JPS58108768A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPS58108768A
JPS58108768A JP56185460A JP18546081A JPS58108768A JP S58108768 A JPS58108768 A JP S58108768A JP 56185460 A JP56185460 A JP 56185460A JP 18546081 A JP18546081 A JP 18546081A JP S58108768 A JPS58108768 A JP S58108768A
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npn
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Kazuhiro Toyoda
豊田 和博
Chikau Ono
大野 誓
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    • H01L27/0203Particular design considerations for integrated circuits
    • H01L27/0214Particular design considerations for integrated circuits for internal polarisation, e.g. I2L
    • H01L27/0229Particular design considerations for integrated circuits for internal polarisation, e.g. I2L of bipolar structures
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (1)発明の技術分野 本発明は半導体記憶装置に関し、特にPNPN )ラン
ジスタで構成されたバイポーラスタティックメモリセル
を1するRAM (ランダム・アクセス・メモリ)にお
いてセルのNPN )ランジスタの’tlLk増巾率f
’ fji制御することによ!ll動作の高速化をはか
った半導体記憶装置に関する。
(2)技術の背景 バイポーラスタティックメモリの記憶容量の大容量化に
伴ない、保持電流全減少して消費電力を低減することが
益々重要な課題となって来ており、消費電力を低減する
手段としてPNPN トランジスタを用いたメモリセル
が知られている。一方、保持電流が小になるとワード線
の立下りが遅くなりアクセスタイムが大になって動作速
度に悪影響を局えるため、選択的にワード線に放電電流
を流すことが試みられている。
ところがPNPNメモリセルは、特願昭第56−644
45で述べたように、半選択セルの検出トランジスタが
逆動作し放電電流の一部をビット線りランゾ回路に流し
てしまい、ワード線の立下りに十分な効果を発揮できな
い。特願昭第56−64445ではビットクランプレベ
ルを下げてこの問題を解決しようとしたが牛導体コラム
内のシンクを流の影曽が現われる問題がある。
(3)従来技術と問題点 以下、第1図ないし第6図に基づいて従来技術とその問
題点を説明する。
第1図はPNPN )ランジスタで構成した周知のバイ
ポーラメモリセルの等価回路図である。k+x図におい
て、PNP)ランノスタQ1とNPN )ランジスタQ
3は第1のPNPN )ランジスタを構成しておJ、P
NP)ランノスタQ2とNPN トランジスタQ4は第
2のPNPN )ランジスタを構成しており、第1のP
NPN )ランジスタと第2のPNPN)ラン)スタは
又差結合している。このメモリセルへの情報の1込みは
ビット線B、またはB1に書込み情報を印加して第1の
PNPN )ランジスタまたは第2のPNPN )ラン
ノスタのいずれかを導通させることにより行なう。トラ
ンジスタQ3を導通させるためにはトランジスタQ5に
、トランジスタQ4を導通させるためにはトランジスタ
Q6に電流を流せばよい。第1のPNPNトランジスタ
が導通しているか、第2のPNPN トランジスタが導
通しているかで、2つの状態がそれぞれ情報として保持
される。保持された情報の絖出しはトランジスタQ5ま
たはQaを通じてビット線BO−またはB、から検出(
=読出し)される。したがって、以下、トランジスタQ
s  、QaをR(Read ) / W (Wr i
 te)用トランジスタと称し、トランジスタQ3  
、Q4を保持用トランジスタと称する。。
第2図は第1図に示した第1のPNPN )ランゾスタ
の構造を示す鵬面図である。第1図において、pm基板
1上にn+型の埋込層2が形成されており、第1のPN
PN トランジスタの素子領域の両側に分離領域3,4
が形成されており、nm埋込層1の上に、トランジスタ
Q3 、Qllのコレクタ領域となるn型領域5が形成
されており、n型領域50表面で分離領域3の側にPN
P )ランジスタQlαミッタ領域となるp型領域6が
形成されており、n型領域5の表面で素子領域の中央部
にトランジスタQs  、Qsのベース領域となるp型
領域7が形成されており、そのp型領域7の表面に4 
トランジスタQ3のエミッタ領域となるn十型領域8と
トランジスタQsのエミッタ領域となるn十型領域9と
が形成されている。領域5〜90表面にはそれぞれ電極
が設けられており、各電極はそれぞれ、トランジスタQ
3およびQaのコレクタCB  、C5*ワードIIJ
I W t 、)ランジスタQ3およびQsのペースB
3 、B6、トランジスタQsのエミッタE3+トラン
ノスタQaのエミッタEIIK接続されている。題域5
.6および7で横力向PNP )ランジスタQ1が形成
されており、領域8,7.5および2で縦方向NPN 
)ランノスタQ3が形成されておジ、R1W用トランジ
スタQ6は縦方向NPN )ランジスタQ3とコレクタ
、およびペース全共通にして、同一ベース剣I域内にマ
ルチエミッタとして形成されている。
PNPNセルは周知の通りPNPNの導通条件、すなわ
ち αPDP十αNP、N>1 が満たされるとき情報の保持がb]能となる。ここでα
l’NPはPNP )ランジスタQtまfcはQ!のベ
ース接地電流増幅率でおり、αNPMはNPN )うy
ジスタロ3またはQ4のペース接地電流増幅率である、
通常の製造条件によればαPIP>0.8、αMpH=
1の値を持つため、上記条件はかなり低電流領域におい
ても満足されるので、従来のセルに比べ1〜2桁小さい
保持電流によって情報の保持が可能である。したがって
PNPNセルは低電力RAM、および太容i RAMに
適している。
第3図は第1図に示したPNPNセルを用いて構成した
セルアレイの要部を示す回路図である。第3図において
、トランジスタQXllQX2はワード線WA、WBの
駆動用であり、各々のペースに選択時にはハイレベル電
圧VXHが、非選択時にはローレベル電、圧VXLが与
えられる。また、■□は保持型4流源である。
PNPN トランジスタを用いて第3図に示したような
セルアレイを構成した場合、次の問題点が存在する。
第1の問題点は次の通りである。上述したようにPNP
Nセルは微少電流で情報保持が可能なため、第3図の保
持電流工□は従来セルに比べて1〜2桁小さい。したが
ってワード列の選択から非選択の立下り時に、第3図に
示すセル内の寄生容量(王にコレクタ・基板間容量)C
o 、Cxk放電する′電流値が非常に小さいことにな
り放電時f’dtが長くなる。選択から非選択への回復
が遅いと次に選択されるワード列とt位的に同等の時間
が生じて一柚の二重選択状態となり、胱出しサイクルで
は読出し時間の遅れが、書込みサイクルでは1込み誤動
作発生の危険性が生じる。したがって、PNPNセルの
低電力性の利点を失なわずに上記−1選択の危険性km
けるためには、種々の公升例(例えば%願昭54−11
0720.ぐ特開昭56−37884 >)が示すよう
なワード線数′酸回路を設け、選択から非選択へ変化す
るワード線のみに放電餉′流IDl11を供給する必要
がある。特に、大容14RAMになればなるほど、この
ワード線放電回路は必須になってくる。
第2の問題点は、R/W用トランノスタの逆動作モード
によって生じる問題である。第4図によってこれヲ駅、
明する。第4図はPNI)Nセルのうち非導通状態側の
PNiN′4ルを省略し、導通状態側のPNPNセルの
みを示した回路図である。導通状態にあるPNPNセル
は円JP )ランジスタQ、、NPNトランジスタQ3
とも飽和状態にあり両者ともペース・コレクタ接合は順
バイアス状態にある。したがって、トランジスタQ3の
ペースおよびコレクタを共鳴するR/W川ト用ンジスタ
Qsはそのエミッタが逆バイアスされるとコレクタとし
て動作し本来のコレクタかエミッタとして動作する逆動
作モードになる。その結果、トランジスタQiのエミッ
タには電流が流れ込む。第4乏[にはこの電流を’ 8
NKで表わしである。このl□えの源は保持電流IHで
あり、 i+uix=γ0iH で表わされる。ここでγはγくlであり、保持電流1の
何割が1llNKとなるかの割合を示す定数である。な
お、18NKが′;#在すると第4図に示すようにPN
P )ランジスタQ1のエミッタ電流は1H−18NK
となり、18NKが大きくなれはなる11とエミッタ電
流は小となる。ところで、1ilNKはセルアレイにお
いて次に述べる悪影智をもたらす。第3図に戻ってこれ
を説明する。上述したように、選択ワード線の電位は非
選択ワード線のそれより高いので、各ビットltMi1
位は選択ワード列のセルから決定され、その結果非選択
ワード列にあるセ ルのR/W用トランジスタQsのエ
ミッタは全て逆バイアスされ導通状態にあるビット線側
に18NKを流出させる。第3図において非選択セルC
eHはビット線B、側に導通していた場合であり、選択
セルCe2nは逆にビット線Bl側に導通していた場合
である。このように、全ての非選択ワード列のセルから
流出した1 8NKは選択ワード列のセルを通して選択
ワード線(第3図においてはWAt)で表わされる。こ
こでNは非選択ワード列の全てのセル数である。III
NKは選択ワード電位を降下させる。これはワード線電
流が犬となるためワード線駆動用トランジスタのペース
t #Lおよびエミッタ′1ilf流が人となり、ペー
ス電位の降下およびペース・エミッタ間の電位差の増大
をもたらすためである。−力、非選択ワード線電位は第
4図について前述した如く、逆にワード線電流は18N
Kによつて減少する方向でおり、シたがってワード線−
位としては止弁する方向である。すなわち、igaKは
ワード線電位の選択電位と非選択電位のマージンを狭め
る悪影響をもたらす結果となる。さらにもう一つの1l
lNKの悪影響は選択ワード線に集合するl5INKに
よりワード線の負荷電流を増大させる結果となるのでワ
ード綜駆動トランジスタの駆動能力が低下しスイッチン
グスピードが遅くなり結果としてRAMの読出し時間の
珈大をもたらす。以上D18□悪影響はセル数が大とな
る大容量RAMになれはなるほど問題となる。この1l
lllKの悪影普に対する対策は第3図において選択ビ
ット線列以外のビット線を全て選択ワード列のセルから
決定されるビット線電位よりさらに高い電位で外部より
クランプし18NK kそのフランジ回路の方から流れ
るようにすればよい。(読出しはセルの内部電位を検出
するため選択ビット線列はクランプ1〜てし1うと続出
しができな□くなってしまう。)この対策によ!1l1
8NKの影響は選択ビット列に集合するtsnえだけの
問題となりその影曽を無視できるーまでに改善される。
以上、PNPNセルでセルアレイを構成したときの問題
点、すなわちワード線放電の問題、及び1llNKの問
題について対策した従来のセルフレイの構成回路図を第
5図に要部のみ示す。
以下余白 第5図にお−で各ワード線の下側に接続されるダイオー
ドDI 、D2は放電電流I□を選択ワード線に供給す
るものである。また各ビット線に接続されるトランジス
タQB11 t QB12 ’ QBn1’QB、、□
は規準電位V。Lよりビット線を高電位にクランプする
ものである。トランジスタQY111QY12 ’ Q
Y13のゝ−7電位・及びQYnl 1 Qyn2yQ
YnBのペース電位によってビット線列が選択され、ハ
イレベルによって選択状態とな9電流■、。。
In1 * Iアが供給される。このとき■、。+IB
1はビット線電流となるが■1は非選択時にビット線を
高電位にクランプしていたトランジスタQB11  ’
Q、12のペース電位を抵抗R1の電位降下で下げるこ
とによりビットクランプ回路を無効(選択ビット線電位
は選択セルから決定される)にするものである。
第5図はPNPNセルによるセルアレイ構成の間粗点を
対策した回路であるが、さらに次の問題が残る。
第6図によってこれを説明する。第6図は選択セルを除
いた選択ワード列内の七ルアレイを示すものである。上
述した如く、非選択ビット列は全てビットクラン7’[
位vccより高電位にクランfされるため選択ワード列
のセルCe 12〜セルCe1noシW用トランジスタ
も非選択ワード列のセル同様に逆動作モードとなる。し
たがって、導通状態にあるビット線側に’1iNKが現
われビットクランプ用トランジスタQ、21〜Q B 
n 2を通して流れる。このとき、1七ル尚りに流れる
保持電流をlH1ワード線放電電流を’D8とすれば’
8NK−γ(i、+1Ds) となる。ここでγく1であることは上述した通りである
。ところで選択ワード列が非選択電位に回復するために
はセル内の寄生容量を放電しなければならないことは前
に述べた。寄生容量の放電は第4図からも推察されるよ
うにNPNのコレクタ電流及びペース電流によって行な
われる。したがって、’8NKが存在すると放電電流の
無効成分が生じることになる。すなわち、ワード線に供
給された放電電流■。8の利用効率は(1−γ)になる
ことになる。
(4)発明の目的 本発明はR/v用トランジスタの電流増幅率を制御し、
γを小さくすることによって放電電流の利用効率を高め
放電電流の増加なしにワード線の回復を速めることを目
的とする。
(5)発明の構成 上記目的を達成するために、本発明により、エミッタが
ワード線に接続されたPNP )ランジスタ、:l L
/クタカ該PNP )ランジスタのペースニ、ペースが
該PNP )ランソスタのコレクタに、そしてエミッタ
が保持電流源に接続された情報保持用NPNトランジス
タ、およびコレクタが該PNP )ランジスタのペース
に、ペースが該情報保持用NPN )ランジスタのペー
スに、そしてエミッタがビット線に接続された読出し/
書込み用NPN )ランジスタを具備しているPNPN
セルを交差結合させたメモリセルをアレイ状に配置した
半導体記憶装置におして、該読出し/書込み用NPN 
)ランジスタのエミッタ領鞍下のペース領域を、該ペー
ス領域に注入された電子が該エミッタ領域に到達する電
子量を減少せしめる構造としたことを特徴とする半導体
配憶V置が提供される。
本発明の一実施例によれば、該読出し/書込み用NPN
’)ランソスタのペース$5tiNのP型不純物a度は
該(+′1報保持用+QpN、)ランノスタのペース領
域のP型不純物濃度より棉い〇 本発明の他の実施例によれは、該読出し/書込み用NP
N トランジスタのペース領域の厚さは該情報保持用N
PN )ランジスタのペース領域の厚さより大である。
(6)発明のζ節制 以下、本発明の実施例を第7図ないしム′89図に基づ
いて説明する。
前述した通りセルの保持側トランジスタのエミッタに供
給された電流の何割が’ 、NKとガるかは定数γによ
って決定される。’5NxJlilしW用トランジスタ
の逆動作モードの結果生じるものであるからγはその逆
方向電流増幅率βUに比例するととは容易に推察される
。すなわち’  ”8NK’L’小さくするためにはと
のβUを小さくすることによってγを小さくすればよい
第7図は本発明による選択ワード線の非選択電位への回
復を説明するためのグラフである。第7図から明らかな
ように、定数γを小さくして’ 8NKを少なくするこ
とによりワード線電位の立下りに要する時間は大巾に短
縮される。
第8図は本発明の一実施例による半導体記憶装置の凭セ
ルの構造を示す断面図であり第2図と同一部分には同一
符号が用いられている。第8図において、第2図と異な
るところは、νW用NPNトランジスタのn 型工(ツ
タ領bj29の近傍の。
型共通ペース偵域の不純物濃度をp+型と濃くしたこと
である。この高濃度1型領綾はイオン注入技術などを用
いることにより容易に実現される。
シW用トランジスタQ5の逆方向電流増巾率βUはペー
ス・コレクタ接合が順バイアスされ、その結果エミッタ
E5の直下のペース領鞍に注入される電子がエミッタE
5に到達される厄によって決定される値である。エミッ
タE5の領鞍の近傍のペース濃度を上げることによシ、
ペース領域への注入電子のペース領域内での再結合蓋が
増えるのでエミッタE5への電子の到達量は減少し、逆
方向電流増幅率βUは減少する。
第9図は本発明の他の実施例による半導体記憶装置のA
セルの構造を示す断面図である。第9図において、第2
図と異なるところは、シW用NPNトランジスタQ5の
n+型エミッタ領穢9の直下のp型ベース領域の厚さを
トランジスタQ3のベース領鞍より厚くしたこと、およ
びPNP )ランジスタQ、のp型エミッタ領穢6の厚
さもトランジスタQ5のペース領域と同様に厚くしたこ
とである。
トランジスタQ5のペース領域を厚くすることにより、
ペース領ftに注入された電子がエミッタE5に到達す
る時間が長くなり、従って再結合の確率が大とガって逆
方向電流増幅率は小となる。横方向PNP)ランジスタ
Q1のエミッタ領域6をR/W用トランジスタのエミッ
タ領鞍直下のp型ベース拡散と同一の拡散で形成して厚
くすることにより、PNP )ランジスタのエミッタ・
コレクタ対向面積が増えるので、PNP)ランジスタの
電流増幅率が改善される。
第8図および第9図の実施例では、〜W用トランジスタ
部の逆方向電流増幅率のみを下げる構造を採用している
が、保持用トランジスタQ3のペース部にも同時に同じ
構造をとっても、前述した保持条件αPNP+αPNP
>’が満足されている限りセルの動作上は間粗がないと
考えられる。しかし、本発明による逆方向電流増幅率を
下げる構造を保持用トランジスタQ、のペース部にも適
用すると、同時に順方向電流増幅率も下がるため、上記
保WのαNP)iを下げることになり保持条件のマージ
ンが狭くなる。したがって、保持用トランジスタには本
発明の構造を適用しない方が望ましい。
(7)発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、選択
ワード線の非選択電1位への回復が速まるので、障調の
読出し時間が短縮され、また書込み誤動作のマージンも
広くなる。
【図面の簡単な説明】
第1図はPNPN )ランジスタで構成した周知のパイ
y4?−ラメモリセルの等価回路図、第2図は第1図に
示した第1のPNPN )ランジスタの構造を示す断面
図、第3図は第1図にボしたPNPNセル図、第5図は
ワード線放電の問題および1BNKの問題につじで対策
した従来のセルアレイの構成回路図、第6図は選択セル
を除いた選択ワード列内のセルア1/イを示す回路図、
第7図は本発明による選択ワード線の非選択への回復を
説明するためのグラフ、第8図は本発明の一実施例によ
る半導体記憶装置の凭セルの構造を示す断面図、そして
第9図は本発明の他の実施例による半導体配置装置のl
Aナセル構造を丞す断面図である。 図において、1はP型半導体基板、2はn+型埋込層、
3,4は分離領駿、5は横方向PNP )ランソスタQ
、のペース#綾および縦方向NPN トランジスタQ、
 I Q5のコレクタ領域となる共通n型領域、6はP
NP )ランジスタQ、のエミッタ領駿、7はNPN 
)ランノスタQ、 # Q5の共通ペース領域、8は保
持用NPN トランジスタQ3のエミッタ領域、9はM
w用NPN )ランノスタQ5のエミッタ領域である。 特許出願人 富士通株式会社 特許出頼代理人 弁理士 青 木   朗 弁理士西舘和之 弁理士 内 1)幸 男 弁理士 山 口 昭 之 第1図 第6図 第7図 第8図 第9図 1 手続補正書 昭和58年 2月1日 特許庁長官 若 杉 和 夫 殿 1、事件の表示 昭和56年 特許願  第185460号2、発明の名
称 半導体記憶装置 3、補正をする者 事件との関係  特許出願人 名称(522)富士通株式会社 4、代理人 (外 3名) 5、補正の対象 (1)  明細簀の「特許請求の範囲」の欄1カ 明a
書の「発明の詳細な説明」の欄6、補正の自答 (1)  明細憂の1%許請求の範囲」の欄を別紙の通
り補正する。 (2)明細督第5頁第9行の[埋込層I J全F埋込層
2」に補正する。 (3)明細臀第10頁第6行の「選択J’kf非選択」
に補正する。 (4)明細−4F第1O頁第10行の[WAtJを「γ
η・H」に補正する・ (6)  明細d第14貞第3行のr v   −i 
1r voL、。 o  J に補正する。 (7)明細簀第19頁第7行の[α2,9P+α、、、
、、>l」金「αPNP ” aNPN〉1j と補正
する。 (8)明細着側19自第15行の後に次の文]!!!、
を挿入する。 1以上の説明では、負荷トランジスタk PNPトラン
ジスタとし、情報保持用トランジスタおよび絖出し/4
F込み用トランジスタkNPN)フンジスタとしたが、
負荷トランジスタ’eNPN1ランジスタで、また情報
保持用トランジスタオヨヒ読出し74M込み用トランジ
スタkPNPトランジスタとしたNPNPセル會用いて
も、本発明の目的は前述の実施例と同様に達成し得るこ
とは明らかである。」 7、添附書類の目録 補正特許請求の範囲       1通2、特許請求の
範囲 1、 エミッタがワード線に接続された負荷トランジス
タ。 コレクタが−II記負荷トランジスタのペースに。 ペースが前記負荷トランジスタのコレクタに、そしてエ
ミッタが保持電流源に接続され、かつ前記負荷トランジ
スタと逆導電型である情報保持用トランジスタ、および コレクタが前記負荷トランジスタのペースに。 ペースが前記情報保持用トランジスタのペースに。 そしてエミッタがピット線に接続され、かつ前記負荷ト
ランジスタと逆導電型である読出し/書込み用トランジ
スタ を具備しているPNPN素子またはNPNP素子を交差
結合さゼたメモリセル乞アレイ状に配置し7た半導体記
憶装置において。 前記読出し/4込み用トランジスタのエミッタ領域直下
のペース領域を、該ベース領域に注入さる割合よりも小
となるような構造としたことを特徴とする半導体記憶装
置。 りのベース領域の不純物濃度より濃くしたことを特徴と
する特I?!f請求の範囲第1項記載の半導体記憶装置
。 −ス領域の厚さより大としたこと全特徴とする特許請求
の範囲第1項記載の半導体記憶装置。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、 エミッタがワード線に接続されたPNP )ラン
    ジスタ、 コレクタが該PNP )ランジスタのペースに、ペース
    が該PNP )ランジスタのコレクタに、そしてエミッ
    タが保持電流源に接続された情報保持用NPN )ラン
    ジスタ、および コレクタが該PNP )ランジスタのペースに、ペース
    が該情報保持用NPN )ランジスタのペースに、そし
    てエミッタがビット線に接続された読出し/書込み用N
    PN )ランジスタ を具備しているPNPNセルを交差結合させたメモリセ
    ルをアレイ状に配置した半導体記憶装置において、 該続出し/書込み用NPN )ランノスタのエミッタ領
    域直下のペース領域を、該ペース領域に注入された電子
    が該エミッタ領域に到達する電子量を減少せしめる構造
    としたことを%徴とする半導体B1シ憶装置。 2、該続出し/書込み用NPN )ランジスタのペース
    領域のP型不純物S度を該情報保持用NPN )ランジ
    スタのペース領域のP型不純物磯度より譲くしたことを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体記憶装置
    。 3、該続出し7畳込み用NPN )ランノスタのペース
    領域の厚さを該情報保持用NPN )ランソスタのペー
    ス領域の厚さより太としたことを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の半導体記憶装置。
JP56185460A 1981-11-20 1981-11-20 半導体記憶装置 Expired JPS6025907B2 (ja)

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