WO2022162870A1 - 半導体素子を用いたメモリ装置 - Google Patents

半導体素子を用いたメモリ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2022162870A1
WO2022162870A1 PCT/JP2021/003248 JP2021003248W WO2022162870A1 WO 2022162870 A1 WO2022162870 A1 WO 2022162870A1 JP 2021003248 W JP2021003248 W JP 2021003248W WO 2022162870 A1 WO2022162870 A1 WO 2022162870A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
layer
semiconductor
channel
memory
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/003248
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
康司 作井
望 原田
Original Assignee
ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド
康司 作井
望 原田
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド, 康司 作井, 望 原田 filed Critical ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド
Priority to JP2021525273A priority Critical patent/JP7057037B1/ja
Priority to PCT/JP2021/003248 priority patent/WO2022162870A1/ja
Priority to TW111101485A priority patent/TWI793973B/zh
Publication of WO2022162870A1 publication Critical patent/WO2022162870A1/ja
Priority to US18/226,656 priority patent/US20230377658A1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/34Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices
    • G11C11/40Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors
    • G11C11/401Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming cells needing refreshing or charge regeneration, i.e. dynamic cells
    • G11C11/403Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming cells needing refreshing or charge regeneration, i.e. dynamic cells with charge regeneration common to a multiplicity of memory cells, i.e. external refresh
    • G11C11/404Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming cells needing refreshing or charge regeneration, i.e. dynamic cells with charge regeneration common to a multiplicity of memory cells, i.e. external refresh with one charge-transfer gate, e.g. MOS transistor, per cell
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C16/00Erasable programmable read-only memories
    • G11C16/02Erasable programmable read-only memories electrically programmable
    • G11C16/06Auxiliary circuits, e.g. for writing into memory
    • G11C16/10Programming or data input circuits
    • G11C16/14Circuits for erasing electrically, e.g. erase voltage switching circuits
    • G11C16/16Circuits for erasing electrically, e.g. erase voltage switching circuits for erasing blocks, e.g. arrays, words, groups
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/21Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements
    • G11C11/34Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices
    • G11C11/40Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors
    • G11C11/401Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using electric elements using semiconductor devices using transistors forming cells needing refreshing or charge regeneration, i.e. dynamic cells
    • G11C11/4063Auxiliary circuits, e.g. for addressing, decoding, driving, writing, sensing or timing
    • G11C11/407Auxiliary circuits, e.g. for addressing, decoding, driving, writing, sensing or timing for memory cells of the field-effect type
    • G11C11/409Read-write [R-W] circuits 
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C16/00Erasable programmable read-only memories
    • G11C16/02Erasable programmable read-only memories electrically programmable
    • G11C16/06Auxiliary circuits, e.g. for writing into memory
    • G11C16/10Programming or data input circuits
    • G11C16/102External programming circuits, e.g. EPROM programmers; In-circuit programming or reprogramming; EPROM emulators
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C16/00Erasable programmable read-only memories
    • G11C16/02Erasable programmable read-only memories electrically programmable
    • G11C16/06Auxiliary circuits, e.g. for writing into memory
    • G11C16/10Programming or data input circuits
    • G11C16/12Programming voltage switching circuits
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C5/00Details of stores covered by group G11C11/00
    • G11C5/02Disposition of storage elements, e.g. in the form of a matrix array
    • G11C5/025Geometric lay-out considerations of storage- and peripheral-blocks in a semiconductor storage device
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C8/00Arrangements for selecting an address in a digital store
    • G11C8/12Group selection circuits, e.g. for memory block selection, chip selection, array selection
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/02Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
    • H01L27/04Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
    • H01L27/10Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including a plurality of individual components in a repetitive configuration
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices

Definitions

  • a semiconductor memory device includes: A block comprising a plurality of memory cells arranged in a matrix on a substrate, Each memory cell included in the block includes: a semiconductor body on a substrate, standing vertically or extending horizontally with respect to the substrate; a first impurity layer and a second impurity layer at both ends of the semiconductor matrix; a first gate insulating layer surrounding part or all of a side surface of the semiconductor base body between the first impurity layer and the second impurity layer and in contact with or adjacent to the first impurity layer; , a second gate insulating layer surrounding part or all of a side surface of the semiconductor base, connected to the first gate insulating layer, and in contact with or close to the second impurity layer; a first gate conductor layer covering the first gate insulating layer; a second gate conductor layer covering the second gate insulating layer; the semiconductor matrix is composed of the first gate insulating layer and a channel semiconductor layer covered with the second gate insulating layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Dram (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

プレート線PL0とPL1と、ワード線WL0とWL1と、ソース線SLと、ビット線BL0~BL3と、に印加する電圧を制御して、チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象、またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持するデータ保持動作と、前記プレート線PL0とPL1と、前記ワード線WL0とWL1と、前記ソース線SLと、前記ビット線BL0~BL3と、に印加する電圧を制御して、前記正孔群を前記チャネル半導体層の内部から除去し、さらにチャネル半導体層の電圧を、前記プレート線PL0とPL1と、前記ワード線WL0とWL1との、容量結合により、引き下げる、データ消去動作と、を行う、 メモリセルCL00~CL13が複数個行列状に配列するブロックがあり、前記ブロック内のメモリセルにおいて、前記データ保持動作状態のメモリセルCL00、CL02、CL03、CL11とCL13に対するメモリ再書込み動作と、前記データ消去動作状態のメモリセルCL01、CL10とCL12に対するメモリ再消去動作の、片方、もしくは、両方を前記ブロック内の全てメモリセルで同時に行う、柱状半導体素子を用いたメモリ装置である。

Description

半導体素子を用いたメモリ装置
 本発明は、半導体素子を用いたメモリ装置に関する。
 近年、LSI(Large Scale Integration)技術開発において、メモリ素子の高集積化と高性能化が求められている。
 通常のプレナー型MOSトランジスタでは、チャネルが半導体基板の上表面に沿う水平方向に延在する。これに対して、SGTのチャネルは、半導体基板の上表面に対して垂直な方向に延在する(例えば、特許文献1、非特許文献1を参照)。このため、SGTはプレナー型MOSトランジスタと比べ、半導体装置の高密度化が可能である。このSGTを選択トランジスタとして用いて、キャパシタを接続したDRAM(Dynamic Random Access Memory、例えば、非特許文献2を参照)、抵抗変化素子を接続したPCM(Phase Change Memory、例えば、非特許文献3を参照)、RRAM(Resistive Random Access Memory、例えば、非特許文献4を参照)、電流により磁気スピンの向きを変化させて抵抗を変化させるMRAM(Magneto-resistive Random Access Memory、例えば、非特許文献5を参照)などの高集積化を行うことができる。また、キャパシタを有しない、1個のMOSトランジスタで構成された、DRAMメモリセル(非特許文献7を参照)などがある。本願は、抵抗変化素子やキャパシタを有しない、MOSトランジスタのみで構成可能な、ダイナミック フラッシュ メモリに関する。
 図11(a)~(d)に、前述したキャパシタを有しない、1個のMOSトランジスタで構成された、DRAMメモリセルの書込み動作と、図12(a)と(b)に、動作上の問題点と、図13(a)~(c)に、読出し動作を示す(非特許文献7~10を参照)。図11(a)は、“1”書込み状態を示している。ここで、メモリセルは、SOI基板100に形成され、ソース線SLが接続されたソースN+層(以下、ドナー不純物を高濃度で含む半導体領域を「N+層」と称する。)103、ビット線BLが接続されたドレインN+層104、ワード線WLが接続されたゲート導電層105、MOSトランジスタ110のフローティングボディ(Floating Body)102により構成され、キャパシタを有さず、MOSトランジスタ110が1個でDRAMのメモリセルが構成されている。なお、フローティングボディ102直下には、SOI基板のSiO2層101が接している。このMOSトランジスタ110、1個で構成されたメモリセルの“1”書込みを行う際には、MOSトランジスタ110を飽和領域で動作させる。すなわち、ソースN+層103から延びる電子のチャネル107には、ピンチオフ点108があり、ビット線が接続しているドレインN+層104までには、到達していない。このようにドレインN+層に接続されたビット線BLとゲート導電層105に接続されたワード線WLを共に高電圧にして、ゲート電圧をドレイン電圧の約1/2程度で、MOSトランジスタ110を動作させると、ドレインN+層104近傍のピンチオフ点108において、電界強度が最大となる。この結果、ソースN+層103からドレインN+層104に向かって流れる加速された電子は、Siの格子に衝突して、その時に失う運動エネルギーによって、電子・正孔対が生成される(インパクトイオン化現象)。発生した大部分の電子(図示せず)は、ドレインN+層104に到達する。また、ごく一部のとても熱い電子は、ゲート酸化膜109を飛び越えて、ゲート導電層105に到達する。そして、同時に発生した正孔106は、フローティングボディ102を充電する。この場合、発生した正孔は、フローティングボディ102がP型Siのため、多数キャリアの増分として、寄与する。フローティングボディ102は、生成された正孔106で満たされ、フローティングボディ102の電圧がソースN+層103よりもVb以上に高くなると、さらに生成された正孔は、ソースN+層103に放電する。ここで、Vbは、ソースN+層103とP層のフローティングボディ102との間のPN接合のビルトイン電圧であり、約0.7Vである。図11(b)には、生成された正孔106でフローティングボディ102が飽和充電された様子を示している。
 次に、図11(c)を用いて、メモリセル110の“0”書込み動作を説明する。共通な選択ワード線WLに対して、ランダムに“1”書込みのメモリセル110と“0”書込みのメモリセル110が存在する。図11(c)では、“1”書込み状態から“0”書込み状態に書き換わる様子を示している。“0”書込み時には、ビット線BLの電圧を負バイアスにして、ドレインN+層104とP層のフローティングボディ102との間のPN接合を順バイアスにする。この結果、フローティングボディ102に予め前サイクルで生成された正孔106は、ビット線BLに接続されたドレインN+層104に流れる。書込み動作が終了すると、生成された正孔106で満たされたメモリセル110(図11(b))と、生成された正孔が吐き出されたメモリセル110(図11(c))の2つのメモリセルの状態が得られる。正孔106で満たされたメモリセル110のフローティングボディ102の電位は、生成された正孔がいないフローティングボディ102よりも高くなる。したがって、“1”書込みのメモリセル110のしきい値電圧は、“0”書込みのメモリセル110のしきい値電圧よりも低くなる。その様子を図11(d)に示している。
 次に、この1個のMOSトランジスタ110で構成されたメモリセルの動作上の問題点を図12(a)と(b)を用いて、説明する。図12(a)で示したように、フローティングボディの容量CFBは、ワード線の接続されたゲートとフローティングボディ間の容量CWLと、ソース線の接続されたソースN+層103とフローティングボディ102との間のPN接合の接合容量CSLと、ビット線の接続されたドレインN+層104とフローティングボディ102との間のPN接合の接合容量CBLとの総和で、
CFB = CWL + CBL + CSL  (14)
で表される。また、ワード線の接続されたゲートとフローティングボディ間の容量結合比βWLは、
βWL=CWL/(CWL + CBL + CSL)  (15)
で表される。したがって、読出し時または書込み時にワード線電圧VWLが振幅すると、メモリセルの記憶ノード(接点)となるフローティングボディ102の電圧も、その影響を受ける。その様子を図12(b)に示している。読出し時、または、書込み時にワード線電圧VWLが0VからVWLHに上昇すると、フローティングボディ102の電圧VFBは、ワード線電圧が変化する前の初期状態の電圧VFB1からVFB2へワード線との容量結合によって上昇する。その電圧変化量ΔVFBは、
ΔVFB = VFB1 - VFB2
       = βWL ×VWLH  (16)
で表される。
ここで、式(15)のβWLにおいて、CWLの寄与率が大きく、例えば、CWL:CBL:CSL=8:1:1である。この場合、β=0.8となる。ワード線が、例えば、書込み時の5Vから、書込み終了後に0Vになると、ワード線WLとフローティングボディ102との容量結合によって、フローティングボディ102が、5V×βWL=4Vも振幅ノイズを受ける。このため、書込み時のフローティングボディ102の“1”電位と“0”電位との電位差マージンを十分に取れない問題点があった。
 図13(a)~(c)に読出し動作を示しており、図13(a)は、“1”書込み状態を、図13(b)は、“0”書込み状態を示している。しかし、実際には、“1”書込みでフローティングボディ102にVbが書き込まれていても、書込み終了でワード線が0Vに戻ると、フローティングボディ102は、負バイアスに引き下げられる。“0”が書かれる際には、さらに深く負バイアスになってしまうため、図13(c)に示すように、書込みの際に“1”と“0”との電位差マージンを十分に大きく出来ないため、実際にキャパシタを有しない、DRAMメモリセルの製品化が困難な状況にあった。
特開平2-188966号公報 特開平3-171768号公報 特許第3957774号公報
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) 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) 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) 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) 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) 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) 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) 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). 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). E. Yoshida: "A Capacitorless 1T-DRAM Technology Using Gate-Induced Drain-Leakage (GIDL) Current for Low-Power and High-Speed Embedded Memory," IEEE IEDM (2006). 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. 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. 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). 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.
 SGTを用いたメモリ装置でキャパシタを無くした、1個のトランジス型のDRAM(ゲインセル)では、ワード線とフローティング状態のSGTのボディとの容量結合カップリングが大きく、データ読み出し時や書き込み時にワード線の電位を振幅させると、直接SGTボディへのノイズとして、伝達されてしまう問題点があった。この結果、誤読み出しや記憶データの誤った書き換えの問題を引き起こし、キャパシタを無くした1個のトランジス型のDRAM(ゲインセル)の実用化が困難となっていた。
 上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体メモリ装置は、
 基板上に行列状に配列された複数のメモリセルからなるブロックを備え、
 前記ブロックに含まれる各メモリセルは、
 基板上に、前記基板に対して、垂直方向に立つか、または水平方向に伸延する半導体母体と、
 前記半導体母体の両端にある第1の不純物層及び第2の不純物層と、
 前記第1の不純物層と前記第2の不純物層の間の前記半導体母体の側面の一部または全てを囲み、前記第1の不純物層に接するか、または、近接した第1のゲート絶縁層と、
 前記半導体母体の側面の一部または全てを囲み、前記第1のゲート絶縁層に繋がり、且つ前記第2の不純物層に接するか、または、近接した第2のゲート絶縁層と、
 前記第1のゲート絶縁層を覆う第1のゲート導体層と、
 前記第2のゲート絶縁層を覆う第2のゲート導体層と、
 前記半導体母体が前記第1のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層とで覆われたチャネル半導体層と、から構成され、
 前記個々のメモリセルにおいて、
 前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域と、に印加する電圧を制御して、前記チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持し、
 前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1の不純物層及び前記第2の不純物層の一方もしくは両方の電圧より、ビルトイン電圧だけ高い、第1のデータ保持電圧とする、メモリ書込み動作を行い、
 前記第1のゲート導体層と前記チャネル半導体層との間の第1の容量結合と、前記第2のゲート導体層と前記チャネル半導体層との間の第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を前記第1のデータ保持電圧よりも高い電圧に制御して、前記チャネル半導体層の電圧が、前記第1の不純物層及び前記第2の不純物層の一方もしくは両方の電圧より、ビルトイン電圧だけ高くなるまで、前記正孔群のうちの残存正孔群を前記チャネル半導体層の内部から、前記第1の不純物層及び前記第2の不純物層の一方もしくは両方を通して除去し、
 前記第1の容量結合と、前記第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い第2のデータ保持電圧とする、メモリ消去動作を行い、
 前記ブロック内の前記複数個のメモリセルの半導体母体の前記チャネル半導体層の電圧は、第1の時刻に、前記第1のデータ保持電圧、もしくは、前記第2のデータ保持電圧にあり、
 前記第1の時刻から時間が経過した第2の時刻に、前記ブロック内の、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が前記第1のデータ保持電圧であった前記半導体母体には、メモリ再書込み動作を行い、前記チャネル半導体層の電圧を前記第1のデータ保持電圧程度に戻し、
 前記第1の時刻から時間が経過した第3の時刻に、前記ブロック内の、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が前記第2のデータ保持電圧であった前記半導体母体には、メモリ再消去動作を行い、前記チャネル半導体層の電圧を前記第2のデータ保持電圧程度に戻す、
 ことを特徴とする(第1発明)。
 上記第1発明において、
 前記第1のゲート導体層の電圧が、第1の電圧から、前記第1の電圧よりも高い、第2の電圧とし、前記第2のゲート導体層の電圧が、第3の電圧から、前記第3の電圧よりも高い、第4の電圧とし、
 前記第1の容量結合と、前記第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を前記第1の時刻よりも高い電圧に制御する第1の期間と、
 前記チャネル半導体層の電圧が、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層との、片方、もしくは、両方の電圧より、ビルトイン電圧高くなるまで、前記正孔群のうちの残存正孔群を前記チャネル半導体層の内部から、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層との、片方、もしくは、両方から抜きとる第2の期間と、
 前記第1の容量結合と、前記第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い、前記第2のデータ保持電圧程度とする第3の期間、により前記メモリ再消去動作を行う、
 ことを特徴とする(第2発明)。
 上記第2発明において、
 前記第1の電圧から前記第2の電圧へは、少なくとも2段階の第1のステップ電圧で高電圧とし、前記第3の電圧から前記第4の電圧へは、少なくとも2段階の第2のステップ電圧で高電圧とし、前記メモリ再消去動作を行う、
 ことを特徴とする(第3発明)。
 上記第1発明において、
 前記メモリ再消去動作の際に、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が、前記第1のデータ保持電圧にあった、同一の前記ブロック内の前記半導体母体の前記チャネル半導体層には、反転層が形成され、前記第1のデータ保持電圧程度の電圧を維持する、
 ことを特徴とする(第4発明)。
 上記第1発明において、
 前記メモリ再書込み動作の際に、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が、前記第2のデータ保持電圧にあった、同一の前記ブロック内の前記半導体母体の前記チャネル半導体層においては、第1の不純物層と、第2の不純物層との間に電流は流れずに、前記第2のデータ保持電圧程度の電圧を維持する、
 ことを特徴とする(第5発明)。
 上記第1発明において、
 前記第1のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第1のゲート容量が、前記第2のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第2のゲート容量よりも大きい、
 ことを特徴とする(第6発明)。
 上記第1乃至第6発明における柱状半導体メモリ装置の前記ブロックを複数含むブロック群を備え、
 前記第1の不純物層は、ソース線と接続し、前記第2の不純物層は、ビット線と接続し、前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層との一方がワード線と接続すれば、他方が第1の駆動制御線と接続し、
 前記ソース線は、前記ブロック内の前記半導体母体間で繋がり、
 前記ソース線と、前記ビット線と、前記第1の駆動制御線と、前記ワード線とに印加する電圧により、前記ブロック群の中の選択した前記ブロックの全ての前記半導体母体において、前記メモリ再書込み動作と、メモリ再消去動作と、片方、もしくは、両方を同時に行う、
 ことを特徴とする(第7発明)。
第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の構造図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のプレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにした場合の効果を説明する図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の消去動作メカニズムを説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の書込み動作メカニズムを説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の書込み動作メカニズムを説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の読出し動作メカニズムを説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の“1”書込みのブロックリフレッシュ動作を説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の“1”書込みのブロックリフレッシュ動作を説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の“0”消去のブロックリフレッシュ動作を説明するための図である。 第1実施形態に係るSGTを有するメモリ装置の“0”消去のブロックリフレッシュ動作を説明するための図である。 第2実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図と主要ノードの印加電圧図である。 第2実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図と主要ノードの印加電圧図である。 第2実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図と主要ノードの印加電圧図である。 第3実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明するためのメモリアレイの回路ブロック図である。 第3実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明するためのメモリアレイの回路ブロック図である。 第3実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明するためのメモリアレイの回路ブロック図である。 第4実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のステップアップリフレッシュ動作を説明するための図である。 第4実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のステップアップリフレッシュ動作を説明するための図である。 従来例のキャパシタを有しない、DRAMメモリセルの書込み動作を説明するための図である。 従来例のキャパシタを有しない、DRAMメモリセルの動作上の問題点を説明するための図である。 従来例のキャパシタを有しない、DRAMメモリセルの読出し動作を示す図である。
 以下、本発明に係る、半導体素子を用いたメモリ装置(以後、ダイナミック フラッシュ メモリと呼ぶ)について、図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
 図1~図7を用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造と動作メカニズムを説明する。図1を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの構造を説明する。そして、図2を用いて、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにした場合の効果を説明する。そして、図3を用いてデータ書込み動作メカニズムを、図4A~図4Bを用いてデータ消去動作メカニズムを、図5を用いてデータ読出し動作メカニズムを説明する。そして、図6A、図6Bを用いて“1”書込みのブロックリフレッシュ動作を、図7A~図7Bを用いて“0”消去のブロックリフレッシュ動作を説明する。
 図1に、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造を示す。基板1(特許請求の範囲の「基板」の一例である)上に形成した、P型又はi型(真性型)の導電型を有するシリコン半導体柱2(以下、シリコン半導体柱を「Si柱」と称する。)(特許請求の範囲の「半導体母体」の一例である)内の上下の位置に、一方がソースとなる場合に、他方がドレインとなるN+層3a、3b(特許請求の範囲の「第1の不純物層」、「第2の不純物層」の一例である)が形成されている。このソース、ドレインとなるN+層3a、3b間のSi柱2の部分がチャネル領域7(特許請求の範囲の「チャネル半導体層」の一例である)となる。このチャネル領域7を囲むように第1のゲート絶縁層4a(特許請求の範囲の「第1のゲート絶縁層」の一例である)、第2のゲート絶縁層4b(特許請求の範囲の「第2のゲート絶縁層」の一例である)が形成されている。この第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bは、このソース、ドレインとなるN+層3a、3bに、それぞれ接するか、または近接している。第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bを囲むように第1のゲート導体層5a(特許請求の範囲の「第1のゲート導体層」の一例である)、第2のゲート導体層5b(特許請求の範囲の「第2のゲート導体層」の一例である)がそれぞれ形成されている。そして、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bは絶縁層6(特許請求の範囲の「第1の絶縁層」の一例である)により分離されている。そして、N+層3a、3b間のSi柱2の部分がチャネル領域7は、第1のゲート絶縁層4aで囲まれた第1のチャネルSi層7a(特許請求の範囲の「第1のチャネル半導体層」の一例である)と、第2のゲート絶縁層4bで囲まれた第2のチャネルSi層7b(特許請求の範囲の「第2のチャネル半導体層」の一例である)と、よりなる。これによりソース、ドレインとなるN+層3a、3b、チャネル領域7、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4b、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bからなるダイナミック フラッシュ メモリセル10が形成される。そして、ソースとなるN+層3aはソース線SL(特許請求の範囲の「ソース線」の一例である)に、ドレインとなるN+層3bはビット線BL(特許請求の範囲の「ビット線」の一例である)に、第1のゲート導体層5aは第1の駆動制御線(特許請求の範囲の「第1の駆動制御線」の一例である)であるプレート線PLに、第2のゲート導体層5bはワード線WL(特許請求の範囲の「ワード線」の一例である)に、それぞれ接続している。プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量は、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造を有することが望ましい。
 なお、図1では、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるように第1のゲート導体層5aのゲート長を、第2のゲート導体層5bのゲート長よりも長くしている。しかし、その他にも、第1のゲート導体層5aのゲート長を、第2のゲート導体層5bのゲート長よりも長くせずに、それぞれのゲート絶縁層の膜厚を変えて、第1のゲート絶縁層4aのゲート絶縁膜の膜厚を、第2のゲート絶縁層4bのゲート絶縁膜の膜厚よりも薄くしてもよい。また、それぞれのゲート絶縁層の材料の誘電率を変えて、第1のゲート絶縁層4aのゲート絶縁膜の誘電率を、第2のゲート絶縁層4bのゲート絶縁膜の誘電率よりも高くしてもよい。また、ゲート導体層、5a、5bの長さ、ゲート絶縁層4a、4bの膜厚、誘電率のいずれかを組み合わせて、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにしてもよい。
 図2(a)~(c)は、プレート線PLに接続された第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるようにした場合の効果を説明する図である。
 図2(a)は、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの構造図を主要部分のみを簡略化して示している。ダイナミック フラッシュ メモリセルには、ビット線BL、ワード線WL、プレート線PL、ソース線SLが接続されており、その電圧状態によって、チャネル領域7の電位状態が決まる。
 図2(b)は、それぞれの容量関係を説明するための図である。チャネル領域7の容量CFBは、ワード線WLの接続されたゲート5bとチャネル領域7間の容量CWLと、プレート線PLの接続されたゲート5aとチャネル領域7間の容量CPLと、ソース線SLの接続されたソースN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合の接合容量CSLと、ビット線BLの接続されたドレインN+層3bとチャネル領域7との間のPN接合の接合容量CBLとの総和で、
CFB = CWL + CPL + CBL + CSL  (1)
で表される。
したがって、ワード線WLとチャネル領域7間のカップリング率βWL、プレート線PLとチャネル領域7間のカップリング率βPL、ビット線BLとチャネル領域7間のカップリング率βBL、ソース線SLとチャネル領域7間のカップリング率βSLは、以下でそれぞれ表される。
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)
ここで、CPL >CWL であるため、βPL>βWLとなる。
 図2(c)は、ワード線WLの電圧VWLが、読出し動作と書込み動作で、上昇し、その後に下降する時のチャネル領域7の電圧VFBの変化を説明するための図である。ここで、ワード線WLの電圧VWLが、0Vから高電圧状態VWLHに上がった時に、チャネル領域7の電圧VFBが、低電圧状態VFBLから高出圧状態VFBHの電位差ΔVFBは、以下となる。
ΔVFB=VFBH-VFBL
    =βWL×VWLH  (6)
ワード線WLとチャネル領域7間のカップリング率βWLが小さく、プレート線PLとチャネル領域7間のカップリング率βPLが大きいため、ΔVFBは、小さく、ワード線WLの電圧VWLが、読出し動作と書込み動作で、上下しても、チャネル領域7の電圧VFBは、殆ど変化しない。
 図3(a)~(d)に、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を示す。図3(a)に書込み動作のメカニズム、図3(b)にビット線BL、ソース線SL、プレート線PL、ワード線WL、とフローティングボディFBとなっているチャネル領域7の動作波形を示す。時刻T0で、ダイナミック フラッシュ メモリセルは、“0”消去状態にあり、チャネル領域7の電圧は、VFB“0”となっている。また、ビット線BL、ソース線SL、ワード線WLには、Vssが、プレート線PLには、VPLLが印加している。ここで、例えば、Vssは0Vで、VPLLは、2Vである。次に時刻T1~T2で、ビット線BLがVssからVBLHへと上がると、例えば、Vssが0Vの場合、チャネル領域7の電圧は、ビット線BLとチャネル領域7との容量結合により、VFB“0”+βBL×VBLHとなる。
 引き続き、図3(a)と(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T3~T4で、ワード線WLがVssからVWLHへと上がる。これにより、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bがチャネル領域7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタの“0”消去のしきい値電圧をVtWL“0”とすると、ワード線WLの電圧の上昇に伴い、VssからVtWL“0”までは、ワード線WLとチャネル領域7との第2の容量結合(特許請求の範囲の「第2の容量結合」の一例である)により、チャネル領域7の電圧は、VFB“0”+βBL×VBLH+βWL×VtWL“0”となる。ワード線WLがVtWL“0”以上に上昇すると、第2のゲート導体層5bの内周には、チャネル領域7に環状の反転層12bが形成され、ワード線WLとチャネル領域7との第2の容量結合を遮る。
 引き続き、図3(a)と(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T3~T4で、プレート線PLの接続された第1のゲート導体層5aに、例えば、VPLL=2Vを固定入力し、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを、例えば、VWLH=4Vまで上げる。その結果、図3(a)で示したように、プレート線PLの接続された第1のゲート導体層5aの内周には、チャネル領域7に環状の反転層12aが形成され、その反転層12aには、ピンチオフ点13が存在する。この結果、第1のゲート導体層5aを有する第1のNチャネルMOSトランジスタは線形領域で動作する。一方、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層12bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタは飽和領域で動作する。この結果、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bの内周には、チャネル領域7にピンチオフ点は存在せずに内周の全面に反転層12bが形成される。このワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bの内周に全面に形成された反転層12bは、第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタの実質的なドレインとして働く。この結果、直列接続された第1のゲート導体層5aを有する第1のNチャネルMOSトランジスタと、第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタとの間のチャネル領域7の第1の境界領域で電界は最大となり、この領域でインパクトイオン化現象が生じる。この領域は、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタから見たソース側の領域であるため、この現象をソース側インパクトイオン化現象と呼ぶ。このソース側インパクトイオン化現象により、ソース線SLの接続されたN+層3aからビット線の接続されたN+層3bに向かって電子が流れる。加速された電子が格子Si原子に衝突し、その運動エネルギーによって、電子・正孔対が生成される。生成された電子の一部は、第1のゲート導体層5aと第2のゲート導体層5bに流れるが、大半はビット線BLの接続されたN+層3bに流れる(図示せず)。
 そして、図3(c)に示すように、生成された正孔群9(特許請求の範囲の「正孔群」の一例である)は、チャネル領域7の多数キャリアであり、チャネル領域7を正バイアスに充電する。ソース線SLの接続されたN+層3aは、0Vであるため、チャネル領域7はソース線SLの接続されたN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合のビルトイン電圧Vb(約0.7V)まで充電される。チャネル領域7が正バイアスに充電されると、第1のNチャネルMOSトランジスタと第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は、基板バイアス効果によって、低くなる。
 引き続き、図3(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T6~T7で、ワード線WLの電圧がVWLHからVssに低下する。その際にワード線WLとチャネル領域7とは、第2の容量結合をするが、ワード線WLの電圧VWLHが、チャネル領域7の電圧がVbの時の、第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧VtWL“1”以下になるまでは、反転層12bが、この第2の容量結合(を遮る。したがって、ワード線WLとチャネル領域7との、実質的な容量結合は、ワード線WLがVtWL“1”以下になり、Vssまで下降する時のみである。この結果、チャネル領域7の電圧は、Vb-βWL×VtWL“1”となる。ここで、VtWL“1”は、前記VtWL“0”よりも低く、βWL×VtWL“1”は小さい。
 引き続き、図3(b)を用いて、ダイナミック フラッシュ メモリセルの書込み動作を説明する。時刻T8~T9で、ビット線BLが、VBLHからVssへと低下する。ビット線BLとチャネル領域7とは、容量結合しているため、最終的にチャネル領域7の“1”書込み電圧VFB“1”は、以下のようになる。
FB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH     (7)
 ここで、ビット線BLとチャネル領域7とのカップリング比βBLも小さい。これにより、図3(d)で示すように、ワード線WLの接続された第2のチャネル領域7bの第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧は、低くなる。このチャネル領域7の“1”書込み状態を第1のデータ保持電圧(特許請求の範囲の「第1のデータ保持電圧」の一例である)とする、メモリ書込み動作(特許請求の範囲の「メモリ書込み動作」の一例である)を行い、論理記憶データ“1”に割り当てる。
 なお、書込み動作時に、第1の境界領域に替えて、第1の不純物層3aと第1のチャネル半導体層7aとの第2の境界領域、または、第2の不純物層3bと第2のチャネル半導体層7bとの第3の境界領域で、インパクトイオン化現象で、電子・正孔対を発生させ、発生した正孔群9でチャネル領域7を充電しても良い。
 図4A~図4Bを用いて、消去動作メカニズムを説明する。N+層3a、3b間のチャネル領域7は、電気的に基板から分離され、フローティングボディとなっている。図4A(a)は、消去動作の主要ノードのタイミング動作波形図を示している。図4A(a)において、T0~T12は、消去動作開始から終了までの時刻を表している。図4A(b)に消去動作前の時刻T0に、前のサイクルでインパクトイオン化により生成された正孔群9がチャネル領域7に蓄えられている状態を示す。そして、時刻T1~T2において、ビット線BLとソース線SLとが、それぞれVssからVBLHとVSLHの高電圧状態になる。ここで、Vssは、例えば、0Vである。この動作は、次の第1の期間(特許請求の範囲の「第1の期間」の一例である)の時刻T3~T4で、プレート線PLとワード線WLとが、それぞれ第1の電圧(特許請求の範囲の「第1の電圧」の一例である)VPLLから第2の電圧(特許請求の範囲の「第2の電圧」の一例である)VPLHと、第3の電圧(特許請求の範囲の「第3の電圧」の一例である)Vssから第4の電圧(特許請求の範囲の「第4の電圧」の一例である)VWLHと高電圧状態になり、チャネル領域7にプレート線PLの接続された第1のゲート導体層5aの内周の反転層(特許請求の範囲の「反転層」の一例である)12aと、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bの内周の反転層(特許請求の範囲の「反転層」の一例である)12bとを、形成させない。したがって、VBLHとVSLHの電圧は、ワード線WL側の第2のNチャネルMOSトランジスタとプレート線PL側の第1のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を、それぞれVtWLとVtPLとした場合、VBLH>VWLH+VtWL、VSLH>VPLH+VtPLであることが望ましい。例えば、VtWLとVtPLが0.5Vの場合、VWLHとVPLHは、3Vに設定して、VBLHとVSLHは、3.5V以上に設定すれば良い。
 引き続き、図4A(a)の消去動作メカニズムを説明する。第1の期間の時刻T3~T4で、プレート線PLとワード線WLとが、第2の電圧VPLHと第4の電圧VWLHの高電圧状態になるのに伴い、フローティング状態のチャネル領域7が、プレート線PLとチャネル領域7との第1の容量結合(特許請求の範囲の「第1の容量結合」の一例である)と、ワード線WLとチャネル領域7との第2の容量結合(特許請求の範囲の「第2の容量結合」の一例である)とによって、押し上げられる。チャネル領域7の電圧は、“1”書込み状態のVFB“1”から高電圧になる。これは、ビット線BLとソース線SLの電圧が、VBLHとVSLHと高電圧であるため、ソースN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合と、ドレインN+層3bとチャネル領域7との間のPN接合が逆バイアス状態であるため、昇圧することが可能である。
 引き続き、図4A(a)の消去動作メカニズムを説明する。次に第2の期間(特許請求の範囲の「第2の期間」の一例である)の時刻T5~T6で、ビット線BLとソース線SLの電圧が、高電圧のVBLHとVSLHからVssへと低下する。この結果、ソースN+層3aとチャネル領域7との間のPN接合と、ドレインN+層3bとチャネル領域7との間のPN接合は、図4B(c)に示すように、順バイアス状態となり、チャネル領域7の正孔群9のうちの残存正孔群(特許請求の範囲の「残存正孔群」の一例である)は、ソースN+層3aと、ドレインN+層3bとに、排出する。その結果、チャネル領域7の電圧VFBは、ソースN+層3aとP層のチャネル領域7とが形成するPN接合と、ドレインN+層3bとP層のチャネル領域7とが形成するPN接合のビルトイン電圧Vbとなる。
 引き続き、図4A(a)の消去動作メカニズムを説明する。次に時刻T7~T8で、ビット線BLとソース線SLの電圧が、Vssから高電圧のVBLHとVSLHへと上昇する。この施策によって、図3(d)に示すように、第3の期間(特許請求の範囲の「第3の期間」の一例である)の時刻T11~T12で、プレート線PLとワード線WLを第2の電圧VPLHと第4の電圧VWLHからそれぞれ第1の電圧VPLLと第3の電圧Vssに下降する際に、チャネル領域7にプレート線PL側の反転層(特許請求の範囲の「反転層」の一例である)12aとワード線側の反転層(特許請求の範囲の「反転層」の一例である)12bを形成させずに、効率良く、チャネル領域7の電圧VFBは、プレート線PLとチャネル領域7との第1の容量結合と、ワード線WLとチャネル領域7との第2の容量結合によって、VbからVFB“0”となる。したがって、“1”書込み状態と“0”消去状態のチャネル領域7の電圧差ΔVFBは、以下の式で表される。

FB“1”=Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH   (7)
FB“0”=Vb-βWL×VWLH-βPL×(VPLH-VPLL) (8)
ΔVFB=VFB“1”-VFB“0”
   =βWL×VWLH+βPL×(VPLH-VPLL
     -βWL×VtWL“1”-βBL×VBLH       (9)
ここで、βWLとβPLとの和は、0.8以上あり、ΔVFBは、大きくなり、十分にマージンが取れる。その結果、図4B(e)に示すように、“1”書込み状態と“0”消去状態とで、マージンを大きく取れる。
 引き続き、図4A(a)の消去動作メカニズムを説明する。次に第3の期間(特許請求の範囲の「第3の期間」の一例である)の時刻T11~T12で、ビット線BLとソース線SLの電圧が、VBLHからVssへ、VSLHからVssへとそれぞれ下降して、消去動作が終了する。その際、ビット線BLとソース線SLとが、チャネル領域7の電圧を容量結合で若干引き下げるが、時刻T7~T8にビット線BLとソース線SLとが、チャネル領域7の電圧を容量結合で引き上げていた分と同等であるため、ビット線BLとソース線SLの電圧の上げ下げは相殺され、結果的にチャネル領域7の電圧に影響を与えない。このチャネル領域7の“0”消去状態の電圧VFB“0”を第2のデータ保持電圧(特許請求の範囲の「第2のデータ保持電圧」の一例である)とする、メモリ消去動作(特許請求の範囲の「メモリ消去動作」の一例である)を行い、論理記憶データ“0”に割り当てる。
 図5(a)~(c)は、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの読出し動作を説明するための図である。図5(a)に示すように、チャネル領域7がビルトイン電圧Vb(約0.7V)まで充電されると、ワード線WLの接続された第2のゲート導体層5bを有する第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧が基板バイアス効果によって、低下する。この状態を論理記憶データ“1”に割り当てる。図5(b)に示すように、書込みを行う前に選択するメモリブロックは、予め消去状態“0”になっており、チャネル領域7の電圧VFBはVFB“0”となっている。書込み動作によってランダムに書込み状態“1”が記憶される。この結果、ワード線WLに対して、論理“0”と“1”の論理記憶データが作成される。図5(c)に示すように、このワード線WLに対する2つのしきい値電圧の高低差を利用して、センスアンプで読出しが行われる。
 図6A(a)~図6B(d)は、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの“1”書込みのブロックリフレッシュ動作を説明するための図である。
 図6A(a)に1個の半導体母体から成る“1”書込みの単体のダイナミック フラッシュ メモリセルを示している。“1”書込みのチャネル領域7の初期電圧は、VFB“1”であるが、経時変化で、VFB“1”- Vαに低下する。これは、チャネル領域7からの正孔群9のリーク電流に起因しているが、例えば、ソースN+層3aとドレインN+層3bへのリーク電流である。図6A(b)に半導体母体が複数個行列状(特許請求の範囲の「複数個行列状」の一例である)に配列する同一ブロック(特許請求の範囲の「ブロック」の一例である)の一部を構成する8個のダイナミック フラッシュ メモリセルCL00~CL13を示している。ここで、ダイナミック フラッシュ メモリセルCL00、CL02、CL03、CL11、CL13は、第1の時刻(特許請求の範囲の「第1の時刻」の一例である)に“1”書込み状態であり、余剰の正孔群9が、チャネル領域7に保持されている。また、ダイナミック フラッシュ メモリセルCL01、CL10、CL12は、“0”消去状態であり、余剰の正孔群9は、チャネル領域7に保持されていない。“1”書込み状態のダイナミック フラッシュ メモリセルCL00、CL02、CL03、CL11、CL13をメモリ再書込み動作(特許請求の範囲の「メモリ再書込み動作」の一例である)であるリフレッシュするために、ビット線BL0~BL3、ワード線WL0とWL1、プレート線PL0とPL1に正バイアスを印加し、ソース線SLをVssにする。ここで、Vssは、例えば0Vである。その具体的な動作波形の一例を図6B(c)に示しており、これは時刻T0~T4のビット線BL、ソース線SL、ワード線WL、プレート線PL、フローティングボディFBとなるチャネル領域7の電圧の経時変化である。第2の時刻(特許請求の範囲の「第2の時刻」の一例である)である時刻T0で、“1”書込みのダイナミック フラッシュ メモリセルのチャネル領域7の電圧は、VFB1=VFB“1”- Vαに低下している。時刻T1で、ビット線BLの電圧がVssからVBLRに上昇する。ここで、VBLRは、“1”書込みのブロックリフレッシュ動作のためのビット線BLの電圧で、例えば、2Vである。この結果、ドレインN+層3bとP層のチャネル領域7の間のPN接合の容量結合によって、βBLをビット線BLとチャネル領域7との間の容量結合のカップリング比として、チャネル領域7の電圧は、VFB2と以下の式(4)と(10)で表される。
βBL=CBL/(CWL+CPL+CBL+CSL)  (4)
FB2=VFB1+βBL×VBLR  (10)
 引き続き、図6B(c)を用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの“1”書込みのブロックリフレッシュ動作を説明する。時刻T2で、ワード線WLがVssからVWLRPへ高電圧になる。ここで、VWLRPは、“1”書込みのブロックリフレッシュ動作のワード線WLの印加電圧であり、例えば、4Vである。この結果、“1”書込み状態のダイナミック フラッシュ メモリセルCL00、CL02、CL03、CL11、CL13において、プレート線PL0とPL1の接続する第1のゲート導体層5aがチャネル領域7を取り囲む第1のNチャネルMOSトランジスタは線形領域で、ワード線WL0とWL1の接続する第2のゲート導体層5bがチャネル層7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタは飽和領域で動作する。それに伴い、ドレインN+層3bからソースN+層3aへと電流が流れ、インパクトイオン化現象で正孔群9が発生し、チャネル領域7を満たす。この結果、チャネル領域7の電圧は、ビルトイン電圧Vb(約0.7V)となる。一方、“0”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルCL01、CL10、CL12において、プレート線PL0とPL1の接続する第1のゲート導体層5aがチャネル層7を取り囲む第1のNチャネルMOSトランジスタの“0”消去状態のしきい値電圧VtPL“0”と、ワード線WL0とWL1の接続する第2のゲート導体層5bがチャネル層7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタの“0”消去状態のしきい値電圧VtWL“0”とが高いため、時刻T2で、ドレインN+層3bからソースN+層3aへと電流が流れず、インパクトイオン化現象を起こさない。
 引き続き、図6B(c)を用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの“1”書込みのブロックリフレッシュ動作を説明する。時刻T3で、ワード線WLがVWLRPからVssへと低下する。ワード線WLの接続する第2のゲート導体層5bが取り囲むチャネル層7には、反転層12bが生成されているため、この反転層が、第2のゲート導体層5bとチャネル層7との間の第2の容量結合を遮る。第2のゲート導体層5bがチャネル層7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタの“1”書込み状態のしきい値電圧をVtWL“1”とすると、ワード線WLの電圧がVtWL“1”以下なった際に第2のゲート導体層5bとチャネル層7との間の第2の容量結合が働き、チャネル領域7の電圧は、式(11)で表されるVb1となる。
Vb1=Vb-βWL×VtWL“1”  (11)
 ここで、“1”書込み状態のしきい値電圧VtWL“1”は、低いため、βWL×VtWL“1”は小さい。次に時刻T4で、ビット線BLがVBLRからVssへと低下し、“1”書込みのブロックリフレッシュ動作が終了するが、最終的なチャネル領域7の電圧VFB“1”は、式(12)で表されるVb2となる。
FB“1”=Vb2=Vb1-βBL×VBLR
     =Vb-βWL×VtWL“1”-βBL×VBLR  (12)
 したがって、図6B(d)に示すように、ワード線電圧VWLとセル電流Icellの関係のグラフにおいて、破線のリフレッシュ前の“1”書込み状態から、実線の“1”書込み状態へと第2のゲート導体層5bがチャネル層7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧VtWLが低くなる。
 図7A、図7Bは、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの“0”消去のブロックリフレッシュ動作を説明するための図である。
 図7A(a)に“0”消去の単体のダイナミック フラッシュ メモリセルを示している。“0”書込みのチャネル領域7の初期電圧は、第1の時刻で、VFB“0”であるが、経時変化で、第3の時刻(特許請求の範囲の「第3の時刻」の一例である)で、VFB“0”+ Vγに上昇する。これは、チャネル領域7への正孔群9の流入等のリーク電流が原因している。図7A(b)に同一ブロックの一部を構成する8個のダイナミック フラッシュ メモリセルCL00~CL13を示している。ここで、ダイナミック フラッシュ メモリセルCL00、CL02、CL03、CL11、CL13は、“1”書込み状態であり、余剰の正孔群9が、チャネル領域7に保持されており、ダイナミック フラッシュ メモリセルCL01、CL10、CL12は、“0”消去状態であり、余剰の正孔群9は、チャネル領域7に保持されていない。“0”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルCL01、CL10、CL12をメモリ再消去動作(特許請求の範囲の「メモリ再消去動作」の一例である)であるリフレッシュするために、ビット線BL0~BL3とソース線SLをVssにした状態で、ワード線WL0とWL1、プレート線PL0とPL1に正バイアスのパルスを印加する。ここで、Vssは、例えば0Vである。その具体的な動作波形の一例を図7B(c)に示しており、時刻T0~T4のビット線BL、ソース線SL、ワード線WL、プレート線PL、フローティングボディFBとなるチャネル領域7の電圧の経時変化である。時刻T0で、“0”消去のダイナミック フラッシュ メモリセルチャネル領域7の電圧は、VFB3=VFB“0”+ Vγに上昇している。時刻T1で、ワード線WLがVssからVWLREへ、プレート線PLがVPLLからVPLRへ、それぞれ上昇すると、ワード線WLの接続する第2のゲート導体層5bとチャネル層7との間の第2の容量結合と、プレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aとチャネル層7との間の第1の容量結合とにより、チャネル層7の電圧は、ビルトイン電圧Vbよりも高いVFB4になる。この結果、“0”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルCL01、CL10、CL12において、P層のチャネル領域7とソースN+層3aとの間のPN接合と、P層のチャネル領域7とドレインN+層3bとの間のPN接合とが、それぞれ順バイアスとなり、チャネル領域7に流入した正孔群9をソースN+層3aとドレインN+層3bへと、排出する。一方、“1”書込み状態のダイナミック フラッシュ メモリセルCL00、CL02、CL03、CL11、CL13において、プレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aが取り囲むチャネル領域7には、反転層12aとワード線WLの接続する第2のゲート導体層5bが取り囲むチャネル領域7には、反転層12bが形成されているが、ビット線BLとソース線SLは共にVssであるため、ビット線BLからソース線SLへ電流は流れずにインパクトイオン化現象も起こさない。また、反転層12aと12bとが、チャネル領域7から、第1のゲート導体層5aと第2のゲート導体層5bとを遮蔽するため、チャネル領域7の電圧は上昇しない。
 引き続き、図7B(c)を用いて、本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの“0”消去のブロックリフレッシュ動作を説明する。時刻T2で、ワード線WLの電圧がVWLREからVssへ、プレート線PLの電圧がVPLRからVssへと低下すると、リフレッシュ動作後の“0”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルのチャネル領域7の電圧VFB“0”は、式(13)で表される。
FB“0”=Vb-βWL×VWLRE-βPL×(VPLR-VPLL)   (13)
したがって、図7B(d)に示すように、ワード線電圧VWLとセル電流Icellの関係のグラフにおいて、破線のリフレッシュ前の第3の時刻の“0”消去状態から、実線の“0”消去状態へと第2のゲート導体層5bがチャネル層7を取り囲む第2のNチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧VtWL“0”が高くなる。
 なお、図1において、プレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aの垂直方向の長さを、ワード線WLの接続する第1のゲート導体層5bの垂直方向の長さより更に長くし、CPL>CWLとすることが、望ましい。しかし、プレート線PLを付加することだけで、ワード線WLのチャネル領域7に対する、容量結合のカップリング比(CWL/(CPL+CWL+CBL+CSL))が小さくなる。その結果、フローティングボディのチャネル領域7の電位変動ΔVFBは、小さくなる。
 また、プレート線PLの電圧VPLLは、ブロック消去動作で選択消去される以外の各動作モードでは、例えば、2Vの固定電圧を印加しても良い。
 また、図1において、Si柱2の断面形状は、円形状、楕円状、長方形状であっても、本実施形態で説明したダイナミック フラッシュ メモリ動作ができる。また、同一チップ上に、円形状、楕円状、長方形状のダイナミック フラッシュ メモリセルを混在させてもよい。
 また、図1では、基板1上に垂直方向に立ったSi柱2の側面全体を囲んだ第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bを設け、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4bの全体を囲んで第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bを有するSGTを例にダイナミック フラッシュ メモリ素子を説明した。本実施形態の説明で示したように、本ダイナミック フラッシュ メモリ素子は、インパクトイオン化現象により発生した正孔群9がチャネル領域7に保持される条件を満たす構造であればよい。このためには、チャネル領域7は基板1と分離されたフローティングボディ構造であればよい。これより、例えばSGTの1つであるGAA(Gate All Around : 例えば非特許文献10を参照)技術、Nanosheet技術(例えば、非特許文献11を参照)を用いて、チャネル領域の半導体母体を基板1に対して水平に形成されていても、前述のダイナミック フラッシュ メモリ動作ができる。また、SOI(Silicon On Insulator)を用いたデバイス構造(例えば、非特許文献7~10を参照)であってもよい。このデバイス構造ではチャネル領域の底部がSOI基板の絶縁層に接しており、且つ他のチャネル領域を囲んでゲート絶縁層、及び素子分離絶縁層で囲まれている。この構造においても、チャネル領域はフローティングボディ構造となる。このように、本実施形態が提供するダイナミック フラッシュ メモリ素子では、チャネル領域がフローティングボディ構造である条件を満足すればよい。また、Finトランジスタ(例えば非特許文献13を参照)をSOI基板上に形成した構造であっても、チャネル領域がフローティングボディ構造であれば、本ダイナミック フラッシュ動作が出来る。
 なお、本明細書及び特許請求の範囲において「ゲート絶縁層やゲート導体層等がチャネル等を覆う」と言った場合の「覆う」の意味として、SGTやGAAのように全体を囲む場合、Finトランジスタのように一部を残して囲む場合、さらにプレナー型トランジスタのように平面的なものの上に重なるような場合も含む。
 なお、本明細書及び図面の式(1)~(16)は、現象を定性的に説明するために用いた式であり、現象がそれらの式でよって限定されるものではない。
 なお、図4A~図4Bに消去動作条件の一例を示した。これに対して、チャネル領域7にある正孔群9を、N+層3a、N+層3bのいずれか、または両方から除去する状態が実現できれば、ソース線SL、プレート線PL、ビット線BL、ワード線WLに印加する電圧を変えてもよい。
 また、図1において、垂直方向において、第1の絶縁層である絶縁層6で囲まれた部分のチャネル領域7では、第1のチャネル領域7a、第2のチャネル領域7bの電位分布が繋がって形成されている。これにより、第1のチャネル領域7a、第2のチャネル領域7bのチャネル領域7が、垂直方向において、第1の絶縁層である絶縁層6で囲まれた領域で繋がっている。
 本実施形態は、下記の特徴を供する。
(特徴1)
 本実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、ソース、ドレインとなるN+層3a、3b、チャネル領域7、第1のゲート絶縁層4a、第2のゲート絶縁層4b、第1のゲート導体層5a、第2のゲート導体層5bが、全体として柱状に形成される。また、ソースとなるN+層3aはソース線SLに、ドレインとなるN+層3bはビット線BLに、第1のゲート導体層5aはプレート線PLに、第2のゲート導体層5bはワード線WLに、それぞれ接続している。プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量は、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造を特徴としている。本ダイナミック フラッシュ メモリセルでは、垂直方向に第1のゲート導体層と、第2のゲート導体層が、積層されている。このため、プレート線PLが接続された、第1のゲート導体層5aのゲート容量が、ワード線WLが接続された、第2のゲート導体層5bのゲート容量よりも、大きくなるような構造にしても、平面視において、メモリセル面積が大きくならない。これによりダイナミック フラッシュ メモリセルの高性能化と高集積化が同時に実現できる。
(特徴2)
 本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのプレート線PLの接続する第1のゲート導体層5aの役割に注目すると、ダイナミック フラッシュ メモリセルが書込み、読出し動作をする際に、ワード線WLの電圧が上下に振幅する。この際に、プレート線PLは、ワード線WLとチャネル領域7との間の容量結合比を低減させる役目を担う。この結果、ワード線WLの電圧が上下に振幅する際の、チャネル領域7の電圧変化の影響を著しく抑えることができる。これにより、論理“0”と“1”を示すワード線WLのSGTトランジスタのしきい値電圧差を大きくすることが出来る。これは、ダイナミック フラッシュ メモリセルの動作マージンの拡大に繋がる。
(特徴3)
 本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのリフレッシュである、メモリ再書込み動作と、メモリ再消去動作とは、ブロック単位で行えるため、リフレッシュに要する時間をDRAMに比べて、大幅に短縮可能である。この結果、リフレッシュ以外の通常動作に占める時間割合デューティーレシオ(Duty Ratio)を大幅に改善できる。
(特徴4)
 本発明の第1実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルのリフレッシュである、メモリ再書込み動作をブロック単位で行う際に、同一ブロック内の“1”書込み状態のダイナミック フラッシュ メモリセルに対してのみに、メモリ再書込み動作が行われ、“0”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルに対しては、影響を与えない。逆にメモリ再消去動作をブロック単位で行う際に、同一ブロック内の“0”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルに対してのみに、メモリ再消去動作が行われ、“1”書込み状態のダイナミック フラッシュ メモリセルに対しては、影響を与えない。この結果、選択ブロック全体で、メモリ再書込み動作と、メモリ再消去動作とを、個々に効率良く行うことができる。
(第2実施形態)
 図8A~図8Cを参照して、第2実施形態に係るSGTを有するメモリ装置のブロックリフレッシュ動作を説明する。
 図8Aに、ブロック消去のために選択されたメモリブロック回路図を示す。ここでは、メモリセルは、3行×3列の計9個CL11~CL33を示しているが、実際のメモリブロックは、この行列よりも大きい。各メモリセルには、ソース線SL1~SL3、ビット線BL1~BL3、プレート線PL1~PL3、ワード線WL1~WL3が接続されている。図8Bに示すように、“1”書込みのブロックリフレッシュのために選択されたメモリブロックのビット線BL1~BL3とワード線WL1~WL3には、図6(c)に示したパルス波形が入力する。そして、リフレッシュをしないブロックでは、パルス波形は入力しない。図8Cに示すように、“0”消去のブロックリフレッシュのために選択されたメモリブロックのプレート線PL1~PL3とワード線WL1~WL3には、図7B(c)に示したパルス波形が入力する。そして、リフレッシュをしないブロックでは、パルス波形は入力しない。
(特徴1)
 第2実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、ブロック毎で独立にブロック消去を行うために、ブロック毎で、ビット線BL、ソース線SL、プレート線PL、ワード線WLを独立して制御することができる。
(特徴2)
 第2実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、フラッシュメモリと同様な、図6A(a)~図6B(d)で説明したブロック消去動作を行うが、フラッシュメモリに比べて、遥かに低電界で書き換えを行っている。このため、信頼性上、ブロック毎の書き換え回数制限を定める必要がない。
(第3実施形態)
 図9A~図9Cは、第3実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルのブロックリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図を示している。
 図9Aにおいて、コントローラ回路33と、論理・物理ブロックアドレス変換・ルックアップ・テーブル回路(省略形は、論物変換テーブル)32によって、論理ブロックアドレスに記憶しているデータは、ダイナミック フラッシュ メモリのどの物理ブロックアドレスに対応しているかを常に管理している。これは、ダイナミック フラッシュ メモリでは、フラッシュメモリと同様にブロックのデータ書き換えに関して、既に消去しているブロックを用いて書き換えるため、論理ブロックアドレスと物理ブロックアドレスとの対応関係を常に管理する必要があるためである。このコントローラ回路33と、論物変換テーブル32は、ダイナミック フラッシュ メモリのチップ内に設けても良いが、図9Aに示すようにチップ外に設けても良い。論物変換テーブル32からの命令は、ブロックアドレスデコーダー回路34に入力し、リフレッシュを行うブロックが、ブロックBLK00~BLK33の中から、選択される。
 図9Bにおいて、ダイナミック フラッシュ メモリのブロックBLK00~BLK33の4×4=16ブロックの内、例えば、ブロックBLK21の記憶データをリフレッシュする命令がコントローラ回路33から出た場合を想定する。最初にコントローラ回路33は、論物変換テーブル32を参照して、どのブロックがリフレッシュ必要なブロックであるかを指示する。
 図9Cにおいて、ダイナミック フラッシュ メモリのブロックBLK00~BLK33の4×4=16ブロックの内、例えば、3個のブロックBLK12、BLK21、BLK32の記憶データをリフレッシュする命令がコントローラ回路33から出た場合を想定する。最初にコントローラ回路33は、論物変換テーブル32を参照して、どのブロックがリフレッシュ必要なブロックであるかを指示する。このように複数個のブロックを選択して、同時にリフレッシュすることができる。
 なお、図9A~図9Cで説明したブロックリフレッシュ動作において、リフレッシュを行うブロックの記憶データを一時保管するキャッシュメモリ(図示せず)が必要な場合がある。そのキャッシュメモリは、本実施形態のダイナミック フラッシュ メモリのチップ内、あるいは、チップ外に設けても良い。
 また、論物変換テーブル32、または、前記キャッシュメモリは、ダイナミック フラッシュ メモリセルを高速にアクセス可能にしたメモリセルアレイで構成しても良い。
 また、ブロック内の記憶データの保持のため、ブロック毎のリフレッシュ動作を他のブロックがその他の動作である、読出し、書込み、消去を行っている時に同時に行っても良い。この場合には、当該物理アドレスのブロック内でリフレッシュを行うため、ブロック書換え動作、または、ブロック消去動作をしなくても良い。
(特徴1)
 第3実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、揮発性メモリでありながら、従来、不揮発性メモリのフラッシュメモリにしか無かった機能である、ブロック書き換え動作とブロック消去動作を実現し、より高集積化が可能なメモリセルを提供することが可能となる。
(特徴2)
 第3実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、リフレッシュ動作時に複数個のブロックを選択して、同時にリフレッシュ動作を行うことができる。また、ダイナミック フラッシュ メモリのチップの全ブロックを同時に選択して、リフレッシュ動作を行うことも可能である。これによって、効率の良いリフレッシュ動作を行うことができ、リフレッシュ動作に要する時間を大幅に短縮することができる。
(特徴3)
 第3実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、リフレッシュ動作時に複数個のブロックを選択して、同時にリフレッシュ動作を行うことができるが、その際に第1の選択ブロックでは、メモリ再書込み動作を、第2の選択ブロックでは、メモリ再消去動作を、同時に行うことができる。これによって、効率の良いリフレッシュ動作を行うことができ、リフレッシュ動作に要する時間を大幅に短縮することができる。
(第4実施形態)
 図10A~図10B)は、第3実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルのステップアップリフレッシュ動作を説明するための図を示している。
 図10A(a)は、メモリ再消去動作において、プレート線PLの電圧を第1の電圧VPLLから、第2の電圧VPL4まで、上げて行く際に、第1のステップ電圧(特許請求の範囲の「第1のステップ電圧」の一例である)ΔVPLEずつ、複数回のパルス波で上昇させる様子を示している。また、この際に、ワード線WLの電圧を第3の電圧Vssから、第4の電圧VWL4まで、上げて行く際に、第2のステップ電圧(特許請求の範囲の「第2のステップ電圧」の一例である)ΔVWLEずつ、複数回のパルス波で上昇させる様子を示している。また、図10A(b)は、ステップアップリフレッシュ動作で、“0”消去状態のワード線WLのしきい値電圧VtWL“0”が、徐々に高くなる様子を示している。また、図10B(c)に示すように、第1のステップアップ電圧と、第2のステップアップ電圧とを、パルス波ではなく、プレート線PLの電圧とワード線WLの電圧を、それぞれ低電圧の、第1の電圧と、第3の電圧に下げることなく、連続的に様子を示している。このようなステップアップリフレッシュ動作を行うことにより、リフレッシュ動作を行う個々のダイナミック フラッシュ メモリセルに大きな電界が印加されずに、徐々に所望の“0”消去状態の電圧に近づけることが可能である。
(特徴)
 第4実施形態のダイナミック フラッシュ メモリセルでは、同一ブロック内の“0”消去状態の第3の時刻のしきい値電圧にバラツキが生じていても、ステップアップリフレッシュ動作を行うことにより、そのバラツキに対して、強電界を印加することなく、収束することが可能である。この結果、信頼性の高いリフレッシュ動作を行うことができる。
(その他の実施形態)
 なお、本発明では、Si柱を形成したが、Si以外の半導体材料よりなる半導体柱であってもよい。このことは、本発明に係るその他の実施形態においても同様である。
 また、第3実施形態の図9A~図9Cの論物変換テーブルのメモリ素子を高速アクセス可能なダイナミック フラッシュ メモリで構成してもよい。このことは、本発明に係るその他の実施形態においても同様である。
 また、第3実施形態の図9A~図9CのブロックBLK00~BLK33毎にタイマー回路(図示せず)を設けて、そのタイマー回路の指示に従って、各ブロックをリフレッシュしてもよい。このことは、本発明に係るその他の実施形態においても同様である。
 また、縦型NAND型フラッシュメモリ回路では、半導体柱をチャネルにして、この半導体柱を囲んだトンネル酸化層、電荷蓄積層、層間絶縁層、制御導体層から構成されるメモリセルが複数段、垂直方向に形成される。これらメモリセルの両端の半導体柱には、ソースに対応するソース線不純物層と、ドレインに対応するビット線不純物層がある。また、1つのメモリセルに対して、その両側のメモリセルの一方がソースならば、他方がドレインの役割を行う。このように、縦型NAND型フラッシュメモリ回路はSGT回路の1つである。従って、本発明はNAND型フラッシュメモリ回路との混在回路に対しても適用することができる。
 また、“1”書込みにおいて、非特許文献14に記載されているゲート誘起ドレインリーク(GIDL:Gate Induced Drain Leakage)電流を用いた、インパクトイオン化現象により、電子・正孔対を発生させ、生成された正孔群でフローティングボディFB内を満たしてもよい。このことは、本発明に係るその他の実施形態においても同様である。
 また、本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した各実施形態は、本発明の一実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。上記実施例及び変形例は任意に組み合わせることができる。さらに、必要に応じて上記実施形態の構成要件の一部を除いても本発明の技術思想の範囲内となる。
 本発明に係る、SGTを用いたメモリ装置によれば、高密度で、かつ高性能のSGTを用いたメモリ装置であるダイナミック フラッシュ メモリが得られる。
10:ダイナミック フラッシュ メモリセル
2:P型又はi型(真性型)の導電型を有するSi柱
3a、3b:N+
7:チャネル領域
4a、4b:ゲート絶縁層
5a、5b:ゲート導体層
6:2層のゲート導体層を分離するための絶縁層
BL:ビット線
SL:ソース線
PL:プレート線
WL:ワード線
FB:フローティングボディ

CL11~CL33、CL0~CL3:メモリセル
SL1~SL3、SL:ソース線
BL1~BL3、BL0~BL3:ビット線
PL1~PL3、PL:プレート線
WL1~WL3、WL:ワード線
35、BLK00~BLK33:ブロック
34:ブロックアドレスデコーダー回路
33:コントローラ回路
32:論物変換テーブル

ΔVPLE:第1のステップアップ電圧
ΔVWLE:第2のステップアップ電圧
PL1、VPL2、VPL3、VPL4:プレート線PLの電圧
WL1、VWL2、VWL3、VWL4:ワード線WLの電圧
R1、R2、R3、R4:リフレッシュサイクル

110:キャパシタを有しない、DRAMメモリセル
100:SOI基板
101:SOI基板のSiO2
102:フローティングボディ(Floating Body)
103:ソースN+
104:ドレインN+
105:ゲート導電層
106:正孔
107:反転層、電子のチャネル
108:ピンチオフ点
109:ゲート酸化膜

Claims (7)

  1.  基板上に行列状に配列された複数のメモリセルからなるブロックを備え、
     前記ブロックに含まれる各メモリセルは、
     基板上に、前記基板に対して、垂直方向に立つか、または水平方向に伸延する半導体母体と、
     前記半導体母体の両端にある第1の不純物層及び第2の不純物層と、
     前記第1の不純物層と前記第2の不純物層の間の前記半導体母体の側面の一部または全てを囲み、前記第1の不純物層に接するか、または、近接した第1のゲート絶縁層と、
     前記半導体母体の側面の一部または全てを囲み、前記第1のゲート絶縁層に繋がり、且つ前記第2の不純物層に接するか、または、近接した第2のゲート絶縁層と、
     前記第1のゲート絶縁層を覆う第1のゲート導体層と、
     前記第2のゲート絶縁層を覆う第2のゲート導体層と、
     前記半導体母体が前記第1のゲート絶縁層と、前記第2のゲート絶縁層とで覆われたチャネル半導体層と、から構成され、
     前記個々のメモリセルにおいて、
     前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層と、前記第1の不純物領域と、前記第2の不純物領域と、に印加する電圧を制御して、前記チャネル半導体層の内部に、インパクトイオン化現象またはゲート誘起ドレインリーク電流により形成した正孔群を保持し、
     前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1の不純物層及び前記第2の不純物層の一方もしくは両方の電圧より、ビルトイン電圧だけ高い、第1のデータ保持電圧とする、メモリ書込み動作を行い、
     前記第1のゲート導体層と前記チャネル半導体層との間の第1の容量結合と、前記第2のゲート導体層と前記チャネル半導体層との間の第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を前記第1のデータ保持電圧よりも高い電圧に制御して、前記チャネル半導体層の電圧が、前記第1の不純物層及び前記第2の不純物層の一方もしくは両方の電圧より、ビルトイン電圧だけ高くなるまで、前記正孔群のうちの残存正孔群を前記チャネル半導体層の内部から、前記第1の不純物層及び前記第2の不純物層の一方もしくは両方を通して除去し、
     前記第1の容量結合と、前記第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い第2のデータ保持電圧とする、メモリ消去動作を行い、
     前記ブロック内の前記複数個のメモリセルの半導体母体の前記チャネル半導体層の電圧は、第1の時刻に、前記第1のデータ保持電圧、もしくは、前記第2のデータ保持電圧にあり、
     前記第1の時刻から時間が経過した第2の時刻に、前記ブロック内の、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が前記第1のデータ保持電圧であった前記半導体母体には、メモリ再書込み動作を行い、前記チャネル半導体層の電圧を前記第1のデータ保持電圧程度に戻し、
     前記第1の時刻から時間が経過した第3の時刻に、前記ブロック内の、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が前記第2のデータ保持電圧であった前記半導体母体には、メモリ再消去動作を行い、前記チャネル半導体層の電圧を前記第2のデータ保持電圧程度に戻す、
     ことを特徴とする半導体メモリ装置。
  2.  前記第1のゲート導体層の電圧が、第1の電圧から、前記第1の電圧よりも高い、第2の電圧とし、前記第2のゲート導体層の電圧が、第3の電圧から、前記第3の電圧よりも高い、第4の電圧とし、
     前記第1の容量結合と、前記第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を前記第1の時刻よりも高い電圧に制御する第1の期間と、
     前記チャネル半導体層の電圧が、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層との、片方、もしくは、両方の電圧より、ビルトイン電圧高くなるまで、前記正孔群のうちの残存正孔群を前記チャネル半導体層の内部から、前記第1の不純物層と、前記第2の不純物層との、片方、もしくは、両方から抜きとる第2の期間と、
     前記第1の容量結合と、前記第2の容量結合とにより、前記チャネル半導体層の電圧を、前記第1のデータ保持電圧よりも低い、前記第2のデータ保持電圧程度とする第3の期間、により前記メモリ再消去動作を行う、
     ことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
  3.  前記第1の電圧から前記第2の電圧へは、少なくとも2段階の第1のステップ電圧で高電圧とし、前記第3の電圧から前記第4の電圧へは、少なくとも2段階の第2のステップ電圧で高電圧とし、前記メモリ再消去動作を行う、
     ことを特徴とする請求項2に記載の半導体メモリ装置。
  4.  前記メモリ再消去動作の際に、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が、前記第1のデータ保持電圧にあった、同一の前記ブロック内の前記半導体母体の前記チャネル半導体層には、反転層が形成され、前記第1のデータ保持電圧程度の電圧を維持する、
     ことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
  5.  前記メモリ再書込み動作の際に、前記第1の時刻に前記チャネル半導体層の電圧が、前記第2のデータ保持電圧にあった、同一の前記ブロック内の前記半導体母体の前記チャネル半導体層においては、第1の不純物層と、第2の不純物層との間に電流は流れずに、前記第2のデータ保持電圧程度の電圧を維持する、
     ことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
  6.  前記第1のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第1のゲート容量が、前記第2のゲート導体層と、前記チャネル半導体層との間、の第2のゲート容量よりも大きい、
     ことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置。
  7.  請求項1乃至6のいずれか一項に記載の柱状半導体メモリ装置の前記ブロックを複数含むブロック群を備え、
     前記第1の不純物層は、ソース線と接続し、前記第2の不純物層は、ビット線と接続し、前記第1のゲート導体層と、前記第2のゲート導体層との一方がワード線と接続すれば、他方が第1の駆動制御線と接続し、
     前記ソース線は、前記ブロック内の前記半導体母体間で繋がり、
     前記ソース線と、前記ビット線と、前記第1の駆動制御線と、前記ワード線とに印加する電圧により、前記ブロック群の中の選択した前記ブロックの全ての前記半導体母体において、前記メモリ再書込み動作と、メモリ再消去動作と、片方、もしくは、両方を同時に行う、
     ことを特徴とする半導体メモリ装置。
PCT/JP2021/003248 2021-01-29 2021-01-29 半導体素子を用いたメモリ装置 WO2022162870A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021525273A JP7057037B1 (ja) 2021-01-29 2021-01-29 半導体素子を用いたメモリ装置
PCT/JP2021/003248 WO2022162870A1 (ja) 2021-01-29 2021-01-29 半導体素子を用いたメモリ装置
TW111101485A TWI793973B (zh) 2021-01-29 2022-01-13 半導體元件記憶裝置
US18/226,656 US20230377658A1 (en) 2021-01-29 2023-07-26 Semiconductor element memory device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/003248 WO2022162870A1 (ja) 2021-01-29 2021-01-29 半導体素子を用いたメモリ装置

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US18/226,656 Continuation-In-Part US20230377658A1 (en) 2021-01-29 2023-07-26 Semiconductor element memory device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022162870A1 true WO2022162870A1 (ja) 2022-08-04

Family

ID=81291710

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/003248 WO2022162870A1 (ja) 2021-01-29 2021-01-29 半導体素子を用いたメモリ装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230377658A1 (ja)
JP (1) JP7057037B1 (ja)
TW (1) TWI793973B (ja)
WO (1) WO2022162870A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024053015A1 (ja) * 2022-09-07 2024-03-14 ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド 半導体素子を用いたメモリ装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024018556A1 (ja) * 2022-07-20 2024-01-25 ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド 半導体素子を用いたメモリ装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006080280A (ja) * 2004-09-09 2006-03-23 Toshiba Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2008218556A (ja) * 2007-03-01 2008-09-18 Toshiba Corp 半導体記憶装置

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10651189B2 (en) * 2014-03-04 2020-05-12 Unisantis Electronics Singapore Pte. Ltd. Method for producing pillar-shaped semiconductor memory device
JP7231282B2 (ja) * 2019-06-05 2023-03-01 ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド 柱状半導体装置の製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006080280A (ja) * 2004-09-09 2006-03-23 Toshiba Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2008218556A (ja) * 2007-03-01 2008-09-18 Toshiba Corp 半導体記憶装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024053015A1 (ja) * 2022-09-07 2024-03-14 ユニサンティス エレクトロニクス シンガポール プライベート リミテッド 半導体素子を用いたメモリ装置

Also Published As

Publication number Publication date
TWI793973B (zh) 2023-02-21
JPWO2022162870A1 (ja) 2022-08-04
JP7057037B1 (ja) 2022-04-19
US20230377658A1 (en) 2023-11-23
TW202243217A (zh) 2022-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230377658A1 (en) Semiconductor element memory device
WO2022239100A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022172318A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
TWI815350B (zh) 半導體元件記憶裝置
WO2023281613A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2023112146A1 (ja) メモリ装置
WO2022219704A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022219703A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022219694A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022168148A1 (ja) 半導体メモリ装置
WO2022219763A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022168158A1 (ja) 半導体メモリ装置
WO2022157954A1 (ja) 半導体素子メモリ装置
WO2022185540A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2023067686A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022219696A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022168147A1 (ja) 半導体メモリ装置
WO2022168149A1 (ja) 半導体メモリセル及び半導体メモリ装置
WO2022172316A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022269737A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022239193A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022269740A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022234614A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2022168159A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置
WO2023058242A1 (ja) 半導体素子を用いたメモリ装置

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021525273

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21922886

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21922886

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1