WO2023281613A1 - 半導体素子を用いたメモリ装置 - Google Patents

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WO2023281613A1
WO2023281613A1 PCT/JP2021/025397 JP2021025397W WO2023281613A1 WO 2023281613 A1 WO2023281613 A1 WO 2023281613A1 JP 2021025397 W JP2021025397 W JP 2021025397W WO 2023281613 A1 WO2023281613 A1 WO 2023281613A1
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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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    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78642—Vertical transistors

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.
  • a memory device using a semiconductor element 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; When, 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 the second gate insulating layer; the semiconductor matrix has
  • the first impurity layer of the memory cell 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 connected.
  • one is connected to the word line, the other is connected to the drive control line, the bit line is connected to a sense amplifier circuit via a switch circuit;
  • At least one of the word lines is selected, voltages applied to the selected word line, the drive control line, the source line, and the bit line are controlled to perform the page write operation.
  • the channel semiconductor layer of the selected word line is formed in the channel semiconductor layer of the memory cell using the voltage of the channel semiconductor layer as the first data retention voltage by the formation of the hole group by the impact ionization phenomenon.
  • a second invention is characterized in that, in the first invention, a word line all select signal is input to the row decoder circuit during the refresh operation, and all the word lines in the memory cell block are selected. 2 invention).
  • a third invention is characterized in that, in the first invention, the drive control lines of the memory cells arranged in the row direction and the column direction are arranged in common to the adjacent memory cells. (third invention).
  • a fourth aspect of the invention is based on the first aspect of the invention, wherein the switch circuit is rendered non-conductive and the page data is written into the sense amplifier circuit during the refresh operation; the page erase operation on the first page after the refresh operation is completed; making the switch circuit conductive, and performing the page write operation on the page data of the sense amplifier circuit to the first memory cell group; (Fourth invention).
  • the first gate capacitance between the first gate conductor layer and the channel semiconductor layer is between the second gate conductor layer and the channel semiconductor layer. is larger than the second gate capacitance of (fifth 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 body. (6th 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;
  • 4 is a circuit block diagram for explaining the refresh operation of the 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
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining the refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a circuit block diagram for explaining the refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is an operation waveform diagram for explaining the refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • 4 is a circuit block diagram for explaining the refresh operation of the memory device having SGTs according to the first embodiment;
  • FIG. 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;
  • dynamic flash memory a memory device using semiconductor elements (hereinafter referred to as dynamic flash memory) according to the present invention will be described 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 threshold voltage for erasing "0" of the second N-channel MOS transistor is VtWL "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 ⁇ VtWL 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 having the first gate conductor layer 5a operates in the linear region.
  • the second N channel MOS transistor having second gate conductor layer 5b connected to word line WL operates in the saturation region.
  • there is no pinch-off point in channel region 7 on the inner periphery of second gate conductor layer 5b connected to word line WL and inversion layer 12b is formed on the entire inner periphery of gate conductor layer 5b.
  • the inversion layer 12b formed entirely on the inner periphery of the second gate conductor layer 5b connected to the word line WL is the substantial drain of the second N-channel MOS transistor having the second gate conductor layer 5b.
  • the channel region 7 between the first N-channel MOS transistor having the first gate conductor layer 5a and the second N-channel MOS transistor having the second gate conductor layer 5b, which are connected in series, has a second The electric field is maximum at the boundary region of 1 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 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 and the second N-channel MOS transistor are lowered due to the substrate bias effect.
  • 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 in 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.
  • VBLH and VSLH are the threshold voltages of the second N-channel MOS transistor on the word line WL2 side and the first N-channel MOS transistor on the plate line PL2 side , respectively.
  • 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 higher.
  • 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 of the word line WL2 becomes 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 transistors of the plate line PL 2 are rendered non-conductive and no memory cell current flows. . 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. 5A to 5C 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 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
  • a page read operation (which is an example of a "page read operation").
  • 3 rows ⁇ 3 columns of memory cells C00 to C22 form part of a memory cell block (an example of a "memory cell block” in the scope of claims).
  • memory cells C00 to C22 of 3 rows ⁇ 3 columns are shown, but in an actual memory cell 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 (an example of the "switch circuit" in the scope of claims).
  • the bit lines BL0 to BL2 are connected to the corresponding sense amplifier circuits SA0 to SA2 (one example of the "sense amplifier circuit” in the claims) via switch circuits.
  • Word lines WL0 to WL2 and plate lines PL0 to PL2 are connected to a row decoder circuit (an example of the "row decoder circuit” in the claims) 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.
  • the first memory cell group (“first Page data stored in C01, C11, and C21 (one example of “memory cell group”) (one example of "page data” in the scope of claims) are read out to sense amplifier circuits SA0 to SA2.
  • the word line WL1 connected to the first memory cell group C01, C11, C21 rises from the low voltage Vss to the high voltage VWLY for reading, and at time Y2, the bit lines BL0 to BL2 are read from the low voltage Vss. to the high voltage V BLY for
  • word line WL1 drops from high voltage VWLY for reading to low voltage Vss.
  • FIG. 6D shows a case where a word line all selection signal (an example of the "word line all selection signal" in the claims) ALLWL is input to the row decoder circuit.
  • a word line all selection signal an example of the "word line all selection signal” in the claims
  • ALLWL all word lines WL0 to WL2 in the memory cell block are selected, and memory cells C10, C01, C21, C02, and C12 perform refresh operations.
  • a refresh operation is performed to form hole groups 9 by the impact ionization phenomenon inside the channel semiconductor layers 7 of the memory cells C10, C01, C21, C02, and C12 in which "1" is written in FIG. 6D.
  • 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. Therefore, when a voltage lower than that in the "1" write operation is input to the plate lines PL0 to PL2 and word lines WL0 to WL2, impact ionization occurs inside the channel semiconductor layers 7 of the memory cells C10, C01, C21, C02, and C12.
  • a refresh operation for forming hole groups 9 can be performed by the phenomenon. However, in FIG.
  • the voltages of the channel semiconductor layers 7 of the memory cells C10, C01, C21, C02, and C12 to which "1" is written vary from the first data retention voltage V FB "1" to V FB "1"- Assume a slight drop to ⁇ V FB .
  • transfer signal FT drops from high voltage V FTH to low voltage Vss.
  • all word lines WL0-WL2 are selected and raised from the low voltage Vss to the high voltage VWLR for refresh.
  • the low voltage Vss may be 0V and the high voltage V WLR may be 1.3V.
  • the bit lines BL0 to BL2 rise from the low voltage Vss to the high voltage V BLR for refresh.
  • circuit blocks shown in FIGS. 6A, 6B, and 6D perform sense amplifier circuits SA0 to SA0 to SA0 during page reading during the page refresh operation of the memory device having the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention.
  • the page data of the first memory cell groups C01, C11, C21 read out to SA2 can be output to complementary input/output lines IO and /IO. Details are described below.
  • the transfer signal FT is V FTH
  • the transistors T0C to T2C which are switch circuits, are in a conductive state
  • the data stored in the memory cells C01, C11, C21 are transferred to the sense amplifier circuits SA0 to SA2. , where logical determination of "0" and "1" is made.
  • the transfer signal FT drops from V FTH to Vss, and the transistors T0C to T2C, which are the switch circuits, become non-conductive.
  • bit lines BL0-BL2 and sense amplifier circuits SA0-SA2 are electrically disconnected.
  • the read page data from the memory cells C01, C11 and C21 are stored in the sense amplifier circuits SA0 to SA2.
  • the column selection lines CSL0-CSL2 are sequentially input to the gates of the transistors T0A-T2B, so that the page data stored in the sense amplifier circuits SA0-SA2 are output to the complementary input/output lines IO and /IO.
  • the page data write operation to the sense amplifier circuits SA0 to SA2 during the refresh operation can be explained using FIG. 6C.
  • the transfer signal FT drops from V FTH to Vss, and the transistors T0C-T2C, which are the switch circuits, become non-conductive.
  • bit lines BL0-BL2 and sense amplifier circuits SA0-SA2 are electrically disconnected.
  • the page data may be written to the sense amplifier circuits SA0-SA2 from the input/output lines IO and /IO through the column selection lines CSL0-CSL2.
  • the page erase operation for writing the page data is performed for the first page, the switch circuit is turned on, and the page data of the sense amplifier circuit is subjected to the page write operation to the first memory cell group.
  • the page data stored in the sense amplifier circuit can be freely read during the refresh operation, or the page data can be read out from the sense amplifier circuit. Data can be written. Therefore, the refresh operation can be performed in the background operation behind the page read operation or the page write operation. As a result, it is possible to provide a memory device compatible with high-speed systems.
  • FIG. 6E shows an example in which a plate line PL is shared by adjacent memory cells in a block of memory cells C00 to C22 of 3 rows ⁇ 3 columns.
  • PL0 to PL2 are input with the same waveform, so even in this configuration, the refresh operation of the dynamic flash memory cell according to the first embodiment of the present invention can be executed.
  • 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 SGTs
  • the semiconductor matrix of the channel region is 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 6E the refresh operation of a 1-bit dynamic flash memory cell made up of a single semiconductor body has been explained, but the refresh operation of a 1-bit dynamic flash memory cell made up of two semiconductor bodies storing complementary data of "1" and "0" is shown in FIGS.
  • 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 matrix explained the refresh operation in a single-layer memory array, but the 1-bit dynamic flash memory cell made up of one semiconductor matrix
  • 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.
  • the memory cell area does not increase in plan view. As a result, high performance and high integration of dynamic flash memory cells can be realized at the same time.
  • the page data stored in the sense amplifier circuit can be freely retrieved during the refresh operation. or write page data to the sense amplifier circuit. Therefore, the refresh operation can be performed in the background operation behind the page read operation or the page write operation. As a result, it is possible to provide a memory device compatible with high-speed systems.
  • 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 memory array of 1-bit dynamic flash memory cells consisting of a single semiconductor matrix may be arranged in an orthorhombic or square lattice.
  • the present invention is also effective for a memory array of such dynamic flash memory cells.
  • 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 for separating two gate conductor layers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Dram (AREA)

Abstract

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の不純物層と、第２の不純物層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により形成した正孔群を保持し、第１のデータ保持電圧とするページ書込み動作と、前記正孔群を前記チャネル半導体層の内部から除去するページ消去動作を行う。前記メモリセルの前記第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のゲート導体層のうちの一方はワード線と接続し、他方は駆動制御線と接続する。前記ビット線は、スイッチ回路を介してセンスアンプ回路に接続する。少なくとも１本の前記ワード線が選択され、選択された前記ワード線と、前記駆動制御線と、前記ソース線と、前記ビット線に印加する電圧を制御して、選択された前記ワード線の前記チャネル半導体層の電圧を前記第１のデータ保持電圧に戻すリフレッシュ動作を、第１のページに属する第１のメモリセル群のページデータを前記センスアンプ回路に読出し、前記スイッチ回路を非導通状態にして、ページ読出し動作と並行して行う。

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　（１０）
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）　（１１）
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　（１２）
で表される。
ここで、式（１１）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、本発明に係る半導体素子を用いたメモリ装置は、
　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の不純物層と、前記第２の不純物層と、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の不純物層と、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、
　前記メモリセルの前記第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のゲート導体層のうちの一方はワード線と接続し、他方は駆動制御線と接続し、
　前記ビット線は、スイッチ回路を介してセンスアンプ回路に接続し、
　少なくとも１本の前記ワード線が選択され、選択された前記ワード線と、前記駆動制御線と、前記ソース線と、前記ビット線と、に印加する電圧を制御して、前記ページ書込み動作により前記チャネル半導体層の電圧を前記第１のデータ保持電圧とした前記メモリセルの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前記正孔群の形成により、選択された前記ワード線の前記チャネル半導体層の電圧を前記第１のデータ保持電圧に戻すリフレッシュ動作を行い、
　前記リフレッシュ動作と並行して、前記スイッチ回路を非導通状態にして、第１のページに属する第１のメモリセル群のページデータを前記センスアンプ回路に読出すページ読み出し動作を行う、
　ことを特徴とする（第１発明）。
　第２発明は、上記第１発明において、前記リフレッシュ動作時には、ロウデコーダー回路にワード線全選択信号が入力し、メモリセルブロック内の全ての前記ワード線が選択されることを特徴とする（第２発明）。
　第３発明は、上記の第１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駆動制御線は、隣接する前記メモリセルに共通に配設されていることを特徴とする（第３発明）。
　第４発明は、上記の第１発明において、前記スイッチ回路を非導通状態にし、前記リフレッシュ動作中に前記センスアンプ回路に前記ページデータを書込む動作と、
　前記リフレッシュ動作終了後に前記第１ページに対して前記ページ消去動作と、
　前記スイッチ回路を導通状態にし、前記センスアンプ回路の前記ページデータを前記第１のメモリセル群に対して前記ページ書込み動作と、を行う、
　ことを特徴とする（第４発明）。
　第５発明は、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５発明）。
　第６発明は、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６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）の実施形態について、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５ｂ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トランジスタとプレート線ＰＬ2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）～（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）～（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）～（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。
　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～図６Ｅ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 メモリセルのリフレッシュ動作（特許請求の範囲の「リフレッシュ動作」の一例である）中にページ読出し動作（特許請求の範囲の「ページ読出し動作」の一例である）をすることについて説明する。
　図６Ａは、３行×３列のメモリセルＣ００～Ｃ２２がメモリセルブロック（特許請求の範囲の「メモリセルブロック」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、実際のメモリセル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（特許請求の範囲の「スイッチ回路」の一例である）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、対応する各ビット線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、対応するセンスアンプ回路（特許請求の範囲の「センスアンプ回路」の一例である）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（特許請求の範囲の「ロウデコーダー回路」の一例である）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６Ｂ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が蓄積された様子を示している。
　図６Cに示す、時刻Ｙ１～Ｙ３において、第１のページ（特許請求の範囲の「第１のページ」の一例である）に属する第１のメモリセル群（特許請求の範囲の「第１のメモリセル群」の一例である）Ｃ０１、Ｃ１１、Ｃ２１に記憶されているページデータ（特許請求の範囲の「ページデータ」の一例である）がセンスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２に読み出される。時刻Ｙ１で第１のメモリセル群Ｃ０１、Ｃ１１、Ｃ２１に接続するワード線ＷＬ１が低電圧Ｖｓｓから読出し用の高電圧ＶWLYに上昇し、時刻Ｙ２でビット線ＢＬ０～ＢＬ２が低電圧Ｖｓｓから読出し用の高電圧ＶBLYに上昇する。ここで、Ｖｓｓは、例えば、接地電圧Ｖｓｓ＝０Ｖでも良い。そして、時刻Ｙ３で、ワード線ＷＬ１が読出し用の高電圧ＶWLYから低電圧Ｖｓｓに下降する。
　図６Ｃと図６Ｄを用いて、リフレッシュ動作を説明する。図６Ｄは、ロウデコーダー回路にワード線全選択信号（特許請求の範囲の「ワード線全選択信号」の一例である）ＡＬＬＷＬ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がリフレッシュ動作する様子を示している。図６Ｄ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を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。しかし、図６Ｃ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。
　図６Ｃの時刻Ｒ１で、トランスファー信号ＦＴが高電圧ＶFTHから低電圧Ｖｓｓへと低下する。時刻Ｒ２で、全ワード線ＷＬ０～ＷＬ２が選択され、低電圧Ｖｓｓからリフレッシュ用の高電圧ＶWLRへと上がる。ここで、例えば、低電圧Ｖｓｓは０Ｖ、高電圧ＶWLRは、１．３Ｖであっても良い。そして、時刻Ｒ３で、ビット線プリチャージ信号ＦＳが、低電圧Ｖｓｓから高電圧ＶFSHへと上がると、ビット線ＢＬ０～ＢＬ２は、低電圧Ｖｓｓからリフレッシュ用の高電圧ＶBLRへ上がる。この結果、“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の内部の正孔群９が減少していても、このリフレッシュ動作により、ビルトイン電圧Ｖｂへ上昇する。その後、時刻Ｒ４で、全ワード線ＷＬ０～ＷＬ２がリセットされ、時刻Ｒ５でビット線ＢＬ０～ＢＬ２がリセットされると、ワード線ＷＬ０～ＷＬ２とビット線ＢＬ０～ＢＬ２と、チャネル半導体層７との容量結合により、チャネル半導体層７の電圧は、Ｖｂから僅かに低下して、第１のデータ保持電圧ＶFB“１”となる。
　また、図６Ａ、図６Ｂと図６Ｄに示す回路ブロックは、本発明の第１実施形態に係るダイナミック フラッシュ メモリセルを有するメモリ装置のページリフレッシュ動作時中のページ読出し時において、センスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２に読み出された第１のメモリセル群Ｃ０１、Ｃ１１、Ｃ２１のページデータを相補の入出力線ＩＯと／ＩＯに出力することが可能である。以下に詳細を説明する。
　図６Ｃに示す、メモリセルＣ０１、Ｃ１１、Ｃ２１の記憶データが、時刻Ｙ１でワード線ＷＬ１が選択され、時刻Ｙ２でビット線プリチャージ信号ＦＳがＶｓｓから高電圧ＶFSHに上がると、ビット線ＢＬ０～ＢＬ２にそれぞれ読み出される。このページ読出し動作中は、トランスファー信号ＦＴは、ＶFTHであり、スイッチ回路である、トランジスタＴ０Ｃ～Ｔ２Ｃは導通状態であり、メモリセルＣ０１、Ｃ１１、Ｃ２１の記憶データは、センスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２に読み出され、そこで、“０”と“１”の論理判定が為される。その後、リフレッシュ動作が始まると、トランスファー信号ＦＴは、ＶFTHからＶｓｓへと低下し、スイッチ回路である、トランジスタＴ０Ｃ～Ｔ２Ｃは非導通状態となる。その結果、ビット線ＢＬ０～ＢＬ２とセンスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２は電気的に切り離される。センスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２には、メモリセルＣ０１、Ｃ１１、Ｃ２１からの読出しページデータが記憶されている。次にカラム選択線ＣＳＬ０～ＣＳＬ２がトランジスタＴ０Ａ～Ｔ２Ｂのゲートに順次入力することにより、センスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２に記憶されているページデータは相補の入出力線ＩＯと／ＩＯに出力される。
　また、図６Ｃを用いて、リフレッシュ動作中のセンスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２へのページデータの書込み動作も説明できる。リフレッシュ動作が始まると、トランスファー信号ＦＴは、ＶFTHからＶｓｓへと低下し、スイッチ回路である、トランジスタＴ０Ｃ～Ｔ２Ｃは非導通状態となる。その結果、ビット線ＢＬ０～ＢＬ２とセンスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２は電気的に切り離される。ここで、入出力線ＩＯと／ＩＯからカラム選択線ＣＳＬ０～ＣＳＬ２により、ページデータをセンスアンプ回路ＳＡ０～ＳＡ２に書き込んでも良い。リフレッシュ動作終了後にページデータを書き込む第１ページのページ消去動作を行い、スイッチ回路を導通状態にし、センスアンプ回路のページデータを第１のメモリセル群にページ書込み動作を行う。
　このようにスイッチ回路Ｔ０Ｃ～Ｔ２Ｃにより、ビット線とセンスアンプ回路を電気的に切り離すことにより、リフレッシュ動作時に自由にセンスアンプ回路に記憶されているページデータを読み出すこと、もしくは、センスアンプ回路にページデータを書き込むことが可能である。したがって、リフレッシュ動作がページ読出し動作、もしくは、ページ書込み動作の背後のバックグラウンド動作で行うことができる。この結果、高速なシステムに対応するメモリ装置を提供することができる。
　図６Ｅ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が隣接するメモリセルで共有している例を示している。図６Ｃの動作波形で、ＰＬ０～ＰＬ２は同一波形で入力しているため、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 メモリセルのリフレッシュ動作を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が基板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が行え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６Ｅ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６Ｅ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、メモリセル面積は大きくならない。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 メモリセルのリフレッシュ動作は、メモリセル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、リーク電流等で失われた正孔群９を再び“１”書込み状態に戻すことができる。また、このリフレッシュ動作は、複数本のワード線、あるいは、メモリサブアレイ全体のワード線で選択される“１”書込み状態のメモリセルに対して、同時に行え、全リフレッシュ時間の短縮ができる。この結果、リフレッシュ時間の割合（Ｄｕｔｙ　Ｒａｔｉｏ）を大幅に改善することができる。そして、“１”書込みデータが“０”に化けることを防ぐことができ、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 メモリセルのスイッチ回路Ｔ０Ｃ～Ｔ２Ｃにより、ビット線とセンスアンプ回路を電気的に切り離すことにより、リフレッシュ動作時に自由にセンスアンプ回路に記憶されているページデータを読み出すこと、もしくは、センスアンプ回路にページデータを書き込むことが可能である。したがって、リフレッシュ動作がページ読出し動作、もしくは、ページ書込み動作の背後のバックグラウンド動作で行うことができる。この結果、高速なシステムに対応するメモリ装置を提供できる。
（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。
　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 メモリセルのメモリアレイは、斜方格子、または正方格子に配列しても良い。このような方式のダイナミック フラッシュ メモリセルのメモリアレイに関しても本発明は有効である。
　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
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 (6)

  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の不純物層と、前記第２の不純物層と、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の不純物層と、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、
    　前記メモリセルの前記第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のゲート導体層のうちの一方はワード線と接続し、他方は駆動制御線と接続し、
    　前記ビット線は、スイッチ回路を介してセンスアンプ回路に接続し、
    　少なくとも１本の前記ワード線が選択され、選択された前記ワード線と、前記駆動制御線と、前記ソース線と、前記ビット線と、に印加する電圧を制御して、前記ページ書込み動作により前記チャネル半導体層の電圧を前記第１のデータ保持電圧とした前記メモリセルの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前記正孔群の形成により、選択された前記ワード線の前記チャネル半導体層の電圧を前記第１のデータ保持電圧に戻すリフレッシュ動作を行い、
    　前記リフレッシュ動作と並行して、前記スイッチ回路を非導通状態にして、第１のページに属する第１のメモリセル群のページデータを前記センスアンプ回路に読出すページ読み出し動作を行う、
    　ことを特徴とする半導体素子を用いたメモリ装置。
  2. 　前記リフレッシュ動作時には、ロウデコーダー回路にワード線全選択信号が入力し、メモリセルブロック内の全ての前記ワード線が選択される、
    　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。
  3. 　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駆動制御線は、隣接する前記メモリセルに共通に配設されている、
    　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. 　前記スイッチ回路を非導通状態にし、前記リフレッシュ動作中に前記センスアンプ回路に前記ページデータを書込む動作と、
    　前記リフレッシュ動作終了後に前記第１ページに対して前記ページ消去動作と、
    　前記スイッチ回路を導通状態にし、前記センスアンプ回路の前記ページデータを前記第１のメモリセル群に対して前記ページ書込み動作と、を行う、
    　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. 　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。
  6. 　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。
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