JPH07307445A - Semiconductor storage device and its production - Google Patents

Semiconductor storage device and its production

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JPH07307445A
JPH07307445A JP6099972A JP9997294A JPH07307445A JP H07307445 A JPH07307445 A JP H07307445A JP 6099972 A JP6099972 A JP 6099972A JP 9997294 A JP9997294 A JP 9997294A JP H07307445 A JPH07307445 A JP H07307445A
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秀行 松岡
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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Abstract

PURPOSE:To obtain a semiconductor storage device which necessitates no refreshing and operates even at room temperature and low voltage by utilizing a Coulomb barrier. CONSTITUTION:A first electrode 3 formed with a gate oxide film 2 interposed and a capacity C having a fine tunnel joint row that is formed on the side wall of the first electrode by forming a tunnel oxide film 5, gate electrode 6, tunnel oxide film 7, and gate electrode 8 alternately are constructed on a semiconductor substrate 1. On the other hand, a fine gate capacity Cg is formed of the gate electrode 8, oxide film 9 and second electrode 10 on the side wall. Further, a source/drain 11 is formed in a manner to be self-aligned with the gate electrodes 6 and 8, so that the gate electrode 8 may operate as a memory node for connecting the C and Cg and at the same time a memory cell utilizing Coulomb barrier that can operate as a gate for reading MOS transistor can be constructed.

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
製造方法に係り、特にクーロン遮蔽現象を利用した室温
で動作するリフレッシュ不要な半導体記憶装置及びその
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor memory device that does not require refresh and operates at room temperature utilizing the Coulomb shielding phenomenon.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の代表的な半導体記憶装置であるD
RAMやフラッシュメモリでは、1ギガビット以上の集
積度を1チップ上で実現するためにメモリセルの微細化
を進めてゆくと、統計的な電子数のゆらぎが無視できな
い程度の大きさとなり、記憶装置としての動作が困難に
なってくる。また、DRAMは蓄積容量部から電荷が流
出するので記憶を保持するのに周期的に再書き込みをす
る動作、すなわちリフレッシュを必要とするために消費
電力が大きくなる難点があり、フラッシュメモリはリフ
レッシュは不要であるが一括消去しかできないためラン
ダムアクセスできないという欠点がある。
2. Description of the Related Art D, which is a typical conventional semiconductor memory device
In RAM and flash memory, if the memory cells are miniaturized in order to realize the integration degree of 1 gigabit or more on one chip, the statistical fluctuation of the number of electrons becomes a size that cannot be ignored, and the storage device Operation becomes difficult. In addition, since electric charge flows out from the storage capacitor portion in the DRAM, there is a problem that power consumption becomes large because an operation of periodically rewriting to hold the memory, that is, refreshing is required, and thus the flash memory cannot be refreshed. Although it is unnecessary, there is a drawback that random access is not possible because only batch deletion is possible.

【0003】これに対してクーロン遮蔽を利用したメモ
リは、電子の数を1個単位で制御することが可能であ
り、原理的には記憶単位を電子の数1個とし得るので、
DRAMやフラッシュメモリよりもはるかに高集積の半
導体記憶装置を実現することが可能である。このクーロ
ン遮蔽を利用したメモリの基本概念については、例え
ば、グラバーとデボーレの編著による「シングルチャー
ジトンネリング」の第9章第313頁から第317頁
(Single Charge Tunneling, Edited by H. Grabertand
M. H. Devoret, Plenum Press, New York, 1992, Chap
ter 9)に記載されている。
On the other hand, in a memory utilizing Coulomb shielding, the number of electrons can be controlled in units of one, and in principle, the memory unit can be one electron,
It is possible to realize a semiconductor memory device that is much more highly integrated than a DRAM or a flash memory. For the basic concept of the memory using the Coulomb shield, see, for example, Single Charge Tunneling, Edited by H. Grabertand, Chapter 9, pp. 313 to 317 of "Single Charge Tunneling" by Graber and Debole.
MH Devoret, Plenum Press, New York, 1992, Chap
ter 9).

【0004】このクーロン遮蔽を利用すれば、今後メモ
リセルのより一層の微細化を進めた場合に必須の条件に
なると考えられる電子の数のゆらぎを抑えることができ
る。しかも、クーロン遮蔽を利用したメモリは、ランダ
ムアクセスでき、かつ、原理的にリフレッシュ不要な単
一電子メモリを実現可能であるから、DRAMやフラッ
シュメモリよりも低消費電力で高集積を実現できる半導
体記憶装置として期待されている。
By utilizing this Coulomb shielding, it is possible to suppress fluctuations in the number of electrons, which is considered to be an indispensable condition in the case of further miniaturization of memory cells in the future. Moreover, the memory using Coulomb shielding can realize a single electronic memory that can be randomly accessed and in principle does not require refreshing, so it is a semiconductor memory that can achieve higher integration with lower power consumption than DRAM and flash memory. Expected as a device.

【0005】このような利点が期待されるているクーロ
ン遮蔽を利用したメモリの実験的検証例は、1993年
2月18日発行のエレクトロニクスレターズ Vol.
29,No.4(Electronics Letters, 18th Feb. 199
3, Vol.29, No.4,)に記載されている。この検証例で
は、急峻な不純物濃度分布を有するデルタドープ構造の
GaAs基板を用いて2次元平面内にクーロン遮蔽を利
用したメモリセルを形成し、この半導体記憶装置が極低
温の30mKにおいてメモリ動作をすることが示され
た。
An example of experimental verification of a memory using Coulomb shielding, which is expected to have such advantages, is described in Electronics Letters Vol.
29, No. 4 (Electronics Letters, 18th Feb. 199
3, Vol.29, No.4,). In this verification example, a GaAs substrate of a delta-doped structure having a steep impurity concentration distribution is used to form a memory cell utilizing Coulomb shielding in a two-dimensional plane, and this semiconductor memory device operates as a memory at a cryogenic temperature of 30 mK. Was shown.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たクーロン遮蔽を利用したメモリの実験的検証例によれ
ば、デルタドープ構造のGaAs基板を用い、2次元平
面内にメモリセルを形成している為に、メモリセルの記
憶ノードに相当する電極を、2次元平面内で引き回す結
果となり、記憶ノードの持つ容量を小さくすることが困
難な構造になっている。この結果、記憶装置の動作温度
は30mKと低く、微細化を進めたとしても記憶ノード
の持つ容量を小さくできないために、室温での動作は期
待できないという問題点がある。また、デルタドープ構
造のGaAs基板という特殊な基板を使用するプロセス
であるため、製造コスト及び量産性の面から難点があ
る。
However, according to the experimental verification example of the memory utilizing the Coulomb shielding described above, since the GaAs substrate of the delta-doped structure is used to form the memory cell in the two-dimensional plane. As a result, the electrode corresponding to the storage node of the memory cell is laid out in a two-dimensional plane, and it is difficult to reduce the capacity of the storage node. As a result, the operating temperature of the memory device is as low as 30 mK, and even if the miniaturization is advanced, the capacity of the memory node cannot be reduced, so that there is a problem that the operation at room temperature cannot be expected. Further, since it is a process using a special substrate such as a GaAs substrate having a delta-doped structure, there are problems in terms of manufacturing cost and mass productivity.

【0007】そこで、本発明の目的は、製造コスト及び
量産性の面で有利なシリコンLSIプロセスを用い、ク
ーロン遮蔽を利用した室温での動作が可能な低消費電力
型の、しかもリフレッシュが不要な半導体記憶装置及び
その製造方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to use a silicon LSI process which is advantageous in terms of manufacturing cost and mass productivity, is a low power consumption type that can operate at room temperature using Coulomb shielding, and does not require refreshing. A semiconductor memory device and a method for manufacturing the same are provided.

【0008】その他、超高集積密度を達成するために、
極めて微細な素子を形成した場合でも統計的な電子数の
揺らぎの影響を受けない安定した動作の実現などが課題
となっている。
In addition, in order to achieve ultra-high integration density,
The challenge is to realize stable operation that is not affected by statistical fluctuations in the number of electrons even when forming extremely fine elements.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体記憶
装置は、少なくとも1個のトンネル接合を含むトンネル
接合列MTJと、該トンネル接合列と直列接続される容
量Cgと、この容量とトンネル接合列との接続部を記憶
ノードMNとする半導体記憶装置において、第1導電型
の半導体基板上、すなわち実施例1で言えばp型基板1
上に絶縁膜を介して形成される第1電極3と、第1電極
に対して絶縁膜5を介して直列接続されると共に互いに
絶縁膜7によって絶縁される複数の電極6,8と、該複
数の電極と絶縁膜9を介して接続される第2電極10と
から構成される前記トンネル接合列MTJおよび前記容
量Cgを有し、かつ、前記複数の電極6,8の中の少な
くとも記憶ノードとなる電極8に対して自己整合的に前
記半導体基板1内に形成した一対の第2導電型の不純物
層11により構成する読み出し用トランジスタQ1を有
することを特徴とする。
In a semiconductor memory device according to the present invention, a tunnel junction string MTJ including at least one tunnel junction, a capacitor Cg connected in series with the tunnel junction string, and this capacitor and the tunnel junction. In a semiconductor memory device having a connection node with a column as a storage node MN, a semiconductor substrate of the first conductivity type, that is, a p-type substrate 1 in the first embodiment.
A first electrode 3 formed over the insulating film, a plurality of electrodes 6, 8 connected in series to the first electrode through the insulating film 5 and insulated from each other by an insulating film 7, The tunnel junction array MTJ composed of a plurality of electrodes and a second electrode 10 connected via an insulating film 9 and the capacitance Cg, and at least a storage node in the plurality of electrodes 6, 8. It is characterized in that it has a read transistor Q 1 constituted by a pair of second conductivity type impurity layers 11 formed in the semiconductor substrate 1 in a self-aligning manner with respect to the electrode 8 to be formed.

【0010】上記半導体記憶装置において、前記複数の
電極を介して前記第1電極と第2電極間に存在する複数
の絶縁膜は、少なくとも1つは電子の量子力学的なトン
ネルが可能な厚さ、すなわち厚くても5nmの厚さの絶
縁膜とし、少なくとも1つは電子の量子力学的なトンネ
ルが不可能な厚さの絶縁膜とすれば好適である。
In the above semiconductor memory device, at least one of the plurality of insulating films existing between the first electrode and the second electrode via the plurality of electrodes has a thickness capable of quantum mechanical tunneling of electrons. That is, it is preferable to use an insulating film having a thickness of at most 5 nm and at least one insulating film having a thickness that does not allow quantum mechanical tunneling of electrons.

【0011】また、前記複数の電極は第1電極の側壁側
に位置すると共に、前記複数の電極を互いに絶縁する絶
縁膜は各電極に形成した側壁絶縁膜とすれば好適であ
る。
It is preferable that the plurality of electrodes are located on the side wall side of the first electrode and the insulating film for insulating the plurality of electrodes from each other is a side wall insulating film formed on each electrode.

【0012】さらに、前記第1電極と前記複数の電極の
それぞれ対向する電極の面積が、多くとも1000平方
ナノメータとすれば、記憶ノードとなる電極の持つ容量
によって決まる帯電エネルギを温度で決まる熱エネルギ
よりも大きくすることができる。
Further, if the areas of the electrodes facing each other of the first electrode and the plurality of electrodes are at most 1000 square nanometers, the charging energy determined by the capacity of the electrode serving as the storage node is determined by the thermal energy determined by the temperature. Can be greater than.

【0013】また、前記第1及び第2電極間に与える電
位に対して、前記複数の電極の中の記憶ノードとなる電
極の電位がヒステリシスを有することにより、前記第1
及び第2電極間に与える電位によって、前記記憶ノード
となる電極の電位が2つの安定値を有することができ、
従って、前記読み出し用トランジスタの閾値電圧をこの
記憶ノードとなる電極の取りうる2つの安定電位の間の
電圧値とすれば好適である。
Further, the potential of the electrode serving as a storage node among the plurality of electrodes has hysteresis with respect to the potential applied between the first and second electrodes, whereby the first
And the potential applied between the second electrodes allows the potential of the electrode serving as the storage node to have two stable values,
Therefore, it is preferable to set the threshold voltage of the read transistor to a voltage value between two stable potentials that can be taken by the electrode serving as the storage node.

【0014】このように、本発明に係る半導体記憶装置
は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成された複数のゲ
ート電極間の、絶縁膜の厚さを制御することによって直
列につながったトンネル接合列MTJと容量Cgを実現
し、クーロン遮蔽により、トンネル接合列と容量にはさ
まれた部分の電位が2つの安定値をとることを利用し
て、この2つの値をとりうる部分すなわち記憶ノードM
Nを、データ読み出しトランジスタQ1のゲート電極と
することを特徴としている。
As described above, in the semiconductor memory device according to the present invention, the tunnels connected in series by controlling the thickness of the insulating film between the plurality of gate electrodes formed on the semiconductor substrate via the insulating film. By utilizing the fact that the junction array MTJ and the capacitance Cg are realized, and the electric potential of the portion sandwiched between the tunnel junction array and the capacitance has two stable values due to Coulomb shielding, a portion that can take these two values, that is, a memory Node M
N is used as the gate electrode of the data read transistor Q 1 .

【0015】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法
は、素子分離酸化膜12を含む第1導電型の半導体基板
1の表面にゲート酸化膜2を形成する工程1と、ゲート
酸化膜上に第1の導電膜すなわちリンドープの多結晶シ
リコンを形成する工程2と、第1の導電膜上に絶縁膜を
形成する工程3と、第1の導電膜及び絶縁膜をパターニ
ングして該絶縁膜を上部表面に有する第1電極3を形成
する工程4と、電子のトンネル可能な厚さの第1の絶縁
膜すなわちトンネル酸化膜5を表面に形成する工程5
と、第1の絶縁膜を介して第2の導電膜すなわちリンド
ープの多結晶シリコン6を第1電極3の側壁に形成する
工程6と、電子のトンネル可能な厚さの第2の絶縁膜す
なわちトンネル酸化膜7を表面に形成する工程7と、更
に工程7で形成した第2の絶縁膜を介して第1電極の側
壁側に第3の導電膜すなわちリンドープの多結晶シリコ
ン8を形成する工程8と、前記工程7及び工程8を順に
所要回数繰り返した後に電子のトンネルが不可能な厚さ
の第3の絶縁膜すなわち酸化膜9を表面に形成する工程
9と、第2電極となる第4の導電膜すなわちリンドープ
の多結晶シリコン10を表面に形成する工程10と、前
記工程10,工程9,工程8,工程7,及び工程6で形
成した絶縁膜及び導電膜を所要個所を残して除去する工
程11と、第2導電型の不純物すなわちn型不純物のソ
ース・ドレイン11を第1導電型の半導体基板中に前記
所要個所に対して自己整合的に形成する工程12とを有
することを特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention comprises a step 1 of forming a gate oxide film 2 on a surface of a semiconductor substrate 1 of a first conductivity type including an element isolation oxide film 12, and a step 1 on the gate oxide film. Step 1 of forming a first conductive film, that is, phosphorus-doped polycrystalline silicon, Step 3 of forming an insulating film on the first conductive film, and patterning the first conductive film and the insulating film to form an upper surface of the insulating film. Step 4 of forming a first electrode 3 on the surface, and Step 5 of forming a first insulating film, ie, a tunnel oxide film 5 having a thickness capable of tunneling electrons, on the surface.
And a step 6 of forming a second conductive film, that is, phosphorus-doped polycrystalline silicon 6 on the side wall of the first electrode 3 through the first insulating film, and a second insulating film having a thickness capable of tunneling electrons, that is, Step 7 of forming a tunnel oxide film 7 on the surface, and further step of forming a third conductive film, that is, phosphorus-doped polycrystalline silicon 8 on the side wall side of the first electrode through the second insulating film formed in Step 7. 8, the step 7 and the step 8 are sequentially repeated a required number of times, and then a step 9 of forming on the surface a third insulating film, that is, an oxide film 9 having a thickness that makes electron tunneling impossible, and a step of forming a second electrode. 4, the step 10 of forming the conductive film, that is, the phosphorus-doped polycrystalline silicon 10 on the surface, and the insulating film and the conductive film formed in step 10, step 9, step 8, step 7, and step 6, leaving the required portions. Step 11 of removing and the second guide Characterized by a step 12 formed in a self-aligned manner a drain 11 types of impurities i.e. n-type impurity with respect to the predetermined position in the first conductivity type semiconductor substrate.

【0016】或いは、素子分離酸化膜を含む第1導電型
の半導体基板表面にゲート酸化膜を形成する工程1と、
ゲート酸化膜上に第1の導電膜を形成する工程2と、第
1の導電膜上に絶縁膜を形成する工程3と、第1の導電
膜及び絶縁膜をパターニングして該絶縁膜を上部表面に
有する第1電極を形成する工程4と、電子のトンネル可
能な厚さの第1の絶縁膜を表面に形成する工程5と、第
1の絶縁膜を介して第2の導電膜を第1電極の側壁に形
成する工程6と、電子のトンネル可能な厚さの第2の絶
縁膜を表面に形成する工程7と、更に工程7で形成した
第2の絶縁膜を介して第1電極の側壁側に第3の導電膜
を形成する工程8と、前記工程7及び工程8を順に所要
回数繰り返した後に所要個所にレジストパターンを形成
する工程9と、工程9で形成したレジストパターンをマ
スクに前記工程8,工程7,及び工程6で形成した導電
膜及び絶縁膜を除去する工程10と、第2導電型の不純
物を第1導電型の半導体基板中に前記レジストパターン
をマスクに前記所要個所に対して自己整合的に形成する
工程11と、前記レジストパターンを除去後表面に電子
のトンネルが不可能な厚さの第3の絶縁膜を形成する工
程12と、更に第4の導電膜を表面に形成する工程13
と、工程13で形成した第4の導電膜をパターニングし
て第2電極を形成する工程14とを有する半導体記憶装
置の製造方法としても良い。
Alternatively, Step 1 of forming a gate oxide film on the surface of the first conductivity type semiconductor substrate including the element isolation oxide film,
Step 2 of forming a first conductive film on the gate oxide film, Step 3 of forming an insulating film on the first conductive film, and patterning the first conductive film and the insulating film to form an upper surface of the insulating film. Step 4 of forming a first electrode on the surface, step 5 of forming a first insulating film having a thickness capable of tunneling electrons on the surface, and forming a second conductive film through the first insulating film. Step 6 of forming on the side wall of one electrode, Step 7 of forming on the surface a second insulating film having a thickness capable of tunneling electrons, and further, the first electrode via the second insulating film formed in Step 7. 8 for forming a third conductive film on the side wall of the substrate, step 9 for forming a resist pattern at a required portion after repeating steps 7 and 8 a required number of times in sequence, and a mask for the resist pattern formed in step 9 The conductive film and the insulating film formed in steps 8, 7 and 6 are removed. And a step 11 of forming an impurity of the second conductivity type in the semiconductor substrate of the first conductivity type in a self-aligned manner with respect to the required portion using the resist pattern as a mask, and after removing the resist pattern, the surface Step 12 of forming a third insulating film having a thickness that makes it impossible to tunnel electrons, and Step 13 of further forming a fourth conductive film on the surface
And a step 14 of patterning the fourth conductive film formed in step 13 to form a second electrode.

【0017】[0017]

【作用】第1導電型の半導体基板上に絶縁膜を介して形
成される第1電極と、第1電極に対して絶縁膜を介して
直列接続されると共に互いに絶縁膜によって絶縁される
複数の電極と、該複数の電極と絶縁膜を介して接続され
る第2電極とは、トンネル接合列MTJとゲート容量C
gの直列接続部を構成する。該複数の電極の中の少なく
とも記憶ノードMNとなる電極に対して自己整合的に第
1導電型の半導体基板内に形成する一対の第2導電型の
不純物層は、読み出し用トランジスタのソース・ドレイ
ンとなる。しかも、この読み出し用トランジスタのゲー
トが、クーロン遮蔽を利用した記憶ノードMNとして働
く。
The first electrode formed on the semiconductor substrate of the first conductivity type via the insulating film, and the plurality of electrodes connected in series to the first electrode via the insulating film and insulated from each other by the insulating film. The electrode and the second electrode connected to the plurality of electrodes through the insulating film are composed of the tunnel junction array MTJ and the gate capacitance C.
g in series connection. The pair of second-conductivity-type impurity layers formed in the first-conductivity-type semiconductor substrate in a self-alignment manner with respect to at least the electrode serving as the storage node MN among the plurality of electrodes are the source / drain of the read transistor. Becomes Moreover, the gate of this read transistor functions as a storage node MN using Coulomb shielding.

【0018】前記複数の電極を介して前記第1電極と第
2電極間に存在する複数の絶縁膜は、絶縁膜の厚さを厚
くとも5nmと薄くすることにより、電子の量子力学的
なトンネルが可能となり、これよりも絶縁膜の厚さを厚
くすることにより電子の量子力学的なトンネルが不可能
となる。従って、トンネル可能な薄い絶縁膜で互いに絶
縁された部分がトンネル接合列MTJを構成し、厚い絶
縁膜で絶縁された部分がゲート容量Cgを構成する。
The plurality of insulating films existing between the first electrode and the second electrode via the plurality of electrodes have a thickness of at least 5 nm, so that quantum tunneling of electrons can be achieved. It becomes possible, and by making the thickness of the insulating film thicker than this, quantum mechanical tunneling of electrons becomes impossible. Therefore, the portions insulated from each other by the tunnelable thin insulating film form the tunnel junction array MTJ, and the portions insulated by the thick insulating film form the gate capacitance Cg.

【0019】また、前記複数の電極を、第1電極の側壁
側に位置すると共に、前記複数の電極を互いに絶縁する
絶縁膜は各電極に形成した側壁絶縁膜とすることによ
り、前記第1電極と前記複数の電極のそれぞれ対向する
電極の面積を多くとも1000平方ナノメータと非常に
小さな面積に形成することができ、後述するように、記
憶ノードとなる電極の持つ容量によって決まる帯電エネ
ルギを、温度で決まる熱エネルギよりも大きくすること
ができる。この結果、クーロ遮蔽を利用したメモリの室
温動作が可能となる。
Further, the plurality of electrodes are located on the side wall side of the first electrode, and the insulating film for insulating the plurality of electrodes from each other is a side wall insulating film formed on each electrode. The area of the electrodes facing each other and the plurality of electrodes can be formed in a very small area of at most 1000 square nanometers, and as described later, the charging energy determined by the capacitance of the electrode serving as the storage node is Can be made larger than the heat energy determined by. As a result, it becomes possible to operate the memory at room temperature by utilizing the Coulomb shielding.

【0020】更に、前記第1及び第2電極間に与える電
位に対して、記憶ノードMNとなる電極の電位がヒステ
リシスを有することにより、記憶ノードの電位が2つの
安定値を有することができるので、読み出し用トランジ
スタの閾値電圧をこの2つの安定電位の間の電圧値に設
定すれば2値のメモリ動作が可能となる。
Furthermore, since the potential of the electrode serving as the storage node MN has hysteresis with respect to the potential applied between the first and second electrodes, the potential of the storage node can have two stable values. By setting the threshold voltage of the reading transistor to a voltage value between these two stable potentials, binary memory operation becomes possible.

【0021】ここで、本発明に係る半導体記憶装置で使
用するクーロン遮蔽の動作原理について説明する。図3
はクーロン遮蔽の原理を説明する図であり、図3の
(a)の等価回路に示すように、定電流源Iにつながれ
たトンネル接合を考える。図3の(b)は、このトンネ
ル接合の容量Cの蓄積電荷Qと帯電エネルギの関係を示
す特性線図である。ここで、トンネル接合とは、ある一
定の確率で電子の移動が可能な接合のことをいう。初期
状態でトンネル接合の蓄積電荷Qが0であったとする
と、図3の(b)に示すように、定電流源Iにより時間
の経過と共にa点のように蓄積電荷が増加してゆき、同
時にトンネル接合の帯電エネルギQ2/2Cも増大して
ゆく。蓄積電荷が0.5eのb点に達してこれを越えよ
うとすると電子が1個トンネルし、状態はb点からc点
に移り、トンネル接合に蓄積される蓄積電荷Qは−0.
5eになる。これは電子が1個トンネルすることによっ
て、系全体の帯電エネルギを減少させることができるか
らである。なお、この蓄積電荷Qの±0.5eの値は、
1個の電子がトンネルする前とトンネルした後での帯電
エネルギの差が無い点、すなわちトンネル前後で帯電エ
ネルギが等しい臨界点として求められる。
Here, the operating principle of the Coulomb shield used in the semiconductor memory device according to the present invention will be described. Figure 3
3A and 3B are diagrams for explaining the principle of Coulomb shielding, and consider a tunnel junction connected to a constant current source I as shown in the equivalent circuit of FIG. FIG. 3B is a characteristic diagram showing the relationship between the accumulated charge Q of the capacitance C of this tunnel junction and the charging energy. Here, the tunnel junction means a junction in which electrons can move with a certain probability. Assuming that the accumulated charge Q of the tunnel junction is 0 in the initial state, as shown in (b) of FIG. 3, the accumulated charge increases as time passes by the constant current source I, and at the same time, the accumulated charge increases. The charging energy Q 2 / 2C of the tunnel junction also increases. When the accumulated charge reaches the point b of 0.5e and tries to exceed it, one electron tunnels, the state moves from the point b to the point c, and the accumulated charge Q accumulated in the tunnel junction is −0.
5e. This is because the tunneling of one electron can reduce the charging energy of the entire system. The value of this accumulated charge Q ± 0.5e is
It is obtained as a point where there is no difference in charging energy before and after one electron tunnels, that is, a critical point where the charging energy is equal before and after the tunnel.

【0022】再び、定電流源Iにより時間の経過と共に
蓄積電荷Qは増大してゆくが、b点に達するまで電子の
トンネルは起こらない。これは蓄積電荷Qが、−0.5
eと0.5eの間では、電子がトンネル接合のどちら方
向にトンネルするにしても、トンネルした後の帯電エネ
ルギがトンネルする前の帯電エネルギよりも増大するの
で、これは自然法則に反し、従ってb点に達するまで電
子のトンネルは起こり得ないのである。すなわち、蓄積
電荷Qが−0.5eと0.5eの間では電子のトンネル
が生じない。この電子のトンネルが禁止されている状態
をクーロン遮蔽という。従って、次の範囲では、電子1
個のトンネルすら完全に禁止されることになる。
Again, the accumulated current Q increases with the passage of time due to the constant current source I, but electron tunneling does not occur until the point b is reached. This means that the accumulated charge Q is -0.5.
Between e and 0.5e, whichever direction the electron tunnels in, the charge energy after tunneling is greater than the charge energy before tunneling, which violates the law of nature and therefore The electron tunnel cannot occur until the point b is reached. That is, no electron tunnel occurs when the accumulated charge Q is between −0.5e and 0.5e. The state in which this electron tunnel is prohibited is called Coulomb shielding. Therefore, in the following range,
Even individual tunnels will be completely banned.

【0023】[0023]

【数1】 [Equation 1]

【0024】勿論、温度が高い時には熱エネルギにより
電子エネルギのゆらぎが生じ、クーロン遮蔽状態が壊れ
るため、電子のトンネルが可能になる。従って、クーロ
ン遮蔽が起こるためには、トンネル接合の容量Cが十分
に小さく、すなわちトンネル接合の帯電エネルギQ2
2Cが熱エネルギよりも大きいことが条件となる。
Of course, when the temperature is high, fluctuations in electron energy occur due to thermal energy, and the Coulomb shielding state is broken, so that electrons can be tunneled. Therefore, for the Coulomb shielding to occur, the capacitance C of the tunnel junction is sufficiently small, that is, the charging energy Q 2 /
The condition is that 2C is larger than thermal energy.

【0025】上述したことは、トンネル接合から見た外
部インピーダンスが無限大の時である。すなわち、上記
(1)式は、図4の(a)に示した場合であり、トンネ
ル前後におけるトンネル接合の蓄積電荷による帯電エネ
ルギを比較することによって得られるクーロン遮蔽の範
囲である。実際の系では外部インピーダンスは有限であ
るため、電子が1個トンネルした後に、電子の再分布が
起こる。外部インピーダンスを容量値Cextで表すこと
にすると、電子1個がトンネルした後にはトンネル接合
の蓄積電荷は図4の(b)に示したように、Q−e・C
/(C+Cext)となる。従って、トンネル前後での帯
電エネルギを比較することによって、クーロン遮蔽の範
囲は次のようになる。
The above is when the external impedance seen from the tunnel junction is infinite. That is, the above equation (1) is the case shown in FIG. 4A, which is the range of Coulomb shielding obtained by comparing the charging energy due to the accumulated charge of the tunnel junction before and after the tunnel. Since the external impedance is finite in an actual system, redistribution of electrons occurs after one electron tunnels. If the external impedance is represented by the capacitance value C ext , after one electron tunnels, the accumulated charge in the tunnel junction is Q−e · C as shown in FIG.
/ (C + C ext ). Therefore, by comparing the charging energies before and after the tunnel, the Coulomb shielding range is as follows.

【0026】[0026]

【数2】 [Equation 2]

【0027】一方、定電圧源につながったトンネル接合
の場合は、外部インピーダンスを0、即ちCext=∞と
考えればよく、従って(2)式よりクーロン遮蔽の範囲
が存在しないので、クーロン遮蔽は起こらないことにな
る。
On the other hand, in the case of a tunnel junction connected to a constant voltage source, the external impedance may be considered to be 0, that is, C ext = ∞, and therefore, the range of Coulomb shielding does not exist from the equation (2), so the Coulomb shielding is It will not happen.

【0028】図5に、このクーロン遮蔽を利用したメモ
リの概念図を示す。図5において、参照符号MTJはト
ンネル接合列を示し、トンネル接合列MTJはN個のト
ンネル接合から構成される。トンネル接合列MTJとゲ
ート容量Cgが直列につながり、トンネル接合列MTJ
とゲート容量Cgの間の電極(この電極を記憶ノードM
Nと称する。)にセンスアンプSAが接続される。な
お、ゲート容量Cgは記憶ノードMNとゲート電極との
間の容量であり、記憶ノードMNに接続された容量Cs
は周辺電極との容量、いわゆる寄生容量である。
FIG. 5 shows a conceptual diagram of a memory using this Coulomb shield. In FIG. 5, reference numeral MTJ indicates a tunnel junction array, and the tunnel junction array MTJ is composed of N tunnel junctions. The tunnel junction string MTJ and the gate capacitance Cg are connected in series to form a tunnel junction string MTJ.
Between the gate and the gate capacitance Cg (this electrode is connected to the storage node M
Call it N. ) Is connected to the sense amplifier SA. The gate capacitance Cg is the capacitance between the storage node MN and the gate electrode, and is the capacitance Cs connected to the storage node MN.
Is the capacitance with the peripheral electrodes, so-called parasitic capacitance.

【0029】以下、このように構成されるクーロン遮蔽
を利用したメモリの動作原理を説明する。なお、この動
作原理は前述したクーロン遮蔽を利用したメモリの実験
的検証例の中で説明された内容を詳述したものである。
1個のトンネル接合の容量をNC、すなわちトンネル接
合列MTJの全体の容量をCとし、記憶ノードMNにつ
ながった1個のトンネル接合からみた外部インピーダン
スをCextとすると次のような関係式が成り立ち、臨界
電荷量Qcを表わす(3)式が得られる。
The operation principle of the memory using the Coulomb shield thus constructed will be described below. The operating principle is a detailed description of the contents described in the experimental verification example of the memory using the Coulomb shielding described above.
The capacity of a single tunnel junction NC, i.e. the total capacity of the tunnel junction sequence MTJ is C, when the external impedance viewed from one tunnel junctions connected to the storage node MN and C ext relational expression as follows The equation (3) representing the critical charge amount Qc is established.

【0030】[0030]

【数3】 [Equation 3]

【0031】ここで、臨界電荷量Qcとは、クーロン遮
蔽を維持できなくなって電子のトンネルが生じるときの
電荷量をいう。即ち、クーロン遮蔽の範囲を臨界電荷量
Qcで表わせば、次のようになる。
Here, the critical charge amount Qc means the charge amount when the Coulomb shielding cannot be maintained and electron tunneling occurs. That is, the range of Coulomb shielding is represented by the critical charge amount Qc as follows.

【0032】[0032]

【数4】 [Equation 4]

【0033】記憶ノードMNにおける電位及び電子数を
それぞれV,n、ゲート電位をVgとすると、電荷ne
に対して次の式が成り立つ。
If the potential and the number of electrons at the storage node MN are V and n, and the gate potential is Vg, the charge ne
The following equation holds for.

【0034】[0034]

【数5】 [Equation 5]

【0035】従って、記憶ノードMNにおける電位Vは
次式で表わされる。
Therefore, the potential V at the storage node MN is expressed by the following equation.

【0036】[0036]

【数6】 [Equation 6]

【0037】この(6)式を記憶ノードMNにおける電
子数nをパラメータにして、記憶ノードにおける電位V
をCg・Vg/eに対してプロットしたものが図6中の
破線である。同図中には(4)式で示されるクーロン遮
蔽の範囲も示してある。クーロン遮蔽の意味するところ
は、クーロン遮蔽の範囲ではゲート電位Vgが変化して
も記憶ノードMNにおける電子数nは変化しないという
ことである。
Using the equation (6) with the number of electrons n in the storage node MN as a parameter, the potential V in the storage node
Is plotted against Cg · Vg / e is a broken line in FIG. In the same figure, the range of Coulomb shielding shown by the equation (4) is also shown. The meaning of Coulomb shielding is that the number of electrons n in the storage node MN does not change even if the gate potential Vg changes in the range of Coulomb shielding.

【0038】今、ゲート電圧Vgを変えた時に、記憶ノ
ードMNにおける電位Vがどのように変化するかを考察
する。ゲート電圧Vgが0ボルトの時に、記憶ノードM
Nの電位Vが0ボルトであったとする(図6中のa
点)。この状態からゲート電圧Vgを増大させていく
と、クーロン遮蔽の範囲内にあるので、電子数nは0の
まま、記憶ノードMNの電位Vは連続的に増加してい
く。b点に達すると電子が1個トンネルし、記憶ノード
MNの電位Vはn=1の破線上のc点となり、電子数n
が1となったままで再びクーロン遮蔽の状態になる。さ
らにゲート電圧Vgを増加してd点に達すると、再び電
子が1個トンネルし、記憶ノードMNの電位Vはn=2
の破線上のe点の状態となる。このe点の状態からゲー
ト電圧Vgを減少させると、クーロン遮蔽の範囲にある
為、電子数nは2のままで変化せずに記憶ノードMNの
電位Vは連続的に減少していく。f点に達すると電子が
1個逆方向にトンネルし、記憶ノードMNの電位Vはn
=1の破線上のg点となる。
Consider now how the potential V at the storage node MN changes when the gate voltage Vg is changed. When the gate voltage Vg is 0 volt, the storage node M
It is assumed that the potential V of N is 0 volt (a in FIG. 6).
point). When the gate voltage Vg is increased from this state, since it is within the Coulomb shielding range, the potential V of the storage node MN continuously increases while the number of electrons n remains 0. When reaching the point b, one electron tunnels, the potential V of the storage node MN becomes the point c on the broken line of n = 1, and the number of electrons n
With 1 remaining 1, the state of shielding Coulomb will be resumed. When the gate voltage Vg is further increased to reach point d, one electron tunnels again and the potential V of the storage node MN is n = 2.
The state becomes the point e on the broken line. When the gate voltage Vg is decreased from the state at the point e, the number V of electrons remains unchanged at 2 and the potential V of the storage node MN continuously decreases because it is within the Coulomb shielding range. When reaching the point f, one electron tunnels in the opposite direction, and the potential V of the storage node MN becomes n.
It is point g on the broken line of = 1.

【0039】以上の結果、周期的にゲート電圧Vgを変
化させると記憶ノードMNの電位Vは図6中に太い実線
で示したように、ヒステリシスを持つことになる。例え
ば、ゲート電圧Vgが0ボルトの時には記憶ノードMN
の電位Vは白丸で示した2つの安定点をとることにな
る。従って、記憶ノードMNにゲート電極が接続された
データ読み取りトランジスタの閾値電圧を、この2つの
安定点の間に設定することにより、記憶ノードMNの電
位が「ハイ(high)」の時にデータ読み取りトラン
ジスタに電流が流れ、一方「ロー(low)」の時には
電流が流れないことになり、データの読み出しが可能に
なる。こうしてクーロン遮蔽を利用したメモリが原理的
に可能である。
As a result, when the gate voltage Vg is changed periodically, the potential V of the storage node MN has a hysteresis as shown by the thick solid line in FIG. For example, when the gate voltage Vg is 0 volt, the storage node MN
Potential V has two stable points indicated by white circles. Therefore, by setting the threshold voltage of the data reading transistor whose gate electrode is connected to the storage node MN between these two stable points, the data reading transistor when the potential of the storage node MN is “high”. A current flows through, while no current flows when it is "low", and data can be read. Thus, a memory using Coulomb shielding is possible in principle.

【0040】この原理からわかるように、記憶ノードM
Nの電位Vがヒステリシスを持つためには、図6に示し
たようにゲート電圧Vgが0ボルトの時に、クーロン遮
蔽の範囲内に少なくとも2つ以上の状態が存在しなけれ
ばならない。具体的に説明すると、(6)式において、
n=−1で、かつ、ゲート電圧が0ボルトの時の値(縦
軸との交点に相当する。)よりも、(3)式から求めら
れる値Qc/Cが大きくなければならない。従って、次
式の条件が成り立たなければならない。
As can be seen from this principle, the storage node M
In order for the potential V of N to have hysteresis, at least two or more states must exist within the Coulomb shielding range when the gate voltage Vg is 0 volt as shown in FIG. More specifically, in equation (6),
The value Qc / C obtained from the equation (3) must be larger than the value (corresponding to the intersection with the vertical axis) when n = −1 and the gate voltage is 0 volt. Therefore, the condition of the following equation must be satisfied.

【0041】[0041]

【数7】 [Equation 7]

【0042】この(7)式が、メモリ動作するための条
件となる。また、実際にこの原理を用いてメモリ動作さ
せる際に最も重要なことは、如何にしてCg+C+Cs
の小さい系を実現するかである。何故ならば、既に、ク
ーロン遮蔽が起こる条件の所で述べたように、このトー
タルの容量Cg+C+Csによって決まる帯電エネルギ
が大きい程、大きい熱エネルギでも動作できることにな
り、従って、クーロン遮蔽を利用したメモリの動作温度
を上げることができるからである。
The expression (7) is a condition for the memory operation. In addition, the most important thing when actually operating the memory using this principle is how Cg + C + Cs
Is to realize a small system. This is because, as already described under the condition where Coulomb shielding occurs, the larger the charging energy determined by the total capacitance Cg + C + Cs, the larger the thermal energy that can be operated. This is because the operating temperature can be raised.

【0043】シリコンを用いてクーロン遮蔽を利用した
メモリを実現する場合、記憶ノードMNの形成法として
は、2つ考えられる。ゲート電極によって基板表面に形
成される反転層を用いる場合と、ゲート電極そのものを
用いる場合である。これらについて、以下説明する。
When a memory using Coulomb shielding is realized by using silicon, there are two possible methods for forming the storage node MN. There are a case of using the inversion layer formed on the substrate surface by the gate electrode and a case of using the gate electrode itself. These will be described below.

【0044】反転層を記憶ノードとして用いる場合の概
念図を図7に示す。図7の(1)は反転層を用いた記憶
ノードの模式的な(a)断面構造図、及び(b)等価回
路図であり、(2)はこの記憶ノードの電位を取り出す
構成を示す(a)断面構造図、及び(b)等価回路図で
ある。ゲート電極22に印加されたゲート電圧Vgよっ
て基板20の表面に形成された反転層23と、拡散層2
1との間がトンネル接合の容量Cになり、反転層23と
ゲート電極22に挾まれた部分がトンネル接合と直列に
つながったゲート容量Cgになる。従って、上記クーロ
ン遮蔽を利用したメモリの動作原理に基づき、ゲート電
極22の直下に形成される反転層23の電位が2つの安
定値をとることになる。この電位を取り出す構成として
は、図7の(2)に示したように拡散層24を介して配
線25により取り出すことができる。この配線25を、
例えば等価回路の破線内に図示したように通常のMOS
のゲート電極につなげば読み出しを行うことができる
が、この方法は配線25を引き回す結果として寄生容量
Csが大きくなるという欠点がある。
FIG. 7 shows a conceptual diagram when the inversion layer is used as a storage node. (1) of FIG. 7 is a schematic (a) cross-sectional structure diagram and (b) equivalent circuit diagram of a storage node using an inversion layer, and (2) shows a configuration for extracting the potential of this storage node ( 3A is a cross-sectional structure diagram, and FIG. 3B is an equivalent circuit diagram. The inversion layer 23 formed on the surface of the substrate 20 by the gate voltage Vg applied to the gate electrode 22 and the diffusion layer 2
The area between 1 and 1 becomes the capacity C of the tunnel junction, and the portion sandwiched between the inversion layer 23 and the gate electrode 22 becomes the capacity Cg of the tunnel junction connected in series. Therefore, based on the operating principle of the memory using the Coulomb shield, the potential of the inversion layer 23 formed immediately below the gate electrode 22 has two stable values. As a structure for taking out this potential, it can be taken out by the wiring 25 via the diffusion layer 24 as shown in FIG. 7B. This wiring 25
For example, as shown in the broken line of the equivalent circuit, a normal MOS
Data can be read out by connecting to the gate electrode of, but this method has a drawback that the parasitic capacitance Cs becomes large as a result of routing the wiring 25.

【0045】また、反転層を記憶ノードとして用いる場
合の別の概念図を図8に示す。図8の(a)は模式的な
断面構造図であり、(b)はその等価回路図である。ゲ
ート電極に印加されたゲート電圧によって形成された反
転層を記憶ノードとして使う場合、トンネル接合を図7
に示した拡散層21の代わりに、図8の(a)に示すよ
うに第1ゲート電極32に印加されたゲート電圧Vg1
によって基板30の表面に形成された反転層34を用い
ることができる。この場合、第1ゲート電極32と第2
ゲート電極33のそれぞれのゲート電圧Vg1,Vg2
によって形成される反転層34,35との間がトンネル
接合の容量Cとなり、反転層35と第2ゲート電極33
に挾まれた部分がトンネル接合と直列につながったゲー
ト容量Cgとなる。従って、この場合は図7に示した構
成よりもトンネル接合の容量Cを小さくできる。記憶ノ
ードからの読み出しは図7の(2)の場合と同様に行う
ので、配線を引き回す結果、寄生容量Csは同程度であ
る。
FIG. 8 shows another conceptual diagram when the inversion layer is used as a storage node. 8A is a schematic cross-sectional structure diagram, and FIG. 8B is an equivalent circuit diagram thereof. When the inversion layer formed by the gate voltage applied to the gate electrode is used as a storage node, the tunnel junction is formed as shown in FIG.
Instead of the diffusion layer 21 shown in FIG. 8, the gate voltage Vg1 applied to the first gate electrode 32 as shown in FIG.
The inversion layer 34 formed on the surface of the substrate 30 can be used. In this case, the first gate electrode 32 and the second gate electrode 32
Respective gate voltages Vg1 and Vg2 of the gate electrode 33
The capacitance C of the tunnel junction is formed between the inversion layers 34 and 35 formed by the inversion layer 35 and the second gate electrode 33.
The portion sandwiched between the two becomes the gate capacitance Cg connected in series with the tunnel junction. Therefore, in this case, the capacitance C of the tunnel junction can be made smaller than that of the configuration shown in FIG. Since the reading from the storage node is performed in the same manner as in the case of (2) in FIG. 7, as a result of routing the wiring, the parasitic capacitance Cs is about the same.

【0046】これに対して、ゲート電極そのものを記憶
ノードとして用いる場合、すなわち本発明に係る半導体
記憶装置の場合の具体的な断面構造図及び鳥瞰図を図1
の(a),(b)に示し、その等価回路を図2に示す。
図1の(a)に示すように、シリコン基板1上に、第1
のゲート酸化膜2を介した第1電極3と、この第1電極
3の側壁に互いに酸化膜5,7によって絶縁されたゲー
ト電極6,8と、更に、ゲート電極8の側壁に厚い酸化
膜9を介して第2電極10が形成されている。この複数
の電極のうち少なくとも記憶ノードとなる電極8に対し
て(この図の場合は電極8と電極6に対して)、図1の
(b)に示すように自己整合的にソース・ドレイン拡散
層11が形成されている。尚、図1の(b)ではソース
だけが示され、ドレインは紙面に対して奥側に有るけれ
ども示されていない。また、紙面上で第1電極3の左側
面にも同様に酸化膜7,9と、ゲート電極6,8と、第
2電極10と、拡散層11とが存在するが省略してあ
る。酸化膜5,7の厚さはトンネルが可能な厚さであ
り、酸化膜5,7及び電極3,6,8により、図2の等
価回路で示したトンネル接合列MTJを構成する。第2
電極10とゲート電極8との間でゲート容量Cgを構成
し、このゲート容量Cgはトンネル接合列MTJの容量
Cとゲート電極8を介して直列接続された状態となる。
この結果、上記クーロン遮蔽を利用したメモリの動作原
理に基づき、記憶ノードMNを構成するゲート電極8の
電位は、2つの安定値をとることになる。しかも、ゲー
ト電極8を読み出し用MOSトランジスタQ1のゲート
電極として用いているので、読み出しはトランジスタQ
1のソース・ドレインの端子R2−R1間を流れる電流を
センスすれば良い。このように、読み出し用トランジス
タのゲート電極そのものを記憶ノードとして用いるの
で、記憶ノードから読み出し用トランジスタのゲートへ
の配線を引き回す必要が無くなり、上記の反転層を記憶
ノードとして用いる場合に比べて寄生容量Csをはるか
に小さくできる。
On the other hand, when the gate electrode itself is used as a memory node, that is, in the case of the semiconductor memory device according to the present invention, a concrete sectional structure view and a bird's-eye view are shown in FIG.
(A) and (b), and its equivalent circuit is shown in FIG.
As shown in FIG. 1A, a first substrate is formed on the silicon substrate 1.
The first electrode 3 via the gate oxide film 2, the gate electrodes 6 and 8 insulated from each other on the side wall of the first electrode 3 by the oxide films 5 and 7, and the thick oxide film on the side wall of the gate electrode 8. The second electrode 10 is formed via 9. Source / drain diffusion is self-aligned as shown in FIG. 1B with respect to at least the electrode 8 serving as a storage node (with respect to the electrode 8 and the electrode 6 in this figure) among the plurality of electrodes. The layer 11 is formed. In FIG. 1B, only the source is shown, and the drain is not shown although it is on the back side with respect to the paper surface. Similarly, the oxide films 7 and 9, the gate electrodes 6 and 8, the second electrode 10 and the diffusion layer 11 are also present on the left side surface of the first electrode 3 on the paper, but they are omitted. The thickness of the oxide films 5 and 7 is such that tunneling is possible, and the oxide films 5 and 7 and the electrodes 3, 6 and 8 form the tunnel junction array MTJ shown in the equivalent circuit of FIG. Second
A gate capacitance Cg is formed between the electrode 10 and the gate electrode 8, and the gate capacitance Cg is connected in series with the capacitance C of the tunnel junction array MTJ via the gate electrode 8.
As a result, the potential of the gate electrode 8 forming the storage node MN takes two stable values based on the operation principle of the memory using the Coulomb shielding. Moreover, since the gate electrode 8 is used as the gate electrode of the read MOS transistor Q 1 , the read operation is performed by the transistor Q.
The current flowing between the terminals R 2 and R 1 of the source / drain 1 may be sensed. Since the gate electrode of the read transistor itself is used as the storage node in this way, it is not necessary to route the wiring from the storage node to the gate of the read transistor, and the parasitic capacitance is higher than that when the inversion layer is used as the storage node. Cs can be made much smaller.

【0047】また、実際に図1の構成のゲート電極を記
憶ノードとして用いる場合の室温動作の条件を考える
と、最も大きな容量は、明らかにトンネル接合列MTJ
であり、これがメモリの動作温度を決定する。トンネル
酸化膜5,7の厚さを3nmとし、トンネル接合の帯電
エネルギが室温の熱エネルギよりも大きくなる為のトン
ネル接合の対向面積Sを計算すると、Sは300平方ナ
ノメータ以下となる。勿論、この必要とされるトンネル
接合の面積は酸化膜の厚さによって変わるが、酸化膜の
薄膜化の限界を考慮しても1000平方ナノメータ以下
であることが必要である。
Considering the conditions of room temperature operation when the gate electrode having the configuration of FIG. 1 is actually used as a storage node, the largest capacitance is obviously the tunnel junction array MTJ.
Which determines the operating temperature of the memory. When the tunnel oxide films 5 and 7 have a thickness of 3 nm and the facing area S of the tunnel junction for the charging energy of the tunnel junction to be larger than the thermal energy at room temperature, S is 300 square nanometers or less. Of course, the required area of the tunnel junction varies depending on the thickness of the oxide film, but it must be 1000 square nanometers or less in consideration of the limit of thinning the oxide film.

【0048】[0048]

【実施例】以下、本発明に係る半導体記憶装置及びその
製造方法の実施例につき、図面を用いて詳細に説明す
る。
Embodiments of a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0049】<実施例1>図9乃至図12を用いて、本
発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法の一実施例
について説明する。図9および図10は、クーロン遮蔽
を利用した記憶ノードとして読み出し用MOSトランジ
スタのゲート電極を用いる、本発明に係る半導体記憶装
置の製造方法を主要工程順に示す断面図であり、図11
及び図12は図10の次の工程を順に示す平面図及び断
面図である。
<Embodiment 1> An embodiment of a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10 are cross-sectional views showing, in the order of main steps, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, which uses a gate electrode of a read MOS transistor as a memory node utilizing Coulomb shielding.
12A and 12B are a plan view and a cross-sectional view showing the next step of FIG. 10 in order.

【0050】図9の(a)において、参照符号1はp型
シリコン基板を示し、p型シリコン基板1は一例として
比抵抗が10Ω・cmのものを用いる。このp型シリコ
ン基板1に対して通常のLOCOS法を用いて素子分離
領域(不図示)を形成した後、850℃,30分のウエ
ット酸化法により厚さ10nmの酸化膜2を形成して、
図9の(a)に示す構造を得る。
In FIG. 9A, reference numeral 1 indicates a p-type silicon substrate, and the p-type silicon substrate 1 has a specific resistance of 10 Ω · cm as an example. An element isolation region (not shown) is formed on the p-type silicon substrate 1 by using a normal LOCOS method, and then an oxide film 2 having a thickness of 10 nm is formed by a wet oxidation method at 850 ° C. for 30 minutes.
The structure shown in FIG. 9A is obtained.

【0051】次に、多結晶シリコン3を通常のCVD法
により50nm堆積後、875℃,20分間のリンの拡
散を行う。さらに、シリコン酸化膜4をCVD法により
50nm堆積して、図9の(b)に示す構造となる。
Next, polycrystalline silicon 3 is deposited to a thickness of 50 nm by an ordinary CVD method, and phosphorus is diffused at 875 ° C. for 20 minutes. Further, a silicon oxide film 4 is deposited to a thickness of 50 nm by the CVD method to obtain the structure shown in FIG.

【0052】その後、写真蝕刻法と異方性ドライエッチ
ングによりシリコン酸化膜4を加工し、このシリコン酸
化膜4をマスクにして多結晶シリコン3をエッチングす
ることにより、図9の(c)に示す構造となる。この多
結晶シリコン3すなわち第1電極は、後述する書き込み
用電極として機能する。
After that, the silicon oxide film 4 is processed by photolithography and anisotropic dry etching, and the polycrystalline silicon 3 is etched by using the silicon oxide film 4 as a mask, as shown in FIG. 9C. It becomes a structure. The polycrystalline silicon 3, that is, the first electrode functions as a writing electrode described later.

【0053】次いで、図9の(d)に示すように、水蒸
気雰囲気中で850℃,5分の熱酸化膜形成工程を経
て、絶縁膜として厚さ3nmの酸化膜5を形成する。こ
の酸化膜5は、その厚さ故にトンネル酸化膜として機能
する。勿論、この絶縁膜はシリコン酸化膜5以外の絶縁
膜、例えば、シリコン窒化膜等でも構わない。
Next, as shown in FIG. 9D, a 3 nm thick oxide film 5 is formed as an insulating film through a thermal oxide film forming step at 850 ° C. for 5 minutes in a steam atmosphere. This oxide film 5 functions as a tunnel oxide film because of its thickness. Of course, this insulating film may be an insulating film other than the silicon oxide film 5, such as a silicon nitride film.

【0054】更に、図9の(e)に示すように、酸化膜
5の上に厚さ50nmの多結晶シリコン6をCVD法に
より堆積し、875℃,20分間のリンの拡散を行う。
次いで、図9の(f)に示すように、多結晶シリコン6
を異方性ドライエッチして側壁にのみシリコン膜6を残
す。この側壁シリコン膜6は、ゲート電極として機能す
る。また、厚さ3nmの酸化膜5を挾んだ第1電極3と
ゲート電極6によりトンネル接合が形成される。
Further, as shown in FIG. 9E, polycrystalline silicon 6 having a thickness of 50 nm is deposited on the oxide film 5 by the CVD method, and phosphorus is diffused at 875 ° C. for 20 minutes.
Then, as shown in FIG.
Is anisotropically dry-etched to leave the silicon film 6 only on the side wall. This sidewall silicon film 6 functions as a gate electrode. Further, a tunnel junction is formed by the first electrode 3 and the gate electrode 6 sandwiching the oxide film 5 having a thickness of 3 nm.

【0055】次いで、図10の(a)に示すように、再
び水蒸気雰囲気中で850℃,5分の熱酸化膜形成工程
を経ることにより、絶縁膜として厚さ3nmの酸化膜7
を形成する。この酸化膜7もその厚さ故に酸化膜5と同
様にトンネル酸化膜として機能する。勿論、この絶縁膜
はシリコン酸化膜以外の絶縁膜、例えばシリコン窒化膜
等でも構わない。
Next, as shown in FIG. 10A, a thermal oxide film forming step of 850 ° C. for 5 minutes is performed again in a steam atmosphere to form an oxide film 7 having a thickness of 3 nm as an insulating film.
To form. Due to its thickness, this oxide film 7 also functions as a tunnel oxide film like the oxide film 5. Of course, this insulating film may be an insulating film other than the silicon oxide film, such as a silicon nitride film.

【0056】更に、酸化膜7の上に厚さ50nmの多結
晶シリコン8をCVD法により堆積し、875℃,20
分間のリンの拡散を行った後、この多結晶シリコン8を
異方性ドライエッチし、図10の(b)に示すように、
側壁にのみ多結晶シリコン8を残す。この側壁シリコン
膜8も、ゲート電極として機能する。従って、厚さ3n
mの酸化膜7を挾んだゲート電極6とゲート電極8によ
ってもトンネル接合が形成される。この結果、トンネル
酸化膜5,7によって互いに絶縁される直列接続された
電極3、6、8はトンネル接合列MTJを形成すること
になる。尚、図示はしないが、図10の(a)のトンネ
ル酸化膜形成工程と図10の(b)の側壁ゲート電極形
成工程とを順に所要回数繰り返して、トンネル接合列を
増やしても良い。その場合には、リーク電流が減少する
という効果がある。
Further, a polycrystalline silicon 8 having a thickness of 50 nm is deposited on the oxide film 7 by the CVD method, and the temperature is set to 875 ° C. for 20 minutes.
After the phosphorus is diffused for a minute, the polycrystalline silicon 8 is anisotropically dry-etched, and as shown in FIG.
The polycrystalline silicon 8 is left only on the side wall. This sidewall silicon film 8 also functions as a gate electrode. Therefore, thickness 3n
A tunnel junction is also formed by the gate electrode 6 and the gate electrode 8 sandwiching the oxide film 7 of m. As a result, the serially connected electrodes 3, 6 and 8 insulated from each other by the tunnel oxide films 5 and 7 form a tunnel junction array MTJ. Although not shown, the tunnel oxide film forming process of FIG. 10A and the sidewall gate electrode forming process of FIG. 10B may be sequentially repeated a required number of times to increase the number of tunnel junction rows. In that case, there is an effect that the leak current is reduced.

【0057】次に、図10の(c)に示すように、水蒸
気雰囲気中で850℃,20分の熱酸化膜形成工程を経
ることにより、絶縁膜として厚さ8nmの酸化膜9を形
成する。この酸化膜9は、十分に厚いので電子のトンネ
ルは許されない。勿論、この絶縁膜はシリコン酸化膜以
外、例えばシリコン窒化膜等でも構わない。
Next, as shown in FIG. 10C, an oxide film 9 having a thickness of 8 nm is formed as an insulating film by going through a thermal oxide film forming step at 850 ° C. for 20 minutes in a water vapor atmosphere. . This oxide film 9 is thick enough that electron tunneling is not allowed. Of course, this insulating film may be a silicon nitride film or the like other than the silicon oxide film.

【0058】更に、図10の(d)に示すように、酸化
膜9上に厚さ50nmの多結晶シリコン10をCVD法
により堆積し、875℃,20分間のリンの拡散を行
う。
Further, as shown in FIG. 10D, polycrystalline silicon 10 having a thickness of 50 nm is deposited on the oxide film 9 by the CVD method, and phosphorus is diffused at 875 ° C. for 20 minutes.

【0059】続いて、厚さ1.5μmのレジストを用い
た写真蝕刻法により、多結晶シリコン10をドライエッ
チングし、第2電極を形成する。この時レジストはまだ
除去しない。さらに、レジスト付きの多結晶シリコン1
0をマスク(不図示)に酸化膜9を8nm異方性ドライ
エッチングする。さらにそのままレジストをマスクに多
結晶シリコン8を50nmエッチングし、次に、酸化膜
7を3nm異方性ドライエッチングする。さらに多結晶
シリコン6を50nmエッチングし、レジストをアッシ
ャにより除去後、800℃、10分の熱酸化を行い、図
11に示したように、20keVで砒素イオン14を、
例えば3×1015個/cm2打ち込む。勿論、これらのn
型不純物領域はリンイオンを用いて形成しても構わな
い。尚、図11の(a)において参照符号12はLOC
OS法で形成した素子分離領域すなわち素子分離酸化膜
を示し、図11の(b)は同図の(a)中にAA’線で
示した部分の断面構造図である。
Subsequently, the polycrystalline silicon 10 is dry-etched by a photo-etching method using a resist having a thickness of 1.5 μm to form a second electrode. At this time, the resist is not removed yet. Furthermore, polycrystalline silicon with resist 1
Using 0 as a mask (not shown), the oxide film 9 is anisotropically dry-etched by 8 nm. Further, using the resist as it is, the polycrystalline silicon 8 is etched by 50 nm, and then the oxide film 7 is anisotropically dry-etched by 3 nm. Further, the polycrystalline silicon 6 is etched by 50 nm, the resist is removed by an asher, and thermal oxidation is performed at 800 ° C. for 10 minutes. As shown in FIG. 11, the arsenic ions 14 are removed at 20 keV.
For example, 3 × 10 15 pieces / cm 2 is implanted. Of course, these n
The type impurity region may be formed by using phosphorus ions. In FIG. 11A, reference numeral 12 is LOC.
11B shows an element isolation region formed by the OS method, that is, an element isolation oxide film, and FIG. 11B is a sectional structural view of a portion taken along line AA ′ in FIG. 11A.

【0060】こうして、図12に示すようにゲート電極
6,8に対して自己整合的に、ソース・ドレイン領域1
1が形成される。ゲート電極8が記憶ノードになる。さ
らに窒素雰囲気中で800℃,10分のアニール工程を
行い、図12の(b)に示す構造が得られる。なお、図1
2の(b)は、同図の(a)の平面図中にBB’線で示
した部分の断面構造図である。また、図12の(a)で
は、ソース・ドレイン領域11上の酸化膜2,5を省略
して透視した形で図示してある。
Thus, as shown in FIG. 12, the source / drain regions 1 are self-aligned with the gate electrodes 6 and 8.
1 is formed. The gate electrode 8 becomes a storage node. Further, an annealing process at 800 ° C. for 10 minutes is performed in a nitrogen atmosphere to obtain the structure shown in FIG. Note that FIG.
2B is a cross-sectional structural view of a portion indicated by a line BB ′ in the plan view of FIG. Further, in FIG. 12A, the oxide films 2 and 5 on the source / drain regions 11 are omitted and are shown in a see-through form.

【0061】その後、200nmの厚さにPSG(Phosp
horous Silicate Glass)膜等のシリコン酸化膜をLPC
VD法により堆積して層間絶縁膜とし、更に写真蝕刻法
と異方性ドライエッチングによりコンタクトホールを開
口し、アルミニウム等の金属を蒸着後、写真蝕刻法によ
り配線パターン等を形成すれば、集積化された半導体記
憶装置を得ることができる。
Then, the PSG (Phosp
LPC for silicon oxide film such as horous Silicate Glass)
If an interlayer insulating film is deposited by the VD method, a contact hole is further opened by the photo-etching method and anisotropic dry etching, a metal such as aluminum is vapor-deposited, and then a wiring pattern or the like is formed by the photo-etching method for integration. The semiconductor memory device can be obtained.

【0062】本実施例においては、電極3,6,8は直
列につながったトンネル接合列MTJを形成し、電極
8,10はトンネル接合列と直列につながったゲート容
量Cgを形成する。等価回路を示せば、図2の通りであ
る。図2の等価回路おいて、ゲート容量Cg側の端子W
すなわち第2電極10を接地し、トンネル接合列の容量
C側の端子W’すなわち第1電極3に対して電子のトン
ネルが生じる電圧を印加し、0Vに戻せば電子がトンネ
ル接合列にトンネルして記憶ノードMNはハイとなり、
端子W−W’間に逆の電圧を印加すれば逆方向にトンネ
ルが生じて記憶ノードMNはローとなる。従って、記憶
ノードMNのハイかローに応じてMOSトランジスタQ
1がオン状態かオフ状態となっているので、端子R1−R
2間に流れる電流を検出すれば記憶ノードMNの状態を
知ることができる。すなわち、メモリセルとして動作可
能である。
In this embodiment, the electrodes 3, 6, 8 form a tunnel junction string MTJ connected in series, and the electrodes 8, 10 form a gate capacitance Cg connected in series with the tunnel junction string. The equivalent circuit is shown in FIG. In the equivalent circuit of FIG. 2, the terminal W on the gate capacitance Cg side
That is, the second electrode 10 is grounded, a voltage that causes electron tunneling is applied to the terminal W ′ on the side of the capacitance C of the tunnel junction array, that is, the first electrode 3, and if the voltage is returned to 0 V, the electrons tunnel to the tunnel junction array. Storage node MN goes high,
If a reverse voltage is applied between the terminals W and W ', a tunnel occurs in the reverse direction and the storage node MN becomes low. Therefore, depending on whether the storage node MN is high or low, the MOS transistor Q
Since 1 is on or off, terminals R 1 -R
The state of the storage node MN can be known by detecting the current flowing between the two . That is, it can operate as a memory cell.

【0063】作用の項でも説明したように、本発明に係
る半導体記憶装置の特徴は、側壁膜形成技術を利用する
ことによって、クーロン遮蔽を利用した半導体記憶装置
の記憶ノードを読み出し用MOSトランジスタのゲート
電極で構成した点にある。この結果、従来例のように記
憶ノードの電極を引き回す必要が無くなり、記憶ノード
の容量を極めて小さくすることができ、液体窒素による
77Kの温度での動作は勿論、室温での動作も十分に可
能である。また、こうしたクーロン遮蔽を利用した半導
体記憶装置は、電子1個の注入を制御することになるの
で、所謂既存のDRAM等を微細化していった時に問題
となる、統計的な電子の数の揺らぎを抑えることが可能
であり、極めて微細な寸法での低電圧動作、例えば0.
1Vでの動作が可能である。
As described in the operation section, the feature of the semiconductor memory device according to the present invention is that the storage node of the semiconductor memory device utilizing Coulomb shielding is used as the read MOS transistor by utilizing the sidewall film forming technique. The point is that it is composed of a gate electrode. As a result, there is no need to lay out the electrodes of the storage node as in the conventional example, the capacity of the storage node can be made extremely small, and it is possible to operate not only at the temperature of 77K by liquid nitrogen but also at room temperature. Is. Further, since the semiconductor memory device using such Coulomb shielding controls the injection of one electron, a statistical fluctuation of the number of electrons, which is a problem when miniaturizing a so-called existing DRAM or the like, is caused. Can be suppressed, and low voltage operation with extremely fine dimensions, for example, 0.
Operation at 1V is possible.

【0064】本実施例においては、p型基板を用いて説
明したが、すべての極性を変えればn型基板を用いたp
チャネルMOSFETによるクーロン遮蔽を利用したメ
モリを実現できることは言うまでもない。
In this embodiment, the p-type substrate is used for explanation, but if all polarities are changed, the p-type substrate is used.
It goes without saying that it is possible to realize a memory using Coulomb shielding by the channel MOSFET.

【0065】<実施例2>図13乃至図15を用いて、
本発明に係る半導体記憶装置の別の実施例について説明
する。図13乃至図15は、実施例1に示した半導体記
憶装置をメモリアレイのメモリセルとして使用する場合
の実施例を説明するための図である。
<Embodiment 2> Referring to FIGS. 13 to 15,
Another embodiment of the semiconductor memory device according to the present invention will be described. 13 to 15 are views for explaining an embodiment in which the semiconductor memory device shown in the embodiment 1 is used as a memory cell of a memory array.

【0066】ところで、実施例1のクーロン遮蔽を利用
した半導体記憶装置をメモリアレイとして用いる際には
注意すべき点がある。作用の項でも説明したように、記
憶ノードMNがハイの時には読み出し用MOSトランジ
スタQ1が常にオン状態になっている。一般に、記憶ア
レイの中では、複数の記憶ノードがハイになっており、
これらは電流が流れる状態になっている。こうした際
に、読み出し線によって、あるオフ状態のメモリセルを
読み取ろうとした時に、複数のオン状態のメモリセルを
介して閉じたループが形成され、オフ状態であるはずの
メモリセルがオン状態であるかのように読み出される可
能性がある。この理由から、読み出し線に別のスイッチ
ングトランジスタを入れて、記憶ノードMNがオン状態
でも、メモリセル全体としてはオフ状態で電流が流れて
いないようにする必要がある。
By the way, there is a point to be noted when the semiconductor memory device using the Coulomb shield of the first embodiment is used as a memory array. As described in the operation section, when the storage node MN is high, the read MOS transistor Q 1 is always on. Generally, in a storage array, multiple storage nodes are high,
These are in a state where current flows. In such a case, when an attempt is made to read a memory cell in an off state by the read line, a closed loop is formed through a plurality of memory cells in the on state, and the memory cell that should be in the off state is in the on state. It may be read as if. For this reason, it is necessary to insert another switching transistor in the read line so that even if the storage node MN is in the on state, the entire memory cell is in the off state and no current flows.

【0067】図13は、読み出し線に別のスイッチング
トランジスタが入ったメモリセルの説明図であり、
(a)は素子の平面図、(b)は平面図中にAA’線で
示した部分の断面図、(c)は平面図中にBB’線で示
した部分の断面図である。また、図14はメモリセルの
等価回路図である。読み出し用MOSトランジスタQ1
と直列につながった別のスイッチング用MOSトランジ
スタQ2のゲート電極10’は、MOSトランジスタQ1
の第2電極10を形成する際に同時に加工すれば良い。
尚、図13では第1電極3を共通にする2つのメモリセ
ルMC1,MC2が表示されているが、図14の等価回
路では1つのメモリセルについて示してある。これは実
施例1の製造工程からわかるように、1つのメモリセル
を形成しようとした時には、同時に2つのメモリセルが
形成されるからである。図14の等価回路に示すよう
に、メモリセルのMOSトランジスタQ1のソースを接
地し、ゲート容量Cg側端子およびトンネル接合列MT
J側端子をそれぞれ書き込み用端子WおよびW’とし、
トランジスタQ2のゲート電極側端子およびトランジス
タQ2のドレイン側端子をそれぞれ読み出し用端子Rお
よびR’とする。従って、図13に示したように、Wは
第2電極10、共通端子W’は第1電極3、Rはゲート
電極10’にそれぞれ相当する。
FIG. 13 is an explanatory diagram of a memory cell in which another switching transistor is included in the read line,
(A) is a plan view of the device, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by a line AA ′ in the plan view, and (c) is a cross-sectional view of a portion indicated by a line BB ′ in the plan view. 14 is an equivalent circuit diagram of the memory cell. Read MOS transistor Q 1
And another gate electrode 10 of the switching MOS transistor Q 2 to which led to series' is, MOS transistor Q 1
It may be processed at the same time when the second electrode 10 is formed.
Although two memory cells MC1 and MC2 having the first electrode 3 in common are shown in FIG. 13, one memory cell is shown in the equivalent circuit of FIG. This is because, as can be seen from the manufacturing process of the first embodiment, when one memory cell is to be formed, two memory cells are simultaneously formed. As shown in the equivalent circuit of FIG. 14, the source of the MOS transistor Q 1 of the memory cell is grounded, the gate capacitance Cg side terminal and the tunnel junction column MT are connected.
The J-side terminals are the writing terminals W and W ',
The drain terminal of the gate electrode side terminal and the transistor Q 2 of the transistor Q 2 respectively and terminals R and R 'for reading. Therefore, as shown in FIG. 13, W corresponds to the second electrode 10, the common terminal W ′ corresponds to the first electrode 3, and R corresponds to the gate electrode 10 ′.

【0068】次に、このように構成されたメモリセルM
C1,MC2の動作について説明する。先ず、メモリセ
ルMC1にデータを書き込む場合について、図13およ
び図15を用いて説明する。メモリセルMC1の記憶ノ
ードMNに、ハイ(“1”)およびロー(“0”)を書
き込むには、書き込み用端子W1とW’間に与える電圧
パルスを図15に示すように印加する。すなわち、ハイ
を書き込む時には端子W1にロー、書き込み用共通端子
W’にハイを与えた後、共にローにする。これにより、
第1電極3側からゲート電極8側へ電子のトンネルが生
じて電子はクーロン遮蔽される。尚、このとき図13の
(a)に示したメモリセルMC2に書き込みが生じない
ように、メモリセルMC2の端子W2には共通端子W’
と同じ電圧パルスを印加する。また、読み出し用端子R
1,R2,R1’,R2’はローレベルに保持する。
Next, the memory cell M having the above structure
The operation of C1 and MC2 will be described. First, the case of writing data to the memory cell MC1 will be described with reference to FIGS. To write high (“1”) and low (“0”) to the storage node MN of the memory cell MC1, a voltage pulse applied between the write terminals W 1 and W ′ is applied as shown in FIG. That is, when writing high, the terminal W 1 is set low, and the common write terminal W ′ is set high, and then both are set low. This allows
Electrons are tunneled from the first electrode 3 side to the gate electrode 8 side, and the electrons are Coulomb-shielded. At this time, the common terminal W ′ is connected to the terminal W 2 of the memory cell MC2 so that writing does not occur in the memory cell MC2 shown in FIG.
Apply the same voltage pulse as. In addition, the read terminal R
1 , R 2 , R 1 ′ and R 2 ′ are kept at low level.

【0069】同様にローを書き込む時には、書き込み用
端子W1にハイ、共通端子W’にローを与えた後、共に
ローにする。これにより、ゲート電極8側からゲート電
極3側へ逆方向の電子のトンネルが生じる。尚、このと
きメモリセルMC2に書き込みが生じないように、メモ
リセルMC2の端子W2、読み出し用端子R1,R2
1’,R2’は全てローレベルに保持する。
Similarly, when writing a low, the write terminal W 1 is set high and the common terminal W ′ is set low, and then both are set low. This causes an electron tunnel in the opposite direction from the gate electrode 8 side to the gate electrode 3 side. At this time, the terminal W 2 of the memory cell MC2 and the read terminals R 1 and R 2 , so that writing does not occur in the memory cell MC2.
R 1 'and R 2 ' are all kept at low level.

【0070】書き込まれたハイ,ロー状態の読み出し
は、読み出し用端子RおよびR’とを選択し、電流セン
スを行えばよい。例えば、メモリセルMC1の記憶ノー
ドMNの状態を読み出すには、端子R1にハイを与え端
子R1’にて記憶ノードMNの状態に応じて流れる電流
を検出すればよい。尚、メモリセルMC2の端子R2
2’は共にローに保持しておく。
To read the written high and low states, it is sufficient to select the read terminals R and R ′ and perform current sensing. For example, To read the state of the memory node MN of the memory cell MC1, may be detected current flowing depending on the state of the memory node MN at terminal R 1 'giving high to terminal R 1. The terminal R 2 of the memory cell MC2,
Both R 2 'is kept low.

【0071】また、対になるメモリセルMC1,MC2
は、図13に示した構造から分かるように、書き込み用
共通端子W’すなわち第1電極3がそれぞれのドレイン
・ソース拡散層11上にゲート酸化膜2,5を介してま
たがっているため、寄生のMOSトランジスタを構成す
る。しかし、上述した書き込み及び読み出し動作におけ
る電位関係を保持することにより、寄生MOSトランジ
スタは動作しない。
Further, memory cells MC1 and MC2 which form a pair
As can be seen from the structure shown in FIG. 13, since the write common terminal W ′, that is, the first electrode 3 extends over the drain / source diffusion layers 11 via the gate oxide films 2 and 5, the parasitic Of the MOS transistor. However, the parasitic MOS transistor does not operate by holding the potential relationship in the write and read operations described above.

【0072】従って、本発明に係るメモリセルを用い、
アレイ状に配置してメモリアレイを構成すれば、所望の
記憶容量を得ることができる。なお、本実施例では、メ
モリセルMC1,MC2を別々に動作させたが、書き込
み用端子W1,W2及び読み出し用端子R1,R2
1’,R2’をそれぞれ接続して、メモルセルMC1,
MC2を1つのメモリセルとして用いてもよいことは言
うまでもない。その場合、メモリセルの駆動能力が向上
する。或いは、イオン打込みによりドレイン・ソース層
11を形成する際に、メモリセルMC2側部分をマスク
してイオン打込み層を形成しないようにして、1つのメ
モリセルMC1だけにしてもよい。
Therefore, using the memory cell according to the present invention,
By arranging them in an array to form a memory array, a desired storage capacity can be obtained. Although the memory cells MC1 and MC2 are operated separately in this embodiment, the write terminals W 1 and W 2 and the read terminals R 1 and R 2 ,
R 1 'and R 2 ' are connected to each other, and the memory cell MC1,
It goes without saying that MC2 may be used as one memory cell. In that case, the driving capability of the memory cell is improved. Alternatively, when the drain / source layer 11 is formed by ion implantation, the memory cell MC2 side portion may be masked so that the ion implantation layer is not formed, and only one memory cell MC1 may be formed.

【0073】<実施例3>図16乃至図22を用いて、
本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法のまた別
の実施例について説明する。図16は、クーロン遮蔽を
利用した記憶ノードとして読み出し用MOSトランジス
タのゲート電極を用いる、本発明に係る半導体記憶装置
の製造方法を主要工程順に示す断面構造図であり、図1
7乃至図22は図16の次の工程を順に示す断面構造図
および平面図である。尚、実施例1で図9乃至図12に
示した構成部分と同一の構成部分については同一の参照
符号を付して以下説明する。
<Third Embodiment> With reference to FIGS. 16 to 22,
Another embodiment of the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. 16A to 16C are cross-sectional structural views showing, in the order of main steps, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention in which the gate electrode of a read MOS transistor is used as a memory node utilizing Coulomb shielding.
7 to 22 are a sectional structural view and a plan view sequentially showing the next step of FIG. The same components as those shown in FIGS. 9 to 12 in the first embodiment are designated by the same reference numerals and described below.

【0074】図16の(a)に示すように、比抵抗10
Ω・cmのp型シリコン基板1に対して、通常のLOC
OS法を用いて素子分離領域(不図示)を形成した後、
850℃,30分のウエット酸化法により10nmのゲ
ート酸化膜2を形成する。
As shown in FIG. 16A, the specific resistance 10
Normal LOC for p-type silicon substrate 1 of Ω · cm
After forming an element isolation region (not shown) using the OS method,
A gate oxide film 2 of 10 nm is formed by a wet oxidation method at 850 ° C. for 30 minutes.

【0075】次に、ゲート酸化膜2の上に多結晶シリコ
ン3を、例えばCVD法により50nm堆積後、875
℃,20分間のリンの拡散を行う。さらに、シリコン酸
化膜4をCVD法により50nm堆積して、図16の
(b)に示す構造となる。
Next, polycrystal silicon 3 is deposited on the gate oxide film 2 to a thickness of 50 nm by, for example, the CVD method, and then 875
Diffusion of phosphorus is performed at 20 ° C. for 20 minutes. Further, a silicon oxide film 4 is deposited to a thickness of 50 nm by the CVD method to obtain the structure shown in FIG.

【0076】その後、写真蝕刻法と異方性ドライエッチ
ングによりシリコン酸化膜4を加工し、このシリコン酸
化膜4をマスクに多結晶シリコン3をエッチングするこ
とにより、図16の(c)に示す構造となる。尚、この
とき並んだ多結晶シリコン3間のパターン間隔xは、後
述する側壁多結晶シリコン6に形成した側壁の酸化膜5
同志が接続しない距離とする。室温で十分に動作するた
めには容量を大きくできないので、間隔xは0.1μm
以下が好ましい。
After that, the silicon oxide film 4 is processed by photolithography and anisotropic dry etching, and the polycrystalline silicon 3 is etched by using the silicon oxide film 4 as a mask, whereby the structure shown in FIG. Becomes The pattern interval x between the aligned polycrystalline silicon layers 3 is determined by the sidewall oxide film 5 formed on the sidewall polycrystalline silicon layer 6 which will be described later.
The distance that the comrades do not connect is assumed. Since the capacity cannot be made large enough to operate at room temperature sufficiently, the interval x is 0.1 μm.
The following are preferred.

【0077】次いで、図16の(d)に示すように、再
び水蒸気雰囲気中で850℃、5分の熱酸化膜形成工程
を経て、絶縁膜として厚さ3nmの酸化膜5を形成す
る。この酸化膜5は、その厚さ故にトンネル酸化膜とし
て機能する。勿論、この絶縁膜はシリコン酸化膜以外の
絶縁膜、例えばシリコン窒化膜等でも構わない。
Then, as shown in FIG. 16D, a thermal oxide film forming step of 850 ° C. for 5 minutes is performed again in a steam atmosphere to form an oxide film 5 having a thickness of 3 nm as an insulating film. This oxide film 5 functions as a tunnel oxide film because of its thickness. Of course, this insulating film may be an insulating film other than the silicon oxide film, such as a silicon nitride film.

【0078】更に、厚さ50nmの側壁多結晶シリコン
膜6を形成し、写真蝕刻法と異方性ドライエッチングに
より多結晶シリコン膜6を加工し、図17に示すような
構造となる。ここで、図17の(a)はこのときの平面
図であり、側壁多結晶シリコン膜6を非常に狭い領域に
のみ形成していることが分かる。尚、参照符号12は素
子分離領域、すなわちLOCOS法で形成した素子分離
酸化膜であり、図17の(b)は図17の(a)にA
A’線で示した部分の断面図である。
Further, a side wall polycrystalline silicon film 6 having a thickness of 50 nm is formed, and the polycrystalline silicon film 6 is processed by photolithography and anisotropic dry etching to obtain a structure as shown in FIG. Here, FIG. 17A is a plan view at this time, and it can be seen that the sidewall polycrystalline silicon film 6 is formed only in a very narrow region. Incidentally, reference numeral 12 is an element isolation region, that is, an element isolation oxide film formed by the LOCOS method, and FIG. 17B shows A in FIG.
It is sectional drawing of the part shown by the A'line.

【0079】次いで、水蒸気雰囲気中で850℃,5分
の熱酸化膜形成工程を経て、絶縁膜として厚さ3nmの
酸化膜7を形成して図18に示す構造となる。この酸化
膜7も酸化膜5と同様にトンネル酸化膜として機能す
る。勿論、この絶縁膜はシリコン酸化膜以外、例えばシ
リコン窒化膜等でも構わない。
Next, a thermal oxide film forming step at 850 ° C. for 5 minutes in a water vapor atmosphere is performed to form an oxide film 7 having a thickness of 3 nm as an insulating film to obtain the structure shown in FIG. This oxide film 7 also functions as a tunnel oxide film like the oxide film 5. Of course, this insulating film may be a silicon nitride film or the like other than the silicon oxide film.

【0080】更に、酸化膜7の上に厚さ50nmの多結
晶シリコン8をCVD法により堆積し、875℃,20
分間のリンの拡散を行った後、所謂エッチバックプロセ
スにより並んだ多結晶シリコン3の間の溝に多結晶シリ
コン8を埋め込み、次いで厚さ1.5μmのレジストを
用いた写真蝕刻法及びドライエッチングにより多結晶シ
リコン8を加工して、図19の(b)に示すような断面
構造となる。次いで、同図に示すように、20keVで
砒素イオン14を、例えば3×1015個/cm2打ち込む。
勿論、これらのn型不純物領域はリンイオンを用いて形
成しても構わない。このn型不純物領域が読み出し用M
OSトランジスタQ1のソース・ドレイン拡散層にな
る。尚、図19の(b)は図19の(a)にAA’線で
示した部分の断面図である。
Further, polycrystal silicon 8 having a thickness of 50 nm is deposited on the oxide film 7 by the CVD method, and the temperature is set to 875.degree.
After phosphorus is diffused for one minute, polycrystalline silicon 8 is buried in the grooves between the polycrystalline silicon 3 arranged by a so-called etch back process, and then a photolithography method and a dry etching method using a resist having a thickness of 1.5 μm. Thus, the polycrystalline silicon 8 is processed to obtain a sectional structure as shown in FIG. Next, as shown in the same figure, arsenic ions 14 are implanted at 20 keV, for example, 3 × 10 15 ions / cm 2 .
Of course, these n-type impurity regions may be formed by using phosphorus ions. This n-type impurity region is for reading M
It becomes the source / drain diffusion layer of the OS transistor Q 1 . Incidentally, FIG. 19B is a sectional view of a portion taken along the line AA ′ in FIG.

【0081】次いで、850℃,10分の窒素雰囲気中
でのアニールを行うことにより、図20に示すように、
ゲート電極8に対して自己整合的にソース・ドレイン領
域11が形成される。なお、図20の(a)では、ソー
ス・ドレイン領域11上の酸化膜2,5,7を省略して
透視した形で図示してある。
Then, by annealing in a nitrogen atmosphere at 850 ° C. for 10 minutes, as shown in FIG.
Source / drain regions 11 are formed in self-alignment with the gate electrode 8. In FIG. 20A, the oxide films 2, 5 and 7 on the source / drain regions 11 are omitted and are shown in a see-through form.

【0082】更に、水蒸気雰囲気中で850℃、5分の
熱酸化膜形成工程を経て、図21に示すように、絶縁膜
として厚さ8nmの酸化膜9を形成する。この酸化膜9
は、十分に厚いので電子のトンネルは許されない。勿
論、この絶縁膜はシリコン酸化膜以外のシリコン窒化膜
等でも構わない。
Further, through a thermal oxide film forming step at 850 ° C. for 5 minutes in a steam atmosphere, an oxide film 9 having a thickness of 8 nm is formed as an insulating film as shown in FIG. This oxide film 9
Is thick enough that electron tunnels are not allowed. Of course, this insulating film may be a silicon nitride film other than the silicon oxide film.

【0083】次に、酸化膜9上に多結晶シリコン10を
CVD法により50nm堆積した後、875℃,20分
間のリンの拡散を行い、厚さ1.5μmのレジストを用
いた写真蝕刻法により、多結晶シリコン10をドライエ
ッチングして、図22に示すように、並んだ多結晶シリ
コン3の間の溝に埋め込まれた多結晶シリコン8上を覆
うように第2電極となる多結晶シリコン10を形成す
る。尚、図22の(a)は平面図、(b)は図22の
(a)にAA’線で示した部分の断面図である。
Next, after depositing 50 nm of polycrystalline silicon 10 on the oxide film 9 by the CVD method, phosphorus is diffused at 875 ° C. for 20 minutes, and a photolithography method using a resist having a thickness of 1.5 μm is used. 22, the polycrystalline silicon 10 is dry-etched to form a second electrode so as to cover the polycrystalline silicon 8 embedded in the groove between the aligned polycrystalline silicon 3 as shown in FIG. To form. 22A is a plan view, and FIG. 22B is a cross-sectional view of the portion indicated by the line AA ′ in FIG.

【0084】その後、200nmの厚さにPSG膜等の
シリコン酸化膜をLPCVD法により堆積して層間絶縁
膜とし、更に写真蝕刻法と異方性ドライエッチングによ
りコンタクトホールを開口し、アルミニウム等の金属を
蒸着後、写真蝕刻法により配線パターン等を形成すれ
ば、集積化された半導体記憶装置を得ることができる。
Then, a silicon oxide film such as a PSG film having a thickness of 200 nm is deposited by the LPCVD method to form an interlayer insulating film, and a contact hole is opened by the photoetching method and anisotropic dry etching, and a metal such as aluminum is used. After the vapor deposition, a wiring pattern or the like is formed by a photo-etching method, whereby an integrated semiconductor memory device can be obtained.

【0085】実施例1との違いは、並んだゲート電極3
すなわち第1電極間の狭いスペース部にトンネル接合列
MTJを形成している点にあり、実施例1に示した構造
よりもトンネル接合列MTJの容量Cを更に小さくでき
るので、クーロン遮蔽を利用したメモリの室温動作がよ
り一層容易となる。
The difference from the first embodiment is that the gate electrodes 3 are arranged side by side.
That is, the tunnel junction array MTJ is formed in the narrow space between the first electrodes, and the capacitance C of the tunnel junction array MTJ can be made smaller than that of the structure shown in the first embodiment. Therefore, Coulomb shielding is used. Room temperature operation of the memory becomes even easier.

【0086】また、本実施例においては、p型基板を用
いて説明したが、すべての極性を変えればn型基板を用
いたpチャネルMOSFETによるクーロン遮蔽を利用
したメモリを実現できることは言うまでもない。
Further, although the present embodiment has been described using the p-type substrate, it goes without saying that a memory utilizing Coulomb shielding by a p-channel MOSFET using an n-type substrate can be realized if all polarities are changed.

【0087】<実施例4>図23乃至図29を用いて、
本発明に係る半導体記憶装置及びその製造方法の更に別
の実施例について説明する。図23乃至図29は、クー
ロン遮蔽を利用した記憶ノードとして読み出し用MOS
トランジスタのゲート電極を用いる、本発明に係る半導
体記憶装置の製造方法を主要工程順に示す平面図及び断
面図である。尚、各断面図(b)はそれぞれの平面図
(a)に示したAA’線で示した部分の断面である。ま
た、実施例1で図9乃至図12に示した構成部分と同一
の構成部分については同一の参照符号を付して説明す
る。ここで、図23に示した構造を得るまでの製造方法
は、実施例1において図9の(a)から図10の(b)
までの製造方法と同じであるので、それ以降のプロセス
について述べる。
<Embodiment 4> Referring to FIGS. 23 to 29,
Still another embodiment of the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. 23 to 29 show a read MOS as a storage node utilizing Coulomb shielding.
6A to 6C are a plan view and a cross-sectional view showing, in the order of main steps, a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention using a gate electrode of a transistor. Incidentally, each sectional view (b) is a sectional view taken along the line AA ′ shown in each plan view (a). Further, the same components as those shown in FIGS. 9 to 12 in the first embodiment will be described with the same reference numerals. Here, the manufacturing method for obtaining the structure shown in FIG. 23 is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 9A to FIG.
Since it is the same as the manufacturing method up to this point, the subsequent process will be described.

【0088】図10の(b)に示した状態から、厚さ
1.5μmのレジスト13を塗布し、露光・現像処理を
行って、図23の(a)に示したようなレジスト13の
パターンを得る。
From the state shown in FIG. 10B, a resist 13 having a thickness of 1.5 μm is applied, exposed and developed, and the pattern of the resist 13 as shown in FIG. To get

【0089】次に、このレジスト13をマスクに側壁シ
リコン膜8をエッチング加工して、図24に示すよう
に、素子分離領域12に囲まれた領域内のレジスト13
に覆われていない部分のトンネル酸化膜7が露出した状
態となる。
Next, the sidewall silicon film 8 is etched by using the resist 13 as a mask to form the resist 13 in the region surrounded by the element isolation regions 12 as shown in FIG.
The tunnel oxide film 7 in a portion not covered with the mask is exposed.

【0090】さらに、レジスト13をそのままマスクに
してトンネル酸化膜7をエッチング加工し、図25に示
すように、レジスト13に覆われていない部分はトンネ
ル酸化膜5及び側壁シリコン膜6が露出した状態とす
る。
Further, the tunnel oxide film 7 is etched using the resist 13 as a mask as it is, and as shown in FIG. 25, the tunnel oxide film 5 and the sidewall silicon film 6 are exposed in a portion not covered with the resist 13. And

【0091】その後、レジスト13をそのままマスクに
側壁シリコン膜6をエッチング加工して、図26に示す
ように、素子分離領域12に囲まれた領域内はトンネル
酸化膜5だけが露出した状態にする。次いで、20ke
Vで砒素イオン14を、例えば3×1015個/cm2打ち
込み、レジスト13に覆われた側壁ゲート電極6,8に
対して自己整合的にn型の不純物領域(不図示)を形成
する。勿論、これらのn型不純物領域はリンイオンを用
いて形成しても構わない。このn型不純物領域が、読み
出し用MOSトランジスタのソース・ドレインになる。
After that, the sidewall silicon film 6 is etched using the resist 13 as a mask as it is, so that only the tunnel oxide film 5 is exposed in the region surrounded by the element isolation regions 12, as shown in FIG. . Then 20 ke
Arsenic ions 14 are implanted at V by, for example, 3 × 10 15 ions / cm 2 to form n-type impurity regions (not shown) in a self-aligned manner with the sidewall gate electrodes 6 and 8 covered with the resist 13. Of course, these n-type impurity regions may be formed by using phosphorus ions. The n-type impurity region serves as the source / drain of the read MOS transistor.

【0092】次に、レジスト13を除去して、図27に
示すように、レジスト13で覆われていたトンネル酸化
膜7および側壁シリコン膜8を露出した状態にする。そ
の後、850℃、10分の窒素雰囲気中でのアニール工
程を経て、LPCVD法により、酸化膜9をCVD法に
より10nm堆積して、図28に示すように酸化膜9で
覆う。
Next, the resist 13 is removed so that the tunnel oxide film 7 and the sidewall silicon film 8 covered with the resist 13 are exposed as shown in FIG. After that, through an annealing step in a nitrogen atmosphere at 850 ° C. for 10 minutes, an oxide film 9 is deposited to a thickness of 10 nm by the CVD method by the LPCVD method and covered with the oxide film 9 as shown in FIG.

【0093】続いて、LPCVD法により、多結晶シリ
コン膜10を50nm堆積して、厚さ1.5μmのレジ
ストを用いた写真蝕刻法により、多結晶シリコン10を
エッチング加工して第2電極を形成し、図29に示す構
造を得る。尚、図29の(c)は同図の(a)にBB’
線で示した部分の断面図である。記憶ノードとなるゲー
ト電極を構成する側壁シリコン膜8に対して自己整合的
に読み出し用MOSトランジスタのソース・ドレイン1
1が形成されていることが分かる。
Then, a polycrystalline silicon film 10 is deposited to a thickness of 50 nm by the LPCVD method, and the polycrystalline silicon 10 is etched by the photoetching method using a resist having a thickness of 1.5 μm to form a second electrode. Then, the structure shown in FIG. 29 is obtained. Incidentally, FIG. 29 (c) shows BB ′ in FIG. 29 (a).
It is sectional drawing of the part shown by the line. Source / drain 1 of a read MOS transistor in a self-aligned manner with respect to a sidewall silicon film 8 which constitutes a gate electrode to be a storage node.
It can be seen that 1 is formed.

【0094】読み出し用MOSトランジスタのゲート電
極形成を、実施例1の場合は、必要な膜をすべて堆積し
た後に、それらを上から順にエッチングしていくため、
エッチングの選択比が十分に無い場合には、基板1が削
られるなどして加工が困難となる可能性がある。これに
対して本実施例の場合、2つ目の側壁シリコン膜8を形
成後に読み出し用MOSトランジスタのゲート電極6,
8のエッチングを行っているため、実施例1の場合に比
べてドライエッチの材料による選択比が十分で無い場合
にも有効な製造方法である。
In the case of forming the gate electrode of the read MOS transistor in the case of the first embodiment, after all the necessary films are deposited, they are sequentially etched from the top.
If the etching selection ratio is not sufficient, the substrate 1 may be scraped and the processing may become difficult. On the other hand, in the case of this embodiment, the gate electrodes 6 of the read MOS transistor 6 are formed after the second sidewall silicon film 8 is formed.
Since the etching of No. 8 is performed, the manufacturing method is effective even when the selection ratio of the dry etching material is not sufficient as compared with the case of the first embodiment.

【0095】本実施例においても、p型基板を用いて説
明したが、すべての極性を変えればn型基板を用いたp
チャネルMOSFETによるクーロン遮蔽を利用したメ
モリを実現できることは言うまでもない。
Also in this embodiment, the p-type substrate is used for description, but if all polarities are changed, the p-type substrate is used.
It goes without saying that it is possible to realize a memory using Coulomb shielding by the channel MOSFET.

【0096】以上、本発明に係る半導体記憶装置及びそ
の製造方法について、好適な実施例を説明したが、本発
明は前記実施例に限定されること無く、例えば、読み出
し用MOSトランジスタの代わりに他のゲート絶縁物で
構成したMISトランジスタを使用することもでき、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更
をなし得ることは勿論である。
Although the preferred embodiments of the semiconductor memory device and the method of manufacturing the same according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, a read MOS transistor may be used instead. It is needless to say that it is also possible to use the MIS transistor constituted by the gate insulator of the above, and various design changes can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0097】[0097]

【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明によれば、クーロン遮蔽現象を利用したメモリにお
いて、シリコンLSIプロセスを用いてゲート容量C
g、トンネル接合列MTJの容量C、及び寄生容量Cs
を小さく形成し、しかも読み出し用MOSトランジスタ
のゲート電極そのものを記憶ノードとすることによっ
て、従来のクーロン遮蔽現象を利用したメモリの動作温
度が僅か30mKであるのに対して、本発明に係るクー
ロン遮蔽現象を利用した半導体メモリでは、液体窒素に
よる77Kの温度での動作は勿論、室温でも十分動作す
ることができる。
As is apparent from the above-mentioned embodiments, according to the present invention, in the memory utilizing the Coulomb shielding phenomenon, the gate capacitance C is obtained by using the silicon LSI process.
g, the capacitance C of the tunnel junction array MTJ, and the parasitic capacitance Cs
By using the gate electrode itself of the read MOS transistor as a storage node, the operating temperature of the memory using the conventional Coulomb shielding phenomenon is only 30 mK, while the Coulomb shielding according to the present invention is small. The semiconductor memory utilizing the phenomenon can operate not only at a temperature of 77K by liquid nitrogen but also at room temperature.

【0098】従って、従来よりもコスト及び使い易さの
点で優れた、リフレッシュが不要な、室温でしかも低電
圧で動作可能なクーロン遮蔽現象を利用した半導体メモ
リを実現することができる。
Therefore, it is possible to realize a semiconductor memory utilizing the Coulomb shielding phenomenon which is excellent in cost and ease of use as compared with the prior art and which does not require refreshing and which can be operated at room temperature and low voltage.

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

【図1】本発明に係る半導体記憶措置の一実施例を示す
図であり、(a)は断面図、(b)は鳥瞰図である。
1A and 1B are diagrams showing an embodiment of a semiconductor memory device according to the present invention, in which FIG. 1A is a sectional view and FIG. 1B is a bird's eye view.

【図2】図1に示した本発明に係る半導体記憶装置の等
価回路図である。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor memory device according to the present invention shown in FIG.

【図3】クーロン遮蔽の原理を説明する図であり、
(a)はトンネル接合に定電流源を接続した等価回路
図、(b)はトンネル接合容量の蓄積電荷と帯電エネル
ギの関係を示す特性線図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the principle of Coulomb shielding,
(A) is an equivalent circuit diagram in which a constant current source is connected to the tunnel junction, and (b) is a characteristic diagram showing a relationship between accumulated charge of the tunnel junction capacitance and charging energy.

【図4】クーロン遮蔽に対する外部インピーダンスの影
響を説明する図であり、(a)は外部インピーダンスが
無限大の場合のトンネル前後の蓄積電荷とクーロン遮蔽
の範囲を示し、(b)は外部インピーダンスが有限の場
合のトンネル前後の蓄積電荷とクーロン遮蔽の範囲を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the influence of external impedance on Coulomb shielding, where (a) shows the accumulated charge before and after the tunnel and the range of Coulomb shielding when the external impedance is infinite, and (b) shows the external impedance. FIG. 6 is a diagram showing accumulated charges before and after a tunnel and a range of Coulomb shielding in a finite case.

【図5】クーロン遮蔽を利用したメモリを説明するため
の概念図である。
FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining a memory using Coulomb shielding.

【図6】クーロン遮蔽を利用したメモリの動作原理を説
明する図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an operating principle of a memory using Coulomb shielding.

【図7】クーロン遮蔽を利用したメモリの記憶ノードに
反転層を用いる概念図であり、(1)はメモリセルの模
式的な(a)断面構造図及び(b)等価回路図、(2)
は記憶ノードの電位を取り出す構成を示す(a)断面構
造図及び(b)等価回路図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram in which an inversion layer is used for a storage node of a memory using Coulomb shielding, (1) is a schematic (a) cross-sectional structural diagram and (b) equivalent circuit diagram of a memory cell, and (2).
3A is a cross-sectional structure diagram and FIG. 2B is an equivalent circuit diagram showing a configuration for extracting a potential of a storage node.

【図8】クーロン遮蔽を利用したメモリの記憶ノードに
反転層を用いる別の概念図であり、(a)断面構造図及
び(b)等価回路図である。
8A and 8B are another conceptual diagram in which an inversion layer is used for a storage node of a memory using Coulomb shielding, and FIG. 8A is a sectional structural view and FIG. 8B is an equivalent circuit diagram.

【図9】図1に示した本発明に係る半導体記憶装置の製
造方法の一実施例を示す図であり、主要工程順に示す断
面図である。
9A to 9C are cross-sectional views showing an embodiment of the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the present invention shown in FIG.

【図10】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
9に示した工程の次の主要工程を順に示す断面図であ
る。
10A to 10D are cross-sectional views sequentially showing main steps subsequent to the step shown in FIG. 9 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図11】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
10に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 11 is a diagram for explaining the next step of the step shown in FIG. 10 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図12】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
11に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にBB’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 11 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by the line BB 'in the plan view.

【図13】本発明に係る半導体記憶装置の別の実施例を
示す図であり、(a)は平面図、(b)は平面図中にA
A’線で示した部分の断面図、(c)は平面図中にB
B’線で示した部分の断面図である。
13A and 13B are views showing another embodiment of the semiconductor memory device according to the present invention, in which FIG. 13A is a plan view and FIG.
A sectional view taken along the line A ', (c) is a plan view showing B
It is sectional drawing of the part shown by the B'line.

【図14】図13に示したメモリセルの等価回路図であ
る。
FIG. 14 is an equivalent circuit diagram of the memory cell shown in FIG.

【図15】図13に示したメモリセルのデータ書き込み
動作を説明するための電圧波形図である。
15 is a voltage waveform diagram for explaining a data write operation of the memory cell shown in FIG.

【図16】本発明に係る半導体記憶装置のまた別の実施
例を示す図であり、(a)〜(d)は主要製造工程順に
示した断面図である。
FIG. 16 is a diagram showing yet another embodiment of the semiconductor memory device according to the present invention, in which (a) to (d) are cross-sectional views shown in the order of main manufacturing steps.

【図17】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
16に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 16 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図18】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
17に示した工程の次の工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 18 is a cross-sectional view for explaining the next step of the step shown in FIG. 17 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図19】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
18に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 19 is a diagram for explaining the next step of the step shown in FIG. 18 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図20】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
19に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にBB’線で示した
部分の断面図である。
20 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 19 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by the line BB 'in the plan view.

【図21】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
20に示した工程の次の工程を説明するための断面図で
ある。
FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining the next step of the step shown in FIG. 20 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図22】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
21に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
22 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 21 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図23】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の更
に別の実施例を示す図であり、図10の(b)に示した
工程の次の工程を示す(a)平面図、及び平面図中にA
A’線で示した部分の(b)断面図である。
23A and 23B are diagrams showing still another embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, in which FIG. 10A is a plan view showing a step subsequent to the step shown in FIG. A in the figure
It is a (b) sectional view of the portion shown by the A'line.

【図24】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
23に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
24 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 23 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図25】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
24に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
25 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 24 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図26】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
25に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 26 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 25 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図27】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
26に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 27 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 26 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図28】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
27に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図である。
FIG. 28 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 27 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by line AA 'in the plan view.

【図29】本発明に係る半導体記憶装置の製造方法の図
28に示した工程の次の工程を説明する図であり、
(a)は平面図、(b)は平面図中にAA’線で示した
部分の断面図、(c)は平面図中にBB’線で示した部
分の断面図である。
29 is a diagram illustrating the next step of the step shown in FIG. 28 of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention,
(A) is a plan view, (b) is a cross-sectional view of a portion indicated by a line AA ′ in the plan view, and (c) is a cross-sectional view of a portion indicated by a line BB ′ in the plan view.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 …シリコン基板 2 …シリコン酸化膜 3 …多結晶シリコン(第1電極) 4 …シリコン酸化膜 5 …シリコン酸化膜(トンネル酸化膜) 6 …多結晶シリコン 7 …シリコン酸化膜(トンネル酸化膜) 8 …多結晶シリコン 9 …シリコン酸化膜 10 …多結晶シリコン(第2電極) 10’…多結晶シリコン 11 …不純物拡散領域 12 …素子分離領域(素子分離酸化膜) 13 …レジスト 14 …砒素イオン C …トンネル接合列の容量 Cg …ゲート容量 Cs …寄生容量 MC1…メモリセル MC2…メモリセル MN …記憶ノード Q1 …読み出し用MOSトランジスタ Q2 …スイッチング用MOSトランジスタ1 ... Silicon substrate 2 ... Silicon oxide film 3 ... Polycrystalline silicon (first electrode) 4 ... Silicon oxide film 5 ... Silicon oxide film (tunnel oxide film) 6 ... Polycrystalline silicon 7 ... Silicon oxide film (tunnel oxide film) 8 ... Polycrystalline silicon 9 ... Silicon oxide film 10 ... Polycrystalline silicon (second electrode) 10 '... Polycrystalline silicon 11 ... Impurity diffusion region 12 ... Element isolation region (element isolation oxide film) 13 ... Resist 14 ... Arsenic ion C ... capacity Cg ... gate capacitance Cs ... parasitic capacitance MC1 ... memory cell MC2 ... memory cell MN ... storage node Q 1 ... MOS transistor Q 2 ... switching MOS transistor for reading tunnel junction sequence

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも1個のトンネル接合を含むトン
ネル接合列と、該トンネル接合列と直列接続される容量
と、この容量とトンネル接合列との接続部を記憶ノード
とする半導体記憶装置において、第1導電型の半導体基
板上に絶縁膜を介して形成される第1電極と、第1電極
に対して絶縁膜を介して直列接続されると共に互いに絶
縁膜によって絶縁される複数の電極と、該複数の電極と
絶縁膜を介して接続される第2電極とから構成される前
記トンネル接合列および前記容量を有し、かつ、前記複
数の電極の中の少なくとも記憶ノードとなる電極に対し
て自己整合的に前記半導体基板内に形成した一対の第2
導電型の不純物層により構成する読み出し用トランジス
タを有することを特徴とする半導体記憶装置。
1. A semiconductor memory device comprising: a tunnel junction string including at least one tunnel junction; a capacitor connected in series with the tunnel junction string; and a connection node between the capacitor and the tunnel junction string as a storage node. A first electrode formed on the first conductivity type semiconductor substrate via an insulating film, and a plurality of electrodes connected in series to the first electrode via the insulating film and insulated from each other by the insulating film, With respect to an electrode which has the tunnel junction array and the capacitance formed of the plurality of electrodes and a second electrode connected through an insulating film, and which is at least a storage node among the plurality of electrodes. A pair of second members formed in the semiconductor substrate in a self-aligned manner
A semiconductor memory device having a read transistor formed of a conductive type impurity layer.
【請求項2】前記複数の電極を介して前記第1電極と第
2電極間に存在する複数の絶縁膜は、少なくとも1つは
電子の量子力学的なトンネルが可能な厚さの絶縁膜であ
り、少なくとも1つは電子の量子力学的なトンネルが不
可能な厚さの絶縁膜である請求項1に記載の半導体記憶
装置。
2. The plurality of insulating films existing between the first electrode and the second electrode via the plurality of electrodes are at least one insulating film having a thickness capable of quantum mechanical tunneling of electrons. 2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein at least one is an insulating film having a thickness that does not allow quantum mechanical tunneling of electrons.
【請求項3】前記複数の電極は第1電極の側壁側に位置
すると共に、前記複数の電極を互いに絶縁する絶縁膜は
各電極に形成した側壁絶縁膜である請求項1または請求
項2に記載の半導体記憶装置。
3. The electrode according to claim 1, wherein the plurality of electrodes are located on a side wall side of the first electrode, and the insulating film for insulating the plurality of electrodes from each other is a side wall insulating film formed on each electrode. The semiconductor memory device described.
【請求項4】前記第1電極と前記複数の電極のそれぞれ
対向する電極の面積が、多くとも1000平方ナノメー
タである請求項1〜請求項3のいずれか一に記載の半導
体記憶装置。
4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the areas of the electrodes facing each other of the first electrode and the plurality of electrodes are at most 1000 square nanometers.
【請求項5】前記記憶ノードとなる電極の持つ容量によ
って決まる帯電エネルギが、温度で決まる熱エネルギよ
りも大きい請求項1〜請求項4のいずれか一に記載の半
導体記憶装置。
5. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the charging energy determined by the capacitance of the electrode serving as the storage node is larger than the thermal energy determined by the temperature.
【請求項6】前記第1及び第2電極間に与える電位に対
して、前記複数の電極の中の記憶ノードとなる電極の電
位がヒステリシスを有する請求項1〜請求項5のいずれ
か一に記載の半導体記憶装置。
6. The electric potential of an electrode which is a storage node among the plurality of electrodes has a hysteresis with respect to the electric potential applied between the first and second electrodes. The semiconductor memory device described.
【請求項7】前記第1及び第2電極間に与える電位によ
って、前記複数の電極の中の記憶ノードとなる電極の電
位が2つの安定値を有する請求項1〜請求項6のいずれ
か一に記載の半導体記憶装置。
7. The electric potential of an electrode serving as a storage node among the plurality of electrodes has two stable values according to the electric potential applied between the first and second electrodes. The semiconductor memory device according to 1.
【請求項8】前記読み出し用トランジスタの閾値電圧
は、前記記憶ノードとなる電極の取りうる2つの安定電
位の間の電圧値である請求項7に記載の半導体記憶装
置。
8. The semiconductor memory device according to claim 7, wherein the threshold voltage of the read transistor is a voltage value between two stable potentials that can be taken by the electrode serving as the storage node.
【請求項9】前記読み出し用トランジスタの電流をオン
/オフするスイッチングトランジスタが、前記読み出し
用トランジスタと直列に接続されてなる請求項1〜請求
項8のいずれか一に記載の半導体記憶装置。
9. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein a switching transistor that turns on / off a current of the reading transistor is connected in series with the reading transistor.
【請求項10】請求項1〜請求項9に記載のいずれか一
の半導体記憶装置をアレイ状に配置してなるメモリーア
レイ。
10. A memory array in which any one of the semiconductor memory devices according to claim 1 is arranged in an array.
【請求項11】素子分離酸化膜を含む第1導電型の半導
体基板表面にゲート酸化膜を形成する工程1と、ゲート
酸化膜上に第1の導電膜を形成する工程2と、第1の導
電膜上に絶縁膜を形成する工程3と、第1の導電膜及び
絶縁膜をパターニングして該絶縁膜を上部表面に有する
第1電極を形成する工程4と、電子のトンネル可能な厚
さの第1の絶縁膜を表面に形成する工程5と、第1の絶
縁膜を介して第2の導電膜を第1電極の側壁に形成する
工程6と、電子のトンネル可能な厚さの第2の絶縁膜を
表面に形成する工程7と、更に工程7で形成した第2の
絶縁膜を介して第1電極の側壁側に第3の導電膜を形成
する工程8と、前記工程7及び工程8を順に所要回数繰
り返した後に電子のトンネルが不可能な厚さの第3の絶
縁膜を表面に形成する工程9と、第2電極となる第4の
導電膜を表面に形成する工程10と、前記工程10,工
程9,工程8,工程7,及び工程6で形成した絶縁膜と
導電膜を所要個所を残して除去する工程11と、第2導
電型の不純物を第1導電型の半導体基板中に前記所要個
所に対して自己整合的に形成する工程12と、を有する
ことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
11. A step 1 of forming a gate oxide film on a surface of a first conductivity type semiconductor substrate including an element isolation oxide film, a step 2 of forming a first conductive film on the gate oxide film, and a first step. Step 3 of forming an insulating film on the conductive film, Step 4 of patterning the first conductive film and the insulating film to form a first electrode having the insulating film on the upper surface, and a thickness capable of tunneling electrons. Of forming a first insulating film on the surface, forming a second conductive film on the side wall of the first electrode via the first insulating film, and Step 7 of forming the second insulating film on the surface, Step 8 of further forming a third conductive film on the side wall side of the first electrode via the second insulating film formed in Step 7, and Step 7 and After repeating Step 8 in sequence for the required number of times, a third insulating film having a thickness that prevents electron tunneling is formed on the surface. And the step 10 of forming a fourth conductive film to be the second electrode on the surface, and the insulating film and the conductive film formed in the above step 10, step 9, step 8, step 7, and step 6. A semiconductor comprising: a step 11 of removing the remaining portion and a step 12 of forming an impurity of the second conductivity type in the semiconductor substrate of the first conductivity type in a self-aligned manner with respect to the required portion. Storage device manufacturing method.
【請求項12】素子分離酸化膜を含む第1導電型の半導
体基板表面にゲート酸化膜を形成する工程1と、ゲート
酸化膜上に第1の導電膜を形成する工程2と、第1の導
電膜上に絶縁膜を形成する工程3と、第1の導電膜及び
絶縁膜をパターニングして該絶縁膜を上部表面に有する
第1電極を形成する工程4と、電子のトンネル可能な厚
さの第1の絶縁膜を表面に形成する工程5と、第1の絶
縁膜を介して第2の導電膜を第1電極の側壁に形成する
工程6と、電子のトンネル可能な厚さの第2の絶縁膜を
表面に形成する工程7と、更に工程7で形成した第2の
絶縁膜を介して第1電極の側壁側に第3の導電膜を形成
する工程8と、前記工程7及び工程8を順に所要回数繰
り返した後に所要個所にレジストパターンを形成する工
程9と、工程9で形成したレジストパターンをマスクに
前記工程8,工程7,及び工程6で形成した導電膜及び
絶縁膜を除去する工程10と、第2導電型の不純物を第
1導電型の半導体基板中に前記レジストパターンをマス
クに前記所要個所に対して自己整合的に形成する工程1
1と、前記レジストパターンを除去後表面に電子のトン
ネルが不可能な厚さの第3の絶縁膜を形成する工程12
と、更に第4の導電膜を表面に形成する工程13と、工
程13で形成した第4の導電膜をパターニングして第2
電極を形成する工程14と、を有することを特徴とする
半導体記憶装置の製造方法。
12. A step 1 of forming a gate oxide film on a surface of a first conductivity type semiconductor substrate including an element isolation oxide film, a step 2 of forming a first conductive film on the gate oxide film, and a first step. Step 3 of forming an insulating film on the conductive film, Step 4 of patterning the first conductive film and the insulating film to form a first electrode having the insulating film on the upper surface, and a thickness capable of tunneling electrons. Of forming a first insulating film on the surface, forming a second conductive film on the side wall of the first electrode via the first insulating film, and Step 7 of forming the second insulating film on the surface, Step 8 of further forming a third conductive film on the side wall side of the first electrode via the second insulating film formed in Step 7, and Step 7 and After repeating step 8 in sequence for a required number of times, a step 9 of forming a resist pattern at a required portion, and a step 9 of Step 10 of removing the conductive film and the insulating film formed in steps 8, 7 and 6 by using the formed resist pattern as a mask, and the second conductivity type impurities in the first conductivity type semiconductor substrate Step 1 of forming a pattern in a mask in a self-aligned manner with respect to the required portion
1 and the step 12 of forming a third insulating film having a thickness that prevents electron tunneling after removing the resist pattern.
And step 13 of forming a fourth conductive film on the surface, and patterning the fourth conductive film formed in step 13 to form a second conductive film.
And a step 14 of forming an electrode.
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