JPH1092952A - Semiconductor storage device - Google Patents

Semiconductor storage device

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JPH1092952A
JPH1092952A JP8246710A JP24671096A JPH1092952A JP H1092952 A JPH1092952 A JP H1092952A JP 8246710 A JP8246710 A JP 8246710A JP 24671096 A JP24671096 A JP 24671096A JP H1092952 A JPH1092952 A JP H1092952A
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JP
Japan
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substrate
semiconductor layer
layer
mos transistor
semiconductor
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Pending
Application number
JP8246710A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichi Takagi
信一 高木
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize memory cells effective for a highly integrated device by reducing the energy difference between the valence band top end of a second semiconductor layer and vacuum level below that between the valence band top end of a first and third semiconductor layers and vacuum level. SOLUTION: A main surface of a p-type Si substrate 1 is provided with a first p-type Si semiconductor layer 3 through a silicon oxide layer 2. On element-forming regions 21 on this layer 3 a second p-type SiGe semiconductor layer 4 and third p-type Si semiconductor layer 5 are formed. The energy difference between the valence band top end of the second semiconductor layer 4 and vacuum level is reduced below that between the valence band top end of the first and third semiconductor layers 3, 5 and vacuum level. Thus it is possible to easily realize memory cells effective for a highly integrated device.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体記憶装置に
係わり、特にDRAM型の半導体記憶装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a DRAM type semiconductor memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体記憶装置は、高集積化、大容量化
の一途をたどっている。特に1個のMOSトランジスタ
と1個のキャパシタによりメモリセルが構成されたDR
AM型の半導体記憶装置は、その簡略なメモリセル形式
から最も集積化が進んでいる。
2. Description of the Related Art Semiconductor memory devices are steadily increasing in integration and capacity. In particular, a DR in which a memory cell is constituted by one MOS transistor and one capacitor
The AM type semiconductor memory device has been most integrated because of its simple memory cell format.

【0003】ノイズの影響を抑えて記憶信号(情報)の
読み出しを正確に行なうためには、キャパシタに蓄積さ
れる電荷(蓄積電荷)の量(蓄積電荷量)を一定値以上
にする必要がある。
In order to accurately read out a storage signal (information) while suppressing the influence of noise, it is necessary to make the amount of charge (stored charge) stored in a capacitor equal to or more than a certain value. .

【0004】このため、メモリセルの面積を縮小してさ
らなる高集積化を図るためには、メモリセルの面積を縮
小しても、一定値以上の蓄積電荷量を確保できる容量値
の大きいキャパシタが必要となる。
Therefore, in order to further reduce the area of the memory cell and achieve higher integration, a capacitor having a large capacitance value capable of securing an accumulated charge amount equal to or more than a certain value even if the area of the memory cell is reduced. Required.

【0005】しかし、そのためにキャパシタを複雑な立
体形状にしたり、キャパシタ絶縁膜として誘電率の高い
絶縁膜を新たに開発する必要に迫られ、これが高集積化
の大きな障害となっていた。
[0005] However, for this reason, it has been necessary to form a capacitor into a complicated three-dimensional shape or to newly develop an insulating film having a high dielectric constant as a capacitor insulating film, which has been a major obstacle to high integration.

【0006】蓄積電荷量を確保するためには、電源電圧
を高くすることも有効であるが、電源電圧は消費電力の
低減化のために低くなる一方で、電源電圧による蓄積電
荷量の確保は困難である。
It is effective to increase the power supply voltage in order to secure the accumulated charge amount. However, while the power supply voltage is lowered to reduce the power consumption, it is difficult to secure the accumulated charge amount by the power supply voltage. Have difficulty.

【0007】これらの問題を解決するために、メモリセ
ル自身が蓄積電荷を増幅し、電荷を電源から供給するゲ
インメモリセルがいくつか提案されている。しかしなが
ら、これら従来のゲインメモリセルは、トランジスタ構
造やセル動作の複雑化を招き、実用的ではなかった。
In order to solve these problems, some gain memory cells have been proposed in which a memory cell itself amplifies accumulated charges and supplies the charges from a power supply. However, these conventional gain memory cells are not practical because they complicate the transistor structure and cell operation.

【0008】また、SOI基板に形成された1個のMO
Sトランジスタをメモリセルとする1トランジスタセル
が提案されている(M.Tack,M.Gao,Cla
eys and G.Declerck:IEEE T
ransactions on Electron D
evices, ED−37(1990)p.1373
−1382)。
In addition, one MO formed on the SOI substrate
A one-transistor cell using an S transistor as a memory cell has been proposed (M. Tack, M. Gao, Cla).
eyes and G. Declerck: IEEE T
transactions on Electron D
devices, ED-37 (1990) p. 1373
-1382).

【0009】この1トランジスタセルでは、電気的にフ
ローティングなSOI基板内にとじ込まれた多数キャリ
アの量を記憶信号に利用している。記憶信号の読み出し
は、SOI基板内にとじ込まれた多数キャリアの量の違
いによりMOSトランジスタのしきい値電圧が変化する
ことを利用している。
In this one-transistor cell, the amount of majority carriers trapped in an electrically floating SOI substrate is used for a storage signal. The reading of the stored signal utilizes the fact that the threshold voltage of the MOS transistor changes due to the difference in the amount of majority carriers trapped in the SOI substrate.

【0010】しかしながら、SOI基板内への多数キャ
リアの注入、つまり、信号電荷の書き込みは、インパク
トイオンを利用しているため、書き込み電流が小さく、
長い書き込み時間を必要としていた。さらに、多数キャ
リアの保持特性が不十分であるために、77Kレベルの
低温で使用する必要があり、実用的ではなかった。
However, the injection of majority carriers into the SOI substrate, that is, the writing of signal charges uses impact ions, so that the writing current is small,
It required a long writing time. Furthermore, since the majority carrier has insufficient holding characteristics, it has to be used at a low temperature of 77 K, which is not practical.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、1個のM
OSトランジスタと1個のキャパシタによりメモリセル
が構成されたDRAM型の半導体記憶装置において、そ
のメモリセルの面積を縮小してさらなる高集積化を図る
ためには、メモリセルの面積を縮小しても、一定値以上
の蓄積電荷量を確保できる容量値の大きいキャパシタが
必要となる。
As described above, one M
In a DRAM type semiconductor memory device in which a memory cell is constituted by an OS transistor and one capacitor, in order to further reduce the area of the memory cell and achieve higher integration, even if the area of the memory cell is reduced. In addition, a capacitor having a large capacitance value capable of securing an accumulated charge amount equal to or more than a certain value is required.

【0012】しかしながら、容量値を大きくするために
は、キャパシタを複雑な立体形状にしたり、誘電率の高
いキャパシタ絶縁膜を新たに開発する必要があるため
に、その実現は困難であった。本発明は、上記事情を考
慮してなされたもので、その目的とするところは、高集
積化に有効なメモリセルを有する半導体記憶装置を提供
することにある。
However, in order to increase the capacitance value, it is difficult to realize such a capacitor because it is necessary to form the capacitor into a complicated three-dimensional shape or to newly develop a capacitor insulating film having a high dielectric constant. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having memory cells effective for high integration.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

[概要]上記目的を達成するために、本発明に係る半導
体記憶装置(請求項1)は、基板上に、ゲートがワード
線、ソースがビット線、ドレインが電源線にそれぞれ接
続され、チャネル領域下にダブルヘテロ接合構造を有す
るnチャネルMOSトランジスタからなるメモリセルを
集積してなり、前記ダブルヘテロ接合構造は、第1の半
導体層、第2の半導体層および第3の半導体層がこの順
で基板側から積層されてなり、前記第2の半導体層の価
電子帯の上端と真空準位とのエネルギー差が、前記第1
および第3の半導体層の価電子帯の上端と真空準位との
エネルギー差よりも小さいことを特徴とする。
[Summary] In order to achieve the above object, in a semiconductor memory device according to the present invention (claim 1), a gate is connected to a word line, a source is connected to a bit line, a drain is connected to a power supply line, and a channel region is formed. A memory cell composed of an n-channel MOS transistor having a double hetero junction structure is integrated below. In the double hetero junction structure, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer are arranged in this order. The energy difference between the upper end of the valence band of the second semiconductor layer and the vacuum level is the first semiconductor layer.
And a difference in energy between the upper end of the valence band of the third semiconductor layer and the vacuum level.

【0014】また、本発明に係る他の半導体記憶装置
(請求項2)は、基板上に、ゲートがワード線、ソース
がビット線、ドレインが電源線に接続され、チャネル領
域下にダブルヘテロ接合構造を有するpチャネルMOS
トランジスタからなるメモリセルを集積してなり、前記
ダブルヘテロ接合構造は、第1の半導体層、第2の半導
体層および第3の半導体層がこの順で基板側から積層さ
れてなり、前記第2の半導体層の伝導帯の下端と真空準
位とのエネルギー差が、前記第1および第3の半導体層
の伝導帯の下端と真空準位とのエネルギー差よりも大き
いことを特徴とする。
In another semiconductor memory device according to the present invention, a gate is connected to a word line, a source is connected to a bit line, a drain is connected to a power supply line, and a double heterojunction is provided below a channel region. P-channel MOS having structure
A memory cell composed of transistors is integrated, and the double heterojunction structure comprises a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer laminated in this order from the substrate side, Wherein the energy difference between the lower end of the conduction band of the semiconductor layer and the vacuum level is larger than the energy difference between the lower end of the conduction band of the first and third semiconductor layers and the vacuum level.

【0015】また、本発明に係る他の半導体記憶装置
(請求項3)は、上記半導体記憶装置(請求項1、請求
項2)において、前記基板が、基板絶縁層と、この基板
絶縁層上に設けられた基板半導体層とから構成され、前
記MOSトランジスタが形成された素子形成領域の前記
基板半導体層は前記第1、第2および第3の半導体層で
構成され、かつ前記素子形成領域の基板半導体層の厚さ
は、前記MOSトランジスタがオン状態のときに、前記
MOSトランジスタのゲート絶縁膜と前記基板半導体層
との界面から、この界面下の前記基板絶縁層と前記基板
半導体層との界面までの領域が空乏化する厚さであり、
2つの前記MOSトランジスタで挟まれた素子分離領域
の前記基板半導体層は前記第1の半導体層で構成され、
前記基板半導体層には、2個以上のメモリセルが形成さ
れた部分を単位に独立の電圧を与えるための基板コンタ
クトが形成されていることを特徴とする。
In another semiconductor memory device according to the present invention (claim 3), in the above-mentioned semiconductor memory device (claim 1, claim 2), the substrate comprises a substrate insulating layer and a substrate insulating layer. And the substrate semiconductor layer of the element formation region where the MOS transistor is formed is composed of the first, second and third semiconductor layers, and the substrate formation layer of the element formation region The thickness of the substrate semiconductor layer is such that, when the MOS transistor is in an ON state, the interface between the gate insulating film of the MOS transistor and the substrate semiconductor layer is different from the interface between the substrate insulating layer and the substrate semiconductor layer below the interface. The thickness is such that the region up to the interface is depleted,
The substrate semiconductor layer in the element isolation region sandwiched between the two MOS transistors is constituted by the first semiconductor layer;
The semiconductor substrate is characterized in that a substrate contact for applying an independent voltage is formed in units where two or more memory cells are formed.

【0016】また、本発明に係る他の半導体記憶装置
(請求項4)は、前記基板が、基板絶縁層と、この基板
絶縁層の主表面に設けられた基板半導体層とから構成さ
れ、前記MOSトランジスタが形成された素子形成領域
の前記基板半導体層が前記第1、第2および第3の半導
体層で構成され、かつ前記素子形成領域の基板半導体層
の厚さが、前記MOSトランジスタがオン状態のとき
に、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と前記基板
半導体層との界面から、この界面下の前記基板絶縁層と
前記基板半導体層との界面までの領域が空乏化する厚さ
であり、同一のビット線を共有する2つのメモリセルで
挟まれた素子分離領域には前記第1の半導体層が存在
し、同一のビット線を共有しない2つのメモリセルで挟
まれた素子分離領域には前記基板半導体層が存在しない
ことを特徴とする。
In another semiconductor memory device according to the present invention, the substrate is constituted by a substrate insulating layer and a substrate semiconductor layer provided on a main surface of the substrate insulating layer. The substrate semiconductor layer in the element formation region where the MOS transistor is formed is composed of the first, second, and third semiconductor layers, and the thickness of the substrate semiconductor layer in the element formation region is such that the MOS transistor is turned on. In the state, the thickness from the interface between the gate insulating film of the MOS transistor and the substrate semiconductor layer to the interface below the interface between the substrate insulating layer and the substrate semiconductor layer is depleted, The first semiconductor layer exists in an element isolation region sandwiched between two memory cells sharing the same bit line, and an element isolation region sandwiched between two memory cells not sharing the same bit line exists in an element isolation region. Wherein the serial board semiconductor layer is not present.

【0017】また、本発明に係る他の半導体記憶装置
(請求項5)は、上記半導体記憶装置(請求項1〜請求
項4)において、前記電源線が、前記ビット線と交差
し、かつ同一のビット線を共有する隣り合う2つのメモ
リセルで共通に使用されるように隣り合う2つのワード
線間に配設されていることを特徴とする。
In another semiconductor memory device according to the present invention (claim 5), in the semiconductor memory device (claims 1 to 4), the power supply line crosses the bit line and is the same. Is arranged between two adjacent word lines so as to be commonly used by two adjacent memory cells sharing the same bit line.

【0018】また、本発明に係る他の半導体記憶装置
(請求項6)は、上記半導体記憶装置(請求項4)にお
いて、前記電源線が、前記ビット線と交差し、かつ同一
のビット線を共有する隣り合う2つのメモリセルで共通
に使用されるように隣り合う2つのワード線間に配設さ
れ、基板半導体層には、同一のビット線を共有するメモ
リセルが形成された部分を単位に独立の電圧を与えるた
めの基板コンタクトが形成されていることを特徴とす
る。
In another semiconductor memory device according to the present invention (claim 6), in the semiconductor memory device (claim 4), the power supply line crosses the bit line and the same bit line is connected. It is disposed between two adjacent word lines so as to be used in common by two adjacent memory cells that are shared, and the substrate semiconductor layer includes a unit in which a memory cell sharing the same bit line is formed. A substrate contact for applying an independent voltage to the substrate.

【0019】[作用]本発明に係る半導体記憶装置は、
メモリセルが1個のMOSトランジスタにより構成され
ているので、メモリセルが1個のMOSトランジスタと
1個のキャパシタにより構成された従来のものに比べ
て、高集積化が容易である。
[Operation] The semiconductor memory device according to the present invention comprises:
Since the memory cell is constituted by one MOS transistor, higher integration is easier than in a conventional memory cell constituted by one MOS transistor and one capacitor.

【0020】1個のMOSトランジスタでメモリセルを
構成できる理由は、MOSトランジスタとして、チャネ
ル領域下にダブルヘテロ接合構造を有するものを用いて
いるからである。
The reason that a memory cell can be constituted by one MOS transistor is that a MOS transistor having a double heterojunction structure below a channel region is used.

【0021】ダブルヘテロ接合構造を構成する第2の半
導体層内に閉じ込められた基板の多数キャリアの量が変
わると、MOSトランジスタのしきい値電圧も変わる。
したがって、閉じ込まれた多数キャリアが多い場合のし
きい値電圧と少ない場合のしきい値電圧との間の中間レ
ベルのゲート電圧をゲート電極に印加すれば、ドレイン
電流の大小から、閉じ込められたキャリアの量が多いか
少ないか検出でき、これにより、閉じ込められたキャリ
アの量を記憶信号として利用できるようになる。
When the amount of majority carriers on the substrate confined in the second semiconductor layer forming the double hetero junction structure changes, the threshold voltage of the MOS transistor also changes.
Therefore, when a gate voltage at an intermediate level between the threshold voltage when the number of confined majority carriers is large and the threshold voltage when the number of confined carriers is small is applied to the gate electrode, the trapped electrons are confined due to the magnitude of the drain current. It is possible to detect whether the amount of carriers is large or small, so that the amount of confined carriers can be used as a storage signal.

【0022】また、ダブルヘテロ接合構造は、3つの半
導体層の積層構造により構成できるので、素子構造が特
に複雑になるということもない。また、MOSトランジ
スタのドレインは電源線に接続されているので(従来は
キャパシタを介して接地されている)、ビット線から読
み出される記憶信号は、MOSトランジスタの増幅作用
により増幅される。これにより、ノイズの影響が抑えら
れ、記憶信号の読み出しを正確に行なえるようになる。
Further, since the double hetero junction structure can be constituted by a laminated structure of three semiconductor layers, the element structure is not particularly complicated. Further, since the drain of the MOS transistor is connected to the power supply line (conventionally, grounded via a capacitor), the storage signal read from the bit line is amplified by the amplification operation of the MOS transistor. Thereby, the influence of noise is suppressed, and the reading of the stored signal can be performed accurately.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係るDRAM装置のメモリセルを示す平面図である。ま
た、図2、図3は、それぞれ図1のメモリセルのA−A
´断面図、B−B断面図である。
Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a plan view showing a memory cell of a DRAM device according to a first embodiment of the present invention. 2 and 3 show AA of the memory cell of FIG. 1, respectively.
断面 a sectional view and a BB sectional view.

【0024】このメモリセルは、SOI基板に形成され
た1個のnチャネルMOSトランジスタからなる1トラ
ンジスタセルであるとともに、読み出し時にメモリセル
自身が記憶信号を増幅するゲインメモリでもある。この
MOSトランジスタの構造上の特徴は、チャネル領域下
のSOI基板内にダブルヘテロ接合構造が形成されてい
ることにある。以下、本実施形態のメモリセルについて
詳細に説明する。
This memory cell is a one-transistor cell including one n-channel MOS transistor formed on the SOI substrate, and is also a gain memory in which the memory cell itself amplifies a storage signal at the time of reading. The structure of this MOS transistor is characterized in that a double heterojunction structure is formed in the SOI substrate below the channel region. Hereinafter, the memory cell of the present embodiment will be described in detail.

【0025】図中、1はp型シリコン基板を示してお
り、このp型シリコン基板1の主表面にはシリコン酸化
層2を介してp型シリコン層3が設けられている。素子
形成領域(トランジスタ領域)21のp型シリコン層2
1は、素子分離領域22のp型シリコン層3の表面に対
して凸部をなしている。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a p-type silicon substrate, and a p-type silicon layer 3 is provided on a main surface of the p-type silicon substrate 1 via a silicon oxide layer 2. P-type silicon layer 2 in element formation region (transistor region) 21
Reference numeral 1 denotes a projection on the surface of the p-type silicon layer 3 in the element isolation region 22.

【0026】素子形成領域21のp型シリコン層3上に
はp型シリコンゲルマニウム層4、p型シリコン層5が
順次設けられている。このp型シリコン層5の両端側に
は、それぞれ高濃度のn型ドレイン拡散層6およびn型
ソース拡散層7が選択的に形成されている。
On the p-type silicon layer 3 in the element forming region 21, a p-type silicon germanium layer 4 and a p-type silicon layer 5 are sequentially provided. High-concentration n-type drain diffusion layers 6 and n-type source diffusion layers 7 are selectively formed at both ends of the p-type silicon layer 5, respectively.

【0027】ここで、p型シリコン層3とp型シリコン
ゲルマニウム層4とはヘテロ接合を形成し、また、p型
シリコンゲルマニウム層4とp型シリコン層5とはヘテ
ロ接合を形成する。すなわち、p型シリコン層3とp型
シリコンゲルマニウム層4とp型シリコン層5とにより
ダブルヘテロ接合構造が形成されている。
Here, the p-type silicon layer 3 and the p-type silicon germanium layer 4 form a hetero junction, and the p-type silicon germanium layer 4 and the p-type silicon layer 5 form a hetero junction. That is, the p-type silicon layer 3, the p-type silicon germanium layer 4, and the p-type silicon layer 5 form a double hetero junction structure.

【0028】SOI基板をSIMOX法により形成した
場合には、シリコン酸化層2は埋め込みシリコン酸化層
となり、p型シリコン層3とp型シリコン基板1とは同
一のものとなる。
When the SOI substrate is formed by the SIMOX method, the silicon oxide layer 2 becomes a buried silicon oxide layer, and the p-type silicon layer 3 and the p-type silicon substrate 1 are the same.

【0029】また、素子分離領域22には素子分離絶縁
膜8が形成されている。SOI基板で溝で素子分離を行
なう場合、通常、素子分離領域上にシリコン層を残さな
いが、本実実施形態では、p型シリコン層3の凹部とい
う形で残っている。
The element isolation insulating film 8 is formed in the element isolation region 22. When element isolation is performed using a groove in an SOI substrate, the silicon layer is not usually left on the element isolation region, but in the present embodiment, the silicon layer remains in the form of a recess in the p-type silicon layer 3.

【0030】これは、本実施形態では、p型シリコン層
3の凹部を基板コンタクトとして利用し、この基板コン
タクトに印加する電圧を制御することにより、記憶信号
の書き込み動作を高速に行なうからである。
This is because, in the present embodiment, the concave portion of the p-type silicon layer 3 is used as a substrate contact, and the voltage applied to the substrate contact is controlled to perform the writing operation of the storage signal at a high speed. .

【0031】また、素子形成領域21に形成されたp型
シリコン層3、p型シリコンゲルマニウム層4およびp
型シリコン層5からなるダブルヘテロ接合構造の膜厚お
よびp型不純物は、ゲート電極10に正電圧を印加して
反転層を形成する際に、この反転層(チャネル領域)下
のp型シリコン層5とゲート絶縁膜9との界面から、こ
の界面下のシリコン酸化層2とp型シリコン層3との界
面に向かって延びる空乏層が、シリコン酸化層2に達す
るように、十分に小さい値に設定されている。なお、こ
の膜厚値は、同じゲート電圧であっても、各層2,4,
5のp型不純物濃度によって変化する。
The p-type silicon layer 3, the p-type silicon germanium layer 4, and the p-type silicon
When a positive voltage is applied to the gate electrode 10 to form an inversion layer, the thickness and the p-type impurity of the double heterojunction structure composed of the n-type silicon layer 5 are changed to the p-type silicon layer under the inversion layer (channel region). The depletion layer extending from the interface between the gate insulating film 9 and the gate insulating film 9 toward the interface between the silicon oxide layer 2 and the p-type silicon layer 3 under this interface has a sufficiently small value so as to reach the silicon oxide layer 2. Is set. It should be noted that this film thickness value is the same for each of the layers 2, 4,
5 depending on the p-type impurity concentration.

【0032】このような膜厚に設定することで、MOS
トランジスタがオン状態のとき、素子形成領域21のp
型シリコン層5は空乏層により素子分離領域22のそれ
から確実に分離されることになる。
By setting such a film thickness, the MOS
When the transistor is on, p of element formation region 21
The type silicon layer 5 is surely separated from that of the element isolation region 22 by the depletion layer.

【0033】さらに、MOSトランジスタがオン状態の
とき、ダブルヘテロ接合が空乏層内に含まれることにな
るので、MOSトランジスタはオン状態のときにダブル
ヘテロ接合構造の影響を受けることになる。すなわち、
しきい値電圧は、p型シリコンゲルマニウム層4内に閉
じ込められた正孔の量によって変わる。
Further, when the MOS transistor is on, the double heterojunction is included in the depletion layer. Therefore, when the MOS transistor is on, the double heterojunction structure is affected. That is,
The threshold voltage changes depending on the amount of holes confined in the p-type silicon germanium layer 4.

【0034】n型ドレイン拡散層6とn型ソース拡散層
7により挟まれた領域のp型シリコン層3上にはゲート
絶縁膜9を介してゲート電極10が配設されている。こ
のゲート電極10はワード線WLと一体形成されてい
る。
A gate electrode 10 is provided on the p-type silicon layer 3 in a region sandwiched between the n-type drain diffusion layer 6 and the n-type source diffusion layer 7 with a gate insulating film 9 interposed therebetween. This gate electrode 10 is formed integrally with the word line WL.

【0035】また、n型ドレイン拡散層6には層間絶縁
膜11に開口されたコンタクトホール12を介して電源
線VLが接続され、n型ソース拡散層7には層間絶縁膜
11,13に開口されたコンタクトホール14を介して
ビット線BLが接続されている。
The power supply line VL is connected to the n-type drain diffusion layer 6 through a contact hole 12 opened in the interlayer insulating film 11, and the n-type source diffusion layer 7 is opened in the interlayer insulating films 11 and 13. The bit line BL is connected via the contact hole 14.

【0036】図4に、本実施形態のnチャネルMOSト
ランジスタのバンド図を示す。これはゲート電圧が0
V、かつp型シリコンゲルマニウム層4内に正孔が全く
閉じ込まれていない状態のものである。
FIG. 4 shows a band diagram of the n-channel MOS transistor of the present embodiment. This means that the gate voltage is 0
This is a state in which holes are not confined in the V and p-type silicon germanium layer 4 at all.

【0037】図に示すように、価電子帯EV にダブルヘ
テロ接合が形成されているので、SOI基板の多数キャ
リアである正孔を2つのヘテロ接合間のp型シリコンゲ
ルマニウム層4内に閉じ込めることができる。本実施形
態では、p型シリコンゲルマニウム層4内に閉じ込まれ
た正孔の量(閉じ込め正孔量)の違いを記憶信号(2値
データ)に利用する。
As shown in FIG., The double hetero junction in the valence band E V are formed, confining holes which are majority carriers in the SOI substrate to p-type silicon germanium layer 4 between two heterojunctions be able to. In the present embodiment, the difference in the amount of holes confined in the p-type silicon germanium layer 4 (confined hole amount) is used for a storage signal (binary data).

【0038】ここで、ゲート電極10にゲート電圧を印
加していない状態(平衡状態)から、ゲート電極10に
正のゲート電圧を印加して反転層を形成した状態に変え
た場合を考える。
Here, it is assumed that the state where no gate voltage is applied to the gate electrode 10 (equilibrium state) is changed to a state where an inversion layer is formed by applying a positive gate voltage to the gate electrode 10.

【0039】この場合、p型シリコンゲルマニウム層4
内に閉じ込まれた正孔の量は変化しないが、表面ポテン
シャルが低下して反転層が形成されることになるが、こ
の表面ポテンシャルの低下は、閉じ込め正孔量が少ない
ほど小さくなるので、MOSトランジスタのしきい値電
圧は、閉じ込め正孔量が少ないほど高くなる。
In this case, the p-type silicon germanium layer 4
Although the amount of the holes confined therein does not change, the surface potential decreases and an inversion layer is formed, but the decrease in the surface potential decreases as the amount of the confined holes decreases. The threshold voltage of a MOS transistor increases as the amount of confined holes decreases.

【0040】したがって、閉じ込め正孔量が少ない場合
のMOSトランジスタのしきい値電圧と、閉じ込め正孔
量が多い場合のMOSトランジスタのしきい値電圧との
間の中間レベルの電圧をゲート電極10に印加すれば、
閉じ込め正孔量の違いをドレイン電流(読み出し電流)
比として検出することができ、これにより、記憶信号を
読み出すことができるようになる。
Therefore, an intermediate level voltage between the threshold voltage of the MOS transistor when the amount of confined holes is small and the threshold voltage of the MOS transistor when the amount of confined holes is large is applied to the gate electrode 10. If you apply
Drain current (readout current)
The ratio can be detected as a ratio, whereby the stored signal can be read.

【0041】ここで、MOSトランジスタのn型ドレイ
ン拡散層6は電源線VLに接続されているため、MOS
トランジスタがオン状態の場合、MOSトランジスタの
増幅作用により、大きな読み出し電流が得られることに
なる。
Since the n-type drain diffusion layer 6 of the MOS transistor is connected to the power supply line VL,
When the transistor is in the ON state, a large read current can be obtained by the amplifying action of the MOS transistor.

【0042】これにより、雑音に耐して強く、また、電
源電圧を下げても高い読み出し電流を確保できるように
なる。さらに、閉じ込め正孔量の差が小さくても、MO
Sトランジスタの増幅作用により、その小さな差は大き
なドレイン電流(読み出し電流)比となって現れること
になる。したがって、ビット線につながったセンスアン
プにより高感度でしかも高速に記憶信号を読み出すこと
ができるようになる。
As a result, it is possible to secure a high read current even when the power supply voltage is lowered, while being resistant to noise. Furthermore, even if the difference in the amount of confined holes is small, the MO
Due to the amplifying action of the S transistor, the small difference appears as a large drain current (read current) ratio. Therefore, the sense amplifier connected to the bit line can read the stored signal with high sensitivity and at high speed.

【0043】また、メモリセルが1個のMOSトランジ
スタで構成されているので、メモリセルが1個のMOS
トランジスタと1個のキャパシタにより構成された従来
のものに比べて、高集積化が容易である。
Since the memory cell is constituted by one MOS transistor, the memory cell is constituted by one MOS transistor.
Higher integration is easier than in a conventional device including a transistor and one capacitor.

【0044】上述したように、本実施形態では、閉じ込
め正孔量の違いを記憶信号に利用するが、その具体的な
形態としては以下のものがあげられる。1つは平衡状態
における閉じ込め正孔量が有限である状態と、閉じ込め
正孔量がゼロの状態とを記憶信号に利用する形態であ
る。図5にこれら2つの状態においてゲート電圧を印加
したときのバンド図を示す。図から、前者の状態の場合
のほうがしきい値電圧が低くなることが分かる。
As described above, in the present embodiment, the difference in the amount of confined holes is used for the storage signal. The specific form is as follows. One is a mode in which a state in which the amount of confined holes in an equilibrium state is finite and a state in which the amount of confined holes is zero are used for a storage signal. FIG. 5 shows a band diagram when a gate voltage is applied in these two states. From the figure, it can be seen that the threshold voltage is lower in the former case.

【0045】この場合、前者の状態に対応した記憶信号
の書き込みは平衡状態を保つために例えば後述するよう
にSOI基板に基板コンタクトを形成し、基板コンタク
トにゼロ電圧、後者の状態に対応した記憶信号の書き込
みはp型シリコンゲルマニウム層4内の正孔を引く抜く
ために基板コンタクトに負電圧を印加することにより行
なう。
In this case, in order to write the storage signal corresponding to the former state, a substrate contact is formed on the SOI substrate as will be described later to maintain a balanced state, a zero voltage is applied to the substrate contact, and the storage corresponding to the latter state is performed. Signal writing is performed by applying a negative voltage to the substrate contact in order to draw holes in the p-type silicon germanium layer 4.

【0046】また、記憶信号(データ)のリテンション
時間は、p型シリコンゲルマニウム層4内における正孔
の生成レートと、p型シリコンゲルマニウム層4外に漏
れる正孔の量(リーク電流)によって決定される。
The retention time of the storage signal (data) is determined by the rate of holes generated in the p-type silicon germanium layer 4 and the amount of holes leaking out of the p-type silicon germanium layer 4 (leakage current). You.

【0047】もう1つは平衡状態における閉じ込め正孔
量が有限である状態と、この状態よりも閉じ込め正孔量
が多い状態とを記憶信号に利用する形態である。この場
合、前者の状態に対応した記憶信号の書き込みは平衡状
態を保つために例えば基板コンタクトにゼロ電圧、後者
の状態に対応した記憶信号の書き込みはp型シリコンゲ
ルマニウム層4内に正孔を注入するために基板コンタク
トに正電圧を印加することにより行なう。
The other is a mode in which a state in which the amount of confined holes is finite in an equilibrium state and a state in which the amount of confined holes is larger than this state are used for a storage signal. In this case, the writing of the storage signal corresponding to the former state is performed, for example, by injecting a zero voltage into the substrate contact to maintain the equilibrium state, and the writing of the storage signal corresponding to the latter state is performed by injecting holes into the p-type silicon germanium layer 4. This is done by applying a positive voltage to the substrate contact.

【0048】また、記憶信号(データ)のリテンション
時間は、p型シリコンゲルマニウム層4内における正孔
の再結合レートと、p型シリコンゲルマニウム層4外に
漏れる正孔の量(リーク電流)によって決定される。
The retention time of the storage signal (data) is determined by the recombination rate of holes in the p-type silicon germanium layer 4 and the amount of holes leaking out of the p-type silicon germanium layer 4 (leakage current). Is done.

【0049】そして、平衡状態よりも閉じ込め正孔量が
多い状態(過剰状態)と、平衡状態よりも閉じ込め正孔
量が少ない状態(欠乏状態)とを記憶信号に利用する形
態である。
The state where the amount of confined holes is larger than the equilibrium state (excess state) and the state where the amount of confined holes is smaller than the equilibrium state (deficient state) are used for the storage signal.

【0050】この場合、前者の状態に対応した記憶信号
の書き込みはp型シリコンゲルマニウム層4内に正孔を
注入するために例えば基板コンタクトに正電圧、後者の
状態に対応した記憶信号の書き込みはp型シリコンゲル
マニウム層4内の正孔を引き抜くために基板コンタクト
に負電圧を印加することにより行なう。
In this case, the writing of the storage signal corresponding to the former state is performed by injecting holes into the p-type silicon germanium layer 4, for example, a positive voltage is applied to the substrate contact, and the writing of the storage signal corresponding to the latter state is performed. This is performed by applying a negative voltage to the substrate contact in order to extract holes in the p-type silicon germanium layer 4.

【0051】いずれの形態においても、通常のDRAM
セルと同様に、リテンション時間よりも短いタイミング
で記憶信号(データ)をリフレッシュすることにより、
記憶信号を長い時間保持することができる。
In each case, the ordinary DRAM
Like a cell, by refreshing a storage signal (data) at a timing shorter than the retention time,
The stored signal can be held for a long time.

【0052】また、記憶信号(データ)の保持時には、
ビット線BLの電圧を電源線VLのそれと等しくするこ
とが好ましい。これにより、p型シリコンゲルマニウム
層4とn型ソース拡散層7との間の正孔電流の流れを十
分に抑制でき、より長いリテンション時間を得ることが
できる。
When a storage signal (data) is held,
It is preferable to make the voltage of the bit line BL equal to that of the power supply line VL. Thereby, the flow of the hole current between the p-type silicon germanium layer 4 and the n-type source diffusion layer 7 can be sufficiently suppressed, and a longer retention time can be obtained.

【0053】また、p型シリコンゲルマニウム層4内の
正孔を消去する方法としては、例えば、ゲート電極10
に読み出し電圧よりも大きな電圧を印加して、p型シリ
コンゲルマニウム層4内の正孔を基板コンタクトを介し
て素子外に排出する方法がある。また、n型ソース拡散
層7に負電圧を印加して、p型シリコンゲルマニウム層
4内の正孔をソース側から吸い出して素子外に排出する
方法もある。この方法は基板コンタクトがない場合にも
用いることができる。いずれの方法も正孔を高速に消去
できる。
As a method for erasing holes in the p-type silicon germanium layer 4, for example,
A voltage higher than the read voltage is applied to the holes to discharge holes in the p-type silicon germanium layer 4 out of the element through the substrate contacts. There is also a method in which a negative voltage is applied to the n-type source diffusion layer 7 so that holes in the p-type silicon germanium layer 4 are sucked out from the source side and discharged out of the element. This method can be used even when there is no substrate contact. Either method can erase holes at high speed.

【0054】図6に、セルアレイのレイアウト(1セル
ブロック分)の一例を示す。SOI基板にはMOSトラ
ンジスタの素子形成領域21が短冊状に配列形成されて
いる。各素子形成領域21はトレンチ溝によって互いに
分離されているが、素子形成領域21および素子分離領
域22には上述したようにp型シリコン層3が存在す
る。すなわち、p型シリコン層3の凸部は素子形成領域
21に存在し、p型シリコン層3の凹部(トレンチ溝)
は素子分離領域22に存在する。
FIG. 6 shows an example of a cell array layout (for one cell block). On the SOI substrate, element formation regions 21 of MOS transistors are arranged in a strip shape. Each of the element formation regions 21 is separated from each other by the trench groove. However, the p-type silicon layer 3 exists in the element formation region 21 and the element isolation region 22 as described above. That is, the convex portion of the p-type silicon layer 3 exists in the element formation region 21 and the concave portion (trench groove) of the p-type silicon layer 3
Exist in the element isolation region 22.

【0055】これら素子形成領域21と直交するように
ワード線WL0 ,WL1 ,WL2 ,WL3 …が配設され
ている。ワード線WL0 ,WL1 間、ワード線WL2
WL3 間にはそれぞれ素子形成領域21と直交するよう
に電源線VLが配設されている。各素子形成領域21上
にはそれぞれビット線WL0 ,WL1 ,WL2 ,WL3
…および電源線VLと直交するにビット線BL0 ,BL
1 ,BL2 ,…が配設されている。
Word lines WL 0 , WL 1 , WL 2 , WL 3 ... Are arranged orthogonally to these element forming regions 21. Between word lines WL 0 and WL 1 , word lines WL 2 ,
Power line VL is arranged so that each is between WL 3 perpendicular to the element formation region 21. The bit lines WL 0 , WL 1 , WL 2 , WL 3
And the bit lines BL 0 , BL orthogonal to the power supply line VL.
1, BL 2, ... it is disposed.

【0056】すなわち、電源線VLは、ビット線BL
0 ,BL1 ,BL2 ,…と交差し、かつ同一のビット線
を共有する隣り合う2つのメモリセルで共通に使用され
るように隣り合うワード線間に配設されている。
That is, the power supply line VL is connected to the bit line BL
0 , BL 1 , BL 2 ,... And are disposed between adjacent word lines so as to be commonly used by two adjacent memory cells sharing the same bit line.

【0057】素子分離領域22内のp型シリコン層3に
は、セルブロックを単位に1個ずつ、基板コンタクト配
線SCLとコンタクトするための領域である基板コンタ
クト15が設けられている。
The p-type silicon layer 3 in the element isolation region 22 is provided with a substrate contact 15 which is a region for contacting the substrate contact wiring SCL one by one for each cell block.

【0058】基板コンタクト15は、基板上に絶縁膜を
形成し、この絶縁膜にコンタクトホールを開孔すること
により形成する。基板コンタクト配線SCLはこのコン
タクトホールを介して素子分領域22のp型シリコン層
3にコンタクトする。
The substrate contact 15 is formed by forming an insulating film on the substrate and forming a contact hole in the insulating film. The substrate contact line SCL contacts the p-type silicon layer 3 in the element division region 22 through this contact hole.

【0059】基板コンタクト配線SCLの電圧を調整す
ることにより、閉じ込め正孔量を制御できる。なお、図
には、1個の基板コンタクト15しか示していないが、
数個であっても良い。
The amount of confined holes can be controlled by adjusting the voltage of the substrate contact wiring SCL. Although only one substrate contact 15 is shown in the figure,
It may be several.

【0060】基板コンタクト15の数は1セルブロック
当たり1個または数個で済むので、セルブロック内に占
める基板コンタクト15の面積は小さい。したがって、
基板コンタクト15が高集積化の妨げになることはな
い。
Since the number of the substrate contacts 15 may be one or several per cell block, the area of the substrate contact 15 occupying the cell block is small. Therefore,
The substrate contact 15 does not hinder high integration.

【0061】メモリセルの面積は、最小加工線幅をFと
すると、図6から分かるように、2F×2F=4F2
なり、従来の通常のDRAMセルのそれ(8F2 )の半
分である。
Assuming that the minimum processing line width is F, the area of the memory cell is 2F × 2F = 4F 2 , as can be seen from FIG. 6, which is a half of that of a conventional ordinary DRAM cell (8F 2 ).

【0062】このようなセルアレイを用いた記憶信号
(“0”,“1”)の書き込み、保持および読み出し
は、以下の通りである。ここでは、閉じ込め正孔量が少
ない場合を“0”、多い場合を“1”として説明する。
The writing, holding and reading of the storage signals ("0", "1") using such a cell array are as follows. Here, the case where the confined hole amount is small is “0”, and the case where the confined hole amount is large is “1”.

【0063】“1”の書き込みは、基板コンタクト配線
SCLに正電圧を印加して基板コンタクト15を介して
選択するMOSトランジスタ(選択MOSトランジス
タ)のp型シリコンゲルマニウム層4にのみ正孔を注入
することにより行なう。
For writing “1”, holes are injected only into the p-type silicon germanium layer 4 of the MOS transistor (selection MOS transistor) selected via the substrate contact 15 by applying a positive voltage to the substrate contact wiring SCL. It does by doing.

【0064】ここで、MOSトランジスタの選択は以下
の通りである。選択MOSトランジスタが接続されたワ
ード線(選択ワード線)には0Vを印加し、選択ワード
線以外のワード線(非選択ワード線)には反転層が形成
されるレベルの正電圧を印加する。
Here, the selection of the MOS transistor is as follows. A voltage of 0 V is applied to a word line (selected word line) to which the selected MOS transistor is connected, and a positive voltage of a level at which an inversion layer is formed is applied to word lines other than the selected word line (non-selected word lines).

【0065】反転層が形成されると、p型シリコン層5
とゲート絶縁膜9との界面から、シリコン酸化層2とp
型シリコン層3との界面に向かって延びる空乏層が、シ
リコン酸化層2にまで達し、これにより非選択ワード線
に接続されたMOSトランジスタと選択ワード線に接続
されたMOSトランジスタとは電気的に分離される。言
い換えれば、選択ワード線に接続されたMOSトランジ
スタのみが基板コンタクト15と電気的に接続されるこ
とになる。
When the inversion layer is formed, the p-type silicon layer 5
From the interface between the gate insulating film 9 and the silicon oxide layer 2
The depletion layer extending toward the interface with the type silicon layer 3 reaches the silicon oxide layer 2, whereby the MOS transistor connected to the unselected word line and the MOS transistor connected to the selected word line are electrically connected. Separated. In other words, only the MOS transistor connected to the selected word line is electrically connected to substrate contact 15.

【0066】また、ビット線に関しては、選択MOSト
ランジスタが接続されたビット線(選択ビット線)の電
圧は0Vに設定し、基板コンタクト15からp型シリコ
ンゲルマニウム層4に正孔が効果的に注入されるように
する。
As for the bit line, the voltage of the bit line (selected bit line) to which the selection MOS transistor is connected is set to 0 V, and holes are effectively injected from the substrate contact 15 into the p-type silicon germanium layer 4. To be done.

【0067】0Vに設定する前は記憶信号の保持のため
に電源線と同レベルに設定され、n型ソース拡散層7か
らn型ドレイン拡散層6に向かって空乏層が延び、p型
シリコンゲルマニウム層4への効果的な正孔の注入が困
難な状態となっている。
Before the voltage is set to 0 V, the voltage is set to the same level as that of the power supply line in order to hold a memory signal, a depletion layer extends from the n-type source diffusion layer 7 to the n-type drain diffusion layer 6, and p-type silicon germanium is formed. It is difficult to effectively inject holes into the layer 4.

【0068】そこで、選択ビット線の電圧を0Vに設定
し、n型ソース拡散層7からn型ドレイン拡散層6に向
かって延びている空乏層を縮めて、効果的な正孔の注入
を実現する。
Therefore, the voltage of the selected bit line is set to 0 V, the depletion layer extending from the n-type source diffusion layer 7 to the n-type drain diffusion layer 6 is reduced, and effective hole injection is realized. I do.

【0069】一方、選択ビット線以外の選択ワード線に
接続されたMOSトランジスタのビット線(非選択ビッ
ト線)の電圧は、n型ソース拡散層7から延びた空乏層
とn型ドレイン拡散層6から延びた空乏層とがつながっ
て、p型シリコンゲルマニウム層4が基板コンタクト1
5から電気的に分離されるレベルに設定する。
On the other hand, the voltage of the bit line (non-selected bit line) of the MOS transistor connected to the selected word line other than the selected bit line is reduced by the depletion layer extending from n-type source diffusion layer 7 and the n-type drain diffusion layer 6. And a p-type silicon germanium layer 4 is connected to the substrate contact 1.
5 is set to a level that is electrically separated from 5.

【0070】この結果、選択ビット線に接続されたMO
Sトランジスタと非選択ビット線に接続されたMOSト
ランジスタとは電気的に分離され、選択MOSトランジ
スタのみが基板コンタクト15と接続することになる。
したがって、選択MOSトランジスタのp型シリコンゲ
ルマニウム層4にのみ正孔を注入できる状態となる。
As a result, the MO connected to the selected bit line
The S transistor and the MOS transistor connected to the unselected bit line are electrically separated, and only the selected MOS transistor is connected to the substrate contact 15.
Therefore, holes can be injected only into the p-type silicon germanium layer 4 of the select MOS transistor.

【0071】一方、“0”の書き込みは、選択MOSト
ランジスタ(メモリセル)のp型シリコンゲルマニウム
層4内の正孔を基板コンタクト15を介して素子外に排
出することにより行なう。
On the other hand, writing of “0” is performed by discharging holes in the p-type silicon germanium layer 4 of the select MOS transistor (memory cell) through the substrate contact 15 to the outside of the element.

【0072】具体的には、選択ビット線の電圧のみ0V
に設定して、選択ビット線に接続されたMOSトランジ
スタのみ保持状態を解除するとともに、選択ワード線の
電圧のみ電源線VLよりも高レベル(高ブート電圧)に
設定する。
Specifically, only the voltage of the selected bit line is 0V
To release the holding state of only the MOS transistor connected to the selected bit line, and set only the voltage of the selected word line to a higher level (higher boot voltage) than the power supply line VL.

【0073】この結果、選択されたMOSトランジスタ
のp型シリコンゲルマニウム層4内の正孔のみが基板コ
ンタクト15を介して素子外に排出される。また、記憶
信号の読み出しは、選択ビット線の電圧を0V、選択ワ
ード線の電圧を閉じ込め正孔量が少ない場合のMOSト
ランジスタのしきい値電圧と、閉じ込め正孔量が多い場
合のMOSトランジスタのしきい値電圧との間の中間レ
ベルに設定することにより行なう。
As a result, only the holes in the p-type silicon germanium layer 4 of the selected MOS transistor are discharged out of the element via the substrate contact 15. In addition, when reading the storage signal, the voltage of the selected bit line is 0 V, the voltage of the selected word line is confined, the threshold voltage of the MOS transistor when the amount of holes is small, and the voltage of the MOS transistor when the amount of confined holes is large. This is performed by setting the level to an intermediate level between the threshold voltage.

【0074】また、記憶信号の保持はワード線の電圧を
0V、ビット線の電圧を電源線VLと同レベルに設定す
る。図7に、他のセルアレイのレイアウトを示す。
For holding the storage signal, the voltage of the word line is set to 0 V, and the voltage of the bit line is set to the same level as the power supply line VL. FIG. 7 shows a layout of another cell array.

【0075】図6の先のセルアレイは、セルブロックを
単位に基板コンタクト15を設けた例であるが、このセ
ルアレイは、ビット線を単位、つまり、同一のビット線
を共有するメモリセルが形成された素子形成領域を単位
に基板コンタクト15を設けた例である。
The previous cell array in FIG. 6 is an example in which substrate contacts 15 are provided in units of cell blocks. In this cell array, memory cells are formed in units of bit lines, that is, memory cells sharing the same bit line. This is an example in which a substrate contact 15 is provided for each element forming region.

【0076】ここで、同一のビット線を共有する2つの
メモリセルで挟まれた素子分離領域には前と同様にp型
シリコン層3が形成されているが、同一のビット線を共
有しない2つのメモリセルで挟まれた素子分離領域には
p型シリコン層3は形成されていない。
Here, the p-type silicon layer 3 is formed in the element isolation region between the two memory cells sharing the same bit line as before, but the same bit line is not shared. No p-type silicon layer 3 is formed in the element isolation region sandwiched between two memory cells.

【0077】このように、ビット線を単位に基板コンタ
クト15を設けた結果、メモリセルの面積は6F2 セル
となり、図6のそれ(4F2 セル)に比べて大きくな
る。しかし、“1”を書き込む場合には、ビット線選択
動作の代わりに、選択ビット線に設けられた基板コンタ
クト15のみに正電圧を印加するという簡単な操作で、
選択ビット線に接続されたMOSトランジスタと非選択
ビット線に接続されたMOSトランジスタとを電気的に
分離できる。
As described above, as a result of providing the substrate contact 15 for each bit line, the area of the memory cell becomes 6F 2 cells, which is larger than that of FIG. 6 (4F 2 cells). However, when writing “1”, instead of the bit line selection operation, a simple operation of applying a positive voltage only to the substrate contact 15 provided on the selected bit line is performed.
The MOS transistor connected to the selected bit line and the MOS transistor connected to the non-selected bit line can be electrically separated.

【0078】一方、“0”を書き込む場合には、ビット
線選択動作の代わりに、選択ビット線に設けられた基板
コンタクト15のみに0V(接地電圧)を印加するとい
う簡単な動作で、選択ビット線に接続されたMOSトラ
ンジスタと非選択ビット線に接続されたMOSトランジ
スタとを電気的に分離できる。
On the other hand, when "0" is written, a simple operation of applying 0 V (ground voltage) only to the substrate contact 15 provided on the selected bit line instead of the bit line selecting operation is performed. The MOS transistor connected to the non-selected bit line can be electrically separated from the MOS transistor connected to the non-selected bit line.

【0079】また、他のセルアレイのレイアウトとして
は、同一のビット線を共有する2つのメモリセルで挟ま
れた素子分離領域にもp型シリコン層3を形成せず、メ
モリセルを単位に基板コンタクト15を設けたものがあ
げられる。この場合、さらに面積が増大するが、選択M
OSトランジスタへの記憶信号の書き込みは基板コンタ
クト15に印加する電圧を制御するだけで済むので、書
き込み動作は極めて容易になる。
As another layout of the cell array, the p-type silicon layer 3 is not formed also in the element isolation region sandwiched by two memory cells sharing the same bit line, and the substrate contact is made in units of memory cells. 15 is provided. In this case, the area is further increased.
Writing a storage signal to the OS transistor only requires controlling the voltage applied to the substrate contact 15, so that the writing operation becomes extremely easy.

【0080】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではなく、例えば、上記実施形態では、閉じ込
み正孔量を制御するために基板コンタクトを利用した
が、基板コンタクトを利用しな方法を用いても良い。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the substrate contact is used to control the amount of confined holes, but the substrate contact is not used. A method may be used.

【0081】具体的には、n型ドレイン拡散層6からの
バンド間トンネル電流や、ホットエレクトロンのインパ
クトイオン化により生成した正孔により、閉じ込み正孔
量を多くする。
Specifically, the amount of confined holes is increased by an interband tunnel current from the n-type drain diffusion layer 6 and holes generated by impact ionization of hot electrons.

【0082】バンド間トンネル電流を発生させるには、
例えば、ゲート電圧を0Vにしてn型ドレイン拡散層6
に高い正バイアスを印加する。また、インパクトイオン
化により正孔を生成するには、例えば、記憶信号の読み
出し時のドレイン電圧よりも高い電圧をn型ドレイン拡
散層6に印加し、ドレイン電圧の約半分の電圧をゲート
に印加することで、効果的に発生させることができる。
To generate an inter-band tunnel current,
For example, by setting the gate voltage to 0 V, the n-type drain diffusion layer 6
To apply a high positive bias. In order to generate holes by impact ionization, for example, a voltage higher than the drain voltage at the time of reading a storage signal is applied to the n-type drain diffusion layer 6, and a voltage approximately half the drain voltage is applied to the gate. Thus, it can be generated effectively.

【0083】閉じ込み正孔量を少なくするには、n型ソ
ース拡散層7に順バイアスを印加して、p型シリコンゲ
ルマニウム層4内の電子を注入して、中性化することに
より行なう。
In order to reduce the amount of confined holes, a forward bias is applied to the n-type source diffusion layer 7 to inject electrons in the p-type silicon germanium layer 4 to neutralize them.

【0084】また、上記実施形態では、メモリセルとし
てnチャネルMOSトランジスタを用いた場合について
説明したが、本発明はpチャネルMOSトランジスタに
も適用できる。
In the above embodiment, the case where an n-channel MOS transistor is used as a memory cell has been described. However, the present invention can be applied to a p-channel MOS transistor.

【0085】この場合、SOI基板の多数キャリアは電
子になるので、3つのp型半導体層によって、電子を閉
じ込めることができるダブルヘテロ接合構造をチャネル
領域下に形成する必要がある。
In this case, since the majority carriers of the SOI substrate become electrons, it is necessary to form a double heterojunction structure capable of confining the electrons below the channel region by using three p-type semiconductor layers.

【0086】すなわち、図8に示すように、上下のp型
半導体層3p,5pの伝導帯の下端と真空準位とのエネ
ルギー差が、電子を閉じ込める中間のp型半導体層4p
の伝導帯の下端と真空準位とのエネルギー差より大きい
必要がある。
That is, as shown in FIG. 8, the energy difference between the lower ends of the conduction bands of the upper and lower p-type semiconductor layers 3p and 5p and the vacuum level is caused by the intermediate p-type semiconductor layer 4p that confines electrons.
Must be larger than the energy difference between the lower end of the conduction band and the vacuum level.

【0087】電子を閉じ込めることができるダブルヘテ
ロ接合としては、例えば、p−SiC/p−Si/p−
SiC、p−Si/p−SiGe/p−SiC、p−S
i/p−SiGeC/p−Si、p−SiC/p−Si
Ge/p−SiC、p−GaAs/p−Si/p−Ga
As、p−GaAs/p−Ge/p−GaAs、p−
a:Si/p−Si/p−a:Si(アモルファスS
i)などがあげられる。
As a double hetero junction capable of confining electrons, for example, p-SiC / p-Si / p-
SiC, p-Si / p-SiGe / p-SiC, p-S
i / p-SiGeC / p-Si, p-SiC / p-Si
Ge / p-SiC, p-GaAs / p-Si / p-Ga
As, p-GaAs / p-Ge / p-GaAs, p-
a: Si / p-Si / pa: Si (amorphous S
i) and the like.

【0088】一方、正孔を閉じ込めることができるダブ
ルヘテロ接合としては、上記実施形態の述べたもの以外
に、例えば、n−SiGe/n−Si/n−SiGe、
n−SiC/n−Si/n−SiC、n−SiGe/n
−Si/n−SiC、n−SiC/n−SiGe/n−
SiC、n−GaAs/n−Si/n−GaAs、n−
GaAs/n−Ge/n−GaAs、n−a:Si/n
−Si/n−a:Siなどがあげられる。
On the other hand, as a double hetero junction capable of confining holes, other than those described in the above embodiment, for example, n-SiGe / n-Si / n-SiGe,
n-SiC / n-Si / n-SiC, n-SiGe / n
-Si / n-SiC, n-SiC / n-SiGe / n-
SiC, n-GaAs / n-Si / n-GaAs, n-
GaAs / n-Ge / n-GaAs, na: Si / n
-Si / na: Si and the like.

【0089】また、チャネル領域下に上述したダブルヘ
テロ接合構造の他にヘテロ接合が形成されていても良
い。例えば、チャネル領域下に2つのダブルヘテロ接合
構造が形成されていても良い。その他、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
Further, a heterojunction may be formed below the channel region in addition to the double heterojunction structure described above. For example, two double hetero junction structures may be formed below the channel region. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0090】[0090]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、チ
ャネル領域下にダブルヘテロ接合構造を有するMOSト
ランジスタをメモリセルを用いることにより、高集積化
が容易な半導体記憶装置を実現できるようになる。
As described in detail above, according to the present invention, by using a memory cell as a MOS transistor having a double heterojunction structure below a channel region, a semiconductor memory device with high integration can be realized. become.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態に係るDRAM装置の
メモリセルを示す平面図
FIG. 1 is a plan view showing a memory cell of a DRAM device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のメモリセルのA−A´断面図2 is a sectional view of the memory cell of FIG. 1 taken along the line AA ';

【図3】図1のメモリセルのB−B断面図FIG. 3 is a sectional view taken along line BB of the memory cell of FIG. 1;

【図4】図1のメモリセルを構成するnチャネルMOS
トランジスタのバンド図
4 is an n-channel MOS constituting the memory cell of FIG.
Transistor band diagram

【図5】図1のメモリセルを構成するnチャネルMOS
トランジスタのダブルヘテロ接合構造内の正孔量の違い
によるしきい値電圧の変化を示すバンド図
5 is an n-channel MOS constituting the memory cell of FIG.
Band diagram showing change in threshold voltage due to difference in hole amount in double heterojunction structure of transistor

【図6】セルアレイのレイアウトを示す図FIG. 6 is a diagram showing a layout of a cell array;

【図7】他のセルアレイのレイアウトを示す図FIG. 7 is a diagram showing a layout of another cell array;

【図8】本発明の変形例を説明するためのチャネル領域
下にダブルヘテロ接合を有するpチャネルMOSトラン
ジスタのバンド図
FIG. 8 is a band diagram of a p-channel MOS transistor having a double heterojunction below a channel region for describing a modification of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…p型シリコン基板 2…シリコン酸化層(基板絶縁層) 3…p型シリコン層(基板半導体層、第1の半導体層) 4…p型シリコンゲルマニウム層(基板半導体層、第2
の半導体層) 5…p型シリコン層(基板半導体層、第3の半導体層) 6…n型ドレイン拡散層 7…n型ソース拡散層 8…素子分離絶縁膜 9…ゲート絶縁膜 10…ゲート電極 11…層間絶縁膜 12…コンタクトホール 13…層間絶縁膜 14…コンタクトホール 15…基板コンタクト 21…素子形成領域 22…素子分離領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... p-type silicon substrate 2 ... silicon oxide layer (substrate insulating layer) 3 ... p-type silicon layer (substrate semiconductor layer, 1st semiconductor layer) 4 ... p-type silicon germanium layer (substrate semiconductor layer, 2nd)
5 ... p-type silicon layer (substrate semiconductor layer, third semiconductor layer) 6 ... n-type drain diffusion layer 7 ... n-type source diffusion layer 8 ... element isolation insulating film 9 ... gate insulating film 10 ... gate electrode DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Interlayer insulating film 12 ... Contact hole 13 ... Interlayer insulating film 14 ... Contact hole 15 ... Substrate contact 21 ... Element formation area 22 ... Element isolation area

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板の主表面に、ゲートがワード線、ソー
スがビット線、ドレインが電源線にそれぞれ接続され、
チャネル領域下にダブルヘテロ接合構造を有するnチャ
ネルMOSトランジスタからなるメモリセルを集積して
なり、 前記ダブルヘテロ接合構造は、第1の半導体層、第2の
半導体層および第3の半導体層がこの順で基板側から積
層されてなり、前記第2の半導体層の価電子帯の上端と
真空準位とのエネルギー差が、前記第1および第3の半
導体層の価電子帯の上端と真空準位とのエネルギー差よ
りも小さいことを特徴とする半導体記憶装置。
A gate connected to a word line, a source connected to a bit line, and a drain connected to a power supply line on a main surface of the substrate;
A memory cell comprising an n-channel MOS transistor having a double hetero junction structure is integrated below a channel region. The double hetero junction structure has a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer. The energy difference between the upper end of the valence band of the second semiconductor layer and the vacuum level is lower than the upper end of the valence band of the first and third semiconductor layers by the vacuum level. A semiconductor memory device which is smaller than an energy difference between the two.
【請求項2】基板の主表面に、ゲートがワード線、ソー
スがビット線、ドレインが電源線にそれぞれ接続され、
チャネル領域下にダブルヘテロ接合構造を有するpチャ
ネルMOSトランジスタからなるメモリセルを集積して
なり、 前記ダブルヘテロ接合構造は、第1の半導体層、第2の
半導体層および第3の半導体層がこの順で基板側から積
層されてなり、前記第2の半導体層の伝導帯の下端と真
空準位とのエネルギー差が、前記第1および第3の半導
体層の伝導帯の下端と真空準位とのエネルギー差よりも
大きいことを特徴とする半導体記憶装置。
A gate connected to a word line, a source connected to a bit line, and a drain connected to a power supply line on a main surface of the substrate;
A memory cell composed of a p-channel MOS transistor having a double hetero junction structure is integrated below a channel region. The double hetero junction structure has a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, and a third semiconductor layer. The energy difference between the bottom of the conduction band of the second semiconductor layer and the vacuum level is lower than the bottom of the conduction band of the first and third semiconductor layers and the vacuum level. A semiconductor memory device having a larger energy difference.
【請求項3】前記基板は、基板絶縁層と、この基板絶縁
層の主表面に設けられた基板半導体層とから構成され、 前記MOSトランジスタが形成された素子形成領域の前
記基板半導体層は前記第1、第2および第3の半導体層
で構成され、かつ前記素子形成領域の基板半導体層の厚
さは、前記MOSトランジスタがオン状態のときに、前
記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と前記基板半導体
層との界面から、この界面下の前記基板絶縁層と前記基
板半導体層との界面までの領域が空乏化する厚さであ
り、 2つの前記MOSトランジスタで挟まれた素子分離領域
の前記基板半導体層は前記第1の半導体層で構成され、 前記基板半導体層には、2個以上のメモリセルが形成さ
れた部分を単位に独立の電圧を与えるための基板コンタ
クトが形成されていることを特徴とする請求項1または
請求項2に記載の半導体記憶装置。
3. The substrate comprises: a substrate insulating layer; and a substrate semiconductor layer provided on a main surface of the substrate insulating layer. The substrate semiconductor layer in an element forming region where the MOS transistor is formed is When the MOS transistor is in an ON state, the thickness of the substrate semiconductor layer in the element formation region is equal to the gate insulating film of the MOS transistor and the substrate semiconductor layer. A region from an interface with a layer to an interface between the substrate insulating layer and the substrate semiconductor layer below the interface is depleted, and the substrate semiconductor in an element isolation region sandwiched between the two MOS transistors A layer is composed of the first semiconductor layer, and a substrate contact for applying an independent voltage is formed in the substrate semiconductor layer in a unit where two or more memory cells are formed. It is a semiconductor memory device according to claim 1 or claim 2, characterized in.
【請求項4】前記基板は、基板絶縁層と、この基板絶縁
層の主表面に設けられた基板半導体層とから構成され、 前記MOSトランジスタが形成された素子形成領域の前
記基板半導体層は前記第1、第2および第3の半導体層
で構成され、かつ前記素子形成領域の基板半導体層の厚
さは、前記MOSトランジスタがオン状態のときに、前
記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と前記基板半導体
層との界面から、この界面下の前記基板絶縁層と前記基
板半導体層との界面までの領域が空乏化する厚さであ
り、 同一のビット線を共有する2つのメモリセルで挟まれた
素子分離領域には前記第1の半導体層が存在し、 同一のビット線を共有しない2つのメモリセルで挟まれ
た素子分離領域には前記基板半導体層が存在しないこと
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記
憶装置。
4. The substrate includes a substrate insulating layer and a substrate semiconductor layer provided on a main surface of the substrate insulating layer. The substrate semiconductor layer in an element formation region where the MOS transistor is formed is When the MOS transistor is in an ON state, the thickness of the substrate semiconductor layer in the element formation region is equal to the gate insulating film of the MOS transistor and the substrate semiconductor layer. A region from an interface with a layer to an interface between the substrate insulating layer and the substrate semiconductor layer below the interface, the element being sandwiched between two memory cells sharing the same bit line 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer exists in an isolation region, and the substrate semiconductor layer does not exist in an element isolation region sandwiched between two memory cells not sharing the same bit line. Or a semiconductor memory device according to claim 2.
【請求項5】前記電源線は、前記ビット線と交差し、か
つ同一のビット線を共有する隣り合う2つのメモリセル
で共通に使用されるように、隣り合う2つのワード線間
に配設されていることを特徴とする請求項1乃至請求項
4のいずれかに記載の半導体記憶装置。
5. The power supply line is provided between two adjacent word lines so as to be commonly used by two adjacent memory cells that cross the bit line and share the same bit line. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein:
【請求項6】前記電源線は、前記ビット線と交差し、か
つ同一のビット線を共有する隣り合う2つのメモリセル
で共通に使用されるように、隣り合う2つの前記ワード
線間に配設され、 基板半導体層には、同一のビット線を共有するメモリセ
ルが形成された部分を単位に独立の電圧を与えるための
基板コンタクトが形成されていることを特徴とする請求
項4に記載の半導体記憶装置。
6. The power supply line is disposed between two adjacent word lines so as to be commonly used by two adjacent memory cells that cross the bit line and share the same bit line. 5. The substrate semiconductor layer according to claim 4, wherein a substrate contact for applying an independent voltage is formed in a portion where the memory cell sharing the same bit line is formed in the substrate semiconductor layer. Semiconductor storage device.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6774409B2 (en) 2001-03-08 2004-08-10 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor device with NMOS including Si:C channel region and/or PMOS including SiGe channel region
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