TWI564894B - 增益單元型半導體記憶裝置及其驅動方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種使用半導體的記憶裝置。
其記憶單元由一個電晶體和一個電容器形成的1T1C型DRAM由於可以在原理上無限制地寫入,再者,由於寫入/讀出速度也比較快而在多種電子裝置中被使用(參照專利文獻1、專利文獻4)。但是,1T1C型DRAM由於是將所積累的電荷直接釋放到位元線並藉由檢測電位的變動來讀出資料,所以需要一定程度以上的電容器的容量,但是,伴隨電路的微型化要確保所需要的容量越來越困難。
相比於此,其記憶單元由兩個電晶體和一個電容器形成的增益單元型DRAM即使電容器的容量小也可以利用讀出電晶體將電荷量放大並供應到位元線,由此可以實現電容器小型化(參照專利文獻2、專利文獻3)。
圖2是習知的增益單元型DRAM的記憶單元的電路圖。記憶單元201具有寫入電晶體202和電容器203,寫入電晶體202的閘極與寫入字線204連接。另外,寫入電晶體202的汲極與位元線205連接,寫入電晶體202的源極與電容器203的第一電極(電容器電極)連接,並且電容器203的第二電極與讀出字線208連接。
另外,寫入電晶體202的源極及電容器203的第一電極與讀出電晶體207的閘極連接。再者,讀出電晶體207
的汲極和源極分別與位元線205和源極線206連接。
在將資料寫入到記憶單元201時,在使位元線205的電位為對應於資料的值的狀態下,控制寫入字線204的電位而使寫入電晶體202成為導通狀態,以對電容器203充電。然後,控制寫入字線204的電位而使寫入電晶體202成為截止狀態。此時,寫入電晶體202的源極與電容器203的第一電極的連接點(記憶節點SN)的電位成為對應於資料的值。
另外,為了從記憶單元201讀出資料,使位元線205成為一定電位的浮動狀態,並控制讀出字線208的電位而調整記憶節點SN的電位,以改變讀出電晶體207的狀態。此時,如果讀出電晶體207是導通狀態,則積累在位元線205中的電荷量變動,於是,檢測位元線205的電位變動。
[專利文獻1]美國專利第5802000號說明書
[專利文獻2]美國專利第7468901號說明書
[專利文獻3]美國專利申請公開第2011/0101351號說明書
[專利文獻4]美國專利第5764562號說明書
本發明的一個方式的目的是:提供一種其結構比習知的裝置簡單的半導體記憶裝置和其他半導體裝置以及這些的驅動方法或製造方法。另外,本發明的一個方式的目的
是:提供一種其集體度比習知的裝置高的半導體記憶裝置和其他半導體裝置以及這些的驅動方法或製造方法。
另外,本發明的一個方式的目的是:提供一種其耗電量比習知的裝置少的半導體記憶裝置或其他半導體裝置及其驅動方法或製造方法。另外,本發明的一個方式的目的是:提供一種其製造製程數比習知的裝置少的半導體記憶裝置或其他半導體裝置及其驅動方法或製造方法。
另外,本發明的一個方式的目的是:提供一種具有新穎結構的記憶裝置或其驅動方法,尤其是,提供一種可以減少耗電量的記憶裝置或記憶裝置的驅動方法。
以下對本發明進行說明,首先對在本說明書中使用的用詞進行簡單的說明。首先,在本說明書中,關於電晶體的源極和汲極,在將一方稱為汲極時將另一方稱為源極。換言之,不根據電位的高低而區別它們。從而,在本說明書中,也可以將源極看作汲極來解釋。
再者,在本說明書中,“連接”有時是指在實際上的電路中沒有物理連接的部分而只有佈線延伸的情況。例如,有時在絕緣閘極型場效應電晶體(MISFET)的電路中,一個佈線兼用作多個MISFET的閘極。在此情況下,在電路圖中,有時一個佈線被分成多個閘極。在本說明書中,將該情況也說成是“佈線連接於閘極”。
另外,“相等”、“同一”、“相同”等詞語不是僅指數量、形狀等嚴密一致的情況,而且還可以包括在實際應用上具有可以容許的程度的差異的情況。例如,即使源
極電位比汲極電位低0.1V,除非該差值顯著影響到工作,就也可以說成是“源極電位與汲極電位相等”。
本發明的一個方式是一種半導體記憶裝置,包括:寫入位元線;寫入字線;以及記憶單元,其中,各記憶單元具有寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,並且各記憶單元的寫入電晶體的閘極、汲極以及源極分別與寫入字線、電容器的電極之一以及源極線連接。
另外,本發明的一個方式是一種半導體記憶裝置,包括:寫入位元線;寫入字線;以及記憶單元,其中,各記憶單元具有寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,各記憶單元的寫入電晶體的閘極與寫入字線連接,電容器的電極之一與寫入電晶體的汲極連接,並且電容器的電極之另一與寫入位元線之一連接。
源極線也可以形成為與寫入位元線平行。另外,記憶單元的電容器的容量也可以為寫入電晶體的閘極電容的1倍至10倍。此時,寫入電晶體的截止電阻較佳為1×1018Ω以上。
另外,本發明的一個方式是一種半導體記憶裝置的驅動方法,其中在上述半導體記憶裝置中,剛寫入了一個資料(例如,資料“1”)之後的寫入電晶體的汲極及源極的電位與剛寫入了另一個資料(例如,資料“0”)之後的寫入電晶體的汲極及源極的電位彼此相等。
根據具有上述結構的半導體記憶裝置,提供一種其結構比習知的裝置簡單的半導體記憶裝置或其他半導體裝置
及其驅動方法。另外,提供一種其集體度比習知的裝置高的半導體記憶裝置或其他半導體裝置及其驅動方法。另外,提供一種其耗電量比習知的裝置少的半導體記憶裝置或其他半導體裝置及其驅動方法。另外,提供一種其製造製程數比習知的裝置少的半導體記憶裝置或其他半導體裝置及其驅動方法。另外,在以下實施方式中,更詳細地說明本發明的效果。
以下,將參照圖式說明實施方式。但是,實施方式可以以多個不同方式來實施,所屬技術領域的普通技術人員可以很容易地理解一個事實,就是其方式和詳細內容可以被變換為各種各樣的形式而不脫離本發明的宗旨及其範圍。因此,本發明不應該被解釋為僅限定在以下所示的實施方式所記載的內容中。
另外,在本實施方式中,對處於導通狀態的電晶體以與其重疊的方式寫上圓形符號○,對處於截止狀態的電晶體以與其重疊的方式寫上叉形符號×。另外,關於讀出電晶體,有時將由於該讀出電晶體的源極的電位與汲極的電位相等而電流不流過其間的狀態也看作截止狀態。
另外,有時以同一符號表示具有相同功能的情況、相同材料的情況或同時形成的情況,在需要特別區別時有時對符號追加“_1”或“_2”等而表示。例如,在多個讀出閘極112由同一材料形成時,在圖式中,對該多個讀出閘
極112的每一個分別追加“112_1”或“112_2”等符號而表示。另外,在說明書中當總稱讀出閘極時表示為“讀出閘極112”,而在將其中一個讀出閘極與其他讀出閘極區別時,有時表示為“讀出閘極112_1”。
圖1示出本實施方式的半導體記憶裝置的記憶單元的電路圖。記憶單元101具有一個寫入電晶體102、一個讀出電晶體107以及一個電容器103,其中寫入電晶體102的閘極與寫入字線104連接,並且寫入電晶體102的源極與源極線106連接。
另外,電容器103的第一電極與寫入電晶體102的汲極連接。將該節點稱為記憶節點SN。另外,電容器103的第二電極與寫入位元線105連接。
再者,讀出電晶體107的閘極與記憶節點SN連接,並且讀出電晶體107的汲極與讀出線108連接,讀出電晶體107的源極與源極線106連接。另外,較佳為將讀出線108配置為與源極線106正交(相交)。
在圖式中,示出源極線106與寫入位元線105平行的情況,但是本發明不侷限於此,源極線106也可以與寫入字線104平行。在源極線106與寫入字線104平行時,對使佈線實現集體化有效。另外,在源極線106與寫入位元線105平行時,根據後面陳述的理由,可以按每個記憶單元控制寫入電晶體的導通和截止。
另外,在將源極線106形成為與寫入位元線105彼此平行時,例如,可以使用專利文獻1所記載的方法。
接著,圖3A至5B簡單說明具有圖1的電路結構的記憶單元101的寫入方法和讀出方法的例子。另外,為了容易理解,以下示出電位的具體的數值,但是本發明不侷限於此。
這裏,在寫入資料“1”時,將寫入位元線105的電位設定為+1V,在寫入資料“0”時,將寫入位元線105的電位設定為0V。另外,寫入電晶體102和讀出電晶體107都是N通道型電晶體,寫入電晶體102的閾值為+0.5V,並且讀出電晶體107的閾值為+1V。另外,可以任意設定寫入電晶體102和讀出電晶體107的導電型。另外,這裏,使電容器103的容量充分大於讀出電晶體107的閘極電容。忽略不計其他的未圖示的寄生電容等。
在進行寫入以外時,使寫入字線104的電位為充分低的值(這裏,-1V),以不使寫入電晶體102成為導通狀態。首先,將寫入位元線105的電位設定為0V。此時,記憶節點SN的電位為+1V或0V。記憶節點SN的電位取決於所寫入的資料(的電位)。另外,將源極線106的電位設定為+1V,並將讀出線108的電位設定為+2V。
在上述狀態下,藉由使寫入字線104的電位上升到+2V,使寫入電晶體102成為導通狀態。其結果,記憶節點SN的電位成為+1V。此時,讀出電晶體107成為截止狀態(參照圖3A)。
接著,根據所寫入的資料,將寫入位元線105的電位設定為+1V或0V。在此情況下,記憶節點SN的電位繼續為+1V。但是,因為在電容器103的電極之間產生根據寫入位元線105的電位的電位差,所以在電容器103的第一電極中儲存與此相應的電荷(參照圖3B)。
然後,藉由使寫入字線104的電位下降到-1V,使寫入電晶體102截止。將儲存在電容器103的第一電極中的電荷儲存在記憶節點SN中。藉由上述步驟,寫入工作結束。
另外,在寫入位元線105的電位為+2V時,記憶節點SN的電位成為+2V或+3V。再者,藉由首先使源極線106的電位上升到+2V,再使寫入字線104的電位從-1V上升到+2V(參照圖4A),寫入電晶體102的閘極的電位(+2V)由於不高於源極和汲極中的任一電位而保持截止狀態。就是說,在寫入位元線105的電位和源極線106的電位都十分高,例如寫入位元線105的電位為+2V,而源極線106的電位為+2V時,不能寫入資料。
在習知的增益單元記憶體中,有如下問題:在為改寫一個記憶單元的資料而提高與該記憶單元連接的寫入字線的電位時,與同一寫入字線連接的其他記憶單元的寫入電晶體也成為導通狀態,從而儲存在其他記憶單元中的資料消失。雖然在習知的增益單元記憶體中難以解決該問題,但是,如上所述,在本發明的一個方式中,藉由設定寫入位元線105的電位元和配置為與寫入位元元線105平行的
源極線106的電位元,可以防止不需要的記憶單元的資料消失。
就是說,為了寫入資料,只將與待寫入的記憶單元連接的寫入位元線和源極線設定為低電位(在圖3A中,寫入位元線為0V,源極線為+1V),然後將寫入字線的電位設定為預定值(在圖3A中,+2V),再者,將寫入位元線的電位設定為資料的電位。
另一方面,藉由將上述以外的寫入位元線和源極線保持為一定的高電位(在圖4A中,寫入位元線和源極線都是+2V),即使寫入字線的電位成為預定值(+2V)也可以使寫入電晶體保持截止狀態,由此在該記憶單元中不發生資料的消失。
這在降低耗電量的意義上是較佳的。如現有技術那樣,如果在寫入時不需要的記憶單元的資料也消失,則需要補充該資料,為此需要使與該記憶單元連接的位元線的電位變動。電位的變動會耗電,但是,如上所述,在本發明的一個方式中,只使待改寫的寫入位元線的電位變動,從而可以顯著降低耗電量。
然後,在寫入結束之後,如上所述那樣將寫入字線104保持為充分低的電位(-1V)。在該狀態下,寫入位元線105的電位在0V至+2V的範圍內變動。例如,在寫入位元線105的電位為0V時,寫入位元線105與電容器103進行電容耦合,由此在寫入有資料“1”時,記憶節點SN的電位成為0V,而在寫入有資料“0”時,記憶節點
SN的電位成為+1V。因為這個理由,在圖3A中,在將寫入位元線105的電位設定為0V時,記憶節點SN的電位成為0V或+1V。
另外,在寫入位元線105的電位進一步上升時,記憶節點SN的電位也與此相應地上升。例如,在寫入位元線105的電位為+2V時,記憶節點SN的電位成為+2V或+3V。
就是說,記憶節點SN的電位在0V至+3V的範圍內變動。另外,源極線106的電位成為+1V或+2V。另外,將讀出線108的電位保持為+2V(參照圖4B)。只在寫入位元線105的電位成為+2V時,記憶節點SN的電位成為+3V,此時,源極線106的電位和讀出線108的電位都是+2V,由此電流不流過讀出電晶體107的源極與汲極之間。
在記憶節點SN的電位為0V或+1V時,讀出電晶體107處於截止狀態。在記憶節點SN的電位為+2V時,如果源極線106的電位為+2V,則讀出電晶體107還是處於截止狀態。
但是,有時記憶節點SN的電位為+2V,並且,源極線106的電位為+1V。此時,雖然讀出電晶體107成為導通狀態,但是將從高電位(+2V)的讀出線108減去閾值而得到的電位(+1V)輸出到源極線106,從而在實質上電流不流過讀出電晶體107的源極與汲極之間。
接著,說明讀出方法。首先,將寫入位元線105的電
位設定為低電位(這裏,0V)。其結果,記憶節點SN的電位根據所寫入的資料成為0V或+1V。另外,將源極線106的電位設定為+1V。
接著,使讀出線108和源極線106中的任何一個成為浮動狀態。這裏,使讀出線108成為浮動狀態,並將其電位設定為+2V。在該狀態下,讀出電晶體107處於截止狀態(參照圖5A)。
再者,藉由控制寫入位元元線105的電位,改變讀出電晶體107的狀態。這裏,將寫入位元線105的電位設定為+1V。其結果,記憶節點SN的電位根據所寫入的電位成為+1V和+2V中的任何一個。
在記憶節點SN的電位為+1V時,讀出線108的電位一直為+2V而不變。另一方面,在記憶節點SN的電位為+2V時,讀出線108的電位下降到+1V。就是說,在寫入有資料“1”的情況下讀出線108的電位成為+2V,而在寫入有資料“0”的情況下讀出線108的電位成為+1V(參照圖5B)。藉由上述步驟可以讀出資料。在上述的資料讀出的過程中,資料不會消失。
在上述例子中,將電容器103的容量假設為在與讀出電晶體107的閘極電容相比時充分高,但是,與現有增益記憶體同樣,在本發明的一個方式的半導體記憶裝置中,也可以藉由減小電容器103的容量來實現更高速度的寫入。
但是,在電容器103的電容為讀出電晶體107的閘極
電容的1倍至10倍時,記憶節點SN的電位有時受讀出電晶體107的狀態(導通或截止)的影響而變動,而不成為上述那樣的單純的值。
另外,直到累積在電容器103(或記憶節點SN)中的電荷被釋放的時間與容量及寫入電晶體102的截止電阻成比例。因此,在電容器103的容量小的情況下,較佳的是,與此相應地提高寫入電晶體102的截止電阻,寫入電晶體102的截止電阻較佳為1×1018Ω以上。
本實施方式的半導體記憶裝置的記憶單元採用圖1的讀出電晶體107的導電型與寫入電晶體102的導電型不同的結構。例如,在寫入電晶體102為N通道型時,讀出電晶體107為P通道型。
以下,參照圖6A至7C簡單地說明本實施方式的半導體記憶裝置的寫入方法及讀出方法的例子。在圖6A至7C中,示出兩個記憶單元,即記憶單元101_1和記憶單元101_2。將資料從寫入位元線105_1輸入到記憶單元101_1,並且,將資料從寫入位元線105_2輸入到記憶單元101_2。在以下例子中,在將資料寫入到記憶單元101_1之後從記憶單元101_1讀出資料,另一方面,將記憶單元101_2的資料繼續儲存而不讀出。
另外,為了容易理解,以下示出電位等的具體數值,但是本發明不侷限於此。這裏,在是資料“1”時,將寫
入位元線105的電位設定為+1V,在是資料“0”時,將寫入位元線105的電位設定為0V。
寫入電晶體102的閾值為+0.5V,並且讀出電晶體107的閾值為-0.5V。另外,使電容器103的容量充分大於讀出電晶體107的閘極電容。在以下例子中,只對記憶單元101_1(左側的記憶單元)寫入資料,而不對記憶單元101_2(右側的記憶單元)寫入資料。
在進行寫入時以外,寫入字線104的電位十分低(這裏,-1V),以不使寫入電晶體102導通。首先,將寫入位線105_1的電位設定為+1V。另外,將源極線106_1的電位設定為+1V。此時,如實施方式1所述,記憶單元101_1的記憶節點SN的電位為+2V或+1V。記憶單元101_1的記憶節點SN的電位取決於所寫入的資料(的電位)。
另外,將寫入位元線105_2的電位設定為+2V,並將源極線106_2的電位設定為+2V。如實施方式1所述,記憶單元101_2的記憶節點SN的電位為+2V或+3V。另外,將讀出線108的電位設定為+1V。
此時,記憶單元101_1的讀出電晶體和記憶單元101_2的讀出電晶體都因其閘極電位等於或高於其源極或汲極的電位而處於截止狀態(參照圖6A)。
如果在上述狀態下使寫入字線104的電位上升到+2V,則記憶單元101_1的寫入電晶體成為導通狀態,但是記憶單元101_2的寫入電晶體繼續處於截止狀態。記憶單元
101_1的記憶節點SN的電位成為+1V。
接著,根據所寫入的資料,將寫入位元線105_1的電位設定為+1V或0V。在此情況下,記憶單元101_1的記憶節點SN的電位繼續為+1V。但是,因為在記憶單元101_1的電容器的電極之間產生根據寫入位元線105_1的電位的電位差,所以在電容器的第一電極中儲存與此相應的電荷。與不進行資料的寫入的記憶單元101_2連接的寫入位元線105_2的電位繼續為+2V(參照圖6B)。
然後,藉由使寫入字線104的電位下降到-1V,使記憶單元101_1的寫入電晶體成為截止狀態。將儲存在記憶單元101_1的電容器的第一電極中的電荷儲存在記憶單元101_1的記憶節點SN中。寫入工作到此結束。
另外,為了對與寫入位元線105_1及寫入位元線105_2連接的其他記憶單元寫入資料,寫入位元線105_1及寫入位元線105_2的電位在0V至+2V的範圍內變動。因此,記憶單元101_1的記憶節點SN及記憶單元101_2的記憶節點SN的電位在0V至+3V的範圍內變動。
但是,從上述說明可知,在寫入資料時,寫入位元線105的電位和源極線106的電位聯動,而具有一定的規則性。就是說,在源極線106為+2V時,寫入位元線105的電位為+2V,因此記憶節點SN的電位也為+2V或+3V。在此情況下,如圖6C的記憶單元101_1所示那樣,讀出電晶體的閘極電位等於或高於源極或汲極,由此讀出電晶體處於截止狀態。
另一方面,在源極線106為+1V時,寫入位元線105的電位為0V或+1V,因此記憶節點SN的電位也為0V或+2V。但是,在此情況下,因為源極線106的電位(+1V)與讀出線108的電位(+1V)相等,所以如圖6C的記憶單元101_2所示那樣,電流不流過讀出電晶體的源極與汲極之間。
接著,說明讀出方法。首先,將寫入位元線105_1及寫入位元線105_2的電位設定為+2V,並且將源極線106_1及源極線106_2的電位設定為+2V。記憶單元101_1的記憶節點SN及記憶單元101_2的記憶節點SN的電位根據所寫入的資料而成為+2V或+3V。
另外,因為在源極線106的電位為+2V時記憶節點SN的電位為+2V以上,而在源極線106的電位為+1V時記憶節點SN的電位為0V或+1V,所以在讀出線108的電位為+1V以下時,無論記憶節點SN的電位如何,記憶單元101_1的讀出電晶體和記憶單元101_2的讀出電晶體都處於截止狀態(還包括源極與汲極之間為等電位而電流不流過該源極與汲極之間的情況)。
這裏,因為源極線106的電位和寫入位元線105的電位都是+2V,所以記憶單元101_1的讀出電晶體和記憶單元101_2的讀出電晶體都處於截止狀態,從而將讀出線108的電位設定為0V而使讀出線108成為浮動狀態(參照圖7A)。
在實施方式1中,為了使讀出線108成為浮動狀態,
需要將所有寫入位元元線105的電位一度降低到0V,但是本實施方式不需要該工作,從而可以減少耗電量。
例如,在某一期間中,在對與某一寫入位元線連接的記憶單元既不需要寫入資料也不需要讀出資料時,藉由將寫入位元線和源極線維持為+2V,使耗電量成為最小。
在實施方式1中,即使是不需要改寫或讀出的記憶單元,也為了將讀出線108設定為固定的電位(0V)而需要將寫入位元元線的電位一度設定為0V(或0V以下),因此消耗電力。
相比於此,在本實施方式中,可以在將寫入位元線105_2的電位保持為+2V的狀態下將讀出線108的電位設定為0V,從而可以降低耗電量。
接著,將寫入位元線105_1的電位設定為0V,並將源極線106_1的電位設定為+1V。記憶單元101_1的記憶節點SN的電位成為0V或+1V。因此,記憶單元101_1的讀出電晶體的狀態根據記憶節點SN的電位而不同。
在記憶單元101_1的記憶節點SN的電位為+1V時,讀出電晶體處於截止狀態,因此讀出線108的電位一直為0V而不變。另一方面,在記憶節點SN的電位為0V時,讀出線108的電位上升到+1V。就是說,在寫入有資料“1”的情況下讀出線108的電位成為+1V,而在寫入有資料“0”的情況下讀出線108的電位成為0V。
另一方面,將寫入位元線105_2及源極線106_2的電位維持為+2V。記憶單元101_2的記憶節點SN的電位成
為+2V或+3V。因此,記憶單元101_2的讀出電晶體處於截止狀態(參照圖7B)。
藉由上述步驟可以讀出資料。在上述的資料讀出的過程中,資料不會消失。在讀出結束後,將讀出線的電位設定為+1V。
在上述例子中,雖然在源極線106_1的電位為+1V且讀出線108的電位為0V的狀態下讀出資料,但是也可以在源極線106_1的電位為0V且讀出線108的電位為+1V的狀態下讀出資料。以下,說明該例子。
在讀出開始時,將寫入位元線105的電位和源極線106的電位都設定為+2V,並且將讀出線108的電位設定為0V。接著,將讀出線108的電位設定為+1V。另外,將源極線106設定為浮動狀態。此時,記憶單元101_1的讀出電晶體和記憶單元101_2的讀出電晶體都因其閘極電位等於或高於源極或汲極的電位而處於截止狀態。
接著,將與待讀出資料的記憶單元101_1連接的寫入位元線105_1和源極線106_1的電位都設定為0V。此時,記憶單元101_1的記憶節點SN的電位根據所寫入的資料而成為+1V或0V。
因為在記憶節點SN的電位為+1V時記憶單元101_1的讀出電晶體處於截止狀態,所以源極線106_1的電位繼續為0V。另一方面,因為在記憶節點SN的電位為0V時記憶單元101_1的讀出電晶體成為導通狀態,所以源極線106_1的電位上升到+1V(參照圖7C)。
藉由上述步驟可以讀出資料。在上述的資料讀出的過程中,資料不會消失。在讀出結束後,將讀出線的電位設定為0V。
在本實施方式中,參照圖8A至10C說明上述實施方式所說明的半導體記憶裝置的製造製程的概略。圖8A至9B是剖面示意圖,而圖10A至10C是從上方看該結構物的一部分時的示意圖。另外,沿圖10A至10C的鏈式線A-B的剖面相當於圖8A至9B。另外,至於製程的一部分的詳細內容,可以參照已知的半導體製造技術或專利文獻2。
在由矽、砷化鎵、磷化鎵或鍺等半導體構成的基板110的表面形成元件分離區域111等。再者,形成作為讀出電晶體的閘極的讀出閘極112_1及讀出閘極112_2,並且形成雜質區域113_1至113_4。
雜質區域113_1及雜質區域113_3用作實施方式1或實施方式2所示的源極線。較佳為將這些區域形成為平行於如下所述的寫入位元線,就是說,這些區域較佳為在圖式中從前面在深度方向上擴展。
另外,在將雜質區域113_1至雜質區域113_4用作源極線或讀出線時,其電阻較佳為低,因此,較佳為使用已
知的自對準矽化物(SALICIDE:Self-Aligned Silicide)技術等在其表面設置矽化物層。
再者,在形成第一層間絕緣物115之後,形成第一連接電極114_1及第一連接電極114_2,將第一層間絕緣物115、第一連接電極114_1及第一連接電極114_2蝕刻並平整,以使讀出閘極112_1及讀出閘極112_2的頂面露出。圖10A示出從上方看該步驟時的情況。圖10A示出元件分離區域111、讀出閘極112、雜質區域113以及第一連接電極114。
形成半導體層116_1、半導體層116_2以及它們上的閘極絕緣物117。作為用於半導體層116_1及半導體層116_2的半導體,可以使用各種半導體,但是較佳為使用能隙為2.5電子伏特以上且載子濃度為1014cm-3以下的半導體。為了達到上述目的,較佳為使用氧化物半導體作為半導體層。
作為氧化物半導體,較佳為至少包含銦(In)或鋅(Zn)。尤其是較佳為包含In及Zn。另外,作為降低電特性的不均勻的穩定劑,除了上述元素以外較佳為還包含鎵(Ga)。此外,作為穩定劑較佳為包含錫(Sn)。另外,作為穩定劑較佳為包含鉿(Hf)。此外,作為穩定劑較佳為包含鋁(Al)。
此外,作為其他穩定劑,也可以包含鑭系元素的鑭(
La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)中的一種或多種。
例如,作為氧化物半導體,可以使用:氧化銦、氧化錫、氧化鋅;二元金屬氧化物的In-Zn類氧化物、Sn-Zn類氧化物、Al-Zn類氧化物、Zn-Mg類氧化物、Sn-Mg類氧化物、In-Mg類氧化物、In-Ga類氧化物;三元金屬氧化物的In-Ga-Zn類氧化物(也稱為IGZO)、In-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Zn類氧化物、Sn-Ga-Zn類氧化物、Al-Ga-Zn類氧化物、Sn-Al-Zn類氧化物、In-Hf-Zn類氧化物、In-La-Zn類氧化物、In-Ce-Zn類氧化物、In-Pr-Zn類氧化物、In-Nd-Zn類氧化物、In-Sm-Zn類氧化物、In-Eu-Zn類氧化物、In-Gd-Zn類氧化物、In-Tb-Zn類氧化物、In-Dy-Zn類氧化物、In-Ho-Zn類氧化物、In-Er-Zn類氧化物、In-Tm-Zn類氧化物、In-Yb-Zn類氧化物、In-Lu-Zn類氧化物;四元金屬氧化物的In-Sn-Ga-Zn類氧化物、In-Hf-Ga-Zn類氧化物、In-Al-Ga-Zn類氧化物、In-Sn-Al-Zn類氧化物、In-Sn-Hf-Zn類氧化物、In-Hf-Al-Zn類氧化物。
在此,例如,“In-Ga-Zn氧化物”是指以In、Ga以及Zn為主要成分的氧化物,對In、Ga以及Zn的比率沒有限制。此外,也可以包含In、Ga、Zn以外的金屬元素。
例如,可以使用其原子比為In:Ga:Zn=1:1:1(=1/3:1
/3:1/3)或In:Ga:Zn=2:2:1(=2/5:2/5:1/5)的In-Ga-Zn類氧化物或近於該組成的氧化物。或者,較佳為使用其原子比為In:Sn:Zn=1:1:1(=1/3:1/3:1/3)、In:Sn:Zn=2:1:3(=1/3:1/6:1/2)或In:Sn:Zn=2:1:5(=1/4:1/8:5/8)的In-Sn-Zn類氧化物或近於該組成的氧化物。
但是,本發明不侷限於此,可以根據所需要的半導體特性(遷移率、閾值、不均勻性等)而使用適當的組成的氧化物。另外,較佳為採用適當的載子濃度、雜質濃度、缺陷密度、金屬元素及氧的原子數比、原子間結合距離以及密度等,以得到所需要的半導體特性。至於詳細內容,可以參照專利文獻2。
另外,例如In、Ga、Zn的原子數比為In:Ga:Zn=a:b:c(a+b+c=1)的氧化物的組成近於原子數比為In:Ga:Zn=A:B:C(A+B+C=1)的氧化物的組成是指a、b、c滿足(a-A)2+(b-B)2+(c-C)2 r2的狀態。r例如可以為0.05。其他氧化物也是同樣的。
氧化物半導體可以為單晶或非單晶。在採用後者時,可以採用非晶或多晶。另外,可以採用在非晶中包括具有結晶性的部分的結構或非非晶的結構。
非晶狀態的氧化物半導體由於可以比較容易地得到平坦的表面,所以可以減少使用該氧化物半導體製造電晶體時的介面散射,可以比較容易得到較高的遷移率。
另外,具有結晶性的氧化物半導體可以進一步降低塊體內缺陷,藉由提高表面的平坦性,可以得到處於非晶狀
態的氧化物半導體的遷移率以上的遷移率。為了提高表面的平坦性,較佳為在平坦的表面上形成氧化物半導體,明確而言,在平均面粗糙度(Ra)為1nm以下,較佳為0.3nm以下的表面上形成氧化物半導體。
這裏,半導體層116_1與讀出閘極112_1及第一連接電極114_1接觸,而半導體層116_2與讀出閘極112_2及第一連接電極114_2接觸。就是說,讀出閘極112_1成為以半導體層116_1為通道的第一電晶體的汲極電極,而讀出閘極112_2成為以半導體層116_2為通道的第二電晶體的汲極電極,並且第一連接電極114_1成為第一電晶體的源極,而第一連接電極114_2成為第二電晶體的源極。
再者,形成寫入字線104_1及寫入字線104_2。藉由在它們的上面設置由絕緣材料構成的蝕刻停止層118,對防止佈線間短路有效。藉由在寫入字線104的側面設置側壁,也對防止佈線間短路有效。另外,也可以以寫入字線104或其側壁為掩模對半導體層116引入某種雜質,以選擇性地提高導電性。圖10B示出從上方看該步驟時的情況。圖10B示出半導體層116及寫入字線104。
形成第二層間絕緣物120,在該第二層間絕緣物120中形成到達半導體層116_1及半導體層116_2的接觸孔,以形成第二連接電極119_1至第二連接電極119_4。再者,在第二層間絕緣物120上形成源極線106。圖10C示出
從上方看該步驟時的情況。圖10C示出源極線106。由圖10C可知,源極線106與寫入字線104交叉。
在第三層間絕緣物123中及第三層間絕緣物123上形成第三連接電極121_1、第三連接電極121_2、電容器電極122_1、電容器電極122_2以及寫入位元線105等。至於這些部件的製造,可以參照已知的疊層型電容器的製造方法。將寫入位元線105形成為與源極線106平行。
根據上述製程,可以形成記憶單元101_1及記憶單元101_2。記憶單元101_1及記憶單元101_2與同一源極線連接。
101‧‧‧記憶單元
102‧‧‧寫入電晶體
103‧‧‧電容器
104‧‧‧寫入字線
105‧‧‧寫入位線
106‧‧‧源極線
107‧‧‧讀出電晶體
108‧‧‧讀出線
110‧‧‧基板
111‧‧‧元件分離區域
112‧‧‧讀出閘極
113‧‧‧雜質區域
114‧‧‧第一連接電極
115‧‧‧第一層間絕緣物
116‧‧‧半導體層
117‧‧‧閘極絕緣物
118‧‧‧蝕刻停止層
119‧‧‧第二連接電極
120‧‧‧第二層間絕緣物
121‧‧‧第三連接電極
122‧‧‧電容器電極
123‧‧‧第三層間絕緣物
201‧‧‧記憶單元
202‧‧‧寫入電晶體
203‧‧‧電容器
204‧‧‧寫入字線
205‧‧‧位線
206‧‧‧源極線
207‧‧‧讀出電晶體
208‧‧‧讀出字線
SN‧‧‧記憶節點
在圖式中:圖1是示出本發明的半導體記憶裝置的例子的電路圖;圖2是示出習知的(增益單元)半導體記憶裝置的例子的圖;圖3A和3B是說明本發明的半導體記憶裝置的驅動方法的例子的圖;圖4A和4B是說明本發明的半導體記憶裝置的驅動方法的例子的圖;圖5A和5B是說明本發明的半導體記憶裝置的驅動方
法的例子的圖;圖6A至6C是說明本發明的半導體記憶裝置的驅動方法的例子的圖;圖7A至7C是說明本發明的半導體記憶裝置的驅動方法的例子的圖;圖8A和8B是示出本發明的半導體記憶裝置的製造製程的例子的圖;圖9A和9B是示出本發明的半導體記憶裝置的製造製程的例子的圖;圖10A至10C示出本發明的半導體記憶裝置的結構及製造製程的例子的圖。
101‧‧‧記憶單元
102‧‧‧寫入電晶體
103‧‧‧電容器
104‧‧‧寫入字線
105‧‧‧寫入位線
106‧‧‧源極線
107‧‧‧讀出電晶體
108‧‧‧讀出線
Claims (16)
- 一種半導體裝置,包括:寫入位元線;寫入字線;讀出線;源極線;以及記憶單元,其中,該記憶單元包括寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,其中,該寫入電晶體的閘極、汲極以及源極分別與該寫入字線、該電容器的其中一電極以及該源極線連接,其中,該讀出線與該源極線相交,其中,該讀出電晶體的閘極、汲極和源極分別與該寫入電晶體的該汲極、該讀出線和該源極線連接,其中,該電容器的該另一電極被連接至該寫入位元線,並且其中,該寫入位元線的電位當該記憶單元中所儲存的一個資料被改寫時變動。
- 一種半導體裝置,包括:寫入位元線;寫入字線;讀出線;源極線;以及記憶單元, 其中,該記憶單元包括寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,其中,該寫入電晶體的閘極與該寫入字線連接,其中,該電容器的其中一電極與該寫入電晶體的汲極連接,其中,該電容器的另一電極與該寫入位元線連接,其中,該讀出線與該源極線相交,其中,該寫入字線與該寫入位元線相交,其中,該讀出電晶體的閘極、汲極和源極分別與該寫入電晶體的該汲極、該讀出線和該源極線連接,並且其中,該寫入位元線的電位被組構成變動於當該記憶單元中所儲存的一個資料被改寫時。
- 根據申請專利範圍第1或2項之半導體裝置,其中,該源極線係形成為與該寫入字線平行。
- 根據申請專利範圍第1或2項之半導體裝置,其中,該源極線係形成為與該寫入位元線平行。
- 根據申請專利範圍第1或2項之半導體裝置,其中,該寫入電晶體的導電型與該讀出電晶體的導電型不同。
- 根據申請專利範圍第1或2項之半導體裝置,其中,該寫入電晶體的截止電阻為1×1018Ω以上。
- 一種半導體裝置的驅動方法,該半導體裝置包括:寫入位元線;寫入字線; 讀出線;源極線;以及記憶單元,其中,該記憶單元包括寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,其中,該寫入電晶體的閘極、汲極以及源極分別與該寫入字線、該電容器的其中一電極以及該源極線連接,其中,該讀出線與該源極線相交,並且其中,在資料讀出期間及資料寫入期間中將該源極線的電位保持為恆定。
- 一種半導體裝置的驅動方法,該半導體裝置包括:寫入位元線;寫入字線;讀出線;源極線;以及記憶單元,其中,該記憶單元包括寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,其中,該寫入電晶體的閘極、汲極以及源極分別與該寫入字線、該電容器的其中一電極以及該源極線連接,其中,該讀出線與該源極線相交,並且其中,剛寫入了一個資料之後的該寫入電晶體的汲極及源極的電位與剛寫入了另一個資料之後的該寫入電晶體的汲極及源極的電位相等。
- 一種半導體裝置的驅動方法,該半導體裝置包括:寫入位元線;寫入字線;讀出線;源極線;以及記憶單元,其中,該記憶單元包括寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器,其中,該寫入電晶體的閘極與該寫入字線連接,其中,該電容器的其中一電極與該寫入電晶體的汲極連接,其中,該電容器的另一電極與該寫入位元線連接,其中,該讀出線與該源極線相交,並且其中,在資料讀出期間及資料寫入期間中將該源極線的電位保持為恆定。
- 一種半導體裝置的驅動方法,該半導體裝置包括:寫入位元線;寫入字線;讀出線;源極線;以及記憶單元,其中,該記憶單元包括寫入電晶體、讀出電晶體以及電容器, 其中,該寫入電晶體的閘極與該寫入字線連接,其中,該電容器的其中一電極與該寫入電晶體的汲極連接,其中,該電容器的另一電極與該寫入位元線連接,其中,該讀出線與該源極線相交,並且其中,剛寫入了一個資料之後的該寫入電晶體的汲極及源極的電位與剛寫入了另一個資料之後的該寫入電晶體的汲極及源極的電位相等。
- 根據申請專利範圍第7至10項中任一項之半導體裝置的驅動方法,其中,該源極線係形成為與該寫入字線平行。
- 根據申請專利範圍第7至10項中任一項之半導體裝置的驅動方法,其中,該源極線係形成為與該寫入位元線平行。
- 根據申請專利範圍第7至10項中任一項之半導體裝置的驅動方法,其中,該寫入電晶體的導電型與該讀出電晶體的導電型不同。
- 根據申請專利範圍第7至10項中任一項之半導體裝置的驅動方法,其中,該寫入電晶體的截止電阻為1×1018Ω以上。
- 根據申請專利範圍第7至10項中任一項之半導體裝置的驅動方法,其中,該讀出電晶體的的閘極、汲極和源極分別被連接至該寫入電晶體的該汲極、該讀出線和源極線。
- 根據申請專利範圍第7至10項中任一項之半導體裝置的驅動方法,其中,該電容器的該另一電極被連接至該寫入位元線。
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