JPS584460B2 - handmade takiokusouchi - Google Patents

handmade takiokusouchi

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JPS584460B2
JPS584460B2 JP49087854A JP8785474A JPS584460B2 JP S584460 B2 JPS584460 B2 JP S584460B2 JP 49087854 A JP49087854 A JP 49087854A JP 8785474 A JP8785474 A JP 8785474A JP S584460 B2 JPS584460 B2 JP S584460B2
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region
transistor
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飯塚尚和
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明はMOS構造を有する半導体記憶装置に関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a semiconductor memory device having a MOS structure.

従来の半導体ランダムアクセスメモリ(RAM)は、■
セル当り6トランジスタ、4トランジスタまたは8トラ
ンジスタ等が一般的に採用されており、1セル当りのト
ランジスタ数が多いため大きい面積を必要とし、集積度
を上げるのが難しいという欠点があった。
Conventional semiconductor random access memory (RAM) is
Generally, 6 transistors, 4 transistors, or 8 transistors are used per cell, and because the number of transistors per cell is large, a large area is required and it is difficult to increase the degree of integration.

最近になり、1トランジスタ1セル方式の半導体RAM
も提案されているが、これはMOSトランジスタのソー
ス領域近傍の基板表面に電荷を蓄える領域を設けるもの
で、トランジスタ領域の外に余分な面積を必要とするた
め、十分な集積度向上は望めず、また動作時の信号パル
ス配列が繁雑になり、ノイズマージンが低いという欠点
がある。
Recently, 1-transistor, 1-cell type semiconductor RAM
has also been proposed, but this involves creating a region for storing charge on the substrate surface near the source region of the MOS transistor, which requires extra area outside the transistor region, so it cannot be expected to achieve a sufficient increase in integration density. Moreover, the signal pulse arrangement during operation becomes complicated and the noise margin is low.

この発明は上記した点に鑑みてなされたもので、1トラ
ンジスタ1セル方式でランダムアクセスが可能であり、
十分な集積度向上も図り得る半導体記憶装置を提供する
ものである。
This invention was made in view of the above points, and allows random access with a one-transistor, one-cell system.
The present invention provides a semiconductor memory device that can achieve a sufficient degree of integration.

この発明に係る半導体記憶装置は、基本的にはMOSト
ランジスタ構造を有し、そのソース領域とドレイン領域
間のチャネル領域直下の基板中に導電性の電荷捕獲領域
を設けて、その捕獲領域の電荷量を制御することにより
、前記チャネル領域の伝導度を変化させ、その伝導度の
異なる状態を情報“1”、“0”に対応させるようにし
たことを特徴としている。
The semiconductor memory device according to the present invention basically has a MOS transistor structure, and a conductive charge trapping region is provided in the substrate directly under the channel region between the source region and the drain region, and the charge in the trapping region is The present invention is characterized in that the conductivity of the channel region is changed by controlling the amount, and different states of the conductivity correspond to information "1" and "0".

以下にこの発明の実施例を図面を参照して説明する。Embodiments of the invention will be described below with reference to the drawings.

第1図はそのメモリトランジスタの構造図である。FIG. 1 is a structural diagram of the memory transistor.

これはnチャネルの場合の例であり、P型シリコン基板
1を用い、基板1内の互に離隔した位置にn+のソース
領域2、ドレイン領域3を設け、これらの領域にまたが
るように基板1表面に酸化膜等のゲート絶縁膜4を介し
て、ゲート電極5を配設したものにおいて、ソース領域
2とドレイン領域3の間の基板1内のチャネル領域直下
にn+層6を設けている。
This is an example of an n-channel case, in which a P-type silicon substrate 1 is used, an n+ source region 2 and a drain region 3 are provided at positions separated from each other within the substrate 1, and the substrate 1 is formed so as to straddle these regions. In the structure in which a gate electrode 5 is disposed on the surface via a gate insulating film 4 such as an oxide film, an n+ layer 6 is provided in the substrate 1 between the source region 2 and the drain region 3 and directly under the channel region.

n+層6が電荷を捕獲する領域であって、その捕獲電荷
量によりチャネル領域の伝導度制御を行うものである。
The n+ layer 6 is a region that traps charges, and the conductivity of the channel region is controlled by the amount of captured charges.

このメモリトランジスタにおける情報の書込み、読出し
等の動作は次のとおりである。
Operations such as writing and reading information in this memory transistor are as follows.

いまn+層6の電荷量が平衡状態にあるとすると、この
メモリトランジスタのドレイン電流ID−ゲート電圧■
G特性は例えば第2図に実線で示すようにゲート閾電圧
が■toとなっている。
Assuming that the amount of charge in the n+ layer 6 is now in an equilibrium state, the drain current ID of this memory transistor - the gate voltage ■
In the G characteristic, for example, as shown by the solid line in FIG. 2, the gate threshold voltage is ■to.

即ちVG>Vtoでオン、■G<■toでオフとなる。That is, it is turned on when VG>Vto, and turned off when ■G<to.

この状態を例えば2値情報の“0”に対応させる。This state corresponds to, for example, binary information "0".

そして、n+層6の多数キャリアである電子が平衡状態
よりも少い状態を考えると、このn+層6には等価的に
正の電荷、即ち正孔が捕獲されたことになり、従って見
掛上バックゲートバイアス(基板パイアス)が印加され
たと等価になり、第2図に破線で示すようにゲート閾電
圧がVt(<Vto)となる。
Considering a state in which the number of electrons, which are the majority carriers, in the n+ layer 6 is smaller than in the equilibrium state, this n+ layer 6 has equivalently captured positive charges, that is, holes, and therefore, the apparent This is equivalent to applying an upper back gate bias (substrate bias), and the gate threshold voltage becomes Vt (<Vto) as shown by the broken line in FIG.

この状態を情報“1”に対応させる。具体的数値例を挙
げる。
This state corresponds to information "1". A specific numerical example will be given.

例えば、シリコン基板1のチャネル領域にリンイオンを
300kevで加速し、1015cm−2のドーズ量で
注入してn+層6を形成する。
For example, phosphorus ions are accelerated at 300 kev and implanted into the channel region of the silicon substrate 1 at a dose of 1015 cm-2 to form the n+ layer 6.

このときリンの基板内分布は表面より0.38μmにピ
ークを有し、実効的なチャネルの深さは0.28μmと
なる。
At this time, the distribution of phosphorus within the substrate has a peak at 0.38 μm from the surface, and the effective depth of the channel is 0.28 μm.

このチャネル領域のP型不純物濃度を7×1016cm
−3とすると、しきい値電圧はおよそ0.5■となる。
The P-type impurity concentration in this channel region is set to 7×1016 cm.
-3, the threshold voltage is approximately 0.5■.

そしてこのn+層6に正電荷が蓄積された場合、チャネ
ル領域は空乏状態となり、しきい値電圧は約0.5V低
下する。
When positive charges are accumulated in this n+ layer 6, the channel region becomes depleted, and the threshold voltage drops by about 0.5V.

情報“1”を書込むには、ゲートGに所定の正の電圧を
印加してチャネルを形成すると同時に、ソースS、ドレ
インDにもそれぞれ所定の正の電圧を印加し、ソース領
域2とn+層6の間またはドレイン領域3とn+層6の
間をペンチスルーさせて変位電流を流し、n+層6に正
電荷を蓄積することにより行われる。
To write information "1", a predetermined positive voltage is applied to the gate G to form a channel, and at the same time, predetermined positive voltages are also applied to the source S and drain D, and the source region 2 and n+ This is done by passing a displacement current through the layers 6 or between the drain region 3 and the n+ layer 6 to accumulate positive charges in the n+ layer 6.

例えはドレイン領域3とn+層6の間でこの書込み動作
を詳しく説明する。
For example, this write operation between the drain region 3 and the n+ layer 6 will be explained in detail.

ドレイン領域3に正電圧を印加して、ドレイン領域3と
N+層6間の電位差がVBになったときドレイン領域3
からN+層6側に拡がる空乏層の幅dは、 で与えられる。
When a positive voltage is applied to the drain region 3 and the potential difference between the drain region 3 and the N+ layer 6 becomes VB, the drain region 3
The width d of the depletion layer extending from the N+ layer 6 to the N+ layer 6 side is given by:

ここに、εSはシリコンの誘電率、NCHは基板の不純
物濃度、qは電子の素電荷である。
Here, εS is the dielectric constant of silicon, NCH is the impurity concentration of the substrate, and q is the elementary charge of electrons.

そこで、ドレイン領域3とN+層6間の距離がd以下で
あれば、上記の如き正電圧がドレイン領域3と基板間に
印加されたとき、ドレイン領域3とn+層6の間にパン
チスルーを生じ、n+層6がある正電位に充電される。
Therefore, if the distance between the drain region 3 and the N+ layer 6 is less than or equal to d, punch-through occurs between the drain region 3 and the N+ layer 6 when a positive voltage as described above is applied between the drain region 3 and the substrate. occurs, and the n+ layer 6 is charged to a certain positive potential.

即ちn+層6に正電荷が注入されたことになる。That is, positive charges are injected into the n+ layer 6.

なお、ゲートに同時に正電圧を印加しているのは、チャ
ネルを形成してチャネル領域からn+層6側への空乏層
の拡がりを利用することにより、ゲートに正電圧を印加
しない場合に比べてドレイン領域3とn+層6間でパン
スルーを生じ易くするためであり、これにより後述する
書込みのビット選択を可能としている。
Note that applying a positive voltage to the gate at the same time forms a channel and utilizes the spread of the depletion layer from the channel region to the n+ layer 6 side, compared to the case where no positive voltage is applied to the gate. This is to facilitate the occurrence of pan-through between the drain region 3 and the n+ layer 6, thereby enabling bit selection for writing, which will be described later.

この蓄積された正電荷は、n+層6と基板1のPn接合
を流れる逆方向拡散電流によってやがて消失するが、こ
の正電荷蓄積の状態は数秒程度保持される。
This accumulated positive charge will eventually disappear due to the reverse diffusion current flowing through the Pn junction between the n+ layer 6 and the substrate 1, but this state of positive charge accumulation will be maintained for about several seconds.

情報読出しは、ゲート電圧VGを■toと■t1の中間
値VRに選び、ソース、ドレイン間の導通非導通を判別
することで行われる。
Information reading is performed by selecting the gate voltage VG to be an intermediate value VR between ■to and ■t1, and determining conduction or non-conduction between the source and drain.

即ち、VG=■Rとして、ソース、ドレイン間が導通す
れば“1”、非導通であれば“0”である。
That is, assuming VG=■R, if the source and drain are conductive, the value is "1", and if the source and drain are non-conductive, the value is "0".

なお、この読出しのゲート電圧VG=VRはソース、ド
レイン間に形成されるチャネルがn+層6と導通しない
ような値に選択しなければならない。
Note that the gate voltage VG=VR for reading must be selected to a value such that the channel formed between the source and drain is not electrically connected to the n+ layer 6.

情報“1”を消去するには、ゲートGに書込みの場合よ
りも十分大きな正電圧を印加して反転層を形成してn+
層6と反転層の間のバリアが十分に小さい状態、即ち事
実上導通となる状態とし、かつソースS、ドレインDを
接地して、n+層6の電荷量を平衡状態に戻すことによ
り行われる。
To erase information "1", apply a sufficiently larger positive voltage to the gate G than in the case of writing to form an inversion layer, and then
This is done by bringing the barrier between the layer 6 and the inversion layer into a sufficiently small state, that is, making it virtually conductive, and by grounding the source S and drain D to return the amount of charge in the n+ layer 6 to an equilibrium state. .

上述したメモリトランジスタを用いた2×2ビットのメ
モリアレイを第3図に示す。
FIG. 3 shows a 2×2 bit memory array using the above-mentioned memory transistors.

マトリクス配置されたM11,Ml2,M21,M22
がメモリトランジスタであり、ゲートは各行毎に共通に
ビット線B1,B2に接続され、ドレインは各列毎に共
通に語線W1,W2に接続されている。
M11, Ml2, M21, M22 arranged in matrix
are memory transistors, whose gates are commonly connected to bit lines B1 and B2 for each row, and whose drains are commonly connected to word lines W1 and W2 for each column.

またソースは各列毎に共通にMOSスイッチングトラン
ジスタQ1,Q2を介して端子S1,S2に接続されて
いる。
Further, the sources of each column are commonly connected to terminals S1 and S2 via MOS switching transistors Q1 and Q2.

メモリトランジスタM11を選択して書込み、読出し等
を行う場合の印加パルスの関係を第4図に示す。
FIG. 4 shows the relationship of applied pulses when writing, reading, etc. are performed by selecting the memory transistor M11.

まず、トランジスタM11に情報“1”を書込む?は、
ビット線B1に十分大きな正の書込み電圧VWとして例
えば10Vを印加し、同時にスイッチングトランジスタ
Q1のゲート端子(R/E)1に正の電圧を印加してこ
れをオンにし、語線W1に正電圧■D、端子S1に正電
圧VS(VS<VD)を印加する。
First, write information “1” to transistor M11? teeth,
For example, 10V is applied as a sufficiently large positive write voltage VW to the bit line B1, and at the same time, a positive voltage is applied to the gate terminal (R/E) 1 of the switching transistor Q1 to turn it on, and a positive voltage is applied to the word line W1. (2) Apply a positive voltage VS (VS<VD) to the terminal S1.

これにより、トランジスタM1のチャネル領域直下のn
+層に正電荷が蓄積され、ゲート閾電圧が小さくなる方
向に移動して“1”が記憶される。
As a result, n directly below the channel region of transistor M1
Positive charges are accumulated in the + layer, the gate threshold voltage moves in the direction of decreasing, and "1" is stored.

このときトランジスタM21は、ゲート即ちビット線B
2を接地しておくことにより、語線W1の正電圧VDの
みではドレイン領域とn+層間でパンチスルーがおこら
ず、従って書込みは行われない。
At this time, the gate of the transistor M21, that is, the bit line B
2 is grounded, punch-through does not occur between the drain region and the n+ layer with only the positive voltage VD of the word line W1, and therefore no writing is performed.

トランジスタM11,M22は語線W2、端子S2を接
地しておくことによりやはり書込みは行われない。
By grounding the word line W2 and the terminal S2 of the transistors M11 and M22, writing is not performed.

こうして、ビット選択書込みが行われることになる。In this way, bit selective writing is performed.

次に、トランジスタM11の読出しには、端子(R/E
)1に正電圧を印加してトランジスタQ1をオンにし、
同時にビット線B1に、“0”状態のゲート閾電圧■t
0と“1”状態のゲート閾電圧Vt1の中間値■Rを印
加して、語線W1に正電圧を印加する。
Next, for reading from the transistor M11, a terminal (R/E
)1 to turn on transistor Q1,
At the same time, the gate threshold voltage ■t in the “0” state is applied to the bit line B1.
An intermediate value ■R between the gate threshold voltage Vt1 in the 0 and "1" states is applied, and a positive voltage is applied to the word line W1.

これにより、トランジスタM11が導通ずれぱ“1”、
非導通であれぱ“0”ということになる。
As a result, the conduction level of the transistor M11 becomes "1",
If it is non-conducting, it will be "0".

次に、トランジスタMHの情報を消去するには、端子(
R/E)1に正電圧を印加し、トランジスタQ1をオン
にして、ビット線B1に十分大きな正の消去電圧VEと
して例えば20Vを印加し、n+層に蓄えた正電荷をチ
ャネル領域からソース領域、ドレイン領域を介して放電
する。
Next, to erase the information of the transistor MH, the terminal (
Apply a positive voltage to R/E) 1, turn on the transistor Q1, and apply a sufficiently large positive erase voltage VE of, for example, 20 V to the bit line B1 to transfer the positive charge stored in the n+ layer from the channel region to the source region. , discharge through the drain region.

即ち、。That is,.

+層に多数キャリアである電子が流れ込んで熱平衡状態
に戻り、情報“0”となる。
Electrons, which are majority carriers, flow into the + layer, returning to a thermal equilibrium state, and the information becomes "0".

以上のように、この発明によれば1メモリトランジスタ
1セルのRAMメモリアレイが構成できる。
As described above, according to the present invention, a RAM memory array having one memory transistor and one cell can be constructed.

しかも、メモリトランジスタの面積は通常のMOSトラ
ンジスタと変らないから、高集積化が可能である。
Moreover, since the area of the memory transistor is the same as that of a normal MOS transistor, high integration is possible.

なお、実施例ではメモリトランジスタの電荷捕獲領域と
してチャネル領域直下にn+層を設けたが、n+層の代
りに、例えばイオン注入等の手段により、n+層に相当
する位置に導電性を有し、かつ電子捕獲準位を有する層
を設けてもよい。
In the embodiment, an n+ layer was provided directly under the channel region as a charge trapping region of the memory transistor, but instead of the n+ layer, conductivity was provided at a position corresponding to the n+ layer by means such as ion implantation. A layer having an electron trapping level may also be provided.

具体例を挙げれば、酸素を1014〜1016cm−2
程度の低いドーズ量でSi基板内にイオンを注入して熱
処理すると、基板内に微少なSiO2粒が分散した層が
得られる。
To give a specific example, oxygen at 1014 to 1016 cm-2
When ions are implanted into a Si substrate at a moderate dose and heat treated, a layer in which minute SiO2 grains are dispersed is obtained within the substrate.

この層は、SiO2粒に電子捕獲準位を有するが、その
電子捕獲状態は例えは不揮発メモリにおいて知られてい
るように安定ではなく、トンネル現象により容易に電子
が移動でき、放置しておけは捕獲された電子は自然消滅
する。
This layer has an electron capture level in the SiO2 grains, but the electron capture state is not stable as is known for example in non-volatile memory, and electrons can easily move due to tunneling, so it should not be left alone. The captured electrons disappear naturally.

即ち先の実施例のn+層と同様、一時的に電荷を蓄積す
る領域として機能する。
That is, like the n+ layer in the previous embodiment, it functions as a region for temporarily accumulating charges.

この場合には電子捕獲のない状態より、電子を捕獲した
状態の方がゲート閾電圧が大きく、従って電子を引出す
ことによって等価的に正電荷を蓄積する上記実施例とは
書込み、消去の原理が逆になる。
In this case, the gate threshold voltage is higher in the state where electrons are captured than in the state where no electrons are captured, and therefore the principle of writing and erasing is different from the above embodiment in which positive charges are equivalently accumulated by extracting electrons. It will be the opposite.

1図面の簡単な説明 第1図はこの発明の一実施例のメモリトランジスタの構
造を示す図、第2図はその記憶動作を説明するための■
D−■G特性を示す図、第3図は第1図のメモリトラン
ジスタを4個用いたRAMメモリアレイの構成を示す図
、第4図はその動作を説明するための印加パルス列を示
す図である。
1. Brief Description of the Drawings FIG. 1 is a diagram showing the structure of a memory transistor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating its memory operation.
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a RAM memory array using four memory transistors shown in FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram showing an applied pulse train to explain its operation. be.

1・・・・・・P型シリコン基板、2・・・・・・n+
ソース領域、3・・・・・・n+ドレイン領域、4・・
・・・・絶縁膜、5・・・・・・ゲート電極、6・・・
・・・n+層(電荷捕獲領域)。
1...P-type silicon substrate, 2...n+
Source region, 3...n+ drain region, 4...
...Insulating film, 5...Gate electrode, 6...
...n+ layer (charge trapping region).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 半導体基板にソース、ドレイン領域を設け、これら
ソース、ドレイン領域にまたがるように基板表面に絶縁
膜を介してゲート電極を配設し、かつ前記ソース領域と
ドレイン領域間のチャネル領域直下の基板内部に導電性
の電荷捕獲領域を設けて、その捕獲領域の電荷量を制御
することにより、前記チャネル領域の伝導度を変化させ
るようにしたことを特徴とする半導体記憶装置。
1. A semiconductor substrate is provided with source and drain regions, a gate electrode is provided on the surface of the substrate via an insulating film so as to span these source and drain regions, and the inside of the substrate is directly below the channel region between the source and drain regions. 1. A semiconductor memory device characterized in that a conductive charge trapping region is provided in the channel region, and the conductivity of the channel region is changed by controlling the amount of charge in the trapping region.
JP49087854A 1974-07-31 1974-07-31 handmade takiokusouchi Expired JPS584460B2 (en)

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