JP2004327804A - Semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置とその操作方法に関し、特に単層多結晶不揮発性メモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
不揮発性メモリは、電源を切っても、メモリの中にあるデータを保つ長所を具え、すでに多くの情報、通信及び消費者向け電子商品の中に必要されるデバイスである。携帯情報端末と携帯電話のようなモバイル電子商品の要求が増えることにつれ、消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリとフラッシュメモリ及びロジック回路を具えるエンベディドチップとシステムオンチップとの要求も増えてきた。そのために、消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリは、CMOS工程との互換性があり、低消費電力、高書込み率、低コスト、高データ保持能力、高集積度の方向に向かって開発され、今後の商品の要求に合致するようになる。なかでも、不揮発性メモリのデータ保持能力については、デバイスのサイズが段々小さくなるにしたがって、フローティングゲートの酸化膜の厚さも段々薄くなり、フローティングゲートの中に記憶されるキャリア(例えば、正孔或いは電子)が失なわれやすい。
【0003】
図1は、従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10の断面図である。図1のように、従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10は、NMOS構造28とPMOS構造30を含み、両者が絶縁酸化膜24を介して、分けられる。NMOS構造28は、P型基板12の上に形成され、第一フローティングゲート32とN+ソースドーピング領域14とN+ドレインドーピング領域16を含む。PMOS構造30は、N型ウエル18の上に形成され、第二フローティングゲート34とP+ソースドーピング領域20とP+ドレインドーピング領域22を含む。その他、P+ソースドーピング領域20と隣接する一側に高濃度のN型チャンネルストップ領域38を注入し、前記N型チャンネルストップ領域38が第二フローティングゲート34の下に設けられる。第一フローティングゲート32と第二フローティングゲート34は、フローティングゲート導線36を介して、互いに接続されることによって、第一フローティングゲート32と第二フローティングゲート34を同一の電位に維持させる。第一フローティングゲート32がコントロールゲートの電圧に対応した電位を生じる時に、第二フローティングゲート34は、フローティングゲート導線36との繋がりによって、第一フローティングゲート32と同一の電位になり、更にP+ソースドーピング領域20とN型チャンネルストップ領域38の空乏層を通ることから生じる加速電子を吸引することによって、電子を第二フローティングゲート34の中に束縛する。
【0004】
従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10は、以下の欠点がある。まず、従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10は、PMOSトランジスタ30とNMOSトランジスタ28から構成され、チップの単位面積が大きい。つぎに、従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10は、N型チャンネルストップ領域38が必要である。更に従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10は、フローティングゲート導線36で第一フローティングゲート32と第二フローティングゲート34を電気的に接続することが必要である。その他、NMOSトランジスタ28とPMOSトランジスタ30との間は、フィールド酸化層24で隔離することが必要である。上に述べたことからわかるように、従来技術による単層多結晶シリコンメモリセル10は、チップが大きい面積を占め、構造が複雑であるので、製造コストと製造の困難さを増やし、もっと改善することが必要である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、CMOS工程と互換性があり、低消費エネルギーと高書き込み効率と高データ保持能力と高集積度を具える半導体記憶装置を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は従来の技術に見られる欠点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、P型基板と、前記P型基板の中に設けられるN型ウエルと、ワード線電圧を印加する選択ゲートと、ソース線電圧を印加する第一P+ソースドーピング領域と、第一P+ドレインドーピング領域とを含み、前記N型ウエルの上に形成されるPMOS選択トランジスタと、 P+ドーピングフローティングゲートと、前記第一P+ドレインドーピング領域に電気的に接続される第二P+ソースドーピング領域と、ビット線電圧を印加する第二P+ドレインドーピング領域とを含み、かつ前記第二P+ソースドーピング領域と前記第二P+ドレインドーピング領域がフローティングゲートP型チャンネルを定義し、前記N型ウエルの上に形成され、前記PMOS選択トランジスタに直列的に接続されるPMOSフローティングゲートトランジスタとを含む構造によって課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。
【0007】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明による電気的プログラマブルロジックデバイス100の断面図であり、図3は、図2の電気的プログラマブルロジックデバイス100の平面図である。図2と図3によれば、電気的プログラマブルロジックデバイス100は、PMOSトランジスタ101と、共用されるP+ドーピング領域202を介して、PMOSトランジスタ101に直列に接続されるPMOSトランジスタ102とを含む。PMOSトランジスタ101とPMOSトランジスタ102がN型ウエル110の上に形成される。N型ウエル110がP型半導体基板1000の上に形成される。PMOSトランジスタ101は、選択ゲート301と、P+ソースドーピング領域201と、PMOSトランジスタ102と共用されるP+ドーピング領域202とを含む。PMOSトランジスタ102は、フローティングゲートトランジスタであり、P+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート302と、P+ドレインドーピング領域203と、PMOSトランジスタ101と共用されるP+ドーピング領域202を含む。P+ドーピング領域202は、同時にPMOSトランジスタ101のドレイン及びPMOSトランジスタ102のソースとして使われ、これによって、直列の二つのトランジスタとなる。本発明のP+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート302は、単層多結晶シリコンから形成され、その上には、コントロールゲートがないし必要もない。
【0008】
図2のように、PMOSトランジスタ101は、更に選択ゲート301の下方に設けられるゲート酸化膜301aを含み、PMOSトランジスタ102は、更にフローティングゲート302の下方に設けられるフローティングゲート酸化膜302aを含む。PMOSトランジスタ102のP+ドレインドーピング領域203は、ビット線(表われていない)と電気的に接続されることによって、電気的プログラマブルロジックデバイス100にビット線信号を提供する。本発明による電気的プログラマブルロジックデバイス100は低電圧の下で操作され、フローティングゲート酸化膜302aとゲート酸化膜301aは、ロジック回路の中にあるゲート酸化膜の厚さと同じであるか、或いは必要によっては厚みを増やす。どちらにしても、本発明による電気的プログラマブルロジックデバイス100は、標準のCMOS半導体工程と互換性がある。
【0009】
図4は、本発明による電気的プログラマブルロジックデバイス100に書込み操作を行う時の説明図である。図4において、書込み操作を行う時に、PMOSトランジスタ101の選択ゲート301にワード線電圧VSGを加え、選択ゲート301の下方にあるPチャンネルを開ける。PMOSトランジスタ101のP+ソースドーピング領域201にソース線電圧VSLを加える。N型ウエル110にウエル電圧VNWを加える。PMOSトランジスタ102のP+ドレインドーピング203領域にビット線電圧VBLを加える。PMOSトランジスタ102のフローティングゲート302がフローティング状態である。フローティングゲート302は、容量結合の効果によって低電圧が得られ、フローティングゲート302の下方にあるP型チャンネルが開らき、チャンネルの正孔との衝突によってホットエレクトロンを生じる。ホットエレクトロンは、空乏層の電場によって加速され、フローティングゲート酸化膜302aを越え、フローティングゲート302の中に捕まえられる。
【0010】
図5は、PMOSトランジスタ102で、ドレイン203のN型ウエル110に対する様々なバイアス電圧(Vd=VBL−VNW)の条件下で、フローティングゲート電圧とゲート電流の関係を示す説明図である。図5に示すように、バイアス電圧Vd=−5Vの条件の下で、フローティングゲート302が容量結合の効果によって−1〜−2Vの低電圧VFG(VFGは、ビット線電圧VBLと、N型ウエル電圧VNWとPMOSトランジスタ102のP+ソースドーピング領域202に加えられる電圧から組み合わせてなる)を得る。この時、PMOSトランジスタ102のチャンネルが開いたばかりであり、ゲート電流はもう最大値に近づく。言い換えると、本発明による操作モードで、ゲート電流がドレイン電流に対する値(Ig/Id)は、大きいので、書き込み操作を行う時に、よりよい効果が得られる。
【0011】
図7は、本発明によるP+多結晶シリコンゲートの電子注入のエネルギー帯を表す説明図である。本発明によるもう一つの特徴は、PMOSトランジスタ102のフローティングゲート302がP+ドーピングであり、ドーピング濃度が1.0×1019cm−3から1.5×1019cm−3まで(ドーパントがホウ素)であることが好ましい。P+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート302に多数の自由正孔があるので、ホットエレクトロンがP+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート302に注入された後に、先の自由正孔と再結合を行い、イオン化したアクセプタにより負イオン電荷を生じる。これらの負イオン電荷は自由電子と異なるので、自由に動くことができず、かつ多結晶シリコン−酸化膜インターフェースとの距離が遠いので、失なわれにくい。そして、データ記憶が長期化するので、メモリのデータ保持能力をアップする目的が達せられる。
【0012】
図6は、本発明によるもう一つの好ましい実施例の断面図である。図6に示すように、電気的プログラマブルロジックデバイス600は、NMOSトランジスタ801と、共用されるN+ドーピング領域602によりNMOSトランジスタ801に直列に接続されるNMOSトランジスタ802とを含む。NMOSトランジスタ801とNMOSトランジスタ802がP型ウエル610の上に形成される。P型ウエル610がN型半導体基板700の上に形成される。NMOSトランジスタ801は、選択ゲート901とN+ソースドーピング領域601及びNMOSトランジスタ802と共用され、ドレインとされるN+ドーピング領域602を含む。NMOSトランジスタ802は、フローティングゲートトランジスタであり、N+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート902と、N+ドレインドーピング領域603及びNMOSトランジスタ801と共用されるN+ドーピング領域602とを含む。N+ドーピング領域602は、同時にNMOSトランジスタ801のドレインとNMOSトランジスタ802のソースとされ、それにより二つの直列のトランジスタとなる。本発明によるフローティングゲート902は、単層多結晶シリコンから形成され、上方にコントロールゲートがないし、必要もない。NMOSトランジスタ802のフローティングゲート902はN+ドーピングである。N+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート902には、多数の自由電子があるので、ホットな自由正孔がN+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート902に注入された後に、先に自由電子と再結合し、これにより正イオン電荷を生じる。これらの正イオン電荷は自由正孔と異なるので、自由に動きができず、かつ多結晶シリコン−酸化膜インターフェースとの距離が遠いので、失なわれにくい。そして、データ記憶が長期化するので、メモリのデータ保持能力をアップする目的が達せられる。
【0013】
以上は、この発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【0014】
【発明の効果】
従来技術による電気的プログラマブルロジックデバイスと比べて、本発明による電気的プログラマブルロジックデバイスは、低電圧の下で操作でき、又は独特の設計によりPMOSトランジスタ102は、チャンネルが開いたばかりの時に、フローティングゲート電流がもう最大値に近づく。本発明による動作モードの下では、ゲート電流のドレイン電流に対する比の値(Ig/Id)は、比較的に大きいので、省エネルギーの長所を備え、更に書き込む時に、よりよい効率が得られ、書き込む時間を短縮する。本発明は、直列に接続される二つのPMOSトランジスタを使うので、大幅にチップの使用面積を減らし、高集積度メモリの分野に使われることができる。又は、本発明は、構造が簡単であり、従来技術によるCMOS工程と互換性があり、製造コストが下がり、システムオンチップに適する。書込み操作でチャンネルホットエレクトロン注入を採用する場合には、P+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲートを使い、書込み操作でチャンネル正孔注入を採用する場合には、N+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲートを使うので、イオン電荷がデータを記憶する時間が比較的に長く、メモリのデータ保持能力を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術による単層多結晶シリコンメモリセルの断面図である。
【図2】本発明による電気的プログラマブルロジックデバイスの断面図である。
【図3】図2の電気的プログラマブルロジックデバイスの平面図である。
【図4】電気的プログラマブルロジックデバイスが書込み操作を行う説明図である。
【図5】PMOSトランジスタにおいて、ドレインがN型ウエルに対しバイアスされる様々な条件の下(Vd=VBL−VNW)で、フローティングゲート電圧とゲート電流の関係を表す説明図である。
【図6】本発明によるもう一つの好ましい実施例の断面図である。
【図7】本発明によるP+多結晶シリコンゲートの電子注入のエネルギー帯を表す説明図である。
【符号の説明】
10 単層多結晶シリコンメモリセル
12 P型基板
14、601 N+ソースドーピング領域
16、603 N+ドレインドーピング領域
18 N型イオンウエル
20、201 P+ソースドーピング領域
22、203 P+ドレインドーピング領域
24 フィールド酸化膜
28、801、802 NMOSトランジスタ
30、101、102 PMOSトランジスタ
32 第一フローティングゲート
34 第二フローティングゲート
36 フローティングゲート導線
38 N型チャンネル阻止領域
100、600 電気的プログラマブルロジックデバイス
110 N型ウエル
202 P+ドーピング領域
301、901 選択ゲート
302 P+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート
602 N+ドーピング領域
610 P型ウエル
902 N+ドーピング多結晶シリコンフローティングゲート
700 N型半導体基板
1000 P型半導体基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of operating the same, and more particularly, to a single-layer polycrystalline nonvolatile memory.
[0002]
[Prior art]
Non-volatile memory is a device that is already required in many information, communication and consumer electronics products, with the advantage of keeping the data in the memory even when the power is turned off. As the demand for mobile electronic products such as personal digital assistants and mobile phones has increased, so has the demand for embedded chips and system-on-chips with erasable programmable read only memory, flash memory and logic circuits. Therefore, the erasable programmable read only memory is compatible with the CMOS process, and is developed in the direction of low power consumption, high writing rate, low cost, high data holding capacity, and high integration. It will meet product requirements. Above all, as for the data retention capability of the nonvolatile memory, as the size of the device becomes smaller, the thickness of the oxide film of the floating gate also becomes smaller, and carriers (for example, holes or E) are easily lost.
[0003]
FIG. 1 is a sectional view of a single-layer polycrystalline
[0004]
The conventional single-layer polycrystalline
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device which is compatible with a CMOS process and has low energy consumption, high writing efficiency, high data holding capability, and high integration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The inventor of the present invention has conducted intensive studies in view of the drawbacks of the prior art, and as a result, has found that a P-type substrate, an N-type well provided in the P-type substrate, and a selection gate for applying a word line voltage. A PMOS selection transistor including a first P + source doping region for applying a source line voltage, a first P + drain doping region, and formed on the N-type well; a P + -doped floating gate; a second P + source doping region electrically connected to the first P + drain doping region, and a second P + drain doping region for applying a bit line voltage, and said second P + source doping region the second P + drain doping region defining a floating gate P-type channel, is formed on the N-type well, the PMOS election It focuses on the point that can solve the problems by a structure comprising a PMOS floating gate transistor being serially connected to the transistor, and completed the present invention based on this finding.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a cross-sectional view of the electrically
[0008]
As shown in FIG. 2, the
[0009]
FIG. 4 is an explanatory diagram when a write operation is performed on the electrically
[0010]
Figure 5 is a
[0011]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an energy band of electron injection of the P + polycrystalline silicon gate according to the present invention. Another feature according to the present invention is that the
[0012]
FIG. 6 is a cross-sectional view of another preferred embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 6, the electrically
[0013]
The above is a preferred embodiment of the present invention, and does not limit the scope of the present invention. Therefore, any modification or alteration that can be made by those skilled in the art and that is made in the spirit of the present invention and that has an equivalent effect on the present invention shall fall within the scope of the claims of the present invention. I do.
[0014]
【The invention's effect】
Compared to the prior art electrically programmable logic device, the electrically programmable logic device according to the present invention can be operated under low voltage, or due to the unique design, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional single-layer polycrystalline silicon memory cell.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an electrically programmable logic device according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view of the electrically programmable logic device of FIG. 2;
FIG. 4 is an explanatory diagram in which an electrically programmable logic device performs a write operation.
In Figure 5 PMOS transistor, under different conditions having a drain bias to the N-type well (V d = V BL -V NW ), which is a diagram of the relationship between the floating gate voltage and gate current.
FIG. 6 is a sectional view of another preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an energy band of electron injection of a P + polycrystalline silicon gate according to the present invention.
[Explanation of symbols]
Claims (8)
P型基板と、
前記P型基板の中に設けられるN型ウエルと、
ワード線電圧を印加する選択ゲートと、ソース線電圧を印加する第一P+ソースドーピング領域と、第一P+ドレインドーピング領域とを含む、前記N型ウエルの上に形成されるPMOS選択トランジスタと、
P+ドーピングフローティングゲートと、前記第一P+ドレインドーピング領域に電気的に接続される第二P+ソースドーピング領域と、ビット線電圧を印加する第二P+ドレインドーピング領域とを含み、かつ前記第二P+ソースドーピング領域と前記第二P+ドレインドーピング領域がフローティングゲートP型チャンネルを定義し、前記N型ウエルの上に形成された、前記PMOS選択トランジスタに直列的に接続されるPMOSフローティングゲートトランジスタとを含んでなることを特徴とする電気的プログラマブルロジックデバイス。An electrically programmable logic device,
A P-type substrate;
An N-type well provided in the P-type substrate;
A PMOS select transistor formed on the N-type well, including a select gate for applying a word line voltage, a first P + source doping region for applying a source line voltage, and a first P + drain doping region; ,
A P + -doped floating gate, a second P + source doping region electrically connected to the first P + drain doping region, and a second P + drain doping region for applying a bit line voltage; A second P + source doping region and the second P + drain doping region define a floating gate P-type channel, and a PMOS floating formed on the N-type well and serially connected to the PMOS selection transistor. An electrically programmable logic device, comprising: a gate transistor.
ワード線に電気的に接続される選択ゲートと、ソース線に電気的に接続される第一ソースドーピング領域と、第一ドレインドーピング領域とを含むMOS選択トランジスタと、
フローティングゲートと、前記第一ドレインドーピング領域に電気的に接続される第二ソースドーピング領域と、ビット線に電気的に接続される第二ドレインドーピング領域とを含み、かつ前記第二ソースドーピング領域と前記第二ドレインドーピング領域がフローティングゲートチャンネルを定義し、前記MOS選択トランジスタに直列的に接続されるMOSフローティングゲートトランジスタとを含み、
前記MOSフローティングゲートトランジスタがチャンネルホットエレクトロンモードによって書き込まれる時に、前記MOSフローティングゲートトランジスタのフローティングゲートがP型ドーパントにドーピングされ、前記MOSフローティングゲートトランジスタがチャンネルホット正孔モードによって書き込まれる時に、前記MOSフローティングゲートトランジスタのフローティングゲートがN型ドーパントにドーピングされることを特徴とする不揮発性メモリセル。A non-volatile memory cell,
A MOS selection transistor including a select gate electrically connected to the word line, a first source doping region electrically connected to the source line, and a first drain doping region;
A floating gate, a second source doping region electrically connected to the first drain doping region, and a second drain doping region electrically connected to a bit line; and The second drain doping region defines a floating gate channel, and includes a MOS floating gate transistor connected in series to the MOS selection transistor;
When the MOS floating gate transistor is written in channel hot electron mode, the floating gate of the MOS floating gate transistor is doped with a P-type dopant, and when the MOS floating gate transistor is written in channel hot hole mode, the MOS floating gate transistor is A nonvolatile memory cell, wherein a floating gate of a gate transistor is doped with an N-type dopant.
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