[发明专利]半导体元件和采用其的数据处理设备

说明书

本发明涉及适于进行高密度集成的半导体元件和采用该元件实现的数据处理系统。

以前，多晶硅晶体管已经被用作构成静态随机存取存储装置(缩写为SRAM)的元件。在T.Yamanaka等人在IEEEInternational Electron Device Meeting，pp.447-480的论文中，描述了一种有关的现有技术。通过制作尽可能多的多晶硅晶体管，集成电路的集成密度可以得到提高，其理由可以用这样的事实来解释，即可以把多晶硅晶体管以叠置或分层的方式形成在传统的、形成在半导体衬底的表面上的整体MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)之上，且在多晶硅晶体管和整体MOSFET之间设置有绝缘膜。在这种SRAM中，完现用于一位的存储单元需要四个整体MOSFET和两个多晶硅晶体管。然而，由于该多晶硅晶体管可以被叠置在这些整体MOSFET上，该SRAM的一个存储单元可以在大体对应于这些整体MOSFET所需的区域上实现。

作为与本发明有关的另一个现有技术，可以提到在K.Nakazato等人在Electronics Letters，vol.29，No.4，pp.384-385(1993)中描述的单电子存储器。该存储器可通过一个一个地对电子进行控制而实现。然而，应注意的是操作温度很低，在30mK的量级上。

作为与本发明有关的另一个现有技术，有如F.Fang等人在1990 Sympsium on VLSI Technology，pp.37-38(1990)中公布的技术，它涉及对MOSFET的RTN(随机电报噪声)的研究。更具体地说，当在恒定电压条件下在预定时间内测量MOSFET的漏极电流时，会出现这样的现象，即在高电流态和低电流态之间发生随机的状态转换。这种现象被称为RTN，其原因可以用单个电子在存在于硅(Si)和二氧化硅(SiO₂)界面上的能级节中的被捕获和从其得到释放从而使漏极电流发生变化了进行解释。然而，RTN仍然是与MOSFET中有关的电流噪声的基础研究课题，且还没有得到关于在实际应用中采用RTN的任何尝试的正面报告。

目前，对半导体集成电路进行高精度处理的技术已经发展到了这样的水平，以致实现更高精度的任何努力都将遇到困难。即使在技术上是可能的，由于需要非常先进的技术，也会出现无法容忍的高成本的问题。在这种情况下，非常需要一种从根本上说新颖的、能增加半导体集成电路制作中的集成密度的方法，而不是依赖于只是通过增大其精度而实现构成半导体集成电路的半导体元件的方法。

另一方面，以前已知的多晶硅晶体管，在多晶硅晶体管的源极和漏极之间的电阻可受到栅极电压的控制这一方面，与可变电阻元件是等价的。因此，SRAM的存储单元的实现要求包括形成在硅衬底上的传统MOSFET在内的六个之多的半导体元件。

对比之下，在DRAM(动态随机存取存储器)的情况下，一比特的数据或信息可被存储在由一个MOSFET和一个电容器构成的一个存储单元中。因此，DRAM利用了RAM器件容易以最高集成密度实现这一优点。然而，由于DRAM是基于将电荷读出到一条数据线上的方案，而该数据线的电容又不能忽略，所以其存储单元必须有几十fF(毫微微法)量级的电容，因而这给进一步增大存储单元的实施精度的努力造成了巨大的困难。

另外还已知的是，诸如闪烁EEPROM(电可擦除及可编程只读存储器)的非易失存储器件，可通过采用每一个均具有浮动栅极和控制栅极的一些MOSFET来实现。进一步地，作为用于这种非易失存储器件的半导体元件，有一种已知的MNOS(金属氮化物氧化物半导体)元件。该MNOS被用于将电荷存储在一个SiO₂膜和一个Si₃N₄膜之间的界面上，而不是闪烁EEPROM的浮动栅极。虽然带有浮动栅极的MOSFET或MNOS元件的使用在可以用一个晶体管长期保持或存储一比特的数据方面是有利的，但由于为此电流必须流过绝缘膜，所以需要很多时间进行重新写入操作，因而可以重新写入操作的执行次数限于约为1亿次，这又造成了一个问题，即该非易失存储器件的应用受到了限制。

另一方面，在上述Nakazato等人的文章中讨论的一电子存储器件只能在低温下运行，从而产生了难以实施的问题。另外，这种单电子存储器的存储单元是由一个电容器和两个有源元件构成的，这意味着所需元件的数目超过了传统的DRAM的数目，从而造成了进一步的不利。