ｖであるのは、書き込みの時にビット線の電位が＋１
Ｖであった場合である。すなわち、書き込みワード線Ｑ４の電位を＋１Ｖとしたときに読
み出しトランジスタＲＴｒ４がオフであれば、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋１Ｖ
であったとわかる。このようにして、データの値を知ることができる。
さらに、図１９（Ｃ）に示すように書き込みワード線Ｑ４の電位を−５Ｖに低下させると
、ノードＦ４の電位は、書き込まれたデータに応じて−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖ、＋２Ｖのい
ずれかとなる。ここで、ノードＦ４の電位が−１Ｖか０Ｖであれば、読み出しトランジス
タＲＴｒ４はオフとなるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。ノ
ードＦ４の電位が−１Ｖか０Ｖとなるのは、書き込み時のビット線Ｒの電位が＋１Ｖか＋
２Ｖであった場合である。
同様に、書き込みワード線Ｑ４の電位を−６Ｖに低下させると、ノードＦ４の電位は、書
き込まれたデータに応じて−２Ｖ、−１Ｖ、０Ｖ、＋１Ｖのいずれかとなる。ここで、ノ
ードＦ４の電位が−２Ｖか−１Ｖ、０Ｖであれば、読み出しトランジスタＲＴｒ４はオフ
となるため、ビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電流が流れなくなる。すなわち、書き込み
の時にビット線Ｒの電位が＋１Ｖ、＋２Ｖ、＋３Ｖのいずれかであった場合である。
書き込みの時にビット線の電位が＋４Ｖであった場合には、書き込みワード線Ｑ４の電位
を−６Ｖとした場合、ノードＦ４の電位は＋１Ｖであり、依然としてオンのままである。
すなわち、書き込みワード線Ｑ４の電位が−６Ｖでもビット線Ｒとバイアス線Ｓの間に電
流が流れる場合は、書き込みの時にビット線Ｒの電位が＋４Ｖであったとわかる。
このようにして４段階のデータ（２ビット）を書き込み・読み出しできる。もちろん、同
様にして、さらに多くのデータ、例えば、８段階のデータ（３ビット）、１６段階のデー
タ（４ビット）を書き込み・読み出しできる。あるいは、２段階のデータ（１ビット）を
書き込み・読み出しできる。
上記の説明では、寄生容量や読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴ
ｒ４のゲート容量をキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の容量に対して、無視したが、現
実の記憶セルではそれらを考慮した上で、与える電位を決定する必要がある。
読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４のゲート容量は、オン状
態とオフ状態で大きく変動するので、読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ
３、ＲＴｒ４のゲートの電位はその影響を受ける。読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴ
ｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４のゲート容量のキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の容量に対
する比率が大きいほど、その影響が大きいので、好ましくは、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ
３、Ｃ４の容量は読み出しトランジスタＲＴｒ１、ＲＴｒ２、ＲＴｒ３、ＲＴｒ４のゲー
ト容量のそれぞれ２倍以上とするとよい。
（実施の形態１０）
本実施の形態では、実施の形態９で動作を説明した半導体メモリ装置の形状について説明
する。図２１に本実施の形態の半導体メモリ装置の記憶ユニットのレイアウト例を示す。
本実施の形態では、単位記憶ユニットに６つの記憶セルを有する。本実施の形態で示す半
導体メモリ装置は、配線のパターン等は異なるが、実施の形態３で示した方法により作製
できる。
図２１（Ａ）は単結晶シリコン基板上に設けられた主要な配線・電極等を示す。基板上に
は素子分離領域１０２を形成する。また、導電性の材料やドーピングされたシリコンを用
いた導電性領域１０６を形成し、その一部は、読み出しトランジスタのソース、ドレイン
となる。導電性領域１０６の一部はバイアス線Ｓの一部となる。隣接する導電性領域１０
６が読み出しトランジスタのゲート電極１１１、１１１ａで隔てられている部分もある。
なお、ゲート電極１１１ａは選択トランジスタのゲート電極となるものであり、選択線Ｔ
を構成する。ゲート電極１１１とゲート電極１１１ａは同じ材料を用いて、同時に形成す
るとよい。
導電性領域１０６の一部には接続電極１１０、１１０ａが設けられる。ゲート電極１１１
、１１１ａや接続電極１１０、１１０ａの材料としては、実施の形態３に示したゲート電
極１１１や接続電極１１０の条件を満たすものを用いればよい。本実施の形態では、実施
の形態５と同様にゲート電極１１１を互い違いに配置した。その結果、図２０（Ａ）に比
べて、より高密度にゲート電極１１１を配置できる。すなわち、単位記憶セルあたりの面
積を８Ｆ２とできる。
また、選択トランジスタに関しては、図１７（Ｂ）に示したものと同様に、１つの記憶ユ
ニットに１つの選択トランジスタを有する構成とする。このため、選択トランジスタ付近
の導電性領域１０６の幅を広くすることができ、接続電極１１０ａを該領域に設けること
ができる。
図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）の回路の上に形成される酸化物半導体を用いたトランジス
タを中心とした主要な配線や電極等を示す。複数の島状の酸化物半導体領域１１２と複数
の配線１１４および配線１１４ａを形成する。配線１１４は、書き込みワード線Ｑ１、Ｑ
２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６あるいは読み出しワード線Ｐとなる。配線１１４ａは、配線
１１４と同じ材料で同時に形成される。これはバイアス線Ｓの一部で、接続電極１１０ａ
を介して、導電性領域１０６と接続される。
図２０（Ｂ）でも明らかなように、この層の選択線Ｔの近傍は、特別に必要とされる配線
等がない。一方で、実施の形態８ではバイアス線Ｓは導電性領域１０６を用いて形成され
るが、その導電率は金属配線には劣る。したがって、バイアス線Ｓを、導電性領域１０６
だけでなく、金属配線を用いて形成することが好ましい。
しかしながら、図２０（Ａ）においては、導電性領域１０６と、その上層の金属配線を接
続するための接続電極を設けるには、導電性領域の幅（チャネル長方向の長さ）をさらに
広くすることが求められ、結果として集積度が低下する。
本実施の形態では、選択トランジスタを各記憶ユニットに１つ設ける構造とした結果、選
択トランジスタ近傍の導電性領域１０６の幅を十分に広くできるのでその部分に接続電極
１１０ａを設けることができる。そして、接続電極１１０ａと接続する配線１１４ａを設
けることができる。
上述のように、この部分では、特別に必要とされる配線等がないので、配線１１４ａの幅
を広くすることができる。例えば、最小加工線幅の２倍の幅とするとよい。線幅を広くす
ると、配線の抵抗を低減できる。それ以上とすることもできるが、その場合には、下層の
選択トランジスタのゲート電極１１１ａと重なるので、両者の間の寄生容量が大きくなる
。
配線１１４の一部は酸化物半導体と重なって、書き込みトランジスタのゲート電極となる
。また、酸化物半導体領域１１２は、下層のゲート電極１１１と接触する。配線１１４の
一部は、ゲート電極１１１と重なり、キャパシタを形成する。また、酸化物半導体領域１
１２には、上層（例えば、ビット線Ｒ）への接続のための接続電極１１７が設けられる。
図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）を重ね合わせると、図２１（Ｃ）に示すようになる。こ
こでは、重なりが分かるように、意図的に少しずらして重ねてある。さらに、酸化物半導
体を用いたトランジスタの上に形成される配線１１８も図示してある。配線１１８はビッ
ト線Ｒを構成する。
上述のように単位記憶セルの大きさは８Ｆ２となる。記憶ユニットには、各記憶セルで共
有する部分もあるため、現実には、記憶セルあたりの面積は８Ｆ２より大きくなる。図２
１に示す記憶ユニットには、６つの記憶セルが設けられているが、記憶ユニット内の記憶
セルの数を増やせば、記憶セルあたりの面積は８Ｆ２に近づく。
（実施の形態１１）
本実施の形態では、実施の形態１乃至５に示した半導体メモリ装置を用いた電子機器につ
いて説明する。これらの半導体メモリ装置は、パーソナルコンピュータ、携帯通信機器、
映像表示装置、電子書籍等の機器に用いることができる。
１０１ 単結晶シリコン基板
１０２ 素子分離領域
１０３ ゲート絶縁膜
１０４ ダミーゲート
１０５ シリサイド領域
１０６ 導電性領域
１０６ａ 導電性領域
１０７ 層間絶縁物
１０７ａ 層間絶縁物
１０８ 開口部
１０９ 開口部
１１０ 接続電極
１１０ａ 接続電極
１１１ ゲート電極
１１１ａ ゲート電極
１１１ｂ 第１のゲート電極
１１１ｃ 第２のゲート電極
１１１ｄ 第３のゲート電極
１１１ｅ 第４のゲート電極
１１２ 酸化物半導体領域
１１３ ゲート絶縁膜
１１４ 配線
１１４ａ 配線
１１５ ｎ型の導電性を示す領域
１１６ 層間絶縁物
１１７ 接続電極
１１８ 配線
１１９ 書き込みトランジスタ
１２０ 読み出しトランジスタ
１２１ キャパシタ
ＷＴｒ 書き込みトランジスタ
ＷＴｒ１ 書き込みトランジスタ
ＷＴｒ２ 書き込みトランジスタ
ＷＴｒ３ 書き込みトランジスタ
ＷＴｒ４ 書き込みトランジスタ
ＲＴｒ 読み出しトランジスタ
ＲＴｒ１ 読み出しトランジスタ
ＲＴｒ２ 読み出しトランジスタ
ＲＴｒ３ 読み出しトランジスタ
ＲＴｒ４ 読み出しトランジスタ
ＳＴｒ 選択トランジスタ
ＳＴｒ１ 選択トランジスタ
ＳＴｒ２ 選択トランジスタ
Ｃ キャパシタ
Ｃ１ キャパシタ
Ｃ２ キャパシタ
Ｃ３ キャパシタ
Ｃ４ キャパシタ
Ｔｒ０ トランジスタ
Ｆ１ ノード
Ｆ２ ノード
Ｆ３ ノード
Ｆ４ ノード
Ｐ 読み出しワード線
Ｐ１ 読み出しワード線
Ｐ２ 読み出しワード線
Ｐ３ 読み出しワード線
Ｑ 書き込みワード線
Ｑ１ 書き込みワード線
Ｑ２ 書き込みワード線
Ｑ３ 書き込みワード線
Ｑ４ 書き込みワード線
Ｑ５ 書き込みワード線
Ｑ６ 書き込みワード線
Ｒ ビット線
Ｓ バイアス線
Ｔ 選択線

Claims (5)

  1. 第１のトランジスタと、
    第２のトランジスタと、
    第３のトランジスタと、
    容量（ＮＭＯＳトランジスタを除く）と、を有し、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記容量の第１の電極と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
    少なくとも、前記第１のトランジスタは酸化物半導体層を有し、前記第２のトランジスタはシリコン層を有し、
    前記酸化物半導体層は、絶縁物を介して、前記シリコン層の上方にあり、
    前記容量は、前記第２のトランジスタのゲートと重なる領域にあり、
    前記容量の第２の電極と、前記第１のトランジスタのゲートとは、同一絶縁膜上にあって、同一導電性材料を有することを特徴とする半導体装置。
  2. 第１のトランジスタと、
    第２のトランジスタと、
    第３のトランジスタと、
    容量（ＮＭＯＳトランジスタを除く）と、を有し、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記容量の第１の電極と電気的に接続され、
    前記第１のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第２のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
    前記第２のトランジスタのソース又はドレインの一方は、前記第３のトランジスタのソース又はドレインの一方と電気的に接続され、
    少なくとも、前記第１のトランジスタは酸化物半導体層を有し、前記第２のトランジスタはシリコン層を有し、
    前記酸化物半導体層は、絶縁物を介して、前記シリコン層の上方にあり、
    前記容量は、前記第２のトランジスタのゲートと重なる領域にあり、
    前記容量の第２の電極と、前記第１のトランジスタのゲートとは、同一絶縁膜上にあって、同一導電性材料を有し、
    前記容量は、前記第２のトランジスタのゲート容量の２倍以上の値を有することを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項１又は請求項２において、
    前記絶縁物は、平坦性を有する表面を有することを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
    前記絶縁物は、表面から１００ｎｍの領域における水素濃度が１×１０１８ｃｍ−３未満を有することを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
    前記第１のトランジスタの導電型は、前記第２のトランジスタの導電型と同じであることを特徴とする半導体装置。
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