KR940006658B1 - Semiconductor memory device and fabricating method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
제 1 도는 종래 기술의 1개의 트랜지스터와 1개의 캐패시터로 구성된 기억소자의 회로도.1 is a circuit diagram of a memory device composed of one transistor and one capacitor of the prior art.
제 2 도는 본 발명의 기억소자의 등가 회로도.2 is an equivalent circuit diagram of a memory device of the present invention.
제 3 도는 본 발명의 일실시예인 반도체 기억소자의 단면도.3 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention.
제 4 도는 본 발명의 일실시예인 반도체 기억소자를 제조하는 공정을 설명하기 위한 도면.4 is a diagram for explaining a process of manufacturing a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention;
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
Ml,M2,M3 : MIS 트랜지스터 10 : 반도체 기판Ml, M2, M3: MIS transistor 10: Semiconductor substrate
C1,C2 : 캐패시터 30,31 : 게이트 절연막C1, C2: Capacitor 30,31: Gate insulating film
BL : 비트선 40,50,60 : 확산영역BL: Bit line 40, 50, 60: Diffusion area
WW : 기록용 워드선 70,80,90 : 도전층WW: Recording word line 70, 80, 90: conductive layer
WR : 판독용 워드선 120,140,160 : 도전층WR: Reading word line 120, 140, 160: conductive layer
Vref : 기준전압선 100 : 절연막Vref: reference voltage line 100: insulating film
130 : 유전체막130: dielectric film
본 발명은 2진수 및 그 이상의 다진수를 기억할 수 있는 반도체 기억소자(메모리셀)에 관한 것으로서, 특히 정보를 기억하고 있는 캐패시터의 전하 충전상태를 파괴함이 없이 기억된 정보를 판독할 수 있도록 구성된 반도체 기억소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device (memory cell) capable of storing binary and multi-digital numbers, and in particular, configured to read stored information without breaking the charge state of charge of the capacitor storing the information. A semiconductor memory device and a method of manufacturing the same.
종래의 반도체 기억장치로서 널리 사용되는 다이나믹 랜덤 액세스 메모리(DRAM)셀은 제 1 도에 도시한바와 같은 등가회로를 가지는 것으로서, 기록시에는 비트선 BL에 있는 정보("1" 또는 "0")가 워드라인 WL에 의하여 지정(M1의 도통으로 BL과 C1이 연결됨)되는 캐패시터 C1에 전하량으로 기록되고, 판독시에는 워드라인 WL에 의하여 지정되는 캐패시터 C1에 저장된 정보"1" 또는 "0"에 대응하는 전하량)가 스위칭 소자 M1의 도통으로 인하여 비트선 BL로 전달되어 판독된다.A dynamic random access memory (DRAM) cell widely used as a conventional semiconductor memory device has an equivalent circuit as shown in FIG. 1, and the information in the bit line BL ("1" or "0") at the time of writing. Is written as the amount of charge in capacitor C1 designated by word line WL (BL and C1 are connected by conduction of M1), and at reading is stored in information " 1 " or " 0 " stored in capacitor C1 designated by word line WL. The corresponding charge amount) is transferred to and read from the bit line BL due to the conduction of the switching element M1.
이러한 구조의 기억소자에서는 기억되어 있는 논리값의 정보를 읽어낼 때에는 캐패시터 C1이 C2에 비해 훨씬 작은 상태에서는 비트선에 매우 미세한 정도의 전압변화 밖에 일으키지 못한다. 즉 캐패시터 C1에 논리값 "l"(고전압)이 저장된 경우에 비트선의 전위가 약간 올라가게 되고 논리값 "0"(영전압)이 저장된 경우에는 비트선의 전압이 약간 내려가게 된다. 그러면 비트선에 연결된 감지증폭기는 이 미세한 전압변화를 감지하여 "1" 또는 "0"의 정보치를 판독한다. 이러한 종래의 기억소자에서는 감지증폭기가 구분판별할 수 있는 전압에는 한계가 있는 반면에, 한정된 반도체 면적에 많은 갯수의 정보 기억소자를 입력시키려면 작게하여야 하므로, 이 두가지의 상반되는 요구조건을 만족시키는 것은 실질적으로 거의 불가능하였다.In the memory device having such a structure, when the information of the stored logic value is read out, only a very slight voltage change occurs in the bit line when the capacitor C1 is much smaller than C2. That is, when the logic value "l" (high voltage) is stored in the capacitor C1, the potential of the bit line rises slightly, and when the logic value "0" (zero voltage) is stored, the voltage of the bit line decreases slightly. The sense amplifier connected to the bit line then detects this minute voltage change and reads an information value of "1" or "0". In the conventional memory device, there is a limit on the voltage that the sense amplifier can discriminate. However, since a large number of information memory devices are required to be input in a limited semiconductor area, it is necessary to satisfy these two opposing requirements. It was virtually impossible.
본 발명의 목적은 비트선의 정보를 캐패시터 C1에 저장시키고 이 저장된 정보를 소멸시키지 않고 이 C1에 저장된 전압을 증폭기의 입력전압으로 사용하여 비트선의 전압을 변하게 함으로서 기억된 정보를 판독할수 있도록 하는 구조의 기억소자로서, 비트선과 기록용 워드선 및 판독용 워드선을 포함하여 구성된 다치의 정보를 저장할 수 있는 반도체 기억소자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to store the information of the bit line in the capacitor C1 and use the voltage stored in this C1 as the input voltage of the amplifier without changing the stored information so that the voltage of the bit line is changed so that the stored information can be read. As a memory device, there is provided a semiconductor memory device capable of storing multiple values of information including a bit line, a write word line, and a read word line.
본 발명의 반도체 기억소자는 반도체 기판(10), 반도체 기판의 표면부분에 각기 소정의 간격을 두고 형성된 제1,제2 및 제3확산영역(40,50,60), 제1및 제2확산영역 사이의 소정의 간격위에 절연층(30)을 사이에 두고 설치된 제1도전층(70), 제2 및 제3확산영역 사이의 소정의 간격위에 절연층(31)을 사이에 두고 설치된 제2도전층(80), 제2확산영역과 접속된 제3도전층(90), 제1도전층과 제3확산영역을 전기적으로 연결하는 제4도전층(120), 제4도전층과 유전체 막(130)을 사이에 두고 설치된 제5도전층(140), 제 1확산영역과 접속되는 제6도전층(160), 제1 및 제2확산영역과 제1도전층으로 이루어지는 제1MIS 트랜지스터,제2 및 제3확산영역과 제2도전층으로 이루어지는 제2MIS 트랜지스터, 그리고 제4도전층과 제5도전층사이의 전하 저장용 캐패시터를 포함하여 이루어진다. 상기 캐패시터에서 사용되는 유전체막(130)은 산화막(SiO2)과 질화막(Si3N4)이 다층으로 쌓인 산화질화막(Oxy-Nitride)이 사용된다.The semiconductor memory device of the present invention includes the semiconductor substrate 10, the first, second and third diffusion regions 40, 50, 60, first and second diffusions formed at predetermined intervals on the surface portion of the semiconductor substrate, respectively. The first conductive layer 70 provided with the insulating layer 30 interposed on the predetermined interval between the regions, and the second provided with the insulating layer 31 interposed on the predetermined interval between the second and third diffusion regions. The conductive layer 80, the third conductive layer 90 connected to the second diffusion region, the fourth conductive layer 120 electrically connecting the first conductive layer and the third diffusion region, the fourth conductive layer and the dielectric film. A first MIS transistor comprising a fifth conductive layer 140 interposed between the first and second diffusion regions 160, the first and second diffusion regions and the first conductive layer And a second MIS transistor including the second and third diffusion regions and the second conductive layer, and a capacitor for storing charge between the fourth conductive layer and the fifth conductive layer. As the dielectric layer 130 used in the capacitor, an oxynitride layer (Oxy-Nitride) in which an oxide layer (SiO 2) and a nitride layer (Si 3 N 4) are stacked in multiple layers is used.
제4도는 본 발명의 일실시예인 반도체 기억소자의 제조공정을 설명하기 위한 단면도이다. 제4a도에서 보이는 바와 같이, 반도체 기판(10)위의 소정부분에 필드산화막(20)을 성장시킨 후 게이트 절연막 및 폴리실리콘 층을 형성하여 제1 및 제2게이트 전극을 형성한다. 이어서 제4b도에 도시된 바와 같이 상기 게이트 주변의 반도체 기판안에 이온을 주입하므로 제1,제2 및 제3확산영역(40,50,60)을 형성한다.4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4A, after the field oxide film 20 is grown on the semiconductor substrate 10, the gate insulating film and the polysilicon layer are formed to form the first and second gate electrodes. Next, as shown in FIG. 4B, ions are implanted into the semiconductor substrate around the gate to form first, second, and third diffusion regions 40, 50, and 60.
그후 제1및 제2게이트 부분 이외의 게이트 절연막을 제거한 후 상기 제1및 제2게이트 전극 사이와 제2확산영역(50)위에 비트라인(90)을 형성하고(제4c도), 상기 전극들 위에 절연물질을 도포한후 제1게이트전극과 제1 및 제3확산영역에 콘택 홀을 형성하기 위하여 상기 절연물질을 식각한다(제4d도).Thereafter, gate insulating films other than the first and second gate portions are removed, and then a bit line 90 is formed between the first and second gate electrodes and on the second diffusion region 50 (FIG. 4C). After the insulating material is coated thereon, the insulating material is etched to form contact holes in the first gate electrode and the first and third diffusion regions (FIG. 4D).
이어서 도전물질을 도포하여 사진식각 공정으로 제1확산영역에 접속된 기준전압선(160)과, 제3확산영역(60)과 제1게이트 전극(70)이 전기적으로 서로 접속되게 하는 캐패시터 제1전극(120)을 형성한다(제4e도). 계속해서 상기 캐패시터 제1전극 위에 유전체막(130)을 형성한후 캐패시터 제2전극(140)을 형성한다(제4f도).Subsequently, a capacitor first electrode is applied to electrically connect the reference voltage line 160 connected to the first diffusion region, the third diffusion region 60 and the first gate electrode 70 by applying a conductive material. 120 is formed (FIG. 4E). Subsequently, after forming the dielectric film 130 on the capacitor first electrode, the capacitor second electrode 140 is formed (FIG. 4f).
이후에는 일반적으로 반도체 제조공정에서 실시하는 금속배선 보호막(150) 도포 공정등을 수행한다.Thereafter, a metal wire protective film 150 coating process, which is generally performed in a semiconductor manufacturing process, is performed.
이상과 같이 형성된 본 발명의 동작을 제2도 등가회로를 참조하면서 설명한다.The operation of the present invention formed as described above will be described with reference to FIG. 2 equivalent circuit.
제1확산영역, 제2확산영역 및 제 1도전층이 하나의 MIS-FET 즉 M2를 구성한다.The first diffusion region, the second diffusion region, and the first conductive layer constitute one MIS-FET, that is, M2.
또 제2확산영역, 제3확산영역 및 제2도전층이 또 하나의 MIS-FET 즉 M3를 구성한다. 그리고, 제4도전층과 제5도전층이 유전체막을 사이에 두고 캐피시터 C1을 구성한다.In addition, the second diffusion region, the third diffusion region and the second conductive layer constitute another MIS-FET, that is, M3. The fourth conductive layer and the fifth conductive layer form a capacitor C1 with a dielectric film interposed therebetween.
제3도전층은 비트라인으로, 제6도전층은 기준전압선으로, 제2도전층은 기록용 워드선으로, 제1도전층은 판독용 워드선으로 각각 사용된다. 제3도의 반도체 기억소자의 등가회로가 제2도이고, 또 제2도의 전자회로를 구체화한 것이 제3도의 반도체 기억소자이다.The third conductive layer is used as a bit line, the sixth conductive layer is used as a reference voltage line, the second conductive layer is used as a write word line, and the first conductive layer is used as a read word line. The equivalent circuit of the semiconductor memory device of FIG. 3 is FIG. 2, and the semiconductor memory device of FIG. 3 embodies the electronic circuit of FIG.
이렇게 구성된 기억소자의 동작은, 정보기록시에는 기록용 워드선(WW)에 기록지시 신호가 인가되어 M2가 "온"되고 비트선(BL)의 정보가 캐패시터(C1)에 저장되고, 정보판독시에는, 판독용 워드선(WR)에 판독지시 신호인 소정의 전압이 인가되면 캐패시터 C1에 유지되고 있는 전위와 합하여져서 M3의 게이트에 인가되고 기준전압선의 전압이 이 게이트 전압의 크기에 따라 변화되어 비트선(BL)에 나타나게 되어 이 비트선의 전압을 감지하여 저장된 정보를 판독하게 된다. 이때 M3는 증폭기 또는 증폭스위치로 동작한다.In the operation of the memory device configured as described above, the write instruction signal is applied to the write word line WW to the information proxy so that M2 is "on" and the information of the bit line BL is stored in the capacitor C1. At the time, when a predetermined voltage, which is a read command signal, is applied to the read word line WR, it is added to the potential held at the capacitor C1 and applied to the gate of M3, and the voltage of the reference voltage line changes according to the magnitude of the gate voltage. The bit line BL is displayed on the bit line BL to detect the voltage of the bit line and to read the stored information. M3 operates as an amplifier or an amplification switch.
본 발명은 반도체 기억소자에서는 판독시 캐패시터 C1에 저장된 전하를 소멸시키지 아니하고 그 전위만 이용하므로 큰 용량의 캐패시터가 필요하지 않게되어 기억소자의 기억용량을 대폭 증가시킬 수 있을 뿐만아니라, 2진수, 3진수, 4진수 등도 하나의 셀에 기억시킬 수 있는 것이어서 매우 유용하게 사용될 수 있는 것이다.In the semiconductor memory device, since the charge stored in the capacitor C1 is not destroyed and only the potential thereof is used for reading, the capacitor of the large capacity is not required, and the memory capacity of the memory device can be greatly increased. Hexadecimal, hexadecimal, etc. can be stored in one cell, which can be very useful.
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