JPS6266663A - 半導体メモリ - Google Patents

半導体メモリ

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Publication number
JPS6266663A
JPS6266663A JP60206819A JP20681985A JPS6266663A JP S6266663 A JPS6266663 A JP S6266663A JP 60206819 A JP60206819 A JP 60206819A JP 20681985 A JP20681985 A JP 20681985A JP S6266663 A JPS6266663 A JP S6266663A
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JP
Japan
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region
channel
drain
source
gate
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Application number
JP60206819A
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English (en)
Inventor
Takahiro Yamada
隆博 山田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6266663A publication Critical patent/JPS6266663A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices

Landscapes

  • Semiconductor Memories (AREA)

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】 産業上の利用分野 本発明は、非破壊読出しが可能で高密度化に有利な半導
体メモリに関する。
従来の技術 半導体メモリ、とくにダイナミックランダムアクセスメ
モリ(以後d−RAMと略記す。)の高密度化は極めて
著しい。1トランジスタ1キヤパシタ構成といった、最
も簡単な回路形式をもつd−RAMの高密度化は、専ら
各構成要素の微細化により達成される。従って、絶縁ゲ
ート型(以後MOS型と略記す)トランジスタのソース
・ドレイン間隔(以後チャネル長と略記す)は短くなる
一方である。現在、通常のLSI(大規模集積回路)S
iプロセスの下では、構成要素としてMO8電界効果ト
ランジスタ(以後MO8FETと略記す)が用いられる
。高速動作を有利とするため、通常第10図のようなn
チャネル構造が採用される。
p基板601上にソースのn 領域602、ドレインの
n 領域603が形成され、ゲート酸化膜604上にゲ
ート電極であるn+ポリシリコン領域605を形成する
606はフィールド酸化膜、607はPSG膜である。
608.609はそれぞれA2等を用いたソース電極、
ドレイン電極である。610は基板電極である。p基板
601とフィールド酸化膜606の間のチャネル形成は
チャネルストッパーのp 領域で防止する。勿論、ゲー
ト酸化膜604等がその一部にうすい513N4膜を含
むこともある。又、第10図の表面に通常はパシベーシ
ョン膜が設けられる。
第10図のように構成されるMOSFETの一方の電極
、例えばソース領域に直接電極゛をとらずに、その上に
絶縁膜を設けて、絶縁膜を介して電極を設けた構造、あ
るいは、ドレイン領域にn+ポリシリコンで電極をとっ
て、そのポリシリコン表面をうずく酸化して設けた酸化
膜上に電極を設けた構造はそのまま1トランジスタ1キ
ヤパシタ形成のd−RAMセルになる。その等何回路が
第11図(、)でゲート電極605がワード線701に
、ドレイン電極609がビット線702に接続される。
703.704はそれぞれMOSFET(T1)と蓄積
容量(Cs)である。
書込み時は、ビット線702に書込み電圧VW(〉0)
を加え、ワード線701にVG(>O)を加えるとMO
SFET(T1)が導通状態になり、蓄積容量C8から
第11図(C)めように電子がビット線702に流出す
る。ワード線701、ビット線702に印加子る電圧を
順次零にして書込みは完了する。この状態がメモリの保
持状態となるが第11図(d)に示す様に、ソースのn
+領域602は電子が不足して正に帯電し、p基板60
1と逆バイアス状態になるので、記憶内容は長時間保持
される。第10図ではMOSFET(T1)の基板バイ
アスについて触れなかったが、基板電極610に負電圧
を印加するとソースのn+領域602とp基板601と
の逆バイアスが一層強められ、記憶内容の保持に有利と
なる。
読出し時は、ワード線701だけにVG(>O)を加え
ることで、MOSFET(T1)が導通状態になシ、第
11図(−)に示す様に、電圧印加が零のビット線70
2に接続されたドレインのn+領域603から電子がソ
ースのn+領域602に注入され、読出しを完了する。
この様な、d−RAMは、一時的にキャパシタ領域に電
荷を蓄積させ、蓄積された電荷の保持時間が経過した時
だけでなく、保持時間以内に読出しが行なわれる場合に
もメモリセルに蓄積されていた電荷が読出しと同時に消
えてしまう。従って読出しは1破壊読出し2である。こ
の為、保持時間毎に行なうリフレッシュ(再書込み)が
、読出しの度に必要となり、メモリの高速化を制限する
原因となる。
そこで、読出し時のリフレッシュが不要となる”非破壊
読出し”のd−RAMが考えられて来た。
代表的な例は次の5つである。
■ CCセ/l/ : K、Terada et al
、 rア ニュー ブイエルニスアイ メモリセル ニ
ージンクキャパシタンス カップリングJ (A ne
wVLSI  memory cell using 
capacitancecoupling)(CCce
ll)、  アイイーイーイー トランザクション エ
レクトロン デバイシ、I’(IEEETrans、E
lectron Devices) 、 vol ED
−31゜PP、1319〜1324 1984 ■ T R−DMOS  セル: K、Terada 
et a、1.rアドバンスト ディーモスメモリセル
 ニージングアニュー アイソレーシヨン ストラクチ
ュアー」(Advanced DMO8memory 
cell using anew  igolatio
n  5tructure)、アイイーイーイートラン
サクション エレクトロン デバイシズ(I EEET
rans、Electron Deviceg)、vo
l ED−31。
PP 、1308〜1313 、1984 。
■ TIセA/: J、E、Leiss et al、
rディーラムデザイン ユージング ザ タバーアイソ
レイテッドダイナミック ラム セkJ ”d−RAM
  designusing  the  taper
−isolated dynamic RAMcell
”、アイイーイーイー トランザクション エレクトロ
ン  デバイシズ(I EEE  Trans 、E1
eatronDevices)、vol、ED−29,
P了07 、1982 。
■ DSCセA/ : T 、Taushiya at
 al 、r ニー−ダイナミック ラムセル フォー
 ブイエルニスアイ メモリーズJ、、(New dy
namic RAM cellfor VLSI me
morie+s)、アイイーイーイー トランザクショ
ン エレクトロン テハイス レタース(IEEE  
Trang、Electron  Device  L
et會ers)。
vol EDL −31982。
■ 10MOSセル: A、G、Eldin、et a
l r 7ノベル ジェイシーモス ダイナミック ラ
ムセルフオーブイエルニスアイ メモリースJ (A 
novelJCMO8dynamic RAM  de
ll  for VLSImemorivs)、アイイ
ーイーイー、ジャーナル オプソリッド ステート サ
ーキット(IEEE Journalof  5oli
d−state C1rcuits)、vol SC−
20゜A3 、PP715〜723.1985 。
以上を比較したものが第1表である0 (以下89) これらの中で、構造、動作ともに単純で、性能的にもバ
ランスのとれているTIセルについて第12図をもとに
述べる。
第12図(−)はTIセルのチャネルに沿った断面、第
12図(b)はチャネルと直角な断面図である。p基板
801表面にソースの♂領域802、ドレインのn+領
域803、チャネルのn領域804、チャネルのn領域
804の表面に電荷蓄積部のp+領域805、ゲート電
極8o6、=チャネルストッパーのp+領域807から
成っている。
ソースのn+領域802は読出しビット線、ドレインの
n+領域803は読出しワード線、ゲート電極806は
書込みビット線に夫々接続され、第13図のタイミング
パルスで制御される0第12図(C)〜(q)は、第1
2図(b)のB−B/線に対応したエネルギーバンド図
、第12図色)〜(k)は、第12図(−)のA−X線
に対応するエネルギーバンド図を表わす〇 第12図(C) 、 (h)は、夫々、熱平衡状態のエ
ネルギーバンド図を表わし、第12図(りのt=t′o
に対応する。
t=t  :@1−情報の書込みを行なう。第12図(
d) 、 (りが対応するエネルギーバンド図で、p基
板801から電荷蓄積部のp+領域805へ正孔が注入
される。
書込みパルスが除去されたp+領域805に蓄積された
正孔はそのまま保持される。
t ”= t2:”1#情報の読出しを行なう。第12
図(@1) 、 (j)が対応するエネルギーバンド図
で、p+領域805に蓄積されている正孔により、チャ
ネルのn領域804の電位障壁が低くなりソースのn+
領域802からドレインのn+領域803へ電子が流れ
る事で読出しが行なわれる。
p+領域805の正孔は蓄積されたままであるから、何
度でも非破壊読出しが可能である。
t=t3 :@o”情報の書込みを行なう。これは゛1
#情報のリセットでもある。第12図(f)が対応する
エネルギーバンド図である。″″1111情報する正孔
がp+領域806に存在すれば、この時にp基板801
に排出される。
1=14:“0#の読出しを行なう0第12図(q)。
(k)が対応するエネルギーバンド図である。この時、
ソースのn+領域802からドレインのn+領域803
へ、“11の読出し時より少ない電子がバイアス電流と
して流れる。
発明が解決しようとする問題点 この様なd−RAMの高密度化(すなわち微細化)を進
める際、次の3つの問題点を克服する事が必要である。
〔第1の問題点〕 ソフト・エラー(原因:α粒子)d
−RAMの高密度化は、メモリセルの面積減少をもたら
し、蓄積容量C8も小さくなるO書込み状態でビット線
にVyが印加されると蓄積容量 。
内で制御される電荷Qはo=cs−vwであるから、高
密度化と共に減少する。例えば蓄積容量C8を10μm
角で、300人ノ5lo2テ作ると、C!S = 0.
12 pFとなシ、VW = 5 (y)とすればQ=
C3aVw=6X10  、(Q)         
Ijrとなシネ足電子数(空乏電子数ともいう。)にす
 2ると3×10 個程度となる。
ところで、半導体のパッケージ材料中に微量含まれる放
射性元素(V、Thなど)より放出されるα粒子(第2
表参照)のエネルギーは5MeV前後の値と言われ、シ
リコン基板に入射すると約1.4×106個の電子・正
孔対を発生し、蓄積容量C8の情報を第14図(−)〜
(d)のように変えてしまう事が起こる。従って蓄積容
量の電荷の保持状態が完全でも、1個のα粒子の照射で
消滅あるいは生成してしまう訳である。
第2表 各種パッケージ材料のα線強度材 料   チ
・プへの影響力   “線束(“′ h )現状 最終 、サーディツプの場合はチ ツブの上 ′/″す ・側面ろう付はセラミック 0°1〜0゛6
0′01〜0°05の場合 ・サーディツプの場合は低 角度 がう7 ・グレーズドセラミック   1〜60  0
°01ふたの場合とり ・側面ろう付はセラミック≦。、。1〜。、5 く。、
。1〜の場合はチップの上 °う7チ7り °チップ直上        0.05
〜2.0  0.01〜0.05:ツケージ α粒子がSi中に照射された時の損失割合を第15図(
a) 、 (b)に示す。第16図(、)の曲線■は、
α粒子が原子核との衝突でエネルギーを失なう場合の特
性であり、曲線■は電子との衝突でエネルギーを失なう
時の特性である。横軸はα粒子のエネルギーE、縦軸は
進入方向距離Xに対するα粒子のエネルギーEの損失率
(阻止能とも呼ぶ)である。
Eが小さい時は、はとんど原子核との衝突により、又E
が大きい時は、はとんど電子との衝突によりα粒子はエ
ネルギーを失なうo El、 E2 、 E3の値は、
α粒子がStに入射した場合、概略、5506V、 2
.4 KeV、 360 KeVである。
第16図(b)は、電子との衝突により電子・正孔対を
発生して、α粒子がエネルギーを失なう割合を示す◇ α粒子が電子と衝突してエネルギーを失なう過程は、エ
ネルギーE>E3では、大体1/Eに比例し、E<E 
 では、大体tに比例する・dE    A すなわち、  ax =E  (E>E3)・・・・・
曲(1)−”−= KH(E<E3)  ・・・・・・
・・・・・・・・・(2)ax である、(A、には定数) 入射時の初期エネルギーEiユを持つα粒子が81中に
侵入する深さは、 R” 2A (Ein +3E3 )”・・・・・・・
・・・・・・(3)で与えられる。
α粒子により、その軌跡に病って励起される電子・正孔
対の線密度n(x)は、 但し、E9は電−子・正孔対を発生するのに必要なエネ
ルギである。
(1) 、 @) 、 (3) 、←)式より、(R≧
x ) x3) となる。但しx3は、4粒子のエネルギーがE3になる
距離である。Si中においては、A = +5.I X
 105(KeV )2/prn 。
E=3.θeV である。Eiユ=5MmV  とすると、4粒子の侵入
深さは約25μmとなる(特開昭56−38860号公
報)。
従って、6MeV前後のエネルギーで照射されるα粒子
は、St 半導体表面では、あまり電子・正孔対を作ら
ず、90%以上のエネルギーを失なった時に最も激しく
電子・正孔対を生成する。α粒子は初期エネルギーによ
るが、通常Si中に10〜30μm程度侵入すると考え
られている。
従って、侵入深さぎりぎりの所で最も多くの電子・正孔
対の生成を行なうことになる。第15図(C)に5Me
V のα粒子がSiに入射した時のエネルギーεと電子
・正孔対密度を示す〇 この様なα粒子の影響を回避するためにα粒子の発生が
少ない材料を使用する等が試みられているが、Si 基
板そのものに対する根本的な解決策はまだ提案されてい
ない。
但し、第1表に見る様に非破壊読出しのd−RAMでは
α粒子の影響はほとんどない。
〔第2の問題点〕ホット・キャリア効果(原因:高電界
)d−RAMの高密度化すなわち微細化は通常“比例縮
少側”(スケーリング則ともいう)を設計手法に用いて
実施される。ところが、システム側からの電源電圧をT
TLレベルに合わせたという要求と、高性能を第1に考
える回路では高い電圧で動作させたいという希望がある
ため、電源電圧だけは比例縮少されていない。
電源電圧を下げずに微細化したMOSFETにおいては
、ゲート長、ゲート酸化膜、ソース・ドレイン接合深さ
の縮少化と、チャネル部分の不純物濃度の増大により、
素子内部の電界が上昇する。
この高電界によりチャネル中を流れる電子はホットにな
り、ドレイン近傍で、第16図(、)の様に衝突電離を
引き起こし、多数の電子・正孔対を生成する。この発生
したキャリアのうち、一部は酸化膜界面へ向かい、酸化
膜内へ注入され、一部が捕獲されたシ、界面準位を生成
する。注入電子のうち大きいエネルギーを持つものはゲ
ート酸化膜を透過し、ゲート電極に達してゲート電流と
なる。
他方、生成された正孔のうち、基板へ流れるものは基板
電流l5ubとなる。この基板電流工、ubはソースの
n+領域近傍の基板電圧を増大させ、ソースル基板電圧
がほぼo、eVになるとソース礫基板間の接合は順方向
にバイアスされ、電子がソースのn+領領域らp基板に
注入されるOこの結果、ソースのn+領領域p基板、ド
レインのn+領領域n −P −!lバイポーラトラン
ジスタと同じ動作を示し、ドレイン降伏電圧BvD、u
bより小さなドレイン・ソース間降伏電圧BvDsが支
配的になる。これを次に示す。
・・・・・・・・・・・・・・・(6)但しL:チャネ
ル長、LD:拡散長 (6)式からLの減少と共にBvDsの減少する事カー
盆かるO (「テクニカル ダイジェストJ (Ref、E、5u
net al 1978  IEDM  Techni
cal Digest。
P、478〜)) この様な、pn接合の高電界が原因となってホットキャ
リアの発生を防ぐために高耐圧構造(例えばLow D
oped Drain、  略してLDD構造)の工夫
が試みられているが、必らずしも有効ではなく高電界発
生そのものを低減するような根本的な対策は提案されて
いない。
〔第3の問題点〕短チャネル効果(原因:パンチスルー
)短チャネルMO8FETに対し、チャネル長が、ソー
スの空乏層とドレイン拡散との和と同程度になると閾電
圧が下がる事が知られている。この条件下のnチャネル
MO8FETの断面図が第17図(−)である。
ゲート電圧によって誘起される空乏層内の電荷は、底辺
が各々1.!:11で、高さhの台形の面積内にあると
近似される。この電荷の量(単位面積あたりの電荷量と
定義する)は近似的に、pdepl =qhNA(at
11’)/21・・・・・・・・・・・・(7)となる
。これが、閾値において、ゲートによって誘起されるべ
き空乏層の電荷である。短チャネルの時、21は著しく
、2より短かくなり、実際a1→0となってパンチ・ス
ルーが生じる。パンチ・スルー電流は表面から離れた深
い所を流れる。
b’V47@9!−’:i層0幅′1・ 1r=(2g
vDB/ctNA)   ++++++++++(8)
Lが長い時、(7)式のpdeplは一定値pL=@h
NA/2に近づく。ρ、と、酸化層の容量C0を用いる
と閾値が次式で与えられる。
(9)式から、ソース又はドレインに電位があるとvc
〉0となるから、ゲート下の空乏層内の電荷の減少を引
き起こし、従って閾値電圧の減少と々る。又、d−RA
Mでよく用いられる基板ノくイアスミ圧VB(<O)も
、(@式から、VTを低下させる原因であることが分か
る([テクニカル ダイジェストJ (Ref、H,C
,Poon at al 1973 IEDMTech
nical Digest P、166 ) )。
パンチ・スルーは、ソースとドレイン分離している電位
障壁の低下をもたらし拡散電流を流れ易くする。もしド
レイン電圧が印加されるとドレイン側の空乏層は広がり
電位障壁は更に低くなる。
この様子は第17図(ロ)に示されている。第17図(
b)はゲート印加電圧が一定の場合のポテンシャル分布
で(ここではVG=1.sVとしである)チャネル長と
ドレイン電圧のみが変化している。曲線AではL=e、
2s(μm)、VD5=o、s(V:] を曲線Bでは
L = 1.2s(μm〕、Vp3=o、6(V:] 
、曲線CではL =1.25(μm)、VD3=5(V
)とした。これまで短チヤネル化で問題となる。パンチ
・スルーを抑圧するだめの種々の試みがなされているが
、パンチ・スルーの発生を原理的になくする様な、根本
的な対策は、提案されていない。
以上より、非破壊読出しが可能なd−RAM(Nond
estructive d−RAM 、以下、”Nd 
d−RAM’又は“Nd2−RAM″と略記する。)に
おける解決すべき問題点は、 (1)ホット・キャリア効果に伴なう耐圧低下、(4)
短チヤネル効果に伴なう閾値低下、の2つに絞られる(
勿論、α粒子に対する対策は盛り込まれているという前
提を置いている。)。
問題点を解決するだめの手段 本発明は、Nd2−RAM7モルセルを構成するMO3
型トランジスタ部の、■ ソース、ドレインのn+領領
域浮遊ゲートのp+領領域p基板上のnエピ(又はnウ
ェル)中に形成し、■ しかもソースとドレインの間の
埋込みチャネルが主動作領域で完全空乏化する様に(つ
まり、チャネル内に中性領域が発生しないように)チャ
ネル濃度を低減し、チャネル寸法を選定するものである
作  用 本発明は、上記手段の、0に対応して、■′ チャネル
の空乏層が、ソース、ドレインによって形成されるので
はなく反対導電形のp基板、チャネルストッパーのp+
領領域より形成されるので、原理的にパンチ・スルーは
生じないから、閾値低下が微細化と共に生じなくなり、
■′チャネルの完全空乏化により電界の要部集中が大幅
に緩和されるため、ホットキャリアが発生しなくなり、
例え、発生したとしても、ソース、ドレイン、埋込チャ
ネルは同一導電形なので横方向にnpn)ランジスタは
形成されないから、耐圧低下も生じない。
この事により、非破壊読出しが可能で高密度化(つまり
微細化)に適したNd2−RAMメモリセルが実現する
実施例 第1図は、非破壊読出し可能で高密度化に適した本発明
の“Nd −RAM セル″であり、同図(a)。
(b) 、 (c)はそれぞれ、平面図、A−A′断面
図、B−B′断面図を表わす。
p基板101(不純物濃度N−1012〜1017傭−
)上に形成されたnエピ1o2(以下、議論をnエピで
集めるが、p基板101上にnウェルを形成した場合も
全く同等である事は勿論である。どちらの場合も、N=
1o  〜10  cm  )領域内にソースの♂領域
103(N=10”〜1020cm−5) 、ドL/ 
イア (7) n” 領域104 (N =10” −
1O20l−m−’) 。
電気的に浮遊(フローティング)状態のゲートのp+領
域106 (N=10”−1020an−3)が形成さ
れ、ゲートのp 領域106上のゲート酸化膜106の
上には絶縁ゲート電極であるp+ポリシリシリコン領域
107の上にW、Mo、Tiなどの金属、シリサイドを
重ねても何ら問題がない事は勿論である。)。
108はフィールド酸化膜、109はPSG膜である。
ソースの♂領域103からはA2等を用いたソース電極
110が取出され、読出しビット(RB)線を形成する
。またドレインのn 領域104からもAft等を用い
たドレイン電極111が取出され、読出しワード(RW
)線を形成する。
nエビ中102中のNd −RAMセルのトランジスタ
部分はチャネルストッパーのp+領域112で囲まれて
いる。113は基板電極である。
本実施例のnエピ102は、主動作状態で完全空乏とな
っているが、ソース、ドレインと同一導電形のためドレ
イン電圧と共にドレイン空乏層な広がり、ソース空乏層
と広範囲に接触するパンチ・スルーは原理的に生じない
そこで、本実施例の様にソース、ドレインに依存しない
完全空乏状態をリーチ・スル%−と定義する(一般の埋
込みチャネルは、中性領域が、主動作状態で存在するの
で、本発明とは異なる。)。
第1図(a)、(ロ)、(C)におけるリーチ・スルー
条件を第1図(d) t (e)から導びく。第1図(
d) 、 (e)は第1図(a) 、 (b)の主要部
だけ取り出して描いたのであるが、空乏層の分布、中性
領域115の存在がよく判る様に、チャネル深さをTE
’ (>TE )と大きくしている。
使用するパラメータを次に列記する。
(1)縦方向リーチ・スルー条件 (U)  横方向のリーチ・スルー条件ここでnエピ1
02のかわりにnウェルを用いた場合は、 上に示した縦方向と横方向のリーチ・スルー条件が満た
される事により、主動作領域でチャネルとなるhエピ1
02は完全空乏状態となる。
ゲートのp+領域105は、正孔の蓄積も行なうところ
であるので、ゲート電極をp ポリシリコンとしている
以上の様に本実施例の構造によれば、チャネル領域(す
なわちnエピ領域102)がソース、ドレインと同一導
電形であるため、ソース、ドレイン及びそれらの電位が
原因で空乏層は生じない。
従ってパンチ・スルーという現象は原理的に生じないか
ら、短チヤネル化に伴なうvTの低下は生じない。
一方、チャネルの完全空乏化は、nエピ102に接する
p基板1o1、ゲートのp+領域106、チャネルスト
ッパーのp+領領域実現するリーチ・スルーであるから
、vTはむしろ増加する傾向を有する事になる。
又、完全空乏化したチャネルの表面より深い所を電流が
流れる埋込みチャネルであるため、低雑音、高速特性な
ども従来のd−RAMセルで用いている表面チャネルに
比べ2〜3倍改善される。
さらに、チャネルが完全空乏状態なので、電界が局所に
集中する事はなく、なだらかな勾配を持つ分布となり、
ホット・キャリアの発生が著しく低減し、しかもチャネ
ルとソース、ドレインが同一導電形のため、npn 寄
生トランジスタは決して存在しないので、ホット・キャ
リアに起因する耐圧劣化という問題は完全に解決される
その上、n/p エビ基板を用い、しかも”1”、又は
°0#情報の記憶は、ゲートのp+領域106への正孔
の注入又はp+領域106から正孔の排出する事で実施
するため、エビ層厚TEが第16図(、)にもとすいて
10〔μm〕以下であれば、α粒子の照射によってp基
板101内で発生する電子・正孔対のうち正孔はp基板
101の基板電極113から外部に排出され、電子はp
基板101内を拡散しながら再結合により消滅する。従
ってp基板として高濃度p+基板を用いたn/p+エビ
基板が利用されるならば、6粒子に対する耐性も一層増
し、蓄積容量の低減が可能となり、微細化・高密度化に
極めて有利となる。
又、ゲートのp+領域106と、ソースのn+領域10
3、ドレインのn+領域104及びチャネルのnzピ1
02は、5IT(Static IdMctionTr
ansistorの略称; Raf:工、Niahiz
awa atal、アイイーイーイー トランザクショ
ン(I EEETrans+、) vol ED−22
,44、P、186− 。
1975)の機能を実現することが可能で、埋込みチャ
ネル構造を有するMOS−3I T (BC形MOS−
3IT)として本発明者が実現した素子と同一である。
これは、第1図(f)に示す鞍部点状の電位障壁116
がゲートのp 領域106近傍に現われ、この電位障壁
116の高さが主として、ソースからドレイ/に向って
電位障壁を越えて流れるキャリア(ここでは電子)の流
量制御を行なう。この電位障壁116は本質的なゲート
の機能を有するので、”固有ゲート″とも呼ばれ、この
電位障壁116の存在する領域114を゛固有ゲート領
域114”と呼ぶ。
なお、鞍部点状の電位障壁115を越えてソースからド
レインへ流れるキャリアはチャネルの中心部116に集
中して流れるのがSIT機能における特徴である。
第1図中)のソースのn+領域103と固有ゲート領域
114の中の電位障壁との間の抵抗をr8、電位障壁1
16が本来有する相互コンダクタンスをq。とじ、外部
にみかけ出現われる相互コンダクタンスをqm′と一力
用ず、 の関係式においてq ・)1が成立つ様になる(普通の
構造では、qm””s <<’であり、潜在的に有する
q より小さなqm′シか利用していない。)。
従って(16)式より qm’Σqmとなり、固有ゲー
トのqmがそのまま利用できる事になる。これが、SI
Tの機能の特徴である。
r8 の低減に伴ない極めて高速、低雑音特性を有し、
qmが大きいので駆動能力も大きく、微細化に最も有利
となる。しかし、結合容量等の存在により、パンチ・ス
ルーではないが、ドレイン電圧により電位障壁、115
が影響を受けるようになるので、ドレイン電流はドレイ
ン電圧に対して不飽和特性を示すようになる。
Nd2−RAMの設計において、ドレイン電流の不飽和
特性が特に問題とはならないが、電位設定を正確に行う
事が必要な場合は、電圧利得が十分とれる飽和特性の方
が望ましい。これは、増幅器として一段当たりの利得を
AVとすると、となり、rpの大きい時、つまり飽和特
性の時にAVは大きくなるという事にもとすいている。
ドレイン電流の不飽和特性が有する高いqmを維持した
まま、飽和電流特性を実現する方法は、本発明者により
l5IS−8ITという構造が提案された。
具体的には、第1図(a)〜(C)において、ゲートの
p+領域105とドレインのn+領域104との距離を
LGD とするとき LGD > WG        ・・・・・・・・・
・・・・・・  +1gンが成立すればよい。
この時に、電位障壁115は、チャネルストッパーのp
+領域112の静電遮へいによりドレイン電圧の影響を
受けなくなる。この結果、不飽和特性の高いqfnt維
持した飽和特性が実°現する。
(従来のFETの飽和特性は、(16)式に示したr8
 が大きく、その負帰還効果により発生した([ソリッ
ドステイト エレクトロニクスJ (Ref、H。
Tango et al :5olid−State 
Electronicsvol 13 、Pl 39〜
,1970 ))  ものであるから、動作機構そのも
のが違い、しかもqmは小さく、高速応答が困難であっ
た。) 次に、本発明の実施例の基本動作について、まず正孔蓄
積モードの場合を述べる。
第2図に示すタイミング・パルスを用いる。VGは書込
みビット線であるゲート電極107に印加され、VDは
読出しワード線であるドレイン電極111に印加され、
vsは読出しビット線であるソース電極(抵抗を介して
接地されている。)の電圧変化である。
〔正孔蓄積モード〕
t=t0:VG=VD=o  の初期状HでNa2−R
AMセルの基板厚み方向(第3図(、)のC−C/線に
沿った)電位分布が第2図(b)、Nd2−RAMのチ
ャネル方向(第3図(q)のD−D/線に沿った)電位
分布が第3図(h)である。
t =t 1: VG < O、VD= Oテ″″11
の書込みである。第3図(C) 、 (i)が対応する
エネルギーバンド図である。基板厚み方向の正孔に対す
る電位障壁が低くなり、p基板101から浮遊ゲートの
p+領域105に正孔が注入され、蓄積状態となる。
このあとvG=0となシル+領域105は正に帯電して
、″″1#b t=t2:vG=o、VD>oで、611の非破壊読出
しである。
第3図(d) 、 (j)が対応するエネルギー・バン
ド図である。浮遊ゲートのp+領域105に蓄積してい
る正孔は、チャネル方向の電子に対する電位障壁を大幅
に低下させるため、ソースのn 領域103から、ドレ
インのn+領域104へ多量の電子が流れ、ソースに大
きな@1″読出し電圧vsを生じる。
この”1”読出しは非破壊であるから、リフレッシュは
不要で、続けて何度でも読出す事が容易に出きるのであ
る。
t −t 3: VG ) O、Vp = Oで、@O
j′の書込みである。第3図(−) 、 (k)が対応
するエネルギー・バンド図である。基板厚み方向の正孔
に対する電位障壁が消え、p+領域105に蓄積されて
いた正孔は、p基板1o1に排出される。このあとvG
=0となり初期状態に戻る。すなわち、初期状態が@0
”情報の保持に対応する。
t=t4:VG =O、Vp )Oで、″″0′b情報
しである。第1図(f) i (わが対応するエネルギ
ー・バンド図である。チャネル方向の電子に対する電位
障壁は、わずかしか低下しないので、ソースからドレイ
ンへの電子の流れは極めて少ない。
従って″″0″0″読出はvs〉0であるが、1”読出
し電圧よりはるかに/JSさい。
この後、再び第3図(b) 、 (h)の初期状態に戻
り、次のサイクルに入っていく。なお、″″0#0#読
出vs=○とするには、VDと同期して点線で第2図に
示したわずかに負のパルスを加えたvGを用いればよい
次に、正孔空乏モードも可能であるから、同様に説明す
る。
〔正孔空乏モード〕
t=七〇:vG=VD=oの初期状態で、第5図中)、
山)が対応するエネルギー・バンド図である。
t=t1:Vd)o 、Vp =Oで、″1mの書込み
である。第6図(C) 、 (i)が対応するエネルギ
ー・バンド図である。基板厚み方向の正孔に対する電位
障壁が消え、浮遊ゲートのp+領域105より正孔がp
基板101にとり出され、p+領域105は空乏状態と
なる。このあとVG =Oとなり、p+領域105は負
に帯電して“1#情報を保持する0t=t2:vG=0
.VD>oで、”1’o非破壊読出しである。第5図(
d) 、 0)が対応するエネルギー・バンド図である
。ダ領域105の正孔が空乏状態のため、チャネル方向
の電子に対する電位障壁は、初期状態よシ高くなり、ソ
ースのn+領域103からドレインのn+領域104へ
の電子の流れはないので、11′読出し電圧はV s 
=。
である。
t =t3: VG <O、Vl) =Oで、’o”の
書込みである。第5図(−) 、 (k)が対応するエ
ネルギー・バンド図である。基板厚み方向の正孔に対す
る電位障壁は低くなり、p基板101から浮遊ゲートの
p+領域105に正孔が流れ込む。このあとVG=Oと
なシ、初期状態に戻る。
t=t4:vG=o、VD〉0で、IO#の読出しであ
る。第5図(f)、(わが対応するエネルギー・バンド
図である。この時、チャネル方向の電子に対する電位障
壁はわずかじか低下しないので、ソースからドレインへ
の電子の流れは極めて少ない。
しかし″′O′読出し電圧VS>Oだから1”読出し電
圧VS=Oとは、明確に識別できる。
この後、再び第5図(b) 、 (h)の初期状態に戻
り、次のサイクルに入っていく。なお、″′0#読出し
電圧をもう少し大きくするには、VDと同期してわずか
に正のパルスを加えた(第4図に点線で示した)■Gを
用いればよい。
以上の様に、本実施例のNd −RAMセルによれば、
従来問題であったホットキャリア発生に伴なう耐圧劣化
、短チヤネル化に伴なう閾値低下は存在せず、しかも、
動作原理も単純であるから、高密度化・微細化に極めて
有利である。
なお、微細化に伴ない、浮遊ゲートのp 領域105の
蓄積容量を増す必要が生じた場合、第3図のように、 
p+ポリシリコン301をp+領域106の電極として
用い、第2層のポリシリコン302をうすい絶縁膜30
3を介して設けて書込みビット線とする事により、p+
ポリシリコン301とポリシリコン302との間にキャ
パシタが形成され、p+領域106自身のキャパシタ容
量を増す事ができる◇ また、実施例の各領域の導電形を全て逆にしても、同様
に成り立つ事は明らかである。
次にNd2−RAMセルのキャパシタを、浮遊ゲートの
1領域を利用せずに、MOSキャパシタとする別の実施
例について述べる。
第7図(a)、(ト))は、その様−な、本発明の別の
実施例の平面図、A−A′断面図である。第1図と同一
の部分は同じ番号を附しである。異なる部分は、浮遊ゲ
ートのp+領域105のかわDK、正孔反転層401が
形成される所が設けである点である。
それ以外の構造特徴については、第1図で述べた全ての
事が適用される。又、動作についても、第3図(b)〜
(f)、第5図(b)〜(f)を第8図(−) 〜(i
)に置きかえるだけで、第3図、第6図で述べた議論が
そのまま適用される。
第8図の実施例の大きな特徴は、 LG>WG    ・・・・・・・・・・−・・・・・
・・・・・(/’?)という設計が容易なので、l5I
S−3ITの特徴も容易に付加できる点である。つまり
、高いqmと大きな電圧利得により、Md2−RAMセ
ルの駆動能力が増し、センスアンプの負担が軽くなる。
なお、第7図(b)の変形として、更に高密度化(微細
化)に有利な反応性イオンエツチング(RIE)を用い
て第9図(b)のように、ゲート電極107の一部を溝
堀り(又はトレンチ)構造にしてd−RAMのキャパシ
タ容量をより小さな面積で実現することも可能である。
発明の効果 本発明は、n/p+などのエビ基板を採用し、チャネル
部がソース、ドレインと同一導電形となる埋込チャネル
構造とし、しかも、チャネル部が主動作範囲で完全空乏
状態となり、チャネル内表面にソース、ドレインとは反
対導電形のキャリア蓄積領域を設けることにより、Nd
2−RAMの2大問題点である、■ パンチ・スルーに
よるvT低下、■ ホットキャリアの発生に伴なう耐圧
低下などがことごとく一掃された。
このため、上記■、■により制限されていた微細化の限
界は越える事が可能となり、一層の高密度化が可能にな
る。
しかも、本発明の構造は、Nd2−RAMを構成するト
ランジスタの性能も飛躍的に改善するので、高性能化が
併せて実現できる等、今後4Mビットd−RAM以降の
メモリの高速化にも適用できるもので、その工業的価値
は大きい◇
【図面の簡単な説明】
第1図(−)はn/p  エビ基板を用いた本発明の一
実施例のNd−RAMセルの平面図、第1図(b)は四
A−A/断面図、第1図(C)は同B−B’断面図、第
1図(d)は同空乏層と中性領域の分布図、第1図(e
)は同簡略表記した平面図、第1図(f)は同電位分布
の概略図、第2図は第1図の実施例の動作を説明(q)
のD−117線に沿ったエネルギーバンド図、第4図は
同正孔空乏モードのパルスタイミング図、第5図(a)
は第1図(a)のB−B’断面図、第6図(b)〜(1
)は第5図(a)のC−C’線に沿ったエネルギーバン
ド図、第5図(q)は第1図(a)のA−pz断面図、
第5図(h)〜(1)は第6図(q)のD−D’線に沿
ったエネルギーバンド図、第6図(−)は、2層ポリシ
リコンを用いた場合の平面図、第6図Φ)は第6図(−
)のp、 −A’断面図、第7図(−)は第1図のNd
2−RAMセルのキ1      7図のNd2−RA
Mのゲート電極を溝堀りで形成した状態を示す平面図、
第9図(b)は第9図(−)のA−A′断面図、第10
図は従来のd−RAMセルのトランジスタ部分の断面図
、第11図(、)は、従来1      のd−RAM
七−の等価回路図、第44図(b)〜(・)1    
  は同動作を表わすポテンシャル図、第12図(−)
は]      従来のNd −RAMセルのチャネル
方向断面図、第12図(b)は同チャネルと直角方向で
の断面を示1      す断面図、第12図(、)〜
(1c)は同エネルギー・バンド図、第13図は同パル
ス・タイミング図、第141      図(、)〜(
d)はα粒子でソフトエラーが生じる過程を1.、  
     示すエネルギー・バンド図、第16図(a)
〜(4はSt′:      〜・粒子の照射があ・た
場合の電子・正孔対の発:′ニ ア、: ・ド      生を説明する特性図、第16図(、)
は微細化したj”       MOSFETでホット
キャリアが発生し、耐圧が低□ 1.      下する過程を示すモデル図、第16図
(b)は同等価1   1.4.7ユa)a*aイ、L
−08−1−□ チャネル化と共にVTが低下し易くなシ、パンチ・スル
ーを生じる過程を示すモデル図、第17図(b)は同チ
ャネル電位分布図である。 101・・・・・・p基板、102・・・・・・nエピ
領域、103・・・・・・n+ソソー領域、104・・
・・・・n+ ドレイン領域、105・・・・・・p 
ケート領域、112・・・・・・チャンネルストッパー
、115・・・・・・電位障壁。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名′l
ブー5−−n’PLイン啼 )                    m−−−
P’(−L ・、’l           ja’r
−細・1::l                  
 n。 rat・・−?綺 ”’−=nxt’44 Isj−−n’y−ス  を 第  I   N                 
        f#””’ン ・to5−−−y”f
−ト ・ Ifクー−+、νイルス1ツハ一 第2図 t、=to  tIイ    t2     63  
   t4男 3 図 褐 4 図 第 6 図 ”           i        ″、  
      、      讐 第7図 第8図 第9図 第1a図 第13図 第14図 第15図 ?難〔χoral) 第16図 第17図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1導電形の基板上に第2導電形の領域を形成し
    、前記第2導電形の領域内に、第2導電形のソース領域
    、ドレイン領域、及び第1導電形の浮遊ゲート領域、チ
    ャネルストッパー領域が互いに接することなく存在し、
    前記浮遊ゲート領域の上には絶縁膜を介して第1導電形
    のゲート電極が設けられ、前記浮遊ゲート領域はソース
    領域とドレイン領域の間に置かれ前記第2導電形の領域
    は主動作領域で完全空乏となるメモリセルをマトリクス
    状に配列し、前記ソース領域が読出しビット線に接続さ
    れ、前記ゲート電極が書込みビット線に接続され、前記
    ドレイン領域が読出しワード線に接続される事を特徴と
    する半導体メモリ。
  2. (2)浮遊ゲート領域が、反転層で形成された事を特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の半導体メモリ。
  3. (3)反転層の一部が溝堀り形成された事を特徴とする
    特許請求の範囲第2項記載の半導体メモリ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH021163A (ja) * 1988-02-23 1990-01-05 Toshiba Corp 半導体記憶装置およびその製造方法
KR100267197B1 (ko) * 1996-07-19 2000-10-16 가네꼬 히사시 반도체장치및그제조방법

Cited By (2)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH021163A (ja) * 1988-02-23 1990-01-05 Toshiba Corp 半導体記憶装置およびその製造方法
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