TWI802404B - 使用半導體元件的記憶裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的記憶裝置係具備在基板上排列成列狀的複數個記憶單元構成的頁。該記憶裝置係進行頁寫入動作與頁抹除動作。該頁寫入動作係控制施加於前述頁所包含的各記憶單元的第一閘極導體層、第二閘極導體層、第一雜質層及第二雜質層的電壓，以將藉由衝擊游離化現象或閘極引發汲極漏電流所形成的電洞群保持於通道半導體層的內部。該頁抹除動作係控制施加於前述第一閘極導體層、前述第二閘極導體層、前述第一雜質層及前述第二雜質層的電壓，以從前述通道半導體層的內部去除前述電洞群。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及前述第二閘極導體層之中的一方係與字元線連接，另一方係與第一驅動控制線連接，前述位元線經由切換電路而連接於感測放大電路。該記憶裝置在頁讀出動作時，係將以前述字元線選擇的記憶單元群的頁資料讀出至前述位元線，進行前述位元線與前述切換電路之與前述位元線相反之側的電荷共享節點的電荷共享，以加速前述感測放大器的讀出判定。

Description

使用半導體元件的記憶裝置
本發明係關於一種使用半導體元件的記憶裝置。
近年來，LSI(Large Scale Integration：大型積體電路)技術開發要求記憶元件的高積體化與高性能化。
通常的平面型MOS(Metal-Oxide-Semiconductor：金屬氧化物半導體)電晶體中，通道係朝向沿半導體基板的上表面的水平方向延伸。相對於此，SGT(Surrounding Gate Transistor：環繞式閘極電晶體)的通道係相對於半導體基板的上表面沿垂直方向延伸(參照例如專利文獻1、非專利文獻1)。因此，相較於平面型MOS電晶體，SGT可達成半導體裝置的高密度化。使用此SGT作為選擇電晶體，可進行連接電容的DRAM(Dynamic Random Access Memory：動態隨機存取記憶體，參照例如非專利文獻2)、連接電阻可變元件的PCM(Phase Change Memory：相變化記憶體，參照例如非專利文獻3)、RRAM(Resistive Random Access Memory：電阻式隨機存取記憶體，參照例如非專利文獻4)、藉由電流使自旋磁矩的方向改變而改變電阻的MRAM(Magneto-resistive Random Access Memory：磁阻式隨機存取記憶體，參照例如非專利文獻5)等的高積體化。此外，亦存在有不具電容之以一個MOS電晶體構成的DRAM記憶單元(參照非專利文獻7)等。本申請案係有關不具電阻可變元件、電容等之能夠僅以MOS電晶體構成的動態快閃記憶體。
圖7(a)至(d)係顯示前述不具電容之以一個MOS電晶體構成的DRAM記憶單元的寫入動作，圖8(a)與(b)係顯示動作上的問題點，圖9(a)至(c)係顯示讀出動作(參照非專利文獻7至10)。圖7(a)係顯示“1”寫入狀態。在此，記憶單元係形成在SOI(Silicon on Insulator；絕緣層覆矽)基板，藉由連接源極線SL的源極N+層103(以下將包含高濃度施體雜質的半導體區域稱為「N+層」)、連接位元線BL的汲極N+層104、連接字元線WL的閘極導體層105、以及MOS電晶體110的浮體(Floating Body)102所構成，不具電容，而由一個MOS電晶體110構成DRAM的記憶單元。此外，SOI基板的SiO2層101係連接於浮體102的正下方。以一個MOS電晶體110所構成的記憶單元進行“1”的寫入時，係使MOS電晶體110在飽和區域動作。亦即，從源極N+層103延伸的電子的通道107中具有夾止點(pinch off point)108而不會到達連接位元線的汲極N+層104。如此，若將連接於汲極N+層的位元線BL與連接於閘極導體層105的字元線WL皆設成高電壓，使閘極電壓為汲極電壓的約1/2左右而使MOS電晶體110動作時，則電場強度於汲極N+層104附近的夾止點108成為最大。結果，從源極N+層103流向汲極N+層104的經加速的電子會衝撞Si的晶格，而藉由該時點所失去的運動能量產生電子、電洞對(衝擊游離化現象)。所產生的大部分的電子(未圖示)係到達汲極N+層104。此外，小部分的極熱的電 子係越過閘極氧化膜109而到達閘極導體層105。並且，同時產生的電洞106係對浮體102充電。此時，因浮體102為P型Si，故所產生的電洞有助於大量載子的增加。浮體102係被所產生的電洞106充滿，致使浮體102的電壓比源極N+層103更提高至Vb以上時，進一步產生的電洞係對源極N+層103放電。在此，Vb為源極N+層103與P層6的浮體102之間的PN接合的內建電壓(built-in voltage)，約0.7V。圖7(b)顯示浮體102已被所產生的電洞106飽和充電的樣態。
接著，使用圖7(c)來說明記憶單元110的“0”寫入動作。對於共同的選擇字元線WL，存在有隨機地寫入“1”的記憶單元110與寫入“0”的記憶單元110。圖7(c)顯示從“1”寫入狀態改寫成“0”寫入狀態的樣態。寫入“0”時，使位元線BL的電壓成為負偏壓，使汲極N+層104與P層的浮體102之間的PN接合成為順向偏壓。結果，先前的週期產生於浮體102的電洞106係流向與位元線BL連接的汲極N+層104。若寫入動作結束，則獲得被所產生的電洞106充滿的記憶單元110(圖7(b))以及所產生的電洞已被排除的記憶單元110(圖7(c))之二個記憶單元的狀態。被電洞106充滿的記憶單元110的浮體102的電位係高於已無所產生的電洞的浮體102。因此，寫入“1”的記憶單元110的閾值電壓係低於寫入“0”的記憶單元110的閾值電壓，成為圖7(d)所示的樣態。
接著，使用圖8(a)與(b)來說明此種以一個MOS電晶體110構成的記憶單元的動作上的問題點。如圖8(a)所示，浮體的電容CFB為電容CWL、接合電容CSL及接合電容CBL的總和而表示如下。
CFB=CWL+CBL+CSL (10)
其中，電容CWL係連接於字元線的閘極與浮體之間的電容，接合電容CSL係連接於源極線的源極N+層103與浮體102之間的PN接合的接合電容，接合電容CBL係連接於位元線的汲極N+層104與浮體102之間的PN接合的接合電容。
再者，連接於字元線的閘極與浮體之間的電容耦合比βWL表示如下。
βWL=CWL/(CWL+CBL+CSL) (11)
因此，若讀出時或寫入時字元線電壓VWL振盪，則構成記憶單元的記憶節點(接點)的浮體102的電壓也會受其影響，成為如圖8(b)所示的樣態。若讀出時或寫入時，字元線電壓VWL從0上升至VWLH，則浮體102的電壓VFB會因字元線的電容耦合而從字元線電壓變化前的初始狀態電壓VFB1上升到VFB2。其電壓變化量ΔVFB表示如下。
ΔVFB=VFB2-VFB1=βWL×VWLH (12)
在此，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。字元線例如從寫入時為5V而寫入結束後成為0V，由於字元線WL與浮體102的電容耦合，使得浮體102承受5V×βWL=4V的振盪雜訊。因此，會有無法充分獲得寫入時的浮體102的“1”電位與“0”電位的電位差的差分邊限的問題。
圖9(a)至(c)係顯示讀出動作，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，即使藉由“1”寫入將Vb寫入浮體102，字元線因寫入結束而回復到0V時，浮體102即會降低為負偏壓。要寫入“0”之際，由於浮體102成為更偏負的負偏壓，因此如圖10(c)所示， 於寫入時無法充分放大“1”與“0”之間的電位差的差分邊限，因此實際上處於難以將不具電容的DRAM記憶單元製品化的狀態。
再者，亦有於SOI(Silicon on Insulator；絕緣層覆矽)層使用兩個MOS電晶體來形成一個記憶單元而成的記憶元件(參照例如專利文獻4、5)。此等元件中，區分兩個MOS電晶體的浮體通道的構成源極或汲極的N+層係接觸絕緣層而形成。藉由此N+層接觸於絕緣層，兩個MOS電晶體的浮體通道係電性分離。屬於信號電荷的電洞群係積蓄於一方的電晶體的浮體通道。積蓄有電洞的浮體通道的電壓係如前所述，因施加於隣接的MOS電晶體的閘極電極的脈衝電壓，而與式(12)所示同樣地大幅地變化。因此，如使用圖7至圖9的說明，會無法充分放大寫入時的“1”與“0”的動作差分邊限(參照例如非專利文獻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：US2008/0137394 A1
專利文獻5：US2003/0111681 A1
[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, Vo1.98, 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 ofless 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, T. Tanaka: “A Design of a Capacitorless 1T-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. Zeng1, 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. 692-69, 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 pp.765-771 (2007)
無電容後的一個電晶體型的DRAM(增益單元)中，字元線與浮體之間的電容耦合較大，在資料讀出時、寫入時等時候字元線的電位振盪時，會有其振幅直接被作為對浮體傳送的雜訊的問題。結果，引起誤讀出、記憶資料的誤改寫的問題，而難以達到無電容的一個電晶體型的DRAM(增益單元)的實用化。
為了解決上述課題，本發明之半導體元件記憶裝置係藉由在基板上沿行方向排列的複數個記憶單元構成頁，且由複數個頁沿列方向排列而成者，
前述各頁所包含的各記憶單元係具有：
半導體基體，係於基板上相對於前述基板沿垂直方向豎立或沿水平方向延伸；
第一雜質層與第二雜質層，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的前述半導體基體的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，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全部；
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與前述第二閘極絕緣層所覆蓋而成者；
並且，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、前述第一雜質層及前述第二雜質層的電壓，以進行頁寫入動作與頁抹除動作；
前述各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及前述第二閘極導體層之中的一方係與字元線連接，另一方係與第一驅動控制線連接；
前述位元線係經由切換電路而連接於強制反轉型感測放大電路；
前述記憶裝置係於頁讀出動作時，係將以前述字元線選擇的記憶單元群的頁資料讀出至前述位元線，進行前述位元線和前述切換電路之與前述位元線相反之側的電荷共享節點的電荷共享，以加速前述強制反轉型感測放大電路的讀出判定(第一發明)。
上述第一發明中，前述電荷共享節點係於前述頁讀出動作開始前預備充電至與前述位元線同電壓或是前述位元線的電壓以上的電壓(第二發明)。
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大(第三發明)。
上述第一發明中，從中心軸方向觀看時，前述第一閘極導體層係以包圍前述第一閘極絕緣層的方式分離成至少兩個導體層(第四發明)。
上述第一發明中，前述記憶裝置係於前述頁寫入動作時，係將藉由衝擊游離化現象所生成的電洞群保持於前述通道半導體層的內部，以將前述通道半導體層的電壓設成比前述第一雜質層及前述第二雜質層之一方或雙方的電壓高的第一資料保持電壓，
前述記憶裝置係於前述頁抹除動作時，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及前述第二閘極導體層的電壓，從前述第一雜質層與前述第二雜質層之一方或雙方移除前述電洞群，以將前 述通道半導體層的電壓設成比前述第一資料保持電壓低的第二資料保持電壓(第五發明)。
1:基板
2:Si柱
3a:N+層(第一雜質層)
3b:N+層(第二雜質層)
4a:第一閘極絕緣層
4b:第二閘極絕緣層
5a:第一閘極導體層
5b:第二閘極導體層
6:絕緣層
7:通道區域
7a:第一通道Si層(第一通道半導體層)
7b:第二通道Si層(第二通道半導體層)
9:電洞群
10:動態快閃記憶單元
12a,12b:反轉層
13:夾止點
100:SOI基板
101:SiO2層
102:浮體
103:源極N+層
104:汲極N+層
105:閘極導體層
106:電洞
107:電子的通道(反轉層)
108:夾止點
109:閘極氧化膜
110:記憶單元(MOS電晶體)
BL,BL0,BLk,BLn,BLp,BL1,BL2,BL3:位元線
CB,CBk,CBp:位元線電容
CELL00,CELLj0,CELLm0,CELL0k,CELLjk,CELLmk,CELL0n,CELLjn,CELLmn,CELLjp:記憶單元
CL11,CL12,CL13,CL21,CL22,CL23,CL31,CL32,CL33:記憶單元
CS,CSk,CSp:寄生電容
CSL0,CSLk,CSLn,CSLp:行選擇線
FB,FB00,FB0k,FB0n,FBj0,FBjk,FBjn,FBm0,FBmk,FBmn,FBjp:浮體
FC:電荷共享信號線
FL:左信號線
FP:預充電信號線
FR:右信號線
FW:寫入信號線
IO/IO:輸入輸出線
LAk,LAp:閂鎖型感測放大器
MA:記憶單元陣列
P,Pk,Pp:電荷共享節點
PL,PL0,PLj,PLm,PL1,PL2,PL3:板線
Rk,Rp:活性化節點
S/A0,S/Ak,S/An:強制反轉型感測放大電路
Sk,/Sk,Sp,/Sp:感測節點
SL:源極線
T0,T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9,T10T11,T12,tR0,tR1,tR2,tR3,tR4,tP0,tP1,tP2,tP3,tP4:時刻
TR1k,TR1p,TR1n,TR2k,TR2p,TR2n,TR3k,TR3p,TR4k,TR4p,TR5k,TR5p,TR6k,TR6p,TR7k,TR7p,TR8k,TR8p,TR9,TR9k,TR9p,TR10,TR10k,TR10p,TR11,TR11k,TR11p,TR12k,TR12p,TR20:電晶體
VB:位元線抹除信號
WL,WL0,WLj,WLm,WL1,WL2,WL3:字元線
圖1係第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的構造圖。
圖2係第一實施型態之具有SGT的記憶裝置之連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容時的功效的說明圖。
圖3A係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的寫入動作機制的圖。
圖3B係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的寫入動作機制的圖。
圖4A係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的頁抹除動作機制的圖。
圖4B係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的頁抹除動作機制的圖。
圖4C係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的頁抹除動作機制的圖。
圖4D係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的頁抹除動作機制的圖。
圖4E係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的頁抹除動作機制的圖。
圖5係用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的讀出動作機制的圖。
圖6A係用以說明使用連接於第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的位元線的切換電路與強制反轉型感測放大電路，進行位元線與切換電路的位元線的相反側的電荷共享節點之間的電荷共享，以加速強制反轉型感測放大電路的讀出判定的圖。
圖6B係用以說明使用連接於第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的位元線的切換電路與強制反轉型感測放大電路，進行位元線與切換電路的位元線的相反側的電荷共享節點之間的電荷共享，以加速強制反轉型感測放大電路的讀出判定的圖。
圖6C係用以說明使用連接於第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的位元線的切換電路與強制反轉型感測放大電路，進行位元線與切換電路的位元線的相反側的電荷共享節點之間的電荷共享，以加速強制反轉型感測放大電路的讀出判定的圖。
圖6D係用以說明使用連接於第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的位元線的切換電路與強制反轉型感測放大電路，進行位元線與切換電路的位元線的相反側的電荷共享節點之間的電荷共享，以加速強制反轉型感測放大電路的讀出判定的圖。
圖6E用以說明第一實施型態之具有SGT的記憶裝置的強制反轉型感測放大電路的寫入動作的圖。
圖7係用以說明習知例之不具電容的DRAM記憶單元的寫入動作的圖。
圖8係用以說明習知例之不具電容的DRAM記憶單元的動作上的問題點的圖。
圖9係顯示習知例之不具電容的DRAM記憶單元的讀出動作的圖。
以下參照圖式說明本發明的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)
使用圖1至圖5來說明本發明第一實施型態的動態快閃記憶單元(Dynamic Flash Memory Cell)的構造與動作機制。使用圖1來說明動態快閃記憶單元的構造。使用圖2來說明連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容時的功效。使用圖3A、圖3B來說明資料寫入動作機制，使用圖4A~圖4E來說明資料抹除動作機制，使用圖5來說明資料讀出動作機制。
圖1係顯示本發明第一實施型態之動態快閃記憶單元的構造。於形成在基板上的具有P型或i型(本徵型)的導電型的矽半導體柱2(以下將矽半導體柱稱為「Si柱」)(申請專利範圍的「半導體基體」的一例)內的上下位置，形成一方為源極時另一方為汲極的N+層3a、3b(申請專利範圍的「第一雜質層」、「第二雜質層」的一例)。成為此源極、汲極的N+層3a、3b之間的Si柱2的部分係成為通道區域7(申請專利範圍的「通道半 導體層」的一例)。第一閘極絕緣層4a(申請專利範圍的「第一閘極絕緣層」的一例)、第二閘極絕緣層4b(申請專利範圍的「第二閘極絕緣層」的一例)係形成為包圍此通道區域7。此第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b係分別接觸或是靠近成為此源極、汲極的N+層3a、3b。第一閘極導體層5a(申請專利範圍的「第一閘極導體層」的一例)、第二閘極導體層5b(申請專利範圍的「第二閘極導體層」的一例)係分別形成為包圍第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b。並且，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。並且，N+層3a、3b之間的通道區域7係包含由第一閘極絕緣層4a所包圍的第一通道Si層7a(申請專利範圍的「第一通道半導體層」的一例)、以及由第二閘極絕緣層4b所包圍的第二通道Si層7b(申請專利範圍的「第二通道半導體層」的一例)。藉此，形成由成為源極、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、及第二閘極導體層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(申請專利範圍的「源極線」的一例)，成為汲極的N+層3b係連接於位元線BL(申請專利範圍的「位元線」的一例)，第一閘極導體層5a係連接於板線PL(申請專利範圍的「第一驅動控制線」的一例)，第二閘極導體層5b係連接於字元線WL(申請專利範圍的「字元線」的一例)。動態快閃記憶單元10中，與板線PL連接的第一閘極導體層5a的閘極電容以具有大於與字元線WL連接的第二閘極導體層5b的閘極電容的構造為佳。
在此，圖1中係第一閘極導體層5a的閘極長度大於第二閘極導體層5b的閘極長度，以使連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極 電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容。然而，除此之外，第一閘極導體層5a的閘極長度亦可不大於第二閘極導體層5b的閘極長度，而是改變各個閘極絕緣層的膜厚，使第一閘極絕緣層4a的閘極絕緣膜的膜厚小於第二閘極絕緣層4b的閘極絕緣層的膜厚。再者，也可改變各個閘極絕緣層的材料的介電常數，使第一閘極絕緣層4a的閘極絕緣膜的介電常數大於第二閘極絕緣層4b的閘極絕緣膜的介電常數。再者，亦可任意組合閘極導體層5a、5b的長度、閘極絕緣層4a、4b的膜厚、介電常數，以使連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容。
圖2(a)至(c)係連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容時的功效說明圖。
圖2(a)係僅簡略顯示本發明第一實施型態之動態快閃記憶單元的構造圖的主要部分。動態快閃記憶單元係與位元線BL、字元線WL、板線PL、及源極線SL連接，依據其電壓狀態來決定通道區域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係下列各電容的總和：連接字元線WL的閘極導體層5b與通道區域7之間的電容CWL、連接板線PL的閘極導體層5a與通道區域7之間的電容CPL、連接源極線CL的源極N+層3a與通道區域7之間的PN接合的接合電容CSL及連接位元線BL的汲極N+層3b與通道區域7之間的PN接合的接合電容CBL，以如下數式來表示。
CFB=CWL+CPL+CBL+CSL (1)
因此，字元線WL與通道區域7之間的耦合率βWL、板線PL與通道區域7之間的耦合率βPL、位元線BL與通道區域7之間的耦合率βBL、源極線SL與通道區域7之間的耦合率βSL係分別表示如下。
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，所以βPL>βWL。
圖2(c)係用以說明字元線WL的電壓因讀出動作及寫入動作而上升，且於其後下降時的通道區域7的電壓VFB的變化的圖。在此，字元線WL的電壓VWL從0V上升至高電壓狀態VWLH時，通道區域7的電壓VFB從低電壓狀態VFBL變為高電壓狀態VFBH時的電位差ΔVFB係如下所示。
ΔVFB=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，而板線PL與通道區域7之間的耦合率βPL較大，所以ΔVFB較小，即使字元線WL的電壓VWL因讀出動作及寫入動作而上下變動，通道區域7的電壓VFB也幾乎不變。
圖3A(a)至(c)與圖3B係顯示本發明第一實施型態之動態快閃記憶單元的頁寫入動作(申請專利範圍的「頁寫入動作」的一例)。圖3A(a) 係顯示寫入動作的機制，圖3A(b)係顯示位元線BL、源極線SL、板線PL、字元線WL及成為浮體FB的通道區域7的動作波形。時刻T0時，動態快閃記憶單元處於“0”抹除狀態，通道區域7的電壓為VFB“0”。再者，對於位元線BL、源極線SL、字元線WL施加Vss，對於板線PL施加VPLL。在此，例如Vss為0V，VPLL為2V。接著，時刻T1至T2之間，位元線BL從Vss上升至VBLH時，例如Vss為0V時，通道區域7的電壓因位元線BL與通道區域7之間的電容結合而成為VFB“0”+βBL×VBLH。
接著，使用圖3A(a)與(b)來說明動態快閃記憶單元的寫入動作。時刻T3至T4中，字元線WL從Vss上升至VWLH。藉此，若將與字元線WL連接的第二閘極導體層5b包圍通道區域7的第二N通道MOS電晶體區域的“0”抹除的閾值電壓設為VtWL“0”時，則伴隨著字元線WL的電壓上升，從Vss至VtWL為止，通道區域7的電壓係因字元線WL與通道區域7的第二電容耦合而成為VFB“0”+βBL×VBLH+βWL×VtWL“0”。字元線WL的電壓上升至VtWL“0”以上時，第二閘極導體層5b的內周的通道區域7會形成環狀的反轉層12b，遮蔽字元線WL與通道區域7的第二電容耦合。
接著，使用圖3A(a)與(b)來說明動態快閃記憶單元的寫入動作。時刻T3至T4中，對於與板線PL連接的第一閘極導體層5a固定輸入例如VPLL=2V，並使與字元線WL連接的第二閘極導體層5b上升至例如VWLH=4V。結果，如圖3A(a)所示，於與板線PL連接的第一閘極導體層5a的內周的通道區域7形成環狀的反轉層12a，且其反轉層12a係存在有夾止點13。結果，具有第一閘極導體層5a的第一N通道MOS電晶體區域係於飽和區域動作。另一方面，具有與字元線WL連接的第二閘極導體 層5b的第二N通道MOS電晶體區域係於線性區域動作。結果，於與字元線WL連接的第二閘極導體層5b的內周的通道區域7不存在夾止點，而於閘極導體層5b的內周全面形成反轉層12b。形成於與此字元線WL連接的第二閘極導體層5b的內周全面的反轉層12b係作為具有第二閘極導體層5b的第二N通道MOS電晶體區域的實質上的汲極來動作。結果，電場係在串聯連接的具有第一閘極導體層5a的第一N通道MOS電晶體區域與具有第二閘極導體層5b的第二N通道MOS電晶體區域之間的通道區域7的第一交界區域成為最大，在此區域會產生衝擊游離化(impact ionization)現象。由於從具有與字元線WL連接的第二閘極導體層5b的第二N通道MOS電晶體區域觀察時，此區域係源極側的區域，因此將此現象稱為源極側衝擊游離化現象。藉由此源極側衝擊游離化現象，電子係從與源極線SL連接的N+層3a流向與位元線連接的N+層3b。經加速的電子係衝撞晶格Si原子而藉由其運動能量產生電子、電洞對。所產生的電子的一部分係流向第一閘極導體層5a及第二閘極導體層5b，惟大部分係流向與位元線BL連接的N+層3b(未圖示)。
並且，如圖3A(c)所示，所產生的電洞群9(申請專利範圍的「電洞群」的一例)為通道區域7的多數載子，將通道區域7充電成正偏壓。由於與源極線SL連接的N+層3a為0V，因此通道區域7會被充電至源極線SL所連接的N+層3a與通道區域7之間的PN接合的內建電壓Vb(約0.7V)。通道區域7被充電成正偏壓時，第一N通道MOS電晶體區域與第二N通道MOS電晶體區域的閾值電壓就因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動作。時 刻T6至T7中，字元線WL的電壓從VWLH降至Vss。此時字元線WL與通道區域7之間會進行第二電容耦合，但字元線WL的電壓VWLH至變為通道區域7的電壓為Vb時的第二N通道MOS電晶體區域的閾值電壓VtWL“1”以下為止，反轉層12b會遮蔽此第二電容耦合。因此，字元線WL與通道區域7之間的實質電容耦合僅在字元線WL為VtWL“1”以下且降至Vss的時候。結果，通道區域7的電壓變為Vb-βWL×VtWL“1”。在此，VtWL“1”係低於前述VtWL“0”，而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動作。時刻T8至T9中，位元線BL係從VBLH降至Vss。由於位元線BL與通道區域7係電容耦合，因此，最後通道區域7的“1”寫入電壓VFB“1”係如下式所示。
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也較小。藉此，如圖3B所示，與字元線WL連接的第二通道半導體層7b的第二N通道MOS電晶體區域的閾值電壓變低。進行將此通道區域7的“1”寫入電壓設為第一資料保持電壓(申請專利範圍的「第一資料保持電壓」的一例)的記憶體寫入動作(申請專利範圍的「記憶體寫入動作」的一例)，並分配為邏輯記憶資料“1”。
在此，寫入動作時，亦能夠以第一雜質層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來取代第一交界區域，以衝擊游離化現象產生電子、電洞對，並以所產生的電洞群9對通道區域7充電。
再者，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板 線PL的電壓條件以及浮體電位係用以進行寫入動作的一例，而亦可為可進行寫入動作的其他動作條件。
使用圖4A至圖4E來說明記憶體抹除動作(申請專利範圍的「記憶體抹除動作」的一例)機制。
圖4A顯示用以說明頁抹除動作的記憶方塊電路圖。在此顯示三行×三列共計九個記憶單元CL11至CL33，然而實際的記憶方塊大於此矩陣。記憶方塊排列成矩陣狀時，將其排列的一方向稱為「行方向」(或「行狀」)，將與上述一方向垂直的方向稱為「列方向」(或「列狀」)。各記憶單元係連接於源極線SL、位元線BL1至BL3、板線PL1至PL3、字元線WL1至WL3。例如，在此假定此方塊中選擇與任意的頁(申請專利範圍的「頁」的一例)的板線PL2及字元線WL2連接的記憶單元CL21至CL23，進行頁抹除動作。
使用圖4B(a)至(d)與圖4C來說明頁抹除動作的機制。在此，N+層3a、3b之間的通道區域7係與基板電性分離而成為浮體。圖4B(a)顯示抹除動作的主要節點的時序動作波形圖。圖4B(a)中，T0至T12係表示從抹除動作開始至結束的時刻。圖4B(b)顯示於抹除動作前的時刻T0，於先前的周期藉由衝擊游離化所產生的電洞群9儲存於通道區域7的狀態。接著，於時刻T1至T2中，位元線BL1至BL3及源極線SL分別從Vss變為VBLH與VSLH的高電壓狀態。在此，Vss例如為0V。此動作係在接著的期間的時刻T3至T4中，要進行頁抹除動作而選擇的板線PL2從第一電壓VPLL變為第二電壓VPLH的高壓狀態，且要進行頁抹除動作所而選擇的字元線WL2從第三電壓Vss變為第四電壓VWLH的高壓狀態，於通道區域7 中，不會於與板線PL2連接的第一閘極導體層5a的內周形成反轉層12a，且不會於與字元線WL2連接的第二閘極導體層5b的內周形成反轉層12b。因此，關於VBLH與VSLH的電壓，將字元線WL2側的第二N通道MOS電晶體區域及板線PL2側的第一N通道MOS電晶體區域的閾值電壓分別設為VtWL與VtPL時，以VBLH>VWLH+VtWL且VSLH>VPLH+VtPL為佳。例如，VtWL及VtPL為0.5V時，可將VWLH及VPLH設定為3V，並將VBLH及VSLH設定為3.5V以上。
接著，說明圖4B(a)的頁抹除動作機制。第一期間的時刻T3至T4中，隨著板線PL2及字元線WL2變為第二電壓VPLH及第四電壓VWLH的高壓狀態，藉由板線PL2與通道區域7的第一電容耦合以及字元線WL2與通道區域7的第二電容耦合，將浮動狀態的通道區域7的電壓往上推升。通道區域7的電壓從“1”寫入狀態的VFB“1”成為高電壓。因位元線BL1至BL3及源極線SL的電壓VBLH及VSLH為高電壓，使得源極N+層3a與通道區域7之間的PN接合以及汲極N+層3b與通道區域7之間的PN接合為逆向偏壓狀態，因而能夠將通道區域7的電壓升壓。
接著，說明圖4B(a)的頁抹除動作機制。接下來的期間的時刻T5至T6中，位元線BL1至BL3及源極線SL的電壓從高電壓的VBLH及VSLH降到Vss。結果，源極N+層3a與通道區域7之間的PN接合以及汲極N+層3b與通道區域7之間的PN接合係如圖4B(c)所示，成為順向偏壓狀態，通道區域7的電洞群9之中的殘留電洞群係排出至源極N+層3a與汲極N+層3b。結果，通道區域7的電壓VFB成為源極N+層3a與P層的通道區域7形成的PN接合以及汲極N+層3b與通道區域7形成的PN接 合的內建電壓Vb。
接著，說明圖4B(a)的頁抹除動作機制。接下來的期間的時刻T7至T8中，位元線BL1至BL3及源極線SL的電壓從Vss上升到高電壓的VBLH及VSLH。藉此，如圖4B(d)所示，在時刻T9至T10中，使板線PL2及字元線WL2分別從第二電壓VPLH及第四電壓VWLH下降至第一電壓VPLL及第三電壓Vss之際，不會於通道區域7中形成板線PL2側的反轉層12a及字元線WL2側的反轉層12b，藉由板線PL2與通道區域7的第一電容耦合以及字元線WL2與通道區域7的第二電容耦合，效率良好地使通道區域7的電壓VFB從Vb變為VFB“0”。因此，“1”寫入狀態與“0”寫入狀態的通道區域7的VFB能夠以如下的數式表示。
VFB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (7)
VFB“0”=Vb-βWL×VWLH-βPL×(VPLH-VPLL) (8)
ΔVFB=VFB“1”-VFB“0”=βWL×VWLH+βPL×(VPLH-VPLL)-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH (9)
在此，βWL與βPL的和為0.8以上，ΔVFB變大，而可確保充分的差分邊限。
其結果，如圖4C所示，在“1”寫入狀態與“0”抹除狀態可確保較大的差分邊限。在此係顯示“0”抹除狀態下，板線PL2側的閾值電壓係因基板偏壓效應而變高，因此，將板線PL2的施加電壓設為例如其閾值電壓以下時，板線PL2側的第一N通道MOS電晶體區域係成為非導通而不讓記憶單元電流流通，成為圖4C的右側的「PL：非導通」所示的樣態。
接著，說明圖4B(a)的頁抹除動作機制。在接下來的第四期間的時刻T11至T12中，位元線BL1至BL3的電壓從VBLH降到Vss，源極線SL的電壓從VSLH降到Vss，抹除動作結束。此時，位元線BL1至BL3與源極線SL因電容耦合而將通道區域7的電壓略為拉下，但由於其大小等同於時刻T7至T8中因位元線BL1至BL3與源極線SL電容耦合而將通道區域7的電壓推升的量，所以位元線BL1至BL3與源極線SL的電壓的上下變動相抵消，就結果而言，對通道區域7的電壓未造成影響。進行將此通道區域7的“0”抹除狀態的電壓VFB“0”設為第二資料保持電壓(申請專利範圍的「第二資料保持電壓」的一例)的頁抹除動作，並分配為邏輯記憶資料“0”。於頁抹除動作後的資料讀出中，將施加於與板線PL相連的第一閘極導體層5a的電壓設定成高於邏輯記憶資料“1”時的閾值電壓且低於邏輯記憶資料“0”時的閾值電壓，藉此，如圖4C所示，可獲得即使將字元線WL的電壓提高也不會有電流流通的特性。
接著使用圖4D(a)至(d)來說明頁抹除動作的機制。圖4D與圖4B的不同點在於頁抹除動作中，位元線BL1至BL3為Vss或浮動狀態且字元線WL2固定於Vss。藉此，在時刻T1至T2中，即使源極線SL從Vss上升至VSLH，字元線WL2的第二N通道MOS電晶體區域也不導通，記憶單元電流不流通。因此，不會因衝擊游離化現象而產生電洞群9。此外係與圖4B同樣地，源極線SL振盪於Vss與VSLH之間，板線PL2振盪於VPLL與VPLH之間。結果，如圖4D(c)所示，電洞群9係被排出到源極線SL的第一雜質層之N+層3a。
接著，使用圖4E(a)至(d)來說明頁抹除動作的機制。圖4E與 圖4B的不同點在於頁抹除動作中，源極線SL為Vss或浮動狀態且板線PL2固定於Vss。藉此，在時刻T1至T2中，即使位元線BL1至BL3從Vss上升至VBLH，板線PL2的第一N通道MOS電晶體區域也不導通，記憶單元電流不流通。因此，不會因衝擊游離化現象而產生電洞群9。此外係與圖4B同樣地，位元線BL1至BL3振盪於Vss與VSLH之間，字元線WL2振盪於Vss與VWLH之間。結果，如圖4E(c)所示，電洞群9係被排出到位元線BL1至BL3的第二雜質層之N+層3b排出。
再者，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件以及浮體電位係用以進行頁抹除動作的一例，而亦可為可進行頁抹除動作的其他動作條件。
圖5(a)至(c)係用以說明本發明第一實施型態之動態快閃記憶單元的讀出動作的圖。如圖5(a)所示，通道區域7被充電至內建電壓(約0.7V)時，具有與字元線WL連接的第二閘極導體層5b的第二N通道MOS電晶體區域的閾值電壓就因基板偏壓效應而降低。將此狀態分配為邏輯記憶資料“1”。如圖5(b)所示，進行寫入動作之前所選擇的記憶方塊原為抹除狀態“0”時，通道區域7的電壓VFB成為VFB“0”。藉由寫入動作隨機地記憶體寫入狀態“1”。結果，對於字元線WL作成邏輯“0”與“1”的邏輯記憶資料。如圖5(c)所示，利用對於此字元線WL的兩個閾值電壓的高低差，能夠以感測放大器進行讀出。於資料讀出中，將施加於與板線PL相連的第一閘極導體層5a的電壓設定成高於邏輯記憶資料“1”時的閾值電壓且低於邏輯記憶資料“0”時的閾值電壓，藉此，如圖5(c)所示，可獲得即使將字元線WL的電壓提高也不會有電流流通的特性。
再者，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件以及浮體電位係用以進行讀出動作的一例，而亦可為可進行讀出動作的其他動作條件。
使用圖6A至圖6E來說明使用連接於第一實施型態之動態快閃記憶單元的位元線BL的切換電路與強制反轉型感測放大電路(申請專利範圍的「強制反轉型感測放大電路」的一例)，於頁讀出動作(申請專利範圍的「頁讀出動作」的一例)時，將字元線WL選擇的記憶單元群(申請專利範圍的「記憶單元群」的一例)的頁資料(申請專利範圍的「頁資料」的一例)讀出至前述位元線BL，且進行位元線BL與切換電路的位元線的相反側的電荷共享節點(申請專利範圍的「電荷共享節點」的一例)之間的電荷共享，以加速強制反轉型感測放大電路的讀出判定。
圖6A係用以詳細說明本發明第一實施型態之動態快閃記憶體的讀出時的電荷共享的主要節點的動作波形圖。讀出時，首先，電荷共享信號線FC成為第一高位準VFCH1，位元線BL被充電至VReadBL=VFCH1-Vt1。在此，Vt1為電晶體TR11的閾值電壓。接著，讀出“1”寫入記憶單元的位元線係以記憶單元電流往Vss放電。接著，電荷共享信號線FC被設定成第二高位準VFCH2。若此時位元線電位低於VFCH2-Vt1，由於位元線電容CB遠大於電荷共享節點的寄生電容CS，故電荷共享節點P的電位瞬時成為與位元線相同的VFCH2-Vt1。結果，些微的位元線的振幅ΔVBL比VFCH2-VFCH1大時，電荷共享節點的就成為低位準VPL=Vcc-Vt2。在此，Vt2為電晶體TR10的閾值電壓。由於電晶體TR10與電晶體TR11配置於接近的位置，所以製程所致差異性可視為同等而成為 Vt1=Vt2。結果，電荷共享節點的振幅ΔVP放大成ΔVP=(Vcc-Vt2)-(VFCH2-Vt1)=Vcc-VFCH2。如以上所述，由於電荷共享信號線FC的電位差(VFCH2-VFCH1)幾乎不會受到製程所致差異性造成的閾值電壓的差異的影響，所以能夠高速地進行高精度的感測動作。
圖6B顯示動態快閃記憶體的記憶單元陣列MA。在此排列(m+1)×(n+1)個記憶單元CELL00至CELLmn。各記憶單元沿列方向連接字元線WL0至WLm及板線PL0至PLm，沿行方向連接位元線BL0至BLn，而源極線SL連接於記憶單元的基板。此源極線SL係於記憶單元的記憶資料抹除之際成為負偏壓。因此，藉由列方向的字元線WL0至WLm與板線PL0至PLm以及行方向的位元線BL0至BLn而能夠選擇性地進行對記憶單元的寫入與讀出。在此，位元線BL0至BLn為單端型，一條的位元線BL0至BLn分別連接至進行讀出與寫入的感測放大器S/A0至S/An。記憶單元CELL00至CELLmn係於讀出時，僅“1”寫入狀態的記憶單元流通記憶單元電流，將位元線BL0至BLn放電，而“0”抹除狀態者則無記憶單元電流流通。因而使用強制反轉型的閂鎖型感測放大器作為感測放大器S/A0至S/An。因此，在對感測放大器S/A0至S/An輸入寫入資料之前以及在讀出資料被閂鎖之前，先將構成感測放大器的正反電路重置為一方向。再者，感測放大器S/A0至S/An係經由電晶體TR10至TR2n而連接於互補的輸入輸出線IO/IO。再者，電晶體TR10至TR2n的閘極係連接有行選擇線(Column Select Line)CLS0至CLSn。結果，寫入資料可從輸入輸出線IO/IO藉由行選擇線CLS0至CLSn而選擇性地輸入感測放大器S/A0至S/An。再者，被閂鎖於感測放大器S/A0至S/ An內的讀出資料可藉由行選擇線CLS0至CLSn而選擇性地讀出至輸入輸出線IO/IO。
圖6C顯示圖6B所示的感測放大器S/Ak至S/Ap的更詳細的電路圖。感測放大器S/Ak係由電晶體TR3k至TR12k及電容CBk與CSk構成，感測放大器S/Ap係由電晶體TR3p至TR12p及電容CBp與CSp構成。其中，TR3k、TR4k、TR3p、TR4p為P型MOS電晶體，TR5k至TR12k及TR5p至TR12p為N型MOS電晶體。在此，閂鎖型感測放大器(正反器)LAk與LAp中，LAk係由電晶體TR3k至TR6k構成，LAp係由電晶體TR3p至TR6p構成，並且，閂鎖型感測放大器LAk與LAp中具有互補的感測節點Sk與/Sk以及Sp與/Sp。再者，左信號線FL輸入電晶體TR7k與TR7p的閘極，右信號線FR輸入電晶體TR8k與TR8p的閘極。再者，電晶體TR7k與TR8k的源極連接於活性化節點Rk，電晶體TR7p與TR8p的源極連接於活性化節點Rp。並且，以電荷共享(Charge Sharing)節點Pk與Pp作為閘極輸入的電晶體TR9k與TR9p的汲極係分別連接於活性化節點Rk與Rp。預充電信號線FP係輸入電晶體TR10k與TR10p，而電晶體TR10k與TR10p的源極係連接於電荷共享節點Pk與Pp。再者，寄生電容(Stray Capacitor)CSk與CSp係分別連接於電荷共享節點Pk與Pp。再者，寫入信號線FW係連接於電晶體TR12k與TR12p，而電晶體TR12k與TR12p的源極係分別連接於位元線BLk與BLp。並且，位元線電容CBk與CBp係分別連接於位元線BLk與BLp。在此，位元線電容CBk與CBp係遠大於寄生電容CSk與CSp而具有CBk>CSk及CBp>CSp的關係。再者，以閘極連接於電荷共享信號線FC的 電晶體TR11k與TR11p係分別連接於位元線BLk與BLp及電荷共享節點Pk與Pp之間。電晶體TR11k與TR11p係作為切換電路來動作。
如圖6C的詳細顯示，構成單端型的強制反轉型感測放大器S/Ak與S/Ak。再者，位元線BLk與BLp的讀出資料係藉由電荷共享節點Pk與Pp高速地閂鎖於閂鎖型感測放大器(正反器)LAk與LAp。
圖6D係本發明第一實施型態之動態快閃記憶體的讀出時的主要節點的動作波形圖。在時刻tR0開始讀出動作時，預充電信號線FP從Vss上升至VFPH。結果，電荷共享節點Pk與Pp從Vss上升至Vcc，而活性化節點Rk與Rp從VRH下降至Vss。並且，右信號線FR從Vss上升至VFRH時，感測節點Sk與感測節點Sp被預備充電至初始設定值的VHS(申請專利範圍的「預備充電」的一例)，而於輸入讀出資料之前，將閂鎖型感測放大器(正反器)LAk與LAp重置。此時，VSH被預備充電至與位元線BL同電壓或位元線以上的電壓。接著，經時刻tR1，電荷共享信號線FC從Vss變成第一高位準VFCH1時，位元線BLk與位元線BLp從Vss被充電至位元線讀出電位VReadBL。接著，經時刻tR2，被選擇的字元線WLj從Vss變成VReadWL時，記憶單元CELLjk與CELLjp的資料分別被讀出至位元線BLk與BLp。被寫入“1”的CELLjk中有記憶單元電流流通，位元線BLk從VReadWL放電而往Vss下降。相對於此，抹除狀態“0”的CELLjp則無記憶單元電流流通，位元線BLp保持於VReadBL。在此，此時的板線的電壓保持於VReadPL。並且，電荷共享信號線FC從Vss變成第二高位準VFCH2時，儲存於電荷共享節點Pk與Pp的電荷係與位元線BLk與BLp共享。由於正在讀出“1”資料的位元線BLk的電位降低成為 Vss，所以在位元線BLk與電荷共享節點Pk之間產生電荷共享，電荷共享節點Pk的電位急速地降低。其後，左信號線FL的電位從Vss上升至VFLH時，感測節點Sp從VSH下降至Vss，將“0”閂鎖於閂鎖型感測放大器LAp。另一方面，感測節點Sk保持於VSH，將“1”閂鎖於閂鎖型感測放大器LAk。其後，經時刻tR3，所選擇的行選擇線CSLk從Vss變成VCSLH時，被閂鎖於閂鎖型感測放大器LAk的資料“1”被讀出至輸入輸出線IO/IO，IO成為VIOH而/IO成為Vss。接著，所選擇的行選擇線CSLp從Vss變成VCSLH時，被閂鎖於閂鎖型感測放大器LAp的資料“0”被讀出至輸入輸出線IO/IO，IO成為Vss而/IO成為VIOBH。
圖6E係本發明第一實施型態之動態快閃記憶體的讀入時的主要節點的動作波形圖。在時刻tP0開始動態快閃記憶體的讀入時，預充電信號線FP從Vss上升至VFPH。結果，電荷共享節點Pk與Pp從Vss上升至Vcc，而活性化節點Rk與Rp從VRH下降至Vss。並且，左信號線FL從Vss上升至VFLH時，感測節點Sk與感測節點Sp被初始設定於Vss，在寫入資料被輸入之前，分別設定閂鎖型感測放大器(正反器)LAk與LAp。接著經時刻tP1，在輸入輸出線IO成為VIOH而輸入輸出線/IO成為Vss的寫入資料輸入的期間，行選擇線CSLk從Vss上升至VCLSH時，電晶體TR1k與TR2k導通，寫入資料被閂鎖型感測放大器LAk讀入。行選擇線CSLk從VCLSH下降至Vss後，此時，輸入輸出線IO成為Vss而輸入輸出線/IO成為VIOH，而行選擇線CSLp從Vss上升至VCLSH，電晶體TR1p與TR2p導通，寫入資料被閂鎖型感測放大器LAp讀入。如此，複數個寫入資料被閂鎖型感測放大器(未圖示)讀入。其後，經時刻tP2， 寫入信號線FW從Vss上升至VFWH時，位元線BLk透過電晶體TR12k而被充電至用於“1”寫入的電壓VProgBL。再者，保持抹除狀態之不寫入“1”的位元線BLp的電壓係保持於Vss。其後，經時刻tP3，所選擇的字元線WLj從Vss上升至VProgWL時，在記憶單元CELLjk的通道區域7發生衝擊游離化現象而產生電洞群，而對於通道區域7的浮體FBjk寫入“1”。在此，此時的板線PLj係保持於VProgPL。另一方面，由於記憶單元CELLjp的位元線BLp為Vss，所以在此記憶單元CELLjp內的通道區域7不發生衝擊游離化現象。結果，保持於“0”抹除狀態。如此，藉由閂鎖型感測放大器LAk與Lap的資料而能夠選擇性地將“1”資料寫入記憶單元CELLjk與CELLjp。
圖1中，不論Si柱2的水平剖面形狀為圓形、橢圓形、長方形，皆可進行本實施型態中說明的動態快閃記憶體動作。再者，同一晶片上亦可混合有圓形、橢圓形、長方形的動態快閃記憶單元。
再者，圖1中，係以SGT為例說明了動態快閃記憶元件，此SGT係對於沿垂直方向豎立於基板上的Si柱2的側面整體包圍設置第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b，且具有分別包圍第一閘極絕緣層4a、第二閘極絕緣層4b的整體的第一閘極導體層5a、第二閘極導體層5b。惟，如本實施型態的說明所示，本動態快閃記憶元件若為滿足可將衝擊游離化現象所產生的電洞群9保持於通道區域7的條件的構造即可。因此，通道區域7若為與基板分離的浮動體構造即可。藉此，即使使用例如屬於SGT的一的GAA(Gate All Around；閘極全環電晶體，參照例如非專利文獻11)技術、Nanosheet(奈米片)技術(參照例如非專利文獻12)，將通道區域的半 導體基體相對於基板水平地形成，亦可進行動態快閃記憶動作。再者，也可為使用SOI(Silicon On Insulator)的元件構造(參照例如非專利文獻7至10)。此種元件構造中，通道區域的底部接觸於SOI基板的絕緣層，且藉由閘極絕緣層及元件分離絕緣層的包圍而包圍其他通道區域。即使是此種構造，通道區域也成為浮體構造。如此，本實施型態提供的動態快閃記憶元件若滿足通道區域為浮體構造的條件即可。再者，即使是於SOI基板上形成Fin電晶體(參照例如非專利文獻13)的構造，若通道區域為浮體構造則亦可進行本動態快閃動作。
再者，“1”寫入中，亦可使用GIDL(Gate Induced Drain Leakage：閘極誘導汲極漏電流)(參照例如非專利文獻14)來產生電子、電洞對，並以所產生的電洞群充滿通道區域7內。
再者，本說明書及圖式的數式(1)至(12)係用以定性地說明現象而使用的數式，而現象不受此等數式所限定。
此外，圖3A與圖3B的說明中，字元線WL、位元線BL、源極線SL的重置電壓記載為Vss，惟此等電壓亦可為不同的電壓。
再者，圖4A及其說明中顯示了抹除動作條件的一例，惟相對於此，若可實現從N+層3a、N+層3b的任一方或雙方去除在通道區域7的電洞群9的狀態，則也可改變施加於源極線SL、板線PL、位元線BL、字元線WL的電壓。再者，也可於頁抹除動作中，對所選擇的頁的源極線SL施加電壓，使位元線BL為浮動狀態。再者，也可於頁抹除動作中，對所選擇的頁的位元線BL施加電壓，使源極線SL為浮動狀態。
再者，圖1中，垂直方向被作為第一絕緣層的絕緣層6所包 圍的部分的通道區域7中，第一通道半導體層7a、第二通道半導體層7b的電位分布係連結地形成。藉此，通道區域7的第一通道半導體層7a、第二通道半導體層7b係於垂直方向藉由被作為第一絕緣層的絕緣層6所包圍的區域相連結。
此外，圖1中，板線PL連接的第一閘極導體層5a的垂直方向的長度大於字元線WL連接的第二閘極導體層5b的垂直方向的長度以使CPL>CWL為佳。然而，僅附加板線PL，字元線WL相對於通道區域7的電容耦合的耦合比(CWL/(CPL+CWL+CSL))就會變小。結果，浮體的通道區域7的電位變動ΔVFB變小。
再者，板線PL的電壓VPLL也可施加例如1V左右的固定電壓。
在此，本說明書及申請專利範圍中述及「閘極絕緣層或閘極導體層等覆蓋通道等」的「覆蓋」的意思係包含如SGT、GAA等之包圍整體的情形、如Fin電晶體之以剩餘一部分之方式包圍整體的情形、並且包含平面型電晶體之重疊於平面構造上的情形。
圖1中，第一閘極導體層5a係包圍第一閘極絕緣層4a的整體。相對於此，第一閘極導體層5a也可為俯視下包圍第一閘極絕緣層4a的一部分的構造。也可將第一閘極導體層5a分割成至少兩個閘極導體層而分別作為板線PL電極來動作。同樣地，也可將第二閘極導體層5b分割為兩個以上而分別作為字元線的導體電極，以同步或非同步來動作。即使如此，亦可進行動態快閃記憶體動作。
圖6A至圖6E中說明了由一個半導體基體構成的一位元的動 態快閃記憶單元的頁讀出動作，然而即使是對於記憶“1”與“0”互補的資料之由兩個半導體基體構成的一位元的高速動態快閃記憶單元的各動作模式，本發明同樣有效。
再者，圖1中，第一閘極導體層5a亦可連接於字元線WL，第二閘極導體層5b亦可連接於板線PL。即使如此，亦可進行上述本動態快閃記憶動作。
再者，上述之施加於位元線BL、源極線SL、字元線WL、板線PL的電壓條件以及浮體電位係用以進行抹除動作、寫入動作、讀出動作的基本動作的一例，若可進行本發明的基本動作，則也可為其他的電壓條件。
本實施型態提供下列特徵。
(特徵1)
本實施型態的動態快閃記憶單元中，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皆形成為柱狀。並且，成為源極的N+層3a連接於源極線SL，成為汲極的N+層3b連接於位元線BL，第一閘極導體層5a連接於板線PL，第二閘極導體層5b連接於字元線WL。本動態快閃記憶單元係具有連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容的構造。本動態快閃記憶單元中，第一閘極導體層、第二閘極導體層係沿垂直方向積層。因此，即使是連接於板線PL的第一閘極導體層5a的閘極電容大於連接於字元線WL的第二閘極導體層5b的閘極電容的構造，俯視觀察時，記憶單元面積亦不會增大。 藉此，能夠同時實現動態快閃記憶單元的高性能化與高積體化。
(特徵2)
進行本發明第一實施型態的動態快閃記憶單元的讀出與寫入的感測放大器係以單端的位元線作為輸入的強制反轉型感測放大器，使用較不受製程所致差異性影響的電荷共享電路，可將些微的位元線的讀出振幅高速地放大而讀出。結果，能夠達成顯著的系統的高速化。感測放大器的特徵可彙整如下。
(1)由於使用強制反轉型感測放大器作為感測放大器，所以在輸入寫入資料之前以及在閂鎖讀出資料之前，將構成感測放大器的正反電路重置為一方向。
(2)以可偵測位元線的些微的振幅的電荷共享電路來進行感測而可急速地放大位元線的些微的振幅。
(3)即使電荷共享電路產生製程所致差異性，接近的電晶體的閾值電壓也不會有大幅的差異，而為可獲得高可靠度的感測動作的設計。
(特徵3)
若注目於本發明第一實施型態的動態快閃記憶單元的板線PL所連接的第一閘極導體層5a時，在動態快閃記憶單元進行寫入、讀出動作之際，字元線WL的電壓會上下振盪。此時，板線PL係擔當降低字元線WL與通道區域7之間的電容耦合的作用。結果，可顯著抑制字元線WL的電壓上下振盪時的通道區域7的電壓變化的影響。藉此，可將顯示邏輯“0”與“1”的字元線WL的電晶體區域的閾值電壓差增大。此係致使動態快閃記憶單元的動作的差分邊限的擴大。
(特徵4)
圖6A至圖6E中，例如也可在記憶單元CELL00至CELLmn的方塊共用板線PL。結果，不僅可使製程及電路更簡便，且能夠實現更高速化。
(其他實施型態)
在此，本發明係形成Si柱，但亦可為由Si以外的半導體材料所構成的半導體柱。本發明的其他實施型態中此亦相同。
再者，“1”寫入中，亦可藉由非專利文獻10與非專利文獻14中記載的閘極引發汲極漏電流(GIDL：Gate Induced Drain Leakage)所致之衝擊游離化現象來產生電子、電洞對，並以所產生的電洞群充滿於浮體FB內。本發明的其他實施型態中此亦相同。
再者，圖1中，即使N+層3a、3b、P層Si柱2各者的導電型的極性為相反的構造，仍可進行動態快閃記憶動作。此時，屬於N型的Si柱2中，多數載子成為電子。因此，將因衝擊游離化現象而產生的電子群儲存於通道區域7的狀態設定為“1”狀態。
再者，本發明可在不脫離本發明的廣義的精神與範圍內進行各式各樣的實施型態及變形。再者，上述各實施型態係用以說明本發明的一實施例，而非用以限定本發明的範圍。上述實施例及變形例可任意組合。而且，即使視需要而將上述實施型態的構成要件的一部分除外者，仍包含於本發明的技術思想的範圍內。
[產業利用性]
依據本發明的使用半導體元件的記憶裝置，能夠獲得使用了高密度且高性能的SGT的記憶裝置之動態快閃記憶體。
BL0,BLk,BLn:位元線
CELL00,CELLj0,CELLm0,CELL0k,CELLjk,CELLmk,CELL0n,CELLjn,CELLmn:記憶單元
CSL0,CSLk,CSLn:行選擇線
FB00,FB0k,FB0n,FBj0,FBjk,FBjn,FBm0,FBmk,FBmn:浮體
IO/IO:輸入輸出線
MA:記憶單元陣列
PL0,PLj,PLm:板線
S/A0,S/Ak,S/An:強制反轉型感測放大電路
SL:源極線
TR10,TR1k,TR1n,TR20,TR2k,TR2n:電晶體
WL0,WLj,WLm:字元線

Claims (5)

  1. 一種使用半導體元件的記憶裝置，係藉由在基板上沿行方向排列的複數個記憶單元構成頁，且由複數個頁沿列方向排列而成者，
    前述各頁所包含的各記憶單元係具有：
    半導體基體，係於基板上相對於前述基板沿垂直方向豎立或沿水平方向延伸；
    第一雜質層與第二雜質層，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的前述半導體基體的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，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全部；
    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與前述第二閘極絕緣層所覆蓋而成者；
    並且，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、前述第一雜質層及前述第二雜質層的電壓，以進行頁寫入動作與頁抹除動作；
    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及前述第二閘極導體層之中的一方係與字元線連接，另一方係與第一驅動控制線連接；
    前述位元線係經由切換電路而連接於強制反轉型感測放大電路；
    前述記憶裝置係於頁讀出動作時，係將以前述字元線選擇的記憶單元群的頁資料讀出至前述位元線，進行前述位元線和前述切換電路之與前述位元線相反之側的電荷共享節點的電荷共享，以加速前述強制反轉型感測放大電路的讀出判定。
  2. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，前述電荷共享節點係於前述頁讀出動作開始前預備充電至與前述位元線同電壓或是前述位元線的電壓以上的電壓。
  3. 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大。
  4. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，從中心軸方向觀看時，前述第一閘極導體層係以包圍前述第一閘極絕緣層的方式分離成至少兩個導體層。
  5. 如請求項1所述之使用半導體元件的記憶裝置，其中，前述記憶裝置係於前述頁寫入動作時，係將藉由衝擊游離化現象所生成的電洞群保持於前述通道半導體層的內部，將前述通道半導體層的電壓設成比前述第一雜質層及前述第二雜質層之一方或雙方的電壓高的第一資料保持電壓，
    前述記憶裝置係於前述頁抹除動作時，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及前述第二閘極導體層的電壓，從前述第一雜質層與前述第二雜質層之一方或雙方移除前述電洞群，將前述通道半導體層的電壓設成比前述第一資料保持電壓低的第二資料保持電壓。
TW111117682A 2021-05-13 2022-05-11 使用半導體元件的記憶裝置 TWI802404B (zh)

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