この発明は、ダイナミック型半導体メモリ装置(DRAM)に関する。 This invention relates to a dynamic semiconductor memory device (DRAM).
従来のDRAMは、MOSトランジスタとキャパシタによりメモリセルが構成されている。 Conventional DRAM, the memory cell is constituted by a MOS transistor and a capacitor. DRAMの微細化は、トレンチキャパシタ構造やスタックトキャパシタ構造の採用により大きく進んでいる。 Miniaturization of the DRAM, has progressed significantly by adoption of a trench capacitor structure and a stacked capacitor structure. 現在、単位メモリセルの大きさ(セルサイズ)は、最小加工寸法をFとして、2F×4F=8F 2の面積まで縮小されている。 Currently, the unit memory cell size (cell size), the minimum feature size is F, are reduced to an area of 2F × 4F = 8F 2. つまり、最小加工寸法Fが世代と共に小さくなり、セルサイズを一般にαF 2としたとき、係数αも世代と共に小さくなり、F=0.18μmの現在、α=8が実現されている。 In other words, the minimum feature size F decreases with age, when the .alpha.F 2 cell size generally becomes smaller with age factor alpha, F = 0.18 .mu.m current, alpha = 8 is realized.
今後も従来と変わらないセルサイズ或いはチップサイズのトレンドを確保するためには、F<0.18μmでは、α<8、更にF<0.13μmでは、α<6を満たすことが要求され、微細加工と共に如何にセルサイズを小さい面積に形成するかが大きな課題になる。 To ensure the trend of cell size or chip size which is also not different from conventional future, the F <0.18μm, α <8, is in addition F <0.13 [mu] m, to meet the alpha <6 requests, fine or formed in a small area to how cell size with processing becomes a major issue. そのため、1トランジスタ/1キャパシタのメモリセルを6F 2や4F 2の大きさにする提案も種々なされている。 Therefore, have made various proposed that the memory cell of one transistor / one capacitor to the size of 6F 2 or 4F 2. しかし、トランジスタを縦型にしなければならないといった技術的困難や、隣接メモリセル間の電気的干渉が大きくなるといった問題、更に加工や膜生成等の製造技術上の困難があり、実用化は容易ではない。 However, and technical difficulties, such as must the transistor in a vertical, electrical interference increases such problems between adjacent memory cells, further there is difficulty in manufacturing techniques such as machining or film product, commercialized be easy Absent.
これに対して、キャパシタを用いず、1トランジスタをメモリセルとするDRAMの提案も、以下に挙げるようにいくつかなされている。 In contrast, without the capacitors, proposals DRAM to a transistor memory cell may have been made some as listed below.
▲1▼のメモリセルは、埋め込みチャネル構造のMOSトランジスタを用いて構成される。 ▲ 1 ▼ memory cell is constructed of a MOS transistor of a buried channel structure. 素子分離絶縁膜のテーパ部に形成される寄生トランジスタを利用して、表面反転層の充放電を行い、二値記憶を行う。 By utilizing the parasitic transistor formed in the tapered portion of the element isolation insulating film, it was charged and discharged in the surface inversion layer, performing binary storage.
▲2▼のメモリセルは、個々にウェル分離されたMOSトランジスタを用い、MOSトランジスタのウェル電位により決まるしきい値を二値データとする。 ▲ 2 ▼ the memory cell, a MOS transistor which is individually well isolation, a threshold determined by the well potential of the MOS transistor and the binary data.
▲3▼のメモリセルは、SOI基板上のMOSトランジスタにより構成される。 ▲ 3 ▼ memory cell is constituted by MOS transistors on SOI substrate. SOI基板の側から大きな負電圧を印加してシリコン層の酸化膜と界面部でのホール蓄積を利用し、このホールの放出、注入により二値記憶を行う。 By applying a large negative voltage from the side of the SOI substrate using a hole accumulation in the oxide film and the interface portion of the silicon layer, the release of the hole by injecting performs binary storage.
▲4▼のメモリセルは、SOI基板上のMOSトランジスタにより構成される。 ▲ 4 ▼ memory cell is constituted by MOS transistors on SOI substrate. MOSトランジスタは構造上一つであるが、ドレイン拡散層の表面に重ねて逆導電型層が形成され、実質的に書き込み用PMOSトランジスタと読み出し用NMOSトランジスタを一体に組み合わせた構造としている。 Although MOS transistors are one structural, formed opposite conductivity type layer stacked on the surface of the drain diffusion layer has a structure that combines together a substantially PMOS transistor and a reading NMOS transistor for writing. NMOSトランジスタの基板領域をフローティングのノードとして、その電位により二値データを記憶する。 The substrate region of the NMOS transistor as a node of a floating, storing binary data by its potential.
しかし、▲1▼は構造が複雑であり、寄生トランジスタを利用していることから、特性の制御性にも難点がある。 However, ▲ 1 ▼ is complicated structure, since it utilizes the parasitic transistor, there is a difficulty in controlling properties. ▲2▼は、構造は単純であるが、トランジスタのドレイン、ソース共に信号線に接続して電位制御する必要がある。 ▲ 2 ▼, the structure is a simple, the drain of the transistor, and connected to the signal line to the source both need to be potential control. また、ウェル分離であるため、セルサイズが大きく、しかもビット毎の書き換えができない。 Moreover, because it is well separated, large cell size, yet it can not be rewritten for each bit. ▲3▼では、SOI基板側からの電位制御を必要としており、従ってビット毎の書き換えができず、制御性に難点がある。 ▲ 3 In ▼, have required potential control from the SOI substrate side, thus can not be rewritten for each bit, there is a difficulty in controllability. ▲4▼は特殊トランジスタ構造を必要とし、またメモリセルには、ワード線、ライトビット線、リードビット線、パージ線を必要とするため、信号線数が多くなる。 ▲ 4 ▼ requires special transistor structure, also in the memory cell, a word line, write bit lines, read bit lines, requires a purge line, becomes large number of signal lines.
この発明は、単純なトランジスタ構造をメモリセルとして、少ない信号線でデータのダイナミック記憶を可能とした半導体メモリ装置を提供することを目的としている。 This invention aims at a simple transistor structure as a memory cell, to provide a semiconductor memory equipment which enables dynamic storage of data in fewer signal lines.
この発明に係る半導体メモリ装置は、メモリセルが、他のメモリセルから電気的に分離されたフローティングの半導体層に形成されたトランジスタにより構成される。 The semiconductor memory device according to the present invention, the memory cell is constituted by transistors which are formed on the floating semiconductor layer which is electrically isolated from other memory cells. トランジスタは、半導体層に互いに離隔して形成されたドレイン及びソース拡散層と、これらのドレイン及びソース拡散層の間の半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを有し、ゲート電極はワード線に、ドレイン拡散層はビット線に、ソース拡散層は固定電位線にそれぞれ接続される。 Transistor has a semiconductor layer spaced apart from each other and the drain and source diffusion layer formed, and a gate electrode formed through a gate insulating film on the semiconductor layer between these drain and source diffusion layers, the gate electrode is a word line, the drain diffusion layer to the bit line, the source diffusion layer is connected to the fixed potential line. トランジスタは、半導体層に過剰の多数キャリアが保持された第1のしきい値電圧を有する第1データ状態と、半導体層の過剰の多数キャリアが放出された第2のしきい値電圧を有する第2データ状態とをダイナミックに記憶する。 Transistors, first has a first data state having a first threshold voltage excessive majority carriers are retained in the semiconductor layer, a second threshold voltage excessive majority carriers are released in the semiconductor layer storing the second data state dynamically.
この発明において、より具体的には、第1データ状態は、トランジスタを動作させることによりドレイン接合近傍でインパクトイオン化を起こして、生成された過剰の多数キャリアを半導体層に保持することにより書き込まれ、第2データ状態は、半導体層とドレイン拡散層との間に順方向バイアスを与えて、半導体層の過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜くことにより書き込まれる。 In the present invention, more specifically, the first data state is written by causing impact ionization in the vicinity drain junction by operating the transistor, for holding the excessive majority carriers generated in the semiconductor layer, the second data state, giving a forward bias between the semiconductor layer and the drain diffusion layer, written by withdrawing the excessive majority carriers in the semiconductor layer to the drain diffusion layer.
この発明において、好ましくは、半導体層は、シリコン基板に絶縁膜を介して形成されたシリコン層である。 In the present invention, preferably, the semiconductor layer is a silicon layer formed on a silicon substrate through an insulating film. 更にこの場合、より好ましくは、シリコン層がp型であり、トランジスタがNチャネルMOSトランジスタであるものとする。 Further, in this case, more preferably, the silicon layer is p-type, it is assumed transistors are N-channel MOS transistor.
この発明による半導体メモリ装置では、データ書き込み時、固定電位線を基準電位として、選択ワード線に基準電位より高い第1の電位を与え、非選択ワード線に基準電位より低い第2の電位を与え、ビット線には第1及び第2データ状態に応じてそれぞれ基準電位より高い第3の電位及び基準電位より低い第4の電位を与える。 In the semiconductor memory device according to the present invention, when data is written, as a reference potential to the fixed potential line, giving the high first potential than the reference potential to the selected word line provides a second potential lower than the reference potential to the unselected word lines , the bit line provides a lower fourth potential higher than the reference potential each third potential and the reference potential in response to the first and second data states. これにより、ビット線から第1データが与えられた選択セルでは、トランジスタが5極管動作し、ドレイン接合近傍の半導体層内でインパクトイオン化が起こって、生成された過剰のホールが半導体層に注入保持される。 Thus, in a first selected cell data is given from the bit line, the transistor operates pentode, going impact ionization in the drain junction vicinity of the semiconductor layer, the excess holes generated is injected into the semiconductor layer It is held. また第2データが与えられた選択セルでは、ドレイン拡散層と半導体層の間が順バイアスとなり、半導体層の過剰ホールがドレイン拡散層に放出される。 In the selected cell in which the second data is given, between the drain diffusion layer and the semiconductor layer is forward biased, the excess holes in the semiconductor layer is emitted to the drain diffusion layer.
データ読み出しは、選択ワード線に第1のしきい値電圧と第2のしきい値電圧の間にある基準電位より高い電位を与え、選択されたメモリセルの導通又は非導通を検出する方式が用いられる。 Data reading is given a higher potential than the reference potential that is between the first threshold voltage and second threshold voltage to the selected word line, is a method of detecting the conduction or non-conduction of the selected memory cell used. 或いは、選択ワード線に第1及び第2のしきい値電圧より高く且つ基準電位より高い電位を与え、選択されたメモリセルの導通度を検出するようにしてもよい。 Alternatively, it is given a higher potential than the first and higher and the reference potential than the second threshold voltage to the selected word line may be to detect the conductivity of the selected memory cell.
この発明による半導体メモリ装置では、トランジスタは、最小加工寸法をFとして、2F×2Fのセルサイズでマトリクス配列されてメモリセルアレイが構成される。 In the semiconductor memory device according to the present invention, the transistor, the minimum feature size is F, the memory cell array is configured by a matrix arranged in cell size 2F × 2F.
この発明によると、一つのメモリセルは、フローティングの半導体層をバルク領域(チャネルボディ)として持つ単純な一つのトランジスタにより形成され、セルサイズを4F 2と小さくすることができる。 According to the invention, one memory cell is formed by a simple single transistor having a semiconductor layer of floating as the bulk region (channel body), it is possible to reduce the cell size and 4F 2. トランジスタのソースは固定電位線に接続され、また半導体層に対するバックゲートバイアス制御を行うことなく、ドレインに接続されたビット線とゲート電極に接続されたワード線の制御のみによって、読み出し,書き換え及びリフレッシュの制御が行われる。 The source of the transistor is connected to a fixed potential line, also without a back gate bias control for the semiconductor layer, only by the control of the drain to the bit line connected to a gate electrode connected to the word line, the read, rewrite and refresh control of is carried out. 即ち任意ビット単位でのデータ書き換えも可能である。 That data rewrite in any bits are possible.
また、この発明によるメモリセルは基本的に非破壊読み出しであるので、センスアンプをビット線毎に設ける必要がなく、言い換えれば、ワード線により同時に選択されるメモリセルの全てに対してセンスアンプを設ける必要がなく、従ってセンスアンプのレイアウトは容易になる。 Further, since the memory cell according to the present invention basically non-destructively read, there is no need to provide a sense amplifier for each bit line, in other words, the sense amplifier with respect to all the memory cells are simultaneously selected by the word line there is no need to provide, therefore the sense amplifier layout is facilitated. 更に、メモリセルは電流読み出しであるので、耐ノイズ性に優れており、オープンビット線方式を用いることもできる。 Furthermore, since the memory cell is the current reading, and good noise immunity, it can be used an open bit line system.
この発明によるメモリセルは、二値データであるしきい値電圧の高い状態と低い状態を、それらのしきい値電圧の差が大きい状態で記憶することが好ましい。 Memory cells according to the invention, a high state and a low threshold voltage state is binary data, it is preferably stored in a large difference state of their threshold voltage. またデータは、フローティングの半導体層の電荷蓄積状態として保持されるため、リーク電流ができる限り小さいことが望まれる。 The data is to be retained as a charge storage state of the floating semiconductor layer, it is desirable as small as possible leakage current. これらの要求を満たすための好ましい構造として、バルク領域となる半導体層は、ドレイン及びソース拡散層に接する第1の不純物添加領域と、ドレイン及びソース拡散層から離れてチャネル長方向の中央部に配置された第1の不純物添加領域より高不純物濃度の第2の不純物添加領域とを有するものとする。 Preferred structures for meeting these requirements, the semiconductor layer comprising a bulk region includes a first impurity doped region in contact with the drain and source diffusion layers, arranged in the central portion of the channel length direction away from the drain and source diffusion layers It shall have a second impurity doped region having a high impurity concentration than the first impurity doped region that is.
更に好ましくは、ドレイン及びソース拡散層のうち少なくともドレイン拡散層が、第1の不純物添加領域に接してpn接合を構成する第3の不純物添加領域と、第1の不純物添加領域から離れた位置に形成された前記第3の不純物添加領域より高不純物濃度の第4の不純物添加領域とを有する構造とする。 More preferably, at least the drain diffusion layer of the drain and source diffusion layers, and a third impurity doped region to form a pn junction in contact with the first impurity doped region, located away from the first impurity doped region and formed of the third impurity doped region of which a structure and a fourth doped region of high impurity concentration.
図1はこの発明によるDRAMの単位メモリセルの断面構造を示し、図2はその等価回路を示している。 Figure 1 shows a cross-sectional structure of a unit memory cell of a DRAM according to the present invention. FIG. 2 shows an equivalent circuit thereof. メモリセルMCは、SOI構造のNチャネルMOSトランジスタにより構成されている。 Memory cell MC is constituted by N-channel MOS transistor of the SOI structure. 即ち、シリコン基板10上に絶縁膜としてシリコン酸化膜11が形成され、このシリコン酸化膜11上にp型シリコン層12が形成されたSOI基板が用いられている。 That is, the silicon oxide film 11 is formed as an insulating film on a silicon substrate 10, SOI substrate p-type silicon layer 12 is formed on the silicon oxide film 11 is used. この基板のシリコン層12上に、ゲート酸化膜16を介してゲート電極13が形成され、ゲート電極13に自己整合されてn型ソース、ドレイン拡散層14,15が形成されている。 On the silicon layer 12 of the substrate, the gate electrode 13 is formed via a gate oxide film 16, a self-aligned n-type source, drain diffusion layers 14 and 15 are formed on the gate electrode 13.
ソース、ドレイン拡散層14,15は、底部のシリコン酸化膜11に達する深さに形成されている。 Source, drain diffusion layers 14 and 15 are formed to a depth reaching the silicon oxide film 11 at the bottom. 従って、p型シリコン層12からなるバルク領域は、チャネル幅方向(図の紙面に直交する方向)の分離を酸化膜で行うとすれば、底面及びチャネル幅方向の側面が他から絶縁分離され、チャネル長方向はpn接合分離されたフローティング状態になる。 Therefore, the bulk region of p-type silicon layer 12, if the separation of the channel width direction (direction perpendicular to the plane of the drawing) in the oxide film, the side surface of the bottom and the channel width direction is insulated and isolated from the other, channel length direction is in a floating state of being pn junction isolation.
このメモリセルMCをマトリクス配列する場合、ゲート電極13はワード線WLに接続され、ソース拡散層15は固定電位線(接地電位線)に接続され、ドレイン拡散層14はビット線BLに接続される。 If you matrix array of memory cell MC, and the gate electrode 13 is connected to the word line WL, a source diffusion layer 15 is connected to a fixed potential line (ground potential line), the drain diffusion layer 14 is connected to a bit line BL .
図3は、メモリセルアレイのレイアウトを示し、図4(a),(b)はそれぞれ図3のA−A',B−B'断面を示している。 Figure 3 shows a layout of a memory cell array, FIG. 4 (a), shows the (b) is A-A, respectively, of FIG 3 ', B-B' cross section. p型シリコン層12は、シリコン酸化膜21の埋め込みにより、格子状にパターン形成される。 p-type silicon layer 12, the buried silicon oxide film 21 is patterned in a lattice. 即ちドレインを共有する二つのトランジスタの領域がワード線WL方向にシリコン酸化膜21により素子分離されて配列される。 That region of the two transistors sharing a drain are arranged is isolated by a silicon oxide film 21 on the word line WL direction. 或いはシリコン酸化膜21の埋め込みに代わって、シリコン層12をエッチングすることにより、横方向の素子分離を行っても良い。 Or on behalf buried silicon oxide film 21 by etching the silicon layer 12 may be performed isolation of the lateral. ゲート電極13は一方向に連続的に形成されて、これがワード線WLとなる。 The gate electrode 13 is formed continuously in one direction, which is the word line WL. ソース拡散層15は、ワード線WL方向に連続的に形成されて、これが固定電位線(共通ソース線)となる。 The source diffusion layer 15 is continuously formed in the word line WL direction and this is the fixed potential line (common source line). トランジスタ上は層間絶縁膜23で覆われこの上にビット線BLが形成される。 Transistor on the bit line BL is formed on the covered with an interlayer insulating film 23. ビット線BLは、二つのトランジスタで共有するドレイン拡散層14にコンタクトして、ワード線WLと交差するように配設される。 The bit line BL is in contact with the drain diffusion layer 14 to be shared by two transistors, it is arranged so as to intersect the word lines WL.
これにより、各トランジスタのバルク領域(チャネルボディ)であるシリコン層12は、底面及びチャネル幅方向の側面が酸化膜により互いに分離され、チャネル長方向にはpn接合により互いに分離されてフローティング状態に保たれる。 Thus, silicon layer 12 is a bulk region of each transistor (channel body) are separated from each other by the bottom surface and the channel width direction of the side surface oxide film, the coercive floated in the channel length direction are separated from each other by a pn junction dripping.
そしてこのメモリセルアレイ構成では、ワード線WLおよびビット線BLを最小加工寸法Fのピッチで形成したとして、単位セル面積は、図3に破線で示したように、2F×2F=4F 2となる。 And in this memory cell array configuration, as to form a word line WL and bit line BL at a pitch of a minimum feature size F, a unit cell area, as indicated by a broken line in FIG. 3, a 2F × 2F = 4F 2.
このNMOSトランジスタからなるDRAMセルの動作原理は、MOSトランジスタのバルク領域(他から絶縁分離されたp型シリコン層12)の多数キャリアであるホールの蓄積を利用する。 The operation principle of the DRAM cell including the NMOS transistor utilizes the accumulation of holes which are majority carriers in the bulk region of the MOS transistor (p-type silicon layer 12 which is insulated and isolated from the other). 即ち、MOSトランジスタを5極管領域で動作させることにより、ドレイン拡散層14から大きな電流を流し、ドレイン拡散層14の近傍でインパクトイオン化を起こす。 That is, by operating the MOS transistor in the pentode region, a large current flows from the drain diffusion layer 14, causing impact ionization in the vicinity of the drain diffusion layer 14. このインパクトイオン化により生成される過剰の多数キャリアであるホールをp型シリコン層12に保持させ、そのホール蓄積状態(熱平衡状態より電位が高い状態)を例えばデータ"1"とする。 The hole is in excess of majority carriers generated by the impact ionization are held in the p-type silicon layer 12, and the hole accumulation state (thermal equilibrium state than the potential is high), for example, data "1". ドレイン拡散層14とp型シリコン層12の間のpn接合を順方向バイアスして、p型シリコン層12の過剰ホールをドレイン側に放出した状態をデータ"0"とする。 A pn junction between the drain diffusion layer 14 and the p-type silicon layer 12 is forward biased, the state of releasing excess holes in the p-type silicon layer 12 on the drain side and the data "0".
データ"0","1"は、バルク領域の電位の差であり、MOSトランジスタのしきい値電圧の差として記憶される。 Data "0", "1" is the difference in potential of the bulk region, it is stored as a difference in threshold voltage of the MOS transistor. 即ち、ホール蓄積によりバルク領域の電位が高いデータ"1"状態のしきい値電圧Vth1は、データ"0"状態のしきい値電圧Vth0より低い。 That is, the threshold voltage Vth1 of the potential of the bulk region is higher data "1" state by the hole accumulation, the data "0" state is lower than the threshold voltage Vth0 of. バルク領域に多数キャリアであるホールを蓄積した"1"データ状態を保持するためには、ワード線には負のバイアス電圧を印加することが必要になる。 To hold the "1" data state accumulated holes are majority carriers in the bulk region, it is necessary to apply a negative bias voltage to the word line. このデータ保持状態は、逆データの書き込み動作(消去)を行わない限り、読み出し動作を行っても変わない。 This data holding state, unless it is of the opposite data write operation (erase), no Kawa be performed read operations. 即ち、キャパシタの電荷蓄積を利用する1トランジスタ/1キャパシタのDRAMと異なり、非破壊読み出しが可能である。 That is, unlike the DRAM of one transistor / one capacitor using charge accumulation of the capacitor, it is possible to non-destructive readout.
データ読み出しの方式には、いくつか考えられる。 The method of data reading, is considered some. ワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係は、データ"0","1"と関係で図5のようになる。 Relationship of the word line potential Vwl and bulk potential VB, the data "0" is as shown in FIG 5 in relation to "1". 従ってデータ読み出しの第1の方法は、選択されたワード線WLにデータ"0","1"のしきい値電圧Vth0,Vth1の中間になる読み出し電位を与えて、"0"データのメモリセルでは電流が流れず、"1"データのメモリセルでは電流が流れることを利用する。 The first method of data reading therefore, data "0" to the selected word line WL, and by applying a threshold voltage Vth0, it reads potential to become intermediate Vth1 of "1", "0" memory cell of the data in no current flows, in the memory cell for "1" data utilizing current to flow. 具体的には例えば、ビット線BLを所定の電位VBLにプリチャージして、その後ワード線WLを駆動する。 Specifically, for example, by precharging the bit lines BL to a predetermined potential VBL, and thereafter drives the word line WL. これにより、図6に示すように、"0"データの場合、ビット線プリチャージ電位VBLの変化がなく、"1"データの場合はプリチャージ電位VBLが低下する。 Thus, as shown in FIG. 6, "0" data, there is no change in the bit line precharge potential VBL, "1" if the data is the precharge potential VBL lowers.
第2の読み出し方式は、選択されたワード線WLを立ち上げてから、ビット線BLに電流を供給して、"0","1"の導通度に応じてビット線電位の上昇速度が異なることを利用する。 Second read method, after driving the selected word line WL, and by supplying a current to the bit line BL, "0", the rising speed of the bit line potential is different depending on the conductivity of "1" It makes use of the fact. 簡単には、ビット線BLを0Vにプリチャージし、図7に示すようにワード線WLを、"0"データのしきい値電圧よりも高い電位まで立ち上げて、ビット線電流を供給する。 Briefly, to precharge the bit line BL to 0V, and the word line WL as shown in FIG. 7, the raised to a higher potential than the threshold voltage of the "0" data, and supplies the bit line current. このとき、ビット線の電位上昇の差をダミーセルを利用して検出することにより、データ判別が可能となる。 At this time, by detecting the difference in potential increase of the bit line by using a dummy cell, thereby enabling data determination.
第3の読み出し方式は、ビット線BLを所定の電位にクランプしたときの、"0","1"で異なるビット線電流の差を読む方式である。 Third read method, when clamping the bit lines BL to a predetermined potential, "0" is a method of reading a difference in different bit line current at "1". 即ち、選択されたワード線を、"0"データのしきい値電圧よりも高い電位まで立ち上げた後、クランプ回路を介してビット線に電流を供給する。 That is, a selected word line, "0" after launching to a higher potential than the threshold voltage of the data, and supplies a current to the bit line via a clamp circuit. ビット線BLの電位がクランプしたときの、"0","1"で異なるビット線電流の差を検出することで、データが判定できる。 When the potential of the bit line BL is clamped, "0", "1" difference different bit line current by detecting, the data can be determined. 電流差を読み出すには、電流−電圧変換回路が必要であるが、最終的には電位差を差動増幅して、センス出力を出す。 To read the current difference, the current - the voltage conversion circuit is required, the potential difference eventually to differential amplifier, it gives a sense output.
この発明において、選択的に"0"データを書き込むためには、即ちメモリセルアレイのなかで選択されたワード線WLとビット線BLの電位により選択されたメモリセルのバルク領域のみから過剰ホールを放出させるには、ワード線WLとバルク領域の間の容量結合が本質的になる。 In the present invention, selectively "0" in order to write data, i.e. release the excess holes only from the bulk region of the selected memory cell by the potential of the selected word line WL and bit line BL among the memory cell array to the capacitive coupling between the word line WL and the bulk region consists essentially of. その詳細検討は後述するが、データ"1"でバルク領域にホールが蓄積された状態は、ワード線を十分負方向にバイアスして、メモリセルのゲート・基板間容量が、ゲート酸化膜容量となる状態(即ち表面に空乏層が形成されていない状態)で保持することが必要である。 Its detailed study will be described later, a state in which the data "1" a hole in the bulk region is accumulated, by biasing the word line sufficiently negative direction, the gate-substrate capacitance of the memory cell, the gate oxide film capacitance it is necessary to hold a state (i.e. a state in which no depletion layer is formed on the surface) made.
また、書き込み動作は、"0","1"共に、パルス書き込みとして消費電力を減らすことが好ましい。 The write operation is "0", "1" together, it is preferable to reduce the power consumption as a pulse writing. "0"書き込み時、選択トランジスタのバルク領域からドレインにホール電流が、ドレインからバルク領域に電子電流が流れるが、バルク領域にホールが注入されることはない。 "0" when writing, the hole current from the bulk region to the drain of the selection transistor, the electron current flows in the bulk region of the drain, there is no possibility that the hole in the bulk region are injected.
より具体的な動作波形を説明する。 Describe more specific actions waveforms. 図8〜図11は、選択セルによるビット線の放電の有無によりデータ判別を行う第1の読み出し方式を用いた場合のリード/リフレッシュ及びリード/ライトの動作波形である。 8 to 11 are operation waveforms of read / refresh and read / write in the case of using the first read method of performing data discriminated by the presence or absence of discharge of the bit line due to the selected cell.
図8及び図9は、それぞれ"1"データ及び"0"データのリード/リフレッシュ動作である。 8 and 9 are "1" are the data and the "0" data read / refresh operations. 時刻t1までは、データ保持状態(非選択状態)であり、ワード線WLには負電位が与えられている。 Until the time t1 is a data holding state (non-selected state), the word line WL is given a negative potential. 時刻t1でワード線WLを正の所定電位に立ち上げる。 At time t1 raising the word line WL to a predetermined positive potential. このときワード線電位は、"0","1"データのしきい値Vth0,Vth1の間に設定する。 At this time the word line potential is "0", set between the "1" data threshold Vth0, Vth1. これにより、"1"データの場合、予めプリチャージされていたビット線VBLは放電により低電位になる。 Thus, "1" data, pre-bit lines VBL which has been precharged to a low potential by discharge. "0"データの場合はビット線電位VBLは保持される。 "0" bit line potential VBL For data is retained. これにより"1","0"データが判別される。 Thus "1", "0" data is determined.
そして、時刻t2で、ワード線WLの電位を更に高くし、同時に読み出しデータが"1"の場合には、ビット線BLに正電位を与え(図8)、読み出しデータが"0"の場合はビット線BLに負電位を与える(図9)。 Then, at time t2, the further high potential of the word line WL, and if the read data is "1" at the same time, a positive potential applied to the bit line BL (Fig. 8), if the read data is "0" providing a negative potential to the bit line BL (Fig. 9). これにより、選択メモリセルが"1"データの場合、5極管動作により大きなチャネル電流が流れてインパクトイオン化が起こり、バルク領域に過剰のホールが注入保持されて再度"1"データが書き込まれる。 Thus, if the selected memory cell is "1" data, occurs impact ionization large channel current flows by a pentode operation, again excessive holes are injected retained in the bulk region "1" data is written. "0"データの場合には、ドレイン接合が順方向バイアスになり、バルク領域に過剰ホールが保持されていない"0"データが再度書き込まれる。 "0" when the data, the drain junction is forward biased, the excess holes in the bulk region is not retained "0" data is written again.
そして、時刻t3でワード線WLを負方向にバイアスして、リード/リフレッシュ動作を終了する。 Then, biasing the word lines WL in the negative direction at time t3, and ends the read / refresh operations. "1"データ読み出しを行ったメモリセルと同じビット線BLにつながる他の非選択メモリセルでは、ワード線WLが負電位、従ってバルク領域が負電位に保持されて、インパクトイオン化は起こらない。 "1" in the other non-selected memory cells connected to the same bit line BL as the memory cell subjected to data reading, a negative potential the word line WL, hence the bulk region is held at a negative potential, does not occur impact ionization. "0"データ読み出しを行ったメモリセルと同じビット線BLにつながる他の非選択メモリセルでは、やはりワード線WLが負電位に保持されて、ホール放出は起こらない。 "0" in the other non-selected memory cells connected to the same bit line BL as the memory cell subjected to data reading, is also held to the word line WL is a negative potential, holes emission does not occur.
図10及び図11は、同じ読み出し方式によるそれぞれ"1"データ及び"0"データのリード/ライト動作である。 10 and 11 are respectively "1" data and the "0" data read / write operations by the same read method. 図10及び図11での時刻t1での読み出し動作はそれぞれ、図8及び図9と同様である。 Read operation at time t1 in FIG. 10 and 11, respectively, is similar to FIGS. 読み出し後、時刻t2でワード線WLを更に高電位とし、同じ選択セルに"0"データを書き込む場合には同時に、ビット線BLに負電位を与え(図10)、"1"データを書き込む場合にはビット線BLに正電位を与える(図11)。 After reading, further a high potential of the word line WL at time t2, at the same time when writing "0" data in the same selected cell, giving a negative potential to the bit line BL (Fig. 10), "1" when data is written to give a positive potential to the bit line BL (Fig. 11). これにより、"0"データが与えられたセルでは、ドレイン接合が順方向バイアスになり、バルク領域のホールが放出される。 Thus, the "0" cell data is given, the drain junction is forward biased, holes in the bulk region are emitted. "1"データが与えられたセルでは、ドレイン近傍でインパクトイオン化が起こり、バルク領域に過剰ホールが注入保持される。 "1" in cells in which data is given, occurs impact ionization near the drain, excessive holes are injected retained in the bulk region.
図12〜図15は、ビット線BLを0Vにプリチャージし、ワード線選択後にビット線BLに電流を供給して、ビット線BLの電位上昇速度によりデータ判別を行う第2の読み出し方式を用いた場合のリード/リフレッシュ及びリード/ライトの動作波形である。 12 to 15, use pre-charging the bit line BL to 0V, and supplies current after the word line selected by the bit line BL, the potential rise speed of the bit line BL and the second read method of performing data discrimination an operation waveform of the read / refresh and read / write when had.
図12及び図13は、それぞれ"1"データ及び"0"データのリード/リフレッシュ動作である。 12 and 13 are respectively "1" data and the "0" data read / refresh operations. 負電位に保持されていたワード線WLを、時刻t1で正電位に立ち上げる。 The word line WL is held at a negative potential at time t1 raises to a positive potential. このときワード線電位は、図7に示したように、"0","1"データのしきい値Vth0,Vth1のいずれよりも高い値に設定する。 Word line potential at this time, as shown in FIG. 7, "0", "1" is set to a value higher than any of the threshold Vth0, Vth1 of the data. 或いは、ワード線電位を、第1の読み出し方式と同様に、"0","1"データのしきい値Vth0,Vth1の間に設定してもよい。 Alternatively, the word line potential, as in the first read method, "0" may be set between "1" data threshold Vth0, Vth1. そして、時刻t2でビット線に電流を供給する。 Then, supplies current to the bit lines at time t2. これにより、"1"データの場合、メモリセルが深くオンしてビット線BLの電位上昇は小さく(図12)、"0"データの場合メモリセルの電流が小さく(或いは電流が流れず)、ビット線電位は急速に上昇する。 Thus, "1" data, the potential rise of the bit line BL a memory cell is turned on deeply reduced (FIG. 12), "0" when the data current of the memory cell is small (or no current flows), bit line potential rises rapidly. これにより"1","0"データが判別される。 Thus "1", "0" data is determined.
そして、時刻t3で、読み出しデータが"1"の場合には、ビット線BLに正の電位を与え(図12)、読み出しデータが"0"の場合はビット線BLに負の電位を与える(図13)。 Then, at time t3, when the read data is "1" gives a positive potential to the bit line BL (Fig. 12), the read data will give a negative potential to the bit line BL in the case of "0" ( Figure 13). これにより、選択メモリセルが"1"データの場合、ドレイン電流が流れてインパクトイオン化が起こり、バルク領域に過剰ホールが注入保持されて再度"1"データが書き込まれる。 Thus, if the selected memory cell is "1" data, occurs impact ionization drain current flows, again over holes are injected retained in the bulk region "1" data is written. "0"データの場合には、ドレイン接合が順方向バイアスになり、バルク領域に過剰ホールのない"0"データが再度書き込まれる。 "0" when the data, the drain junction is forward biased, no excess holes in the bulk region "0" data is written again.
時刻t4でワード線WLを負方向にバイアスして、リード/リフレッシュ動作を終了する。 And biasing the word lines WL in the negative direction at the time t4, and ends the read / refresh operations.
図14及び図15は、同じ読み出し方式によるそれぞれ"1"データ及び"0"データのリード/ライト動作である。 14 and 15 are respectively "1" data and the "0" data read / write operations by the same read method. 図14及び図15での時刻t1及びt2での読み出し動作はそれぞれ、図12及び図13と同様である。 Read operation at time t1 and t2 in FIG. 14 and FIG. 15 respectively, it is similar to that of FIG. 12 and FIG. 13. 読み出し後、同じ選択セルに"0"データを書き込む場合には、ビット線BLに負電位を与え(図14)、"1"データを書き込む場合にはビット線BLに正電位を与える(図15)。 After reading, the case of writing "0" data in the same selected cell, giving a negative potential to the bit line BL (Fig. 14), "1" gives a positive potential to the bit line BL in order to write data (FIG. 15 ). これにより、"0"データが与えられたセルでは、ドレイン接合が順方向バイアスになり、バルク領域の過剰ホールが放出される。 Thus, the "0" cell data is given, the drain junction is forward biased, the excess holes in the bulk region are emitted. "1"データが与えられたセルでは、大きなドレイン電流が流れてドレイン近傍でインパクトイオン化が起こり、バルク領域に過剰ホールが注入保持される。 "1" in cells in which data is given, occurs impact ionization near the drain by a large drain current flows, excessive holes are injected retained in the bulk region.
以上のようにこの発明によるDRAMセルは、他から電気的に分離されたフローティングのバルク領域を持つ単純なMOSトランジスタにより構成され、4F 2のセルサイズが実現可能である。 DRAM cell according to the invention as described above, is constituted by a simple MOS transistor having the electrically isolated floating bulk regions from the other, the cell size of 4F 2 can be realized. また、フローティングのバルク領域の電位制御は、ゲート電極からの容量結合を利用しており、例えばSOI基板裏面からのバックゲート制御は利用していない。 Further, the potential control of the bulk region of the floating utilizes the capacitive coupling from the gate electrode, for example, the back gate control from SOI substrate back surface is not utilized. ソース拡散層も固定電位である。 The source diffusion layer is also fixed potential. 即ち、読み出し/書き込みの制御は、ワード線WLとビット線BLのみで行われ、簡単である。 That is, the read / control the writing is performed only by the word line WL and bit line BL, and is simple. 更にメモリセルは基本的に非破壊読み出しであるので、センスアンプをビット線毎に設ける必要がなく、センスアンプのレイアウトは容易になる。 Further, since the memory cell basically non-destructively read, there is no need to provide a sense amplifier for each bit line, a sense amplifier layout is facilitated. 更に電流読み出し方式であるので、ノイズにも強く、例えばオープンビット線方式でも読み出しが可能である。 In addition, since there is a current read method, resistant to noise, it is possible for example read in an open bit line system. また、メモリセルの製造プロセスも簡単である。 The manufacturing process of the memory cell is simple.
また、SOI構造は、今後のロジックLSIの性能向上を考えたときに重要な技術となる。 Further, SOI structure is an important technique when considering the performance improvement of future logic LSI. この発明によるDRAMは、この様なSOI構造のロジックLSIとの混載を行う場合にも非常に有望である。 DRAM according to the invention are very promising in the case of performing mixed with logic LSI of such SOI structure. キャパシタを用いる従来のDRAMと異なり、ロジックLSIのプロセスと異なるプロセスを必要とせず、製造工程が簡単になるからである。 Unlike conventional DRAM using a capacitor, without requiring different processes and logic LSI process, because the manufacturing process is simplified.
更に、この発明によるSOI構造のDRAMは、従来の1トランジスタ/1キャパシタ型のDRAMをSOI構造とした場合に比べて、優れた記憶保持特性が得られるという利点がある。 Further, the DRAM of SOI structure according to the invention, the conventional one-transistor / one-capacitor type DRAM as compared to the case of the SOI structure has an advantage of excellent memory retention characteristics. 即ち従来の1トランジスタ/1キャパシタ型のDRAMをSOI構造とすると、フローティングの半導体バルクにホールが蓄積されてトランジスタのしきい値が下がり、トランジスタのサブスレッショルド電流が増加する。 That is, the conventional one-transistor / one-capacitor type DRAM with SOI structure, are holes accumulated in the floating semiconductor bulk lower the threshold value of the transistor, the subthreshold current of the transistor increases. これは記憶保持特性を劣化させる。 This deteriorates the memory retention characteristics. これに対してこの発明による1トランジスタのみのメモリセルでは、記憶電荷を減少させるトランジスタパスは存在せず、データ保持特性は純粋にpn接合のリークのみで決まり、サブスレッショルドリークという問題がなくなる。 In contrast the memory cells of only one transistor according to the present invention, transistor pass to reduce the storage charge is absent, the data retention characteristics are determined only by the leakage of purely pn junction, it eliminates a problem that the sub-threshold leakage.
実際にこの発明によるメモリセルが実用に耐え得るかどうかは、以下に挙げるような判断基準により判断される。 Actually whether the memory cell according to the invention can withstand practical use is determined by criteria such as listed below.
(a)バルク領域のホールの保持特性が十分か否か(10sec程度の保持時間が得られるか否か)。 (A) whether enough or retention characteristics of the Hall bulk region (whether retention time of about 10sec is obtained).
(b)十分な"1"書き込みの速度が得られるか否か(書き込み速度10nsecが可能か、書き込み時に20nA程度以上のバルク電流が得られるか否か)。 (B) sufficient "1" whether the writing speed can be obtained (or writing speed 10nsec can, whether 20nA about more bulk current is obtained at the time of writing).
(c)"0"書き込みの選択性が十分か("0"データと"1"データのバルク電位の差ΔVB=1V程度が得られるか否か)。 (C) "0" (whether "0" data and "1" difference .DELTA.VB = approximately 1V bulk potential of the data is obtained) write selectivity or sufficient.
(d)ゲートとバルク領域との間の容量がpn接合容量に比べて十分大きくとれるか、また"1"データのしきい値を大きくとれるか。 (D) or the capacitance between the gate and the bulk region can be taken sufficiently large in comparison with the pn junction capacitance, also "1" or the threshold data can be made large.
以下にこれらの判断基準の検証を行う。 Carry out the verification of these criteria below.
1G個のメモリセルを持つDRAMのメモリセルの記憶保持時間の平均値をRT=10secと考える。 The average value of the retention time of the memory cell of a DRAM having a 1G memory cells considered RT = 10 sec. 0.1μmルールでメモリセルのゲート酸化膜厚をtox=2.5nmとすると、ゲート酸化膜容量は、14fF/cm 2であるので、ゲート面積を0.01μm 2として、ゲート酸化膜容量Coxは、Cox=0.14fFとなる。 When the gate oxide film thickness of the memory cell and tox = 2.5 nm at 0.1μm rule, the gate oxide film capacitance, because it is 14fF / cm 2, the gate area as a 0.01 [mu] m 2, the gate oxide film capacitance Cox is , the Cox = 0.14fF. 後に説明するpn接合容量Cj=0.08fFを含めると、全容量はCtotal=0.22fFとなる。 Including a pn junction capacitance Cj = 0.08fF to be described later, the total volume will be a Ctotal = 0.22fF.
このゲート容量に電荷を蓄積した場合、記憶保持時間RT=10secの間に、ΔV=0.1Vの電位変化をさせるセル当たりのリーク電流Ileak/nodeは、下記数1となる。 If charges are accumulated in the gate capacitance, during the retention time RT = 10 sec, the leakage current Ileak / node per cell to the potential change of the [Delta] V = 0.1 V is a formula 1 below.
SOI基板上のシリコン層の厚みを100nmとして、pn接合面積は、0.1μm×0.1μm×2=0.02μm 2であるので、単位面積当たりのリーク電流Ileak/areaを求めると、下記数2となる。 The thickness of the silicon layer on the SOI substrate as 100 nm, pn junction area, since it is 0.1μm × 0.1μm × 2 = 0.02μm 2 , when determining the leak current Ileak / area per unit area, the number of the following 2 become.
SOI基板上のpn接合の2V程度の逆バイアス時のリーク電流がこの程度以下であれば、平均セルの記憶保持時間RT=10secが保証されることになり、1トランジスタ/1キャパシタのDRAMと同程度の記憶保持特性が得られることになる。 If leakage current when a reverse bias of about 2V of the pn junction on the SOI substrate is less than this degree, will be retention time RT = 10 sec of average cell is ensured, the a DRAM of one transistor / one capacitor the degree of memory retention characteristics will be obtained. ちなみに、これまでのところ、SOI基板上のpn接合のリーク電流として、1〜3×10 -17 A/μm(ワード線方向1μm当たり)という値が報告されている(1995Symp.VSLI Tech.,p.141)。 Incidentally, so far, as the leakage current of pn junction on the SOI substrate, a value of 1~3 × 10 -17 A / μm (word line direction 1μm per) have been reported (1995Symp.VSLI Tech., P .141). これからも、上の記憶保持特性が十分実現可能と思われる。 Going forward, memory retention characteristics of the above seems sufficient feasible.
書き込み時間は、セルノード(ゲート)の容量とバルク電流Isubで決まる。 The write time is determined by the capacitance and bulk current Isub cell node (gate). ゲート容量は上述のように、Ctotal=0.22fFとする。 Gate capacitance as described above, and Ctotal = 0.22fF. 書き込み時間の仕様をtwr=10nsecとして、この時間内にバルク領域にΔV=1Vの電圧を書き込むのに必要なバルク電流は、下記数3となる。 The specifications of the write time as twr = 10 nsec, the bulk current required to write the voltage of the [Delta] V = 1V for bulk region within this time, the following equation 3.
セルトランジスタのチャネルを流れるドレイン電流Idsが10μAとして、上のバルク電流Isubはその約2/1000である。 As the drain current Ids flowing through the channel of the cell transistor 10 .mu.A, bulk current Isub above its approximately 2/1000. ドレイン・ソース間電圧Vds=2V程度を与えれてインパクトイオン化を起こさせれば、必要なバルク電流を流すことができる。 If ask cause impact ionization are given a voltage Vds = about 2V between the drain and source can flow required bulk current.
メモリセルのC−Vカーブ(ゲート・バルク間の電圧Vgbと容量Cgbの関係)は、図16のようになる。 C-V curve of the memory cell (the relation of the voltage Vgb and capacity Cgb between the gate and the bulk) is as shown in Figure 16. バルク領域のアクセプタ濃度をNA=10 18 /cm 3として、フラットバンド電圧はVFB=−1.2Vである。 The acceptor concentration in the bulk region as NA = 10 18 / cm 3, the flat-band voltage is VFB = -1.2 V. ワード線電圧Vwl=1Vで"1"書き込みを行ったとし(バルク電位VB=0.6V)、書き込み後、ワード線電位を下げていくと、最初はチャネル反転層によりシールドされているため、容量Cgbはゼロである。 And "1" has been written in the word line voltage Vwl = 1V (bulk potential VB = 0.6V), after writing the gradually lowering the word line potential, because the first is shielded by the channel inversion layer, the capacitance Cgb is zero. また"1"セルのしきい値をVth1=0Vと仮定すれば、ワード線電位を0Vまで下げてもバルク電位VBは変化せず、容量Cgbが顕在化するのは、ワード線電位がしきい値電圧Vth1即ち、Vwl=0Vの点である。 The "1" Assuming the threshold value of the cell as Vth1 = 0V, bulk potential VB is not changed even by lowering the word line potential to 0V, the capacitance Cgb that manifest the word line potential threshold That value voltage Vth1, is a point of Vwl = 0V. このとき、ゲート・バルク間電圧はVgb=−0.6Vである。 At this time, the gate-bulk voltage is Vgb = -0.6 V.
また、pn接合の単位面積当たりの容量は、NA=10 18 /cm 3で、ドレイン電圧Vd=0Vの場合、4fF/μm 2である。 The capacitance per unit area of the pn junction, at NA = 10 18 / cm 3, when the drain voltage Vd = 0V, a 4 fF / [mu] m 2. 接合面積が0.1μm×0.1μm×2=0.02μm 2の場合、pn接合の容量は、Cj=0.08fFとなる。 If the bonding area is 0.1μm × 0.1μm × 2 = 0.02μm 2 , the capacity of the pn junction becomes Cj = 0.08fF. 図16において、Vgb=−0.5VでのCgb/Coxを0.8とすると、Cox=0.14fFの場合、ゲート電圧のバルク領域に対する容量結合比λは、下記数4となる。 16, when a 0.8 Cgb / Cox in Vgb = -0.5 V, when the Cox = 0.14fF, the capacitive coupling ratio λ for the bulk region of the gate voltage, the following equation 4.
従って、ワード線電位が下がってきて、ゲートとバルク間の容量Cgbが見え始めたときの、ワード線の電位変化に対するバルク領域の電位変化の比は、60%程度である。 Therefore, coming down the word line potential, when the capacitance Cgb between the gate and the bulk began visible, the ratio of change in potential of the bulk region with respect to the potential change of the word line is about 60%. 更にワード線電位を下げると、バルク電位も下がるが、Vgbは−0.5Vよりも負側に大きくなっていく。 Further lowering the word line potential, also decreases bulk potential but, Vgb is gradually increased on the negative side than -0.5 V. これに伴って、容量Cgbは大きくなり、容量結合によってバルク電位を下げることができる。 Accordingly, the capacitance Cgb increases, it is possible to lower the bulk potential by capacitive coupling. 最終的に、図16に示すようにワード線電位Vwl=−1.3Vまで下げたとして、平均の容量結合比λを0.6とすると、バルク領域は、最初の0.6Vから、ΔVB=1.3V×0.6=0.78Vだけ下がり、−0.18Vになる。 Finally, as was lowered to the word line potential Vwl = -1.3 V as shown in FIG. 16, when the average of the capacitive coupling ratio λ is 0.6, the bulk region, the first 0.6V, .DELTA.VB = falling only 1.3V × 0.6 = 0.78V, become -0.18V. このとき、Vgb=−1.12Vである。 At this time, it is Vgb = -1.12V.
即ち、過剰ホール注入によりバルク電位がVB=0.6Vとなる"1"データ書き込みを行った後、ワード線電位をVwl=−1.3Vとしてデータ保持するとき、容量結合によりバルク電位は−0.18Vを保持する。 That is, after the bulk potential by excess hole injection is performed "1" data write becomes VB = 0.6V, when the data hold word line potential as Vwl = -1.3 V, the bulk potential by capacitive coupling -0 to hold the .18V. この状態で、ある選択セルについてビット線電位を負電位に下げて"0"書き込みを行ってバルク電位を下げる場合、バルク電位が−0.18V以下になる条件では、ワード線電位が−1.3Vの非選択セルにおいてもバルクのホールがドレインに流れて、データが破壊される。 In this state, if the lower the bulk potential performs "0" is written to lower the bit line potential for a selected cell at a negative potential, under the condition that the bulk potential is below -0.18V, the word line potential is -1. flowing the bulk of the hole drain even in the non-selected cells of 3V, the data is destroyed. 従ってデータ破壊を起こさないための"0"データ書き込み時のバルク電位の最小値は−0.18Vということになる。 Therefore the minimum value of "0" bulk potential at the time of data writing to not cause data corruption will be referred to -0.18V. "1"データの書き込み電圧の最大値は、ビルトイン電圧0.6Vであるので、信号量の最大値は、0.6V−(−0.18V)=0.78Vとなる。 "1" maximum value of the write voltage data, because it is built-in voltage 0.6V, the maximum value of the signal amount is 0.6V - a - (0.18V) = 0.78V. 従って、上述のΔVBそのものが"0"データと"1"データの信号量差(バルク電位の差)となる。 Therefore, ΔVB itself is "0" data and "1" signal amount difference data described above (the difference between the bulk potential).
を確認することが必要である。 It is necessary to confirm.
このときの繰り返し回数の最大値Nmaxは、あるリフレッシュと次のリフレッの間(例えば128msec)に、同一セルについて読み出し動作(100nsec)を連続させた場合に相当するので、Nmax=128msec/100nsec=1.28×10 16回程度となる。 Maximum value Nmax of the number of repetitions of this time, during a certain refresh and the next refresh (e.g. 128 msec), so corresponds to the case where is continuous for the same cell read operation (100nsec), Nmax = 128msec / 100nsec = 1 .28 becomes × 10 about 16 times. バルクのホール蓄積状態を保持する"0"データの非破壊性(1)の方がクリティカルになると思われる。 Who holds the hole accumulation state of the bulk "0" data non-destructive (1) it appears to be critical. 従って読み出し時電流を流すとしても、例えばVds=0.5V程度での低電流の線形領域での読み出しを行うことが必要であろう。 Therefore even flow during reading current, it may be necessary to carry out the reading of a linear region of low currents, for example, Vds = 0.5V approximately. 或いは先の第1の読み出し方式のように、"0"データのセルには電流を流さない方式を採用することが、非破壊性を保証する上で好ましい。 Or as in the first method of reading ahead, "0" in the cell of the data it is possible to adopt a method in which no current flows is preferable in ensuring survivability.
以上において、この発明によるDRAMの基本的な実現可能性を示す判断基準の検証を行った。 In the above, it was verified criteria indicating the basic feasibility of DRAM according to the present invention. 次に、更に具体的にこの発明によるDRAMの性能を解析した結果を順次説明する。 Then, sequentially explain the results of analyzing the performance of the DRAM according to more specifically this invention.
先に、図12及び図13で説明した第2の読み出し方式、即ちビット線に一定電流を供給して読み出し行う場合の、ビット線の電位変化を検証する。 Above, to verify a second read method described in FIG. 12 and FIG. 13, i.e., in the case of performing read by supplying a constant current to the bit line, the potential change of the bit line. 図17は、この検証に用いる等価回路である。 Figure 17 is an equivalent circuit used for this verification. 簡単にために、ビット線BLの電位は0Vにプリチャージされており、ワード線WLの電位Vwlは、t>0において、下記数5に示すように、メモリセルMCのしきい値Vth(Vth0,Vth1)以上に設定されているものと仮定する。 For easy, the potential of the bit line BL are pre-charged to 0V, and the potential Vwl of the word line WL, t> at 0, as shown in following equation 5, the memory cell MC threshold Vth (Vth0 , it assumed to be set to Vth1) above.
ビット線BLには、t>0において、Icなる一定電流が供給されるものとし、この電流Icは、下記数6に示すように、セルトランジスタのVgs=Vwlでの飽和電流Idsatに比べて小さいものとする。 The bit line BL is at t> 0, it is assumed that Ic becomes constant current is supplied, the current Ic, as shown in the following Equation 6 is smaller than the saturation current Idsat in Vgs = Vwl of the cell transistor and things.
このとき、ビット線BLの電位Vblの変化は、セルトランジスタのドレイン電流をIdsとして、下記数7で表される。 At this time, the change in potential Vbl of the bit line BL, the drain current of the cell transistor as Ids, represented by the following Expression 7.
セルトランジスタは線形領域で動作しているので、Vbl<Vwl−Vthが成り立ち、このときセルトランジスタのドレイン電流Idsは下記数8で表される。 Since the cell transistor operates in the linear region, Vbl <Vwl-Vth is holds, the drain current Ids at this time the cell transistor can be expressed by the following Expression 8.
数8を数7に代入して積分すれば、下記数9を得る。 By integrating by substituting Equation 8 into Equation 7 to obtain the following expression 9.
数5と数6の仮定から、α>β>0を満たす。 Several 5 and 6 assumption, satisfy α> β> 0. 従って、数9は、時間tに関して下に凸の増加関数であり、Vbl(0)=0,Vbl(∞)=βである。 The number 9 is an increasing function of convex downward with respect to time t, Vbl (0) = 0, a Vbl (∞) = β.
図18は、数9の計算結果を示す。 Figure 18 shows the calculation results of Equation 9. "0"データのセルのしきい値をVth0=0.3V、"1"データのセルのしきい値をVth1=−0.3V、ダミーセルのしきい値をVthd=0.05V、ビット線容量をCbl=100fF、セル電流の利得係数をk=2.0×10 -5 (A/V 2 )と仮定し、またIc=0.9Idsat=13μA、Vwl=1.5Vを用いて、"0"データのときのビット線電圧Vbl0、"1"データのときのビット線電圧Vbl1を、それぞれの信号電圧Vsig0,Vsig1及び参照ビット線の電圧Vbldと共に示している。 "0" threshold value Vth0 = 0.3V cells of data, "1" threshold value Vth1 = -0.3 V cell of the data, the threshold of the dummy cell Vthd = 0.05 V, the bit line capacitance the CbI = 100 fF, assuming the gain factor of the cell current k = 2.0 × 10 -5 and (a / V 2), and using Ic = 0.9Idsat = 13μA, the Vwl = 1.5V, "0 "bit line voltage Vbl0 when the data" 1 "to the bit line voltage Vbl1 when the data are shown with voltage Vbld of respective signal voltages Vsig0, Vsig1 and reference bit line. この結果から、ワード線を立ち上げてから、10nsec後に、100mVの信号が得られていることがわかる。 From this result, from the launch of the word lines, after 10 nsec, it can be seen that 100mV signal is obtained.
ダミーセルについては、メモリセルと同じ構造のMOSトランジスタでバルク電位を適当に設定できるタイプであることが好ましい。 The dummy cell is preferably a type that can appropriately set the bulk potential of the MOS transistor having the same structure as the memory cell. 何故なら、メモリセルのしきい値のプロセス変動や温度変動に自己整合的に追随するからである。 This is because is because, follows in a self-aligned manner to the process variation and temperature variation in the threshold voltage of the memory cell. この場合ダミーセルのバルク電位を選択することにより、"0","1"データの信号量を最適設定することが可能になる。 By this selecting the bulk potential of the dummy cell, "0", it is possible to "1" to optimally set the signal amount of data.
この発明においては、"0"書き込みは、前述のようにメモりトランジスタのp型バルク領域とn型ドレインのpn接合を順バイアスすることにより、バルク領域のホールを抜き取る。 In the present invention, "0" is written, by forward biasing the pn junction of the p-type bulk region and the n-type drain of the memory transistor as described above, extracting the holes in the bulk region. この"0"書き込みの速度について、図19の等価回路を用いて以下に検討する。 The speed of the "0" write, discussed below with reference to the equivalent circuit of FIG. 19.
t=0において、pn接合は、p層,n層共に2.2Vで平衡状態にあるとする。 In t = 0, pn junction, p layer, and it is in equilibrium with 2.2V to the n layer both. t>0で、n側を0Vにしたとき、容量Cを持つバルク(p型層)の電位がどの様に変化するかを計算する。 In t> 0, when the n-side to 0V, and calculates how changes the potential in what kind of bulk (p-type layer) with a capacity C. 時刻tでのp型層の電位をVとすれば、下記数10が成立する。 If the potential of the p-type layer at the time t is V, the following equation 10 is established.
ここで、Iはpn接合の電流であり、下記数11で表される。 Here, I is a current of the pn junction, is represented by the following Expression 11.
数11において、Isは飽和電流、ηは1〜2の間の係数、Vtは熱電圧(Thermal Voltage)であり、Vt=kT/qである。 In Equation 11, Is is the coefficient between the saturation current, eta is 1 to 2, Vt is the thermal voltage (Thermal Voltage), a Vt = kT / q. 数11を数10に代入して積分すると、下記数12が得られる。 Integrating by substituting Equation 11 into Equation 10, the following Expression 12 is obtained.
ここで、t0は、t0=C・η・Vt/Isで与えられる時定数である。 Here, t0 is a time constant given by t0 = C · η · Vt / Is. 数12を、下記数13の数値を用いて数値計算した結果が、図20である。 The number 12, a result of numerical calculation using the value of the following equation 13 is a diagram 20.
図20の数値計算結果から、"0"書き込み時、1nsec程度でバルク(p型層)の電位は0.7V以下に落ち着くことがわかる。 From numerical results in Fig. 20, "0" when writing, the potential of the bulk (p-type layer) at about 1nsec is seen to settle below 0.7V.
先に、"0"書き込みの選択性に関して、図16を参照してワード線電位とバルク電位の関係を説明したが、以下において更に詳細にバルク電位変化を検討する。 Above, "0" with respect to the writing selectivity has been described the relationship between the word line potential and the bulk potential with reference to FIG. 16, discussed in more detail bulk potential change below. 即ち、正のワード線電位Vwlで書き込みを行った後、ワード線電位を負に下げてデータを保持し、再度ワード線を正電位に上げて読み出し電位Vrにて読み出しを行う動作において、バルク領域でどの様な電位変化を示すかを、詳細に説明する。 In other words, after writing a positive word line potential Vwl, holds data by lowering the word line potential in the negative, the operation of reading by the read potential Vr raised again word line to a positive potential, the bulk region in or show what kind of potential change, will be described in detail.
セルトランジスタのゲートとSOI基板のバルク(p型層)の間の単位面積当たりの容量Cgbは、ゲートとバルク間の電位差Vgbを用いて、下記数14で表される。 Capacity Cgb per unit area between the gate and the SOI substrate bulk of the cell transistor (p-type layer), using a potential difference Vgb between the gate and the bulk is represented by the following Expression 14.
ゲート酸化膜の単位面積当たりの容量Coxは、誘電率εoxと酸化膜厚toxを用いて、Cox=εox/toxで表される。 Capacitance Cox per unit area of the gate oxide film, by using the oxide film thickness tox dielectric constant ox, represented by Cox = ox / tox. lDは、デバイ長(Debye Length)LDを、γ=(εsi/εox)toxで規格化した無次元数であり、下記数15で与えられる。 lD is Debye length (Debye Length) LD, γ = (εsi / εox) is a dimensionless number normalized by tox, given by the following Expression 15.
ここで、パラメータδを以下の条件により決定する。 Here, determined under the following conditions parameter [delta]. 即ち、数14は、バルクに拡がる空乏層の厚さwp(これは、実際の空乏層の厚さWpをやはりγにより規格化して無次元化したもの)が下記数16で表されることから導かれている。 That is, the number 14, the depletion layer that spreads the bulk thickness wp (this is the actual also by γ thickness Wp of the depletion layer that dimensionless normalized) to that represented by the following Expression 16 It has been derived.
ここで、Vgb=VFB(フラットバンド電圧)で、wp=lDとなるという条件、つまり下記数17を与える。 Here, given by Vgb = VFB (flat band voltage), the condition that the wp = lD2, i.e. the following Expression 17.
この数17を解くと、パラメータδは下記数18となる。 Solving this expression 17, the parameter δ becomes below several 18.
数14と数18から、CgbのVgb依存性が求められるが、これは広範なVgbの領域をカバーしない。 Several 14 to several 18, Vgb dependent Cgb is required, but this is not cover the area of the broad Vgb. そこで、ゲート・ソース間電圧Vgsがトランジスタのしきい値Vthを越えた場合には、Cgb=0とすると共に、Cgb/Coxが1を越える場合にはこれを1と置き換えるものとして、広範なVgbの値に対するCgbの値を計算する。 Therefore, when the gate-source voltage Vgs exceeds the threshold Vth of the transistor, while the Cgb = 0, as a replacement for this one and if Cgb / Cox exceeds 1, extensive Vgb to calculate the value of Cgb of relative values.
その計算結果を、図21に示す。 The calculation results are shown in Figure 21. これは、"0"データのセルのワード線とバルク間の電圧Vgbと容量Cgbの関係を、ワード線がp型多結晶シリコンゲートの場合について、求めた結果である。 This "0" the relationship between the voltage Vgb and capacity Cgb between the word lines and the bulk of the cell data, in the case the word line is a p-type polycrystalline silicon gate, a result obtained. 条件は、tox=2.5nm、NA=5×10 18 /cm 3 、温度85℃、VFB=0.1v、Vth0=1.5v、VB=−0.7V、Cox=0.14fF、Cj=0.08fFである。 Conditions, tox = 2.5nm, NA = 5 × 10 18 / cm 3, temperature 85 ℃, VFB = 0.1v, Vth0 = 1.5v, VB = -0.7V, Cox = 0.14fF, Cj = is 0.08fF.
一方、ゲート電圧の変化ΔVgに対するバルクの電位変化ΔVbは、下記数19で表される。 On the other hand, the bulk of potential change ΔVb to changes ΔVg gate voltage is expressed by the following Expression 19.
ここで、Cjはバルクに直列に入る容量(先に説明したpn接合容量)であり、これを一定として、数19を変形すると、数20が得られる。 Here, Cj is the capacitance inserted in series to the bulk (previously pn junction capacitance as described), is constant this is transformed number 19, number 20 is obtained.
数20を積分すると、下記数21となる。 Integrating the number 20, the following Expression 21.
数21を書き換えると、数22となる。 Rewriting Equation 21 becomes Equation 22.
この数22を計算すれば、ゲート電圧Vwl(ワード線)の電圧変化ΔVgからバルク電圧VBの変化ΔVbを求めることができる。 By calculating this number 22, it is possible to determine changes ΔVb bulk voltage VB from voltage change ΔVg gate voltage Vwl (word line). "0"データのセルについて、先の図21の計算の場合と同じバラメータ条件の下で計算した結果を、図22に示す。 "0" for the cells in the data, the result of calculation under the same Barameta conditions as in the calculation of the previous figure 21, shown in FIG. 22. この結果から例えばワード線を2.0Vで"0"書き込みを行い、バルクを−0.7Vにし、ワード線を−2Vに下げてデータ保持すると、このときバルク電位は−2.1Vに保持されることがわかる。 As a result, for example, from the word lines subjected to "0" is written in 2.0 V, and the bulk -0.7 V, when the data held by lowering the word line to -2 V, bulk potential at this time is held -2.1V Rukoto is seen. 更にワード線を1.0Vに上げて読み出しを行うと、バルクは−0.9V程度までしか上昇しない。 When reading out further raising the word line to 1.0 V, the bulk rises only up to about -0.9 V. 即ち、"0"データのセルについては、読み出し時には書き込み時よりバルク電位は低く、従って読み出しマージンが0.2V拡がることになる。 That is, "0" for the cell data, at the time of reading bulk potential is lower than the time of writing, hence the read margin is the spread 0.2V.
同様の計算を、"1"データセルについて行った結果を、図23に示す。 Similar calculations, the "1" results were performed on data cell, shown in Figure 23. またこのときの容量Cgbの電圧Vgb依存性を図24に示す。 Further illustrating the voltage Vgb dependence of capacitance Cgb in this case is shown in FIG. 24. 用いたパラメータは図21及び図22の場合と同じである。 The parameters used are the same as in FIGS. 21 and 22. "1"データの場合、書き込み直後にバルクは0.6Vになり、ワード線が−2.0Vで保持される状態ではバルクは、−1.0Vになることがわかる。 "1" data, the bulk becomes 0.6V immediately after writing, in the state where the word line is held at -2.0V bulk is found to become -1.0 V. "0"データの書き込みは、原理的にバルク電位−1.0Vまでできるが、"0"書き込みで−1.5Vまで下げたビット線を0Vに戻すときのpn接合の容量カップリング(カップリング比は18%)でバルクは0.3V上がり、−0.7Vになる。 "0" data write, can be up to theoretically bulk potential -1.0 V, "0" capacitive coupling (coupling of the pn junction when the bit line down to -1.5V by writing back to 0V ratio bulk rises 0.3V at 18%), it becomes -0.7 V. 従って図22の"0"データの場合書き込み直後の電位を−0.7Vとしている。 Thus set to -0.7V to the potential of "0" immediately after writing when the data of Figure 22.
"1"書き込みの場合にも同様に、ビット線からの容量カップリングがあるが、"0"書き込みと異なるのは、バルク電流Isubを流して"1"データを書いている最中、下記数23で示す電位Vまで、ビルトイン電圧0.6Vより上昇していることである。 "1" similarly to the case of writing, there is a capacitive coupling from the bit line, "0" is written is different from, the middle of writing a "1" data by applying a bulk current Isub, the number following to a potential V shown at 23, it is to be elevated from the built-in voltage 0.6V.
Isub=14nA、Is=6.36×10 -20 A、Vt=0.031V、η=1.2を代入すると、V=0.96Vを得る。 Isub = 14nA, Is = 6.36 × 10 -20 A, Vt = 0.031V, and substituting eta = 1.2, obtain V = 0.96 V. 従って、バルク電位は"1"データ書き込み直後は1V近くあり、ビット線が1.5Vから0Vに下がってカップリングで0.3V下がるとしても、0.6V以上あり、その後のダイオードの順方向電流により、0.6Vになる。 Therefore, the bulk potential "1" immediately after the data writing is near 1V, even down 0.3V coupling down to 0V the bit lines from 1.5V, are over 0.6V, the forward current of the subsequent diode It makes to 0.6V. 即ち、実質的に"1"データ書き込み直後のバルク電位は、0.6Vになっていると考えられる。 In other words, the bulk potential of substantially "1" immediately after the data writing is considered to have become 0.6V.
ここまで計算は、フラットバンド電圧をVFB=0.1Vとした場合である。 Calculated so far is the case where the flat band voltage is VFB = 0.1 V. これは、SOI基板のp型シリコン層上にp型多結晶シリコンによるゲート電極(ワード線)を形成した場合に対応する。 This corresponds to the case of forming the gate electrode by the p-type polycrystalline silicon (word line) in the p-type silicon layer of the SOI substrate. 次に、同じSOI基板に、n型結晶シリコン膜によりゲート電極を用いた場合について、同様の計算を行った結果を示す。 Then, the same SOI substrate, the case of using the gate electrode of an n-type crystalline silicon film, shows the results of similar calculations. この場合、フラットバンド電圧は、VFB=−1.1Vとなる。 In this case, the flat-band voltage becomes VFB = -1.1V.
図25は、"1"データセルについて、容量Cgb−電圧Vgbを求めた結果である。 Figure 25 is a "1" for data cells, a result of determining the capacity Cgb- voltage Vgb. 図26は同様に、"1"データセルについて、ワード線電圧Vwlとバルク電圧VBの関係を求めた結果である。 Figure 26 likewise "1" for data cells, a result of determining the relationship of the word line voltage Vwl and bulk voltage VB. フラットバンド電圧以外のパラメータは、先の図21及び図22の場合と同様である。 Parameter other than the flat-band voltage is the same as in the previous figures 21 and 22. いずれも、しきい値はVth1=0Vとしている。 In any case, the threshold value is set to Vth1 = 0V.
これらの結果から、"0"データのしきい値Vth0=1Vを確保できるものとして、ワード線は書き込み時1.5V、読み出し時0.5Vである。 These results, as it can ensure the threshold Vth0 = 1V for "0" data, the word line is writing at 1.5V, read at 0.5V. データ保持時のワード線電圧を−2.5Vとすれば、"1"データセルのバルクは、−0.8Vまで下がる。 If the word line voltage of the data holding and -2.5 V, bulk "1" data cell drops to -0.8 V. 従って、p型多結晶シリコンゲートを用いた、VFB=0.1Vの場合に比べて、同一ワード線振幅に対して、0.2Vだけ不利になる。 Thus, using a p-type polycrystalline silicon gate, as compared with the case of VFB = 0.1 V, for the same word line amplitude becomes 0.2V only disadvantage.
図27と図28は、同様に"0"データセルについて、FB=−1.1Vの場合の容量Cgb−電圧Vgb特性と、ワード線電圧Vwl−バルク電圧VB特性を求めた結果である。 Figure 27 and Figure 28, the same as "0" data cell, a capacitor Cgb- voltage Vgb characteristics when FB = -1.1 V, which is the result of obtaining the word line voltage Vwl- bulk voltage VB characteristics. しきい値は、Vth0=1Vとした。 Threshold, was Vth0 = 1V. "0"データ書き込み直後のバルク電位は−0.8Vであるが、ビット線がプリチャージ電位0V付近に戻ると、pn接合のカップリングによりバルク電位は0.3Vだけ浮き上がり、−0.5Vになっているものと仮定している。 "0" is bulk potential immediately after the data writing is -0.8 V, the bit line is returned to the vicinity of the precharge potential 0V, bulk potential is floating just 0.3V by coupling of the pn junction, the -0.5V it is assumed that it is. この場合も、書き込み時のワード線は1.5Vであるが、読み出し時は0.5Vであるので、バルク電位は0.15Vだけ回復し、−0.65Vになっている。 Again, although the word line at the time of writing is 1.5V, because when reading is 0.5V, the bulk potential was restored only 0.15V, have become -0.65 V.
以上のp型多結晶シリコンゲートの場合と、n型多結晶シリコンゲートの場合の動作条件をそれぞれ表にまとめると、下記表1及び表2となる。 In the case of the above p-type polycrystalline silicon gate, summarized operating conditions in the case of n-type polycrystalline silicon gate and in Tables, the following Table 1 and Table 2.
なお、以上の表1,2において、"1"書き込み時のビット線レベルVbl("1"write)は、基板電流(ホール電流)と書き込み時間で決定されるべきもので未定であるが、仮の設定値を示している。 In Table 1 above, "1" is written at the bit line level Vbl ( "1" write), the substrate current is a pending to be determined by the (hole current) and the write time, tentative It shows the set value. 以上により、p型多結晶シリコンゲートを用いることの有利性が明らかになった。 Thus, it revealed advantages of using a p-type polycrystalline silicon gate. ワード線振幅はいずれの場合も、4Vである。 Word line amplitude in each case, a 4V. これを更に低電圧化するには、以下の施策が必要になる。 To further voltage reduction this will require the following measures.
(A)及び(B)に関しては、ここまでΔVth=Vth0−Vth1=1.0Vを仮定しているが、これは0.8V〜0.6V程度まで厳しく制御できる可能性がある。 With respect to (A) and (B), it is assumed the ΔVth = Vth0-Vth1 = 1.0V far, this may be controlled strictly to about 0.8V~0.6V. ΔVth=0.6Vを実現できるとすれば、ワード線振幅を2×1.2V=2.4Vまで小さく抑えられる可能性がある。 If the [Delta] Vth = 0.6V can be achieved, there is likely to be suppressed to a small word line amplitude to 2 × 1.2V = 2.4V.
以下では、(C)について詳細に検討する。 In the following, it is discussed in detail (C). これは、ΔVthのマージンを減らすことなく、ワード線振幅の低電圧化を実現できる方法だからである。 This is without reducing the margins of the [Delta] Vth, is because the method which can realize low voltage of the word line amplitude.
(C)の要請には、SOI基板のシリコン層の厚みTsiを、これまで想定してきた100nmより更に薄くすること、これと同時に或いは独立に、n型ソース、ドレイン拡散層の不純物濃度を低くすることにより応えることができる。 The request for (C), the thickness Tsi of the silicon layer of the SOI substrate, heretofore be thinner than 100nm which has been assumed, simultaneously or independently of this, n-type source, an impurity concentration of the drain diffusion layer to lower it is possible to respond by. 前者は、pn接合面積の縮小により、pn接合容量Cjを小さくすることに対応する。 The former, by reduction of the pn junction area, corresponds to reducing the pn junction capacitance Cj. 後者は、空乏層がn型拡散層側にも延びる条件を与えるため、ソース、ドレイン拡散層とバルク領域の接合容量Cjをやはり小さくする。 The latter, a depletion layer to provide a condition that also extends to the n-type diffusion layer side, the source, also to reduce the junction capacitance Cj of the drain diffusion layer and the bulk region.
そこで、これまでの検証に用いた接合容量Cj=0.08fFに代わって、Cj=0.04fFと半分にした場合について、Cgb−Vgb曲線と、Vwl−VB曲線を、それぞれ図29及び図30に示す。 Therefore, hitherto on behalf of the junction capacitance Cj = 0.08fF used for verification, Cj = the case where the 0.04fF and half, and Cgb-Vgb curve, the Vwl-VB curves, respectively 29 and 30 to show. Cj以外の条件は、図23及び図24と同じであり、ゲート電極はp型多結晶シリコンである。 Conditions other than Cj is the same as FIG. 23 and FIG. 24, the gate electrode is p-type polycrystalline silicon. Cj=0.04fFは、シリコン層厚みを50nmとした場合に相当する。 Cj = 0.04fF corresponds to the case where the silicon layer thickness was 50nm.
この結果から、"1"データセルについて、0.6Vのバルク電位が書き込まれた後、ワード線を−2.0Vまで下げると、バルク電位は−1.3Vまで下がる。 This result for "1" data cell, after the bulk potential of 0.6V is written, lowering the word line to -2.0 V, the bulk potential drops to -1.3 V. 従って、バルク電位を−1Vまで下げるに必要なワード線電位、即ちデータ保持に必要なワード線電位Vwl(hold)は、Vwl(hold)=−1.6Vであることがわかる。 Therefore, the word line potential required to decrease the bulk potential to -1 V, i.e. necessary for data holding word line potential Vwl (hold) is, Vwl (hold) = - found to be 1.6V.
同様に、"0"データセルについて、Cj=0.04fFを用いた場合のCgb−Vgb曲線と、Vwl−VB曲線を、それぞれ図31及び図32に示す。 Similarly, "0" for the data cell, and Cgb-Vgb curve when used Cj = 0.04fF, the Vwl-VB curve, shown in FIGS. 31 and 32. Cj以外の条件は、先の図21及び図22の場合と同じである。 Conditions other than Cj is the same as in previous figures 21 and 22.
以上のように、薄いシリコン層(Tsi=50nm)のSOI基板を用いて、Ciを小さくした場合のDRAMセルの動作条件を、表1に対応させてまとめると、下記表3のようになる。 As described above, by using the SOI substrate of the thin silicon layer (Tsi = 50 nm), the operating condition of the DRAM cell of Lowering the Ci, summarized in correspondence with Table 1, so the following Table 3.
以上の結果から、シリコン層厚みTsiを100nmから50nmと半分に薄くして容量Cjを小さくすると、ワード線振幅を4Vから3.2Vまで低減できることがわかる。 From the above results, when the silicon layer thickness Tsi thinly to 50nm and half from 100nm to reduce the capacity Cj, it can be seen that reducing the word line amplitude from 4V to 3.2 V. 注目すべきは、依然として、データ"0","1"のしきい値の差ΔVthとして、1Vを確保できていることである。 Notably, still data "0", as the difference ΔVth in the threshold of "1", is that they can be secured 1V.
SOI基板のシリコン層を更に30nm程度まで薄くできれば、更に低電圧化を実現することが可能である。 If thin silicon layer of the SOI substrate to further about 30 nm, it is possible to further achieve low voltage. しかし、あまりシリコン層を薄くすると、シリコン層が完全空乏化し、メモリ機能自体が失われる危険がある。 However, if the thinner too much silicon layer, a silicon layer is turned into fully depleted, there is a risk that the memory function itself is lost. 従って、シリコン層の厚みは50nm程度が適当と思われる。 Therefore, the thickness of the silicon layer is believed to suitably about 50nm.
図33は、バルク電位VBが−1Vと0.6Vでのしきい値の差ΔVthと、シリコン層の不純物濃度NAの関係を示している。 Figure 33 is a bulk potential VB indicates the difference ΔVth of the threshold at -1V and 0.6V, the relation of impurity concentration NA of the silicon layer. 但し、ゲート酸化膜厚がTox=2.5nm、温度がT=85℃の場合である。 However, the gate oxide film thickness is the case Tox = 2.5 nm, the temperature of T = 85 ° C.. これから、ΔVth=1Vを確保するためには、NA=1.0×10 19 /cm 3程度が必要であることがわかる。 Now, in order to ensure the [Delta] Vth = 1V is, NA = 1.0 × 10 19 / cm 3 order is found to be necessary. これは少し、不純物濃度が濃すぎるため、NA=0.8×10 18 /cm 3に設定して、ΔVth=0.8Vとする。 This is a little, because the impurity concentration is too dark, is set to NA = 0.8 × 10 18 / cm 3, and [Delta] Vth = 0.8 V. このとき、表3の動作条件は少し訂正され、下記表4のようになる。 At this time, the operation conditions of Table 3 are slightly corrected, so in the following Table 4.
表4において、"1"書き込み時のビット線レベルVbl("1"write)は、基板電流(ホール電流)と書き込み時間で決まるため、1.4Vは仮の設定値である。 In Table 4, "1" is written at the bit line level Vbl ( "1" write) is determined depending on a time writing the substrate current (hole current), 1.4V is a temporary setting. セルトランジスタをLDD構造ではなく、通常の構造として、基板電流Isubを増やすことにより、この程度の低電圧化が可能と考えられる。 Instead of the LDD structure cell transistors, as a conventional construction, by increasing the substrate current Isub, it considered it possible to reduce the voltage of this degree.
上の動作条件では、セルトランジスタに係る最大電圧は、3.0Vである。 The operating conditions of the above, the maximum voltage across the cell transistor is 3.0 V. ゲート酸化膜厚はTox=2.5nmとしており、従ってゲート酸化膜には、12MV/cm程度の電界が、"1"データ書き込みの瞬間にかかり、信頼性に不安がある。 The gate oxide film thickness is a Tox = 2.5 nm, the gate oxide film therefore electric field of about 12 MV / cm is, "1" relates to the moment of data writing, there is anxiety in reliability. しかし、信頼性を確保するためにゲート酸化膜厚を大きくすることは、バルク電位を制御するための容量結合比を悪化させるため、好ましくない。 However, increasing the gate oxide film thickness in order to ensure the reliability, because worsen the capacitive coupling ratio for controlling the bulk potential is not preferred. 従って、ゲート絶縁膜については、シリコン酸化膜に代わって、誘電率の高いAl2O3等の他の絶縁膜を用いることが好ましい。 Therefore, the gate insulating film, instead of the silicon oxide film, it is preferable to use other insulating film with high dielectric constant Al2O3 or the like.
更なる低電圧化のためには、SOI基板のシリコン層の厚みTsiを30nm程度まで薄くすること、セルトランジスタのしきい値制御性を良くすると共に、移動度を大きくとれるようにすること、が望まれる。 For further voltage reduction, reducing the thickness Tsi of the silicon layer of the SOI substrate to approximately 30 nm, with better threshold controllability of the cell transistor, to ensure that take a large mobility, but desired. これらを考慮して、2.0V〜2.5V程度までの低電圧化が可能と思われる。 Considering these, it seems possible to reduce the voltage of up to about 2.0V~2.5V.
図33に示すしきい値の差ΔVthのときに確保できる"1"書き込みセルトランジスタのセル電流Ids1と、それに対応するデータ読み出し時間Δtをそれぞれ図34及び図35に示す。 "1" and the cell current Ids1 of writing the cell transistor can be ensured when the difference ΔVth of the threshold values shown in FIG. 33 shows the data read time Δt corresponding thereto in FIGS. 34 and 35. セル電流はIds1=(k/2)(ΔVth/2) 2により求めている。 The cell current is determined by Ids1 = (k / 2) ( ΔVth / 2) 2. また、読み出し時間Δtは、読み出し時のワード線電位をVth1とVth0の中間に設定して、"1"データのセルのみをオンさせ、容量Cbl=100fFのビット線をプリチャージ電位から200mV放電するまでの時間として求めている。 The read time Δt is the word line potential at the time of reading is set to the middle of Vth1 and Vth0, "1" is turned on only the cells of data to 200mV discharging bit line capacitance CbI = 100 fF from the precharge potential We are asking as the time to.
この結果から、NA=6×10 18 /cm 3において、Ids1=1.4μA、Δt=15nsecが得られている。 From this result, the NA = 6 × 10 18 / cm 3, Ids1 = 1.4μA, Δt = 15nsec is obtained.
図36は、"1"データセルのホールド時のバルク電位VBがしきい値Vth1との関係でどこまで下がるかを調べた結果である。 Figure 36 is a "1" results bulk potential VB of the hold of the data cell is checked whether decreases to where between the threshold Vth1. 条件は、ゲート酸化膜厚tox=2.5nm、不純物濃度NA=5×10 18 /cm 3 、フラットバンド電圧VFB=0.1V、"1"データのバルク電位VB1=0.6V、ゲート酸化膜容量Cox=0.14fF、接合容量Cj=0.04fFである。 Conditions, the gate oxide film thickness tox = 2.5 nm, the impurity concentration NA = 5 × 10 18 / cm 3, the flat band voltage VFB = 0.1V, "1" bulk potential VB1 = 0.6V data, the gate oxide film capacity Cox = 0.14fF, a junction capacitance Cj = 0.04fF. またワード線のホールド電位は、Vwl=Vth1−2Vである。 Hold the potential of also the word line is a Vwl = Vth1-2V.
この結果から、Vth1=0.5V以上では、ホールド時のバルク電位はVth1と共に上昇している。 From this result, the Vth1 = 0.5V or higher, the bulk potential of the hold is increased with Vth1. Vth1<0.5Vでは、バルク電位は−0.93Vに飽和している。 In Vth1 <0.5V, the bulk potential is saturated to -0.93V. これは、Vth1<0.5V以下までワード線が下がると、容量Cgbがゲート酸化膜容量Coxとして飽和することを意味している。 This is because when Vth1 <word line to 0.5V or less decreases, which means that the capacity Cgb is saturated as the gate oxide film capacitance Cox.
従って、フラットバンド電圧VFB=0.1Vのとき、つまりゲート電極がp型多結晶シリコン膜のとき、Vth1<0.5Vに設定すべきである。 Therefore, when the flat-band voltage VFB = 0.1 V, that is, when the gate electrode is p-type polycrystalline silicon film, it should be set to Vth1 <0.5V. 一方、ΔVth=Vth0−Vth1=0.8Vを確保できることがわかっているので、Vth0<1.3Vである。 On the other hand, since it has been found that it can secure ΔVth = Vth0-Vth1 = 0.8V, which is Vth0 <1.3V. 従って、Vth0=1.1V、Vth1=0.3Vは良い選択であると言える。 Therefore, Vth0 = 1.1V, Vth1 = 0.3V can be said to be a good choice.
以上の動作ポイントをまとめると、下記表5のようになり、またデバイスパラメータをまとめると、下記表6のようになる。 To summarize the operation point of the above, is as follows in Table 5, also summarized device parameters is as following Table 6.
このときDRAMセルの読み出し特性は、ビット線容量Cbl=100fFに、200mVの電位差をつけるまで時間が、Δt=15nsecとなる。 Reading characteristics of the time DRAM cell, the bit line capacitance CbI = 100 fF, a time until put the potential difference 200 mV, a Delta] t = 15 nsec.
図37は、VFB=−1.1Vの場合(即ち、n型多結晶シリコンゲートの場合)について、同様に"1"データセルのホールド時のバルク電位VBがしきい値Vth1との関係でどこまで下がる調べた結果である。 Figure 37 is a case of VFB = -1.1 V (i.e., the case of n-type polycrystalline silicon gate) for the bulk potential VB of the hold similarly "1" data cell is far in relation to the threshold value Vth1 it is the result of investigation down. 他の条件は、図36と同様である。 Other conditions are the same as FIG. 36. この場合も、Vth1<0.5Vとすべきことが示唆される。 In this case as well, suggesting that should be Vth1 <0.5V. このときの動作ポイント及びデバイスパラメータは、表5及び表6に対して、下記表7及び表8となる。 Operating points and device parameters in this case, with respect to Tables 5 and 6, the following Tables 7 and 8.
このときDRAMセルの読み出し特性は、ビット線容量Cbl=100fFに、200mVの電位差をつけるまで時間が、Δt=15nsecとなる。 Reading characteristics of the time DRAM cell, the bit line capacitance CbI = 100 fF, a time until put the potential difference 200 mV, a Delta] t = 15 nsec. 但し、Vbl("1"write)が0.5Vで十分な基板電流Isubが流れるか否かが問題であり、これを0.5V以上に上げなければならないとすると、その分最大電圧Vmaxが上昇する。 However, Vbl ( "1" write) is whether 0.5V in flowing sufficient substrate current Isub problem, when this must be increased to above 0.5V, increase correspondingly the maximum voltage Vmax to. この点で、p型多結晶シリコンをゲート電極に用いる方が有利である。 In this respect, it is advantageous to use a p-type polycrystalline silicon gate electrode. つまり、読み出し特性及び"1"書き込み特性から決まるしきい値Vth0に対して、書き込み時のワード線レベルVwl(write)が決まるが、これとは独立に"1"書き込み特性から決まるビット線電位Vbl("1"write)がこのワード線電位Vwlよりも高くなる場合は、Vmaxは、Vbl("1"write)−Vwl(h0ld)で決まる。 That is, the read characteristics and "1" against a threshold Vth0 determined by the write characteristic, although the writing time of the word line level Vwl (write) is determined, the bit line potential Vbl determined from "1" write characteristics independently of this If ( "1" write) is higher than the word line potential Vwl is Vmax is determined by Vbl ( "1" write) -Vwl (h0ld). もし、Vwl(Write)≧Vbl("1"write)であれば、Vmax=Vwl(write)−Vwl(hold)であり、動作電圧を最小化できる。 If it is Vwl (Write) ≧ Vbl ( "1" write), a Vmax = Vwl (write) -Vwl (hold), it can be minimized operating voltage.
以上の計算は、あくまで標準的なDRAMセルについてである。 The above calculation is for only a standard DRAM cell. 実際は、プロセス起因のロット間、ウェハ間、ウェハ内、チップ内のセルトランジスタのしきい値やkの変動、ビット線容量の変動、設計的ワード線レベルの変動等がある。 In fact, between process-induced lots, between wafers, the wafer, variations in the threshold and k of the cell transistors in the chip, the bit line capacitance variation, there are fluctuations in the design word line level. またビット線間のカップリングノイズも考慮する必要がある。 The coupling noise between the bit lines must also be considered.
これ以外にも、温度によるしきい値Vthの変動が含まれる。 In addition to this, it includes change of the threshold Vth with temperature. メモリセルと同じ構造の参照セルを用いた場合には、しきい値変動の要素のある部分は補償されて、影響が出ないようにすることが可能である。 In the case of using a reference cell having the same structure as the memory cell, part of the elements of the threshold variation is compensated, it is possible to make the influence does not appear. 言い換えると、この様にすることで、基本的には上記しきい値変動の要素のチップ内でのばらつきのみに制限することができる。 In other words, by this way, basically it can be limited only to variations in the chip elements of the threshold value change.
また温度変動に伴うしきい値変動は、システム的に完全にキャンセルすることが可能である。 The threshold variation due to temperature variation, it is possible to systematically completely canceled.
この発明によるメモリセルは前述のように、原理的に非破壊読み出しであり且つ、電流読み出しである。 As the memory cell described above according to the invention, in principle non-destructive readout and a current reading. 図38は、このメモリセルセル特性を利用したセンスアンプのレイアウト例を示す。 Figure 38 shows a layout of the sense amplifier utilizing this memory cell cell characteristics. 対をなすビット線BL,bBLはセンスアンプSAの両側に配置して、オープンビット線方式としている。 Bit line BL of the pair, bBL are disposed on both sides of the sense amplifier SA, it has an open bit line system. ビット線対BL,bBLの一方でワード線WLが活性化されたとき、他方ではダミーセルDCを選択するダミーワード線DWLが活性化されるようになっている。 When the bit line pair BL, is one word line WL of bBL activated, on the other hand so that the dummy word line DWL for selecting the dummy cell DC is activated. ダミーセルDCは、メモリセルMCと同様のMOSトランジスタにより構成され、そのバルク領域にデータ"0","1"の中間的なバルク電位を与えるものとする。 Dummy cell DC is constituted by the same MOS transistor and the memory cell MC, and shall be given an intermediate bulk potential of the data in the bulk region "0", "1".
図の例では、二つのビット線対BL,bBLが選択ゲートSGにより選択されて一つのセンスアンプSAに接続される。 In the illustrated example, are connected two pairs of bit lines BL, it is selected by bBL selection gate SG in one sense amplifier SA. あるセンスアンプSAにつながるビット線と隣のセンスアンプSAにつながるビット線とは交互に配置される。 The bit line connected to the sense amplifier SA of the bit lines and the adjacent leading to some sense amplifiers SA are arranged alternately. この場合、一つのワード線WLにより同時に選択される4個のメモリセルMCに対して、センスアンプSAは二つである。 In this case, the four memory cells MC are simultaneously selected by one word line WL, the sense amplifier SA is two. 即ち、同時に選択される4個のメモリセルMCのデータのうち、実際にセンスアンプSAで検出されるのは二つであり、残りのメモリセルデータは、読み出されるもののセンスアンプには送られない。 That is, among the four data of the memory cell MC to be selected simultaneously is two are being detected by the actual sense amplifier SA, the remaining memory cell data, the sense amplifier intended to be read not sent . この発明では、通常のDRAMにおけるような破壊読み出しではないため、この様なセンスアンプ方式が可能になる。 In the present invention, not a destructive readout, such as of the typical DRAM, so such sense amplifier system is possible.
ところで、この発明によるDRAMセルを0.1μmルールのDRAM世代として実現する上では、次の二つの条件を両立させることが重要になる。 However, in realizing a DRAM cell according to the invention as a DRAM generation 0.1μm rule, it is important to satisfy both the following two conditions.
・条件1:基板バイアス効果を十分に利用すること・条件2:pn接合のリーク電流を小さくすることこれらの条件1,2は、バルク領域の不純物濃度に関して相反する要請になる。 Condition 1: Condition full advantage of the substrate bias effect 2: These conditions 1 and 2 to reduce the leakage current of the pn junction will conflicting demands with respect to the impurity concentration in the bulk region.
条件1は、大きな基板バイアス効果により、"0","1"データのしきい値電圧差を大きくするために必要であり、そのためには図1のp型シリコン層12(バルク領域)の不純物濃度(アクセプタ濃度)NAが例えば、NA=5×10 18 /cm 3以上必要である。 Condition 1, the large substrate bias effect, "0", "1" is needed in order to increase the threshold voltage difference of the data, the impurity of the p-type silicon layer 12 in FIG. 1 for its (bulk region) concentration (acceptor concentration) NA is, for example, it is necessary NA = 5 × 10 18 / cm 3 or more. この事情を図40により説明する。 This situation will be described with reference to FIG 40. 図40は、バルク電位VBとNMOSトランジスタのしきい値Vthとの関係がアクセプタ濃度NAにより異なる様子を示している。 Figure 40 shows the relationship between the threshold value Vth of the bulk potential VB and the NMOS transistor indicates a different manner by the acceptor concentration NA.
アクセプタ濃度がNA1のとき、"0","1"データのしきい値電圧差をΔVth1、これより低いアクセプタ濃度NA2のときのしきい値電圧差をΔVth2とすると、ΔVth1>ΔVth2となる。 When the acceptor concentration is NA1, "0", "1" the threshold voltage difference of the data .DELTA.Vth1, when the threshold voltage difference when the this lower acceptor concentration NA2 and DerutaVth2, the ΔVth1> ΔVth2. 即ち、"0","1"データのしきい値電圧差を大きくするためには、アクセプタ濃度がある程度以上高いことが必要になる。 That is, "0", "1" in order to increase the threshold voltage difference of the data, an acceptor concentration will be necessary to some extent more expensive.
なお、NA=5×10 18 /cm 3以上のアクセプタ濃度濃度は、チャネル長がL=0.1μm程度の微細MOSトランジスタでの確実な動作を行わせるにも必要である。 Incidentally, NA = 5 × 10 18 / cm 3 or more acceptor concentration levels, the channel length is also required to perform a reliable operation of the fine MOS transistor of about L = 0.1 [mu] m.
一方、条件2は、データ保持特性を保証する上で必要になり、この場合バルク領域の不純物濃度は当然低い方がよい。 On the other hand, the condition 2 is required in order to ensure data holding characteristic, the impurity concentration of this case the bulk region is better of course low. 0.1μmルールのDRAM世代で、バルク領域に10秒間データを保持するためには、ソース、ドレインのpn接合リークを、3×10 -17 A/cm 2以下に抑えることが必要になる。 In DRAM generation 0.1μm rule, to hold 10 seconds data in the bulk region, a source, a pn junction leakage drain, it is necessary to suppress the 3 × 10 -17 A / cm 2 or less. また、リーク電流の主成分であるトンネル電流を下げるためには、pn接合部に形成される空乏層内の電界は、2.5×10 5 V/cm以下に抑えなければならない。 Further, in order to reduce the tunneling current which is a main component of the leakage current, the electric field in the depletion layer formed in the pn junction must be kept below 2.5 × 10 5 V / cm. これは、バルク領域のアクセプタ濃度がNA=1.0×10 17 /cm 3以下で実現できる値である。 This is a value acceptor concentration in the bulk region can be realized with NA = 1.0 × 10 17 / cm 3 or less. 条件1から要請される上述のアクセプタ濃度では、空乏層内の電界は、1.7×10 6 V/cm(2Vの逆バイアス時)となり、条件2の要請を満たすことができない。 The acceptor concentration of the above requested from the condition 1, the electric field in the depletion layer can not meet 1.7 × 10 6 V / cm (when a reverse bias of 2V), and the requests of the condition 2.
図39は、以上のような相反する条件1,2を満たす可能性を持つ実施の形態のDRAMセルMCの構造を、図1に対応させて示している。 Figure 39 is the structure of the DRAM cell MC embodiment has the potential to meet the conflicting requirements 1 and 2 as described above, are shown to correspond to FIG. 図1のセル構造との相違は、p型シリコン層12からなるバルク領域にある。 The difference between the cell structure of FIG. 1 is in the bulk region of p-type silicon layer 12. 即ちこの実施の形態の場合、バルク領域を、ドレイン、ソース拡散層14,15に接するボロン濃度(アクセプタ濃度)が比較的低いp型拡散層12aと、ドレイン、ソース拡散層14,15からは離れたチャネル長方向の中央部に配置されたボロン濃度(アクセプタ濃度)が高いp +型拡散層12bとから構成している。 That is, in this embodiment, leave the bulk region, a drain, boron concentration (acceptor concentration) and a relatively low p-type diffusion layer 12a in contact with the source diffusion layers 14 and 15, the drain, the source diffusion layers 14 and 15 boron concentration which is arranged at the center of the channel length direction (acceptor concentration) is composed of a high p + -type diffusion layer 12b was. p +型拡散層12bは、底部のシリコン酸化膜11に達する深さに形成されている。 p + -type diffusion layer 12b is formed to a depth reaching the silicon oxide film 11 at the bottom.
このセル構造は、等価的に、しきい値電圧が高いNMOSトランジスタをしきい値電圧の低い二つのNMOSトランジスタで挟んだ形になっている。 The cell structure is equivalently, has a high threshold voltage NMOS transistor in a form sandwiched between lower two NMOS transistors threshold voltage. このとき全体のしきい値電圧は、中央部のp +型拡散層12bにより支配される。 The threshold voltage of the entire time is governed by the p + -type diffusion layer 12b of the central portion. 一方、ドレイン、ソース拡散層14,15は、低濃度のp型拡散層12aとの間でpn接合を構成しているから、バルク領域全体を高濃度のp +型拡散層で形成する場合に比べて、リーク電流が小さくなる。 The drain, source diffusion layers 14 and 15, because they constitute a pn junction with the low concentration p-type diffusion layer 12a, when forming the entire bulk region with a high concentration of p + -type diffusion layer compared to, the leakage current decreases. 以上の結果、上述した相反する二つの条件1,2を満たすことが可能になる。 As a result, it is possible to satisfy the two conflicting conditions 1 and 2 described above.
具体的に、図39のセル構造により効果が得られるかどうか、またどの様な濃度設定や位置設定が必要か、等について、以下に検討結果を説明する。 Specifically, whether the effect by the cell structure of FIG. 39 is obtained, also any kind of density setting or position or setting is necessary, for like, explaining the study results below. まず、予備的な検討として、図41(a)(b)に示すように、n型拡散層(ドナー濃度ND)とp型拡散層(アクセプタ濃度NA)のpn接合に、電圧Vの逆バイアスを与えたときの空乏層の拡がり、及び内部電界Eの強度分布を求める。 First, a preliminary study, the pn junction of FIG. 41 (a) as shown in (b), n-type diffusion layer (donor density ND) and p-type diffusion layer (the acceptor concentration NA), the reverse bias voltage V spread of the depletion layer when given, and obtains the intensity distribution of the internal electric field E. pn接合は急峻な接合(abrupt junction)であると仮定する。 Assume pn junction is an abrupt junction (abrupt junction). 図41に示すように、pn接合を横切る方向にx軸を定義する。 As shown in FIG. 41, to define the x-axis in a direction transverse to the pn junction.
このとき、n型拡散層及びp型拡散層内の電位をφD,φAとし、空乏層のn型拡散層内の先端位置を−xn、p型拡散層内での先端位置をxpとして、ポアソンの方程式及び、n型拡散層とp型拡散層内の電界ED,EAは、数24で表される。 At this time, the potential of the n-type diffusion layer and p-type diffusion layer [phi] D, and .phi.A, the tip position of the n-type diffusion layer of the depletion layer -xn, the tip position of the p-type diffusion layer as xp, Poisson equations and electric field ED the n-type diffusion layer and the p-type diffusion layer, EA is expressed by the number 24. εはシリコンの誘電率である。 ε is the dielectric constant of silicon.
境界条件は、ビルトインポテンシャルをφbiとして、次の数25で表される。 Boundary conditions, a built-in potential as Faibi, represented by the following equation 25.
これらの境界条件を入れて、数24を解くと、次の数26が得られる。 Taking these boundary conditions and solving the number 24, the following Expression 26 is obtained.
数26において、A〜Dは、数25の境界条件で決まる定数である。 In Equation 26, to D are constants determined by the boundary conditions of Equation 25. 数26の解を数25の境界条件の式に代入すると、次の数27が得られる。 Substituting the solution to the number 26 in formula boundary conditions of Equation 25, the following equation 27 is obtained.
数27は、6個の未知数である、xn,xp,A,B,C及びDを決定する方程式である。 The number 27 is an equation for determining a six unknowns, xn, xp, A, B, C and D. これを解くことにより、下記数28を得る。 By solving this equation, obtaining the following Expression 28.
また、最大電界強度Emaxは、x=0の点での電界であり、下記数29で表される。 The maximum field strength Emax is the electric field at the point of x = 0, it is represented by the following Expression 29.
空乏層全体の幅W=xn+xpは、次の数30となる。 Width W = xn + xp overall depletion layer, the following equation 30.
電界強度分布は、図41(b)に示したようになる。 Electric field intensity distribution is as shown in FIG. 41 (b).
以上の予備検討結果に基づいて、次に図42(a)(b)に示すように、p型拡散層が、高アクセプタ濃度NAと低アクセプタ濃度naの部分に分かれている場合を検討する。 Based on the above preliminary examination results, then as shown in FIG. 42 (a) (b), p-type diffusion layer, consider the case where divided into high acceptor concentration NA and a low acceptor concentration na portions. これは、図39の実施の形態のセル構造におけるドレイン接合側の構造に相当する。 This corresponds to the structure of the drain junction side of the cell structure of the embodiment of FIG. 39. この場合も、接合は急峻接合であるものとする。 Again, the junction is assumed to be abrupt junction. 距離軸は、先の予備検討の結果との比較のために、小文字xに代わって、大文字Xを用いる。 Distance axis, for comparison with the results of previous preliminary study on behalf of the lower case x, using the uppercase X. p型拡散層に拡がる空乏層の先端位置Xpは、低アクセプタ濃度naの領域を越えて、Xp>Lであるものとする。 Tip position Xp of the depletion layer that spreads in the p-type diffusion layer beyond the region of the low acceptor concentration na, it is assumed that Xp> L.
このとき、ポアソンの式及び電界の式は、数24に対して、p型拡散層を高アクセプタ濃度NAの領域と低アクセプタ濃度naの領域に分けて考えることにより、次の数31となる。 At this time, of the formula and the field of Poisson, with the number 24, by considering separately the p-type diffusion layer at a high acceptor concentration NA of the area and the low acceptor concentration na region, the following equation 31. 高アクセプタ濃度NAの領域の電位φA,電界EAに対して、低アクセプタ濃度naの領域の電位,電界をそれぞれφa,Eaとして示す。 High acceptor concentration NA of the region of potential .phi.A, to the electric field EA, showing low acceptor concentration na areas of potential, the electric field .phi.a, as Ea, respectively.
境界条件は、次の数32で表される。 Boundary condition is expressed by the following equation 32.
数31を解くと、下記数33が得られる。 Solving the number 31, the following Expression 33 is obtained.
数33において、A〜Fは、数32の境界条件で決まる定数である。 In Equation 33, to F is a constant determined by the boundary conditions of the number 32. 数33の解を数32の境界条件の式に代入すると、次の数34が得られる。 Substituting the solution to the number 33 in the numerical formula 32 boundary condition, the following Equation 34 is obtained.
数34は、8個の未知数である、Xn,Xp,A,B,C,D,E及びFを決定する方程式である。 The number 34 is an equation for determining an eight unknowns, Xn, Xp, A, B, C, D, E and F. これを解くことにより、下記数35を得る。 By solving this equation, obtaining the following Expression 35.
ここで、数35におけるxnは、先に図41のpn接合について解いたn型拡散層への空乏層の伸びを示し、数28で表されるものである。 Here, xn in the number 35 indicates the extension of the depletion layer in the earlier n-type diffusion layer solving for pn junction 41, it is represented by the number 28. また、最大電界Emaxは、X=0での電界であり、下記数36で表される。 The maximum electric field Emax is the electric field in the X = 0, it is represented by the following Expression 36.
このときの電界強度分布は、図42(b)に示した通りである。 Electric field strength distribution in this case is as shown in FIG. 42 (b). 数35において、Lを0に限りなく近づけるか、或いはアクセプタ濃度naを限りなくNAに近づければ、Xn=xnとなることが確認される。 In Equation 35, or close as possible to L 0, or if brought close to the NA unlimitedly acceptor concentration na, it is confirmed that the Xn = xn.
以上の検討結果に基づいて、次に図39のセル構造の最適化条件を具体的に検討する。 Based on the above study results, then specifically consider the optimization condition of the cell structure of Figure 39. まず、図43は、p型拡散層の高アクセプタ濃度をNA=5×10 18 /cm 3 、低アクセプタ濃度をna=1×10 17 /cm 3 、n型拡散層のドナー濃度をND=1×10 20 /cm 3 、印加電圧をV=2.0V、周囲温度を85℃として、低アクセプタ濃度領域の幅Lと、空乏層の伸びXn,Xpの関係を求めた結果である。 First, FIG. 43, a high acceptor concentration of the p-type diffusion layer NA = 5 × 10 18 / cm 3, a low acceptor concentration of na = 1 × 10 17 / cm 3, n -type diffusion layer ND = 1 a donor concentration of × 10 20 / cm 3, the applied voltage V = 2.0 V, as 85 ° C. to ambient temperature, the width L of the low acceptor concentration region, the depletion layer of the elongation Xn, is the result of the obtained relation Xp.
図39のセルにおいて、チャネル長が0.1μmであるとし、ソース、ドレインからの空乏層の伸びが対称であるとすれば、パンチスルーを生じないためには、Xp<5×10 -6 cmであることが必要である。 In the cell of FIG. 39, the channel length is assumed to be 0.1 [mu] m, the source, if the elongation of a depletion layer from the drain are symmetrical, in order not to cause punch-through, Xp <5 × 10 -6 cm it is necessary that is. この条件を満たすためには、図43から、L<4.0×10 -6 cm=0.04μmでなければならない。 To satisfy this condition, from FIG. 43, it must be L <4.0 × 10 -6 cm = 0.04μm. ある程度の余裕を見ると、L=0.02μmが妥当なところである。 Looking at some margin, it is where L = 0.02μm is reasonable. このとき、p型拡散層への空乏層の伸びXpは、高アクセプタ濃度NAの領域に0.01μm食い込んでいることがわかる。 In this case, elongation Xp of the depletion layer of the p-type diffusion layer, it can be seen that bite 0.01μm in the region of the high acceptor concentration NA.
図43と同様の条件で、最大電界強度Emaxの距離L依存性を示すと、図44のようになる。 Under the same conditions as Figure 43, indicating the distance L dependence of the maximum electric field strength Emax, it is shown in Figure 44. 上に求めた妥当な距離L=0.02μmのとき、最大電界強度は、Emax=9.0×10 5 V/cmである。 When a reasonable distance L = 0.02 [mu] m obtained above, the maximum electric field strength is Emax = 9.0 × 10 5 V / cm. これは、バルク領域全体を高アクセプタ濃度NA=5×10 18 /cm 3の領域のみで構成した場合と比べて、小さくなっているものの、まだ1/2程度までしか最大電界が弱められていない。 This entire bulk region as compared with the case of a configuration using only the region of high acceptor concentration NA = 5 × 10 18 / cm 3, but is smaller, no maximum electric field is weakened only up still about 1/2 . 更にこの電界の1/3程度まで小さくすることが望まれる。 It is desired to reduce further to about 1/3 of the electric field.
そこで次に、図42において、n型拡散層のドナー濃度NDを低くする効果を検討する。 Therefore, next, in FIG. 42, to study the effect of lowering the donor concentration ND of the n-type diffusion layer. これは、空乏層がn型拡散層側にもより延びることになり、最大電界強度を弱めることが期待されるためである。 This depletion layer will be extend more in the n-type diffusion layer side is because it is expected to weaken the maximum electric field intensity.
図45は、図43に対して、n型拡散層のドナー濃度NDを、ND=1×10 17 /cm 3と低くした場合について、低アクセプタ濃度領域の幅Lと、空乏層の伸びXn,Xpの関係を求めた結果である。 Figure 45, relative to FIG. 43, a donor concentration ND of the n-type diffusion layer, ND = 1 × case that low as 10 17 / cm 3, and the width L of the low acceptor concentration region, the depletion layer extends Xn, it is the result of the obtained relation Xp. また、図46は、このときの最大電界強度Emaxの距離Lに対する依存性を、図35に対応させて示している。 Further, FIG. 46, the dependence on the distance L between the maximum electric field strength Emax of this time is shown in correspondence with FIG. 35.
この結果から、ソース、ドレイン拡散層の濃度を下げれば、例えば、L=0.025μm、Xp=0.03μmで、最大電界強度Emax=3.0×10 5 V/cmという値が得られる。 From this result, the source, by lowering the concentration of the drain diffusion layer, for example, L = 0.025 .mu.m, at Xp = 0.03 .mu.m, a value of maximum electric field strength Emax = 3.0 × 10 5 V / cm is obtained. この最適化条件での、図39のセル構造における寸法と空乏層の伸びの様子を図47に示す。 In the optimization condition, the state of extension of the depletion layer to the dimensions of the cell structure of FIG. 39 is shown in FIG. 47.
ソース、ドレインのn型拡散層濃度を低くすると、これらに対するコンタクト抵抗が問題になる。 Source, lowering the n-type diffusion layer concentration of the drain, the contact resistance becomes an issue for these. これに対しては、通常のDRAMのビット線コンタクトについて行われているように、コンタクト孔に再拡散を行うことが好ましい。 For this, as is done for bit line contacts of an ordinary DRAM, it is preferable to perform re-diffusion in the contact hole. 或いは、ソース、ドレイン拡散層の表面に金属シリサイド膜を形成するサリサイド構造を採用することも有効である。 Alternatively, it is also effective to adopt a salicide structure forming the metal silicide film source, the surface of the drain diffusion layer.
しかし、ソース、ドレインのn型拡散層濃度がND=1×10 17 /cm 3と低い場合、図47に示したように、Xn=0.1μmという大きい幅の空乏層がソース、ドレイン拡散層内にも延びる。 However, the source, if the n-type diffusion layer concentration of the drain is low, ND = 1 × 10 17 / cm 3, as shown in FIG. 47, the source depletion layer width greater that Xn = 0.1 [mu] m, the drain diffusion layer also extends within. この様なソース、トレインの大きな空乏化を抑制するためには、いわゆるLDD構造を採用することが望ましい。 Such sources, in order to suppress a large depletion of the train, it is preferable to adopt a so-called LDD structure.
図39のセル構造に対して、LDD構造を採用したセル構造の実施の形態を、図48に示す。 The cell structure of FIG. 39, the embodiment of a cell structure employing the LDD structure, shown in Figure 48. ドレイン拡散層14が、チャネル領域に接する低ドナー濃度のn型拡散層14aと、高ドナー濃度のn +型拡散層14bとから構成される。 Drain diffusion layer 14 is composed of a n-type diffusion layer 14a of the low donor concentration in contact with the channel region, a high donor concentration of the n + -type diffusion layer 14b. ソース拡散層15についても同様に、チャネル領域に接する低ドナー濃度のn型拡散層15aと、高ドナー濃度のn +型拡散層15とから構成される。 Similarly, the source diffusion layer 15, and the n-type diffusion layer 15a of the low donor concentration in contact with the channel region, and a high donor concentration in the n + -type diffusion layer 15. ソース、ドレイン拡散層及びゲート電極には、サリサイド工程により金属シリサイド膜18が形成されている。 Source, the drain diffusion layer and the gate electrode, the metal silicide film 18 is formed by a salicide process.
但し、このLDD構造は、ドレイン、ソースのうち例えば、ビット線に接続されるドレイン側のみとすることもできる。 However, this LDD structure, the drain, of the source for example can be only the drain side connected to the bit line.
次に、この様なLDD構造を採用したセル構造の場合の空乏層の伸び及び電界強度分布について具体的に検討する。 It will be specifically discussed elongation and electric field strength distribution of a depletion layer in the case of a cell structure employing such a LDD structure. 図49(a)(b)は、このセル構造の例えばドレイン側接合に着目した模式的pn接合構造と電界分布を、図42(a)(b)と対応させて示している。 Figure 49 (a) (b) is a schematic pn junction structure and electric field distribution for example focused on the drain side junction of the cell structure is shown in correspondence with FIG. 42 (a) (b). n型拡散層は低ドナー濃度ndの領域と高ドナー濃度NDの領域からなり、p型拡散層は、低アクセプタ濃度naの領域と高アクセプタ濃度NAの領域とからなる。 n-type diffusion layer is composed of areas of a region of low donor concentration nd and high donor concentration ND, p-type diffusion layer is composed of a low acceptor concentration na region and the high acceptor concentration NA of the region. 低ドナー濃度ndの領域の幅はLnとし、低アクセプタ濃度naの領域の幅はLpとしてある。 The width of the region of the low donor concentration nd is set to Ln, width of the low acceptor concentration na region is as Lp. 高ドナー濃度NDの領域と高アクセプタ濃度NAの領域はそれぞれ、ビット線コンタクト及びソース線コンタクトの抵抗やトランジスタ特性上必要とされる制約で決まる濃度を持つものとする。 Each region and the region of high acceptor concentration NA of the high donor concentration ND is assumed to have a density which is determined by the constraints required on resistance and transistor characteristics of the bit line contact and source line contact.
空乏層の伸びが、Xp>Lp,Xn>Lnとなる様な逆バイアス条件を仮定する。 Extension of a depletion layer is, Xp> Lp, assume Xn> Ln become such a reverse bias conditions. このとき、ポアソンの方程式は、数32に対して、次の数37のように表される。 In this case, the equation of Poisson, with the number 32, is represented by Equation 37. 高アクセプタ濃度NAの領域の電位φA,電界EAに対して、低アクセプタ濃度naの領域の電位,電界をそれぞれφa,Eaとし、高ドナー濃度NDの領域の電位φD,電界EDに対して、低ドナー濃度ndの領域の電位,電界をそれぞれφd,Edとして示す。 High acceptor concentration NA of the region of potential .phi.A, to the electric field EA, low acceptor concentration na areas of potential, the electric field respectively .phi.a, and Ea, high donor concentration ND regions of potential [phi] D, to the electric field ED, low the potential of the regions of the donor concentration nd, the electric fields shown .phi.d, as Ed.
境界条件は、次の数38で表される。 Boundary condition is expressed by the following equation 38.
数37を解くと、下記数39が得られる。 Solving the number 37, the following Expression 39 is obtained.
数39において、A〜Hは、数38の境界条件で決まる定数である。 In Equation 39, A to H is a constant determined by the boundary conditions of the number 38. 数39の解を数38の境界条件の式に代入すると、次の数40が得られる。 Substituting the solution to the number 39 in formula boundary conditions of a few 38, the number of the next 40 are obtained.
数40の10個の方程式を解くと、10個の変数Xn,Xp,A〜Hが求められる。 Solving the 10 equations of the number 40, 10 variables Xn, Xp, is A~H are required. 空乏層の幅Ln,Lpは、次の数41で表される。 Width Ln of the depletion layer, Lp is expressed by the following equation 41.
電界強度分布は、図49(b)のようになり、最大電界Emaxは、X=0の点でのそれであり、数39の第3式から、下記数42で与えられる。 Electric field strength distribution is as shown in FIG. 49 (b), the maximum electric field Emax is that in terms of X = 0, the third equation number 39 is given by the following Expression 42.
以上において計算したXp,Xn及びEmaxを具体的な数値を入れて求めた結果を次に説明する。 Described below calculated Xp, the results obtained by putting concrete numerical values Xn and Emax hereinabove.
図50は、p型拡散層の高アクセプタ濃度をNA=5×10 18 /cm 3 、低アクセプタ濃度をna=1×10 17 /cm 3 、n型拡散層の高ドナー濃度をND=1×10 19 /cm 3 、低ドナー濃度をnd=2×10 17 /cm 3とし、印加電圧をV=2.0V、周囲温度を85℃として、低ドナー濃度領域の幅をLn=0.03μmに固定した場合の、低アクセプタ濃度領域の幅Lpと、空乏層の伸びXn,Xpの関係を求めた結果である。 Figure 50 is a high donor concentration of the high acceptor concentration of NA = 5 × 10 18 / cm 3, a low acceptor concentration na = 1 × 10 17 / cm 3, n -type diffusion layer of the p-type diffusion layer ND = 1 × 10 19 / cm 3, a low donor concentration of nd = 2 × 10 17 / cm 3, the applied voltage V = 2.0 V, as 85 ° C. to ambient temperature, the width of the low donor concentration region Ln = 0.03 .mu.m in the case of fixed, the width Lp of the low acceptor concentration region, the depletion layer of the elongation Xn, is the result of the obtained relation Xp.
図51は、同様の条件で最大電界強度Emaxを求めた結果である。 Figure 51 is a result of obtaining the maximum electric field strength Emax under the same conditions.
これらの結果から、Lp=0.025μmに設定すれば、Xp=0.03μmとなり、最大電界強度はEmax=5.0×10 5 V/cmとなる。 These results, when set to Lp = 0.025μm, Xp = 0.03μm, and the maximum electric field intensity becomes Emax = 5.0 × 10 5 V / cm.
図52は、上述の最大電界強度のときの図48のセル構造における空乏層の拡がり方と各部の寸法をドレイン領域側について示している。 Figure 52 shows the drain region side dimensions of each part and spread of the depletion layer in the cell structure of Figure 48 at the maximum electric field strength described above.
上述の最大電界強度は、図42で解析したように、ソース、ドレイン拡散層に低濃度層がない場合のそれに比べて、1/3以下になっている。 The maximum electric field intensity of the above, as analyzed in Figure 42, the source, in comparison with that in the absence of a low concentration layer on the drain diffusion layer, and is 1/3 or less. 従って、図48に示したように、バルク領域を高濃度層と低濃度層により形成すると同時に、ドレイン及びソースをLDD構造とすることによって、最大電界強度を抑えてリーク電流を小さくすること、また基板バイアス効果を十分に発揮させることが可能になる。 Accordingly, as shown in FIG. 48, at the same time to form a bulk region high concentration layer and a low concentration layer, by the drain and the source and LDD structure, to reduce the leakage current by suppressing the maximum electric field strength, also it is possible to sufficiently exhibit the substrate bias effect. 即ち、先の相反する条件1,2を満足して、優れたDRAM特性を得ることができる。 That is, to satisfy the foregoing contradictory conditions 1 and 2, it is possible to obtain excellent DRAM characteristics.
次に、図48に示したメモリセルMCの構造を実現するための具体的な製造方法を、図53乃至図56を参照して説明する。 Next, a specific manufacturing method for realizing the structure of the memory cell MC shown in FIG. 48 will be described with reference to FIG. 53 through FIG. 56. 図48のメモリセルMCは実際には、図3及び図4で説明したと同様のセルアレイとして配置される。 Memory cell MC of FIG. 48 is in fact arranged as the same cell array as described in FIG. 3 and FIG. 4. 即ち、p型シリコン層12は、紙面に直交する方向の側面が素子分離絶縁膜に接する状態でストライプ状の素子領域としてパターン形成されるが、その素子分離工程の説明は省略する。 Ie, p-type silicon layer 12 is the direction of side surfaces perpendicular to the paper surface is patterned as stripes of the element region in a state in contact with the element isolation insulating film, a description of the isolation process is omitted.
図53に示すように、p型シリコン層12(低濃度p型層12aとなる)の表面にまず、素子領域に開口を持つマスク31を形成し、更にこのマスク31の開口側壁に側壁絶縁膜32を形成する。 As shown in FIG. 53, first, the surface of the p-type silicon layer 12 (a low concentration p-type layer 12a), a mask 31 having openings in the element region, further sidewall insulating film in the opening side wall of the mask 31 32 to the formation. 具体的に、マスク31は例えばシリコン酸化膜を堆積してRIEによりパターニングする。 Specifically, the mask 31 is patterned by RIE by depositing a silicon oxide film, for example. そして、シリコン窒化膜を堆積し、エッチバックを行って側壁絶縁膜32として残す。 Then, depositing a silicon nitride film, it left as a sidewall insulating film 32 etched back. この状態で、ボロンイオン注入を行って、p型シリコン層12に高濃度のp +型層12bを形成する。 In this state, by performing a boron ion implantation to form the high-concentration p + -type layer 12b on the p-type silicon layer 12.
次に、図54に示すように、側壁絶縁膜32を選択的にエッチング除去した後、露出したp型シリコン層12の表面にゲート絶縁膜16を形成し、多結晶シリコン膜を堆積して平坦化処理を行って、ゲート電極13を埋め込む。 Next, as shown in FIG. 54, after selectively etching away the sidewall insulating film 32, a gate insulating film 16 on the surface of the exposed p-type silicon layer 12, flat by depositing a polycrystalline silicon film performing processing, embedding the gate electrodes 13.
次いで、マスク31をエッチング除去し、ゲート電極13をマスクとして砒素イオン注入を行って、低濃度のドレイン、ソース拡散層14a,15aを形成する。 Then, the mask 31 is removed by etching, performing arsenic ion implantation using the gate electrode 13 as a mask to form lightly doped drain, source diffusion layer 14a, a 15a. そして、図46に示すように、ゲート電極13の側壁に側壁絶縁膜33を形成し、再度砒素イオン注入を行って、高濃度のドレイン、ソース拡散層14b,15bを形成する。 Then, as shown in FIG. 46, to form the sidewall insulating film 33 on the side walls of the gate electrode 13 by performing an arsenic ion implantation is formed again high concentration drain, source diffusion layer 14b, and 15b. この後、サリサイド工程によって、図48に示すように、ドレイン、ソース拡散層14,15及びゲート電極13上に金属シリサイド膜18を形成する。 Thereafter, by salicide process, as shown in FIG. 48, the drain to form a metal silicide film 18 on the source diffusion layers 14 and 15 and the gate electrode 13.
以上のように、ゲート電極の形成にダマシーン法を適用することにより、トランジスタのバルク領域のうち、チャネル長方向の中央部にセルフアラインされた状態でp +型層12bを形成することができる。 As described above, by applying the damascene method for forming the gate electrode, of the bulk region of the transistor, it is possible to form the p + -type layer 12b in a state of being self-aligned to the central portion of the channel length direction.
セルトランジスタのバルク領域中央部を高濃度層とする構造は、セルトランジスタをプレーナ構造とする場合に限られない。 Structure for the bulk region center portion of the cell transistor and the high concentration layer is not limited to the case of the cell transistor and a planar structure. 図57A及び図57Bは、柱状の半導体層を用いて、この発明に係る1トランジスタ/1セル構造を実現した実施の形態について、一つのメモリセルMC部の平面図とそのA−A'断面図を示している。 Figure 57A and Figure 57B, using a columnar semiconductor layer, 1 for the embodiment which realizes the transistor / one-cell structure, a plan view of one memory cell MC portion and its A-A 'cross-sectional view according to the present invention the shows.
シリコン基板40に、柱状シリコン層49が形成されて、この柱状シリコン層49の側周面を利用して、いわゆるSGT(Surrounding GateTransistor)が作られる。 The silicon substrate 40, the pillar-shaped silicon layer 49 is formed, by utilizing the side peripheral surface of the pillar-shaped silicon layer 49, a so-called SGT (Surrounding GateTransistor) is made. 柱状シリコン層49は、底部にn +型ソース拡散層43が形成され、高さ方向に、p型層45により挟まれた状態でp +型層46を有する。 Pillar-shaped silicon layer 49, n + -type source diffusion layer 43 is formed on the bottom, in the height direction, having a p + -type layer 46 in a state of being sandwiched between the p-type layer 45. 柱状シリコン層49の表面にはn +型ドレイン拡散層44が形成される。 The surface of the pillar-shaped silicon layer 49 n + -type drain diffusion layer 44 is formed.
柱状シリコン層41の側周面にゲート絶縁膜41が形成され、これを取り囲んでゲート電極42が形成される。 The gate insulating film 41 is formed on the side peripheral surface of the pillar-shaped silicon layer 41, gate electrode 42 is formed surrounding this. ゲート電極42は、一方向に連続的に形成されてワード線WLとなる。 The gate electrode 42 is a word line WL is continuously formed in one direction. この様に形成されたSGTは層間絶縁膜47で覆われ、この上にビット線(BL)48が形成される。 SGT formed in this manner is covered with an interlayer insulating film 47, the bit line (BL) 48 is formed on this. ビット線48は、n +型拡散層44に接続される。 Bit line 48 is connected to the n + -type diffusion layer 44.
このSGT構造のメモリセルも、バルク領域がフローティングであり、先の実施の形態で説明したと同様の書き込み方式により、バルク領域に過剰の多数キャリアを保持し、或いはこれを放出するという動作により、ダイナミックなデータ記憶ができる。 Also the memory cell of this SGT structure, a bulk region floating, the same programming method as that described in the above embodiment, the operation of holding the excess majority carriers in the bulk region, or to release it, it is dynamic data storage. そして、バルク領域の中央部に配置した高濃度p +型層46と低濃度p型層45との不純物濃度や寸法の最適化を行うことによって、二値データのしきい値電圧差を大きくする十分な基板バイアス効果が得られ、またリーク電流を低減して優れたデータ保持特性を得ることが可能になる。 Then, by performing optimization of the impurity concentration and dimension of the high-concentration p + -type layer 46 disposed in a central portion of the bulk region and the low concentration p-type layer 45, to increase the threshold voltage difference between the binary data sufficient substrate bias effect can be obtained and it becomes possible to obtain excellent data retention characteristics by reducing the leakage current.
図58A及び図58Bは、更に他の実施の形態による1トランジスタ/1セルのDRAMセル構造を示している。 Figure 58A and Figure 58B further illustrates the DRAM cell structure of one-transistor / one cell according to another embodiment. 図58Aは、ビット線(BL)58を仮想線で示して、それ以下の構造を分かりやすくした斜視図であり、図58Bはビット線方向に沿った断面図を示している。 Figure 58A is illustrates the bit line (BL) 58 in phantom, is the perspective view clarity of less structure, FIG. 58B is a cross-sectional view taken along the bit line direction.
この実施の形態の場合、シリコン基板50上にシリコン酸化膜51で分離されたp型シリコン層52(これが低濃度層52aとなる)が、上面及び両側面を露出した状態で島状に形成される。 In this embodiment, p-type silicon layer 52 is separated by the silicon oxide film 51 on the silicon substrate 50 (which has a low concentration layer 52a) is formed in an island shape in a state of exposing the upper surface and both side surfaces that. そしてこのシリコン層52の上面及び両側面に、ゲート絶縁膜54を介してゲート電極54を形成して、セルトランジスタが構成される。 And on the upper surface and both side surfaces of the silicon layer 52, to form the gate electrode 54 via the gate insulating film 54, the cell transistor is formed. ゲート電極54は一方向に連続的にパターニングされてワード線WLとなる。 The gate electrode 54 is continuously patterned in one direction the word line WL.
シリコン層52のトランジスタ領域には、チャネル長方向中央部に高濃度のp +型層52bが形成される。 The transistor region of the silicon layer 52, high-concentration p + -type layer 52b is formed in the channel length direction central portion. ドレイン、ソース拡散層55,56は、低濃度n型拡散層55a,56aと高濃度n +型拡散層55b,56bとから構成されたLDD構造としている。 Drain, source diffusion layers 55, 56 and LDD structure composed of lightly doped n-type diffusion layer 55a, 56a and the high-concentration n + -type diffusion layer 55b, and 56b. トランジスタ領域は層間絶縁膜57で覆われ、この上にドレイン拡散層にコンタクトするビット線58が形成される。 Transistor region is covered with an interlayer insulating film 57, the bit line 58 to contact the drain diffusion layer on the is formed.
この実施の形態のメモリセルも、バルク領域がフローティングであり、先の実施の形態で説明したと同様の書き込み方式により、バルク領域に過剰の多数キャリアを保持し、或いはこれを放出するという動作により、ダイナミックなデータ記憶ができる。 Also the memory cell of this embodiment, a bulk region floating, the same programming method as that described in the above embodiment, the operation of holding the excess majority carriers in the bulk region, or to release it can dynamic data storage. そして、バルク領域の中央部に配置した高濃度p +型層52bと低濃度p型層52aとの不純物濃度や寸法の最適化を行うことによって、二値データのしきい値電圧差を大きくする十分な基板バイアス効果が得られ、またリーク電流を低減して優れたデータ保持特性を得ることが可能になる。 Then, by performing optimization of the impurity concentration and dimension of the high-concentration p + -type layer 52b and the low-concentration p-type layer 52a disposed in the center portion of the bulk region to increase the threshold voltage difference between the binary data sufficient substrate bias effect can be obtained and it becomes possible to obtain excellent data retention characteristics by reducing the leakage current.
先に図3及び図4を用いて、4F 2の単位セル面積を持つセルアレイ構成を簡単に説明したが、より具体的なセルアレイ構造と製造方法の実施の形態を次に説明する。 Previously with reference to FIGS. 3 and 4, have been briefly described cell array structure having a unit cell area of 4F 2, will now be described an embodiment of a more specific cell array structure and manufacturing method. 図59Aはセルアレイのレイアウトであり、図59BはそのI−I'断面図、図59Cは同じくII−II'断面図である。 Figure 59A is a cell array layout, FIG. 59B is its II 'sectional view, FIG. 59C is also II-II' is a cross-sectional view. シリコン基板101にシリコン酸化膜等の絶縁膜102が形成され、この上にp型シリコン層103が形成されたSOI基板を用いている。 An insulating film 102 such as a silicon oxide film is formed on the silicon substrate 101, the SOI substrate is used for p-type silicon layer 103 is formed thereon. シリコン層103は、STI法による素子分離絶縁膜109が埋め込まれて、ビット線BLの方向に細長いストライプ状の素子形成領域が、ワード線WLの方向に所定ピッチで区画されている。 Silicon layer 103 is buried element isolation insulating film 109 by an STI method, an elongated stripe-shaped element forming region in the direction of the bit line BL is partitioned at a predetermined pitch in the direction of the word line WL.
この様に素子分離されたシリコン層103にトランジスタがマトリクス配列されている。 Transistors are arranged in a matrix on the silicon layer 103 which is the isolation in this manner. 即ちシリコン層103にゲート絶縁膜104を介してゲート電極105がワード線WLとして連続するようにパターン形成されている。 That gate electrode 105 through the gate insulating film 104 on the silicon layer 103 is patterned so as to be continuous as the word line WL. ゲート電極105の上面及び側面は、後に形成される層間絶縁膜110,115とのエッチング選択比が大きくとれる保護膜としてシリコン窒化膜106で覆われている。 Upper and side surfaces of the gate electrode 105, etching selectivity of the interlayer insulating film 110, 115 to be formed later is covered with the silicon nitride film 106 as a large take protective film. ゲート電極105に自己整合的にソース及びドレイン拡散層107,108が形成されている。 Self-aligned manner the source and drain diffusion layers 107 and 108 are formed on the gate electrode 105. ソース,ドレイン拡散層107,108はシリコン層103の底部の絶縁膜102に達する深さに形成されている。 Source, drain diffusion layers 107 and 108 are formed to a depth reaching the insulating film 102 at the bottom of the silicon layer 103.
トランジスタが形成された面はシリコン酸化膜等の層間絶縁膜110により覆われて、平坦化されている。 Surface which a transistor is formed is covered with an interlayer insulating film 110 such as a silicon oxide film is planarized. この層間絶縁膜110に、ソース拡散層107に対するコンタクト孔111が、ワード線WLの方向に連続するストライプ状に開けられ、ここに多結晶シリコン膜或いはWSi等によるソース配線層112が埋め込まれている。 In the interlayer insulating film 110, contact holes 111 to the source diffusion layer 107, opened in stripes continuous in the direction of the word line WL, the source wiring layer 112 is embedded by here polycrystalline silicon film or WSi, etc. .
ソース配線層112が埋め込まれた層間絶縁膜110上には更にシリコン酸化膜等の層間絶縁膜115が形成され、平坦化されている。 Interlayer insulating film 115 further such as a silicon oxide film on the interlayer insulating film 110 to a source wiring layer 112 is embedded is formed, it is planarized. この層間絶縁膜115に、ドレイン拡散層108に対するコンタクト孔116が開けられ、ここに多結晶シリコン膜等のコンタクトプラグ117が埋め込まれる。 In the interlayer insulating film 115, contact holes 116 are opened for the drain diffusion layer 108, a contact plug 117 such polycrystalline silicon film is buried here. そして層間絶縁膜115上には、コンタクトプラグ117を共通接続するように、ワード線WLと交差するビット線(BL)118が形成されている。 On the interlayer insulating film 115, as commonly connecting the contact plug 117, the bit lines (BL) 118 intersecting the word lines WL are formed.
次に具体的な製造工程を説明する。 Next will be described a specific manufacturing process. 図60A,図60B及び図60Cは、SOI基板のp型シリコン層103に素子分離絶縁膜109を形成した段階の平面図とそのI−I'及びII−II'断面図を示している。 Figure 60A, Figure 60B and Figure 60C is a plan view of a step of forming an element isolation insulating film 109 in the p-type silicon layer 103 of the SOI substrate with its II 'and II-II' cross section. これは例えば、シリコン層103をRIEによりエッチングして素子分離溝を形成し、この素子分離溝に素子分離絶縁膜109を埋め込むことにより得られる。 This example, a silicon layer 103 is etched to form an isolation trench by RIE, obtained by embedding the element isolation insulating film 109 in the element isolation trench. これにより、シリコン層103には、ビット線の方向に連続する複数本のストライプ状の素子形成領域が区画されたことになる。 Thus, the silicon layer 103, a plurality striped element forming region of the continuous in the direction of the bit lines will have been partitioned.
図61A,図61B及び図61Cは、シリコン層103にトランジスタを配列形成した段階の平面図とそのI−I'及びII−II'断面図である。 Figure 61A, Figure 61B and Figure 61C is a plane view and an II 'and II-II' sectional view of the stage of transistor arrays formed in the silicon layer 103. 即ちゲート絶縁膜104を介してゲート電極105をワード線WLとして連続するようにパターン形成する。 That is patterned to continuously gate electrode 105 as a word line WL via the gate insulating film 104. ゲート電極106の上面及び側面はシリコン窒化膜106で覆われた状態とする。 Upper and side surfaces of the gate electrode 106 is the state of being covered with the silicon nitride film 106. このゲート電極保護構造は、具体的には、多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜の積層膜をパターニングし、更にその側壁にシリコン窒化膜を形成することにより、得られる。 The gate electrode protection structure, specifically, a laminated film of a polysilicon film and a silicon nitride film is patterned, further by forming a silicon nitride film on the side wall, is obtained. そしてゲート電極105をマスクとしてイオン注入を行って、ソース,ドレイン拡散層107,108を形成する。 And performing ion implantation using the gate electrode 105 as a mask to form source and drain diffusion layers 107 and 108.
図62A及び図62Bは、素子形成された基板を層間絶縁膜110で覆い、この層間絶縁膜110にソース配線層112を埋め込み形成した段階の平面図とそのI−I'断面図である。 Figure 62A and Figure 62B covers the substrate which is the element formed in the interlayer insulating film 110 is a plane view and an I-I 'cross section of the interlayer insulating film stage 110 to form buried source wiring layer 112. 即ちシリコン酸化膜等の層間絶縁膜110を平坦に形成した後、RIEによりソース拡散層107上にワード線WLと平行にストライプ状に連続するコンタクト孔111を開口する。 That is, after forming an interlayer insulating film 110 such as a silicon oxide film flat, opening the contact hole 111 that is continuous with parallel stripes and the word line WL on the source diffusion layer 107 by RIE. そして、多結晶シリコン膜を堆積し、エッチバックして、コンタクト孔111にソース配線層112を埋め込み形成する。 Then, a polycrystalline silicon film, is etched back to form embedded source wiring layer 112 in the contact hole 111.
図63A及び図63Bは、ソース配線層112が形成された層間絶縁膜110上に更に層間絶縁膜115を形成し、この層間絶縁膜115にドレイン拡散層108に対するコンタクトプラグ117を埋め込んだ段階の平面図とそのI−I'断面図である。 Figure 63A and Figure 63B is further formed an interlayer insulating film 115 on the interlayer insulating film 110 to a source wiring layer 112 is formed, a plane of the step of embedding a contact plug 117 in the interlayer insulating film 115 for the drain diffusion layer 108 Figure and its I-I 'cross section. 即ちシリコン酸化膜等の層間絶縁膜115を平坦に形成した後、RIEによりドレイン拡散層108上にコンタクト孔116を開口する。 That was flat forming an interlayer insulating film 115 such as a silicon oxide film, opening the contact holes 116 on the drain diffusion layer 108 by RIE. そして、多結晶シリコン膜を堆積し、エッチバックして、コンタクト孔116にコンタクトプラグ117を埋め込み形成する。 Then, a polycrystalline silicon film, is etched back to form embedded contact plug 117 in the contact hole 116. この後、図59Bに示すように、層間絶縁膜115上に、コンタクトプラグ117を共通接続するようにビット線118を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 59B, on the interlayer insulating film 115, to form a bit line 118 so as to commonly connect the contact plug 117.
以上のようにして、ワード線WL及びビット線BLを最小加工寸法Fのピッチで形成して、図59Aに一点鎖線で示したように、4F 2のセル面積を持つDRAMセルアレイが得られる。 As described above, to form a word line WL and bit line BL at a pitch of a minimum feature size F, as indicated by one-dot chain line in FIG. 59A, DRAM cell array having a cell area of 4F 2 is obtained. 図60Aに示したような素子分離構造とした場合、ソース拡散層107は、ワード線WLの方向に飛び飛びに形成されるが、この実施の形態の場合、このソース拡散層107を共通接続するようにソース配線層112を形成することにより、低抵抗の共通ソース線が得られる。 If the element isolation structure shown in FIG. 60A, the source diffusion layer 107, as are formed at intervals in the direction of the word line WL, the case of this embodiment, the common connection of the source diffusion layer 107 and forming a source wiring layer 112, the common source line of low resistance is obtained.
ソース配線層112のコンタクト孔111及びビット線コンタクトプラグ117のためのコンタクト孔116は、いずれも、シリコン窒化膜106で保護されたゲート電極105に自己整合されて形成される。 Contact holes 116 for the contact holes 111 and the bit line contact plug 117 of the source wiring layer 112 are both formed by being self-aligned to the gate electrode 105 which is protected by the silicon nitride film 106. 従って、コンタクト孔加工のRIEの工程でマスク開口をFより大きい状態とすることにより、マスクの合わせずれの影響を受けることなく、コンタクト孔を形成することが可能である。 Therefore, by setting the mask openings and F greater than the state in the process of the contact hole processing of RIE, without being affected by the misalignment of the mask, it is possible to form a contact hole.
上記実施の形態の場合、図63Aに示したように、ビット線のコンタクト孔116は、ドレイン拡散層108上にのみ形成している。 For the above-described embodiment, as shown in FIG. 63A, the bit line contact hole 116 is formed only on the drain diffusion layer 108. これに対して、図64に示したように、ビット線のコンタクト孔116bを、ソースのコンタクト孔111と同様に、ワード線WL方向に連続するストライプ状に形成することもできる。 In contrast, as shown in FIG. 64, a contact hole 116b of the bit lines, similar to the contact hole 111 of the source can be formed in a stripe shape continuous to the word line WL direction. この場合、ビット線のコンタクトプラグ117もストライプ状に埋め込まれるが、これは最終的にビット線BLの下のみに残るようにする必要がある。 In this case, also the contact plug 117 of the bit lines are embedded in a stripe pattern, which it is necessary to finally remain only under the bit line BL. これは例えば、ビット線BLをパターン形成した後、ビット線BLをマスクとしてコンタクトプラグ117をエッチングすればよい。 This example, after the patterned bit line BL, a contact plug 117 may be etched using the bit line BL as a mask.
上記実施の形態において、ソース配線層112の上面及び側面をゲート電極105と同様に保護膜で覆うようにすれば、ビット線コンタクトの合わせ余裕は更に大きいものとなる。 In the above embodiment, when the upper and side surfaces of the source wiring layer 112 so as to cover with the protective film in the same manner as the gate electrode 105, alignment margin of the bit line contact becomes more larger. その様な実施の形態を次に説明する。 It will now be described such an embodiment.
図61Bの素子形成工程までは先の実施の形態と同様であり、それ以降の工程を、図61Bの断面対応の断面のみを用いて説明する。 Until device forming step in Fig. 61B is similar to the previous embodiment, the subsequent operation will be described with reference to only the cross-section corresponding in cross-section in FIG. 61B. まず図65に示すように素子形成された基板にシリコン酸化膜等の層間絶縁膜201を堆積し、エッチバックして平坦化する。 First interlayer insulating film 201 such as a silicon oxide film is deposited on the substrate which is element formed as shown in FIG. 65, is planarized by etch back. ここでは、ゲート電極105を覆うシリコン窒化膜106をストッパとしてエッチングして、層間絶縁膜201をゲート間隙に埋め込んでいる。 Here, by etching the silicon nitride film 106 covering the gate electrode 105 as a stopper, which embeds the interlayer insulating film 201 on the gate gap.
この後、図66に示すように、層間絶縁膜201に、ソース及びドレイン拡散層107,108に対するコンタクト孔を開口し、多結晶シリコンの堆積とエッチバックにより、それぞれにコンタクトプラグ202,203を埋め込む。 Thereafter, as shown in FIG. 66, the interlayer insulating film 201, and a contact hole to the source and drain diffusion layers 107 and 108, the deposition and etching back of polysilicon, filling the contact plugs 202 and 203 respectively . コンタクト孔開口のRIEに際しては、ビット線BLの方向に連続するストライプ状の開口をもつマスクを用いれば、ゲート電極105の間隙に自己整合されたコンタクト孔が形成される。 In RIE the contact hole opening, using a mask having a stripe-shaped opening continuous in the direction of the bit line BL, and a contact hole which is self-aligned to the gap between the gate electrode 105 is formed. 但し、ソース拡散層107上のコンタクトプラグ202は、先の実施の形態と同様に、ワード線WLと平行に連続するものであってもよい。 However, the contact plugs 202 on the source diffusion layer 107, similarly to the above embodiment, but may be continuously in parallel with the word lines WL.
この後、図67に示すように、ソース拡散層107上のコンタクトプラグ202をワード線WL方向に共通接続するソース配線層204をパターン形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 67, to pattern the source wiring layer 204 commonly connecting the contact plug 202 on the source diffusion layer 107 in the direction of the word line WL. ソース配線層204の上面及び側面は保護膜であるシリコン窒化膜205で覆われるようにする。 Upper and side surfaces of the source wiring layer 204 to be covered with the silicon nitride film 205 as a protective film. この保護構造は具体的には、多結晶シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜をパターン形成してソース配線層204を形成し、更にその側面にシリコン窒化膜を形成すれば得られる。 The protective structure is specifically, a stacked film of a polysilicon film and a silicon nitride film patterned to form a source wiring layer 204, be obtained by further forming a silicon nitride film on the side surface.
次に、図68に示すように再度シリコン酸化膜等の層間絶縁膜206を堆積し、平坦化する。 Then, an interlayer insulating film 206 of a silicon oxide film or the like again, as shown in FIG. 68, to flatten. そして、デュアルダマシーン(Dual Damascene)法により層間絶縁膜206にビット線の配線埋め込み溝とコンタクト孔を形成し、図69に示すようにビット線207を埋め込む。 Then, the wiring buried trench and the contact hole of the bit lines are formed in the interlayer insulating film 206 by the dual damascene (Dual Damascene) method, embedding the bit line 207 as shown in FIG. 69.
この実施の形態によれば、ソース配線層204の周囲をシリコン窒化膜205により保護しているため、ビット線コンタクトのビット線方向の幅を十分に大きくすることができる。 According to this embodiment, since the protected by the silicon nitride film 205 around the source wiring layer 204, the width of the bit line direction of the bit line contacts can be sufficiently increased. これにより、位置合わせずれの影響を受けることなく、低抵抗のビット線コンタクトをとることができる。 Thus, without being affected by the misalignment, it may take the bit line contact of low resistance.
上記した二つの実施の形態では、図60Aに示したように、ストライプ状に連続する素子形成領域を区画した。 The two embodiments described above, as shown in FIG. 60A, and partitioning the element formation region continuous in stripes. 各素子形成領域は従って、ワード線方向には連続していない。 Each element forming regions is thus not continuous in the word line direction. これに対して図70に示すように、ストライプ状の素子形成領域が、ソース拡散層が形成される位置でワード線方向に連続するように素子形成領域を区画することもできる。 On the other hand, as shown in FIG. 70, the stripe-shaped element forming region, it is also possible to partition the element formation region so as to be continuous in the word line direction at the position where the source diffusion layer is formed. この場合には、ソース拡散層自体がワード線方向に連続して形成されて、それ自身共通ソース線となるが、この場合にも上記実施の形態のようにソース配線層112を形成することは、共通ソース線の低抵抗化にとって有効である。 In this case, the source diffusion layer itself is formed continuously in the word line direction, it becomes itself a common source line, also in this case to form a source wiring layer 112 as in the embodiment described above , it is effective to reduce the resistance of the common source line.
この発明は上記実施の形態に限られない。 The invention is not limited to the above embodiment. 実施の形態ではp型シリコン層に形成したNMOSトランジスタを用いたが、n型シリコン層を用いたPチャネルMOSトランジスタをメモリセルとしても同様の原理でダイナミック記憶が可能である。 In the embodiment using the NMOS transistor formed in the p-type silicon layer, but the P-channel MOS transistor using n-type silicon layer is capable of dynamic storage on the same principle as a memory cell. この場合、多数キャリアして電子のバルク領域でのと蓄積と放出を利用することになる。 In this case, the use of preparative accumulation and release of an electron in the bulk region and majority carriers.
また、実施の形態ではSOI基板を用いたが、pn接合分離によりフローティングとした半導体層を用いたMOSトランジスタにより、同様の原理のメモリセルを構成することも可能である。 Further, in the embodiment is used an SOI substrate, a MOS transistor using a semiconductor layer that was floating by pn junction isolation, it is also possible to configure the memory cell of the same principle.
以上述べたようにこの発明によれば、単純なトランジスタ構造をメモリセルとして、少ない信号線でデータのダイナミック記憶を可能とした半導体メモリ装置を提供することができる。 According to the present invention as mentioned above, a simple transistor structure as a memory cell, it is possible to provide a semiconductor memory device capable of dynamic storage of data in fewer signal lines.
【図1】この発明によるDRAMのメモリセル構造を示す断面図である。 1 is a cross-sectional view showing a memory cell structure of a DRAM according to the present invention.
【図2】同DRAMのメモリセルの等価回路である。 FIG. 2 is an equivalent circuit of the memory cell of the DRAM.
【図3】同DRAMのメモリセルアレイのレイアウトである。 FIG. 3 is a layout of the DRAM of the memory cell array.
【図4】図3のA−A'及びB−B'断面図である。 4 is a A-A 'and B-B' sectional view of FIG.
【図5】同DRAMセルのワード線電位とバルク電位の関係を示す図である。 5 is a diagram showing the relationship between the word line potential and the bulk potential of the DRAM cell.
【図6】同DRAMセルの読み出し方式を説明するための図である。 6 is a diagram for explaining a read method of the DRAM cell.
【図7】同DRAMセルの他の読み出し方式を説明するための図である。 7 is a diagram for explaining another method of reading the DRAM cell.
【図8】同DRAMの"1"データ読み出し/リフレッシュの動作波形を示す図である。 8 is a diagram showing a "1" operation waveform of the data read / refresh the DRAM.
【図9】同DRAMの"0"データ読み出し/リフレッシュの動作波形を示す図である。 9 is a diagram showing a "0" operation waveform of the data read / refresh the DRAM.
【図10】同DRAMの"1"データ読み出し/"0"データ書き込みの動作波形を示す図である。 10 is a diagram showing a "1" data read / "0" operation waveform of the data writing in the same DRAM.
【図11】同DRAMの"0"データ読み出し/"1"データ書き込みの動作波形を示す図である。 11 is a diagram showing a "0" data read / "1" operation waveform of the data writing in the same DRAM.
【図12】同DRAMの他の読み出し方式による"1"データ読み出し/リフレッシュの動作波形を示す図である。 12 is a diagram showing a "1" operation waveform of the data read / refresh according to another readout method of the DRAM.
【図13】同DRAMの他の読み出し方式による"0"データ読み出し/リフレッシュの動作波形を示す図である。 13 is a diagram showing a "0" operation waveform of the data read / refresh according to another readout method of the DRAM.
【図14】同DRAMの他の読み出し方式による"1"データ読み出し/"0"データ書き込みの動作波形を示す図である。 14 is a diagram showing a "1" data read / "0" operation waveform of the data writing by other read method of the DRAM.
【図15】同DRAMの他の読み出し方式による"0"データ読み出し/"1"データ書き込みの動作波形を示す図である。 15 is a diagram showing a "0" data read / "1" operation waveform of the data writing by other read method of the DRAM.
【図16】同DRAMセルのゲート容量Cgb−電圧Vgbの特性を示す図である。 16 is a diagram showing the characteristics of the gate capacitance Cgb- voltage Vgb of the DRAM cell.
【図17】同DRAMセルの定電流読み出し方式による等価回路図である。 FIG. 17 is an equivalent circuit diagram according to a constant current method of reading the DRAM cell.
【図18】同DRAMセルの読み出し動作によるビット線電位変化を示す図である。 18 is a diagram showing a bit line potential change by the read operation of the DRAM cell.
【図19】同DRAMセルの"0"書き込み速度を説明するための等価回路である。 19 is an equivalent circuit for explaining a "0" write speed of the DRAM cell.
【図20】図19のp型層の電位変化を示す図である。 20 is a diagram showing a potential change of the p-type layer in FIG.
【図21】同DRAMセルの"0"データセルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 21 is a diagram showing the gate capacitance Cgb- voltage Vgb curve of "0" data cell of the same DRAM cell (in the case of p-type polycrystalline silicon gate).
【図22】同じく"0"データセルのワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係を示す図である。  Also "0" is a diagram showing the relationship of the word line potential Vwl and bulk potential VB of the data cell.
【図23】同DRAMセルの"1"データセルのワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係を示す図である。 23 is a diagram showing a "1" relationship of the word line potential Vwl and bulk potential VB of the data cells in the same DRAM cell.
【図24】"1"データセルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 [Figure 24] "1" gate capacitance Cgb- voltage Vgb curve data cell (in the case of p-type polycrystalline silicon gate). FIG.
【図25】"1"データセルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(n型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 [Figure 25] "1" is a diagram showing the gate capacitance Cgb- voltage Vgb curve data cell (in the case of n-type polycrystalline silicon gate).
【図26】"1"データセルのワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係(n型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 [Figure 26] "1" is a diagram showing the relationship of the word line potential Vwl and bulk potential VB of the data cell (in the case of n-type polycrystalline silicon gate).
【図27】"0"データセルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 [Figure 27] "0" is a diagram showing the gate capacitance Cgb- voltage Vgb curve data cell (in the case of p-type polycrystalline silicon gate).
【図28】同"0"データセルのワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係(n型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 28 is a diagram showing the same "0" relation of the word line potential Vwl and bulk potential VB of the data cell (in the case of n-type polycrystalline silicon gate).
【図29】薄いシリコン層を用いた場合の"1"データセルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 29 is a diagram showing the gate capacitance Cgb- voltage Vgb curve of "1" data cell in the case of using a thin silicon layer (in the case of p-type polycrystalline silicon gate).
【図30】同"1"データセルのワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係を示す図である。 30 is a diagram showing the relationship between the word line potential Vwl and bulk potential VB of the "1" data cell.
【図31】薄いシリコン層を用いた場合の"0"データセルのゲート容量Cgb−電圧Vgb曲線(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 31 is a diagram showing the gate capacitance Cgb- voltage Vgb curve of "0" data cell in the case of using a thin silicon layer (in the case of p-type polycrystalline silicon gate).
【図32】同"0"データセルのワード線電位Vwlとバルク電位VBの関係を示す図である。 32 is a diagram showing the relationship between the word line potential Vwl and bulk potential VB of the "0" data cell.
【図33】シリコン層の不純物濃度と"0","1"データのしきい値の差との関係を示す図である。 [Figure 33] and the impurity concentration of the silicon layer "0", is a diagram showing the relationship between the difference between the threshold of "1" data.
【図34】同じくシリコン層の不純物濃度と"1"データセルのセル電流の関係を示す図である。 34 is a diagram likewise illustrating the relationship between the cell current of the impurity concentration and the "1" data cell of the silicon layer.
【図35】同じくシリコン層の不純物濃度と読み出し時のビット線電位変化の時間の関係を示す図である。 35 is a diagram likewise illustrating the time relationship between the bit line potential change during impurity concentration and reading of the silicon layer.
【図36】"1"データセルのデータ保持時のバルク電位としきい値の関係(p型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 [Figure 36] "1" is a diagram showing data holding when the bulk potential and the threshold of the relationship between the data cell (in the case of p-type polycrystalline silicon gate).
【図37】"1"データセルのデータ保持時のバルク電位としきい値の関係(n型多結晶シリコンゲートの場合)を示す図である。 [Figure 37] "1" is a diagram illustrating a data retention time of the bulk potential and the threshold of the relationship between the data cell (in the case of n-type polycrystalline silicon gate).
【図38】この発明によるセンスアンプレイアウトの例を示す図である。 38 is a diagram showing an example of the sense amplifier layout according to the present invention.
【図39】他の実施の形態によるDRAMセル構造を図1に対応させて示す断面図である。 39 is a cross-sectional view showing in correspondence to DRAM cell structure according to another embodiment in FIG.
【図40】MOSトランジスタのバルク電位としきい値電圧の関係を示す図である。 40 is a diagram showing the relationship between the bulk potential and the threshold voltage of the MOS transistor.
【図41】図39のセル構造の有効性を検討するための予備検討のための基本的なpn接合構造とその電界分布を示す図である。 41 is a basic pn junction structure diagram showing the electric field distribution for preliminary study to examine the effectiveness of the cell structure of FIG. 39.
【図42】図39のセル構造の有効性を検討するためのドレイン側のpn接合構造とその電界分布を示す図である。 42 is a view showing pn junction structure on the drain side and the electric field distribution to examine the effectiveness of the cell structure of Figure 39.
【図43】図42における低濃度p型層の幅と空乏層の伸びの関係を示す図である。 43 is a diagram showing the elongation of the relationship width depletion layer of the low-concentration p-type layer in FIG. 42.
【図44】同じく低濃度p型層の幅と最大電界強度の関係を示す図である。 FIG. 44 is a similarly shows the relationship between the width and the maximum electric field strength of the low concentration p-type layer.
【図45】n型拡散層の濃度をより低くした場合について、図43に対応する低濃度p型層の幅と空乏層の伸びの関係を示す図である。 For Figure 45 When you lower the concentration of n-type diffusion layer is a diagram showing the elongation of the relationship of the depletion layer and the width of the low concentration p-type layer corresponding to FIG. 43.
【図46】同じく低濃度p型層の幅と最大電界強度の関係を示す図である。  which is also a diagram showing the relationship between the width and the maximum electric field strength of the low concentration p-type layer.
【図47】図39のセル構造の最適化条件での空乏層の伸びの様子を示す図である。 47 is a diagram showing a state of extension of the depletion layer at the optimum conditions of the cell structure of FIG. 39.
【図48】図39のセル構造を改良した実施の形態のセル構造を示す断面図である。 FIG. 48 is a sectional view showing a cell structure of the embodiment with an improved cell structure of FIG. 39.
【図49】図48のセル構造の有効性を検討するためのドレイン側のpn接合構造とその電界分布を示す図である。 49 is a view showing pn junction structure on the drain side and the electric field distribution to examine the effectiveness of the cell structure of Figure 48.
【図50】図49における低濃度p型層の幅と空乏層の伸びの関係を示す図である。 50 is a diagram showing the elongation of the relationship width depletion layer of the low-concentration p-type layer in FIG. 49.
【図51】同じく低濃度p型層の幅と最大電界強度の関係を示す図である。 FIG. 51 is a similarly shows the relationship between the width and the maximum electric field strength of the low concentration p-type layer.
【図52】図48のセル構造の最適化条件での空乏層の伸びの様子を示す図である。 FIG. 52 is a diagram showing a state of extension of the depletion layer at the optimum conditions of the cell structure of FIG. 48.
【図53】図48のセルの製造工程を説明するための図である。 FIG. 53 is a diagram for explaining a manufacturing process of the cell of FIG. 48.
【図54】図48のセルの製造工程を説明するための図である。 FIG. 54 is a diagram for explaining a manufacturing process of the cell of FIG. 48.
【図55】図48のセルの製造工程を説明するための図である。 FIG. 55 is a diagram for explaining a manufacturing process of the cell of FIG. 48.
【図56】図48のセルの製造工程を説明するための図である。 FIG. 56 is a diagram for explaining a manufacturing process of the cell of FIG. 48.
【図57A】他の実施の形態によるセル構造を示す平面図である。 Figure 57A is a plan view showing a cell structure according to another embodiment.
【図57B】図57AのA−A'断面図である。 Is an A-A 'sectional view of FIG. 57B] FIG 57A.
【図58A】他の実施の形態によるセル構造を示す斜視図である。 Figure 58A is a perspective view showing a cell structure according to another embodiment.
【図58B】図58Aのビット線方向に沿った断面図である。 It is a sectional view taken along the bit line direction of FIG. 58B] FIG 58A.
【図59A】好ましい実施の形態のDRAMセルアレイのレイアウトである。 Figure 59A is a preferred layout of a DRAM cell array of the embodiment.
【図59B】図59AのI−I'断面図である。 Is a I-I 'sectional view of FIG. 59B] FIG 59A.
【図59C】図59AのII−II'断面図である。 Is a II-II 'sectional view of FIG 59C] FIG 59A.
【図60A】同実施の形態の素子分離工程を示す平面図である。 Figure 60A is a plan view showing a device isolation process of the embodiment.
【図60B】図60AのI−I'断面図である。 Is a I-I 'sectional view of FIG. 60B] FIG 60A.
【図60C】図60AのII−II'断面図である。 Is a II-II 'sectional view of FIG 60C] FIG 60A.
【図61A】同実施の形態のトランジスタ形成工程を示す平面図である。 Figure 61A is a plan view showing a transistor forming process of the same embodiment.
【図61B】図61AのI−I'断面図である。 Is a I-I 'sectional view of FIG. 61B] FIG 61A.
【図61C】図61AのII−II'断面図である。 Is a II-II 'sectional view of FIG 61C] FIG 61A.
【図62A】同実施の形態のソース配線層形成工程を示す平面図である。 Figure 62A is a plan view showing the source wiring layer formation step of the same embodiment.
【図62B】図62AのI−I'断面図である。 Is a I-I 'sectional view of FIG. 62B] FIG 62A.
【図63A】同実施の形態のビット線コンタクトプラグ埋め込み工程を示す平面図である。 Figure 63A is a plan view showing a bit line contact plug filling step of the embodiment.
【図63B】図63AのI−I'断面図である。 Is a I-I 'sectional view of FIG. 63B] FIG 63A.
【図64】他のビット線コンタクトプラグ埋め込み工程を示す平面図である。 FIG. 64 is a plan view showing the other bit line contact plug embedding process.
【図65】他の実施の形態による素子形成後の層間絶縁膜形成工程を示す断面図である。 Figure 65 is a sectional view showing an interlayer insulating film forming step after the element forming according to another embodiment.
【図66】同実施の形態のコンタクトプラグ埋め込み工程を示す断面図である。 FIG. 66 is a sectional view showing a contact plug filling step of the embodiment.
【図67】同実施の形態のソース配線層形成工程を示す断面図である。 FIG. 67 is a sectional view showing a source wiring layer formation step of the same embodiment.
【図68】同実施の形態の層間絶縁膜形成工程を示す断面図である。 FIG. 68 is a sectional view showing an interlayer insulating film formation step of the same embodiment.
【図69】同実施の形態のビット線形成工程を示す断面図である。 Figure 69 is a cross-sectional view illustrating a bit line forming step of the embodiment.
【図70】他の実施の形態による素子分離構造を図60Aに対応させて示す平面図である。 [Figure 70] The element isolation structure according to another embodiment is a plan view showing in correspondence with FIG. 60A.
10…シリコン基板、11…シリコン酸化膜、12…シリコン層(フローティング)、12…ゲート酸化膜、13…ゲート電極(ワード線)、14…n型ドレイン拡散層(ビット線)、15…n型ソース拡散層(固定電位)。 10 ... silicon substrate, 11 ... silicon oxide film, 12 ... silicon layer (floating), 12 ... gate oxide film, 13 ... gate electrode (word line), 14 ... n-type drain diffusion layer (bit line), 15 ... n-type source diffusion layer (a fixed potential).
ことを特徴とする半導体メモリ装置。 The semiconductor memory device, characterized in that.
前記第2データ状態は、前記半導体層と前記ドレイン拡散層との間に順方向バイアスを与えて、前記半導体層の過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜いた状態であることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 The second data state, claims giving a forward bias between the drain diffusion layer and the semiconductor layer, wherein the excess majority carriers in the semiconductor layer is in a state of pulling the drain diffusion layer the semiconductor memory device of claim 1, wherein.
前記半導体層は、シリコン基板に絶縁膜を介して形成されたシリコン層であることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 The semiconductor layer, a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the silicon substrate is a silicon layer formed over an insulating film.
前記シリコン層がp型であり、前記トランジスタがNチャネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項3記載の半導体メモリ装置。 It said silicon layer is a p-type, semiconductor memory device according to claim 3, wherein the transistor is an N-channel MOS transistor.
選択されたトランジスタのワード線に前記第1のしきい値電圧と第2のしきい値電圧の間にあり且つ前記基準電位より高い電位を与えて、選択されたトランジスタの導通又は非導通を検出することを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 Giving higher potential than there and said reference potential during said first threshold voltage and second threshold voltage to the word line of the selected transistors, detects conduction or non-conduction of the selected transistor the semiconductor memory device according to claim 1, characterized in that.
選択されたトランジスタのワード線に前記第1及び第2のしきい値電圧より高く且つ、前記基準電位より高い電位を与えて、選択されたトランジスタの導通度を検出することを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 And higher than the first and second threshold voltages to the word line of the selected transistors, the claims are given higher potential than the reference potential, and detects the conductivity of the selected transistor 1 semiconductor memory device according.
データ読み出し時には、選択されたワード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた後に、ビット線に一定電流を流して、ビット線に現れる電位差を検知することを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 When reading data, the claims and detecting after launching higher than said selected word line and the second threshold voltage, and a constant current to the bit line, the potential difference appearing on the bit line 1 semiconductor memory device according.
データ読み出し時には、選択されたワード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 At the time of data reading, after launching higher than said selected word line and the second threshold voltage, by applying a current required to clamp the bit line at a constant voltage, to detect the difference between the current the semiconductor memory device according to claim 1, wherein.
複数のビット線に一つのセンスアンプが設けられ、その複数のビット線のうち選択された一つのビット線が前記センスアンプに接続されることを特徴とする請求項1記載の半導体メモリ装置。 One sense amplifier is provided to a plurality of bit lines, the semiconductor memory device according to claim 1, wherein one bit line selected among the plurality of bit lines, characterized in that it is connected to the sense amplifier.
前記トランジスタは、最小加工寸法をFとして、2F×2Fのセルサイズでマトリクス配列されていることを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 The transistor, the minimum feature size as F, the semiconductor memory device according to claim 10, characterized in that is a matrix array in cell size 2F × 2F.
前記ドレイン拡散層及びソース拡散層は、前記シリコン層の下方にある前記絶縁膜に達する深さに形成されていることを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 The drain diffusion layer and a source diffusion layer, a semiconductor memory device according to claim 10, characterized in that is formed to a depth reaching the insulating film at the bottom of the silicon layer.
前記第2データ状態は、前記シリコン層と前記ドレイン拡散層との間に順方向バイアスを与えて、前記シリコン層の過剰の多数キャリアをドレイン拡散層に引き抜いた状態であることを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 The second data state, claims giving a forward bias between the drain diffusion layer and the silicon layer, characterized in that the excessive majority carriers in the silicon layer is in a state of pulling the drain diffusion layer the semiconductor memory device of claim 10, wherein.
前記シリコン層がp型であり、前記トランジスタがnチャネルMOSトランジスタであることを特徴とする請求項13記載の半導体メモリ装置。 It said silicon layer is a p-type, semiconductor memory device according to claim 13, wherein the transistor is an n-channel MOS transistor.
選択されたトランジスタのワード線に前記第1のしきい値電圧と第2のしきい値電圧の間にあり且つ前記基準電位より高い電位を与えて、選択されたトランジスタの導通又は非導通を検出することを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 Giving higher potential than there and said reference potential during said first threshold voltage and second threshold voltage to the word line of the selected transistors, detects conduction or non-conduction of the selected transistor the semiconductor memory device according to claim 10, characterized in that the.
選択されたトランジスタのワード線に前記第1及び第2のしきい値電圧より高く且つ、前記基準電位より高い電位を与えて、選択されたトランジスタの導通度を検出することを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 And higher than the first and second threshold voltages to the word line of the selected transistors, the claims are given higher potential than the reference potential, and detects the conductivity of the selected transistor 10 semiconductor memory device according.
データ読み出し時には、選択されたワード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた後に、ビット線に一定電流を流して、ビット線に現れる電位差を検知することを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 When reading data, the claims and detecting after launching higher than said selected word line and the second threshold voltage, and a constant current to the bit line, the potential difference appearing on the bit line 10 semiconductor memory device according.
データ読み出し時には、選択されたワード線を前記第2のしきい値電圧よりも高く立ち上げた後に、ビット線を一定電圧にクランプするに必要な電流を流して、その電流の差を検知することを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 At the time of data reading, after launching higher than said selected word line and the second threshold voltage, by applying a current required to clamp the bit line at a constant voltage, to detect the difference between the current the semiconductor memory device according to claim 10, wherein.
複数のビット線に一つのセンスアンプが設けられ、その複数のビット線のうち選択された一つのビット線が前記センスアンプに接続されることを特徴とする請求項10記載の半導体メモリ装置。 One sense amplifier is provided to a plurality of bit lines, the semiconductor memory device according to claim 10, wherein one bit line selected among the plurality of bit lines, characterized in that it is connected to the sense amplifier.