JP2004349309A - Semiconductor storage device - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルの動作時に非選択セルからの信号の影響を小さくし、良好な読み出しが可能となるメモリセルアレイを提供する。
【解決手段】半導体基板上に構成されたメモリ機能を有する複数のトランジスタを有する半導体記憶装置において、複数のトランジスタのソース領域に接続されるビット線が複数あり、それぞれ独立してセンスする。従来、ソース領域に接続されているビット線を共通化せず複数設けることにより、選択したセルの読み出し側のビット線に接続されている非選択セルの信号の影響を小さくすることができるセルアレイを提供できる。
【選択図】 図1An object of the present invention is to provide a memory cell array in which the influence of a signal from a non-selected cell during operation of a memory cell is reduced and good reading is possible.
In a semiconductor memory device including a plurality of transistors having a memory function and formed on a semiconductor substrate, a plurality of bit lines are connected to source regions of the plurality of transistors, and sense is independently performed. Conventionally, by providing a plurality of bit lines connected to the source region without sharing, a cell array capable of reducing the influence of the signal of the unselected cell connected to the bit line on the read side of the selected cell is provided. Can be provided.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置に関する。より具体的には、不揮発性メモリ素子を配列したメモリセルアレイからなる半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図11に従来のメモリセルの平面概略図、図12に平面概略図のA−A’における断面図、図13にメモリセルアレイの回路図を示す。図12のメモリセルは例えばフラッシュメモリであり、半導体基板401上に、ゲート酸化膜402が設けられ、更にその上部に電荷保持膜となるフローティングゲート403を有している。404は絶縁膜、405はコントロールゲートである。406はソース領域、407はドレイン領域となる。408は層間絶縁膜、409の領域はビット線のコンタクト、410はビット線となるメタル配線である。フローティングゲート403の電荷の有無に応じて、コントロールゲート405から見た電界効果トランジスタのしきい値電圧が変化し、情報を読み出す。図13のセルアレイ図を用いて、動作原理を説明する。B1、B2、・・・、Bnがデータ線となるビット線であり、各メモリセルの例えば、図12におけるドレイン領域407に接続されている。W1、W2、W3、・・・、Wmがワード線で、コントロールゲート405からなる。特定のワード線及びビット線を選択することにより、特定のメモリセルを選択することができる。例えば、ワード線W1とビット線B2を選択すれば、メモリセルM11が選択される。SLはソース線であり、各メモリセルのソース領域に接続されている。
【0003】
この場合、例えば、M11を選択して読み出す際、ワード線W1をHighレベルとし、ビット線B1をHighレベル、ソース線SLをLowレベルにすることにより、M11に書き込まれている情報を読み出すことができる。
【0004】
【特許文献1】特開平3−219496号公報
【0005】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、上記従来技術のメモリセルにおいては、選択メモリセルM11に接続されるビット線B1には、非選択セルであるM21、・・・、Mm1もまた接続されている。すなわち、非選択セルに接続されるワード線W2、W3,・・・、WmはLowレベルであるものの、ビット線B1がHighレベル、ソース線SLがLowレベルのため、ソース/ドレイン間に電位差が生じ、各非選択メモリセルM21、M31、・・・、Mm1にはオフ電流が流れる。例えば、各メモリセルを構成するトランジスタのON/OFF比が3桁程度の場合、m=1000の場合にはM11から読み出された電流が、M21、M31・・・、Mm1から読み出されたトータルの電流と同程度になり、選択ビット線を流れる電流によって選択セルの記憶情報を検出するのが困難となる。従って、メモリセルを構成するトランジスタのON/OFF比によってビット線に接続されるメモリセルの数(mの数)に制限が生じる。
【0006】
本発明は上記課題を鑑みなされたものであり、メモリセルの読み出し動作時に非選択セルからのリーク電流の影響を小さくし、良好な読み出しが可能となるメモリセルアレイを提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、第1の発明の半導体記憶装置は、
半導体基板上にメモリ機能を有する複数のトランジスタが行列状に配列されてなる半導体記憶装置において、
上記トランジスタはソース/ドレイン領域となる2つの拡散領域を有し、
行方向に並ぶトランジスタのゲート電極はワード線によって互いに接続され、
列方向に並ぶトランジスタの拡散領域の一方は第1のビット線によって互いに接続され、
行方向に並ぶトランジスタの拡散領域の他方は第2のビット線によって互いに接続されていることを特徴としている。
【0008】
上記構成によれば、特定のワード線と第1のビット線とを選択することにより、特定のメモリ機能を有するトランジスタを選択することができる。更には、第1のビット線及び第2のビット線に与える電位は、それぞれ1本毎に独立して制御が可能なため、選択されたメモリセルの読み出し動作時に非選択メモリセルからのリーク電流の影響を小さくし、良好な読み出し動作が可能となる。更には、非選択メモリセルのリーク電流の影響を効果的に抑えることができるので、ビット線に接続されるメモリセルの数を多くして、メモリセルアレイの集積度を向上することができる。
【0009】
また、第2の発明の半導体記憶装置は、半導体基板上にメモリ機能を有する複数のトランジスタが配列されてなる半導体記憶装置において、
第1導電型の半導体基板の表面に、第1の方向に伸びる素子分離領域が上記第1の方向に対して交差する第2の方向に並んで形成され、隣り合う素子分離領域の間にそれぞれ上記第1の方向に伸びる活性領域が定められ、
上記各活性領域内には、第1の拡散領域及び第2の拡散領域が交互に形成され、
隣り合う上記第1の拡散領域と第2の拡散領域との間にそれぞれチャネル領域が定められ、
上記半導体基板上に、上記第2の方向に延びる複数のワード線が、上記各活性領域内のチャネル領域上を通るように設けられ、
上記半導体基板上に、上記第1の方向に延びる複数の第1のビット線が、それぞれ下方に存する第1の拡散領域と接続されており、
上記半導体基板上に、上記第2の方向に延びる複数の第2のビット線が、上記第2の拡散領域上を通るように設けられ、それぞれ対応する第2の拡散領域と接続されていることを特徴している。
【0010】
上記構成によってもまた、第1の発明の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏する。
【0011】
一実施の形態では、上記チャネル領域上と上記ワード線が交差する領域のワード線の下方に、メモリ機能を有する膜が設けられ、上記メモリ機能を有する膜がシリコン膜であり、上記シリコン膜は絶縁膜によってワード線及びチャネル領域と電気的に分離されていることを特徴としている。
【0012】
上記実施の形態は、メモリ機能を有する膜を構成する材料を特定している。
また、一実施の形態では、上記シリコン膜が、多結晶シリコンであることを特徴としている。
【0013】
上記実施の形態によれば、多結晶シリコン膜はLSI製造プロセスで最も一般的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0014】
また、一実施の形態では、上記メモリ機能を有するトランジスタは、一つのトランジスタで、2ビットの情報を記憶することを特徴としている。
【0015】
上記実施の形態によれば、1ビットあたりのセル面積が大幅に減少するので、メモリセルアレイの集積度を向上することができる。
【0016】
また、一実施の形態では、チャネル領域上と上記ワード線が交差する活性領域上のワード線の下方に、メモリ機能を有する絶縁膜が設けられていることを特徴としている。
【0017】
上記実施の形態は、一つのトランジスタで2ビットの情報を記憶する具体的な構成を示している。メモリ機能を有する絶縁膜が用いられているため、絶縁膜内で電荷を局所的に蓄積することが可能であり、2ビットの記憶が可能となる。
【0018】
また、一実施の形態では、メモリ機能を有する絶縁膜は、シリコン窒化膜であることを特徴としている。
【0019】
上記実施の形態によれば、シリコン窒化膜は電荷を捕獲する準位が多数存在するためメモリ効果を大きくすることができる。更には、シリコン窒化膜はLSI製造プロセスで標準的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0020】
また、一実施の形態によれば、上記ワード線の上記チャネル領域上の部分の両側に、メモリ機能体が形成され、かつ上記メモリ機能体が電荷を蓄積する機能を有する電荷保持膜を備えたことを特徴としている。
【0021】
上記実施の形態によれば、電荷を蓄積する機能を有する電荷保持膜は、ワード線の両側に形成されたメモリ機能体の中に形成されているため、トランジスタの微細化が容易である。したがって、メモリセルアレイの集積度を向上することが可能となる。
【0022】
更には、メモリ素子と論理回路を構成する通常の電界効果トランジスタと極めて親和性の高いプロセスで形成することができる。言い換えれば、論理回路とメモリセルアレイとの混載プロセスが容易である。
【0023】
また、一実施の形態では、上記電荷保持膜は、シリコン窒化膜であることを特徴としている。
【0024】
上記実施の形態によれば、シリコン窒化膜は電荷を捕獲する準位が多数存在するためメモリ効果を大きくすることができる。更には、シリコン窒化膜はLSI製造プロセスで標準的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0025】
また、一実施の形態では、上記第1のビット線あるいは第2のビット線の少なくともどちらか一方が、高融点金属からなる部分を備えたことを特徴としている。
【0026】
上記実施の形態によれば、メタル配線の層数を少なくすることができるので、集積度を高めるため微細化を進めてもメタル配線を重ねることによる段差形状が悪くなることを抑制することができる。しがたって、メモリセルアレイの微細化が容易となる。更には、高融点金属を用いることによりソース/ドレイン領域(拡散領域)を浅接合化しても低抵抗化が実現できるため、メモリセルアレイの動作を高速化することが可能となる。
【0027】
また、一実施の形態では、選択されたメモリセルに接続されたワード線に電圧V1を印加して、選択されたメモリセルに接続された第1のビット線に電圧V2を印加して、選択されたメモリセルに接続された第2のビット線に電圧V3を印加して、上記選択されたメモリセルに接続された第1のビット線以外の第1のビット線に電圧V3を印加して、上記選択されたメモリセルに接続された第2のビット線以外の第2ビット線に電圧V2を印加することにより、メモリセルの読出し動作を行うことを特徴している。
【0028】
上記実施の形態によれば、非選択メモリセルのオフリークの影響を小さくすることができる。更には、ワード線に接続された非選択メモリセルがオン状態となって電流を流し、第2のビット線の電位を変動させる事を防ぐことができる。
【0029】
【発明の実施の形態】
<第1の実施形態>
図1に本発明の第1の実施形態におけるメモリセルアレイの平面概略図、図2〜4にそれぞれ図1における切断面線A−A’、B−B’、C−C’における断面図、図5にメモリセルアレイの回路図を示す。図5中、メモリ機能を有するトランジスタ(メモリセル)は、通常の電界効果トランジスタを示す記号であらわしている。
【0030】
本実施の形態のメモリセルアレイは、図1〜図3に示すように、半導体基板101上にゲート絶縁膜として、例えばシリコン酸化膜102が1nm〜10nm程度形成されている。更に、その上部に例えばシリコン窒化膜からなる電荷保持膜103が2nm〜10nm程度設けられている。その上部に絶縁膜として、シリコン酸化膜104を5nm〜10nmの厚さで設ける。電荷は、シリコン窒化膜103の105と、106の領域に保持される。また、シリコン酸化膜104上にゲート電極107を設ける。本実施の形態では、ゲート電極107はワード線を構成している。ゲート電極107は、多結晶シリコン、あるいは多結晶シリコンと金属との積層膜からなる。ゲート電極107を挟んで、半導体基板101に拡散領域(ソース/ドレイン領域)108、109、110、111を設けている。112は、ゲート側壁絶縁膜で例えばシリコン酸化膜で形成されている。また、コンタクト116、117をSAC(Self−Align−Contact、自己整合コンタクト)プロセスで形成のするために、ゲート電極107上にシリコン酸化膜113及びシリコン窒化膜114を設ける。第1層間絶縁膜115は、例えばBPSG膜(Boron−Phosphorus−Silicate−Glass)からなる。コンタクト116、117は、例えば、タングステンからなるコンタクトプラグからなる。第1層メタル118(第2のビット線を構成する)は、例えば、アルミニウムシリコンからなる。119は第2層間絶縁膜、120は第2層メタル(第1のビット線を構成する)、121は素子分離領域である。
【0031】
本実施の形態のメモリセルアレイは、図1〜図5より明らかなように、半導体基板101上にメモリ機能を有する複数のトランジスタが行列状に配列されており、上記トランジスタはそれぞれソース/ドレイン領域となる2つの拡散領域を有し(例えば、図2のトランジスタAは拡散領域108及び109を有する)、行方向(図1及び図5では紙面横方向)に並ぶトランジスタのゲート電極はワード線(W1、W2、…、Wm)によって互いに接続され、列方向(図1及び図5では紙面縦方向)に並ぶトランジスタの拡散領域の一方(図2では拡散領域109、111)は第1のビット線(Ba1、Ba2、…、Ban)によって互いに接続され、行方向に並ぶトランジスタの拡散領域の他方(図2では拡散領域108、110)は第2のビット線(Bb1、Bb2、…、Bbm)によって互いに接続されている。特定のワード線及び第1のビット線を選択することにより、特定のメモリセルが選択される。例えば、ワード線W1及び第1のビット線Ba1を選択すれば、メモリセルM11を選択することができる。
【0032】
本実施の形態のメモリセルはまた、半導体基板上にメモリ機能を有する複数のトランジスタが配列されており、第1導電型の半導体基板101の表面に、第1の方向(図1及び図5では紙面縦方向)に伸びる素子分離領域121が上記第1の方向に対して交差する第2の方向(図1及び図5では紙面横方向)に並んで形成され、隣り合う素子分離領域121の間にそれぞれ上記第1の方向に伸びる活性領域が定められ、上記各活性領域内には、第1の拡散領域(図2では拡散領域109、111)及び第2の拡散領域(図2では拡散領域108、110)が交互に形成され、隣り合う上記第1の拡散領域と第2の拡散領域との間にそれぞれチャネル領域が定められ、上記半導体基板上に、上記第2の方向に延びる複数のワード線(W1、W2、…、Wm)が、上記各活性領域内のチャネル領域上を通るように設けられ、上記半導体基板上に、上記第1の方向に延びる複数の第1のビット線(Ba1、Ba2、…、Ban)が、それぞれ下方に存する第1の拡散領域と接続されており、上記半導体基板上に、上記第2の方向に延びる複数の第2のビット線(Bb1、Bb2、…、Bbm)が、上記第2の拡散領域上を通るように設けられ、それぞれ対応する第2の拡散領域と接続されている。
【0033】
本実施の形態のメモリセルアレイは、従来技術のメモリセルアレイとは異なり、ワード線と平行な第2のビット線(Bb1、Bb2、…、Bbm)の電位を独立して制御できる。そのため、選択メモリセルM11を読みだす際に、ワード線W1をHighレベルに、第1のビット線Ba1をHighレベルに、第2のビット線Bb1をLowレベルにし、その他の第1のビット線(Ba2、…、Ban)及び第2のビット線(Bb2、…、Bbm)をオープン状態にすることができる。この場合、メモリセルM1以外のオフ電流が選択されたビット線に流れることはない。したがって、メモリセルの読み出し動作時に非選択メモリセルからのリーク電流の影響を小さくし、良好な読み出し動作が可能となる。更には、非選択メモリセルのリーク電流の影響を効果的に抑えることができるので、ビット線に接続されるメモリセルの数を多くして、メモリセルアレイの集積度を向上することができる。
【0034】
本実施例のメモリセルアレイを構成するメモリセルは、電荷保持膜103中の領域105あるいは領域106に電荷を注入することで情報を書き込み、領域105、106での電荷の有無によるしきい値の変化、すなわち電流量の変化を読み出す。例えば図2のトランジスタAでは、拡散領域108をドレイン、拡散領域109をソースとして、ホットエレクトロンを電荷保持膜103中の領域105に注入することで情報を書き込む。読み出しは、拡散領域108をソース、拡散領域109をドレインとして用い、流れる電流量によって、電荷の有無を判別し、情報を読みとる。
【0035】
また、同様に電荷保持膜103中の領域106に電荷を注入することで情報の書き込みが可能となる。この場合、ソース/ドレインは、領域105に電荷を書き込み、読み出しする際と、それぞれにおいて逆になる。以上の方法により、1つのメモリセルで、2ビット動作が可能となる。もちろん、1つのメモリセルを1ビットの動作で用いても何ら問題はない。しかしながら、1つのメモリセルで2ビットの情報を記憶させればメモリセルアレイの集積度が大幅に向上するため好ましい。
【0036】
本実施の形態の半導体装置(メモリセルアレイ)の読み出しの動作例を、図5を使って説明する。
【0037】
例えば、メモリセルM1を選択する場合、ワード線W1にV1(例えば、2V)を、第1ビット線Ba1にV2(例えば、0V)を、第2ビット線Bb1にV3(例えば、2V)を、それぞれ印加する。このように電圧を印加することにより、メモリセルM1がオン状態となり、第2のビット線Bb1から第1のビット線Ba1へ電流が流れる。この際、電子は第1のビット線Ba1から第2のビット線Bb1へと流れる。この際、例えば、第1のビット線Ba1に流れる電流値を検知し、もしくは第1のビット線Ba1の電位変化をモニターすることによりメモリセルM1の記憶情報を知ることができる。なお、以上の読み出し動作に加えて更に第1のビット線Ba1と第2のビット線Bb1の電位を入れ替えて読み出し動作を行うことにより、メモリセルM1の2ビット読み出しを行うことができる。
【0038】
なお、選択された第2のビット線(Bb1)以外の第2のビット線には、V2(例えば、0V)を印加するのが好ましい。なぜならば、第1のビット線Ba1にはV2が印加されており、Bb1以外の第2のビット線にもV2を印加することによって、Ba1に接続された非選択メモリセルのオフリークの影響を小さくすることができるからである。
【0039】
更には、選択された第1のビット線(Ba1)以外の第1のビット線には、V3(例えば、2V)を印加するのが好ましい。なぜならば、V1(例えば、2V)の電圧が印加されたワード線W1に接続された非選択メモリセルの一方はV3(例えば、2V)の電圧が印加された第2ビット線Bb1に接続されているためである。Ba1以外の第1ビット線にV3を印加することにより、ワード線W1に接続された非選択メモリセルがオン状態となって電流を流し、第2のビット線Bb1の電位を変動させる事を防ぐことができる。
【0040】
以上より、選択されたメモリセルに接続されたワード線に電圧V1を印加して、選択されたメモリセルに接続された第1のビット線に電圧V2を印加して、選択されたメモリセルに接続された第2のビット線に電圧V3を印加して、選択されたメモリセルに接続された第1のビット線以外の第1のビット線(非選択の第1のビット線)に電圧V3を印加して、選択されたメモリセルに接続された第2のビット線以外の第2ビット線(非選択の第2のビット線)に電圧V2を印加することが好ましい。
【0041】
無論、非選択の第1のビット線及び非選択の第2のビット線をオープン状態としてもよい。
【0042】
本実施の形態のメモリセルアレイにおいては、例えば図2から明らかなように、ゲート電極107とチャネル領域との間には、メモリ機能を有する絶縁膜(シリコン窒化膜103)が設けられている。このように電荷を絶縁膜に蓄積させた場合、既に記した説明から明らかなように1セル2ビット動作が可能となり、メモリセルアレイの集積度をこうじょうさせることができる。
【0043】
更に、メモリ機能を有する絶縁膜はシリコン窒化膜であることが好ましい。なぜならば、シリコン窒化膜は電荷を捕獲する準位が多数存在するためメモリ効果を大きくすることができるからである。更には、シリコン窒化膜はLSI製造プロセスで標準的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0044】
なお、ゲート電極107とチャネル領域との間に存するメモリ機能を有する膜は、シリコン窒化膜とは限らず、絶縁膜によってゲート電極及びチャネル領域と隔てられたシリコン膜であってもよい。この場合、1セル1ビット動作となるものの、本実施の形態のメモリセルアレイが奏する効果(メモリセルの読み出し動作時に非選択セルからのリーク電流の影響を小さくし、良好な読み出し動作が可能となり、ビット線に接続されるメモリセルの数を多くして、メモリセルアレイの集積度を向上することができる)を得ることができる。
【0045】
また、上記シリコン膜は多結晶シリコンからなるのが好ましい。
【0046】
ところで、本実施の形態のメモリセルアレイの製造には、SACプロセスを採用することが可能となるため、図1の点線Dで示すように、ゲートピッチ及びメタルピッチを2F(Fは最小加工寸法)で形成することが可能となり、更に、1メモリセルあたり、2ビットの情報を読み書きできるため、1ビットあたりのセル面積が2F2とすることができる。したがって、従来のメモリセルに比べ大きくセル面積を縮小することが可能となる。
【0047】
本実施形態では、半導体基板にソース/ドレイン領域を形成したが、半導体基板に低濃度のウエル領域を設けて、ソース/ドレイン領域を形成しても構わない。この場合、ウエル領域はソース/ドレイン領域と不純物導電型は逆であるが、半導体基板の導電型は限定されない。
【0048】
また、本実施形態に示した膜厚、膜の種類などは、上述したものに限定されない。更に印加する電圧も、それぞれ用いる膜厚や用途などによって最適に決められるべきであって、上述した値に限定されるものではない。
<第2の実施形態>
本実施の形態のメモリセルアレイは、第1の実施の形態とは、第2のビット線が高融点金属からなる部分を備えている点で異なる。その他は第1の実施形態とほぼ同様の構造を持つので、同様な部分の詳しい説明は省略する。本実施のメモリセルアレイの回路図は、図5と全く同じである。
【0049】
なお、図6はメモリセルアレイの平面概略図、図7及び図8は、図6の切断面線A−A’及び B−B’における概略断面図を示している。
【0050】
本実施の形態のメモリセルアレイでは、図5における第1層メタル118(第2のビット線)に相当するのは、高融点金属層213である。高融点金属としては、例えば、WSiやTiSi2などが挙げられる。
【0051】
図6〜図8中、201は半導体基板、202はシリコン酸化膜、203はシリコン窒化膜、204はシリコン酸化膜、205及び206は電荷保持領域、207はゲート電極、208、209、210及び211は拡散領域、212はゲート側壁絶縁膜、214はシリコン酸化膜、215はシリコン窒化膜、216は第1層間絶縁膜、217はコンタクト、218は第1層メタル(第1のビット線)である。
【0052】
本実施形態では、ビット線の配線に、高融点金属を用いているので、メタル配線の層数を少なくすることができる。それゆえ、集積度を高めるため微細化を進めてもメタル配線を重ねることによる段差形状が悪くなることを抑制することができる。しがたって、メモリセルアレイの微細化が容易となる。更には、高融点金属を用いることによりソース/ドレイン領域(拡散領域)を浅接合化しても低抵抗化が実現できるため、メモリセルアレイの動作を高速化することが可能となる。
<第3の実施形態>
本実施の形態のメモリセルアレイは、第1の実施の形態とは、ゲート電極側壁に設けられたメモリ機能体内の電荷保持膜に電荷が蓄積されるという点が異なる。すなわち、電荷を保持する機能は、ゲート絶縁膜ではなく、ゲート側壁絶縁膜に備わっているのである。また、拡散領域とゲート電極とがオーバーラップしていない。その他は第1の実施形態とほぼ同様の構造を持つので、同様な部分の詳しい説明は省略する。本実施のメモリセルアレイの回路図は、図5と全く同じである。
【0053】
なお、図9はメモリセルアレイの平面概略図、図10は、図9の切断面線A−A’における概略断面図を示している。
【0054】
図9及び図10中、301は半導体基板、302はシリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)、303はゲート電極、304はシリコン酸化膜、305はシリコン窒化膜、306、307、308及び309は拡散領域、310はシリコン酸化膜、311はシリコン窒化膜、312は第1層間絶縁膜、313及び314はコンタクト、315は第1層メタル、316は第2層間絶縁膜、317は第2層メタルである。
【0055】
ゲート電極303の側壁には側壁絶縁膜形状のメモリ機能体(シリコン酸化膜304及びシリコン窒化膜305で構成される)が形成されている。シリコン窒化膜305は電荷を蓄積する機能を有しており、シリコン酸化膜304は蓄積された電荷が散逸するのを防ぐ機能を有している。
【0056】
拡散領域306、307、308、309は、図10に示すように、ゲート電極303とはオーバーラップしていない。すなわち、拡散領域の端は、ゲート電極の端には達しておらず、いわゆるオフセット構造(オフセット領域)を有している。このため、シリコン窒化膜305に蓄積された電荷の多寡によって、上記オフセット領域での反転層の発生しやすさが変化し、メモリ素子を流れる電流差となって検知される。
【0057】
ゲート酸化膜302は電荷を蓄積する機能を有する必要がないため、十分に薄くすることができる。したがって、メモリ素子を微細化するのが容易であり、メモリセルアレイを高集積化することができる。
【0058】
更には、本メモリ素子は論理回路を構成する通常の電界効果トランジスタと極めて親和性の高いプロセスで形成することができる。言い換えれば、論理回路とメモリセルアレイとの混載プロセスが容易である。なぜならば、本メモリ素子のメモリ機能体(シリコン酸化膜304及びシリコン窒化膜305で構成される)は、そのまま通常の電界効果トランジスタのゲート側壁絶縁膜として用いることが可能であるからである。ただし、通常の電界効果トランジスタにおいては、エクステンション又はLDD(Lightly Doped Drain)を形成する必要がある。
【0059】
ところで、電荷を蓄積する機能を有する絶縁膜はシリコン窒化膜であることが好ましい。なぜならば、シリコン窒化膜は電荷を捕獲する準位が多数存在するためメモリ効果を大きくすることができるからである。更には、シリコン窒化膜はLSI製造プロセスで標準的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0060】
なお、本実施形態のメモリセルアレイの動作方法は、第1の実施形態の場合と同様である。
(第3の実施形態に用いたメモリ素子の詳細)
本発明の半導体記憶装置を構成するメモリ素子は、主として、拡散領域である第1導電型の領域と、第2導電型の領域と、第1及び第2導電型の領域の境界を跨って配置されたメモリ機能体と、絶縁膜を介して設けられた電極とから構成されるか、あるいは、主として、ゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、ゲート電極の両側に形成されたメモリ機能体と、メモリ機能体のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されたソース/ドレイン領域(拡散領域)と、ゲート電極下に配置されたチャネル領域とから構成される。
【0061】
このメモリ素子は、1つの電荷保持膜に2値又はそれ以上の情報を記憶することにより、4値又はそれ以上の情報を記憶するメモリ素子として機能し、また、メモリ機能体による可変抵抗効果により、選択トランジスタとメモリトランジスタとの機能を兼ね備えたメモリセルとしても機能する。しかしながら、このメモリ素子は、必ずしも4値又はそれ以上の情報を記憶して機能させる必要はなく、例えば、2値の情報を記憶して機能させてもよい。
【0062】
本発明の半導体装置は、半導体基板上、好ましくは半導体基板内に形成された第1導電型のウェル領域上に形成されることが好ましい。
【0063】
半導体基板としては、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体、シリコンゲルマニウム、GaAs、InGaAs、ZnSe、GaN等の化合物半導体によるバルク基板が挙げられる。また、表面に半導体層を有するものとして、SOI(Silicon on Insulator)基板又は多層SOI基板等の種々の基板、ガラスやプラスチック基板上に半導体層を有するものを用いてもよい。なかでもシリコン基板又は表面にシリコン層が形成されたSOI基板等が好ましい。半導体基板又は半導体層は、内部を流れる電流量に多少が生ずるが、単結晶(例えば、エピタキシャル成長による)、多結晶又はアモルファスのいずれであってもよい。
【0064】
この半導体基板又は半導体層上には、素子分離領域が形成されていることが好ましく、さらにトランジスタ、キャパシタ、抵抗等の素子、これらによる回路、半導体装置や層間絶縁膜が組み合わせられて、シングル又はマルチレイヤー構造で形成されていてもよい。なお、素子分離領域は、LOCOS膜、トレンチ酸化膜、STI膜等種々の素子分離膜により形成することができる。半導体基板は、P型又はN型の導電型を有していてもよく、半導体基板には、少なくとも1つの第1導電型(P型又はN型)のウェル領域が形成されていることが好ましい。半導体基板及びウェル領域の不純物濃度は、当該分野で公知の範囲のものが使用できる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、表面半導体層には、ウェル領域が形成されていてもよいが、チャネル領域下にボディ領域を有していてもよい。
【0065】
ゲート絶縁膜又は絶縁膜は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の絶縁膜;酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化タンタル膜、酸化ハフニウム膜などの高誘電体膜の単層膜又は積層膜を使用することができる。なかでも、シリコン酸化膜が好ましい。ゲート絶縁膜は、例えば、1〜20nm程度、好ましく1〜6nm程度の膜厚とすることが適当である。ゲート絶縁膜は、ゲート電極直下にのみ形成されていてもよいし、ゲート電極よりも大きく(幅広)で形成されていてもよい。
【0066】
ゲート電極又は電極は、ゲート絶縁膜上に、通常半導体装置に使用されるような形状又は下端部に凹部を有した形状で形成されている。なお、単一のゲート電極とは、ゲート電極としては、単層又は多層の導電膜によって分離されることなく、一体形状として形成されているゲート電極を意味する。また、ゲート電極は、側壁に側壁絶縁膜を有していてもよい。ゲート電極は、通常、半導体装置に使用されるものであれば特に限定されるものではなく、導電膜、例えば、ポリシリコン:銅、アルミニウム等の金属:タングステン、チタン、タンタル等の高融点金属:高融点金属とのシリサイド等の単層膜又は積層膜等が挙げられる。ゲート電極の膜厚は、例えば50〜400nm程度の膜厚で形成することが適当である。なお、ゲート電極の下にはチャネル領域が形成されている。
【0067】
メモリ機能体は、少なくとも、電荷を保持するか、電荷を蓄え、保持する機能を有するか、電荷をトラップするか、電荷分極状態を保持する機能を有する膜又は領域を含んで構成される。これらの機能を果たすものとしては、シリコン窒化物;シリコン;リン、ボロン等の不純物を含むシリケートガラス;シリコンカーバイド;アルミナ;ハフニウムオキサイド、ジルコニウムオキサイド、タンタルオキサイド等の高誘電体;酸化亜鉛;強誘電体;金属等が挙げられる。メモリ機能体は、例えば、シリコン窒化膜を含む絶縁体膜;導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜;導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜;電界により内部電荷が分極し、その状態が保持される強誘電体膜を含む絶縁膜等の単層又は積層構造によって形成することができる。なかでも、シリコン窒化膜は、電荷をトラップする準位が多数存在するため大きなヒステリシス特性を得ることができ、また、電荷保持時間が長く、リークパスの発生による電荷漏れの問題が生じないため保持特性が良好であり、さらに、LSIプロセスではごく標準的に用いられる材料であるため、好ましい。
【0068】
シリコン窒化膜などの電荷保持機能を有する絶縁膜を内部に含む絶縁膜をメモリ機能体として用いることにより、記憶保持に関する信頼性を高めることができる。シリコン窒化膜は絶縁体であるから、その一部に電荷のリークが生じた場合でも、直ちにシリコン窒化膜全体の電荷が失われることがないからである。更には、複数のメモリ素子を配列する場合、メモリ素子間の距離が縮まって隣接するメモリ機能体が接触しても、メモリ機能体が導電体からなる場合のように夫々のメモリ機能体に記憶された情報が失われることがない。また、コンタクトプラグをよりメモリ機能体と接近して配置することができ、場合によってはメモリ機能体と重なるように配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。
さらに記憶保持に関する信頼性を高めるためには、電荷を保持する機能を有する絶縁膜は、必ずしも膜状である必要はなく、電荷を保持する機能を有する絶縁体が絶縁膜に離散的に存在することが好ましい。具体的には、電荷を保持しにくい材料、例えば、シリコン酸化物中にドット状に分散していることが好ましい。
【0069】
また、導電膜もしくは半導体層を内部に含む絶縁体膜をメモリ機能体として用いることにより、導電体もしくは半導体中への電荷の注入量を自由に制御できるため、多値化しやすい効果がある。
【0070】
さらに、導電体もしくは半導体ドットを1つ以上含む絶縁体膜をメモリ機能体として用いることにより、電荷の直接トンネリングによる書込・消去が行ないやすくなり、低消費電力化の効果がある。
【0071】
また、メモリ機能体として、電界により分極方向が変化するPZT、PLZT等の強誘電体膜を用いてもよい。この場合、分極により強誘電体膜の表面に実質的に電荷が発生し、その状態で保持される。従って、メモリ機能を有する膜外から電荷を供給され電荷をトラップする膜と同様なヒステリシス特性を得ることができ、かつ、強誘電体膜の電荷保持は、膜外からの電荷注入の必要がなく、膜内の電荷の分極のみによってヒステリシス特性を得ることができるため、高速に書込・消去ができる効果がある。
【0072】
つまり、メモリ機能体は、電荷を逃げにくくする領域又は電荷を逃げにくくする機能を有する膜をさらに含むことが好ましい。電荷を逃げにくくする機能を果たすものとしては、シリコン酸化膜等が挙げられる。
【0073】
メモリ機能体に含まれる電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の両側に形成されており、また、直接、ゲート絶縁膜又は絶縁膜を介して半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース/ドレイン領域もしくは拡散領域)上に配置している。ゲート電極の両側の電荷保持膜は、直接又は絶縁膜を介してゲート電極の側壁の全て又は一部を覆うように形成されていることが好ましい。応用例としては、ゲート電極が下端部に凹部を有する場合には、直接又は絶縁膜を介して凹部を完全に又は凹部の一部を埋め込むように形成されていてもよい。
【0074】
ゲート電極は、メモリ機能体の側壁のみに形成されるか、あるいはメモリ機能体の上部を覆わないことが好ましい。このような配置により、コンタクトプラグをよりゲート電極と接近して配置することができるので、メモリ素子の微細化が容易となる。また、このような単純な配置を有するメモリ素子は製造が容易であり、歩留まりを向上することができる。
【0075】
電荷保持膜として導電膜を用いる場合には、電荷保持膜が半導体基板(ウェル領域、ボディ領域又はソース/ドレイン領域もしくは拡散領域)又はゲート電極と直接接触しないように、絶縁膜を介して配置させることが好ましい。例えば、導電膜と絶縁膜との積層構造、絶縁膜内に導電膜をドット状等に分散させた構造、ゲートの側壁に形成された側壁絶縁膜内の一部に配置した構造等が挙げられる。
【0076】
ソース/ドレイン領域は、半導体基板又はウェル領域と逆導電型の拡散領域として、電荷保持膜のゲート電極と反対側のそれぞれに配置されている。ソース/ドレイン領域と半導体基板又はウェル領域との接合は、不純物濃度が急峻であることが好ましい。ホットエレクトロンやホットホールが低電圧で効率良く発生し、より低電圧で高速な動作が可能となるからである。ソース/ドレイン領域の接合深さは、特に限定されるものではなく、得ようとする半導体記憶装置の性能等に応じて、適宜調整することができる。なお、半導体基板としてSOI基板を用いる場合には、ソース/ドレイン領域は、表面半導体層の膜厚よりも小さな接合深さを有していてもよいが、表面半導体層の膜厚とほぼ同程度の接合深さを有していることが好ましい。
【0077】
ソース/ドレイン領域は、ゲート電極端とオーバーラップするように配置していてもよいし、ゲート電極端と一致するように配置してもよいし、ゲート電極端に対してオフセットされて配置されていてもよい。特に、オフセットされている場合には、ゲート電極に電圧を印加したとき、電荷保持膜下のオフセット領域の反転しやすさが、メモリ機能体に蓄積された電荷量によって大きく変化し、メモリ効果が増大するとともに、短チャネル効果の低減をもたらすため、好ましい。ただし、あまりオフセットしすぎると、ソース・ドレイン間の駆動電流が著しく小さくなるため、ゲート長方向に対して平行方向の電荷保持膜の厚さよりもオフセット量つまり、ゲート長方向における一方のゲート電極端から近い方のソース・ドレイン領域までの距離は短い方が好ましい。特に重要なことは、メモリ機能体中の電荷蓄積領域の少なくとも一部が、拡散領域であるソース/ドレイン領域の一部とオーバーラップしていることである。本発明の半導体記憶装置を構成するメモリ素子の本質は、メモリ機能体の側壁部にのみ存在するゲート電極とソース/ドレイン領域間の電圧差によりメモリ機能体を横切る電界によって記憶を書き換えることであるためである。
【0078】
ソース/ドレイン領域は、その一部が、チャネル領域表面、つまり、ゲート絶縁膜下面よりも高い位置に延設されていてもよい。この場合には、半導体基板内に形成されたソース/ドレイン領域上に、このソース/ドレイン領域と一体化した導電膜が積層されて構成されていることが適当である。導電膜としては、例えば、ポリシリコン、アモルファスシリコン等の半導体、シリサイド、上述した金属、高融点金属等が挙げられる。なかでも、ポリシリコンが好ましい。ポリシリコンは、不純物拡散速度が半導体基板に比べて非常に大きいために、半導体基板内におけるソース/ドレイン領域の接合深さを浅くするのが容易で、短チャネル効果の抑制がしやすいためである。なお、この場合には、このソース/ドレイン領域の一部は、ゲート電極とともに、メモリ機能体の少なくとも一部を挟持するように配置することが好ましい。
【0079】
本発明のメモリ素子は、通常の半導体プロセスによって、例えば、ゲート電極の側壁に単層又は積層構造のサイドウォールスペーサを形成する方法と同様の方法によって形成することができる。具体的には、ゲート電極又は電極を形成した後、電荷保持膜、電荷保持膜/絶縁膜、絶縁膜/電荷保持膜、絶縁膜/電荷保持膜/絶縁膜等の電荷保持膜を含む単層膜又は積層膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてこれらの膜をサイドウォールスペーサ状に残す方法;絶縁膜又は電荷保持膜を形成し、適当な条件下でエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残し、さらに電荷保持膜又は絶縁膜を形成し、同様にエッチバックしてサイドウォールスペーサ状に残す方法;粒子状の電荷保持材料を分散させた絶縁膜材料をゲート電極を含む半導体基板上に塗布または堆積し、適当な条件下でエッチバックして、絶縁膜材料をサイドウォールスペーサ形状に残す方法;ゲート電極を形成した後、上記単層膜又は積層膜を形成し、マスクを用いてパターニングする方法等が挙げられる。また、ゲート電極又は電極を形成する前に、電荷保持膜、電荷保持膜/絶縁膜、絶縁膜/電荷保持膜、絶縁膜/電荷保持膜/絶縁膜等を形成し、これらの膜のチャネル領域となる領域に開口を形成し、その上全面にゲート電極材料膜を形成し、このゲート電極材料膜を、開口を含み、開口よりも大きな形状でパターニングする方法等が挙げられる。
本発明のメモリ素子を配列してメモリセルアレイを構成した場合、メモリ素子の最良の形態は、例えば、▲1▼複数のメモリ素子のゲート電極が一体となってワード線の機能を有する、▲2▼上記ワード線の両側にはメモリ機能体が形成されている、▲3▼メモリ機能体内で電荷を保持するのは絶縁体、特にシリコン窒化膜である、▲4▼メモリ機能体はONO(Oxide Nitride Oxide)膜で構成されており、シリコン窒化膜はゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有している、▲5▼メモリ機能体中のシリコン窒化膜はワード線及びチャネル領域とシリコン酸化膜で隔てられている、▲6▼メモリ機能体内のシリコン窒化膜と拡散層とがオーバーラップしている、▲7▼ゲート絶縁膜の表面と略並行な表面を有するシリコン窒化膜とチャネル領域又は半導体層とを隔てる絶縁膜の厚さと、ゲート絶縁膜の厚さが異なる、▲8▼1個のメモリ素子の書込み及び消去動作は単一のワード線により行なう、▲9▼メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極(ワード線)がない、(10)メモリ機能体の直下で拡散領域と接する部分に拡散領域の導電型と反対導電型の不純物濃度が濃い領域を有する、なる要件を満たすものである。上記要件を全て満たす場合が最良の形態となるが、無論、必ずしも上記要件を全て満たす必要はない。
【0080】
上記要件を複数満たす場合、特に好ましい組み合わせが存在する。例えば、▲3▼メモリ機能体内で電荷を保持するのが絶縁体、特にシリコン窒化膜であり、▲9▼メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極(ワード線)がなく、▲6▼メモリ機能体内の絶縁膜(シリコン窒化膜)と拡散層とがオーバーラップしている、場合である。メモリ機能体内で電荷を保持しているのが絶縁体であり、且つ、メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がない場合には、メモリ機能体内の絶縁膜(シリコン窒化膜)と拡散層とがオーバーラップしている場合にのみ、書込み動作が良好に行なわれることを発見した。すなわち、要件▲3▼及び▲9▼を満たす場合は、要件▲6▼を満たすことが必須であることが判明した。一方、メモリ機能体内で電荷を保持するのが導電体である場合はメモリ機能体内の導電体と拡散層がオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができた(メモリ機能体内の導体が書込み電極との容量カップリングにより書込み補助を行なうため)。また、メモリ機能体の上に書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がある場合は、メモリ機能体内の絶縁膜と拡散層がオーバーラップしていない場合でも、書込み動作を行なうことができた。
【0081】
しかしながら、メモリ機能体内で電荷を保持するのが導電体ではなく絶縁体であり、かつメモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がない場合には、以下のような非常に大きな効果を得ることができる。
【0082】
まず、ビット線コンタクトをワード線側壁のメモリ機能体と、より接近して配置することができ、又はメモリ素子間の距離が接近しても複数のメモリ機能体が干渉せず記憶情報を保持できるので、メモリ素子の微細化が容易となる。メモリ機能体内の電荷保持領域が導体の場合、容量カップリングによりメモリ素子間が近づくにつれて電荷保持領域間で干渉が起き、記憶情報を保持できなくなる。
また、メモリ機能体内の電荷保持領域が絶縁体(例えばシリコン窒化膜)である場合、メモリセル毎にメモリ機能体を独立させる必要が無くなる。例えば、複数のメモリセルで共有される1本のワード線の両側に形成されたメモリ機能体は、メモリセル毎に分離する必要が無く、1本のワード線の両側に形成されたメモリ機能体を、ワード線を共有する複数のメモリセルで共有することが可能となる。そのため、メモリ機能体を分離するフォト、エッチング工程が不要となり製造工程が簡略化される。更には、フォトの位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが不要となるため、メモリセル間のマージンを縮小できる。したがって、メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体(例えば多結晶シリコン膜)である場合と比較して、同じ微細加工レベルで形成しても、メモリセル占有面積を微細化できる効果がある(メモリ機能体内の電荷保持領域が導電体である場合、メモリ機能体をメモリセル毎に分離するフォト、エッチング工程が必要となり、フォトの位置合わせマージン、エッチングの膜減りマージンが必要となる)。
【0083】
更に、メモリ機能体の上には書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がなく素子構造が単純であるから工程数が減少し、歩留まりを向上し、論理回路やアナログ回路を構成するトランジスタとの混載を容易にすることができる。
【0084】
更にまた、非常に重要な設計事項として、メモリ機能体内の電荷保持領域が絶縁体であり、かつメモリ機能体の上に書込み及び消去動作を補助する機能を有する電極がない場合(上記2つの条件を満たすことにより、セル占有面積の縮小、製造方法の簡略化による歩留まり向上、ならびにコスト削減という非常に重要な効果が得られる)であっても、メモリ機能体内の電荷保持領域と拡散層をオーバーラップさせることにより、非常に低電圧で書込、消去が可能となることを我々は発見した。具体的には、5V以下という低電圧により書込み及び消去動作が行なわれることを確認した。この作用は回路設計上非常に大きな効果を有する。つまり、フラッシュメモリのような高電圧をチップ内で作る必要がなくなるため、莫大な占有面積が必要となるチャージポンピング回路を省略、もしくは、規模を小さくすることが可能となる。特に、小規模容量のメモリを調整用としてロジックLSIに内蔵する場合、メモリ部の占有面積はメモリセルよりも、メモリセルを駆動する周辺回路の占有面積が支配的となるため、メモリセル用電圧昇圧回路を省略、もしくは、規模を小さくすることは、チップサイズを縮小させるためには最も効果的となる。
以上より、要件▲3▼、▲9▼及び▲6▼を満たすことが特に好ましいのである。
【0085】
【発明の効果】
上記課題を解決するため、第1の発明の半導体記憶装置によれば、特定のワード線と第1のビット線とを選択することにより、特定のメモリ機能を有するトランジスタを選択することができる。更には、第1のビット線及び第2のビット線に与える電位は、それぞれ1本毎に独立して制御が可能なため、選択されたメモリセルの読み出し動作時に非選択メモリセルからのリーク電流の影響を小さくし、良好な読み出し動作が可能となる。更には、非選択メモリセルのリーク電流の影響を効果的に抑えることができるので、ビット線に接続されるメモリセルの数を多くして、メモリセルアレイの集積度を向上することができる。
【0086】
また、第2の発明の半導体記憶装置によってもまた、第1の発明の半導体記憶装置と同様な作用効果を奏する。
【0087】
一実施の形態では、メモリ機能を有する膜がシリコン膜であり、上記シリコン膜は絶縁膜によってワード線及びチャネル領域と電気的に分離おり、メモリ機能を有する膜を構成する材料を特定している。
【0088】
また、一実施の形態では、上記シリコン膜が、多結晶シリコンであり、多結晶シリコン膜はLSI製造プロセスで最も一般的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
また、一実施の形態では、上記メモリ機能を有するトランジスタは、一つのトランジスタで、2ビットの情報を記憶ので、1ビットあたりのセル面積が大幅に減少する。したがって、メモリセルアレイの集積度を向上することができる。
【0089】
また、一実施の形態では、メモリ機能を有する絶縁膜が設けられており、一つのトランジスタで2ビットの情報を記憶する具体的な構成を示している。メモリ機能を有する絶縁膜が用いられているため、絶縁膜内で電荷を局所的に蓄積することが可能であり、2ビットの記憶が可能となる。
【0090】
また、一実施の形態では、メモリ機能を有する絶縁膜は、シリコン窒化膜であり、シリコン窒化膜は電荷を捕獲する準位が多数存在するためメモリ効果を大きくすることができる。更には、シリコン窒化膜はLSI製造プロセスで標準的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0091】
また、一実施の形態によれば、電荷を蓄積する機能を有する電荷保持膜は、ワード線の両側に形成されたメモリ機能体の中に形成されているため、トランジスタの微細化が容易である。したがって、メモリセルアレイの集積度を向上することが可能となる。
【0092】
更には、メモリ素子と論理回路を構成する通常の電界効果トランジスタと極めて親和性の高いプロセスで形成することができる。言い換えれば、論理回路とメモリセルアレイとの混載プロセスが容易である。
【0093】
また、一実施の形態では、上記電荷保持膜は、シリコン窒化膜であり、シリコン窒化膜は電荷を捕獲する準位が多数存在するためメモリ効果を大きくすることができる。更には、シリコン窒化膜はLSI製造プロセスで標準的に用いられる材料であるから、プロセス構築が容易となる。
【0094】
また、一実施の形態では、上記第1のビット線あるいは第2のビット線の少なくともどちらか一方が、高融点金属からなる部分を備えているから、メタル配線の層数を少なくすることができる。それゆえ、集積度を高めるため微細化を進めてもメタル配線を重ねることによる段差形状が悪くなることを抑制することができる。しがたって、メモリセルアレイの微細化が容易となる。更には、高融点金属を用いることによりソース/ドレイン領域(拡散領域)を浅接合化しても低抵抗化が実現できるため、メモリセルアレイの動作を高速化することが可能となる。
【0095】
また、一実施の形態によれば、非選択メモリセルのオフリークの影響を小さくすることができる。更には、ワード線に接続された非選択メモリセルがオン状態となって電流を流し、第2のビット線の電位を変動させる事を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態におけるメモリセルアレイの平面概略図である。
【図2】図1に示した平面概略図のA−A’における断面図である。
【図3】図1に示した平面概略図のB−B’における断面図である。
【図4】図1に示した平面概略図のC−C’における団馬頭である。
【図5】本発明におけるメモリセルアレイの回路図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態におけるメモリセルアレイの平面概略図である。
【図7】図6に示した平面概略図のA−A’における断面図である。
【図8】図6に示した平面概略図のB−B’における断面図である。
【図9】本発明の第3の実施の形態におけるメモリセルアレイの平面概略図である。
【図10】図9に示した平面概略図のA−A’における断面図である。
【図11】従来のメモリセルアレイの平面概略図である。
【図12】図11のA−A’における断面図である。
【図13】従来の半導体記憶装置のメモリセルアレイの回路図である。
【符号の説明】
101…半導体基板
102、104、113…シリコン酸化膜
103…電荷保持膜
105、106…電荷が保持される領域
107…ゲート電極
108、109、110、111…ソース/ドレイン領域
112…サイドウオール膜
114…シリコン窒化膜
115…第1層間絶縁膜
120…第2メタル
121…素子分離領域[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device. More specifically, the present invention relates to a semiconductor memory device including a memory cell array in which nonvolatile memory elements are arranged.
[0002]
[Prior art]
FIG. 11 is a schematic plan view of a conventional memory cell, FIG. 12 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the schematic plan view, and FIG. 13 is a circuit diagram of a memory cell array. The memory cell in FIG. 12 is, for example, a flash memory. A
[0003]
In this case, for example, when selecting and reading M11, the information written in M11 can be read by setting the word line W1 to the high level, the bit line B1 to the high level, and the source line SL to the low level. it can.
[0004]
[Patent Document 1] JP-A-3-219496
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned conventional memory cell, unselected cells M21,..., Mm1 are also connected to the bit line B1 connected to the selected memory cell M11. That is, although the word lines W2, W3,..., Wm connected to the unselected cells are at the low level, the potential difference between the source and the drain is low because the bit line B1 is at the high level and the source line SL is at the low level. , Mm1, and an off current flows through each of the non-selected memory cells M21, M31,..., Mm1. For example, when the ON / OFF ratio of the transistor constituting each memory cell is about three digits, when m = 1000, the current read from M11 is read from M21, M31,..., Mm1. The current becomes about the same as the total current, and it becomes difficult to detect the stored information of the selected cell by the current flowing through the selected bit line. Therefore, the number (m number) of memory cells connected to the bit line is limited by the ON / OFF ratio of the transistors constituting the memory cells.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a memory cell array in which the influence of a leak current from an unselected cell at the time of a read operation of a memory cell is reduced and good read is possible.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor memory device according to a first aspect of the present invention
In a semiconductor memory device in which a plurality of transistors having a memory function are arranged in a matrix on a semiconductor substrate,
The transistor has two diffusion regions serving as source / drain regions,
The gate electrodes of the transistors arranged in the row direction are connected to each other by a word line,
One of the diffusion regions of the transistors arranged in the column direction is connected to each other by a first bit line,
The other one of the diffusion regions of the transistors arranged in the row direction is connected to each other by a second bit line.
[0008]
According to the above configuration, a transistor having a specific memory function can be selected by selecting a specific word line and a first bit line. Furthermore, since the potentials applied to the first bit line and the second bit line can be controlled independently for each line, the leakage current from the non-selected memory cell during the read operation of the selected memory cell can be controlled. , And a good read operation can be performed. Further, since the influence of the leak current of the unselected memory cells can be effectively suppressed, the number of memory cells connected to the bit line can be increased, and the integration degree of the memory cell array can be improved.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor memory device in which a plurality of transistors having a memory function are arranged on a semiconductor substrate,
On the surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type, element isolation regions extending in a first direction are formed side by side in a second direction intersecting the first direction, and are respectively formed between adjacent element isolation regions. An active region extending in the first direction is defined;
In each of the active regions, first diffusion regions and second diffusion regions are alternately formed,
A channel region is defined between the adjacent first diffusion region and second diffusion region,
A plurality of word lines extending in the second direction are provided on the semiconductor substrate so as to pass over a channel region in each of the active regions.
On the semiconductor substrate, a plurality of first bit lines extending in the first direction are connected to first underlying diffusion regions, respectively.
A plurality of second bit lines extending in the second direction are provided on the semiconductor substrate so as to pass over the second diffusion region, and are respectively connected to the corresponding second diffusion regions. It is characterized by
[0010]
According to the above configuration, the same operation and effect as those of the semiconductor memory device of the first invention can be obtained.
[0011]
In one embodiment, a film having a memory function is provided below the word line in a region where the word line intersects with the channel region, and the film having a memory function is a silicon film. The word line and the channel region are electrically separated by an insulating film.
[0012]
In the above embodiment, the material forming the film having the memory function is specified.
In one embodiment, the silicon film is polycrystalline silicon.
[0013]
According to the above embodiment, since the polycrystalline silicon film is the most commonly used material in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0014]
In one embodiment, the transistor having a memory function stores two bits of information with one transistor.
[0015]
According to the above embodiment, since the cell area per bit is significantly reduced, the degree of integration of the memory cell array can be improved.
[0016]
In one embodiment, an insulating film having a memory function is provided below the word line on the active region where the word line intersects with the channel region.
[0017]
The above embodiment shows a specific structure in which one transistor stores 2-bit information. Since an insulating film having a memory function is used, charges can be locally stored in the insulating film, and 2-bit storage can be performed.
[0018]
In one embodiment, the insulating film having a memory function is a silicon nitride film.
[0019]
According to the above embodiment, the silicon nitride film has a large number of levels for capturing electric charges, so that the memory effect can be increased. Further, since the silicon nitride film is a material used as a standard in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0020]
According to one embodiment, a memory function body is formed on both sides of a portion of the word line on the channel region, and the memory function body includes a charge holding film having a function of accumulating charges. It is characterized by:
[0021]
According to the above embodiment, since the charge holding film having the function of accumulating charges is formed in the memory function body formed on both sides of the word line, miniaturization of the transistor is easy. Therefore, the degree of integration of the memory cell array can be improved.
[0022]
Further, it can be formed by a process which has a very high affinity with a normal field-effect transistor forming a memory element and a logic circuit. In other words, the mixed mounting process of the logic circuit and the memory cell array is easy.
[0023]
In one embodiment, the charge retention film is a silicon nitride film.
[0024]
According to the above embodiment, the silicon nitride film has a large number of levels for capturing electric charges, so that the memory effect can be increased. Further, since the silicon nitride film is a material used as a standard in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0025]
In one embodiment, at least one of the first bit line and the second bit line includes a portion made of a high melting point metal.
[0026]
According to the above embodiment, since the number of metal wiring layers can be reduced, it is possible to suppress the step shape from being deteriorated due to the overlapping metal wiring even if miniaturization is advanced to increase the degree of integration. . Therefore, miniaturization of the memory cell array is facilitated. Furthermore, by using a high melting point metal, a low resistance can be realized even if the source / drain region (diffusion region) is made shallow, so that the operation of the memory cell array can be sped up.
[0027]
In one embodiment, the voltage V1 is applied to the word line connected to the selected memory cell, and the voltage V2 is applied to the first bit line connected to the selected memory cell, to thereby select the word line. Applying a voltage V3 to a second bit line connected to the selected memory cell, and applying a voltage V3 to a first bit line other than the first bit line connected to the selected memory cell. The read operation of the memory cell is performed by applying the voltage V2 to a second bit line other than the second bit line connected to the selected memory cell.
[0028]
According to the above embodiment, it is possible to reduce the influence of the off-leak of the non-selected memory cell. Further, it is possible to prevent a non-selected memory cell connected to the word line from being turned on and causing a current to flow, thereby changing the potential of the second bit line.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<First embodiment>
FIG. 1 is a schematic plan view of a memory cell array according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views taken along line AA ′, BB ′, and CC ′ in FIG. FIG. 5 shows a circuit diagram of the memory cell array. In FIG. 5, a transistor having a memory function (memory cell) is represented by a symbol indicating a normal field effect transistor.
[0030]
In the memory cell array according to the present embodiment, as shown in FIGS. 1 to 3, a
[0031]
As is clear from FIGS. 1 to 5, the memory cell array according to the present embodiment includes a plurality of transistors having a memory function arranged in a matrix on a
[0032]
In the memory cell of the present embodiment, a plurality of transistors having a memory function are arranged on a semiconductor substrate, and a first direction (in FIGS. 1 and 5, The
[0033]
Unlike the memory cell array of the related art, the memory cell array of the present embodiment can independently control the potentials of the second bit lines (Bb1, Bb2,..., Bbm) parallel to the word lines. Therefore, when reading out the selected memory cell M11, the word line W1 is set to the high level, the first bit line Ba1 is set to the high level, the second bit line Bb1 is set to the low level, and the other first bit lines ( , Ban) and the second bit lines (Bb2,..., Bbm) can be opened. In this case, off currents other than the memory cell M1 do not flow to the selected bit line. Therefore, the influence of the leak current from the non-selected memory cell during the read operation of the memory cell is reduced, and a good read operation can be performed. Further, since the influence of the leak current of the unselected memory cells can be effectively suppressed, the number of memory cells connected to the bit line can be increased, and the integration degree of the memory cell array can be improved.
[0034]
In the memory cells constituting the memory cell array of this embodiment, information is written by injecting electric charge into the region 105 or the region 106 in the
[0035]
Similarly, information can be written by injecting a charge into the region 106 in the
[0036]
An example of a read operation of the semiconductor device (memory cell array) of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0037]
For example, when selecting the memory cell M1, V1 (for example, 2V) is applied to the word line W1, V2 (for example, 0V) is applied to the first bit line Ba1, V3 (for example, 2V) is applied to the second bit line Bb1, Apply each. By applying the voltage in this manner, the memory cell M1 is turned on, and a current flows from the second bit line Bb1 to the first bit line Ba1. At this time, electrons flow from the first bit line Ba1 to the second bit line Bb1. At this time, for example, the stored information of the memory cell M1 can be known by detecting the value of the current flowing through the first bit line Ba1 or monitoring the potential change of the first bit line Ba1. Note that in addition to the above-described read operation, by performing a read operation by further swapping the potentials of the first bit line Ba1 and the second bit line Bb1, 2-bit read of the memory cell M1 can be performed.
[0038]
Note that it is preferable to apply V2 (for example, 0 V) to the second bit lines other than the selected second bit line (Bb1). This is because V2 is applied to the first bit line Ba1, and V2 is also applied to the second bit line other than Bb1, so that the influence of the off-leak of the non-selected memory cell connected to Ba1 is reduced. Because you can.
[0039]
Further, it is preferable to apply V3 (for example, 2 V) to the first bit lines other than the selected first bit line (Ba1). This is because one of the unselected memory cells connected to the word line W1 to which the voltage V1 (for example, 2V) is applied is connected to the second bit line Bb1 to which the voltage V3 (for example, 2V) is applied. Because it is. By applying V3 to the first bit line other than Ba1, the non-selected memory cells connected to the word line W1 are turned on, causing a current to flow, and preventing the potential of the second bit line Bb1 from fluctuating. be able to.
[0040]
As described above, the voltage V1 is applied to the word line connected to the selected memory cell, the voltage V2 is applied to the first bit line connected to the selected memory cell, and the voltage V1 is applied to the selected memory cell. The voltage V3 is applied to the connected second bit line, and the voltage V3 is applied to the first bit lines (non-selected first bit lines) other than the first bit line connected to the selected memory cell. To apply the voltage V2 to a second bit line (an unselected second bit line) other than the second bit line connected to the selected memory cell.
[0041]
Of course, the unselected first bit line and the unselected second bit line may be in an open state.
[0042]
In the memory cell array of the present embodiment, for example, as apparent from FIG. 2, an insulating film (silicon nitride film 103) having a memory function is provided between the
[0043]
Further, the insulating film having a memory function is preferably a silicon nitride film. This is because the silicon nitride film has a large number of levels for capturing electric charges, so that the memory effect can be increased. Further, since the silicon nitride film is a material used as a standard in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0044]
Note that the film having a memory function existing between the
[0045]
Preferably, the silicon film is made of polycrystalline silicon.
[0046]
By the way, since it is possible to adopt the SAC process in manufacturing the memory cell array of the present embodiment, the gate pitch and the metal pitch are set to 2F (F is the minimum processing size) as shown by a dotted line D in FIG. In addition, it is possible to read and write 2-bit information per memory cell, so that the cell area per bit is 2F. 2 It can be. Therefore, the cell area can be greatly reduced as compared with the conventional memory cell.
[0047]
In the present embodiment, the source / drain regions are formed in the semiconductor substrate. However, the source / drain regions may be formed by providing low-concentration well regions in the semiconductor substrate. In this case, the conductivity type of the well region is opposite to that of the source / drain region, but the conductivity type of the semiconductor substrate is not limited.
[0048]
Further, the film thickness, film type, and the like described in the present embodiment are not limited to those described above. Further, the voltage to be applied should be determined optimally according to the film thickness and application to be used, and is not limited to the above-mentioned value.
<Second embodiment>
The memory cell array of the present embodiment is different from the first embodiment in that the second bit line has a portion made of a high melting point metal. The rest has substantially the same structure as that of the first embodiment, and a detailed description of the same parts will be omitted. The circuit diagram of the memory cell array of this embodiment is exactly the same as that of FIG.
[0049]
FIG. 6 is a schematic plan view of the memory cell array, and FIGS. 7 and 8 are schematic cross-sectional views taken along line AA ′ and line BB ′ in FIG.
[0050]
In the memory cell array according to the present embodiment, the
[0051]
6 to 8, 201 is a semiconductor substrate, 202 is a silicon oxide film, 203 is a silicon nitride film, 204 is a silicon oxide film, 205 and 206 are charge holding regions, 207 is a gate electrode, 208, 209, 210 and 211. Is a diffusion region, 212 is a gate sidewall insulating film, 214 is a silicon oxide film, 215 is a silicon nitride film, 216 is a first interlayer insulating film, 217 is a contact, and 218 is a first layer metal (first bit line). .
[0052]
In the present embodiment, since the high melting point metal is used for the bit line wiring, the number of metal wiring layers can be reduced. Therefore, even if miniaturization is advanced to increase the degree of integration, it is possible to suppress the step shape from being deteriorated due to the overlapping of the metal wirings. Therefore, miniaturization of the memory cell array is facilitated. Furthermore, by using a high melting point metal, a low resistance can be realized even if the source / drain region (diffusion region) is made shallow, so that the operation of the memory cell array can be sped up.
<Third embodiment>
The memory cell array according to the present embodiment is different from the first embodiment in that charges are accumulated in a charge retaining film in a memory function body provided on a side wall of a gate electrode. That is, the function of retaining charges is provided not in the gate insulating film but in the gate sidewall insulating film. Further, the diffusion region and the gate electrode do not overlap. The rest has substantially the same structure as that of the first embodiment, and a detailed description of the same parts will be omitted. The circuit diagram of the memory cell array of this embodiment is exactly the same as that of FIG.
[0053]
9 is a schematic plan view of the memory cell array, and FIG. 10 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
[0054]
9 and 10, reference numeral 301 denotes a semiconductor substrate, 302 denotes a silicon oxide film (gate insulating film), 303 denotes a gate electrode, 304 denotes a silicon oxide film, 305 denotes a silicon nitride film, and 306, 307, 308, and 309 denote diffusion regions. , 310 is a silicon oxide film, 311 is a silicon nitride film, 312 is a first interlayer insulating film, 313 and 314 are contacts, 315 is a first layer metal, 316 is a second interlayer metal, and 317 is a second layer metal. .
[0055]
On the side wall of the
[0056]
The
[0057]
Since the gate oxide film 302 does not need to have a function of accumulating charges, it can be made sufficiently thin. Therefore, it is easy to miniaturize the memory element, and the memory cell array can be highly integrated.
[0058]
Further, the present memory element can be formed by a process having a very high affinity with a normal field-effect transistor constituting a logic circuit. In other words, the mixed mounting process of the logic circuit and the memory cell array is easy. This is because the memory function body (consisting of the
[0059]
Incidentally, it is preferable that the insulating film having a function of accumulating electric charges be a silicon nitride film. This is because the silicon nitride film has a large number of levels for capturing electric charges, so that the memory effect can be increased. Further, since the silicon nitride film is a material used as a standard in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0060]
The operation method of the memory cell array according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment.
(Details of the memory element used in the third embodiment)
The memory element constituting the semiconductor memory device of the present invention is mainly arranged across a first conductivity type region which is a diffusion region, a second conductivity type region, and a boundary between the first and second conductivity type regions. Or a gate electrode formed on a gate insulating film, a gate electrode formed on the gate insulating film, and both sides of the gate electrode. Memory function body, a source / drain region (diffusion region) disposed on the opposite side of the memory function body from the gate electrode, and a channel region disposed below the gate electrode.
[0061]
This memory element functions as a memory element for storing quaternary or more information by storing binary or more information in one charge holding film, and also has a variable resistance effect by a memory function body. , Also functions as a memory cell having both functions of a selection transistor and a memory transistor. However, this memory element does not necessarily need to store and function quaternary information or more, and may function by storing binary information, for example.
[0062]
The semiconductor device of the present invention is preferably formed on a semiconductor substrate, preferably on a first conductivity type well region formed in the semiconductor substrate.
[0063]
The semiconductor substrate is not particularly limited as long as it is used for a semiconductor device. For example, a bulk substrate made of an element semiconductor such as silicon and germanium, a compound semiconductor such as silicon germanium, GaAs, InGaAs, ZnSe, and GaN. Is mentioned. In addition, as a substrate having a semiconductor layer on its surface, various substrates such as an SOI (Silicon on Insulator) substrate or a multilayer SOI substrate, or a substrate having a semiconductor layer over a glass or plastic substrate may be used. Among them, a silicon substrate or an SOI substrate having a silicon layer formed on the surface is preferable. The semiconductor substrate or the semiconductor layer may have a small amount of current flowing therein, but may be single crystal (for example, by epitaxial growth), polycrystalline, or amorphous.
[0064]
An element isolation region is preferably formed on the semiconductor substrate or the semiconductor layer, and elements such as a transistor, a capacitor, and a resistor, a circuit including the elements, a semiconductor device, and an interlayer insulating film are combined to form a single or multiple element. It may be formed in a layer structure. The element isolation region can be formed by various element isolation films such as a LOCOS film, a trench oxide film, and an STI film. The semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity type, and the semiconductor substrate preferably has at least one well region of a first conductivity type (P-type or N-type). . The impurity concentration of the semiconductor substrate and the well region can be in a range known in the art. Note that when an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, a well region may be formed in the surface semiconductor layer, or a body region may be provided below the channel region.
[0065]
The gate insulating film or the insulating film is not particularly limited as long as it is usually used for a semiconductor device. For example, an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film; an aluminum oxide film, a titanium oxide film, A single-layer film or a stacked film of a high dielectric film such as a tantalum oxide film or a hafnium oxide film can be used. Among them, a silicon oxide film is preferable. The thickness of the gate insulating film is, for example, about 1 to 20 nm, preferably about 1 to 6 nm. The gate insulating film may be formed only immediately below the gate electrode, or may be formed larger (wider) than the gate electrode.
[0066]
The gate electrode or the electrode is formed on the gate insulating film in a shape usually used for a semiconductor device or a shape having a concave portion at a lower end. Note that a single gate electrode means a gate electrode which is formed as an integral shape without being separated by a single-layer or multilayer conductive film. Further, the gate electrode may have a sidewall insulating film on a sidewall. The gate electrode is not particularly limited as long as it is generally used for a semiconductor device, and a conductive film, for example, a metal such as polysilicon: copper and aluminum: a high melting point metal such as tungsten, titanium, and tantalum: A single-layer film or a laminated film of silicide or the like with a high melting point metal may be used. The gate electrode is preferably formed to have a thickness of, for example, about 50 to 400 nm. Note that a channel region is formed below the gate electrode.
[0067]
The memory function body is configured to include at least a film or a region having a function of retaining charges, having a function of storing and retaining charges, trapping charges, or retaining a charge polarization state. Silicon nitride; silicon; silicate glass containing impurities such as phosphorus and boron; silicon carbide; alumina; high dielectric substances such as hafnium oxide, zirconium oxide, and tantalum oxide; zinc oxide; Body; metal and the like. The memory function body includes, for example, an insulator film including a silicon nitride film; an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer therein; an insulator film including one or more conductors or semiconductor dots; It can be formed by a single layer or a laminated structure such as an insulating film including a ferroelectric film in which the state is maintained. Above all, the silicon nitride film has a large hysteresis characteristic due to the presence of many levels for trapping electric charges, and has a long charge retention time and does not cause a problem of charge leakage due to generation of a leak path. Is preferable, and is a material used as a standard in the LSI process.
[0068]
By using an insulating film including an insulating film having a charge holding function, such as a silicon nitride film, as a memory function body, reliability regarding storage and holding can be improved. This is because, since the silicon nitride film is an insulator, even if a charge leaks to a part of the silicon nitride film, the charge of the entire silicon nitride film is not immediately lost. Furthermore, when a plurality of memory elements are arranged, even if the distance between the memory elements is reduced and the adjacent memory function bodies come into contact with each other, the memory function bodies are stored in the respective memory function bodies as in the case where the memory function bodies are made of a conductor. No lost information is lost. Further, the contact plug can be arranged closer to the memory function body, and in some cases, can be arranged so as to overlap with the memory function body, which facilitates miniaturization of the memory element.
In order to further increase the reliability of memory retention, the insulating film having a function of retaining charges does not necessarily have to be in the form of a film, and insulators having a function of retaining charges are discretely present in the insulating film. Is preferred. Specifically, it is preferable that the material is dispersed in a dot shape in a material that does not easily retain charge, for example, silicon oxide.
[0069]
In addition, by using an insulator film including a conductive film or a semiconductor layer therein as a memory function body, the amount of charge injected into the conductor or the semiconductor can be freely controlled;
[0070]
Further, by using an insulator film containing one or more conductors or semiconductor dots as a memory function body, writing and erasing by direct tunneling of electric charges can be easily performed, which has an effect of reducing power consumption.
[0071]
Further, a ferroelectric film such as PZT or PLZT whose polarization direction changes by an electric field may be used as the memory function body. In this case, electric charges are substantially generated on the surface of the ferroelectric film due to the polarization, and are maintained in that state. Therefore, a hysteresis characteristic similar to that of a film that is supplied with electric charge from outside the film having a memory function and traps electric charge can be obtained, and the charge retention of the ferroelectric film does not require charge injection from outside the film. Since the hysteresis characteristic can be obtained only by the polarization of the electric charge in the film, there is an effect that writing / erasing can be performed at high speed.
[0072]
That is, it is preferable that the memory function body further include a region that makes it difficult for the charge to escape or a film that has a function of making the charge hard to escape. As a material that functions to make it difficult for electric charge to escape, a silicon oxide film or the like can be given.
[0073]
The charge retaining film included in the memory function body is formed directly or on both sides of the gate electrode via an insulating film, and also directly on the semiconductor substrate (well region, body region, or via the gate insulating film or the insulating film). (Source / drain region or diffusion region). The charge retention films on both sides of the gate electrode are preferably formed so as to cover all or a part of the side wall of the gate electrode directly or via an insulating film. As an application example, when the gate electrode has a concave portion at the lower end, the gate electrode may be formed so as to completely or partially fill the concave portion directly or via an insulating film.
[0074]
The gate electrode is preferably formed only on the side wall of the memory function body, or does not cover the upper part of the memory function body. With such an arrangement, the contact plug can be arranged closer to the gate electrode, so that miniaturization of the memory element is facilitated. Further, a memory element having such a simple arrangement is easy to manufacture and can improve the yield.
[0075]
In the case where a conductive film is used as the charge holding film, the charge holding film is provided with an insulating film interposed therebetween so as not to directly contact the semiconductor substrate (the well region, the body region, the source / drain region, or the diffusion region) or the gate electrode. Is preferred. For example, a stacked structure of a conductive film and an insulating film, a structure in which a conductive film is dispersed in a dot shape or the like in an insulating film, a structure in which a part is arranged in a side wall insulating film formed on a side wall of a gate, and the like are given. .
[0076]
The source / drain regions are arranged on the opposite side of the charge holding film from the gate electrode as diffusion regions of a conductivity type opposite to that of the semiconductor substrate or the well region. The junction between the source / drain region and the semiconductor substrate or the well region preferably has a steep impurity concentration. This is because hot electrons and hot holes are efficiently generated at a low voltage, and a high-speed operation can be performed at a lower voltage. The junction depth of the source / drain regions is not particularly limited, and can be appropriately adjusted according to the performance of the semiconductor memory device to be obtained. Note that in the case where an SOI substrate is used as the semiconductor substrate, the source / drain regions may have a junction depth smaller than the thickness of the surface semiconductor layer; It is preferable to have the following junction depth.
[0077]
The source / drain region may be arranged so as to overlap with the gate electrode end, may be arranged so as to coincide with the gate electrode end, or may be arranged offset from the gate electrode end. You may. In particular, in the case of offset, when a voltage is applied to the gate electrode, the easiness of inversion of the offset region below the charge retaining film greatly changes depending on the amount of charge accumulated in the memory function body, and the memory effect is reduced. It is preferred because it increases and brings about a reduction in the short channel effect. However, if the offset is too much, the drive current between the source and the drain becomes extremely small. Therefore, the offset amount is larger than the thickness of the charge holding film in the direction parallel to the gate length direction, that is, one gate electrode end in the gate length direction. It is preferable that the distance from the nearer source / drain region is shorter. What is particularly important is that at least a part of the charge storage region in the memory function body overlaps with a part of the source / drain region which is a diffusion region. The essence of the memory element constituting the semiconductor memory device of the present invention is that the memory is rewritten by the electric field crossing the memory function body due to the voltage difference between the gate electrode and the source / drain region existing only on the side wall of the memory function body. That's why.
[0078]
The source / drain region may partially extend to a position higher than the surface of the channel region, that is, the lower surface of the gate insulating film. In this case, it is appropriate that a conductive film integrated with the source / drain region is laminated on the source / drain region formed in the semiconductor substrate. Examples of the conductive film include semiconductors such as polysilicon and amorphous silicon, silicide, the above-mentioned metals, and high-melting point metals. Among them, polysilicon is preferable. This is because polysilicon has a much higher impurity diffusion rate than a semiconductor substrate, so that it is easy to reduce the junction depth of the source / drain regions in the semiconductor substrate, and it is easy to suppress the short channel effect. . In this case, it is preferable that a part of the source / drain region is disposed so as to sandwich at least a part of the memory function body together with the gate electrode.
[0079]
The memory element of the present invention can be formed by a normal semiconductor process, for example, by a method similar to the method of forming a single-layer or stacked-layer sidewall spacer on the side wall of a gate electrode. Specifically, after forming a gate electrode or an electrode, a single layer including a charge holding film such as a charge holding film, a charge holding film / insulating film, an insulating film / charge holding film, and an insulating film / charge holding film / insulating film. A method of forming a film or a laminated film, etching back under appropriate conditions to leave these films in the form of sidewall spacers; forming an insulating film or a charge retaining film, and etching back under appropriate conditions to form a sidewall. A method in which a charge retaining film or an insulating film is formed in the form of a spacer, and then etched back in the same manner to leave a sidewall spacer; a semiconductor substrate including a gate electrode formed of an insulating film material in which a particulate charge retaining material is dispersed A method of applying or depositing on the upper surface and etching back under appropriate conditions to leave the insulating film material in a side wall spacer shape; after forming a gate electrode, forming the single-layer film or the laminated film and forming a mask A method in which patterning and the like using. Before forming a gate electrode or an electrode, a charge holding film, a charge holding film / insulating film, an insulating film / charge holding film, an insulating film / charge holding film / insulating film, and the like are formed, and a channel region of these films is formed. An opening is formed in a region to be formed, a gate electrode material film is formed over the entire surface, and the gate electrode material film is patterned into a shape including the opening and larger than the opening.
When a memory cell array is configured by arranging the memory elements of the present invention, the best mode of the memory element is, for example, (1) the gate electrodes of a plurality of memory elements have the function of a word line integrally; ▼ A memory function body is formed on both sides of the word line. 3) An insulator, particularly a silicon nitride film, holds electric charges in the memory function body. 4) ONO (Oxide) (Nitride Oxide) film, and the silicon nitride film has a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film. (5) The silicon nitride film in the memory function body is a silicon oxide film with a word line and a channel region. {Circle around (6)} The silicon nitride film and the diffusion layer in the memory function overlap each other, {circle around (7)} the silicon having a surface substantially parallel to the surface of the gate insulating film The thickness of the insulating film separating the nitride film from the channel region or the semiconductor layer is different from the thickness of the gate insulating film. (8) Writing and erasing operations of one memory element are performed by a single word line. ▼ There is no electrode (word line) having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body. (10) The conductivity type opposite to the conductivity type of the diffusion region is provided immediately below the memory function body in contact with the diffusion region. Having a region with a high impurity concentration. The best mode is the case where all the above requirements are satisfied. However, it is needless to say that all the above requirements need not be satisfied.
[0080]
When a plurality of the above requirements are satisfied, a particularly preferable combination exists. For example, (3) an insulator, particularly a silicon nitride film, holds electric charges in the memory function body, and (9) an electrode (word line) having a function of assisting a write and erase operation on the memory function body. And (6) the case where the insulating film (silicon nitride film) in the memory function body and the diffusion layer overlap. If the insulator holds the electric charge in the memory function body and there is no electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body, the insulating film ( It has been found that only when the silicon nitride film) and the diffusion layer overlap, the writing operation is performed favorably. That is, it has been found that when the requirements (3) and (9) are satisfied, the requirement (6) must be satisfied. On the other hand, when the electric charge is held in the memory function body by the conductor, the writing operation can be performed even when the conductor in the memory function body and the diffusion layer do not overlap (the conductor in the memory function body). Is to assist writing by capacitive coupling with the writing electrode). In addition, when there was an electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body, the writing operation could be performed even when the insulating film and the diffusion layer in the memory function body did not overlap. .
[0081]
However, in the case where it is an insulator, not a conductor, that retains electric charges in the memory function body, and there is no electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body, A very large effect can be obtained.
[0082]
First, the bit line contact can be arranged closer to the memory function body on the side wall of the word line, or even if the distance between the memory elements is short, a plurality of memory function bodies do not interfere with each other and can hold the stored information. This facilitates miniaturization of the memory element. When the charge holding region in the memory function body is a conductor, interference occurs between the charge holding regions as the memory elements approach each other due to capacitive coupling, and storage information cannot be held.
When the charge holding region in the memory function body is an insulator (for example, a silicon nitride film), it is not necessary to make the memory function body independent for each memory cell. For example, memory function bodies formed on both sides of one word line shared by a plurality of memory cells do not need to be separated for each memory cell, and memory function bodies formed on both sides of one word line. Can be shared by a plurality of memory cells sharing a word line. Therefore, a photo and etching process for separating the memory function body is not required, and the manufacturing process is simplified. Further, a margin for alignment of a photo and a margin for reducing the thickness of an etching film are not required, so that a margin between memory cells can be reduced. Therefore, as compared with the case where the charge holding region in the memory function body is a conductor (for example, a polycrystalline silicon film), even if formed at the same fine processing level, there is an effect that the memory cell occupation area can be reduced (memory If the charge holding region in the functional body is a conductor, a photo and etching step for separating the memory functional body for each memory cell is required, and a photo alignment margin and an etching film reduction margin are required.
[0083]
Furthermore, since there is no electrode having the function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body and the element structure is simple, the number of steps is reduced, the yield is improved, and the transistors forming the logic circuit and the analog circuit are formed. Can be easily combined.
[0084]
Further, as a very important design matter, the case where the charge holding region in the memory function body is an insulator and there is no electrode having a function of assisting the writing and erasing operations on the memory function body (the above two conditions) Is very effective in reducing the cell occupation area, improving the yield by simplifying the manufacturing method, and reducing the cost.) We have found that wrapping allows writing and erasing at very low voltages. Specifically, it was confirmed that the writing and erasing operations were performed at a low voltage of 5 V or less. This function has a very large effect on circuit design. That is, since it is not necessary to generate a high voltage in a chip as in a flash memory, it is possible to omit a charge pumping circuit requiring an enormous occupation area or to reduce the scale. In particular, when a small-capacity memory is incorporated in a logic LSI for adjustment, the occupied area of the memory section is dominated by the occupied area of the peripheral circuit that drives the memory cell rather than the memory cell. Eliminating or reducing the scale of the booster circuit is most effective for reducing the chip size.
From the above, it is particularly preferable to satisfy the requirements (3), (9) and (6).
[0085]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, a transistor having a specific memory function can be selected by selecting a specific word line and a first bit line. Furthermore, since the potentials applied to the first bit line and the second bit line can be controlled independently for each line, the leakage current from the non-selected memory cell during the read operation of the selected memory cell can be controlled. , And a good read operation can be performed. Further, since the influence of the leak current of the unselected memory cells can be effectively suppressed, the number of memory cells connected to the bit line can be increased, and the integration degree of the memory cell array can be improved.
[0086]
Further, the semiconductor memory device according to the second aspect of the invention also has the same operation and effect as the semiconductor memory device according to the first aspect.
[0087]
In one embodiment, the film having a memory function is a silicon film, and the silicon film is electrically separated from a word line and a channel region by an insulating film, and specifies a material forming the film having a memory function. .
[0088]
In one embodiment, since the silicon film is polycrystalline silicon, and the polycrystalline silicon film is the most commonly used material in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
In one embodiment, the transistor having the memory function stores two bits of information with one transistor, so that the cell area per bit is significantly reduced. Therefore, the degree of integration of the memory cell array can be improved.
[0089]
In one embodiment, a specific structure in which an insulating film having a memory function is provided and one transistor stores 2-bit information is shown. Since an insulating film having a memory function is used, charges can be locally stored in the insulating film, and 2-bit storage can be performed.
[0090]
In one embodiment, the insulating film having a memory function is a silicon nitride film, and the silicon nitride film has a large number of levels for capturing electric charges, so that the memory effect can be increased. Further, since the silicon nitride film is a material used as a standard in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0091]
According to one embodiment, the charge holding film having a function of accumulating charges is formed in the memory function body formed on both sides of the word line, so that the transistor can be easily miniaturized. . Therefore, the degree of integration of the memory cell array can be improved.
[0092]
Further, it can be formed by a process which has a very high affinity with a normal field-effect transistor forming a memory element and a logic circuit. In other words, the mixed mounting process of the logic circuit and the memory cell array is easy.
[0093]
In one embodiment, the charge retention film is a silicon nitride film, and the silicon nitride film has a large number of levels for capturing electric charges, so that the memory effect can be increased. Further, since the silicon nitride film is a material used as a standard in the LSI manufacturing process, the process can be easily constructed.
[0094]
In one embodiment, at least one of the first bit line and the second bit line includes a portion made of a high melting point metal, so that the number of metal wiring layers can be reduced. . Therefore, even if miniaturization is advanced to increase the degree of integration, it is possible to suppress the step shape from being deteriorated due to the overlapping of the metal wirings. Therefore, miniaturization of the memory cell array is facilitated. Furthermore, by using a high melting point metal, a low resistance can be realized even if the source / drain region (diffusion region) is made shallow, so that the operation of the memory cell array can be sped up.
[0095]
Further, according to the embodiment, it is possible to reduce the influence of off-leak of the non-selected memory cell. Further, it is possible to prevent a non-selected memory cell connected to the word line from being turned on and causing a current to flow, thereby changing the potential of the second bit line.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a memory cell array according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the schematic plan view shown in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line BB ′ of the schematic plan view shown in FIG. 1;
4 is a horse head at CC ′ of the schematic plan view shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram of a memory cell array according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic plan view of a memory cell array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the schematic plan view shown in FIG. 6;
8 is a cross-sectional view taken along the line BB 'of the schematic plan view shown in FIG.
FIG. 9 is a schematic plan view of a memory cell array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the schematic plan view shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a schematic plan view of a conventional memory cell array.
FIG. 12 is a sectional view taken along line AA ′ of FIG. 11;
FIG. 13 is a circuit diagram of a memory cell array of a conventional semiconductor memory device.
[Explanation of symbols]
101 ... Semiconductor substrate
102, 104, 113: silicon oxide film
103 ... Charge holding film
105, 106: regions where electric charges are held
107 ... Gate electrode
108, 109, 110, 111 ... source / drain regions
112 ... sidewall film
114 ... Silicon nitride film
115 ... First interlayer insulating film
120 ... second metal
121 ... element isolation region
Claims (11)
上記トランジスタはソース/ドレイン領域となる2つの拡散領域を有し、
行方向に並ぶトランジスタのゲート電極はワード線によって互いに接続され、
列方向に並ぶトランジスタの拡散領域の一方は第1のビット線によって互いに接続され、
行方向に並ぶトランジスタの拡散領域の他方は第2のビット線によって互いに接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。In a semiconductor memory device in which a plurality of transistors having a memory function are arranged in a matrix on a semiconductor substrate,
The transistor has two diffusion regions serving as source / drain regions,
The gate electrodes of the transistors arranged in the row direction are connected to each other by a word line,
One of the diffusion regions of the transistors arranged in the column direction is connected to each other by a first bit line,
The other of the diffusion regions of the transistors arranged in the row direction is connected to each other by a second bit line.
第1導電型の半導体基板の表面に、第1の方向に伸びる素子分離領域が上記第1の方向に対して交差する第2の方向に並んで形成され、隣り合う素子分離領域の間にそれぞれ上記第1の方向に伸びる活性領域が定められ、
上記各活性領域内には、第1の拡散領域及び第2の拡散領域が交互に形成され、
隣り合う上記第1の拡散領域と第2の拡散領域との間にそれぞれチャネル領域が定められ、
上記半導体基板上に、上記第2の方向に延びる複数のワード線が、上記各活性領域内のチャネル領域上を通るように設けられ、
上記半導体基板上に、上記第1の方向に延びる複数の第1のビット線が、それぞれ下方に存する第1の拡散領域と接続されており、
上記半導体基板上に、上記第2の方向に延びる複数の第2のビット線が、上記第2の拡散領域上を通るように設けられ、それぞれ対応する第2の拡散領域と接続されていることを特徴とする半導体記憶装置。In a semiconductor memory device in which a plurality of transistors having a memory function are arranged on a semiconductor substrate,
On the surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type, element isolation regions extending in a first direction are formed side by side in a second direction intersecting the first direction, and are respectively formed between adjacent element isolation regions. An active region extending in the first direction is defined;
In each of the active regions, first diffusion regions and second diffusion regions are alternately formed,
A channel region is defined between the adjacent first diffusion region and second diffusion region,
A plurality of word lines extending in the second direction are provided on the semiconductor substrate so as to pass over a channel region in each of the active regions.
On the semiconductor substrate, a plurality of first bit lines extending in the first direction are connected to first underlying diffusion regions, respectively.
A plurality of second bit lines extending in the second direction are provided on the semiconductor substrate so as to pass over the second diffusion region, and are respectively connected to the corresponding second diffusion regions. A semiconductor memory device characterized by the above-mentioned.
選択されたメモリセルに接続されたワード線に電圧V1を印加して、
選択されたメモリセルに接続された第1のビット線に電圧V2を印加して、
選択されたメモリセルに接続された第2のビット線に電圧V3を印加して、
上記選択されたメモリセルに接続された第1のビット線以外の第1のビット線に電圧V3を印加して、
上記選択されたメモリセルに接続された第2のビット線以外の第2ビット線に電圧V2を印加することにより、
メモリセルの読出し動作を行うことを特徴とする請求項2に記載の半導体記憶装置。In the above semiconductor memory device,
A voltage V1 is applied to a word line connected to the selected memory cell,
A voltage V2 is applied to the first bit line connected to the selected memory cell,
A voltage V3 is applied to a second bit line connected to the selected memory cell,
Applying a voltage V3 to a first bit line other than the first bit line connected to the selected memory cell,
By applying the voltage V2 to a second bit line other than the second bit line connected to the selected memory cell,
3. The semiconductor memory device according to claim 2, wherein a read operation of the memory cell is performed.
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