JPS5948555B2 - ワンデバイス・メモリ・セル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の分野〕 本発明は、改良されたランダム・アクセス・メモリ・セ
ル、特に単一の能動デバイスと電荷貯蔵デバイスとを含
むランダム・アクセス・メモリ・セルに関するものであ
る。

ランダム・アクセス・メモリは、データ処理システム中
で２進データを記憶するために広く使用されている。

典型的な場合では、ランダム・アクセス・メモリは、各
ワードが予め定められた数のセルを含みセル１個当りに
１ビットが記憶されるフような、予め定められた数のワ
ードに配列されたセルのアレイを含んでいる。曲型的な
場合、１つのワードを選択して選択されたワード中の全
てのセルを書き込むまたは読み取ることによつて、デー
タは、メモリに書き込まれ、またはメモリから読み取ら
れる。今日のデータ処理技術は、常に処理速度の増大と
処理装置のサイズおよび電力消費量の減少とを必要とし
ている。

従つて、ランダム・アクセス・メモリの設計では、読み
書き速度の増大と、セル寸法の縮小および電力消費量の
減少とに、努力が払われてきた。〔背景技術〕 現在注目されているランダム・アクセス・メモリの１つ
のクラスは、いわゆる「ワンデバイス」セルを使用した
ものである。

このワンデバイス・セルは、そのセル寸法が小さく、動
作速度が速く、電力消費量が少ないために、メモリ設計
者達の間で注目されてきた。基本的には、ワンデバイス
・セルは、単一の能動デバイス（典型的な場合、バイポ
ーラ・トランジスタまたは電界効果トランジスタ）と単
一の電荷貯蔵デバイス（典型的な場合コンデンサ）とを
含んでいる。能動デバイスの制御電極（すなわちベース
またはゲート）は、セルを選択するためワード回線に接
続されている。能動デバイスの被制御電極（すなわちバ
イポーラ・トランジスタのエミッタまたはコレクタ、電
界効果トランジスタのドレインまたはソース）は、コン
デンサの一方の極板に接続されている。コンデンサの他
方の極板は、固定電位に、典型的な場合では接地または
メモリ電源電圧に接続されている。最後に、能動デバイ
スのもう１つの被制御電極は、ビツト回線に接続されて
いる。ワンデバイス・セルの２進状態は、そのコンデン
サに貯蔵された電荷によつて決定される。例えば、コン
デンサ上に電荷がないことは、論理ゼロを意味し、コン
デンサ上に電荷が存在すると論理１を意味することがで
きる。待機状態では、制御電極（すなわちベースまたは
ゲート）が使用禁止状態になり、その結果能動デバイス
はオフとなり、コンデンサの放電を防止するための高イ
ンピーダンスとして働く。能動デバイスをオンにするこ
とによつてデータが読み取られ（検出され）、コンデン
サが能動デバイスの接続されたビツト回線上に放電でき
るようになる。この電荷がビツト回線に接続された検出
増幅器によつて検出される。先行技術によるメモリ設計
は、個々のセルの寸法を減らすことによつて、チツプ上
にできるだけ多くのセルを集積することを試みてきた。

ワンデバイス・セルの寸法は、ワンデバイス・セルのコ
ンデンサ面積を減らすことによつて減少させることがで
きる。しかしながら、コンデンサ面積を減らすと、キヤ
パシタンスが減少し、コンデンサ中に貯蔵される電荷が
減ることは、よく知られている。現在のワンデバイス・
セルに貯蔵される電荷は、もはや信頼できる検出のため
に必要な最小レベルになつているので、貯蔵される電荷
をさらに減らすことはできない。単位面積当りのキヤパ
シタンスを増大させることにより、貯蔵される電荷を減
らさずに、コンデンサ面積を減少させることができる。

所与のコンデンサ誘電体について、誘電体の厚さを減ら
すことにより、単位面積当りのキヤパシタンスを増大さ
せることができることはよく知られている。残念なこと
に、誘電体の厚さを減らすと誘電体の電界強度が増大す
る。現在のワンデバイス・セルの誘電体電界強度はもは
や最大レベルになつていて、それ以上になると絶縁破壊
が起こるので、誘電体電界強度をこれ以上増大させるこ
とは、できない。〔本発明の概要〕 従つて、改良されたワンデバイス・セルをもたらすこと
が、本発明の目的である。

本発明は、従来利用できたものより高い密度の、ワンデ
バイス・メモリをもたらすことができる。

また、本発明は、そのコンデンサの面積が最小のワンデ
バイス・メモリをもたらすこと、およびコンデンサの破
壊電圧を越えることなく、必要な電荷貯蔵をもたらすこ
とができる。

本発明は、制御電極および一対の被制御電極をもつトラ
ンジスタ（例えば、電界効果トランジスタ）と、一対の
極板を持つ電荷貯蔵デバイス（例えば、コンデンサ）と
を含むワンデバイス・セルによつて達成される。

被制御電極の一方は、記憶ノードで、コンデンサ極板の
一つと接続されている。記憶ノードはセルの２進状態に
応じて、第１の電圧レベル、または第２の電圧レベルに
維持される。コンデンサ極板のもう一つは、第１の電圧
レベルと第２の電圧レベルとの間のほぼ中間の電圧レベ
ルに接続される。このことは、コンデンサ極板のもうひ
とつが接地されている（またはメモリ電源電圧に接続さ
れている）先行技術のワンデバイス・セルとは対象的で
ある。コンデンサ極板のもう一つを、第１の電圧レベル
と第２の電圧レベルの間のほぼ中間の電圧レベルに接続
することにより、コンデンサ両端間の最大電圧は、第１
の電圧レベルと第２の電圧レベルの差の半分に減る。

このことは、コンデンサ両端間の最大電圧が第１の電圧
レベルと第２の電圧レベルとの差そのままである、先行
技術（接地極板）のワンデバイス・セルとは対象的であ
る。コンデンサ両極端間の最大電圧が、１／２に滅るの
で、絶縁破壊電界強度を越えることなく、誘電体の厚さ
を半分にすることができる。すなわち、単位面積当り２
倍のキヤパシタンスが得られ、その結果コンデンサ面積
を半分にすることができ、２倍の密度のメモリがえられ
る。または、コンデンサ面積を接地極板セルと同じに保
つて、２倍の電荷へ貯蔵し、セルの雑音限界を２倍にす
ることができる。本発明の良好な実施例では、ワンデバ
イス・セルは、ソースおよびドレイン領域ならびにその
間のチヤネル領域をもつ、絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタ（ＩＧＦＥＴ、金属酸化物、半導体電界効果トラ
ンジスタないしＭＯＳＦＥＴとも呼ばれる）を含んでい
る。

ゲート電極は、チヤネル領域の上にあり、それから第１
の誘電体（例えば酸化物）層によつて分離されている。
ワンデバイス・セルのコンデンサは、その間に第２の誘
電体（例えば酸化物）を含む１対の極板を含んでいる。
コンデンサの１つの極板は、記憶ノードでソースまたは
ドレインに接続されている。ワンデバイス・セルの２進
状態は、記憶ノードの電圧によつて示される。例えば、
２進ゼロについては、ゼロ・ボルトが記憶ノードに記憶
され、２進ｌについては、そこにＶＤＤ−ＶＴボルトが
記憶される。ただし、ＶＤＤは、メモリ電源電圧であり
、例えばワード回線電圧であり、ＶＴは電界効果トラン
ジスタの閾値電圧である。本発明によれば、コンデンサ
のもう１つの極板は、記憶ノードの電圧レベルの中間の
値、すなわち（ＶＤＤ−ＶＴ）／２をもつ電圧電源に接
続されている。

すなわち、コンデンサ両端間の最大電圧は、±（ＶＤＤ
−ＶＴ）／２である。このことは最大電圧がＶＤＤ一Ｖ
Ｔである接地極板セルとは対象的である。すなわち、絶
縁破壊の要件をなお充たしたままで、コンデンサ誘電体
の厚さをゲート誘電体の厚さの半分にすることができる
。コンデンサ誘電体の厚さが半分なので、キヤパシタン
スは２倍になる。従つて、接地極板セルに比べて２倍の
電荷を貯蔵することができ、又はコンデンサ面積を半分
にしそれによつてメモリ密度を２倍にすることができる
。本発明の集積回路ワンデバイス・セルの製造工程も、
開示される。

その工程は、チヤネルとコンデンサ極板上に第１の酸化
物層を成長させ、コンデンサ極板領域上の第１の酸化物
を除去するステツプを含む。チヤネル領域の第１の酸化
物層上およびコンデンサ極板領域上に第１の酸化物層と
同じ厚さの第２の酸化物層を成長させる。こうして、厚
さがコンデンサの酸化物領域の２倍のゲート酸化物領域
が形成される。〔本発明の実施例〕 第１図に、本発明のワンデバイス・セルの回路図を示す
。

ワンデバイス・セル１０は、ＩＧＦＥＴｌｌおよびコン
デンサ１２を含んでいる。ＩＧＦＥＴＩｌは、ソース１
３、ドレイン１４およびその間のチヤネル１５を含んで
いる。

ゲート１６はチヤネル１５の上にあり、それからゲート
酸化物１７によつて分離されている。コンデンサ１２は
、第１および第２の極板１８および１９を含んでおり、
その間にコンデンサ酸化物２１をもつ。ＩＧＦＥＴＩＩ
およびコンデンサ１２は次のように接続されてワンデバ
イス・セルを形成している。

ソース１３はビツト回線２２に接続され、ゲート１６は
ワード回線２３に接続されている。ド・レーン１４は、
記憶ノード２０で第１のコンデンサ極板１８に接続され
ている。当業者には理解されるように、ソースおよびド
レイン領域（それぞれ１３および１４）の接続を逆にす
ることができる。すなわち、ドレイン１４をビツト回線
２２に接続し、ソース１３を記憶ノード１８に接続する
ことができる。本発明によれば、第２のコンデンサ極板
１９は、記憶ノード２０がとる２つの電圧レベルの中間
の値をもつ電位電源に接続される。

さらに具体的にいえば、記憶ノード２０の２進電圧が２
進ゼロおよびｌについてそれぞれＶ。およびＶ，だとす
ると、極板１９は（Ｖ。＋Ｖ，）／２の電圧に接続され
る。このことは、極板１９が典型的には接地されまたは
ＶＤＤである、先行技術のワンデバイス・セルとは対照
的である。次に、第１図のワンデバイス・セルの動作に
ついて説明する。

当業者には理解される様に、ワンデバイス・セルは様々
な電圧レベルを用いて動作させることができる。この実
施例は、一つの動作方法を例示したものにすぎず、コン
デンサ破壊電圧を越えることなく本発明のワンデバイス
・セルが最小のコンデンサ面積でどのようにして必要な
電荷を貯蔵できるかを示したものである。待機モード中
、ワード回線２３を０Ｖに維持することにより、ＦＥＴ
ＩＩはオフになつている。

ビツト回線２２は高電圧レベルに（例えばメモリ電源電
圧レベルＶＤＤに）維持される。セルの２進状態は、コ
ンデンサ１２に貯蔵された電荷によつて決定される。２
進ゼロについては、記憶ノード２０が電圧レベルＶ。

（例えばゼロボルト）であり、２進１については記憶ノ
ード２０が電圧レベルＶ，（例えばＶＤＤ−ＦＥＴの閾
値電圧ＶＴ）である。本発明によれば、極板１９はＶ。

とＶ，の中間の電圧、この場合（００−１）／２に維持
される。すなわち、記憶去れてゼロについては、コンデ
ンサ両端間の電圧は一（００−ＶＴ）／２であり、記憶
された１についてはコンデンサ両端間の電圧は（ＶＯＯ
−Ｖェ）／２である。このことは、コンデンサ両端間の
電圧が記憶されたゼロについてはゼロ、記憶された１に
ついては（ＶＤＯ−Ｖ１）である、先行技術の接地設計
とは対照的である。同様にコンデンサ両端間の電圧が記
憶されたゼロについてはＶ。Ｏ、記憶された１について
はＶＴである、極板がＶＤＤ″の先行技術の設計とも対
照的である。このセルのコンデンサ両端間の最大電圧は
、先行技術による接地極板セルの最大電圧の半分なので
、コンデンサ誘電体の厚さを半分にし、それによつて最
大電界強度を越えることなく、単位面積当りのキヤパシ
タンスを２倍にすることができる。

本発明のコンデンサ両端間の最大電圧は半分であるが、
（記憶された１およびゼロに対するコンデンサ両端間
の電圧の差に比例する）貯蔵される全電荷は、先行技術
による接地極板セルと同じ，（すなわちＶ。Ｏ−ＶＴ）
であり、従つて雑音限界も同じである。ワンデバイス・
セル１０に２進データを書き込むには、ワード回線２３
をＶ。

Ｏに上げてＦＥＴｌｌをオンにする。２進ゼロを書き込
む場合、ビツト，回線２２をＯボルトにして、記憶ノー
ド２０をＯボルトにする。

２進１を書き込む場合、ビツト回線２２をＶ。

Ｏ−Ｖェにして、記憶ノード２０をＶ。Ｄ−ＶＴとする
。次にワード回線２３をゼロに戻してＦＥＴを１１にオ
フにする。ワード回線２３をＶ。

Ｏまで上げ、ビツト回線２２を浮かせることにより、２
進データがワンデバイス・セル１０から読み取られる。
次に、記憶ノード２０がＯボルト （２進ゼロが記憶さ
れている）の場合、負電荷が記憶ノード２０からＩＧＥ
Ｔ．ｌｌを経て、ビツト回線２２に流れる。または、ノ
ード２０がＶ。Ｏ−Ｖェ（２進１が記憶されている）の
場合、電荷は流れず、ビツト回線２２上で、電圧変化が
起こらない。ワンデバイス・セル１０および先行技術に
よる接地極板セルに対する・差分読み取り信号は同じ（
すなわちＶ。Ｏ−Ｖ１）であり従つて両方のセルの雑音
限界も同じになることが認められる。また、ゲート酸化
物１７が十分に厚くて、破壊なしに電圧Ｖ。Ｄ−ＶＴに
耐えられる場合、コンデンサ酸化物は、半分の厚さでよ
いことも注目すべきである。すなわち、単位面積当りの
キヤパシタンスが２倍になり、その結果コンデンサ面積
を半分にすることができる。第２図ないし第４図に、第
１図のワンデバイス・セルの集積回路構造を示す。

第２図に示すように、Ｐドープ・シリコン基板２４上に
セルを製造する。ただし、当業者には理解されるように
、Ｎドープ基板を使用することもできる。分離領域を基
板上に形成する。第２図の実施例では、分離領域は、従
来の方法によつて形成された埋設酸化物分離領域である
。ただし接合その他の従来の分離方法も使用できる。次
に、Ｐ基板２４上に第１の酸化物領域を成長させる。

酸化物２７は、通常の熱酸化方またはその他の方法で形
成することができる。例えば、酸化物層２７の厚さは、
コンデンサの酸化物の厚さ（すなわちゲート酸化物の厚
さの半分）に等しくしても良い。次に通常のフオトリソ
グラフイ技術によつてフオトレジスト・マスク２８を形
成して、第１酸化物層２７のＦＥＴゲート酸化物領域の
上にあたる部分をマスクし、第１酸化物層２７のコンデ
ンサ酸化物領域の上にあたる部分を露光する。次に第３
図を参照すると、Ｎドープ領域３１を注入する。

Ｎ領域３１はコンデンサの第１極板１８となる。Ｎ領域
３１とＰ基板２４の間の絶縁を改良し、記憶キヤパシタ
ンスを増大させるために、Ｎ領域３１より前にＰ＋領域
３２を注入することもできる。次に、第１酸化物層２７
の露光部分を従来のエツチング技術によつて除去し、フ
オトレジスト２８を除去する。再び第３図を参照すると
、次に第２の酸化物層２９を成長させる。

第２酸化物層は、酸化物領域２７と同じ厚さ（すなわち
、コンデンサの酸化物の厚さ）であり、従つて、第１酸
化物領域２７と第２酸化物領域２９の部分は、Ｎ領域３
１の上にある第２酸化物領域２９の部分のほぼ２倍の厚
さをもつ組み合わせ酸化物層を形成している。次に第４
図を参照すると、従来の技術を用いてＮ＋領域３３およ
び３４（Ｐ＋接合分離領域３５の形成は随意）を注入す
る。次に従来技術によつて電極３６および３７を形成す
る。当業者には理解されるように、電極３６および３７
は、金属、ポリシリコンまたは当分野で使用されるその
他の電極材料とすることができる。また、注入領域３３
および３４を電極３６，３７の後で作つて、自己整合さ
せた構造をもたらすこともできる。第１図と第４図を比
較すると、Ｎ＋領域３３はソース１３とビツト回線２２
に対応し、Ｎ＋領域３４はドレイン１４に対応する。チ
ヤルル１５は、Ｎ＋領域３３と３４の間にある。電極３
６はゲート１６およびワード回線２３に対応する。第１
酸化物層２７および第２酸化物層２９の部分は、ゲート
酸化物１７を構成する。Ｎ領域３１は、コンデンサの極
板に対応し、電極３７はコンデンサの極板１９に対応す
る。電極３７とＮ領域３１との間の第２酸化物層２９の
部分は、コンデンサの酸化物２１を構成する。本発明に
よれば、電極３７は（Ｖ。＋Ｖ，）／２の値をもつ電圧
電源に接続される。当業者には理解されるように、Ｎ領
域３１はＮ＋領域３４と物理的に接触して記憶ノード２
０を形成しなければならない。

また、第２図ないし第４図に示した構造で下部電極３１
，．誘電体２９および上部電極３７から成る拡散記憶コ
ンデンサが形成される。下部電極３１に存在は、上部電
極３７のあらゆる電圧条件で電荷貯蔵用のコンデンサ極
板が存在することを確保するための必要である。下部電
極が酸化物の下の反転電荷領域から成る反転記憶コンデ
ンサは、反転領域が電荷を受入れてその電圧を上部電極
３７の電圧以上に上げることがないために、本発明には
使用できない。すなわち、上部電極３７を（ＶＤＤ−Ｖ
Ｔ）／２にすると、反転記憶領域の電圧はこの値を越え
ることができない。このためノード１８によつて実現さ
れる最大に電圧が半分になり、本発明によつて得られる
利点が打ち消される。また当業者には理解されるように
、本発明のセルを作成するのに、ワンデバイス・セル形
成の他の方法も使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のワンデバイス・セルの回路図である
。 第２図ないし第４図は、各製造ステツプにおける第１図
のワンデバイス・セルの集積回路構造体の断面図である
。１０・・・ ・・・ワンデバイス・セル、１１・・・
・・・ＩＧＦＥＴ、１２・・・・・・コンデンサ、２
０・・・・・・記憶ノード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ トランジスタとコンデンサとを接続して記憶ノード
   を構成したワンデバイス・メモリ・セルであつて、前記
   記憶ノードが記憶すべき２進状態に対応して第１電圧レ
   ベル又は第２電圧レベルとなるものにおいて、前記コン
   デンサの極板のうち前記トランジスタに接続されない方
   に、前記第１電圧レベルと前記第２電圧レベルとのほぼ
   中間の電圧レベルを印加するようにしたことを特徴とす
   る、ワンデバイス・メモリ・セル。 ２ 前記トランジスタが電界効果トランジスタであり、
   前記コンデンサを構成する絶縁層の厚さが、前記電界効
   果トランジスタのゲート絶縁層の厚さのほぼ半分となつ
   ている、特許請求の範囲第１項記載のワンデバイス・メ
   モリ・セル。