TW202315095A - 使用半導體元件的記憶裝置 - Google Patents

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Abstract

記憶裝置係具備由在基板上排列成列狀的複數個記憶單元所構成的頁，且控制施加於前述頁中所含之各記憶單元的第一閘極導體層、第二閘極導體層、第一雜質區域和第二雜質區域的電壓，且在通道半導體層的內部，保持由撞擊游離化現象所形成的電洞群，以進行頁寫入操作，且控制施加於前述第一閘極導體層、前述第二閘極導體層、前述第一雜質區域和前述第二雜質區域的電壓，而將前述電洞群從前述通道半導體層的內部予以去除，以進行頁抹除操作。前述記憶單元的前述第一雜質層係與源極線連接，前述第二雜質層係與位元線連接，前述第一閘極導體層和前述第二閘極導體層中的一方係與字元線連接，另一方與驅動控制線連接，於前述抹除操作後的寫入操作時，控制施加於前述字元線、前述驅動控制線、前述源極線、前述位元線的電壓，於前述通道半導體層的內部，藉由撞擊游離化現象形成前述電洞群，伴隨著前述第一閘極導體層之第一臨限值電壓和前述第二閘極導體層之第二臨限值電壓的降低，使前述字元線和前述驅動控制線的一方或兩方的施加電壓降低。

Description

使用半導體元件的記憶裝置
本發明係一種使用半導體元件的記憶裝置。
近年來，在LSI(Large Scale Integration，大型積體電路)技術開發上，已要求記憶元件的高積體化和高性能化。
在通常的平面(planar)型MOS(Metal Oxide semiconductor，金屬氧化物半導體)電晶體中，其通道(channel)係朝沿著半導體基板之上表面的水平方向延伸。相對於此，SGT的通道係朝相對於半導體基板之上表面為垂直的方向延伸(例如參照專利文獻1、非專利文獻1)。因此，相較於平面型MOS電晶體，SGT更可達成半導體裝置的高密度化。使用此SGT作為選擇電晶體，可進行連接有電容器之DRAM(Dynamic Random Access Memory，動態隨機存取記憶體。例如參照非專利文獻2)、連接有電阻變化元件的PCM(Phase Change Memory，相變化記憶體。例如參照非專利文獻3)、RRAM(Resistive Random Access Memory，電阻式隨機存取記憶體。例如參照非專利文獻4)及藉由電流使磁自旋的方向變化而使電阻變化的MRAM(Magnetoresistive Random Access，磁阻式隨機存取記憶體。例 如參照非專利文獻5)等的高集積化。此外，有由不具有電容器之一個MOS電晶體所構成的DRAM記憶單元(參照非專利文獻7)等。本案係關於可僅由不具有電阻變化元件或電容器之MOS電晶體所構成的動態快閃記憶體(flash memory)。
圖7(a)至(d)係顯示前述之不具有電容器之由一個MOS電晶體所構成之DRAM記憶單元的寫入操作，圖8(a)與(b)係顯示操作上的問題點，圖9(a)至(c)係顯示讀取操作(例如參照非專利文獻7至10)。圖7(a)係顯示“1”寫入狀態。在此，記憶單元係形成於SOI基板100，且藉由連接有源極線SL的源極N+層103(以下將含有高濃度供體(donor)雜質的半導體區域稱為「N+層」)、連接有位元線BL的汲極N+層104、連接有字元線WL的閘極導電層105及MOS電晶體110的浮體(Floating Body)102而構成，不具有電容器，以一個MOS電晶體110構成了DRAM的記憶單元。另外，在浮體102的正下方，連接有SOI基板的SiO2層101。在進行該以一個MOS電晶體110構成之記憶單元之“1”寫入之際，係使MOS電晶體110在飽和區域動作。亦即，在從源極N+層103延伸之電子的通道107中具有夾止點(pinch off)108，不會到達連接有位元線的汲極N+層104。如此，若將如此之連接於汲極N+層104之位元線BL和連接於閘極導電層105的字元線WL都設為高電壓，藉由使閘極電壓為汲極電壓的約1/2左右來使MOS電晶體110動作，則在汲極N+層104附近的夾止點108中，電場強度變為最大。結果，從源極N+層103朝向汲極N+層104流動之加速後的電子，會與Si的晶格撞擊，而會因為在該時點所失去的運動能量而產生電子、電洞對(撞擊游離化現象)。所產生之大部分的電子(未圖示)係到 達汲極N+層104。此外，極小部分之極熱的電子，係越過閘極氧化膜109而到達閘極導電層105。再者，同時產生的電洞106則將浮體102充電。此時，所產生的電洞係由於浮體102為P型Si，故有助於作為多數載子的增量。浮體102係被所產生的電洞106所充滿，若浮體102的電壓比源極N+層103更高Vb以上，則進一步產生的電洞會放電於源極N+層103。在此，Vb係源極N+層103與P層之浮體102之間之PN接合的內建(built in)電壓，約0.7V。圖7(b)係顯示浮體102已被所產生之電洞106飽和充電的情形。
接著使用圖7(c)來說明記憶單元110的“0”寫入操作。對於共通的選擇字元線WL，隨機地存在有“1”寫入的記憶單元110和“0”寫入的記憶單元110。在圖7(c)中，係顯示了從“1”寫入狀態改寫為“0”寫入狀態的情形。在“0”寫入時，係設位元線BL的電壓為負偏壓，且設汲極N+層104與P層之浮體102之間的PN接合為正偏壓。結果，預先於前一周期產生於浮體102的電洞106，係流動至連接於位元線BL的汲極N+層104。若寫入操作結束，則會獲得被所產生之電洞106充滿的記憶單元110a(圖7(b))，和所產生之電洞已被排出之記憶單元110(圖7(c))之二個記憶單元的狀態。被電洞106所充滿之記憶單元110a之浮體102的電位係比沒有所產生之電洞的浮體102更高。因此，“1”寫入之記憶單元110的臨限值電壓，係比“0”寫入之記憶單元110的臨限值電壓更低。其情形如圖7(d)所示。
接著，使用圖8(a)和(b)來說明此由一個MOS電晶體所構成之記憶單元之動作上的問題點。如圖8(a)所示，浮體的電容CFB係連接有 字元線之閘極與浮體之間之電容CWL、連接有源極線之源極N+層103與浮體102之間之PN接合之接合電容CSL及連接有位元線之汲極N+層104與浮體102之間之PN接合之接合電容CBL的總和，可表示成
CFB=CWL+CBL+CSL (10)。此外，連接有字元線的閘極與浮體之間的電容耦合比βWL係可表示成
βWL=CWL/(CWL+CBL+CSL) (11)。因此，若在讀取時或寫入時字元線電壓VWL振盪，則成為記憶單元之記憶節點(接點)之浮體102的電壓亦會受到其影響。其情形如圖8(b)所示，若在讀取時或寫入時字元線電壓VWL從0V上升至VWLH，則浮體102的電壓VFB會因為與從字元線電壓變化之前之初始狀態之電壓VFB1變化為VFB2之字元線的電容耦合而上升。該電壓變化量△VFB可表示成
△VFB=VFB2-VFB1=βWL×VWLH (12)。
在此，於式(11)的βWL中，CWL的貢獻率較大，例如CWL：CBL：CSL=8：1：1。此時，βWL=0.8。若字元線例如從寫入時的5V，於寫入結束後成為0V，則浮體102會因為字元線WL與浮體102的電容耦合，受到振盪雜訊達5V×βWL=4V。因此，會有無法充分取得寫入時之浮體102之“1”電位和“0”電位的電位差餘裕的問題點。
圖9(a)至(c)係顯示讀取操作。圖9(a)係顯示“1”寫入狀態，圖9(b)係顯示“0”寫入狀態。然而，實際上，即使在“1”寫入下寫入了Vb於浮體102中，當字元線因為寫入結束而返回0V，浮體102即會降低為負偏壓。在被寫入“0”之際，由於會變得更負偏壓，因此如圖9(c)所示 在寫入之際無法充分地增大“1”與“0”的電位差餘裕，故實際上處於難以進行不具有電容器之DRAM記憶單元之製品化的狀況。
此外，在SOI(Silicon on Insulator，絕緣層覆矽)層上，有使用二個MOS電晶體來形成一個記憶單元而成的Twin-Transistor記憶元件(例如參照專利文獻4、5)。在此等元件中，係以區分二個MOS電晶體的浮體通道之成為源極或汲極之N+層接觸絕緣層之方式形成。藉由此N+層接觸絕緣層，二個MOS電晶體的浮體通道即電性分離。屬於信號電荷的電洞群係蓄積於一方之電晶體的浮體通道。蓄積有電洞之浮體通道的電壓，係如前所述，會因為鄰接之MOS電晶體之對於閘極電極的脈衝電壓施加而與(12)式所示同樣地大幅地變化。因此，如使用圖8至圖10所說明般，無法充分地增大寫入之際之“1”與“0”之動作餘裕(例如參照專利文獻15、圖8)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開平2-188966號公報
專利文獻2：日本特開平3-171768號公報
專利文獻3：日本特許第3957774號公報
專利文獻4：US2008/0137394A1
專利文獻5：US2003/0111681A1
[非專利文獻]
非專利文獻1：Hiroshi Takato, Kazumasa Sunouchi, Naoko Okabe, Akihiro Nitayama, Katsuhiko Hieda, Fumio Horiguchi, and Fujio Masuoka: IEEE Transaction on Electron Devices, Vol.38, No.3, pp.573-578 (1991)
非專利文獻2：H.Chung, H. Kim, H. Kim, K. Kim, S. Kim, K. Dong, J. Kim, Y.C. Oh, Y. Hwang, H. Hong, G. Jin, and C. Chung: “4F2 DRAM Cell with Vertical Pillar Transistor(VPT),” 2011 Proceeding of the European Solid-State Device Research Conference, (2011)
非專利文獻3：H. S. Philip Wong, S. Raoux, S. Kim, Jiale Liang, J. R. Reifenberg, B. Rajendran, M. Asheghi and K. E. Goodson: “Phase Change Memory,” Proceeding of IEEE, Vol.98, No 12, December, pp.2201-2227 (2010)
非專利文獻4：T. Tsunoda, K. Kinoshita, H. Noshiro, Y. Yamazaki, T. Iizuka, Y. Ito, A. Takahashi, A. Okano, Y. Sato, T. Fukano, M. Aoki, and Y. Sugiyama: “Low Power and high Speed Switching of Ti-doped NiO ReRAM under the Unipolar Voltage Source of less than 3V,” IEDM (2007)
非專利文獻5：W. Kang, L. Zhang, J. Klein, Y. Zhang, D. Ravelosona, and W. Zhao: “Reconfigurable Codesign of STT-MRAM Under Process Variations in Deeply Scaled Technology,” IEEE Transaction on Electron Devices, pp.1-9 (2015)
非專利文獻6：M. G. Ertosum, K. Lim, C. Park, J. Oh, P. Kirsch, and K. C. Saraswat: “Novel Capacitorless Single-Transistor Charge-Trap DRAM (1T CT DRAM) Utilizing Electron,” IEEE Electron Device Letter, Vol. 31, No.5, pp.405-407 (2010)
非專利文獻7：J. Wan, L. Rojer, A. Zaslavsky, and S. Critoloveanu: “A Compact Capacitor-Less High-Speed DRAM Using Field Effect-Controlled Charge Regeneration,” Electron Device Letters, Vol. 35, No.2, pp.179-181 (2012)
非專利文獻8：T. Ohsawa, K. Fujita, T. Higashi, Y. Iwata, T. Kajiyama, Y. Asao, and K. Sunouchi: “Memory design using a one-transistor gain cell on SOI,” IEEE JSSC, vol.37, No.11, pp1510-1522 (2002).
非專利文獻9：T. Shino, N. Kusunoki, T. Higashi, T. Ohsawa, K. Fujita, K. Hatsuda, N. Ikumi, F. Matsuoka, Y. Kajitani, R. Fukuda, Y. Watanabe, Y. Minami, A. Sakamoto, J. Nishimura, H. Nakajima, M. Morikado, K. Inoh, T. Hamamoto, A. Nitayama: “Floating Body RAM Technology and its Scalability to 32nm Node and Beyond,” IEEE IEDM (2006).
非專利文獻10：E. Yoshida and T. Tanaka: “A Design of a Capacitorless IT-DRAM Cell Using Gate-induced Drain Leakage (GIDL) Current for Low-power and High-Speed Embedded Memory,”IEEE IEDM (2003)
非專利文獻11：J.Y. Song, W. Y. Choi, J. H. Park, J. D. Lee, and B-G. Park: “Design Optimization of Gate-All-Around (GAA) MOSFETs,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 5, no. 3, pp.186-191, May 2006.
非專利文獻12：N. Loubet, et al.: “Stacked Nanosheet Gate-All-Around Transistor to Enable Scaling Beyond FinFET,” 2017 IEEE Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, T17-5, T230-T231, June 2017.
非專利文獻13：H. Jiang, N. Xu, B. Chen, L. Zengl, Y. He, G. Du, X. Liu and X. Zhang: “Experimental investigation of self-heating effect (SHE) in multiple-fin SOI FinFETs,” Semicond. Sci. Technol. 29 (2014) 115021 (7pp).
非專利文獻14：E. Yoshida, and T. Tanaka: “A Capacitorless 1T-DRAM Technology Using Gate-Induced Drain-Leakage (GIDL) Current for Low-Power and High-Speed Embedded Memory,” IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53, No. 4, pp. 692-697, Apr. 2006.
非專利文獻15：F. Morishita, H. Noda, I. Hayashi, T. Gyohten, M. Okamoto, T. Ipposhi, S. Maegawa, K. Dosaka, and K. Arimoto: “Capacitorless Twin-Transistor Random Access Memory (TTRAM) on SOI,” IEICE Trans. Electron., Vol. E90-c., No.4 pa.765-771 (2007).
於在已去除電容器後的一個電晶體型DRAM(增益單元)中，字元線和浮體之電容結合耦合較大，當在資料讀取時或寫入時使字元線的電位振盪時，即會有直接作為對於浮體的雜訊而被傳遞出的問題。結果，引起誤讀取或記憶資料之誤改寫的問題，而難以達到去除電容器後之一個電晶體型DRAM(增益單元)的實用化。
為了解決上述問題，本發明係一種使用半導體元件的記憶裝置，其為由複數個頁朝列方向排列而成的記憶裝置，且該頁係藉由在基板上朝行方向排列的複數個記憶單元而構成者；
前述各頁中所含的各記憶單元係具有：
半導體基體，係在基板上相對於前述基板朝垂直方向豎立或朝水平方向延伸；
第一雜質層和第二雜質層，係位於前述半導體基體的兩端；
第一閘極絕緣層，係包圍前述第一雜質層與前述第二雜質層之間之前述半導體基體之側面的一部分或全部，且接觸或接近前述第一雜質層；
第二閘極絕緣層，係包圍前述半導體基體的側面，並與前述第一閘極絕緣層相連，且接觸或接近前述第二雜質層；
第一閘極導體層，係覆蓋前述第一閘極絕緣層的一部分或整體；
第二閘極導體層，係覆蓋前述第二閘極絕緣層；及
通道半導體層，為前述半導體基體被前述第一閘極絕緣層和前述第二閘極絕緣層所覆蓋而成者；
前述記憶裝置係控制施加於前述第一閘極導體層、前述第二閘極導體層、前述第一雜質層和前述第二雜質層的電壓，而進行頁寫入操作、和頁抹除操作；
前述記憶單元的前述第一雜質層係與源極線連接，前述第二雜質層係與位元線連接，前述第一閘極導體層和前述第二閘極導體層中的一方係與字元線連接，另一方則與驅動控制線連接；
於前述頁抹除操作後的前述寫入操作時，前述記憶裝置係控制施加於前述字元線、前述驅動控制線、前述源極線和前述位元線的電壓，而在前述通道半導體層的內部，藉由撞擊游離化現象形成電洞群，且伴隨著前述 第一閘極導體層之第一臨限值電壓和前述第二閘極導體層之第二臨限值電壓的降低，使前述字元線和前述驅動控制線的一方或兩方的施加電壓降低(第一發明)。
在上述第一發明中，係使前述第一閘極導體層所包圍的前述通道半導體層在飽和區域動作，且使前述第二閘極導體層所包圍的前述通道半導體層在線形區域動作，於前述第一閘極導體層與前述第二閘極導體層之間之前述通道半導體層的內部，藉由撞擊游離化現象而形成前述電洞群(第二發明)。
在上述第一發明中，朝前述行方向和前述列方向排列之前述記憶單元的前述驅動控制線係共通地配設於鄰接的前述記憶單元(第三發明)。
在上述第一發明中，前述第一閘極導體層與前述通道半導體層之間的第一閘極電容係比前述第二閘極導體層與前述通道半導體層之間的第二閘極電容還大(第四發明)。
在上述第一發明中，從前述半導體基體的軸方向觀看時，前述第一閘極導體層係以包圍著前述第一閘極絕緣層之方式分離成至少兩個導體層(第五發明)。
在上述第一發明中，於前述頁寫入操作時，係在前述通道半導體層的內部保持藉由撞擊游離化現象而生成的電洞群，且將前述通道半導體層的電壓設為比前述第一雜質層和前述第二雜質層之一方或兩方之電壓高的第一資料保持電壓；
於前述頁抹除操作時，係控制施加於前述第一雜質層、前述第二雜質層、前述第一閘極導體層和前述第二閘極導體層的電壓，而將前述電洞群從前述第一雜質層和前述第二雜質層的一方或兩方予以移除，且將前述通 道半導體層的電壓設為比前述第一資料保持電壓還低的第二資料保持電壓(第六發明)。
2:具有P型或i型(本徵型)導電型的Si柱
3a,3b:N+層
4a,4b:閘極絕緣層
5a,5b:閘極導體層
6:用以分離二層閘極導體層的絕緣層
7:通道區域
7a,7b:通道Si層、通道半導體層
9:電洞群
10:動態快閃記憶單元
12a,12b:反轉層
13,108:夾止點
100:SOI基板
101:SOI基板的SiO2層
102:浮體
103:源極N+層
104:汲極N+層
105:閘極導電層
106:電洞
107:反轉層、電子的通道
109:閘極氧化膜
110:不具有電容器的DRAM記憶單元、MOS電晶體
BL,BL1~BL3,BL0~BL2:位元線
C00~C22:記憶單元
CL11~CL33:記憶單元
CSL0~CSL2:縱列選擇線
FB:浮體
IO和/IO:輸出入線
PL,PL1~PL3,PL0~PL2:板線
SA0~SA2:強制反轉型感測放大器電路
SL:源極線
T0A~T2D:MOS電晶體
WL,WL1~WL3,WL0~WL2:字元線
圖1係第一實施型態之具有SGT之記憶裝置的構造圖。
圖2係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之連接於板線PL之第一閘極導體層5a之閘極電容，設為比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之閘極電容大之情形之功效的圖。
圖3A係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之寫入操作機制的圖。
圖3B係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之寫入操作機制的圖。
圖4A係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作機制的圖。
圖4B係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作機制的圖。
圖4C係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作機制的圖。
圖4D係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作機制的圖。
圖4E係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作機制的圖。
圖5係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之讀取操作機制的圖。
圖6A係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作後之頁寫入操作的電路方塊圖。
圖6B係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作後之頁寫入操作的電路方塊圖。
圖6C係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作後之頁寫入操作的電路方塊圖。
圖6D係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作後之頁寫入操作的電路方塊圖。
圖6E係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作後之頁寫入操作的動作波形圖。
圖6F係用以說明第一實施型態之具有SGT之記憶裝置之頁抹除操作後之頁寫入操作的電路方塊圖。
圖7係用以說明習知例之不具有電容器之DRAM記憶單元之寫入操作的圖。
圖8係用以說明習知例之不具有電容器之DRAM記憶單元之動作上之問題點的圖。
圖9係顯示習知例之不具有電容器之DRAM記憶單元之讀取操作的圖。
以下參照圖式來說明本發明之使用半導體元件的記憶裝置(以下稱為動態快閃記憶體)的實施型態。
(第一實施型態)
茲使用圖1至圖5來說明本發明之第一實施型態之動態快閃記憶單元的構造、和動作機制。茲使用圖1來說明動態快閃記憶單元的構造。再者，使用圖2來說明連接於板線PL之第一閘極導體層5a的閘極電容設為比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之閘極電容大之情形的功效。再者，使用圖3來說明資料寫入操作機制，使用圖4來說明資料抹除操作機制，使用圖5來說明資料讀取操作機制。
圖1係顯示本發明之第一實施型態之動態快閃記憶單元的構造。在形成於基板上之具有P型或i型(本徵型)導電型之矽半導體柱2(以下將矽半導體柱稱為「Si柱」)(申請專利範圍之「半導體基體」的一例)內的上下位置，形成有當一方成為源極時則另一方成為汲極的N+層3a、3b(申請專利範圍之「第一雜質層」、「第二雜質層」的一例)。成為此源極、汲極之N+層3a、3b間之Si柱2的部分即成為通道區域7(申請專利範圍之「通道半導體層」的一例)。以包圍此通道區域7之方式形成有第一閘極絕緣層4a(申請專利範圍之「第一閘極絕緣層」的一例)、第二閘極絕緣層4b(申請專利範圍之「第二閘極絕緣層」的一例)。此第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b係分別接觸或接近成為此源極、汲極的N+層3a、3b。以包圍此第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b之方式分別形成有第一閘極導 體層5a(申請專利範圍之「第一閘極導體層」的一例)、第二閘極導體層5b(申請專利範圍之「第二閘極導體層」的一例)。再者，第一閘極導體層5a、第二閘極導體層5b係藉由絕緣層6而分離。再者，N+層3a、3b間之通道區域7，係由被第一閘極絕緣層4a所包圍的第一通道Si層7a和被第二閘極絕緣層4b所包圍的第二通道Si層7b所構成。藉此，形成由成為源極、汲極之N+層3a、3b、通道區域7、第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b、第一閘極導體層5a、第二閘極導體層5b所構成的動態快閃記憶單元10。再者，成為源極的N+層3a係連接於源極線SL(申請專利範圍之「源極線」的一例)，成為汲極的N+層3b係連接於位元線BL(申請專利範圍之「位元線」的一例)，第一閘極導體層5a係連接於板線PL(申請專利範圍之「驅動控制線」的一例)，第二閘極導體層5b係連接於字元線WL(申請專利範圍之「字元線」的一例)。連接有板線PL之第一閘極導體層5a的閘極電容，較理想為具有比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之閘極電容大的構造。
另外，在圖1中，係將連接於板線PL之第一閘極導體層5a的閘極電容設為比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b的閘極電容大，且將第一閘極導體層5a的閘極長度設為比第二閘極導體層5b的閘極長度更長。然而，除此之外，亦可不將第一閘極導體層5a的閘極長度設為比第二閘極導體層5b的閘極長度更長，而是以改變各個閘極絕緣層之膜厚之方式，將第一閘極絕緣層4a之閘極絕緣膜的膜厚設為比第二閘極絕緣層4b之閘極絕緣膜的膜厚更薄。此外，亦可改變各個閘極絕緣層之材料的介電常數，而將第一閘極絕緣層4a之閘極絕緣膜的介電常數設為比第二閘極絕 緣層4b之閘極絕緣膜的介電常數更高。此外，亦可將閘極導體層5a、5b的長度、閘極絕緣層4a、4b的膜厚、介電常數的任一者予以組合，而將連接於板線PL之第一閘極導體層5a的閘極電容設為比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b的閘極電容大。
圖2(a)至(c)係說明連接於板線PL之第一閘極導體層5a之閘極電容設為比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之閘極電容大之情形之功效的圖。
圖2(a)係僅將主要部分予以簡化而顯示本發明之第一實施型態之動態快閃記憶單元的構造圖。在動態快閃記憶單元中連接有位元線BL、字元線WL、板線PL、源極線SL，依據其電壓狀態而決定通道區域7的電位狀態。
圖2(b)係用以說明各個電容關係的圖。通道區域7的電容CFB係連接有字元線WL之閘極導體層5b與通道區域7之間之電容CWL，連接有板線PL之閘極導體層5a與通道區域7之間的電容CPL，連接有源極線SL之源極N+層3a與通道區域7之間之PN接合之接合電容CSL及連接有位元線BL之汲極N+層3b與通道區域7之間之PN接合之接合電容CBL的總和，可表示成
CFB=CWL+CPL+CBL+CSL (1)。
因此，字元線WL與通道區域7之間之耦合率βWL、板線PL與通道區域7之間之耦合率βPL、位元線BL與通道區域7之間之耦合率βBL、源極線SL與通道區域7之間之耦合率βSL係分別以下式來表示。
βWL=CWL/(CWL+CPL+CBL+CSL) (2)
βPL=CPL/(CWL+CPL+CBL+CSL) (3)
βBL=CBL/(CWL+CPL+CBL+CSL) (4)
βSL=CSL/(CWL+CPL+CBL+CSL) (5)
在此，由於CPL>CWL，故βPL>βWL。
圖2(c)係用以說明字元線WL之電壓VWL因為讀取操作和寫入操作而上升，且之後下降時之通道區域7之電壓VFB之變化的圖。在此，於字元線WL之電壓VWL從0V上升至高電壓狀態VWLH時，通道區域7之電壓VFB從低電壓狀態VFBL變為高電壓狀態VFBH時的電位差△VFB係如下所示。
△VFB=VFBH-VFBL=βWL×VWLH (6)
由於字元線WL與通道區域7之間的耦合率βWL較小，且板線PL與通道區域7之間的耦合率βPL較大，故△VFB較小，即使字元線WL的電壓VWL因為讀取操作和寫入操作而上升下降，通道區域7的電壓VFb亦幾乎不會變化。
圖3A(a)至(c)和圖3B係顯示本發明之第一實施型態之動態快閃記憶單元的記憶體寫入操作(申請專利範圍之「頁寫入操作」的一例)。圖3A(a)係顯示寫入操作的機制，圖3A(b)係顯示位元線BL、源極線SL、板線PL、字元線WL和成為浮體FB之通道區域7的動作波形。在時刻T0，動態快閃記憶單元係處於“0”抹除狀態，通道區域7的電壓係成為VFB“0”。此外，對於位元線BL、源極線SL、字元線WL施加有Vss，對於板線PL則施加有VPLL。在此，例如，Vss係0V，VPLL係2V。接著， 於時刻T1至T2，當位元線BL從Vss上升至VBLH，例如當Vss為0V的情形下，通道區域7的電壓係因為位元線BL與通道區域7的電容耦合而成為VFB“0”+βBL×VBLH。
接著，使用圖3A(a)和(b)來說明動態快閃記憶單元的寫入操作。於時刻T3至T4，字元線WL從Vss上升至VWLH。藉此，若設連接有字元線WL之第二閘極導體層5b包圍通道區域7之第二N通道MOS電晶體區域之“0”抹除的臨限值電壓為VtWL“0”，則伴隨著字元線WL的電壓上升，從Vss至VtWL“0”為止，通道區域7的電壓係因為字元線WL與通道區域7之間的第二電容耦合而成為VFB“0”+βBL×VBLH+βWL×VtWL“0”。當字元線WL的電壓上升至VtWL“0”以上時，在第二閘極導體層5b之內周的通道區域7形成有環狀的反轉層12b，遮蔽字元線WL與通道區域7之間的第二電容耦合。
接著，使用圖3A(a)和(b)來說明動態快閃記憶單元的寫入操作。於時刻T3至T4，對於連接有板線PL的第一閘極導體層5a固定輸入例如VPLL=2V，使連接有字元線WL的第二閘極導體層5b上升至例如VWLH=4V。結果，如圖3A(a)所示，在連接有板線PL之第一閘極導體層5a的內周的通道區域7形成有環狀的反轉層12a，且於該反轉層12a存在有夾止點13。結果，具有第一閘極導體層5a之第一N通道MOS電晶體區域係在飽和區域動作。另一方面，具有連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之第二N通道MOS電晶體區域係於線形區域動作。結果，在連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之內周的通道區域7不存在夾止點而於閘極導體層5b的內周整面形成有反轉層12b。在連接有此字元線WL之第 二閘極導體層5b的內周整面形成的反轉層12b，係作為具有第二閘極導體層5b之第二N通道MOS電晶體區域之實質的汲極而產生作用。結果，在具有串聯連接之第一閘極導體層5a之第一N通道MOS電晶體區域、與具有第二閘極導體層5b之第二N通道MOS電晶體區域之間之通道區域7的第一交界區域，電場成為最大，在此區域產生撞擊游離(impact ion)化現象。由於此區域係從具有連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之第二N通道MOS電晶體區域觀看到之源極側的區域，故將此現象稱為源極側撞擊游離化現象。由於此源極側撞擊游離化現象，電子從連接有源極線SL的N+層3a朝向連接有位元線的N+層3b流動。被加速後的電子會撞擊晶格Si原子，且藉由該運動能量而產生電子、電洞對。所產生之電子的一部分雖流動於第一閘極導體層5a和第二閘極導體層5b，但大部分流動於連接有位元線BL的N+層3b(未圖示)。
再者，如圖3A(c)所示，所產生的電洞群9(申請專利範圍之「電洞群」的一例)係通道區域7的多數載子，將通道區域7充電為正偏壓。由於連接有源極線SL的N+層3a為0V，故通道區域7係充電至連接有源極線SL之N+層3a與通道區域7之間之PN接合之內建電壓Vb(約0.7V)。當通道區域7被充電為正偏壓時，第一N通道MOS電晶體區域和第二N通道MOS電晶體區域的臨限值電壓即會因為基板偏壓效應而變低。
接著使用圖3A(b)來說明動態快閃記憶單元的寫入操作。在時刻T6至T7，字元線WL的電壓從VWLH降低至Vss。此時字元線WL與通道區域7雖會進行第二電容耦合，但字元線WL之電壓VWLH變為通道區域7之電壓為Vb時之第二N通道MOS電晶體區域之臨限值電壓VtWL “1”以下為止，反轉層12b會遮蔽該第二電容耦合。因此，字元線WL與通道區域7之實質的電容耦合，只在字元線WL為VtWL“1”以下且下降至Vss的時候。結果，通道區域7的電壓變為Vb-βWL×VtWL“1”。在此，VtWL“1”係比前述VtWL“0”更低，βWL×VtWL“1”較小。
接著使用圖3A(b)來說明動態快閃記憶單元的寫入操作。在時刻T8至T9，位元線BL從VBLH降低至Vss。由於位元線BL與通道區域7係電容耦合，故最終通道區域7的“1”寫入電壓VFB“1”將成為下式。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
在此，位元線BL與通道區域7的耦合比βBL亦較小。
藉此，如圖3B所示，連接有字元線WL之第二通道Si層7b之第二N通道MOS電晶體區域的臨限值電壓變低。進行將此通道區域7之“1”寫入狀態設為第一資料保持電壓(申請專利範圍之「第一資料保持電壓」的一例)的記憶體寫入操作，且分配於邏輯記憶資料“1”。
另外，亦可於寫入操作時，替代第一交界區域，在第一雜質層3a與第一通道半導體層7a之間的第二交界區域，或在第二雜質層3b與第二通道半導體層7b之間的第三交界區域，藉由撞擊游離化現象產生電子、電洞對，且以所產生的電洞群9將通道區域7予以充電。
另外，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件和浮體的電位，係用以進行寫入操作的一例，亦可為可進行寫入操作的其他動作條件。
茲使用圖4A至圖4E來說明記憶體抹除操作(申請專利範圍之「記憶體抹除操作」的一例)機制。
圖4A係顯示用以說明頁抹除操作的記憶區塊電路圖。在此，雖顯示了3行×3列共計9個記憶單元CL11至CL33，但實際的記憶區塊係比此行列更大。在記憶單元排列成矩陣狀的時候，將此排列之一方的方向稱為「行方向」(或「行狀」)，且將垂直於該行方向的方向稱為「列方向」(或「列狀」)。在各記憶單元中，係連接有源極線SL、位元線BL1至BL3、板線PL1至PL3、字元線WL1至WL3。例如，設想在此區塊中，任意之頁(申請專利範圍之「頁」的一例)之板線PL2和字元線WL2所連接的記憶單元CL21至CL23被選擇，進行頁抹除操作。
圖4B(a)至(d)和圖4C係說明頁抹除操作的機制。在此，N+層3a、3b間的通道區域7係從基板電性分離而成為浮體。圖4B(a)係顯示抹除操作之主要節點之時序(timing)動作波形圖。在圖4B(a)中，T0至T12係表示抹除操作開始至結束為止的時刻。圖4B(b)係顯示在抹除操作前的時刻T0，於之前的周期經由撞擊游離化所產生的電洞群9蓄積於通道區域7的狀態。再者，於時刻T1至T2，位元線BL1至BL3和源極線SL分別從Vss變為VBLH和VSLH的高電壓狀態。在此，Vss係例如為0V。此動作係於下一個期間時刻T3至T4，在頁抹除操作所選擇之板線PL2和字元線WL2分別從第一電壓VPLL變為第二電壓VPLH、從第三電壓Vss變為第四電壓VWLH的高電壓狀態，不會在通道區域7形成連接有板線PL2之第一閘極導體層5a之內周的反轉層12a和連接有字元線WL2之第二閘極導體層5b之內周的反轉層12b。因此，VBLH和VSLH的電壓，較佳為當字元線 WL2側的第二N通道MOS電晶體區域與板線PL2側的第一N通道MOS電晶體區域的臨限值電壓分別設為VtWL和VtPL時，為VBLH>VWLH+VtWL、VSLH>VPLH+VtPL。例如，當VtWL和VtPL為0.5V時，VWLH和VPLH可設定為3V，VBLH和VSLH可設定為3.5V以上。
接著說明圖4B(a)的頁抹除操作機制。在第一期間的時刻T3至T4，伴隨著板線PL2和字元線WL2變為第二電壓VPLH和第四電壓VWLH的高電壓狀態，浮體狀態之通道區域7的電壓，因為板線PL2與通道區域7的第一電容結合和字元線WL2與通道區域7的第二電容結合而被推升。通道區域7的電壓係從“1”寫入狀態的VFB“1”變為高電壓。此係由於位元線BL1至BL3與源極線SL的電壓為VBLH和VSLH的高電壓，因此源極N+層3a與通道區域7之間的PN接合和汲極N+層3b與通道區域7之間的PN接合為逆偏壓狀態，故而可進行升壓。
接著說明圖4B(a)的頁抹除操作機制。在下一個期間的時刻T5至T6，位元線BL1至BL3和源極線SL的電壓，從高電壓的VBLH和VSLH降低至Vss。結果，源極N+層3a與通道區域7之間的PN接合、和汲極N+層3b與通道區域7之間的PN接合，如圖4B(c)所示成為正偏壓狀態，而通道區域7之電洞群9中的殘存電洞群係排出至源極N+層3a、和汲極N+層3b。結果，通道區域7的電壓VFB係成為源極N+層3a和P層的通道區域7所形成的PN接合及汲極N+層3b和P層的通道區域7所形成的PN接合的內建電壓Vb。
接著說明圖4B(a)的頁抹除操作機制。接著在時刻T7至T8，位元線BL1至BL3和源極線SL的電壓，從Vss上升至高電壓的VBLH和 VSLH。藉由此措施，如圖4B(d)所示，於時刻T9至T10，在將板線PL2和字元線WL2從第二電壓VPLH和第四電壓VWLH分別下降至第一電壓VPLL和第三電壓Vss之際，不會在通道區域7形成板線PL側的反轉層12a和字元線WL2側的反轉層12b，通道區域7的電壓VFB係可效率良好地藉由板線PL2與通道區域7的第一電容結合、和字元線WL2與通道區域7的第二電容結合而從Vb成為VFB“0”。因此，”1”寫入狀態和“0”抹除狀態之通道區域7的電位差△VFB係以下式來表示。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
VFB“0”=Vb-βWL×VWLH-βPL×(VPLH-VPLL) (8)
△VFB=VFB“1”-VFB“0”=βWL×VWLH+βPL×(VPLH-VPLL)-βWL×tWL“1”-βBL×VBLH (9)
在此，βWL與βPL的和係0.8以上，△VFB變大，可充分取得餘裕。
結果，如圖4C所示，在“1”寫入狀態和“0”抹除狀態下，可取得大幅餘裕。在此，在“0”抹除狀態下，板線PL2側的臨限值電壓係因為基板偏壓效應而變高。因此，當將板線PL2的施加電壓例如設為該臨限值電壓以下時，板線PL2側的第一N通道MOS電晶體區域即變為非導通而不使記憶單元電流流動。圖4C之右側的「PL：非導通」係顯示了其情形。
接著說明圖4B(a)的頁抹除操作機制。接著於第四期間的時刻T11至T12，位元線BL1至BL3和源極線SL的電壓分別從VBLH下降至Vss、從VSLH下降至Vss，抹除操作結束。此時，位元線BL1至BL3和源 極線SL雖因為電容結合而稍拉低通道區域7的電壓，但在時刻T7至T8由於與位元線BL1至BL3和源極線SL因為電容結合而拉高通道區域7之電壓的程度相等，故位元線BL1至BL3和源極線SL之電壓的上升下降係彼此抵銷，結果對於通道區域7的電壓不造成影響。將此通道區域7之“0”抹除狀態的電壓VFB“0”設為第二資料保持電壓(申請專利範圍之「第二資料保持電壓」的一例)以進行頁抹除操作，且分配於邏輯記憶資料“0”。在抹除操作後的資料讀取中，藉由將施加於與板線PL相連之第一閘極導體層5a的電壓設定為比邏輯記憶資料“1”時的臨限值電壓更高而且設定為比邏輯記憶資料“0”時的臨限值電壓更低，即可獲得如圖4C所示即使增高字元線WL的電壓電流也不會流動的特性。
接著使用圖4D(a)至(d)來說明頁抹除操作的機制。圖4D和圖4B的不同點在於，於頁抹除操作中，位元線BL1至BL3係設為Vss或浮體狀態，及字元線WL2係固定於Vss。藉此，即使於時刻T1至T2，源極線SL從Vss上升至VSLH，字元線WL2的第二N通道MOS電晶體區域也會變為非導通，記憶單元電流不會流動。因此，不會有因為撞擊游離化現象所導致之電洞群9的產生。除此之外，與圖4B同樣地源極線SL振盪於Vss與VSLH之間，板線PL2係振盪於VPLL與VPLH之間。結果，如圖4D(c)所示，電洞群9係被排出至源極線SL的N+層3a。
接著使用圖4E(a)至(d)來說明頁抹除操作的機制。圖4E與圖4B的不同點在於，於頁抹除操作中，源極線SL係設為Vss或浮體狀態，及板線PL2係固定於Vss。藉此，即使於時刻T1至T2，位元線BL1至BL3從Vss上升至VBLH，板線PL2的第一N通道MOS電晶體區域也會變為非 導通，記憶單元電流不會流動。因此，不會有因為撞擊游離化現象所導致之電洞群9的產生。除此之外，與圖4B同樣地位元線BL1至BL3振盪於Vss與VBLH之間，字元線WL2係振盪於Vss與VWLH之間。結果，如圖4E(c)所示，電洞群9係被排出至位元線BL1至BL3的N+層3b。
另外，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件和浮體的電位，係用以進行抹除操作的一例，亦可為可進行頁抹除操作的其他動作條件。
圖5(a)至(c)係用以說明本發明之第一實施型態之動態快閃記憶單元之讀取操作的圖。如圖5(a)所示，當通道區域7充電至內建電壓Vb(約0.7V)時，具有連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之第二N通道MOS電晶體區域的臨限值電壓即會因為基板偏壓效應而降低。將此狀態分配給邏輯記憶資料“1”。如圖5(b)所示，在進行寫入之前選擇的記憶區塊，預先為抹除狀態“0”，通道區域7的電壓VFB成為VFB“0”。藉由寫入操作隨機地記憶寫入狀態“1”。結果，對於字元線WL作成邏輯“0”和“1”的邏輯記憶資料。如圖5(c)所示，利用對於此字元線WL的二個臨限值電壓的高低差，以感測放大器(sense amplifier)進行讀取。在資料讀取中，藉由將施加於與板線PL相連之第一閘極導體層5a的電壓設定為比邏輯記憶資料“1”時的臨限值電壓更高而且設定為比邏輯記憶資料“0”時的臨限值電壓更低，即可獲得如圖5(c)所示即使增高字元線WL的電壓電流也不會流動的特性。
另外，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件和浮體的電位，係用以進行讀取操作的一例，亦為可進行讀取操作的其他動作條件。
茲使用圖6A至圖6E來說明本發明之第一實施型態之動態快閃記憶體單元之頁抹除操作(申請專利範圍之「頁抹除操作」的一例)後之頁寫入操作(申請專利範圍之「頁寫入操作」的一例)。
在圖6A中，3行×3列的記憶單元C00至C22係構成了記憶單元區塊的一部分。在此，雖顯示3行×3列的記憶單元C00至C22，但在實際的記憶單元區塊中，係由記憶單元構成了比3行×3列大的行列。再者，在各記憶單元中，連接有字元線WL0至WL2、板線PL0至PL2、源極線SL、位元線BL0至BL2。對於該閘極輸入轉送信號FT的電晶體T0C至T2C係構成了開關電路。此外，將該閘極連接於抹除信號FS之電晶體T0D至T2D的汲極係連接於位元線抹除信號VB，源極係連接於各位元線BL0至BL2。再者，各位元線BL0至BL2係經由開關電路，連接於感測放大器電路SA0至SA2。感測放大器電路SA0至SA2係經由將該閘極連接於縱列選擇線CSL0至CSL2的電晶體T0A至T2B而連接於一對互補的輸出入線IO和/IO。
圖6B係顯示在任意的時間點對於記憶單元C00至C22中之記憶單元C02、C10、C12隨機地進行“1”寫入，且在其通道半導體層7蓄積有電洞群9，且對於以字元線WL1選擇之記憶單元群C01、C11、C21進行了頁抹除操作的情形。
茲使用圖6C和圖6E來說明頁寫入操作。被寫入於感測放大器電路SA0至SA2的頁資料，被寫入於以字元線WL1所選擇的記憶單元群C01、C11、C21，進行頁寫入操作。在此，說明根據頁資料，例如對於記憶單元C01和C21進行”1”寫入，記憶單元C11維持“0”抹除狀態的情形。於時刻W1至W2中，位元線BL0和BL2的施加電壓，係從位元線的低電壓Vss上升至供“1”寫入的高電壓VBLW’位元線BL1係維持Vss。Vss係例如可為0V。
由於在頁寫入操作之前進行了頁抹除操作，故於記憶單元C01和C21中板線PL1和字元線WL1所連接之各個第一閘極導體層5a的第一臨限值電壓(申請專利範圍之「第一臨限值電壓」的一例)和第二閘極導體層5b之第二臨限值電壓(申請專利範圍之「第二臨限值電壓」的一例)，係例如高至“0”抹除狀態的1.3V。因此，於時刻W3至W4，對於板線PL1，從低電壓VPLL施加供“1”寫入用的高電壓VPLH。此外，對於字元線WL1，從低電壓Vss施加供“1”寫入的高電壓VWLW。結果，記憶單元電流會流動於記憶單元C01和C21的通道區域7，於通道區域7的內部不形成因為撞擊游離化現象所產生的電洞群9。記憶單元電流最初流動於通道區域7之際，第一閘極導體層5a和第二閘極導體層5b係可使由該等所包圍之第一通道半導體層7a和第二通道半導體層7b之兩方在線形區域(申請專利範圍之「線形區域」的一例)動作。然而，在第一通道半導體層7a和第二通道半導體層7b的中間區域，為了效率良好地引起源極側撞擊游離化現象，較佳為使第一閘極導體層5a所包圍之第一通道半導體層7a在飽和區域(申請專利範圍之「飽和區域」的一例)動作，且使第二閘極導體層5b 所包圍之第二通道半導體層7b在線形區域動作。在此條件下，形成於第二通道半導體層7b的反轉層，係作為從位元線BL延伸之虛擬汲極(Virtual Drain)而產生作用。
於記憶單元C01和C21中板線PL1和字元線WL1所連接之各個第一閘極導體層5a的第一臨限值電壓和第二閘極導體層5b的第二臨限值電壓，當在通道區域7開始形成電洞群9時，例如從1.3V降低。伴隨著此第一臨限值電壓和第二臨限值電壓的降低，於時刻W5使板線PL1從供“1”寫入的高電壓VPLH降低至低電壓VPLL。在此，VPLH和VPLL係可分別為例如1.4V和0.8V。此外，即使使板線PL1降低至低電壓VPLL，因為源極側撞擊游離化現象所導致之在通道半導體層7之內部之電洞群9的形成也會繼續。之後之頁寫入操作係與圖3A(b)的說明相同。
茲使用圖6D來說明頁讀取操作。記憶於記憶單元群C01、C11、C21中的頁資料係被讀取至強制反轉型感測放大器電路SA0至SA2。於此頁讀取操作機制時，在圖6C中，於被“1”寫入之記憶單元C01和C21之通道區域7的內部，係同時進行藉由撞擊游離化現象形成電洞群9的再新操作。於記憶單元C01和C21中板線PL1和字元線WL1所連接之各個第一閘極導體層5a和第二閘極導體層5b的臨限值電壓係例如從“0”抹除狀態的1.3V降低1V至“1”寫入狀態的0.3V。因此，若將比“1”寫入操作時更低的電壓輸入於板線PL1和字元線WL1，則可於記憶單元C01和C21之通道區域7的內部，進行藉由撞擊游離化現象而形成電洞群9的再新操作。結果，即使被“1”寫入之記憶單元C01和C21之通道區 域7之內部的電洞群9減少，也會因為此再新操作而恢復為“1”寫入狀態的電洞群9。該再新操作係與圖3A的說明相同。
在圖6E所示的時刻R1至R3中，記憶於記憶單元群C01、C11、C21的頁資料被讀取至感測放大器電路SA0至SA2。在時刻R1連接於記憶單元群C01、C11、C21的字元線WL1係從低電壓Vss上升至讀取用的高電壓VWLR，在時刻R2位元線BL0至BL2係從低電壓Vss上升至讀取用的高電壓VBLR。結果，在記憶單元C01和C21之通道半導體層7的內部，記憶單元電流從位元線BL0和BL2流動至源極線SL。此記憶單元電流，於記憶單元C01和C21之通道半導體層7的內部，引起撞擊游離化現象，形成電洞群9，而進行再新操作。在此，Vss係例如可為接地電壓Vss=0V。再者，於時刻R3，字元線WL1從讀取用的高電壓VWLR下降至低電壓Vss。此外，對於板線PL1，於頁讀取操作時施加有固定電壓VPLL。最後於時刻R4，位元線BL1從讀取用的高電壓VBLR被重設為Vss，頁讀取操作結束。
圖6F係顯示了在3行×3列的記憶單元C00至C22的區塊中，板線PL由相鄰接的記憶單元共有之例。在圖6F的構成中，亦同樣地可進行本發明之第一實施型態之動態快閃記憶體單元的頁抹除操作後之頁寫入操作。
在圖1中，Si柱2的水平剖面形狀即使為圓形、橢圓形、長方形，亦可進行本實施型態中所說明的動態快閃記憶體動作。此外，亦可在相同晶片上混合著圓形、橢圓形、長方形的動態快閃記憶單元。
此外，在圖1中，係以設置包圍著在基板上朝垂直方向豎立之Si柱2之側面整體之第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b，且以包圍著第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b之整體之方式具有第一閘極導體層5a、第二閘極導體層5b之SGT為例說明了動態快閃記憶體元件。如本實施型態之說明所示，本動態快閃記憶體元件只要為滿足因為撞擊游離化現象所產生之電洞群9會被保持於通道區域7之條件的構造即可。為此，通道區域7只要為與基板1分離之浮體構造即可。藉此，即使使用例如屬於SGT之一的GAA(Gate All Around，閘極全環電晶體，例如參照非專利文獻10)技術、Nanosheet技術(例如參照非專利文獻11)，將通道區域的半導體基體相對於基板1水平地形成，亦可進行前述的動態快閃記憶體動作。此外，亦可為使用了SOI的器件構造(例如參照非專利文獻7至10)。在此器件構造中，通道區域的底部係接觸SOI基板的絕緣層，而且以包圍其他通道區域之方式被閘極絕緣層和元件分離絕緣層所包圍。在此構造中，通道區域亦成為浮體構造。如此，在本實施型態所提供的動態快閃記憶體元件中，滿足通道區域為浮體構造的條件即可。此外，即使是將Fin電晶體(例如參照非專利文獻13)形成於SOI基板上的構造，若通道區域為浮體構造則可進行本動態快閃動作。
此外，本說明書和圖式之式(1)至(12)係為了定性地說明現象所使用之式，現象不受到該些式所限定。
另外，在圖3A和圖3B的說明中，雖將字元線WL、位元線BL、和源極線SL的重設電壓記載為Vss，但亦可將各者設為不同的電壓。
此外，在圖4A及其說明中，係顯示了頁抹除操作條件的一例。相對於此，若可實現從N+層3a、N+層3b的任一者或兩方去除位於通道區域7之電洞群9的狀態，則亦可變更施加於源極線SL、板線PL、位元線BL、字元線WL的電壓。此外，亦可在頁抹除操作中對於所選擇之頁的源極線SL施加電壓，位元線BL設為浮體狀態。此外，亦可在頁抹除操作中對於所選擇之頁的位元線BL施加電壓，源極線SL設為浮體狀態。
此外，在圖1中，於垂直方向上，在被屬於第一絕緣層的絕緣層6所包圍之部分的通道區域7中，係以相連之方式形成有第一通道區域7a、第二通道區域7b的電位分布。藉此，第一通道區域7a、第二通道區域7b的通道區域7係在垂直方向上於屬於第一絕緣層之絕緣層6所包圍的區域相連。
另外，在圖1中，將板線PL所連接之第一閘極導體層5a之垂直方向的長度，設為比字元線WL所連接之第二閘極導體層5b之垂直方向的長度更長，較理想為設為CPL>CWL。然而，只要附加板線PL，字元線WL相對於通道區域7之電容耦合的耦合比(CWL/(CPL+CWL+CBL+CSL))就會變小。結果，浮體之通道區域7的電位變動△VFB變小。
在圖6E的動作波形圖中，雖具體地明示了位元線BL、字元線WL、板線PL的電壓，但只要為可在頁抹除操作後之頁寫入操作時藉由記憶單元電流於通道區域7內引起撞擊游離化現象，而形成電洞群9的電壓條件即可。
此外，板線PL的電壓VPLL例如可施加1V左右的固定電壓。
另外，在本說明書和申請專利範圍中言及「閘極絕緣層或閘極導體層等覆蓋通道等」時的「覆蓋」之意，亦包含如SGT或GAA般包圍整體的情形，如Fin電晶體般以殘留一部分之方式包圍的情形，更如平面型電晶體般在平面型態的通道上方重疊的情形。
在圖1中，第一閘極導體層5a係包圍了第一閘極絕緣層4a的整體。相對於此，第一閘極導體層5a亦可設為俯視觀察時包圍著第一閘極絕緣層4a之一部分的構造。亦可將此第一閘極導體層5a分割為至少二個閘極導體層，且使之作為板線PL電極動作。同樣地，亦可將第二閘極導體層5b分割為二個以上，且使之分別作為字元線的導體電極同步或非同步地動作。藉此，即可進行動態快閃記憶體動作。
在圖6A至圖6G中，雖已說明了由一個半導體基體所構成之一位元的動態快閃記憶體單元的讀取操作，但關於由記憶“1”與“0”互補之資料之二個半導體基體所構成之一位元的高速動態快閃記憶體單元的各動作模式，本發明亦具功效。
在圖6A至圖6F中，雖已說明了由一個半導體基體所構成之一位元的動態快閃記憶體單元以單層的記憶陣列進行頁讀取操作，但關於層積多段由一個半導體基體所構成之一位元的動態快閃記憶體單元而成的多層記憶陣列，本發明亦具功效。
此外，在圖1中，亦可將第一閘極導體層5a分割為二個以上，且將各者設為板線的導體電極，以同步或非同步之方式利用相同的驅動電壓或不同的驅動電壓使之動作。同樣地，亦可將第二閘極導體層5b分割為二個以上，且將各者設為字元線的導體電極，以同步或非同步之方式 利用相同的驅動電壓或不同的驅動電壓使之動作。藉此，亦可進行動態快閃記憶體動作。再者，當將第一閘極導體層5a分割為二個以上時，所分割之第一閘極導體層的至少一者，係進行上述之第一閘極導體層5a的作用。此外，在所分割的第二閘極導體層5b中，所分割之第二閘極導體層的至少一者亦進行上述之第二閘極導體層5b的作用。
此外，在圖1中，第一閘極導體層5a係可連接於字元線WL，第二閘極導體層5b係可連接於板線PL。藉此，亦可進行上述的本發明的動態快閃記憶體動作。
此外，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件和浮體的電壓，係用以進行抹除操作、寫入操作、讀取操作之基本動作的一例，若可進行本發明的基本動作，亦可為其他電壓條件。
本實施型態係提供下列特徵。
(特徵一)
在本實施型態的動態快閃記憶單元中，係由成為源極、汲極的N+層3a、3b、通道區域7、第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b、第一閘極導體層5a、第二閘極導體層5b整體形成為柱狀。此外，成為源極的N+層3a係連接於源極線SL，成為汲極的N+層3b係連接於位元線BL，第一閘極導體層5a係連接於板線PL，第二閘極導體層5b係連接於字元線WL。其特徵為，連接有板線PL之第一閘極導體層5a的閘極電容比連接有字元線WL之第二閘極導體層5b之閘極電容大的構造。在本動態快閃記憶單元中，係朝垂直方向層積有第一閘極導體層、第二閘極導體層。因此，即使設為連接有板線PL之第一閘極導體層5a的閘極電容比連接有字元線WL 之第二閘極導體層5b之閘極電容大的構造，亦不會使俯視觀察時記憶單元面積增大。藉此，即可同時實現動態快閃記憶單元的高性能化和高集積化。
(特徵二)
在本發明之第一實施型態之動態快閃記憶體單元的頁抹除操作後的頁寫入操作時，於記憶單元之前述通道半導體層的內部，可藉由撞擊游離化現象而形成電洞群。尤其因為頁抹除操作後之通道半導體層的臨限值電壓較高，故必須將板線PL的施加電壓提高至臨限值電壓以上。然而，只要在頁寫入操作的最初將板線PL的施加電壓提高即可，施加電壓亦會隨著臨限值電壓的降低而下降。結果，將可削減頁寫入操作中之大幅的電力。此外，可削減不必要之高電壓的施加，可提供高可靠性的記憶裝置。
(特徵三)
若注意本發明之第一實施型態之動態快閃記憶單元之板線PL所連接之第一閘極導體層5a的作用，在動態快閃記憶單元進行寫入、讀取操作之際，字元線WL的電壓會上下振盪。此時，板線PL係發揮減低字元線WL與通道區域7之間之電容結合比的作用。結果，可顯著地抑制字元線WL之電壓上下振盪之際之通道區域7之電壓變化的影響。藉此，可將顯示邏輯“0”和“1”之字元線WL之SGT電晶體的臨限值電壓差增大。此將關係到動態快閃記憶單元之動作餘裕的擴大。
此外，亦可在“1”寫入中，藉由非專利文獻10和非專利文獻14所記載之使用閘極引發汲極洩漏電流(GIDL：Gate Induced Drain Leakage)的撞擊游離化現象而產生電子、電洞對，且以所產生的電洞群充滿浮體FB內。此點在本發明之其他實施型態中亦相同。
此外，在圖1中，即使是在使N+層3a、3b、P層Si柱2之各個導電型之極性相反的構造中，亦進行動態快閃記憶體動作。此時，在屬於N型的Si柱2中，多數載子係成為電子。因此，藉由撞擊游離化所產生的電子群被蓄積於通道區域7中而設定“1”狀態。
(其他實施型態)
另外，在本發明中雖形成了Si柱，但亦可為由Si以外之半導體材料所構成的半導體柱。此點在本發明之其他實施型態中亦相同。
此外，本發明在不脫離本發明之廣義的精神與範圍下，亦可進行各種實施型態及變更。此外，上述的實施型態，係用以說明本發明之一實施例者，非限定本發明的範圍。上述實施例及變形例係可任意地組合。再者，即使視需要扣除上述實施型態之構成要件的一部分，亦均屬本發明之技術思想的範圍內。
[產業上的可利用性]
依據本發明之使用半導體元件的記憶裝置，可獲得高密度而且高性能之使用了SGT之記憶裝置的動態快閃記憶體。
9:電洞群
BL0~BL2:位元線
C00,C01,C02,C10,C11,C12,C20,C21,C22:記憶單元
CSL0~CSL2:縱列選擇線
PL0~PL2:板線
SA0~SA2:強制反轉型感測放大器電路
SL:源極線
T0A~T2D:MOS電晶體
WL0~WL2:字元線

Claims (6)

  1. 一種使用半導體元件的記憶裝置，其為由複數個頁朝列方向排列而成的記憶裝置，且該頁係藉由在基板上朝行方向排列的複數個記憶單元而構成者；
    前述各頁中所含的各記憶單元係具有：
    半導體基體，係在基板上相對於前述基板朝垂直方向豎立或朝水平方向延伸；
    第一雜質層和第二雜質層，係位於前述半導體基體的兩端；
    第一閘極絕緣層，係包圍前述第一雜質層與前述第二雜質層之間之前述半導體基體之側面的一部分或全部，且接觸或接近前述第一雜質層；
    第二閘極絕緣層，係包圍前述半導體基體的側面，並與前述第一閘極絕緣層相連，且接觸或接近前述第二雜質層；
    第一閘極導體層，係覆蓋前述第一閘極絕緣層的一部分或整體；
    第二閘極導體層，係覆蓋前述第二閘極絕緣層；及
    通道半導體層，為前述半導體基體被前述第一閘極絕緣層和前述第二閘極絕緣層所覆蓋而成者；
    前述記憶裝置係控制施加於前述第一閘極導體層、前述第二閘極導體層、前述第一雜質層和前述第二雜質層的電壓，而進行頁寫入操作、和頁抹除操作；
    前述記憶單元的前述第一雜質層係與源極線連接，前述第二雜質層係與位元線連接，前述第一閘極導體層和前述第二閘極導體層中的一方係與字元線連接，另一方則與驅動控制線連接；
    於前述頁抹除操作後的前述寫入操作時，前述記憶裝置係控制施加於前述字元線、前述驅動控制線、前述源極線和前述位元線的電壓，而在前 述通道半導體層的內部，藉由撞擊游離化現象形成電洞群，且伴隨著前述第一閘極導體層之第一臨限值電壓和前述第二閘極導體層之第二臨限值電壓的降低，使前述字元線和前述驅動控制線的一方或兩方的施加電壓降低。
  2. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，係使前述第一閘極導體層所包圍的前述通道半導體層在飽和區域動作，且使前述第二閘極導體層所包圍的前述通道半導體層在線形區域動作，於前述第一閘極導體層與前述第二閘極導體層之間之前述通道半導體層的內部，藉由撞擊游離化現象而形成前述電洞群。
  3. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，朝前述行方向和前述列方向排列之前述記憶單元的前述驅動控制線係共通地配設於鄰接的前述記憶單元。
  4. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，前述第一閘極導體層與前述通道半導體層之間的第一閘極電容係比前述第二閘極導體層與前述通道半導體層之間的第二閘極電容還大。
  5. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，從前述半導體基體的軸方向觀看時，前述第一閘極導體層係以包圍著前述第一閘極絕緣層之方式分離成至少兩個導體層。
  6. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，
    於前述頁寫入操作時，係在前述通道半導體層的內部保持藉由撞擊游離化現象而生成的電洞群，且將前述通道半導體層的電壓設為比前述第一雜質層和前述第二雜質層之一方或兩方之電壓高的第一資料保持電壓；
    於前述頁抹除操作時，係控制施加於前述第一雜質層、前述第二雜質層、前述第一閘極導體層和前述第二閘極導體層的電壓，而將前述電洞群從前述第一雜質層和前述第二雜質層的一方或兩方予以移除，且將前述通 道半導體層的電壓設為比前述第一資料保持電壓還低的第二資料保持電壓。
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