JPS6321866A - 半導体メモリ - Google Patents

半導体メモリ

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JPS6321866A
JPS6321866A JP62119156A JP11915687A JPS6321866A JP S6321866 A JPS6321866 A JP S6321866A JP 62119156 A JP62119156 A JP 62119156A JP 11915687 A JP11915687 A JP 11915687A JP S6321866 A JPS6321866 A JP S6321866A
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/30DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/39DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells the capacitor and the transistor being in a same trench
    • H10B12/395DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells the capacitor and the transistor being in a same trench the transistor being vertical

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Medicines Containing Material From Animals Or Micro-Organisms (AREA)
  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Image Processing (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】 A、産業上の利用分野 この発明は、集積半導体メモリ回路に関し、さらに具体
的には、それぞれが2進数の情報をトレンチまたは溝に
記憶するための手段を用いる、非常に高密度のセルを備
えたメモリに関するものである。
B、従来技術 集積半導体メモリ回路、特に、実質的に記憶キャパシタ
およびスイッチを備えた集積半導体メモリ回路は、大き
なメモリ・セル密度を実現した。小型のダイナミック・
メモリ・セルをもたらすた力の最も簡単な回路の1つが
、米国特許第3387286号に記載されている。各セ
ルは、記憶キャパシタと、キャパシタをビット/センス
線に選択的に接続するためのスイッチとして働く電界効
果トランジスタを使用する。
米国特許第3811076号および第3841926号
には、上記の米国特許第3387286号に記載された
タイプの1デバイス式電界効果トランジスタ・メモリ・
セルが開示されている。このメモリ・セルは、ドープし
たポリシリコン居とP導電型の半導体基板中のN+拡散
領域を使用し、これらの層および領域は、ウェルの記憶
キャパシタを形成するため半導体基板の表面に設けられ
た誘電体によって分難されている。ポリシリコン1苦は
記憶キャパシタを超えて延び、負のバイアス、すなわち
、一定の負の電圧を印加することによりPa ”t&す
るセル間のフィールド・シールドとして働く、記憶キャ
パシタのN“拡散領域は、半導体基板の表面に設けられ
た絶縁層のドープした部分を用い、ドーパントを基板(
こ外方拡散することによって形成される。
上記のセルは、ブレーナ配列、すなわち、2次元配列の
高密度のセルを有するメモリをもたらすとはいえ、各セ
ルは半導体基板表面でかなりの面積を要する。各セルに
要する表面積の大きさを減少させるため、半導体デバイ
スまたはセルを3次元配列で形成する構造が考案された
。米国特許第4295924号には、自己整合導電層が
トレンチの壁の上に直接形成され、またはデバイスの素
子としての支持絶縁層の上に形成された、溝またはトレ
ンチ内に配置された半導体デバイスが開示されている。
溝またはトレンチ内に形成されたメモリ・セルが米国特
許第4335450号に記載されている。この特許では
、溝またはトレンチの側壁上にトランジスタが設けられ
、トランジスタの下側に記憶ノードを備えたセルが開示
されている。また、米国特許第4327476号には、
ウェルまたはトレンチ内に記憶キャパシタを備えた縦形
セルが記載されている。
特許協力条約(PCT )公告番号wo8110341
号には、記憶キャパシタがトレンチ内に設けられ、スイ
ッチング素子とビット/センス線が基板の表面に配置さ
れた1デバイス・メモリ・セル構造が開示されている。
さらに、米国特許第4462040号には、垂直側壁を
有するトレンチを使用し、記憶キャパシタおよびトラン
スファ・デバイスがトレンチ内に配置された、1デバイ
ス式ランダム・アクセス・メモリが開示され、米国特許
第4271418号および第4225945号には、溝
またはトレンチ内に形成され、トレンチの底部に記憶ノ
ードが、この構造の最上部にビット/センス線が、また
トレンチの側壁にトランスファ・デバイスが配置された
、1デバイス・メモリ・セルが教示されている。
米国特許第4222062号には、スイッチング素子が
トレンチの底部近くに形成され、ビット線と記憶キャパ
シタがトレンチの壁に配置されたメモリ・セル構造が開
示されている。
上述の従来技術のいずれも、リソグラフィ区画(後述す
る)の4倍よりも小さな面積の半導体基板表面を有する
メモリ・セルを開示していない。
C0発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、リソグラフィ区画のわずか2倍の半導
体基板表面積しか占有しないメモリ・セルを提供するこ
とである。ここで、1つのりソグラフィ区画とは、2本
のりソグラフィ線の交差によって画定される領域であり
、各線は、集積半導体回路内でデバイスの素子を形成す
る際に使用される、例えば、1ミクロンよりも小さい所
与の任意の幅でよい。
D0問題点を解決するための手段 この発明の教示によれば、主表面、および主表面に設け
られかつ長軸を有するトレンチを備えた半導体基板と、
長軸に沿ったトレンチの所定の側壁に設けられた記憶手
段と、記憶手段と基板の主表面との間の上記所定の側壁
に設けられかつ記憶手段に結合された、制御電極を有す
るスイッチング手段と、長軸に沿って上記所定のi+1
壁に設けられかつ上記制御電極に結合された第1の導線
と、上記長軸に直角に主表面に設けられかつ上記スイッ
チング手段に結合された第2の導線とを備えた、メモリ
が提供される。
E、実施例 第3図は、ゲート14を有する電界効果トランジスタ1
2、導電性プレート18および記憶ノード20を有する
記憶キャパシタ16、およびビット/センス線22を備
えた、周知の1デバイス式ダイナミック・メモリ・セル
10の基本回路図を示す、知られているように、2進数
を記憶キャパシタ16に記憶するには、ビット/センス
線22に高電圧または低電圧が印加される。高電圧がビ
ット/センス線22に印加されると、トランジスタ12
がオンになり、記憶ノード20を充電して、例えば、数
字1の存在を示し、そうでない場合は、記憶ノード20
は充電されないままとなり、記憶された数字Oの存在を
示す、記憶キャパシタ16から情報を読み取るには、ビ
ット/センス線22が高電圧に充電され、トランジスタ
12が丁ンになる。ビット/センス線22が放電される
と、ビット/センス線22に接続されたセンス増幅器(
図示せず)は、記憶キャパシタ16における数字Oの存
在を示す、ビット/センス線22が充電されたままであ
る場合は、記憶キャパシタ16は数字1を記憶している
この発明の教示に従って、第3図のメモリ回路の新規の
縦型構造を第1図および第2図に示す。
第2図は構造の平面図であり、第1図は第2図の線1−
1で切断した断面図である。第1図および第2図に示す
ように、好ましくはシリコン製のP−導電型の半導体基
板26内に形成されたトレンチ24内の対向する側壁に
、2つのダイナミック・メモリ・セルIOAおよびIO
Bが設けられている。セル10Aは、電界効果トランジ
スタ12と、記憶キャパシタ16と、好ましくは銅をド
ープしたアルミニウムなどの金属製のビット/センス線
22を備え、トランジスタ12およびキャパシタ16が
トレンチ24内でその第1の側壁に配置され、ビット/
センス線22が、トランジスタ12のドレインとして働
くN“拡散領域28と接触して基板26の表面に形成さ
れる。トランジスタ12は、好ましくはPドープ・ポリ
シリコン、ケイ化タングステン(WS I2)またはケ
イ化チタン(T i S 12)、またはポリシリコン
とケイ化物の組合せ、または銅をドープしたアルミニウ
ムからなり、薄い絶縁層30によりトレンチ24の第1
の側壁から分離されているゲート14を含む。
絶縁層30は、好ましくは、二酸化ケイ素と窒化ケイ素
と二酸化ケイ素から成る三重絶縁層、または二酸化ケイ
素と窒化ケイ素から成る二重層である。記憶キャパシタ
16は、トレンチ24の第1の側壁に沿って設けられた
N+拡散領域の形に形成された記憶ノード20と導電性
プレート18を含み、導電性プレート18は、ホウ素を
含むPドープ・ポリシリコン製とすることができ、絶縁
層32によってノード、すなわち、N+拡散領域20か
ら分離される。絶縁層32も、好ましくはやはり二酸化
ケイ素と窒化ケイ素から成る二重または三重絶縁層であ
る。
厚い絶縁534が、トレンチ24の底部と導電性プレー
ト18の間に設けられ、絶縁層36が、ポリシリコンプ
レート18上の二酸化ケイ素として、ゲート14をポリ
シリコンプレート18から分離するように、好ましくは
約1000オングストロームの厚さに成長させられ、さ
らに、好ましくはポリイミドまたはホウリンケイ酸ガラ
ス(BPSG )などのりフロー可能ガラスである絶縁
体38が、二酸化ケイ素層36とビット/センス線22
の間に設けられている。
第2のダイナミック・メモリ・セルIOBもトレンチ2
4内に設けられ、その電界効果トランジスタ12°およ
び記憶キャパシタ16゛はトレンチ24の第2の、すな
わち、反対側の側壁上に設けられ、ビット/センス線2
2はセルIOAと10Bに共通である。第2のトランジ
スタ12°はゲート14゛を含み、ゲート14°は好ま
しくはゲート14と同じ材料から成り、薄い絶縁層30
によってトレンチ24の第2の側壁から分離されている
。記憶キャパシタ16°は、やはり半導体基板26内の
トレンチ24の第2の側壁に沿って設けられたN+拡散
領域の形の記憶ノード20゜と、M!!縁居32によっ
てN+拡散領域20′から絶縁された導電性プレート1
8を含む。電界効果トランジスタ12°のドレインとし
てm<N+拡散領域28°が、共通のビット/センス線
22に接続されている。
ゲート14および14°は、第2図に示すように、それ
ぞれ第1および第2のワード線40および40°の一部
分であり、ワード線はトレンチ24の長軸(第1図で紙
面に垂直な方向)に沿って縦方向に、したがって横方向
のビット/センス線22の方向に対して直角に延びてい
る。
第1図および第2図かられかるように、2つの非常にコ
ンパクトな1デバイス式ダイナミック・メモリ・セルI
OAおよびIOBは、厚い絶jL534によって互いに
分離されかつ隣接するどのセルからも分離された、トレ
ンチ24の対向する側壁上に設けられ、ビット/センス
線22を除いて、2つのセル10 A 8 *び10B
の全ての素子がトレンチ24内に配置されている。トレ
ンチ24は、所望の大きさの記憶キャパシタおよび所望
のスイッチング特性のトランジスタをもたらすため必要
なだけ深くかつ広くすることができる。この発明の構造
の一例では、トレンチ24の深さは好ましくは7ミクロ
ンであり、トランジスタ12および12°のチャネルの
幅は1ミクロンであり、チャネルの長さは1ミクロンで
ある。トランジスタ12および12°のゲート絶縁媒体
を形成する絶縁層30は約18ナノメートルの厚さを有
し、二酸化ケイ素層の厚さはそれぞれ5ナノメートルで
あり、窒化ケイ素層の厚さは8ナノメートルである。記
憶キャパシタ16の誘電体の厚さは好ましくは13ナノ
メートル、たとえば、4ナノメートルの二酸化ケイ素と
7ナノメードルの窒化ケイ素と2ナノメートルの二酸化
ケイ素である。絶縁層30および32は、同じ厚さを有
する同じ連続材料で形成することもできる。厚い絶縁層
34は、好ましくは200ナノメートルの厚さを有する
。N+拡散領域20および20°は、それぞれトレンチ
24の当該の側壁から約150ナノメートルはど基板内
に延在している。ワード線の方向に沿ったセル・アレイ
の隣接するセル間の間隔が、1ミクロン以下であり、ワ
ード線の方向と直角のビット/センス線の方向に沿った
lii!i接セル間の間隔が1ミクロン以下の場合は、
半導体基板の表面における1つのセルの大きさを2平方
ミクロン以下にすることができる。そうなるのは、リソ
グラフィ線の幅が1ミクロン以下のときである。さらに
、この記憶キャパシタ16および16°の各キャパシタ
ンスとビット/センスB22のキャパシタンスの比は、
1本のビット/センス線当り64個のセルを仮定すると
、少なくとも20%という非常に望ましいトランスファ
比をもたらす。
第4図は、各セルが第1図および第2図に示すタイプで
あるようなセル・アレイの平面図である。
図では、同じ参照文字は類似した素子を指す。2つのセ
ル10Aおよび10Bが第1のビット/センス線22に
沿って水平方向に整列され、2つのセルIOCおよび1
0Dが第2のビット/センス線22°に沿って水平方向
に整列されている。セルIOAおよび10Cはまた、ワ
ード線40に沿って垂直方向に整列され、セルIOBお
よび10Dはワード線40’に沿って垂直方向に整列さ
れている。知られているように、ワード線40および4
0°はそれぞれ選択起動のためワード・デコーダ/ドラ
イバ回路42に接続され、ビット/センス線22および
22°はそれぞれデコーダ/プリチャージ/センス増幅
器回路44に接続することができる。
第5図は、第4図の線5−5で切断した第4図の断面図
、第6図は、第4図の#jA 6−6で切断した第4図
の断面図であり、アレイのセルIOA。
10B、IOCおよび10Dの素子の詳細をさらに明瞭
に示している。
第4図と、セルの記憶ノード間の分離領域でトレンチ2
4と直角に切断した断面図である第5図を参照すると容
易に理解できるように、厚い絶縁層34がトレンチ24
の側壁および底部に沿って、また半導体基板26の上部
表面に形成されている。
トレンチ24の底部の厚い絶縁層34の上に導電性プレ
ート18が設けられ、トレンチ24の対向する側壁には
、プレート18の上方の位置にワード線40および40
’が設けられ、ワード線は厚い絶縁層34によって半導
体基板26から分離され、絶縁層36によって導電性極
板18から分離されている。ポリイミドまたはBPSG
38で、トレンチ24の充填が完了する。
第4図と、トレンチ24の側壁に平行に、記憶ノード2
0°およびドレイン領域28°を通って切断した断面図
である第6図とを参照すると理解できるように、第1の
ビット/センス線22は、セルIOBのドレイン領域2
8゛と自己整合的に接触し、その記憶ノード20’がセ
ルIOBのドレイン領域28′からトランジスタ12°
のチャネルの長さだけ隔置され、第2のビット/センス
線22°はセル10Dのドレイン領域28′と接触し、
その記憶ノード20°がセル10Dのドレイン領域28
°からそのトランジスタ12°のチャネルの長さだけ隔
置されている。
知られているように、第4図に示したようなランダム・
アクセス・メモリ・アレイに書き込み、またはそこから
読み取るには、既知の任意のタイプのワード線デコーダ
/ドライバ回1!842およびビット線デコーダ/プリ
チャージ/センス増幅器回路44を用いて、セルIOA
、IOB、10Cおよび10Dのうちの任意の1つまた
は複数を選択することができる。さらに、トレンチ24
は、ワード4140および40’に接続される数百例の
メモリ・セルを、その2つの側壁の各々に沿って含むこ
とができ、またビット/センス線22および22°に接
続される同様のメモリ・セルを含む隔置された数百本の
同様なトレンチをトレンチ24に平行に、配列すること
ができる。トレンチ24はリソグラフィ線1本分の距離
で、すなわち、1ミクロン以下の短い距離で隔置するこ
とができる。
この発明のメモリ・セルを作るため、既知のどの方法を
使用することもできる。ある具体的な方法では、10 
M e Vのエネルギーを有するホウ素イオンを半導体
26の主面から、約7ミクロンの深さで1E17の濃度
になるように注入する。第1図、第2図、第4図および
第5図に示したシリコン基板26中の深さ約7ミクロン
の深いトレンチ24は、好ましくは、リソグラフィで画
定した既知の任意の二酸化ケイ素マスキング層を用いて
、既知の反応イオン・エツチング法により形成すること
ができる。トレンチ24が形成された後で、トレンチ2
4の内部および半導体基板26の表面に厚い絶縁層34
を付着することができる。第7図に示すように、厚い絶
縁層34は、好ましくは既知の任意の多層または多レベ
ル・フォトレジス)、(MLR)法によって、電界効果
トランジスタ12および12°と記憶キャパシタ16お
よび16゛を形成すべきトレンチ24の側壁の選択され
た部分から除去し、かつ、トランジスタ12および12
°のドレイン領域28および28゛の形成のため基板2
6の上部表面に沿って除去する。やはり第7図に示すよ
うに、トレンチ24の底部の厚い絶縁層34の部分をフ
ォトレジスト層46でふさぎ、トレンチ底部に達する前
にMLR反応性イオン・エツチングを終了することによ
り、トレンチ24の底部に厚い絶縁層34が残される。
図面の第8図かられかるように、トレンチの側壁に沿っ
たセル間の分離領域では、フォトレジスト層46は、厚
い絶縁層34の不必要な部分を除去する湿式エツチング
工程中、厚い絶縁層34の除去を妨げる。希望するなら
、厚い絶縁層34を、成長させられた二酸化ケイ素と付
着された窒化ケイ素から形成される二重層としてもよい
厚い絶縁層34が適切にエツチングされた後、厚さ約2
0ナノメートルのドープされた二酸化ケイ素層48が、
トレンチ24の側壁に沿って共形的に付着される。第9
図のセル領域および第10図の分離領域で示すように、
フォトレジストの層(図示せず)を再び用いて、ドープ
された絶縁層48の、トレンチ24の上部領域にある部
分が除去される。さらに詳細には、好ましい加工手段は
、トレンチ24を満たす平面化フォトレジストで構造を
彼覆し、平面化された7オトレジストにトレンチ24内
の所望の高さまで反応イオン・エツチングを施し、希釈
された緩衝フッ化水素を用いて、トレンチ24の上部か
らドープされた二酸化シリコン48を除去することを含
む0次に、既知のドライブ・イン技術を用いることによ
り、第9図に示すように、ドープされた絶縁層48内の
ドーパント、好ましくはヒ素がトレンチ24の側壁にド
ライブ・インされ、N+拡散領域、すなわち、記憶ノー
ド20および20°を形成する。第10図から理解でき
るように、セル間では、厚い絶縁層34がトレンチ24
の側壁上に保持されているので、ヒ素はそれらの場所に
おいて半導体基板26に入るのを阻止される。ドライブ
・イン後、希釈された緩衝フッ化水素などの任意の適当
な湿式エツチング剤を使って、ドープしたM!!縁層4
8の残りの部分を除去することができる。
記憶ノード20および20°がトレンチ24の側壁に形
成されると、まず二酸化ケイ素層を成長させ、次に窒化
ケイ素層を付着させ、続いて窒化物を酸化して、窒化物
の最上部に2ないし4ナノメートルの二酸化ケイ素を形
成することにより、ゲート誘電体層30および記憶キャ
パシタ誘電体532を同時に形成することができる。導
電性プレート18は、ドープしたポリシリコンをトレン
チ24内に付着し、基板26の表面でポリシリコンを平
面化することにより形成される。ポリシリコンが平面化
された後、第1図に示すように、ポリシリコンは、その
上部表面が記憶ノード20および20゛の上縁部より下
になるまで、適当なエツチングによってトレンチ24の
上部から除去される。ポリシリコン・プレート18の露
出した表面が次に酸化されて、たとえば、1000オン
グストロームの厚さの二酸化ケイ素層36を形成する。
次にドープしたポリシリコンの別の層を構造上に付着し
、ゲート14および14°が第1図に示す形を取るまで
ポリシリコンに反応性イオン・エツチングを施すことに
より、それぞれトランジスタ12および12°のゲート
14および14°を形成することができる。希望するな
ら、ポリシリコン層に続いてケイ化タングステンまたは
ケイ化チタンの層を付着し、次に反応イオン・エツチン
グを施して、ドープしたポリシリコンのみからなるゲー
トよりも導電性が高い2層ゲート構造をもたらすことが
できる6反応性イオン・エツチング法を用いることによ
り、二酸化ケイ素/窒化ケイ素層30.32を、全ての
水平表面から、特に半導体基板26の表面のドレイン領
域28および28゛から除去することができる。N+ド
レイン領域28および28°は、5QKeVで、1cm
2当りIE15の景のヒ素を半導体26の露出した表面
に注入することにより形成される。希望するなら、N“
ドレイン領域28および28°が形成された後でのみで
あるが、銅をドープしたアルミニウムを用いてゲート1
4および14°を形成することもできる。トレンチ24
の残りの部分は、ポリイミドまたはりフロー可能ガラス
、たとえば、ホウリンケイ酸ガラスなどの絶縁材料で充
填され、半導体基板26の主面で平面化される。ビット
/センス線22および22°を形成するため、好ましく
は銅をドープしたアルミニウムの層が構造上に付着され
、第4図にさらに明確に示すように、平行な線になるよ
うに適切にエツチングされる。
当然のことながら、導電性プレート18の形成後にゲー
ト誘電体層30を形成することにより、組成および厚さ
に関して、ゲート誘電体層30をキャパシタ誘電体層3
2とは異なるようにすることができる。
F8発明の効果 トレンチまたは溝の内部にセルの記憶手段、スイッチン
グ手段および第1の導#jA (ワード線)を縦形構造
で形成し、第2の導線(ビット/センス線)を半導体基
板の表面に設け、かつ第1の導線またはトレンチの方向
に対して直角に配置することにより、非常に小さなセル
基板表面積を有する、改善されたメモリ・セルが得られ
る。
【図面の簡単な説明】
図面の簡単な説明 第1図は、第2図の線1−1で切断したこの発明の構造
の2つのダイナミック・セルの断面図である。 第2図は、トレンチの対向する画壁に設けられたこの発
明の2つのセルの平面図である。 第3図は、主要素子を示した1デバイス式ダイナミック
・メモリ・セルの回路図である。 第4図は、各セルが第1図および第2図に示したタイプ
のものである2x2セル・アレイの平面図である。 vJ5図および第6図は、それぞれ線5−5および6−
6で切断した、第4図に示したアレイの断面図である。 第7図、第8図、第9図および第10図は、セルを形成
する段階を示したセルの断面図である。 10・・・・1デバイス式ダイナミック・メモリ・セル
、12・・・・電界効果トランジスタ、14・・・・ゲ
ート、16・・・・記憶キャパシタ、18・・・・導電
性プレート、20・・・・記憶ノード、22・・・・ビ
ット/センス線。 出□願人  インターナショナル・ビジネス・マシーン
ズ・コーポレーション 代理人  弁理士  山  本  仁  朗(外1名) M1図 第2図 第4図

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)主表面、およびこの主表面に設けられかつ長軸を
    有するトレンチを有する半導体基板と、上記長軸に沿っ
    た上記トレンチの所定の側壁に設けられた記憶手段と、 上記記憶手段と上記主表面との間の上記所定の側壁に設
    けられかつ上記記憶手段に結合された、制御電極を有す
    るスイッチング手段と、 上記長軸に沿って上記所定の側壁に設けられかつ上記制
    御電極に結合された第1の導線と、上記長軸と直交して
    上記主表面に設けられかつ上記スイッチング手段に結合
    された第2の導線と、を備える半導体メモリ。
  2. (2)上記所定の側壁と対向する側壁に上記記憶手段と
    対向して設けられた第2の記憶手段と、上記第2の記憶
    手段と上記主表面との間の上記対向する側壁に設けられ
    かつ上記第2の記憶手段に結合された、制御電極を有す
    る第2のスイッチング手段と、 上記長軸に沿って上記対向する側壁に設けられかつ上記
    第2のスイッチング手段の制御電極に結合された第3の
    導線と、 を有し、上記第2のスイッチング手段が上記主表面にお
    いて上記第2の導線に結合されていることを特徴とする
    、特許請求の範囲第(1)項に記載の半導体メモリ。
  3. (3)上記トレンチが複数個平行に設けられ、上記記憶
    手段および上記スイッチング手段の組が上記長軸に沿っ
    て同一の上記側壁に複数個設けられ、かつこれらの組に
    対応して複数の上記第2の導線が平行に設けられている
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第(1)項または第
    (2)項に記載の半導体メモリ。
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