WO2023067686A1 - 半導体素子を用いたメモリ装置 - Google Patents

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WO2023067686A1 PCT/JP2021/038588 JP2021038588W WO2023067686A1 WO 2023067686 A1 WO2023067686 A1 WO 2023067686A1 JP 2021038588 W JP2021038588 W JP 2021038588W WO 2023067686 A1 WO2023067686 A1 WO 2023067686A1
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康司 作井
望 原田
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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
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Definitions

  • the present invention relates to a memory device using semiconductor elements.
  • the channel In a normal planar MOS transistor, the channel extends horizontally along the upper surface of the semiconductor substrate. In contrast, the SGT channel extends in a direction perpendicular to the upper surface of the semiconductor substrate (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, for example). For this reason, the SGT enables a higher density semiconductor device compared to a planar MOS transistor.
  • a DRAM Dynamic Random Access Memory
  • a PCM Phase Change Memory
  • Non-Patent Document 4 RRAM (Resistive Random Access Memory, see, for example, Non-Patent Document 4), MRAM (Magneto-resistive Random Access Memory, see, for example, Non-Patent Document 5) that changes the resistance by changing the direction of the magnetic spin by current ) can be highly integrated.
  • DRAM memory cell see Non-Patent Document 7 which is composed of one MOS transistor and does not have a capacitor.
  • the present application relates to a dynamic flash memory that does not have resistance change elements or capacitors and can be configured only with MOS transistors.
  • FIGS. 7(a) to 7(d) show the write operation of a DRAM memory cell composed of a single MOS transistor without the aforementioned capacitor
  • FIGS. 8(a) and 8(b) show the operation The problem is shown in FIGS. 9(a) to 9(c) for the read operation (see Non-Patent Documents 7 to 10).
  • FIG. 7(a) shows a "1" write state.
  • the memory cell is formed on the SOI substrate 100 and includes a source N + layer 103 (hereinafter, a semiconductor region containing a high concentration of donor impurities is referred to as an “N + layer”) to which a source line SL is connected.
  • a memory cell of the DRAM is composed of these pieces.
  • the SiO 2 layer 101 of the SOI substrate is in contact directly below the floating body 102 .
  • the MOS transistor 110 is operated in the saturation region. That is, the electron channel 107 extending from the source N + layer 103 has a pinch-off point 108 and does not reach the drain N + layer 104 connected to the bit line.
  • both the bit line BL connected to the drain N + layer and the word line WL connected to the gate conductive layer 105 are set at a high voltage, and the MOS transistor 110 is turned on by setting the gate voltage to about half the drain voltage.
  • the electric field strength is maximum at the pinch-off point 108 near the drain N + layer 104 .
  • FIG. 7B shows the floating body 102 saturated with the generated holes 106 .
  • FIG. 7(c) shows how the "1" write state is rewritten to the "0" write state.
  • the capacitance CFB of the floating body is composed of the capacitance CWL between the gate connected to the word line and the floating body, and the source N + layer 103 connected to the source line.
  • FIGS. 9(a) to (c) The read operation is shown in FIGS. 9(a) to (c), where FIG. 9(a) shows a "1" write state and FIG. 9(b) shows a "0" write state.
  • FIGS. 9(a) to (c) show a "1" write state
  • FIG. 9(b) shows a "0" write state.
  • Vb the floating body 102
  • the floating body 102 is pulled down to a negative bias when the word line returns to 0 V at the end of writing.
  • the negative bias becomes even deeper. Therefore, as shown in FIG. Therefore, it has been difficult to commercialize a DRAM memory cell that does not actually have a capacitor.
  • 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.
  • the memory device includes: A memory device in which pages are configured by a plurality of memory cells arranged in a row direction on a substrate and the plurality of pages are arranged in a column direction, each memory cell included in each page, 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 substrate between the first impurity layer and the second impurity layer and in contact with or in close proximity to the first impurity layer; and, a second gate insulating layer surrounding the 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 part or all of the first gate insulating layer; a second gate conductor layer covering part or all of the second gate insulating layer; the semiconductor matrix has a channel
  • the voltage of the channel semiconductor layer of the semiconductor matrix of the plurality of memory cells in the page is the first data retention voltage or the second data retention voltage at a first time;
  • the semiconductor matrix in the page in which the voltage of the channel semiconductor layer at the first time was the second data retention voltage, performing a memory re-erase operation and performing a first refresh operation for returning the voltage of the channel semiconductor layer to about the second data retention voltage;
  • the semiconductor matrix in the page in which the voltage of the channel semiconductor layer was the first data retention voltage at the first time, performing a memory rewrite operation and performing a second refresh operation for returning the voltage of the channel semiconductor layer to approximately the first data retention voltage;
  • the first gate capacitance between the first gate conductor layer and the channel semiconductor layer is equal to the second gate capacitance between the second gate conductor layer and the channel semiconductor layer. It is characterized by being larger than the capacity (second invention).
  • the first gate conductor layer surrounds the first gate insulating layer and is separated into at least two conductor layers when viewed from the axial direction of the semiconductor base. It is characterized (third invention).
  • the impact ionization phenomenon occurs inside the channel semiconductor layer between the first gate conductor layer and the second gate conductor layer, forming a group of holes in the channel semiconductor layer. generates inside the (Fourth invention).
  • the first impurity layer is connected to a source line
  • the second impurity layer is connected to a bit line
  • one of the first gate conductor layer and the second gate conductor layer is a word line and the other is a word line.
  • the source line is connected between the semiconductor base bodies in the block; controlling the voltages applied to the source line, the bit line, the first drive control line, and the word line to control all of the semiconductor base bodies of the blocks selected from the block group, performing either one of the memory rewrite operation and the memory reerase operation, or both at the same time; (Fifth invention).
  • the first drive control line of the memory cells arranged in the row direction and the column direction is arranged in common to the adjacent memory cells (first drive control line). 7 invention).
  • the source lines are separated for each of the memory cells arranged in the column direction, and are arranged in parallel with the word lines and the plate lines (eighth invention). ).
  • the word lines multiple-selected in the page product-sum read operation are read at least once in advance. and a second refresh operation (ninth invention).
  • FIG. 1 is a structural diagram of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. The gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL of the memory device having the SGT according to the first embodiment is greater than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the effect of increasing the .
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a write operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a write operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a page erase operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a read operation mechanism of a memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is an operation waveform diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is an operation waveform diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining a first refresh operation and a second refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a write operation of a conventional DRAM memory cell that does not have a capacitor;
  • FIG. 4 is a diagram for explaining operational problems of a conventional DRAM memory cell that does not have a capacitor;
  • FIG. 2 illustrates a read operation of a DRAM memory cell without a conventional capacitor;
  • a memory device using a semiconductor element (hereinafter referred to as dynamic flash memory) according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • FIG. 1 The structure and operation mechanism of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 2 The structure of a dynamic flash memory cell will be described with reference to FIG.
  • the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL becomes larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL.
  • a data write operation mechanism will be described with reference to FIG. 3
  • a data erase operation mechanism will be described with reference to FIG. 4
  • a data read operation mechanism will be described with reference to FIG.
  • FIG. 1 shows the structure of a dynamic flash memory cell according to a first embodiment of the invention.
  • a silicon semiconductor pillar 2 having a conductivity type of P-type or i-type (intrinsic type) formed on a substrate hereinafter, a silicon semiconductor pillar is referred to as a “Si pillar”) (of “semiconductor matrix” in claims) ), one of which serves as a source and the other serves as a drain . ”) is formed.
  • Si pillar silicon semiconductor pillar
  • a first gate insulating layer 4a (which is an example of the "first gate insulating layer” in the claims) and a second gate insulating layer 4b (the “first gate insulating layer” in the claims) surround the channel region 7. 2) is formed.
  • the first gate insulating layer 4a and the second gate insulating layer 4b are in contact with or close to the N + layers 3a and 3b serving as the source and drain, respectively.
  • a first gate conductor layer 5a (which is an example of the "first gate conductor layer” in the scope of claims) and a second gate conductor layer 5a surround the first gate insulation layer 4a and the second gate insulation layer 4b.
  • a gate conductor layer 5b (which is an example of the "second gate conductor layer” in the claims) is formed respectively.
  • the first gate conductor layer 5a and the second gate conductor layer 5b are separated by an insulating layer 6 (which is an example of the "first insulating layer” in the claims).
  • a channel region 7 between the N + layers 3a and 3b is a first channel Si layer 7a surrounded by the first gate insulating layer 4a and a second channel Si layer 7a surrounded by the second gate insulating layer 4b. and the Si layer 7b.
  • the N + layer 3a serving as the source is connected to the source line SL (an example of the "source line” in the scope of claims), and the N + layer 3b serving as the drain is connected to the bit line BL ("bit line” in the scope of claims).
  • the first gate conductor layer 5a is a plate line PL (an example of a “first drive control line” in the scope of claims)
  • the second gate conductor layer 5b is a word line WL (which is an example of "word line” in the scope of claims), respectively.
  • the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a to which the plate line PL is connected may be larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected. desirable.
  • the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is made larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL.
  • the gate length of the first gate conductor layer 5a is made longer than the gate length of the second gate conductor layer 5b.
  • the gate length of the first gate conductor layer 5a is not made longer than the gate length of the second gate conductor layer 5b.
  • the thickness of the gate insulating film of the gate insulating layer 4a may be thinner than the thickness of the gate insulating film of the second gate insulating layer 4b.
  • the dielectric constant of the gate insulating film of the first gate insulating layer 4a is made higher than that of the gate insulating film of the second gate insulating layer 4b.
  • the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is It may be larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected.
  • FIG. 2(a) shows a structural diagram of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention with only the main parts simplified.
  • a bit line BL, a word line WL, a plate line PL, and a source line SL are connected to the dynamic flash memory cell, and the potential state of the channel region 7 is determined by the voltage state thereof.
  • FIG.2(b) is a figure for demonstrating each capacity
  • the capacitance CFB of the channel region 7 is composed of the capacitance CWL between the gate conductor layer 5b connected to the word line WL and the channel region 7, and the capacitance CWL between the gate conductor layer 5a connected to the plate line PL and the channel region 7.
  • C PL >C WL ⁇ PL > ⁇ WL .
  • FIG. 2(c) is a diagram for explaining changes in the voltage VFB of the channel region 7 when the voltage VWL of the word line WL rises and then falls during read and write operations.
  • FB is as follows.
  • FIG. 3A(a)-(c) and FIG. 3B illustrate a memory write operation (which is an example of a "memory write operation" in the claims) of a dynamic flash memory cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A(a) shows the mechanism of the write operation
  • FIG. 3A(b) shows the operation waveforms of the bit line BL, the source line SL, the plate line PL, the word line WL, and the channel region 7 which is the floating body FB.
  • V FB the voltage of channel region 7
  • V FB the voltage of channel region 7
  • Vss is applied to the bit line BL, source line SL and word line WL
  • V PLL is applied to the plate line PL.
  • Vss is 0V and V PLL is 2V.
  • V PLL is 2V.
  • word line WL rises from Vss to V WLH .
  • the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL surrounds the channel region 7 and the second N-channel MOS transistor region 7 has a "0" erase threshold voltage of Vt WL "0”
  • the second capacitive coupling between the word line WL and the channel region 7 increases the voltage of the channel region 7 to V FB "0"+ ⁇ BL ⁇ V BLH + ⁇ WL ⁇ Vt WL becomes "0".
  • an annular inversion layer 12b is formed in the channel region 7 on the inner circumference of the second gate conductor layer 5b, and the word line WL and the channel region 7 are separated from each other. block the capacitive coupling of 2.
  • V PLL 2 V
  • an annular inversion layer 12a is formed in the inner channel region 7 of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL.
  • a pinch-off point 13 exists.
  • the first N-channel MOS transistor region having the first gate conductor layer 5a operates in the saturation region.
  • the second N channel MOS transistor region having second gate conductor layer 5b connected to word line WL operates in the linear region.
  • inversion layer 12b is formed on the entire inner periphery of gate conductor layer 5b.
  • the inversion layer 12b formed entirely on the inner circumference of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL is substantially the second N-channel MOS transistor region having the second gate conductor layer 5b. act as a drain.
  • the channel region 7 between the first N-channel MOS transistor region having the series-connected first gate conductor layer 5a and the second N-channel MOS transistor region having the second gate conductor layer 5b The electric field is maximum at the first boundary region of , and the impact ionization phenomenon occurs in this region. Since this region is the region on the source side viewed from the second N-channel MOS transistor region having the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL, this phenomenon is called the source-side impact ionization phenomenon. Due to this source-side impact ionization phenomenon, electrons flow from the N + layer 3a connected to the source line SL toward the N + layer 3b connected to the bit line.
  • the generated hole group 9 (an example of the "hole group” in the claims) is the majority carrier of the channel region 7, and the channel region 7 is Charge to positive bias. Since the N + layer 3a connected to the source line SL is at 0V, the channel region 7 is at the built-in voltage Vb (approximately 0 V) of the PN junction between the N + layer 3a connected to the source line SL and the channel region 7. .7V). When channel region 7 is positively biased, the threshold voltages of the first N-channel MOS transistor region and the second N-channel MOS transistor region are lowered due to the substrate bias effect.
  • Vb approximately 0 V
  • bit line BL drops from V BLH to Vss. Since the bit line BL and the channel region 7 are capacitively coupled, the final "1" write voltage V FB "1" of the channel region 7 is as follows.
  • VFB "1" Vb - ⁇ WL x VtWL "1" - ⁇ BL x VBLH (7)
  • the coupling ratio ⁇ BL between the bit line BL and the channel region 7 is also small.
  • the threshold voltage of the second N-channel MOS transistor region of the second channel region 7b connected to the word line WL is lowered.
  • a memory write operation is performed by setting the "1" write state of the channel region 7 as a first data retention voltage (which is an example of a "first data retention voltage” in the scope of claims), and logical storage data "1" is stored. ”.
  • Electron-hole pairs may be generated by the impact ionization phenomenon in the third boundary region between the channel semiconductor layer 7b and the channel region 7 may be charged with the generated hole groups 9 .
  • the voltage conditions applied to the bit line BL, the source line SL, the word line WL, and the plate line PL and the potential of the floating body described above are examples for performing the write operation, and other operating conditions under which the write operation can be performed. may be
  • FIG. 4A shows a memory block circuit diagram for explaining the page erase operation. Although a total of 9 memory cells CL11 to CL33 of 3 rows ⁇ 3 columns are shown here, the actual memory block is larger than this matrix. When memory cells are arranged in rows and columns, one direction of the arrangement is called “row direction” (or “row”), and the direction perpendicular thereto is called “column direction” (or “column”).
  • a source line SL, bit lines BL 1 to BL 3 , plate lines PL 1 to PL 3 and word lines WL 1 to WL 3 are connected to each memory cell.
  • memory cells CL21 to CL23 connected to plate line PL2 and word line WL2 of an arbitrary page (which is an example of "page” in the scope of claims) are selected, and page erase is performed. Suppose you do an action.
  • FIG. 4B(a) shows the timing operation waveform diagram of the main nodes of the erase operation.
  • T0 to T12 represent times from the start to the end of the erasing operation.
  • FIG. 4B(b) shows a state in which the hole groups 9 generated by impact ionization in the previous cycle are stored in the channel region 7 at time T0 before the erasing operation.
  • the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL go from Vss to high voltage states of V BLH and V SLH , respectively.
  • Vss is 0V, for example.
  • the plate line PL 2 and the word line WL 2 selected in the page erase operation are set to the first voltage V PLL to the second voltage V PLH and the third voltage V PLH , respectively, during the next period T3 to T4.
  • the inversion layer 12b on the inner circumference of the connected second gate conductor layer 5b is not formed.
  • V BLH and V SLH set the threshold voltages of the second N-channel MOS transistor region on the word line WL2 side and the first N-channel MOS transistor region on the plate line PL2 side to V tWL , respectively. and V tPL , it is desirable that V BLH >V WLH +V tWL and V SLH >V PLH +V tPL .
  • V tWL and V tPL are 0.5 V
  • V WLH and V PLH should be set to 3 V
  • V BLH and V SLH should be set to 3.5 V or more.
  • the floating channel is accompanied by the plate line PL 2 and the word line WL 2 going to the high voltage state of the second voltage V PLH and the fourth voltage V WLH .
  • the voltage in region 7 is boosted by a first capacitive coupling between plate line PL 2 and channel region 7 and a second capacitive coupling between word line WL 2 and channel region 7 .
  • the voltage of the channel region 7 becomes a high voltage from V FB "1" in the "1" write state.
  • the voltages of the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL are high voltages V BLH and V SLH , the PN junction between the source N + layer 3a and the channel region 7 and the drain N + A boost is possible because the PN junction between layer 3b and channel region 7 is in a reverse biased state.
  • the page erase operation mechanism of FIG. 4B(a) will be described.
  • the voltages on the bit lines BL 1 -BL 3 and the source line SL drop from the high voltages V BLH and V SLH to Vss.
  • the PN junction between the source N + layer 3a and the channel region 7 and the PN junction between the drain N + layer 3b and the channel region 7 are forward biased as shown in FIG.
  • the remaining hole groups in the hole groups 9 in the channel region 7 are discharged to the source N + layer 3a and the drain N + layer 3b.
  • the voltage V FB of the channel region 7 becomes the PN junction formed between the source N + layer 3 a and the P layer channel region 7 and the PN junction formed between the drain N + layer 3 b and the P layer channel region 7 . is the built-in voltage Vb.
  • the page erase operation mechanism of FIG. 4B(a) will be described.
  • the voltages of the bit lines BL 1 -BL 3 and the source line SL rise from Vss to high voltages V BLH and V SLH .
  • the plate line PL 2 and the word line WL 2 are changed from the second voltage V PLH and the fourth voltage V WLH to the first voltage V at times T9 to T10, respectively.
  • the voltage in the channel region 7 can be efficiently reduced without forming the inversion layer 12a on the plate line PL2 side and the inversion layer 12b on the word line WL2 side in the channel region 7.
  • V FB changes from Vb to V FB "0" due to the first capacitive coupling between plate line PL 2 and channel region 7 and the second capacitive coupling between word line WL 2 and channel region 7 . Therefore, the voltage difference ⁇ V FB between the "1" written state and the "0" erased state of the channel region 7 is expressed by the following equation.
  • VFB "1” Vb - ⁇ WL x VtWL “1” - ⁇ BL x VBLH (7)
  • V FB "0” Vb - ⁇ WL ⁇ V WLH - ⁇ PL ⁇ (V PLH - V PLL )
  • the sum of ⁇ WL and ⁇ PL is 0.8 or more, ⁇ V FB becomes large, and a sufficient margin can be obtained.
  • the page erase operation mechanism of FIG. 4B(a) will be described.
  • the voltages of the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL drop from V BLH to Vss and from V SLH to Vss, respectively, and the erase operation ends.
  • the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL slightly lower the voltage of the channel region 7 by capacitive coupling. Since the voltage of the region 7 is equivalent to the amount raised by the capacitive coupling, the increase and decrease of the voltages of the bit lines BL 1 to BL 3 and the source line SL are canceled out, and as a result, the voltage of the channel region 7 is not affected. .
  • the page erase operation is performed by using the voltage V FB "0" in the "0" erased state of the channel region 7 as the second data retention voltage (which is an example of the "second data retention voltage” in the scope of claims). and assigns it to logical storage data "0".
  • the difference between FIG. 4D and FIG. 4B is that the bit lines BL 1 to BL 3 are set to Vss or floating, and the word line WL 2 is fixed to Vss during the page erase operation.
  • the second N-channel MOS transistor region of word line WL2 is rendered non-conductive and no memory cell current flows. Therefore, the hole group 9 is not generated by the impact ionization phenomenon.
  • the source line SL swings between Vss and V SLH
  • the plate line PL2 swings between V PLL and V PLH , as in FIG. 4B.
  • the hole group 9 is discharged to the first impurity layer N + layer 3a of the source line SL as shown in FIG. 4D(c).
  • the difference between FIG. 4E and FIG. 4B is that the source line SL is kept at Vss or in a floating state, and the plate line PL2 is fixed at Vss during the page erase operation.
  • the bit lines BL 1 to BL 3 rise from Vss to V BLH at times T1 to T2
  • the first N-channel MOS transistor region of the plate line PL 2 becomes non-conductive, and the memory cell current flows. do not have. Therefore, the hole group 9 is not generated by the impact ionization phenomenon.
  • bit lines BL 1 to BL 3 swing between Vss and V BLH
  • word line WL 2 swings between Vss and V WLH , as in FIG. 4B.
  • the hole group 9 is discharged to the second impurity layer N + layer 3b of the bit lines BL 1 to BL 3 as shown in FIG. 4E(c).
  • the voltage conditions applied to the bit line BL, the source line SL, the word line WL, and the plate line PL and the potential of the floating body described above are examples for performing the page erase operation. It may be an operating condition.
  • FIG. 5(a) to 5(c) are diagrams for explaining the read operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5(a) when the channel region 7 is charged to the built-in voltage Vb (approximately 0.7V), a second N-channel having a second gate conductor layer 5b connected to the word line WL is formed.
  • the threshold voltage of the MOS transistor region is lowered due to the substrate bias effect. This state is assigned to logical storage data "1".
  • FIG. 5(b) the memory block selected before writing is in the erased state "0" in advance, and the voltage VFB of the channel region 7 is VFB "0".
  • a write operation randomly stores a write state of "1".
  • logical storage data of logical "0" and “1” are created for the word line WL.
  • reading is performed by the sense amplifier using the level difference between the two threshold voltages for the word line WL.
  • the voltage conditions applied to the bit line BL, the source line SL, the word line WL, and the plate line PL and the potential of the floating body are examples for performing the read operation, and other operating conditions for the read operation. may be
  • FIG. 6A and 6B illustrate the first refresh operation (an example of the "first refresh operation” in the scope of claims) of erasing "0" of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention. It is a figure for explaining.
  • FIG. 6A(a) shows a single dynamic flash memory cell with a "0" erase.
  • the initial voltage of the "0" written channel region 7 is V FB "0" at the first time (which is an example of the "first time” in the claims), but changes over time to At time 2 (which is an example of the "second time” in the claims), it rises to V FB "0"+V ⁇ . This is due to leakage current such as inflow of hole groups 9 into the channel region 7 .
  • FIG. 6A(b) shows four dynamic flash memory cells CL00-CL03 forming part of the same page.
  • the dynamic flash memory cells CL00 and CL03 are in the "1" written state
  • the surplus hole groups 9 are held in the channel region 7
  • the dynamic flash memory cells CL01 and CL02 are in the "0" erased state.
  • the excess hole group 9 is not held in the channel region 7, a small amount of the hole group 9 enters the channel region 7 due to leakage current or the like.
  • the word line WL and a positive bias pulse are applied to the plate line PL.
  • Vss is 0V, for example.
  • 6B is an example of a specific operation waveform, which shows the voltages of the bit line BL, the source line SL, the word line WL, the plate line PL, and the channel region 7 that becomes the floating body FB at times T0 to T4. showing change.
  • the PN junction between the P-layer channel region 7 and the source N + layer 3a, the P-layer channel region 7 and the drain N + layer 3b. are forward biased, and the hole group 9 flowing into the channel region 7 is discharged to the source N + layer 3a and the drain N + layer 3b.
  • an inversion layer 12a is formed in the channel region 7 surrounded by the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL and connected to the word line WL.
  • the inversion layer 12b is formed in the channel region 7 surrounded by the second gate conductor layer 5b, since both the bit line BL and the source line SL are at Vss, no current flows from the bit line BL to the source line SL. , the impact ionization phenomenon does not occur. In addition, since the inversion layers 12a and 12b shield the first gate conductor layer 5a and the second gate conductor layer 5b from the channel region 7, the voltage in the channel region 7 does not rise.
  • V FB "0” Vb - ⁇ WL ⁇ V WLRE - ⁇ PL ⁇ (V PLR - V PLL ) (10) Therefore, the threshold voltage Vt WL " of the second N-channel MOS transistor region where the second gate conductor layer 5b surrounds the channel layer 7 from the "0" erased state at the second time before the first refresh operation. 0” becomes higher.
  • 6C and 6D illustrate the second refresh operation (an example of the "second refresh operation” in the scope of claims) of "1" programming of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention. It is a figure for explaining.
  • FIG. 6C(a) shows a single dynamic flash memory cell for "1" programming consisting of one semiconductor base.
  • the initial voltage of the channel region 7 in which "1" is written is V FB "1", but it decreases to V FB "1"-V ⁇ with the passage of time. This is due to the leak current of the hole group 9 from the channel region 7, which is, for example, the leak current to the source N + layer 3a and the drain N + layer 3b.
  • FIG. 6C(b) shows four dynamic flash memory cells CL00 to CL03 forming part of the same page in which a plurality of semiconductor base bodies are arranged.
  • the dynamic flash memory cells CL00 and CL03 are in the "1" written state at the first time, and the surplus hole groups 9 are held in the channel region 7.
  • FIG. A positive bias is applied to the bit lines BL0 to BL3, the word line WL, and the plate line PL in order to perform the second refresh operation, which is a memory rewrite operation, on the dynamic flash memory cells CL00 and CL03 in the "1" written state,
  • the source line SL is brought to Vss.
  • Vss is 0V, for example.
  • An example of a specific operation waveform is shown in FIG.
  • V FB1 V FB “ 1′′-V ⁇ .
  • V BLR is the voltage of the bit line BL for the "1" write block refresh operation, and is, for example, 2V.
  • V WLRP is the voltage applied to the word line WL in the "1" write block refresh operation, and is, for example, 4V.
  • the first N-channel MOS transistor region in which the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL surrounds the channel region 7 is a saturation region.
  • a second N-channel MOS transistor region in which second gate conductor layer 5b connected to word line WL surrounds channel layer 7 operates in a linear region.
  • a current flows from the drain N + layer 3 b to the source N + layer 3 a , and the impact ionization phenomenon generates hole groups 9 to fill the channel region 7 .
  • the voltage of the channel region 7 becomes the built-in voltage Vb (approximately 0.7V).
  • the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is in the "0" erased state of the first N-channel MOS transistor region surrounding the channel layer 7.
  • word line WL is lowered from V WLRP to Vss. Since an inversion layer 12b is formed in the channel layer 7 surrounded by the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL, the inversion layer is formed between the second gate conductor layer 5b and the channel layer 7. block the second capacitive coupling of . Assuming that the threshold voltage of the second N-channel MOS transistor region in which the second gate conductor layer 5b surrounds the channel layer 7 in the "1" write state is VtWL "1", the voltage of the word line WL is VtWL ".
  • 3 rows ⁇ 3 columns of memory cells C00 to C22 form part of a block (an example of "block” in the scope of claims).
  • memory cells C00 to C22 of 3 rows ⁇ 3 columns are shown, but in an actual block, the memory cells form a matrix larger than 3 rows ⁇ 3 columns.
  • Word lines WL0 to WL2, plate lines PL0 to PL2, source lines SL, and bit lines BL0 to BL2 are connected to each memory cell.
  • Transistors T0C to T2C whose gates receive the transfer signal FT, form a switch circuit.
  • bit lines BL0 to BL2 are connected to sense amplifier circuits SA0 to SA2 via switch circuits.
  • Word lines WL0-WL2 and plate lines PL0-PL2 are connected to a row decoder circuit RDEC.
  • Sense amplifier circuits SA0-SA2 are connected to a pair of complementary input/output lines IO and /IO via transistors T0A-T2B having their gates connected to column select lines CSL0-CSL2.
  • FIG. 6F shows an accumulated circuit block diagram; Then, the first refresh operation for all word lines WL and plate lines PL in the block will be described with reference to FIG. 6G.
  • FIG. 6G shows a row decoder circuit with a word line all-select signal ALLWL (an example of a "word line all-select signal” in claims) and a plate line all-select signal ALLPL ("plate line all select signal” in claims). is an example of "signal”) is input.
  • ALLWL an example of a "word line all-select signal” in claims
  • ALLPL plate line all-select signal
  • all word lines WL0 to WL2 in the memory cell block are selected, and memory cells C10, C01, C21, C02 and C12 perform the first refresh operation.
  • the memory cells C00, C11, C20, and C22 in FIG. 6G are in the "0" erased state, and the surplus hole groups 9 are not retained in the channel region 7.
  • a small amount of hole groups 9 enter the channel region 7 .
  • the first refresh operation which is a memory re-erase operation
  • the bit lines BL0 to BL3 and the source line SL set to Vss A positive bias pulse is applied to the word line WL and the plate line PL.
  • Vss is 0V, for example.
  • the second refresh operation for all word lines WL and plate lines PL in the block will be described with reference to FIG. 6H.
  • a refresh operation is performed in which hole groups 9 are formed by the impact ionization phenomenon inside the channel semiconductor layers 7.
  • FIG. The threshold voltages of the first gate conductor layers 5a and the second gate conductor layers 5b of the memory cells C10, C01, C21, C02, and C12 are changed, for example, from 1.3 V in the "0" erased state to "1". "It has dropped by 1V to 0.3V in the written state.
  • the first refresh operation and the second refresh operation for all word lines WL and plate lines PL in the memory cell block shown in FIGS. 6G and 6H are performed when at least two word lines are multiple-selected. This is very effective during a page sum-of-products read operation (which is an example of the "sum-of-products read operation" in the claims).
  • a page sum-of-products read operation which is an example of the "sum-of-products read operation" in the claims.
  • three word lines WL0 to WL2 are multiple-selected in FIG. 6F. Since each memory cell current Icell is added in each bit line BL0 to BL2, it is necessary to read a saturated and stable memory cell current as a memory cell current. Therefore, the first refresh operation and the second refresh operation on all word lines WL and plate lines PL in the memory cell block of FIGS. 6G and 6H before the page sum-of-products read operation are very effective.
  • FIG. 6I shows an example in which adjacent memory cells share the plate line PL in a block of memory cells C00 to C22 of 3 rows ⁇ 3 columns. Also in this configuration, the first refresh operation and the second refresh operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention can be performed before page read.
  • FIG. 6J shows, in a block of memory cells C00 to C22 of 3 rows ⁇ 3 columns, a source line SL0 parallel to the plate line PL0 and the word line WL0, a source line SL1 parallel to the plate line PL1 and the word line WL1, and a plate line SL1 parallel to the plate line PL1 and the word line WL1.
  • An example is shown in which the source lines are separated into a line PL2 and a source line SL2 parallel to the word line WL2.
  • the first refresh operation and the second refresh operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention can be performed before page read.
  • the dynamic flash memory operation described in this embodiment can be performed even if the horizontal cross-sectional shape of the Si pillar 2 is circular, elliptical, or rectangular. Circular, elliptical, and rectangular dynamic flash memory cells may also be mixed on the same chip.
  • a first gate insulating layer 4a and a second gate insulating layer 4b are provided to surround the entire side surface of the Si pillar 2 standing vertically on the substrate.
  • the dynamic flash memory device has been described by taking as an example the SGT having the first gate conductor layer 5a and the second gate conductor layer 5b surrounding the entirety of the two gate insulating layers 4b.
  • this dynamic flash memory device may have any structure as long as it satisfies the condition that the hole groups 9 generated by the impact ionization phenomenon are retained in the channel region 7 .
  • the channel region 7 may be a floating body structure separated from the substrate 1 .
  • Non-Patent Document 10 GAA (Gate All Around: see, for example, Non-Patent Document 10 10) technology and Nanosheet technology (see, for example, Non-Patent Document 11), which is one of the SGTs, the semiconductor matrix in the channel region is formed into the substrate 1
  • the dynamic flash memory operation described above is possible even if it is formed horizontally with respect to the
  • it may be a device structure using SOI (Silicon On Insulator) (for example, see Non-Patent Documents 7 to 10).
  • SOI Silicon On Insulator
  • the bottom of the channel region is in contact with the insulating layer of the SOI substrate, and other channel regions are surrounded by a gate insulating layer and an element isolation insulating layer.
  • the channel region has a floating body structure.
  • the dynamic flash memory device provided by the present embodiment only needs to satisfy the condition that the channel region has a floating body structure. Also, even in a structure in which a Fin transistor (see, for example, Non-Patent Document 13) is formed on an SOI substrate, the dynamic flash operation can be performed if the channel region has a floating body structure.
  • the reset voltage of the word line WL, bit line BL, and source line SL is described as Vss, but they may be set to different voltages.
  • FIG. 4A an example of page erase operation conditions is shown.
  • the voltage applied to the word line WL may be changed.
  • a voltage may be applied to the source line SL of the selected page, and the bit line BL may be in a floating state.
  • a voltage may be applied to the bit line BL of the selected page, and the source line SL may be in a floating state.
  • the vertical length of the first gate conductor layer 5a connected to the plate line PL is made longer than the vertical length of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL, It is desirable that C PL >C WL .
  • simply adding the plate line PL reduces the capacitive coupling ratio (C WL /(C PL +C WL +C BL +C SL )) of the word line WL to the channel region 7 .
  • the potential variation ⁇ V FB of the channel region 7 of the floating body becomes small.
  • the memory cell current causes an impact ionization phenomenon in the channel region 7, Any voltage condition is acceptable as long as the refresh operation to form 9 can be performed.
  • a fixed voltage of about 1 V, for example, may be applied as the voltage V PLL of the plate line PL.
  • a gate insulating layer, a gate conductor layer, or the like covers a channel or the like means “to cover”. It also includes the case of surrounding a part of the transistor like a transistor, and the case of overlapping a planar object like a planar transistor.
  • the first gate conductor layer 5a surrounds the entire first gate insulating layer 4a.
  • the first gate conductor layer 5a may have a structure surrounding part of the first gate insulating layer 4a in plan view.
  • the first gate conductor layer 5a may be divided into at least two gate conductor layers to operate as plate line PL electrodes.
  • the second gate conductor layer 5b may be divided into two or more and each may be operated synchronously or asynchronously as a conductor electrode of a word line. This allows for dynamic flash memory operation.
  • FIGS. 6A to 6J the refresh operation of a 1-bit dynamic flash memory cell made up of one semiconductor body has been described, but two semiconductor bodies that store complementary data of "1" and "0" are shown.
  • the present invention is also effective for refreshing 1-bit high-speed dynamic flash memory cells.
  • the 1-bit dynamic flash memory cell made up of one semiconductor body explained the refresh operation in a single-layer memory array, but the 1-bit dynamic flash memory cell made up of one semiconductor body
  • the present invention is also effective for a multi-layered memory array in which .
  • the N + layer 3a serving as the source is connected to the source line SL
  • the N + layer 3b serving as the drain is connected to the bit line BL
  • the first gate conductor layer 5a is connected to the plate line PL
  • the second gate conductor layer 5b is connected to the word line. line WL, respectively.
  • the structure is characterized in that the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a to which the plate line PL is connected is larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected. .
  • a first gate conductor layer and a second gate conductor layer are stacked vertically. Therefore, the structure is such that the gate capacitance of the first gate conductor layer 5a to which the plate line PL is connected is larger than the gate capacitance of the second gate conductor layer 5b to which the word line WL is connected.
  • it does not increase the memory cell area in plan view. As a result, high performance and high integration of dynamic flash memory cells can be realized at the same time.
  • the first refresh operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention precedes the second refresh operation.
  • the word line WL and the plate line PL are used to greatly oscillate the channel region 7 in the floating state, so that the hole group 9 flowing into the channel region 7 due to leakage current or the like is sourced. It is discharged to the N + layer 3a and the drain N + layer 3b.
  • this inversion layer shields the capacitive coupling between the word line WL, the plate line PL and the channel region 7.
  • the holes in the channel region 7 in the "1" written state are also discharged, although they are extremely small.
  • the second refresh operation a current flows only through the memory cells in the "1" written state, and the hole group 9 due to the impact ionization phenomenon is selectively regenerated in the channel region 7 of the memory cells in the "1" written state. be done. Therefore, as shown in the first embodiment of the present invention, it is highly desirable to perform the second refresh operation of the "1" written state memory cells after the first refresh operation of the "0" erased state memory cells. . By performing the second refresh operation after the first refresh operation of the present invention in this way, a highly reliable memory device can be provided.
  • a Si pillar is formed, but a semiconductor pillar made of a semiconductor material other than Si may be used. This also applies to other embodiments according to the present invention.
  • a dynamic flash memory which is a memory device using high-density and high-performance SGTs, can be obtained.
  • Dynamic flash memory cell 2 Si pillars 3a, 3b having P-type or i-type (intrinsic) conductivity type: N + layer 7: Channel regions 4a, 4b: Gate insulating layers 5a, 5b: Gate conductor layer 6 : Insulating layer 9 for separating two layers of gate conductor layers: Hole BL: Bit line SL: Source line PL: Plate line WL: Word line FB: Floating body CL11 to CL33 : memory cells SL: source lines BL1 to BL3 , BL: bit lines PL1 to PL3 , PL: plate lines WL1 to WL3 , WL: word lines C00 to C22: memory cells SL: source lines BL0 to BL2: bit lines PL0 to PL2: plate lines WL0 to WL2: word lines SA0 to SA2: sense amplifier circuits T0A to T2D: MOS transistors IO, /IO: input/output line CSL0 ⁇ CSL2: Column

Landscapes

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Abstract

メモリ装置は、基板上に列状に配列された複数のメモリセルからなるページを備え、ページ書込み動作時には、前記ページに含まれる各メモリセルの、第1のゲート導体層と、第2のゲート導体層と、第1の不純物領域と、第2の不純物領域に印加する電圧を制御して、チャネル半導体層の電圧を、第1のデータ保持電圧とする。ページ消去動作時には、第1の不純物層と、第2の不純物層と、第1のゲート導体層と、第2のゲート導体層とに印加する電圧を制御して、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。 第1の時刻から時間が経過した第2の時刻に、ページ内の、第1の時刻にチャネル半導体層の電圧が第2のデータ保持電圧であった半導体母体には、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第2のデータ保持電圧程度に戻す第1のリフレッシュ動作を行う。第2の時刻から時間が経過した第3の時刻に、ページ内の、第1の時刻にチャネル半導体層の電圧が第1のデータ保持電圧であった半導体母体には、メモリ再書込み動作を行い、チャネル半導体層の電圧を第1のデータ保持電圧程度に戻す第2のリフレッシュ動作を行う。

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７（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を、図８（ａ）と（ｂ）に、動作上の問題点を、図９（ａ）～（ｃ）に、読出し動作を示す（非特許文献７～１０を参照）。図７（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が接続されるソースＮ+層１０３（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。）、ビット線ＢＬが接続されるドレインＮ+層１０４、ワード線ＷＬが接続されるゲート導電層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７（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７（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７（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７（ｂ））と、生成された正孔が吐き出されたメモリセル１１０（図７（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７（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８（ａ）と（ｂ）を用いて、説明する。図８（ａ）に示したように、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との間の容量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８（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 ＝ ＶFB2 － ＶFB1
       ＝ βWL ×ＶWLH　（１６）
で表される。
ここで、式（１６）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、βWL＝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９（ａ）～（ｃ）に読出し動作を示しており、図９（ａ）は、“１”書込み状態を、図９（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９（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、本発明に係るメモリ装置は、
　基板上に行方向に配列された複数のメモリセルによってページが構成され、複数のページが列方向に配列されたメモリ装置であって、
　前記各ページ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の不純物層と、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こみ、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のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第１のゲート導体層と、
　前記第２のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第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を、有し、
　前記第１のゲート導体層と、前記第２のゲート導体層と、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により形成した正孔群を保持し、
　ページ書込み動作時には、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高い、第１のデータ保持電圧とし、
　ページ消去動作時には、前記第１の不純物層と、前記第２の不純物層と、前記第１のゲート導体層と、前記第２のゲート導体層とに印加する電圧を制御して、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から、前記正孔群を抜きとり、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し、
　前記ページ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のデータ保持電圧であり、
　前記第１の時刻から時間が経過した第２の時刻に、前記ページ内の、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第１のリフレッシュ動作を行い、
　前記第２の時刻から時間が経過した第３の時刻に、前記ページ内の、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す第２のリフレッシュ動作を行う、
　ことを特徴とする（第１発明）半導体素子を用いたメモリ装置。
　上記の第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２発明）。
　上記の第１発明において、前記半導体母体の軸方向から見たときに、前記第１のゲート導体層が、前記第１のゲート絶縁層を囲んで少なくとも２つの導体層に分離していることを特徴とする（第３発明）。
　上記の第１発明において、前記インパクトイオン化現象は、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間の前記チャネル半導体層の内部に生じ、正孔群を前記チャネル半導体層の内部に生成する、
　ことを特徴とする（第４発明）。
　上記の第１乃至第４発明のいずれかのメモリ装置の前記ページを複数含むブロックを備え、
　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のゲート導体層及び前記第２のゲート導体層は一方がワード線と、他方が第１の駆動制御線と接続し、前記ワード線と前記第１の駆動制御線はロウデコーダー回路と接続し、
　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を制御して、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及びメモリ再消去動作のいずれか一方を、もしくは、同時に両方を行う、
　ことを特徴とする（第５発明）。
　上記の第５発明において、前記リフレッシュ動作時には、前記ロウデコーダー回路にワード線全選択信号およびプレート線全選択信号入力し、ブロック内の全ての前記ワード線および前記プレート線が選択される、
　ことを特徴とする（第６発明）請求項５に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
　上記の第５発明において、前記行方向と前記列方向とに配列された前記メモリセルの前記第１の駆動制御線は、隣接する前記メモリセルに共通に配設することを特徴とする（第７発明）。
　上記の第５発明において、前記ソース線は、前記列方向に配列された前記メモリセル毎に分離され、前記ワード線と前記プレート線とに平行に配設することを特徴とする（第８発明）。
　上記の第５発明において、少なくとも２本の前記ワード線が多重選択されるページ積和読出し動作時には、前記ページ積和読出し動作で多重選択される前記ワード線に関して、予め少なくとも１回の前記第１のリフレッシュ動作及び第２のリフレッシュ動作を行うことを特徴とする（第９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ページ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ページ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ページ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ページ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ページ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第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための動作波形図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための動作波形図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 第１実施形態に係るＳＧＴを有するメモリ装置の第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作を説明するための回路ブロック図である。 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、本発明の実施形態に係る、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５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４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。
　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。この第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はプレート線ＰＬ（特許請求の範囲の「第１の駆動制御線」の一例である）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導体層５ｂとチャネル領域７の間の容量ＣWLと、プレート線ＰＬの接続されたゲート導体層５ａとチャネル領域７の間の容量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の間のカップリング率βWL、プレート線ＰＬとチャネル領域７の間のカップリング率βPL、ビット線ＢＬとチャネル領域７の間のカップリング率βBL、ソース線ＳＬとチャネル領域７の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から高電圧状態ＶFBHになるときの電位差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の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の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３Ａ（ａ）～（ｃ）と図３Ｂ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）を示す。図３Ａ（ａ）に書込み動作のメカニズム、図３Ａ（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３Ａ（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トランジスタ領域の“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の電圧がＶｔWL“０”以上に上昇すると、第２のゲート導体層５ｂの内周のチャネル領域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３Ａ（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３Ａ（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の内周のチャネル領域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トランジスタ領域は飽和領域で動作する。一方、ワード線ＷＬの接続された第２のゲート導体層５ｂを有する第２のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域は線形領域で動作する。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の内周のチャネル領域７にピンチオフ点は存在せずにゲート導体層５ｂの内周全面に反転層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トランジスタ領域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トランジスタ領域と、第２のゲート導体層５ｂを有する第２のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域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トランジスタ領域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３Ａ（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トランジスタ領域と第２のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域のしきい値電圧は、基板バイアス効果によって、低くなる。
　引き続き、図３Ａ（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トランジスタ領域のしきい値電圧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３Ａ（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。
ＶFB“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３Ｂに示すように、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トランジスタ領域のしきい値電圧は、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とのあいだの第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とのあいだの第３の境界領域において、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。
　なお、上記のビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬに印加する電圧条件と、フローティングボディの電位は、書込み動作を行うための一例であり、書込み動作ができる他の動作条件であってもよい。
　図４Ａ～図４Ｅを用いて、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）メカニズムを説明する。
　図４Ａに、ページ消去動作を説明するためのメモリブロック回路図を示す。ここでは、３行×３列の計９個のメモリセル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。メモリセルが行列状に配列されているときに、その配列の一方の方向を「行方向」（もしくは「行状」）、これに垂直な方向を「列方向」（もしくは「列状」）という。各メモリセルには、ソース線ＳＬ、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。例えば、このブロックにおいて、任意のページ（特許請求の範囲の「ページ」の一例である）のプレート線ＰＬ2とワード線ＷＬ2とが接続するメモリセルＣL21～ＣL23が選択され、ページ消去動作を行うことを想定する。
　図４Ｂ（ａ）～（ｄ）と図４Ｃを用いて、ページ消去動作のメカニズムを説明する。ここで、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４Ｂ（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４Ｂ（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４Ｂ（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ＢＬ1～ＢＬ3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、次の期間時刻Ｔ３～Ｔ４で、ページ消去動作で選択されたプレート線ＰＬ2とワード線ＷＬ2とが、それぞれ第１の電圧ＶPLLから第２の電圧ＶPLHと、第３の電圧Ｖｓｓから第４の電圧ＶWLHと高電圧状態になり、チャネル領域７にプレート線ＰＬ2の接続された第１のゲート導体層５ａの内周の反転層１２ａと、ワード線ＷＬ2の接続された第２のゲート導体層５ｂの内周の反転層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ＷＬ2側の第２のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域とプレート線ＰＬ2側の第１のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域のしきい値電圧を、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４Ｂ（ａ）のページ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ＰＬ2とワード線ＷＬ2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の電圧が、プレート線ＰＬ2とチャネル領域７との第１の容量結合と、ワード線ＷＬ2とチャネル領域７との第２の容量結合とによって、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ＢＬ1～ＢＬ3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４Ｂ（ａ）のページ消去動作メカニズムを説明する。次の期間の時刻Ｔ５～Ｔ６で、ビット線ＢＬ1～ＢＬ3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４Ｂ（ａ）のページ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ＢＬ1～ＢＬ3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４Ｂ（ｄ）に示すように、時刻Ｔ９～Ｔ１０で、プレート線ＰＬ2とワード線ＷＬ2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ＰＬ2側の反転層１２ａとワード線ＷＬ2側の反転層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ＰＬ2とチャネル領域７との第１の容量結合と、ワード線ＷＬ2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。
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）
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４Ｃ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。ここで、“０”消去状態において、プレート線ＰＬ2側のしきい値電圧は、基板バイアス効果により、高くなっている。したがって、プレート線ＰＬ2の印加電圧を、例えば、そのしきい値電圧以下にすると、プレート線ＰＬ2側の第１のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域は、非導通となりメモリセル電流を流さない。図４Ｃの右側の「ＰＬ：非導通」は、その様子を示している。
　引き続き、図４Ｂ（ａ）のページ消去動作メカニズムを説明する。次に第４の期間の時刻Ｔ１１～Ｔ１２で、ビット線ＢＬ1～ＢＬ3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ＢＬ1～ＢＬ3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ＢＬ1～ＢＬ3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ＢＬ1～ＢＬ3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、ページ消去動作を行い、論理記憶データ“０”に割り当てる。
　次に図４Ｄ（ａ）～図４Ｄ（ｄ）を用いて、ページ消去動作のメカニズムを説明する。図４Ｄの図４Ｂとの違いは、ページ消去動作中は、ビット線ＢＬ1～ＢＬ3は、Ｖｓｓもしくは、フローティング状態とする点と、ワード線ＷＬ2は、Ｖｓｓに固定する点である。これにより、時刻Ｔ１～Ｔ２で、ソース線ＳＬがＶｓｓからＶSLHに上がっても、ワード線ＷＬ2の第２のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域は、非導通となり、メモリセル電流は流れない。従って、インパクトイオン化現象による正孔群９の生成は無い。その他は、図４Ｂと同様にソース線ＳＬがＶｓｓとＶSLHとの間を振幅し、プレート線ＰＬ2は、ＶPLLとＶPLHとの間を振幅する。その結果、図４Ｄ（ｃ）に示すように正孔群９は、ソース線ＳＬの第１の不純物層Ｎ+層３ａへ排出される。
　次に図４Ｅ（ａ）～図４Ｅ（ｄ）を用いて、ページ消去動作のメカニズムを説明する。図４Ｅの図４Ｂとの違いは、ページ消去動作中は、ソース線ＳＬは、Ｖｓｓもしくは、フローティング状態とする点と、プレート線ＰＬ2は、Ｖｓｓに固定する点である。これにより、時刻Ｔ１～Ｔ２で、ビット線ＢＬ1～ＢＬ3がＶｓｓからＶBLHに上がっても、プレート線ＰＬ2の第１のＮチャネルＭＯＳトランジスタ領域は、非導通となり、メモリセル電流は流れない。従って、インパクトイオン化現象による正孔群９の生成は無い。その他は、図４Ｂと同様にビット線ＢＬ1～ＢＬ3がＶｓｓとＶBLHとの間を振幅し、ワード線ＷＬ2は、ＶｓｓとＶWLHとの間を振幅する。その結果、図４Ｅ（ｃ）に示すように正孔群９は、ビット線ＢＬ1～ＢＬ3の第２の不純物層Ｎ+層３ｂへ排出される。
　なお、上記のビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬに印加する電圧条件と、フローティングボディの電位は、ページ消去動作を行うための一例であり、ページ消去動作ができる他の動作条件であってもよい。
　図５（ａ）～図５（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トランジスタ領域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。
　なお、上記のビット線ＢＬ、ソース線ＳＬ、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬに印加する電圧条件と、フローティングボディの電位は、読出し動作を行うための一例であり、読出し動作ができる他の動作条件であってもよい。
　図６Ａと図６Ｂ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”消去の第１のリフレッシュ動作（特許請求の範囲の「第１のリフレッシュ動作」の一例である）を説明するための図である。
　図６Ａ（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（特許請求の範囲の「第１の時刻」の一例である）で、ＶFB“０”であるが、経時変化で、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、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に起因している。図６Ａ（ｂ）に同一ページの一部を構成する４個のダイナミック フラッシュ メモリセルＣＬ００～ＣＬ０３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、ＣＬ０３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、ＣＬ０２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が、リーク電流等により、僅かにチャネル領域７に正孔群９が入ってきている。“０”消去状態のダイナミック フラッシュ メモリセルＣＬ０１、ＣＬ０２に対してメモリ再消去動作である第１のリフレッシュ動作を行うために、ビット線ＢＬ０～ＢＬ３とソース線ＳＬをＶｓｓにした状態で、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬ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。図６Ｂは、その具体的な動作波形の一例であり、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の電圧の経時変化を示している。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、ＣＬ０２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、ＣＬ０３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が形成され、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、インパクトイオン化現象も起こらない。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６Ｂ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”消去の第１の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ＶPLL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（１０）で表される。
ＶFB“０”＝Ｖｂ－βWL×ＶWLRE－βPL×（ＶPLR－ＶPLL）　　　（１０）
　したがって、第１のリフレッシュ動作前の第２の時刻の“０”消去状態から、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トランジスタ領域のしきい値電圧ＶｔWL“０”が高くなる。
　図６Ｃと図６Ｄ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”書込みの第２のリフレッシュ動作（特許請求の範囲の「第２のリフレッシュ動作」の一例である）を説明するための図である。
　図６Ｃ（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６Ｃ（ｂ）に半導体母体が複数個配列する同一ページの一部を構成する４個のダイナミック フラッシュ メモリセルＣＬ００～ＣＬ０３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、ＣＬ０３は、第１の時刻に“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、ＣＬ０２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、ＣＬ０３をメモリ再書込み動作である第２のリフレッシュ動作をするために、ビット線ＢＬ０～ＢＬ３、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬ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６Ｄ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３の時刻である時刻Ｔ０（特許請求の範囲の「第３の時刻」の一例である）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、式（４）を用いて、ＶFB2は、式（１１）で表される。
βBL＝ＣBL／（ＣWL＋ＣPL＋ＣBL＋ＣSL）　　（４）
ＶFB2＝ＶFB1＋βBL×ＶBLR　　（１１）
　引き続き、図６Ｄ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”書込みの第２の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、ＣＬ０３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トランジスタ領域は飽和領域で、ワード線ＷＬ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トランジスタ領域は線形領域で動作する。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、ＣＬ０２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トランジスタ領域の“0”消去状態のしきい値電圧ＶｔPL“０”と、ワード線ＷＬ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トランジスタ領域の“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６Ｄ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”書込みの第２の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トランジスタ領域の“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（１２）で表されるＶｂ１となる。
Ｖｂ１＝Ｖｂ－βWL×ＶｔWL“１”　　（１２）
　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”書込みの第２の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（１３）で表されるＶｂ２となる。
ＶFB“１”＝Ｖｂ２＝Ｖｂ１－βBL×ＶBLR
　　　　　＝Ｖｂ－βWL×ＶｔWL“１”－βBL×ＶBLR　　（１３）
　したがって、第２のリフレッシュ動作前の“１”書込み状態から、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トランジスタ領域のしきい値電圧ＶｔWLが低くなる。
　図６Ｅは、３行×３列のメモリセルＣ００～Ｃ２２がブロック（特許請求の範囲の「ブロック」の一例である）の一部を構成している。ここでは、３行×３列のメモリセルＣ００～Ｃ２２を示すが、実際のブロックにおいては、３行×３列よりも大きな行列をメモリセルが構成している。そして、各メモリセルには、ワード線ＷＬ０～ＷＬ２、プレート線ＰＬ０～ＰＬ２、ソース線ＳＬ、ビット線ＢＬ０～ＢＬ２が接続されている。そのゲートにトランスファー信号ＦＴが入力するトランジスタＴ０Ｃ～Ｔ２Ｃは、スイッチ回路を構成している。また、そのゲートをビット線プリチャージ信号ＦＳに接続するトランジスタＴ０Ｄ～Ｔ２Ｄのドレインは、ビット線電源ＶＢに、ソースは、各ビット線ＢＬ０～ＢＬ２に接続する。そして、各ビット線ＢＬ０～ＢＬ２は、スイッチ回路を介して、センスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２に接続する。ワード線ＷＬ０～ＷＬ２、プレート線ＰＬ０～ＰＬ２は、ロウデコーダー回路ＲDＥＣに接続する。センスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２は、そのゲートをカラム選択線ＣＳＬ０～ＣＳＬ２に接続するトランジスタＴ０Ａ～Ｔ２Ｂを介して、１対の相補の入出力線ＩＯと／ＩＯに接続する。
　図６Ｆは、任意のタイミングにおいて、メモリセルＣ００～Ｃ２２の内、メモリセルＣ１０、Ｃ０１、Ｃ２１、Ｃ０２、Ｃ１２にランダムに“１”書込みが行われ、そのチャネル半導体層７に正孔群９が蓄積された回路ブロック図を示している。そして、図６Gを用いて、ブロック内の全てのワード線ＷＬおよびプレート線ＰＬに関する第１のリフレッシュ動作を説明する。図６Gは、ロウデコーダー回路にワード線全選択信号ＡＬＬＷＬ（特許請求の範囲の「ワード線全選択信号」の一例である）とプレート線全選択信号ＡＬＬＰＬ（特許請求の範囲の「プレート線全選択信号」の一例である）が、入力する場合を示している。ここでは、メモリセルブロック内の全てのワード線ＷＬ０～ＷＬ２が選択され、メモリセルＣ１０、Ｃ０１、Ｃ２１、Ｃ０２、Ｃ１２が第１のリフレッシュ動作をする様子を示している。図６GのメモリセルＣ００、Ｃ１１、Ｃ２０、Ｃ２２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が、第２の時刻において、漏れ電流等により、僅かにチャネル領域７に正孔群９が入ってきている。“０”消去状態のメモリセルＣ００、Ｃ１１、Ｃ２０、Ｃ２２に対してメモリ再消去動作である第１のリフレッシュ動作をするために、ビット線ＢＬ０～ＢＬ３とソース線ＳＬをＶｓｓにした状態で、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬ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。この結果、漏れ電流等によりチャネル領域７に侵入した正孔群９は、ビット線ＢＬ０～ＢＬ２とソース線ＳＬへと排除される。そして、“０”消去状態のメモリセルＣ００、Ｃ１１、Ｃ２０、Ｃ２２のチャネル領域７の電圧は、第２のデータ保持電圧程度に戻る。
　図６Ｈを用いて、ブロック内の全てのワード線ＷＬおよびプレート線ＰＬに関する第２のリフレッシュ動作を説明する。図６Ｈの“1”書込みされたメモリセルＣ１０、Ｃ０１、Ｃ２１、Ｃ０２、Ｃ１２のチャネル半導体層７の内部に、インパクトイオン化現象により正孔群９の形成するリフレッシュ動作が行われる。メモリセルＣ１０、Ｃ０１、Ｃ２１、Ｃ０２、Ｃ１２のそれぞれの第１のゲート導体層５ａと第２のゲート導体層５ｂのしきい値電圧は、例えば、“0”消去状態の１．３Ｖから“1”書込み状態の０．３Ｖへと１Ｖも低下している。したがって、“1”書込み動作時よりも低い電圧をプレート線ＰＬ０～ＰＬ２とワード線ＷＬ０～ＷＬ２入力すれば、メモリセルＣ１０、Ｃ０１、Ｃ２１、Ｃ０２、Ｃ１２のチャネル半導体層７の内部に、インパクトイオン化現象により正孔群９を形成するリフレッシュ動作を行うことができる。ここでは、図６Ｈにおいて、“1”書込みされたメモリセルＣ１０、Ｃ０１、Ｃ２１、Ｃ０２、Ｃ１２のチャネル半導体層７の電圧は、第１のデータ保持電圧ＶFB“1”からＶFB“1”-ΔＶFBへと僅かに低下している場合を想定している。
　このように図６Ｇと図６Ｈで示した、メモリセルブロック内の全てのワード線ＷＬとプレート線ＰＬに関する第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作は、少なくとも２本の前記ワード線が多重選択されるページ積和読出し動作（特許請求の範囲の「ページ積和読出し動作」の一例である）の際にとても有効である。ページ積和読出し動作時には、図６Ｆにおいて、例えば３本のワード線ＷＬ０～ＷＬ２が多重選択される。そして、それぞれのメモリセル電流Ｉｃｅｌｌが各ビット線ＢＬ０～ＢＬ２において、加算されるため、メモリセル電流として、飽和し、安定したメモリセル電流を読み出す必要がある。したがって、ページ積和読出し動作前に図６Ｇと図６Ｈのメモリセルブロック内の全てのワード線ＷＬとプレート線ＰＬに関する第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作は、とても有効である。
　図６Ｉは、３行×３列のメモリセルＣ００～Ｃ２２のブロックにおいて、プレート線ＰＬを隣接するメモリセルで共有している例を示している。この構成においても、本発明の第１実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作をページ読出し前に実行することができる。
　図６Ｊは、３行×３列のメモリセルＣ００～Ｃ２２のブロックにおいて、プレート線ＰＬ０とワード線ＷＬ０と平行なソース線ＳＬ０と、プレート線ＰＬ１とワード線ＷＬ１と平行なソース線ＳＬ１と、プレート線ＰＬ２とワード線ＷＬ２と平行なソース線ＳＬ２とに、ソース線を分離して配置している例を示している。この構成においても、本発明の第１実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルの第１のリフレッシュ動作および第２のリフレッシュ動作をページ読出し前に実行することができる。
　図１において、Ｓｉ柱２の水平断面形状は、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。
　また、本明細書及び図面の式（１）～（１２）は、現象を定性的に説明するために用いた式であり、現象がそれらの式によって限定されるものではない。
　なお、図３Ａと図３Ｂの説明において、ワード線ＷＬ、ビット線ＢＬ、ソース線ＳＬのリセット電圧をＶｓｓと記載しているが、それぞれを異なる電圧にしても良い。
　また、図４Ａ及びその説明において、ページ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、ページ消去動作において、選択されたページのソース線ＳＬに電圧を印加し、ビット線ＢＬはフローティング状態にしても良い。また、ページ消去動作において、選択されたページのビット線ＢＬに電圧を印加し、ソース線ＳＬはフローティング状態にしても良い。
　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。
　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２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。
　図６Ｃの動作波形図では、ビット線ＢＬ、ワード線ＷＬ、プレート線ＰＬの電圧を具体的に明記しているが、メモリセル電流によりチャネル領域７内でインパクトイオン化現象を引き起こさせ、正孔群９を形成するリフレッシュ動作を行うことができる電圧条件であれば良い。
　また、プレート線ＰＬの電圧ＶPLLは、例えば、１Ｖ程度の固定電圧を印加しても良い。
　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。
　図１においては、第１のゲート導体層５ａは、第１のゲート絶縁層４ａの全体を囲んでいる。これに対して、第１のゲート導体層５ａは、平面視において、第１のゲート絶縁層４ａの一部を囲んでいる構造としてもよい。この第１のゲート導体層５ａを少なくとも２つのゲート導体層に分割して、プレート線ＰＬ電極として、動作させても良い。同様に、第２のゲート導体層５ｂを２つ以上に分割して、それぞれをワード線の導体電極として、同期または非同期で動作させてもよい。これにより、ダイナミック フラッシュ メモリ動作を行うことができる。
　図６Ａ～図６Ｊにおいては、１個の半導体母体から成る１ビットのダイナミック フラッシュ メモリセルのリフレッシュ動作を説明したが、“１”と“０”相補のデータを記憶する２個の半導体母体から成る１ビットの高速ダイナミック フラッシュ メモリセルのリフレッシュ動作に関しても本発明は有効である。
　図６Ａ～図６Ｊにおいては、１個の半導体母体から成る１ビットのダイナミック フラッシュ メモリセルが単層のメモリアレイでリフレッシュ動作を説明したが、１個の半導体母体から成る１ビットのダイナミック フラッシュ メモリセルを多段に積んだ多層のメモリアレイに関しても本発明は有効である。
　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、メモリセル面積を大きくさせない。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 メモリセルの第１のリフレッシュ動作は、第２のリフレッシュ動作に先行させて行っている。これは、第１のリフレッシュ動作では、ワード線ＷＬとプレート線ＰＬを用いて、フローティング状態のチャネル領域７を大きく振幅させることにより、チャネル領域７に漏れ電流等により流入した正孔群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”書込み状態のメモリセルでは、チャネル領域７に反転層が形成されるため、この反転層がワード線ＷＬとプレート線ＰＬとチャネル領域７との間の容量結合を遮蔽する。しかし、極微少ではあるが、“１”書込み状態のチャネル領域７の正孔も排出する。また、第２のリフレッシュ動作において、“１”書込み状態のメモリセルにのみ電流が流れ、インパクトイオン化現象による正孔群９が“１”書込み状態のメモリセルのチャネル領域７に選択的に再生成される。したがって、本発明の第１実施形態に示したように“０”消去状態のメモリセルの第１のリフレッシュ動作後に“１”書込み状態のメモリセルの第２のリフレッシュ動作を行うことが非常に望ましい。このように本発明の第１のリフレッシュ動作後に第２のリフレッシュ動作を行うことにより、信頼性の高いメモリ装置を提供できる。
（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。
（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、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、半導体素子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+層
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
９：　正孔
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：　メモリセル
ＳＬ：　ソース線
ＢＬ1～ＢＬ3、ＢＬ：　ビット線
ＰＬ1～ＰＬ3、ＰＬ：　プレート線
ＷＬ1～ＷＬ3、ＷＬ：　ワード線

Ｃ００～Ｃ２２：　メモリセル
ＳＬ：　ソース線
ＢＬ０～ＢＬ２：　ビット線
ＰＬ０～ＰＬ２：　プレート線
ＷＬ０～ＷＬ２：　ワード線
ＳＡ０～ＳＡ２：　センスアンプ回路
Ｔ０Ａ～Ｔ２Ｄ：ＭＯＳトランジスタ
ＩＯ、／ＩＯ：入出力線
ＣＳＬ０～ＣＳＬ２：カラム選択線

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膜
１０２：　フローティングボディ（Floating Body）
１０３：　ソースＮ+層
１０４：　ドレインＮ+層
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 (9)

  1. 　基板上に行方向に配列された複数のメモリセルによってページが構成され、複数のページが列方向に配列されたメモリ装置であって、
    　前記各ページ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の不純物層と、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こみ、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のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第１のゲート導体層と、
    　前記第２のゲート絶縁層の一部または全体を覆う第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を、有し、
    　前記第１のゲート導体層と、前記第２のゲート導体層と、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により形成した正孔群を保持し、
    　ページ書込み動作時には、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高い、第１のデータ保持電圧とし、
    　ページ消去動作時には、前記第１の不純物層と、前記第２の不純物層と、前記第１のゲート導体層と、前記第２のゲート導体層とに印加する電圧を制御して、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から、前記正孔群を抜きとり、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し、
    　前記ページ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のデータ保持電圧であり、
    　前記第１の時刻から時間が経過した第２の時刻に、前記ページ内の、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第１のリフレッシュ動作を行い、
    　前記第２の時刻から時間が経過した第３の時刻に、前記ページ内の、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す第２のリフレッシュ動作を行う、
    　ことを特徴とする半導体素子を用いたメモリ装置。
  2. 　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に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
  3. 　前記半導体母体の軸方向から見たときに、前記第１のゲート導体層が、前記第１のゲート絶縁層を囲んで少なくとも２つの導体層に分離している、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
  4. 　前記インパクトイオン化現象は、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間の前記チャネル半導体層の内部に生じ、正孔群を前記チャネル半導体層の内部に生成する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体素子を用いたメモリ装置の前記ページを複数含むブロックを備え、
    　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のゲート導体層及び前記第２のゲート導体層は一方がワード線と、他方が第１の駆動制御線と接続し、前記ワード線と前記第１の駆動制御線はロウデコーダー回路と接続し、
    　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を制御して、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及びメモリ再消去動作のいずれか一方を、もしくは、同時に両方を行う、
    　ことを特徴とする半導体素子を用いた半導体メモリ装置。
  6. 　前記リフレッシュ動作時には、前記ロウデコーダー回路にワード線全選択信号およびプレート線全選択信号入力し、ブロック内の全ての前記ワード線および前記プレート線が選択される、
    　ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
  7. 　前記行方向と前記列方向とに配列された前記メモリセルの前記第１の駆動制御線は、隣接する前記メモリセルに共通に配設する、
    　ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
  8. 　前記ソース線は、前記列方向に配列された前記メモリセル毎に分離され、前記ワード線と前記プレート線とに平行に配設する、
    　ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
  9. 　少なくとも２本の前記ワード線が多重選択されるページ積和読出し動作時には、前記ページ積和読出し動作で多重選択される前記ワード線に関して、予め少なくとも１回の前記第１のリフレッシュ動作及び第２のリフレッシュ動作を行う、
    ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子を用いたメモリ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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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
JP2009093708A (ja) * 2007-10-04 2009-04-30 Toshiba Corp 半導体記憶装置およびその駆動方法
JP2010157580A (ja) * 2008-12-26 2010-07-15 Toshiba Corp 半導体記憶装置

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

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