JP2005175411A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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章二 宿利
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To allow reducing a cell area of a non-volatile memory composed of a single layer polysilicon gate and to enable operation of the memory in a superlow power consumption. <P>SOLUTION: A reverse bias voltage, such as -5V, is applied to a p-type impurity area 11 positioned on a substrate surface of an n-type well 4 of a lower portion of a floating gate 6 through a gate oxide film 5 and is applied to a junction constructed by the n-type well 4, and hot electrons produced from a tunnel phenomenon between bands is implanted into the floating gate 6, then, the write is carried out. It is designed that the write time is about 10 μs and the leakage current of the junction in writing is approximate 100 ns, therefore, the energy necessary for writing is reduced up to 5 pJ, that is, reduced to 1/100 or less, compared with a writing energy used in implantation of channel hot electron of the customary stacked gate type memory. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電気的に消去及び書き込み可能な不揮発性記憶素子を有する半導体装置に関し、通常の相補型MISトランジスタの製造工程に新たな工程を追加することなく製造可能であり、かつ低電圧、超低消費電力で書込みが可能な不揮発性記憶装置に関する。  The present invention relates to a semiconductor device having an electrically erasable and writable nonvolatile memory element, which can be manufactured without adding a new process to a normal complementary MIS transistor manufacturing process, and has a low voltage, The present invention relates to a nonvolatile memory device capable of writing with low power consumption.

記憶するデータを所定の単位で一括して電気的に消去可能であり、かつ、データを電気的に書き込み可能な不揮発性記憶装置として、フラッシュEEPROM(以下、フラッシュメモリという)が提供されている。フラッシュメモリは、電気的に消去及び書き込み可能な不揮発性記憶素子によってメモリセルが構成されており、一旦メモリセルに書き込まれたデータやプログラムを消去し、新たなデータやプログラムをメモリセルへ再度書き込み(プログラミング)する事が可能である。  A flash EEPROM (hereinafter referred to as a flash memory) is provided as a non-volatile storage device capable of electrically erasing data to be stored collectively in a predetermined unit and electrically writing data. In flash memory, memory cells are composed of electrically erasable and writable nonvolatile memory elements. Data and programs once written in the memory cells are erased, and new data and programs are rewritten in the memory cells. (Programming) is possible.

それため、このフラッシュメモリあるいはフラッシュメモリを内蔵するマクロコンピュータを応用システムに組み込んだ後、データの変更、プログラムのバグの修正、あるいはプログラムの更新等が必要になった場合、フラッシュメモリに記憶されたデータやプログラ厶を応用システム上で変更できるので、応用システムの開発期間の短縮化が図れ、また、応用システムのプログラム開発に柔軟性を得ることができる。  Therefore, when this flash memory or a macro computer with built-in flash memory is incorporated into an application system, if data changes, program bug corrections, or program updates are required, they are stored in the flash memory. Since data and programs can be changed on the application system, the development period of the application system can be shortened, and flexibility in the program development of the application system can be obtained.

一方、近年、IC(Integrated Circuits)カードの応用分野が飛躍的に拡がりつつあり、中でも無線タグ、あるいはRFID(Radio Frequency Identification)と呼ばれる認証方式が、従来のバーコード読み取り方式に代わって、利用され始めている。RFIDシステムにおいては、リーダー装置から発信された10MHzから3GHz程度の高周波を、数mmから1m程度の範囲内に存在するRFIDチップが受信し、チップ内部に備えたアンテナが受信した高周波から直流電圧を発生させ、内部回路を動作させる。RFIDチップには、認証データが不揮発性メモリに記憶されており、このデータをRF信号へ変調して送信し、前記リーダー装置で受信して、RFIDチップの認証が行われている。RFIDチップに搭載される不揮発性メモリには、大きく2つの要件がある。第1は、超低コストであることであり、これはRFIDチップの市場価格が50円以下であることから必然である。第2は、超低消費電力で動作することである。本要件は、RFIDチップが高周波を受信して、チップ内部で発生可能な電力が極めて小さいためであり、非接触状態で不揮発性メモリの他に、論理回路や、発信回路等を同時に動作する必要があることによる。  On the other hand, in recent years, the application fields of IC (Integrated Circuits) cards are expanding dramatically, and in particular, an authentication method called a radio tag or RFID (Radio Frequency Identification) is used instead of a conventional barcode reading method. I'm starting. In an RFID system, a high frequency of about 10 MHz to 3 GHz transmitted from a reader device is received by an RFID chip existing within a range of several mm to 1 m, and a DC voltage is received from the high frequency received by an antenna provided in the chip. To generate and operate the internal circuit. The RFID chip stores authentication data in a non-volatile memory. This data is modulated into an RF signal, transmitted, and received by the reader device to authenticate the RFID chip. A nonvolatile memory mounted on an RFID chip has two major requirements. The first is ultra-low cost, which is inevitable because the market price of RFID chips is 50 yen or less. The second is to operate with ultra-low power consumption. This requirement is because the RFID chip receives high frequency and the power that can be generated inside the chip is extremely small. In addition to the non-volatile memory, it is necessary to simultaneously operate a logic circuit, a transmission circuit, etc. Because there is.

本発明者らは、本発明を完成した後、下記の観点A及び観点Bについて公知例調査を行った。  After completing the present invention, the inventors conducted a survey of known examples for the following viewpoints A and B.

観点Aは、単層のポリシリコンゲートで不揮発性記憶トランジスタを構成し、かつ通常の相補型MISトランジスタ(以下、CMOSトランジスタという)の製造工程に新たな工程を追加することなく製造可能かどうか、すなわち低コストか否かの観点であり、観点Bは、書込み・消去動作に必要とされる消費電力、および書込み・消去の所要時間の観点である。  Viewpoint A is whether a non-volatile memory transistor is composed of a single-layer polysilicon gate and can be manufactured without adding a new process to a normal complementary MIS transistor (hereinafter referred to as a CMOS transistor). That is, it is a viewpoint of whether it is low-cost, and viewpoint B is a viewpoint of the power consumption required for write / erase operation, and the time required for write / erase.

その結果、観点Aについては、特許文献1〜4、および非特許文献1が発見された。  As a result, for viewpoint A, Patent Literatures 1 to 4 and Non-Patent Literature 1 were discovered.

一方、観点Bについては、特許文献5、6、および非特許文献2が発見された。
米国特許第5,440,159号公報 米国特許第5,504,706号公報 特開平4−212471号公報 米国特許公報第5,457,335号 米国特許第6,631,087号公報 米国特許第6,617,637号公報 大崎ら”A single Ploy EEPROM Cell Structure for Usein Standard CMOS Processes”,IEEE Journal of solid state circuits”,VOL.29,NO.3,March 1994,pp.311−316 J.Hydeらによる”Floating−Gate Trimmcd,14−Bit,250Ms/s Digital−to−Analog Converter in Standard 0.25μm CMOS”,Symposium on VLSI Circuits,2002,pp.328−331
On the other hand, for viewpoint B, Patent Documents 5 and 6 and Non-Patent Document 2 were discovered.
US Pat. No. 5,440,159 US Pat. No. 5,504,706 JP-A-4-212471 US Patent No. 5,457,335 US Pat. No. 6,631,087 US Pat. No. 6,617,637 Osaki et al. "A single Ploy EEPROM Cell Structure for Usein Standard CMOS Processes", IEEE Journal of Solid State Circuits, VOL. 29, NO. 3, March 3 1994, p. J. et al. Hyde et al., “Floating-Gate Trimmcd, 14-Bit, 250 Ms / s Digital-to-Analog Converter in Standard 0.25 μm CMOS”, Symposium on VLSI Circuits, 2002, pp. 328-331

第1の問題点として、従来からNOR型フラッシュメモリ製品において一般的に利用されている、フローティングゲートとコントロールゲートの縦積み構造のメモリセル、すなわちスタックド・ゲート型メモリセルでは、メモリセル構造が複雑であることに起因する製造コストの増加という問題点のあることが本発明者によって明らかにされた。特に、近年、市場が急拡大しているRFIDチップにおいて、不揮発性メモリにスタックド・ゲート型メモリセルを採用することは製造コストの増加をもたらす。本発明者の検討によれば、これは、下記のホトマスクや製造工程の増加が原因であると考えられる。すなわち、フラッシュメモリのトンネル酸化膜はロジック回路用トランジスタのゲート酸化膜、あるいはDRAMセルトランジスタのゲート酸化膜より厚いため、トンネル酸化膜の作り分け用マスク、フラッシュメモリのフローティングゲート用のポリシリコン膜の追加・加工マスク、フラッシュメモリのワード線を加工するマスク、フラッシュメモリのドレイン領域を形成するための不純物注入用マスク、さらに、書き込み・消去回路を構成する高耐圧トランジスタの低濃度N型ソース・ドレイン領域及び低濃度P型ソース・ドレイン領域を形成するための不純物注入用マスク、が必要になり、追加すべきマスク数は最低限でも6枚となる。このため、スタックド・ゲート型メモリセルを用いた不揮発性メモリを搭載したRFIDチップを提供することがコスト的に困難となっている。これを解決するには、単層ポリシリコンゲート構造の不揮発性記憶素子を形成すればよい。  As a first problem, the memory cell structure is complicated in a vertically stacked memory cell of a floating gate and a control gate, that is, a stacked gate type memory cell, which has been generally used in NOR flash memory products. It has been clarified by the present inventors that there is a problem that the manufacturing cost is increased due to the fact that In particular, in an RFID chip whose market is rapidly expanding in recent years, adopting a stacked gate type memory cell as a nonvolatile memory leads to an increase in manufacturing cost. According to the study of the present inventor, this is considered to be caused by an increase in the following photomask and manufacturing process. That is, since the tunnel oxide film of the flash memory is thicker than the gate oxide film of the logic circuit transistor or the DRAM cell transistor, the mask for forming the tunnel oxide film, the polysilicon film for the floating gate of the flash memory, Addition / processing mask, mask for processing word line of flash memory, mask for impurity implantation for forming drain region of flash memory, and low-concentration N type source / drain of high breakdown voltage transistor constituting write / erase circuit An impurity implantation mask for forming the region and the low-concentration P-type source / drain region is required, and the number of masks to be added is at least six. For this reason, it is difficult in terms of cost to provide an RFID chip equipped with a nonvolatile memory using stacked gate type memory cells. In order to solve this, a nonvolatile memory element having a single-layer polysilicon gate structure may be formed.

本発明者が従来の技術を調査し、検討した結果によれば以下の点が明らかにされた。先ず、米国特許第5,440,159号公報に開示されている電気的に書込み可能な不揮発性メモリセルにおいては、図36にその平面構造を示すように、シリコン基板上の活性領域181、および182の領域内に、N型不純物領域190、および191をソース・ドレインとし、セレクトゲート183からなるセレクトトランジスタと、N型不純物領域191、および192をソース・ドレインとし、フローティングゲート184からなるメモリトランジスタと、N型不純物領域189をコントロールゲートとして構成されており、パターン185内の領域186においては、ゲート酸化膜厚が前記セレクトトランジスタのゲート酸化膜厚よりも薄く設計されている。本従来の不揮発性メモリセルの書込み動作は、前記コントロールゲート189へ12Vを印加して、フローティングゲート184の電位を上昇させ、メモリトランジスタのチャンネル領域188の基板表面からのトンネル電流を用いた電子注入により行われる。  According to the results of investigation and examination of the prior art by the present inventors, the following points have been clarified. First, in the electrically writable nonvolatile memory cell disclosed in US Pat. No. 5,440,159, as shown in FIG. 36, the active region 181 on the silicon substrate, and In the region 182, N-type impurity regions 190 and 191 are used as sources and drains, a select transistor comprising a select gate 183, and N-type impurity regions 191 and 192 are used as sources and drains and a memory transistor comprising a floating gate 184 The N-type impurity region 189 is configured as a control gate, and the region 186 in the pattern 185 is designed such that the gate oxide film thickness is thinner than the gate oxide film thickness of the select transistor. In the conventional nonvolatile memory cell write operation, 12 V is applied to the control gate 189 to raise the potential of the floating gate 184, and electron injection using the tunnel current from the substrate surface of the channel region 188 of the memory transistor is performed. Is done.

本従来の不揮発性メモリセルでは、フローティングゲート184の下部のシリコン基板表面に高濃度のN型不純物領域189を形成するには、通常のCMOSトランジスタの製造工程を変更する必要がある点、および、書き込みに必要な動作電圧12Vを制御するための回路用に高耐圧トランジスタが必要であるため、通常のCMOSトランジスタの製造工程へ大幅な工程追加が必要であるという第2の問題点がある。その結果、製造コストの増加は免れない。  In the conventional nonvolatile memory cell, in order to form the high-concentration N-type impurity region 189 on the silicon substrate surface below the floating gate 184, it is necessary to change the manufacturing process of a normal CMOS transistor, and Since a high voltage transistor is required for a circuit for controlling the operating voltage 12V necessary for writing, there is a second problem that a large process is required to be added to a normal CMOS transistor manufacturing process. As a result, an increase in manufacturing cost is inevitable.

また、米国特許第6,631,087号公報に開示されている電気的に書き込み可能な不揮発性メモリセルにおいては、図37にその断面構造を示すように、2つのPチャネル型MISトランジスタ(以下、PMOSトランジスタという)と1つのNチャンネル型MISトランジスタ(以下、NMOSトランジスタという)から構成されており、N型ウエル205領域内に設けられたN型不純物領域207、P型不純物領域208、および209を接続して5Vを印加して、ゲート酸化膜206による静電容量を介してフローティングゲート215の電位を上昇させ、N型ウエル204領域内のN型不純物領域212へ接地電位、P型不純物領域213、および214へ−5Vを印加して前記P型不純物領域213、および214の接合部の空乏層内においてバンド間トンネリング現象により発生するホットエレクトロンを前記フローティングゲート215中へ注入して、書込み動作を行っている。本従来のメモリセル構造では、2つのPMOSが設けられた前記N型ウエル204、および205の電位固定のためのN型不純物領域207、および212が必要であり、その結果、セルの面積が大きいという第3の問題点が本発明者によって見出された。メモリセル面積の大きさそのものは、製造コストの増加に直接的には影響しない。しかしながら、メモリ容量に従って不揮発性メモリモジュール面積が増加するため、チップ面積が増大し、1枚のウエハから取得できるチップ数を減少させるため、結果的にチップの製造単価の増加を招く。  In addition, in the electrically writable nonvolatile memory cell disclosed in US Pat. No. 6,631,087, as shown in a cross-sectional structure in FIG. N-type impurity region 207, P-type impurity regions 208 and 209 provided in the N-type well 205 region. And 5 V is applied to raise the potential of the floating gate 215 through the electrostatic capacitance of the gate oxide film 206, and the ground potential is applied to the N-type impurity region 212 in the N-type well 204 region. -5V is applied to 213 and 214, and the junctions of the P-type impurity regions 213 and 214 are And injecting hot electrons generated by band-to-band tunneling phenomenon into the floating gate 215 in the depletion layer, it is writing operation. In the conventional memory cell structure, the N-type impurity regions 207 and 212 for fixing the potentials of the N-type wells 204 and 205 provided with two PMOSs are necessary. As a result, the cell area is large. The third problem has been found by the present inventors. The size of the memory cell area itself does not directly affect the manufacturing cost. However, since the area of the nonvolatile memory module increases according to the memory capacity, the chip area increases, and the number of chips that can be obtained from one wafer is reduced, resulting in an increase in the manufacturing cost of the chips.

本発明の目的は、単層のポリシリコンゲートで構成された不揮発性メモリにおいて、低電圧・低消費電力で書込みが可能なメモリセル構造を提供することにある。  An object of the present invention is to provide a memory cell structure capable of writing with a low voltage and low power consumption in a nonvolatile memory composed of a single-layer polysilicon gate.

本発明の別の目的は、単層のポリシリコンゲートで構成された不揮発性メモリにおいて、セル面積の小さいメモリセル構造、すなわち、大容量化を行っても廉価な不揮発性メモリモジュールを提供することにある。  Another object of the present invention is to provide a memory cell structure having a small cell area, that is, an inexpensive nonvolatile memory module even when the capacity is increased, in a nonvolatile memory composed of a single layer polysilicon gate. It is in.

本発明のその他の目的は、通常のロジック回路プロセス、アナログ回路プロセス、あるいは汎用DRAMプロセスへ全く新たなプロセスを追加することなく、低電圧・低消費電力で書込みが出来る不揮発性メモリを搭載した半導体装置を提供することにある。  Another object of the present invention is a semiconductor equipped with a non-volatile memory capable of writing with low voltage and low power consumption without adding a new process to a normal logic circuit process, analog circuit process or general-purpose DRAM process. To provide an apparatus.

本発明の他の目的は、単層のポリシリコンゲートで構成された不揮発性メモリセルをメモリモジュールやアナログ回路の救済用回路、もしくはトリミング回路に利用する技術を提供することにある。  Another object of the present invention is to provide a technique for using a nonvolatile memory cell composed of a single-layer polysilicon gate in a memory module, an analog circuit relief circuit, or a trimming circuit.

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。  The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。  The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.

〔1〕第1の観点は、バンド間トンネリング(Band−to−Band Tunneling、以下BTBTという)現象によりフローティングゲート中へホットエレクトロン注入を行う素子として、トランジスタ構造であろ必要はなく、P型のシリコン基板上に延在したフローティングゲートの下部にゲート絶縁膜を介して形成されたN型ウエル領域と、このN型ウエルの表面領域に前記フローティングゲート端下部に隣接してP型不純物領域を配置した電荷注入領域を備えることにより、不揮発性メモリのセル面積の縮小化を企画するものである。[1] The first point of view is that it is not necessary to have a transistor structure as an element for injecting hot electrons into a floating gate due to a band-to-band tunneling (hereinafter referred to as BTBT) phenomenon. An N-type well region formed through a gate insulating film under a floating gate extending on the substrate, and a P-type impurity region is disposed adjacent to the lower end of the floating gate in the surface region of the N-type well. It is planned to reduce the cell area of the nonvolatile memory by providing the charge injection region.

前記電荷注入領域を含むN型ウエル領域は、常に外部から電位を固定しない状態、いわゆる浮遊電位として動作させるため、金属配線へのコンタクト接続するためのN型不純物領域を形成する必要がなく、結果的にメモリセル面積の縮小化に寄与する。  Since the N-type well region including the charge injection region is operated as a so-called floating potential in a state where the potential is not fixed from the outside at all times, it is not necessary to form an N-type impurity region for contact connection to the metal wiring. In particular, this contributes to a reduction in the memory cell area.

〔2〕第2の観点は、P型不純物領域からのBTBT誘起のホットエレクトロン注入による書き込み動作の低消費電力化であり、T.Ohnakadoらによる”Novel Electron Injection Method Using Band−to−Band Tunneling Induced Hot Electron(BBHE)for Flash Memory with a P−channel Cell”,International Electron Device Meeting,1995,pp.279−282に開示されているように、NMOSトランジスタのゲートに負電圧を、ドレインへ正電圧を印加してゲートからドレインへトンネル電流による電子放出と、PMOSトランジスタのゲートに正電圧を、ドレインへ負電圧を印加してドレインからゲートへBTBT誘起のホットエレクトロン注入を比較すると、ドレインから基板へ流れる電流に対するゲート電流の比率、いわゆる注入効率が、PMOSトランジスタではNMOSトランジスタの100倍に高いことが分かっている。これは、通常、用いられているトンネル電流による書込み方式に比較して、本発明でのP型不純物領域からのBTBT誘起のホットエレクトロン注入を利用した書込み方式では、書込み時間を一定とした場合には、ドレイン電流を1/100以下に低減することが可能であり、低消費電力化を実現するものである。[2] A second aspect is to reduce the power consumption of the write operation by BTBT-induced hot electron injection from the P-type impurity region. “Novel Electron Injecting Method Band-to-Band Tunneling Induced Hot Electron (BHE) for Flash Memory with a Pt. Channel” by Ohnakado et al. As disclosed in H.279-282, a negative voltage is applied to the gate of the NMOS transistor and a positive voltage is applied to the drain to cause electron emission due to a tunnel current from the gate to the drain, and a positive voltage is applied to the gate of the PMOS transistor to the drain. Comparing BTBT-induced hot electron injection from the drain to the gate by applying a negative voltage, it can be seen that the ratio of the gate current to the current flowing from the drain to the substrate, the so-called injection efficiency, is 100 times higher in the PMOS transistor than in the NMOS transistor. ing. This is because the write method using the BTBT-induced hot electron injection from the P-type impurity region in the present invention has a constant write time as compared with the write method using the tunnel current that is normally used. The drain current can be reduced to 1/100 or less, and low power consumption is realized.

〔3〕第3の観点は、フローティングゲートの電位を制御するコントロールゲートとして、トランジスタ構造ではなく、P型のシリコン基板上に形成されたN型ウエルの表面領域に、ゲート絶縁膜を介してフローティングゲートが配置され、前記N型ウエルの表面領域に、フローティングゲート両端部の一端部に隣接してP型不純物領域が、他端部に隣接してN型不純物領域が配置された構造とすることにより、メモリセル面積の縮小化を企画するものである。[3] A third aspect is that the control gate for controlling the potential of the floating gate is not a transistor structure, but is floated on the surface region of an N-type well formed on a P-type silicon substrate via a gate insulating film. A gate is arranged, and a P-type impurity region is arranged adjacent to one end of both ends of the floating gate and an N-type impurity region is arranged adjacent to the other end in the surface region of the N-type well. Therefore, the reduction of the memory cell area is planned.

〔4〕第4の観点は、フローティングゲートの電位を制御するコントロールゲートとして、トランジスタではなく、P型のシリコン基板上に形成された深いN型ウエル領域の内部にP型ウエル領域が形成され、このP型ウエルの表面領域にゲート絶縁膜を介してフローティングゲートが配置され、前記P型ウエルの表面領域に、フローティングゲート両端部の一端部に隣接してP型不純物領域が、他端部に隣接してN型不純物領域を配置する構造とした結果、コントロールゲートへ正電圧、あるいは負電圧のいずれもが印加可能となり、メモリセルの動作方式にセレクトの自由度を拡げるとともに、動作電圧を低く設計できることを意図するものである。[4] A fourth aspect is that, as a control gate for controlling the potential of the floating gate, a P-type well region is formed inside a deep N-type well region formed on a P-type silicon substrate instead of a transistor. A floating gate is disposed in the surface region of the P-type well via a gate insulating film, and a P-type impurity region is adjacent to one end of both ends of the floating gate in the surface region of the P-type well. As a result of arranging an N-type impurity region adjacent to each other, it is possible to apply either a positive voltage or a negative voltage to the control gate, expanding the freedom of selection in the operation method of the memory cell and lowering the operation voltage. It is intended to be designed.

〔5〕第5の観点は、メモリセルをアレー状に配置する場合、フローティングゲートに接続された不揮発性メモリトランジスタに直列接続されたセレクトトランジスタを備えることにより、あるビット線に接続された任意のメモリトランジスタが偶発的に過消去状態(しきい電圧が負となる状態)に陥った場合に、前記メモリセルトランジスタ以外の同一ビット線上のメモリセルを読み出す際の読出し不良を発生させないことを特徴とする。[5] A fifth aspect is that when memory cells are arranged in an array, a select transistor connected in series to a non-volatile memory transistor connected to a floating gate is provided, so that an arbitrary bit connected to a certain bit line is provided. When a memory transistor accidentally enters an over-erased state (a state in which a threshold voltage becomes negative), it does not cause a read failure when reading memory cells on the same bit line other than the memory cell transistor. To do.

また、半導体基板上に各々MISトランジスタを有するロジック回路及び外部インタフェース回路を含むとき、外部インタフェース回路は外部端子にゲートが接続される入力MISトランジスタの静電耐圧向上の為に比較的厚いゲート絶縁膜が採用され、また、外部から供給される3.3Vのような動作電源を降圧してロジック回路のような内部回路の動作電源とする半導体集積回路では、3.3Vを受けて動作する外部インタフェース回路のMISトランジスタは内部回路のMISトランジスタに比べて厚いゲート酸化膜を持つ。これに着目し、前記フローティングゲート下部のゲート絶縁膜、および不揮発性メモリトランジスタのゲート絶縁膜とが、前記外部インタフェース回路が有するMISトランジスタのゲート絶縁膜とほぼ等しい(プロセスばらつきによる許容誤差範囲で等しい)膜厚を設定すればよい。要するに、前記不揮発性メモリトランジスタ用のMISトランジスタのゲート絶縁膜と前記外部インタフェース回路に含まれるMISトランジスタのゲート絶縁膜とを同一プロセス若しくは共通のフォトマスクを利用して一緒に製造する。また、前記セレクトトランジスタのゲート絶縁膜は、ロジック回路のような内部回路を構成するMISトランジスタのゲート絶縁膜とほぼ等しい膜厚に設定してもよい。このように、単層ゲート構造の不揮発性メモリ回路におけるゲート絶縁膜厚を、他の回路のMISトランジスタのゲート絶縁膜厚と共通化することにより、半導体装置の製造プロセスを複雑化しないことを優先させて、不揮発性メモリ回路による長期の情報保持性能を実現することができる。  In addition, when including a logic circuit and an external interface circuit each having a MIS transistor on the semiconductor substrate, the external interface circuit has a relatively thick gate insulating film for improving the electrostatic withstand voltage of the input MIS transistor whose gate is connected to the external terminal. In a semiconductor integrated circuit that steps down an operating power supply such as 3.3V supplied from the outside and uses it as an operating power supply for an internal circuit such as a logic circuit, an external interface that operates by receiving 3.3V The MIS transistor in the circuit has a thicker gate oxide film than the MIS transistor in the internal circuit. Paying attention to this, the gate insulating film under the floating gate and the gate insulating film of the nonvolatile memory transistor are substantially equal to the gate insulating film of the MIS transistor included in the external interface circuit (equal in an allowable error range due to process variations). ) What is necessary is just to set a film thickness. In short, the gate insulating film of the MIS transistor for the nonvolatile memory transistor and the gate insulating film of the MIS transistor included in the external interface circuit are manufactured together using the same process or a common photomask. Further, the gate insulating film of the select transistor may be set to a film thickness substantially equal to the gate insulating film of the MIS transistor constituting an internal circuit such as a logic circuit. As described above, priority is given to not complicating the manufacturing process of the semiconductor device by sharing the gate insulating film thickness in the nonvolatile memory circuit of the single-layer gate structure with the gate insulating film thickness of the MIS transistor of other circuits. Thus, long-term information retention performance by the nonvolatile memory circuit can be realized.

〔6〕第6の観点は前記不揮発性メモリの用途として、救済情報の記憶回路を考慮する。このとき半導体装置は、半導体基板上に、被救済回路と、前記被救済回路を代替する救済回路とを含み、前記不揮発性メモリ回路は、前記救済回路で代替すべき被救済回路を特定する救済情報の記憶回路として利用される。[6] The sixth aspect considers a relief information storage circuit as an application of the nonvolatile memory. At this time, the semiconductor device includes a relief circuit and a relief circuit that replaces the relief circuit on a semiconductor substrate, and the nonvolatile memory circuit specifies a relief circuit that should be replaced by the relief circuit. Used as an information storage circuit.

前記救済回路に対する別の救済情報記憶回路として、ヒューズ素子の溶断状態に応じて救済情報を記憶するヒューズプログラム回路を更に設けてもよい。ウエハ段階で検出された不良に対する救済をヒューズプログラム回路で行い、バーン・イン後に検出された不良に対して前記電気的なプログラム回路を用いる事により、救済効率を上げる事ができる。換言すれば、半導体集積回路の歩留まりが向上する。ヒューズプログラム回路だけではバーン・イン後に不良を救済する事ができない。電気的プログラ厶回路だけではヒューズプログラム回路との併用の場合に比べて回路規模若しくはチップ占有面積が大きくなる。  As another relief information storage circuit for the relief circuit, a fuse program circuit for storing relief information according to the blown state of the fuse element may be further provided. Remedy for defects detected at the wafer stage is performed by a fuse program circuit, and the efficiency detected by using the electrical program circuit for defects detected after burn-in can be improved. In other words, the yield of the semiconductor integrated circuit is improved. A defect cannot be remedied after burn-in only by the fuse program circuit. The circuit scale or chip occupying area becomes larger with only the electrical programming circuit as compared with the combined use with the fuse program circuit.

前記被救済回路はDRAM内蔵のメモリセルアレイとしてよい。また、前記被救済回路はマイクロコンピュータ内蔵DRAMのメモリセルアレイとしてよい。
また、前記被救済回路はマイクロコンピュータ内蔵SRAMのメモリセルアレイとしてよい。
The circuit to be relieved may be a memory cell array with a built-in DRAM. The circuit to be rescued may be a memory cell array of a microcomputer built-in DRAM.
The circuit to be relieved may be a memory cell array of a microcomputer built-in SRAM.

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。  The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

すなわち、単層ポリシリコンゲートで構成された不揮発性メモリにおいて、フローティングゲート端下部のシリコン基板表面に、ゲート酸化膜を介在させて設けられたP型不純物領域と、そのP型不純物領域を内包するN型ウエルが構成する接合部の表面領域をバンド間トンネリングによる電子注入領域とするから、メモリセル面積を小さくして、超低消費電力の書込み動作が可能な不揮発性メモリを実現できる。  That is, in a nonvolatile memory composed of a single-layer polysilicon gate, a P-type impurity region provided with a gate oxide film interposed on the surface of the silicon substrate below the floating gate end and the P-type impurity region are included. Since the surface region of the junction formed by the N-type well is an electron injection region by band-to-band tunneling, it is possible to realize a nonvolatile memory capable of writing operation with ultra-low power consumption by reducing the memory cell area.

電子注入領域が形成されるN型ウエル領域は、常に外部から強制的に電位を固定しない状態、すなわち浮遊電位としても動作させることができ、金属配線へのコンタクト接続するための高濃度不純物領域を形成する必要がないため、メモリセル面積を縮小化することができ、大容量の不揮発性メモリを廉価に提供することができる。  The N-type well region in which the electron injection region is formed can be operated even when the potential is not forcibly fixed from the outside, that is, a floating potential, and a high-concentration impurity region for contact connection to the metal wiring is formed. Since it does not need to be formed, the memory cell area can be reduced, and a large-capacity nonvolatile memory can be provided at low cost.

不揮発性メモリ回路は、単層のポリシリコン層を用いた不揮発性メモリトランジスタであるため、デバイス構造を簡素化することができ、通常のロジック回路プロセス、あるいは汎用DRAMプロセスへ全く新たなプロセスを追加することなく、低消費電力で動作する不揮発性メモリを搭載した半導体装置の実現を可能にする。  Non-volatile memory circuits are non-volatile memory transistors that use a single polysilicon layer, which can simplify the device structure and add a completely new process to the normal logic circuit process or general-purpose DRAM process. Thus, it is possible to realize a semiconductor device including a nonvolatile memory that operates with low power consumption.

図1には、本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリを実施する最良の形態を説明するためのメモリセルの断面構造が示される。同図において、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板1の表面領域に深さ300nmの素子分離酸化膜2によって電気的に分離された、平均リン濃度2x1017cm−3のN型ウエル4と平均ボロン濃度3x1017cm−3のP型ウエル3が形成され、前記N型ウエル4の一方の表面領域に膜厚7nmのシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜5を介して、膜厚200nm、平均リン濃度2x1020cm−3のポリシリコン膜からなるフローティングゲート6が配置され、前記フローティングゲート6の両端部の一方に隣接して平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域7が、他方に隣接して平均ボロン濃度1x1020cm−3のP型不純物領域8が配置され、前記N型不純物領域7と前記P型不純物領域8は接続されてワード線WLへ接続され、前記P型ウエル3の表面領域に、前記ゲート絶縁膜5と前記フローティングゲート6が延在して配置され、平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域からなるソース9と、平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域からなるドレイン10によりメモリトランジスタが構成され、前記ソース9はソース線Vssへ接続され、前記ドレイン10は読出しビット線RBLへ接続され、さらに、前記N型ウエル4の他方の表面領域に、前記ゲート絶縁膜5と前記フローティングゲート6が延在して配置され、平均ボロン濃度1x1020cm−3のP型不純物領域11が配置され、前記P型不純物領域11は書込みビット線(PBL)へ接続されて、本発明の超低消費電力不揮発性メモリが構成されている。FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a memory cell for explaining the best mode for implementing a nonvolatile memory included in a semiconductor device according to the present invention. In the figure, an N-type well 4 having an average phosphorus concentration of 2 × 10 17 cm −3 and an average boron electrically isolated by a device isolation oxide film 2 having a depth of 300 nm on the surface region of a P-type silicon substrate 1 having a resistivity of 10 Ωcm. A P-type well 3 having a concentration of 3 × 10 17 cm −3 is formed, and a thickness of 200 nm and an average phosphorus concentration are formed on one surface region of the N-type well 4 via a gate insulating film 5 made of a silicon oxide film having a thickness of 7 nm. A floating gate 6 made of a polysilicon film of 2 × 10 20 cm −3 is disposed, and an N-type impurity region 7 having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 is adjacent to one end of the floating gate 6 and adjacent to the other. and are arranged P-type impurity region 8 of the average boron concentration 1x10 20 cm -3, wherein the N-type impurity region 7 P-type impurity region 8 is tangent Which is connected to the word line WL is, the surface region of the P-type well 3, the gate insulating film 5 and the floating gate 6 is arranged extending, N-type impurity regions with an average arsenic concentration 1x10 20 cm -3 A memory transistor is constituted by a source 9 made of and a drain 10 made of an N-type impurity region having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 , the source 9 is connected to a source line Vss, and the drain 10 is connected to a read bit line RBL Further, the gate insulating film 5 and the floating gate 6 are extended and arranged on the other surface region of the N-type well 4, and a P-type impurity region 11 having an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 is formed. And the P-type impurity region 11 is connected to a write bit line (PBL) so that the ultra-low power consumption nonvolatile memory of the present invention Is configured.

図2には、図1に示された本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリセルの電気的な等価回路が示される。同図において、メモリトランジスタMTのフローティングゲートにはカップリングキャパシタC2と、電荷注入領域のキャパシタCJが接続され、前記メモリトランジスタMTのドレインは読出しビット線RBLへ接続され、前記電荷注入領域は書込みビット線PBLへ接続され、前記カップリングキャパシタC2はワード線WLへ接続されている。前記カップリングキャパシタC2は、前記メモリトランジスタMTのゲート静電容量と前記電荷注入領域のキャパシタCJとの和のおおよそ5倍以上に設計されており、前記ワード線WLから前記フローティングゲートへの静電カップリング比は0.83以上となる。  FIG. 2 shows an electrical equivalent circuit of the nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, a coupling capacitor C2 and a capacitor CJ in a charge injection region are connected to a floating gate of the memory transistor MT, a drain of the memory transistor MT is connected to a read bit line RBL, and the charge injection region is a write bit. Connected to the line PBL, the coupling capacitor C2 is connected to the word line WL. The coupling capacitor C2 is designed to be about five times or more the sum of the gate capacitance of the memory transistor MT and the capacitor CJ in the charge injection region, and the capacitance from the word line WL to the floating gate is designed. The coupling ratio is 0.83 or more.

図3には、図2に示された本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリセルの平面構造が示される。同図において、前記2つのN型ウエル4の一方の表面領域に、前記ゲート絶縁膜5を介して、前記フローティングゲート6が配置され、前記N型不純物領域7と前記P型不純物領域8は、コンタクトホール12を介して第1金属膜からなるワード線WL13へ接続され、前記2つのN型ウエル4の他方の表面領域に、前記ゲート絶縁膜5を介して前記フローティングゲート6が延在し、前記フローティングゲート6の端部に隣接する前記P型不純物領域11は、コンタクトホール12を介して第1金属膜16へ接続され、前記第1金属膜16はスルーホール17を介して第2金属膜からなる書込みビット線PBL18へ接続され、前記2つのN型ウエル4の中間に配置された前記P型ウエルの表面領域にも、前記ゲート絶縁膜5を介して、前記フローティングゲート6が延在し、前記フローティングゲート6の両端部に隣接して、前記ソース9とドレイン10が配置され、前記ソース9はコンタクトホール12を介して第1金属膜からなるソース線Vssへ接続され、前記ドレイン10はコンタクトホール12を介して第1金属膜14へ接続され、前記第1金属膜14はスルーホール17を介して第2金属膜からなる読出しビット線RBL19へ接続されている。  FIG. 3 shows a planar structure of a nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, the floating gate 6 is disposed on one surface region of the two N-type wells 4 via the gate insulating film 5, and the N-type impurity region 7 and the P-type impurity region 8 are The floating gate 6 is connected to the word line WL13 made of the first metal film through the contact hole 12, and the other surface region of the two N-type wells 4 extends through the gate insulating film 5. The P-type impurity region 11 adjacent to the end of the floating gate 6 is connected to the first metal film 16 through the contact hole 12, and the first metal film 16 is connected to the second metal film through the through hole 17. The surface region of the P-type well connected to the write bit line PBL18 and arranged in the middle of the two N-type wells 4 is also connected to the front via the gate insulating film 5. The floating gate 6 extends, the source 9 and the drain 10 are disposed adjacent to both ends of the floating gate 6, and the source 9 is connected to the source line Vss made of the first metal film through the contact hole 12. The drain 10 is connected to a first metal film 14 through a contact hole 12, and the first metal film 14 is connected to a read bit line RBL 19 made of a second metal film through a through hole 17. .

図4には、図1に示された本発明の不揮発性メモリセルの動作電圧条件が示される。先ず、書込み動作(Program)は、ワード線WLへ6Vのような正電圧を印加した後、書込みビット線PBLへ−5Vのような負電圧を印加する。前記P型不純物領域11と前記N型ウエル4が構成する接合は−5Vの逆方向バイアスが印加され、前記フローティングゲート6の電位はワード線との静電カップリングにより約5Vへ上昇しているため、前記接合の空乏層の内、ゲート酸化膜直下の領域には強い縦方向電界が発生し、BTBT現象によるホットエレクトロンが発生する。前記ホットエレクトロンは電界方向に従って前記フローティングゲート6中へ注入される。この書込み動作では、書込みビット線の電流は約100nA、書込み時間は約10μs、書き込み後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約5Vであった。書込みに要するエネルギーは、5Vx100nAx10μs=5pJである。従来のNOR型フラッシュメモリ製品において一般的に利用されている、スタックド・ゲート型メモリセルでは、チャネル・ホットエレクトロン注入が採用されており、書込みドレイン電圧5V、書込み電流500μA、および書込み時間1μs程度であることから、書込みに要するエネルギーは、5Vx500μAx1μs=2500pJである。したがって、本発明の不揮発性メモリセルの書込みエネルギーは従来技術の1/500にまで低減でき、超低消費電力の書込み動作が実現される。  FIG. 4 shows operating voltage conditions of the nonvolatile memory cell of the present invention shown in FIG. First, in a write operation (Program), a positive voltage such as 6V is applied to the word line WL, and then a negative voltage such as −5V is applied to the write bit line PBL. The junction formed by the P-type impurity region 11 and the N-type well 4 is applied with a reverse bias of −5V, and the potential of the floating gate 6 rises to about 5V due to electrostatic coupling with the word line. Therefore, a strong vertical electric field is generated in a region immediately below the gate oxide film in the depletion layer of the junction, and hot electrons are generated due to the BTBT phenomenon. The hot electrons are injected into the floating gate 6 according to the electric field direction. In this write operation, the write bit line current was about 100 nA, the write time was about 10 μs, and the threshold voltage of the memory transistor after the write was about 5V. The energy required for writing is 5V × 100 nA × 10 μs = 5 pJ. In the stacked gate type memory cell generally used in the conventional NOR type flash memory product, channel hot electron injection is adopted, and the write drain voltage is 5 V, the write current is 500 μA, and the write time is about 1 μs. Therefore, the energy required for writing is 5 V × 500 μA × 1 μs = 2500 pJ. Therefore, the write energy of the nonvolatile memory cell of the present invention can be reduced to 1/500 that of the prior art, and a write operation with ultra-low power consumption is realized.

読み出し動作(Read)は、読出しビット線に約1Vのような電圧を印加した後、ワード線WLを電源電圧である3.3Vのような電圧を印加して、メモリトランジスタのしきい電圧を判定することにより行う。書込み状態、すなわち前記フローティングゲート6に電子蓄積のある場合には、メモリトランジスタのしきい電圧は3.3V以上に上昇しており、読出し時にはオフ状態となり、一方、消去状態、すなわち前記フローティングゲート6に電子蓄積のない場合には、メモリトランジスタのしきい電圧は3.3V以下に低下しており、読出し時にはオン状態となる。  In the read operation (Read), a voltage such as about 1 V is applied to the read bit line, and then a voltage such as the power supply voltage 3.3 V is applied to the word line WL to determine the threshold voltage of the memory transistor. To do. In the written state, that is, when the floating gate 6 has electron accumulation, the threshold voltage of the memory transistor rises to 3.3 V or more and is turned off during reading, while the erased state, that is, the floating gate 6 When there is no electron storage in the memory cell, the threshold voltage of the memory transistor is lowered to 3.3 V or less, and is turned on at the time of reading.

本発明の不揮発性メモリセルの消去動作には、いくつかの手段がある。第1の消去(Erase(1))は、ワード線WLを0Vとして、書込みビット線PBLへ6Vのような電圧を印加し、前記フローティングゲート6から前記P型不純物領域11へのトンネル電流により電子放出を行うものであり、消去に要する時間は約100ms、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約2Vであった。第2の消去(Erase(2))では、前記ソース線Vssをフローティング状態とし、次にワード線WLへ5Vのような電圧を印加した後、読出しビット線RBLへ5Vのような電圧を印加して、メモリトランジスタの前記ドレイン10の接合部で発生するBTBTホットホールを前記フローティングゲート6へ注入して、前記フローティングゲート6内の蓄積電子を中和することにより行う。第2の消去時間は、約100μs、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約1.5Vであった。さらに、第3の消去(Erase(3))では、ワード線WLを0Vとして、読出しビット線RBLへ6Vのような電圧を印加し、前記フローティングゲート6から前記ドレイン10へのトンネル電流により電子放出を行うものであり、消去に要する時間は約50ms、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約2Vであった。  There are several means for the erase operation of the nonvolatile memory cell of the present invention. In the first erase (Erase (1)), the word line WL is set to 0 V, a voltage such as 6 V is applied to the write bit line PBL, and electrons are generated by a tunnel current from the floating gate 6 to the P-type impurity region 11. The time required for erasing was about 100 ms, and the threshold voltage of the memory transistor after erasing was about 2V. In the second erase (Erase (2)), the source line Vss is set in a floating state, and then a voltage such as 5V is applied to the word line WL, and then a voltage such as 5V is applied to the read bit line RBL. Then, BTBT hot holes generated at the junction of the drain 10 of the memory transistor are injected into the floating gate 6 to neutralize the accumulated electrons in the floating gate 6. The second erasing time was about 100 μs, and the threshold voltage of the memory transistor after erasing was about 1.5V. Further, in the third erase (Erase (3)), the word line WL is set to 0V, a voltage such as 6V is applied to the read bit line RBL, and electrons are emitted by the tunnel current from the floating gate 6 to the drain 10. The time required for erasing was about 50 ms, and the threshold voltage of the memory transistor after erasing was about 2V.

《超低消費電力不揮発性メモリの第1の例》
図5には、本発明に係る半導体装置が有する第1の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。同図において、深さ2μm、平均リン濃度1x1017cm−3の深いN型ウエル251、前記深いN型ウエル251の内部に形成され、深さ1μm、平均ボロン濃度2x1017cm−3のP型ウエル252が配置された、いわゆるトリプルウエル構造を用いた点を除いては、図1に示された本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様のメモリセル構造である。図1に示されたメモリセル構造との相違点を挙げれば、前記トリプルウエル構造において、前記P型ウエル252の表面領域に膜厚7nmのシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜5を介して、膜厚200nm、平均リン濃度2x1020cm−3のポリシリコン膜からなるフローティングゲート6が配置され、前記フローティングゲート6の両端部の一方に隣接して平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域7が、他方に隣接して平均ボロン濃度1x1020cm−3のP型不純物領域8が配置され、前記N型不純物領域7と前記P型不純物領域8は接続されてワード線WLへ接続された点である。
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FIG. 5 shows a cross-sectional structure of the first nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In this figure, a deep N-type well 251 having a depth of 2 μm and an average phosphorus concentration of 1 × 10 17 cm −3 is formed inside the deep N-type well 251 and is a P-type having a depth of 1 μm and an average boron concentration of 2 × 10 17 cm −3 . The memory cell structure is the same as that of the first example of the nonvolatile memory of the present invention shown in FIG. 1 except that a so-called triple well structure in which the well 252 is disposed is used. To give a difference from the memory cell structure shown in FIG. 1, in the triple well structure, a film is formed on the surface region of the P-type well 252 via a gate insulating film 5 made of a silicon oxide film having a thickness of 7 nm. A floating gate 6 made of a polysilicon film having a thickness of 200 nm and an average phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm −3 is disposed, and an N-type impurity region having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 is adjacent to one of both ends of the floating gate 6. 7, a P-type impurity region 8 having an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 is disposed adjacent to the other, and the N-type impurity region 7 and the P-type impurity region 8 are connected and connected to the word line WL. Is a point.

図6には、本発明の第1の不揮発性メモリセルの動作電圧条件が示される。先ず、書込み動作(Program)は、ワード線WLへ6Vのような正電圧を印加した後、書込みビット線PBLへ−5Vのような負電圧を印加する。これにより、本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様に、BTBT現象によって発生するホットエレクトロンを前記フローティングゲート6中へ注入して行われる。この書込み動作では、書込みビット線の電流は約100nA、書込み時間は約10μs、したがって書込みエネルギーは5pJ、書込み後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約5Vであった。本書込み動作においては、前記P型ウエル252と前記深いN型ウエル251が構成する接合が順方向にバイアスされるため、前記深いN型ウエル251へも前記ワード線WLと同様の6Vのような正電圧を印加する必要がある。  FIG. 6 shows the operating voltage conditions of the first nonvolatile memory cell of the present invention. First, in a write operation (Program), a positive voltage such as 6V is applied to the word line WL, and then a negative voltage such as −5V is applied to the write bit line PBL. Thus, similarly to the first example of the nonvolatile memory of the present invention, hot electrons generated by the BTBT phenomenon are injected into the floating gate 6. In this write operation, the write bit line current was about 100 nA, the write time was about 10 μs, therefore the write energy was 5 pJ, and the threshold voltage of the memory transistor after the write was about 5V. In this write operation, the junction formed by the P-type well 252 and the deep N-type well 251 is forward-biased. Therefore, the deep N-type well 251 is also subjected to the same 6V as the word line WL. It is necessary to apply a positive voltage.

読み出し動作(Read)は、本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様に、読出しビット線RBLに約1Vのような電圧を印加した後、ワード線WLを電源電圧である3.3Vのような電圧を印加して、メモリトランジスタのしきい電圧を判定することにより行う。  Similarly to the first example of the nonvolatile memory of the present invention, the read operation (Read) is performed by applying a voltage of about 1V to the read bit line RBL and then applying the word line WL to the power supply voltage of 3.3V. Such a voltage is applied to determine the threshold voltage of the memory transistor.

本発明の第1の不揮発性メモリセルの消去動作にも、いくつかの手段がある。第1(Erase(1))、第2(Erase(2))、および第3の消去(Erase(3))は、本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様である。第4の消去(Erase(4))では、前記ワード線WLへ−6Vのような負電圧を印加して、前記フローティングゲート6の電位を負電位側へ振り込むことにより、前記P型ウエル3と前記フローティングゲート6の間のゲート絶縁膜5の電界強度を10MV/cm以上とし、トンネル電流により前記フローティングゲート6内の蓄積電子を前記P型ウエル3側へ放出することにより行う。本消去時間は約200ms、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約2Vであった。本消去においては、前記ワード線WLに−6Vのような負電圧を印加することから、前記P型ウエル252も−6Vのような負電位となり、前記P型ウエル252と前記深いN型ウエル251が構成する接合は逆方向にバイアスされる。そのため、本消去動作中には、前記深いN型ウエル251の電位は、接地電位、もしくは3.3Vのような電源電圧であっても構わない。第5の消去(Erase(5))においては、前記ワード線WLへ−3Vのような負電圧を印加し、読出しビット線RBLへ3.3Vのような正電圧を印加して、前記フローティングゲート6内の蓄積電子をトンネル電流により前記ドレイン10側へ電子放出させる。この時の消去時間は約100ms、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約2Vでであった。本第5の消去動作では、消去に必要な最大6〜8V程度の高電圧を、前記ワード線WLと前記読出しビット線RBLとに分割して印加することができるため、電圧制御回路の動作電圧を低下することが可能となり、使用するトランジスタの長期信頼性を著しく改善できる。第6の消去(Erase(6))では、前記第5の消去において読出しビット線RBLへ3.3Vのような正電圧を印加したのに対して、書込みビット線PBLへ3.3Vのような正電圧を印加して消去動作を行うものである。本第6の消去によっても、前記第5の消去の場合と同等の効果が得られることは言うまでもない。  There are several means for the erase operation of the first nonvolatile memory cell of the present invention. The first (Erase (1)), the second (Erase (2)), and the third erase (Erase (3)) are the same as in the first example of the nonvolatile memory of the present invention. In the fourth erase (Erase (4)), a negative voltage such as −6 V is applied to the word line WL, and the potential of the floating gate 6 is transferred to the negative potential side. The electric field strength of the gate insulating film 5 between the floating gates 6 is set to 10 MV / cm or more, and the stored electrons in the floating gate 6 are discharged to the P-type well 3 side by a tunnel current. The main erasing time was about 200 ms, and the threshold voltage of the memory transistor after erasing was about 2V. In this erasing, since a negative voltage such as −6 V is applied to the word line WL, the P-type well 252 also has a negative potential such as −6 V, and the P-type well 252 and the deep N-type well 251 The junction formed by is biased in the reverse direction. Therefore, during the main erase operation, the potential of the deep N-type well 251 may be a ground potential or a power supply voltage such as 3.3V. In the fifth erase (Erase (5)), a negative voltage such as −3 V is applied to the word line WL, a positive voltage such as 3.3 V is applied to the read bit line RBL, and the floating gate is applied. The stored electrons in 6 are emitted to the drain 10 side by a tunnel current. At this time, the erasing time was about 100 ms, and the threshold voltage of the memory transistor after erasing was about 2V. In the fifth erasing operation, a high voltage of about 6 to 8 V required for erasing can be divided and applied to the word line WL and the read bit line RBL, so that the operating voltage of the voltage control circuit And the long-term reliability of the transistor used can be significantly improved. In the sixth erase (Erase (6)), a positive voltage such as 3.3V is applied to the read bit line RBL in the fifth erase, whereas a voltage such as 3.3V is applied to the write bit line PBL. An erase operation is performed by applying a positive voltage. It goes without saying that the sixth erasure can provide the same effect as the fifth erasure.

図7には、本発明に係る半導体装置が有する第1の不揮発性メモリセルの平面構造が示される。同図において、深いN型ウエル251と前記深いN型ウエル251に内包されたP型ウエル252が付加された点を除いては、図3に示された前記本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様の平面構造となっている。  FIG. 7 shows a planar structure of the first nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In FIG. 3, the first embodiment of the non-volatile memory of the present invention shown in FIG. 3 except that a deep N-type well 251 and a P-type well 252 included in the deep N-type well 251 are added. The example has the same planar structure.

《超低消費電力不揮発性メモリの第2の例》
図8には、本発明に係る半導体装置が有する第2の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。同図において、平均ボロン濃度3x1017cm−3のP型ウエル242の表面領域に、膜厚7nmのゲート絶縁膜241を介して、膜厚200nmで平均リン濃度2x1020cm−3のポリシリコン膜から成るゲート長0.4μmのセレクトゲート243が配置され、平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域から成るソース245、およびドレイン244から構成されたセレクトトランジスタが付加された点を除いては、図1に示された本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様のメモリセル構造である。前記セレクトトランジスタのソース245は、前記メモリトランジスタのドレイン10に接続され、前記セレクトトランジスタのドレイン244は読出しビット線RBLに接続されている。
<< Second Example of Ultra Low Power Consumption Nonvolatile Memory >>
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of a second nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In this figure, a polysilicon film having an average phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm −3 with a thickness of 200 nm is formed on the surface region of a P-type well 242 having an average boron concentration of 3 × 10 17 cm −3 via a gate insulating film 241 having a thickness of 7 nm. Except that a select gate 243 having a gate length of 0.4 μm is disposed and a select transistor composed of an N-type impurity region having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 and a drain 244 is added. Is a memory cell structure similar to the first example of the nonvolatile memory of the present invention shown in FIG. The source 245 of the select transistor is connected to the drain 10 of the memory transistor, and the drain 244 of the select transistor is connected to the read bit line RBL.

図9には、本発明に係る半導体装置が有する第2の不揮発性メモリセルの電気的な等価回路が示される。同図において、メモリトランジスタMTのフローティングゲートにはカップリングキャパシタC2と、電荷注入領域のキャパシタCJが接続され、前記メモリトランジスタMTのドレインはセレクトトランジスタSTへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのドレインは読出しビット線RBLへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのゲートは読み出しワード線RWLへ接続され、前記電荷注入領域は書込みビット線PBLへ接続され、前記カップリングキャパシタC2は書き込みワード線PWLへ接続されている。前記カップリングキャパシタC2は、前記メモリトランジスタMTのゲート静電容量と前記電荷注入領域のキャパシタCJとの和のおおよそ5倍以上に設計されており、前記ワード線WLから前記フローティングゲートへの静電カップリング比は0.83以上となる。  FIG. 9 shows an electrical equivalent circuit of the second nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In the figure, a coupling capacitor C2 and a capacitor CJ in the charge injection region are connected to the floating gate of the memory transistor MT, the drain of the memory transistor MT is connected to the select transistor ST, and the drain of the select transistor ST is read. Connected to the bit line RBL, the gate of the select transistor ST is connected to the read word line RWL, the charge injection region is connected to the write bit line PBL, and the coupling capacitor C2 is connected to the write word line PWL. . The coupling capacitor C2 is designed to be about five times or more the sum of the gate capacitance of the memory transistor MT and the capacitor CJ in the charge injection region, and the capacitance from the word line WL to the floating gate is designed. The coupling ratio is 0.83 or more.

図10には、本発明の第2の不揮発性メモリセルの動作電圧条件が示される。先ず、書込み動作(Program)は、ワード線WLへ6Vのような正電圧を印加した後、書込みビット線PBLへ−5Vのような負電圧を印加する。これにより、本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様に、BTBT現象によって発生するホットエレクトロンを前記フローティングゲート6中へ注入して行われる。この書込み動作では、書込みビット線の電流は約100nA、書込み時間は約5μs、したがって書込みエネルギーは2.5pJ、書込み後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約2Vであった。  FIG. 10 shows the operating voltage condition of the second nonvolatile memory cell of the present invention. First, in a write operation (Program), a positive voltage such as 6V is applied to the word line WL, and then a negative voltage such as −5V is applied to the write bit line PBL. Thus, similarly to the first example of the nonvolatile memory of the present invention, hot electrons generated by the BTBT phenomenon are injected into the floating gate 6. In this write operation, the write bit line current was about 100 nA, the write time was about 5 μs, therefore the write energy was 2.5 pJ, and the threshold voltage of the memory transistor after the write was about 2V.

本発明の第2の不揮発性メモリセルの消去動作(Erase)は、書込みビット線PBLのみへ6Vのような電圧を印加し、前記フローティングゲート6から前記P型不純物領域11へのトンネル電流により電子放出を行うものであり、消去に要する時間は約100ms、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約−1.5Vであった。  In the erase operation (Erase) of the second nonvolatile memory cell of the present invention, a voltage such as 6V is applied only to the write bit line PBL, and electrons are generated by the tunnel current from the floating gate 6 to the P-type impurity region 11. The time required for erasing was about 100 ms, and the threshold voltage of the memory transistor after erasing was about -1.5V.

読み出し動作(Read)は、前記読出しビット線RBLを3.3Vにプリチャージした後、前記読出しワード線RWLに3.3Vを印加して、前記セレクトトランジスタをオンさせ、前記メモリトランジスタの消去/書込み状態に対応するオン/オフ状態を判定することにより行う。  In the read operation (Read), the read bit line RBL is precharged to 3.3 V, then 3.3 V is applied to the read word line RWL to turn on the select transistor, and erase / write of the memory transistor. This is done by determining the on / off state corresponding to the state.

図11には、本発明の第2の不揮発性メモリセルをアレー状に配置した4セル分の回路図が示される。図12には、図11に示された回路図に対応する平面構造が示される。同図には、N型ウエル25、P型ウエル24、カップリングキャパシタを形成するための活性領域21、メモリトランジスタとセレクトトランジスタを形成するための活性領域22、電荷注入領域を形成するための活性領域23が配置され、フローティングゲート26、前記セレクトトランジスタのセレクトゲート27、N型不純物領域から成るN型ウエル接続領域32、メモリトランジスタのソース33、およびドレイン34、セレクトトランジスタのドレイン35、P型不純物領域から成る少数キャリア注入領域31、電荷注入領域36が配置され、前記N型ウエル接続領域32と前記少数キャリア注入領域31は、コンタクトホール37を介して第1金属膜からなるワード線38へ接続され、前記メモリトランジスタのソース33はコンタクトホール37を介して第1金属膜41へ接続され、さらに前記第1金属膜41はスルーホール42を介して第2金属膜からなる共通ソース線Vss43へ接続され、前記セレクトトランジスタのドレイン35はコンタクトホール37を介して第1金属膜39へ接続され、さらに前記第1金属膜39はスルーホール42を介して第2金属膜からなる読出しビット線RBL44へ接続され、前記電荷注入領域36はコンタクトホール37を介して第1金属膜38へ接続され、さらに前記第1金属膜38はスルーホール42を介して第2金属膜からなる書込みビット線PBL45へ接続されている。  FIG. 11 shows a circuit diagram of four cells in which the second nonvolatile memory cells of the present invention are arranged in an array. FIG. 12 shows a planar structure corresponding to the circuit diagram shown in FIG. The figure shows an N-type well 25, a P-type well 24, an active region 21 for forming a coupling capacitor, an active region 22 for forming a memory transistor and a select transistor, and an activity for forming a charge injection region. A region 23 is disposed, a floating gate 26, a select gate 27 of the select transistor, an N-type well connection region 32 composed of an N-type impurity region, a source 33 and a drain 34 of a memory transistor, a drain 35 of a select transistor, a P-type impurity Minority carrier injection regions 31 and charge injection regions 36 made of regions are arranged, and the N-type well connection region 32 and the minority carrier injection region 31 are connected to a word line 38 made of a first metal film through a contact hole 37. The source 33 of the memory transistor is The first metal film 41 is connected to the first metal film 41 through the tact hole 37, and the first metal film 41 is connected to the common source line Vss43 made of the second metal film through the through hole 42. The drain 35 of the select transistor is The first metal film 39 is connected to a first metal film 39 through a contact hole 37, and the first metal film 39 is connected to a read bit line RBL 44 made of a second metal film through a through hole 42. The charge injection region 36 is a contact. The first metal film 38 is connected to the first metal film 38 through the hole 37, and the first metal film 38 is connected to the write bit line PBL 45 made of the second metal film through the through hole 42.

本発明の第2の不揮発性メモリセルのセル面積は、ワード線に平行な方向に第2金属配線のレイアウトピッチの2.5倍、ビット線に平行な方向にウエルのレイアウトピッチの2倍程度である。通常の3.3V系CMOSトランジスタのレイアウトルールでは、第2金属配線およびウエルのレイアウトピッチが1μm、および4μm程度であることから、セル面積は2.5x8=20μmであった。The cell area of the second nonvolatile memory cell of the present invention is about 2.5 times the layout pitch of the second metal wiring in the direction parallel to the word line and about twice the layout pitch of the well in the direction parallel to the bit line. It is. According to the layout rule of the normal 3.3V CMOS transistor, the layout area of the second metal wiring and the well is about 1 μm and 4 μm, so the cell area is 2.5 × 8 = 20 μm 2 .

図13から図15には、本発明の第2の不揮発性メモリの製造工程毎の断面構造が示される。各断面図は、図11に示された平面構造において、A→Bの記号で示された箇所に対応するものである。先ず、図13に示された製造工程では、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板51の表面領域の所望の領域に、ドライエッチングにより開口し、化学気相堆積法(Chemical Vapor Deposition:以下CVD法という)でシリコン酸化膜を堆積し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化した深さ300nmの溝型素子分離領域(Shallow Trench Isolation:以下STIという)52を形成した後、熱酸化法により膜厚10nmの表面酸化膜72を成長し、イオン注入法によりリンイオンをエネルギー1MeV、注入量1×1013cm−2エネルギー500keV、注入量3×1012cm−2、およびエネルギー150keV、注入量1×1012cm−2注入してN型ウエル54を形成し、ボロンイオンをエネルギー500keV、注入量1×1013cm−2、エネルギー150keV、注入量3×1012cm−2、およびエネルギー50keV、注入量1×1012cm−2注入してP型ウエル53を形成した状態が示されている。13 to 15 show cross-sectional structures for each manufacturing process of the second nonvolatile memory of the present invention. Each cross-sectional view corresponds to a portion indicated by a symbol A → B in the planar structure shown in FIG. 11. First, in the manufacturing process shown in FIG. 13, a desired region of the surface region of the P-type silicon substrate 51 having a resistivity of 10 Ωcm is opened by dry etching, and a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method). ) To form a trench type element isolation region (STI) 52 having a depth of 300 nm and planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, followed by a thermal oxidation method. growing a surface oxide film 72 of 10 nm, the energy 1MeV phosphorus ions by an ion implantation method, injection of 1 × 10 13 cm -2 energy 500 keV, implantation dose 3 × 10 12 cm -2, and the energy 150 keV, implantation dose 1 × 1 12 cm -2 implanted to form the N-type well 54, the energy 500keV boron ions, implantation amount 1 × 10 13 cm -2, energy 150 keV, implantation dose 3 × 10 12 cm -2, and energy 50 keV, implantation dose A state in which a P-type well 53 is formed by implanting 1 × 10 12 cm −2 is shown.

図14に示された製造工程では、前記表面酸化膜72をウエットエッチングにより除去した後、熱酸化法により膜厚7nmのゲート酸化膜55を成長し、CVD法で堆積した膜厚200nmのポリシリコン膜へ、イオン注入法により加速エネルギー10keVのリンイオンを注入量2x1015cm−2注入した後、リソグラフィ法とドライエッチングにより加工してポリシリコンゲート56を形成し、リソグラフィ法によりマスキングしてイオン注入法により加速エネルギー50keVの砒素イオンを注入量1x1015cm−2注入してN型ウエル接続領域58、メモリトランジスタのソース60、およびドレイン61、セレクトトランジスタのドレイン62を形成した後、リソグラフィ法により膜厚1μmのレジスト膜73をパターンニングし、イオン注入法により加速エネルギー50keVの2弗化ボロン(BF2)イオン74を注入量1x1015cm−2注入して少数キャリア注入領域59、および電荷注入領域63を形成する。In the manufacturing process shown in FIG. 14, after the surface oxide film 72 is removed by wet etching, a gate oxide film 55 having a thickness of 7 nm is grown by a thermal oxidation method, and polysilicon having a thickness of 200 nm deposited by a CVD method. After implantation of phosphorus ions having an acceleration energy of 10 keV into the film by an implantation amount of 2 × 10 15 cm −2 by ion implantation, a polysilicon gate 56 is formed by lithography and dry etching, masked by lithography, and ion implantation After that, an arsenic ion with an acceleration energy of 50 keV is implanted at an implantation amount of 1 × 10 15 cm −2 to form an N-type well connection region 58, a memory transistor source 60 and drain 61, and a select transistor drain 62, and then a film thickness by lithography. 1 μm resist film 73 is patterned And N'ningu to form a minority carrier injection region 59 and the charge injection region 63, and injection volume 1x10 15 cm -2 implanted 2 boron difluoride (BF2) ions 74 of an acceleration energy 50keV by ion implantation.

図15に示された製造工程では、前期レジスト73を灰化法により除去し、洗浄した後、CVD法で堆積しエッチバック法により加工した膜厚100nmの酸化膜サイドスペーサ66を形成し、前記ポリシリコンゲート56、および露出した基板表面上に膜厚50nmのコバルトシリサイド膜57を成長させ、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した膜厚800nmのコンタクト層間膜67を形成し、リソグラフィ法とドライエッチングにより穴径0.3μmのコンタクトホールを開口し、CVD法で堆積し、CMP法で平坦化したタングステン(W)コンタクト68を埋め込み、スパッタ法で堆積し、リソグラフィ法とドライエッチングにより膜厚500nmのアルミニウム(Al)から成る第1金属配線69を形成し、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した膜厚800nmの第1層間膜70を形成し、図示されていないが、リソグラフィ法とドライエッチングにより穴径0.3μmのスルーホールを開口し、CVD法で堆積し、CMP法で平坦化したタングステン(W)スルーコンタクトを埋め込み、スパッタ法で堆積し、リソグラフィ法とドライエッチングにより膜厚500nmのアルミニウム(Al)から成る第2金属配線71を形成した状態が示されている。  In the manufacturing process shown in FIG. 15, the resist 73 is removed by the ashing method, washed, and then the oxide film side spacer 66 having a film thickness of 100 nm formed by the CVD method and processed by the etch back method is formed. A polysilicon silicide film 57 and a cobalt silicide film 57 having a thickness of 50 nm are grown on the exposed substrate surface, a silicon oxide film is deposited by a CVD method, and a contact interlayer film 67 having a thickness of 800 nm is formed by a CMP method. Then, a contact hole having a hole diameter of 0.3 μm is opened by lithography and dry etching, deposited by CVD, embedded with a tungsten (W) contact 68 planarized by CMP, and deposited by sputtering. First metal wiring 69 made of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm by dry etching Then, a silicon oxide film is deposited by a CVD method and a first interlayer film 70 having a thickness of 800 nm is formed by a CMP method, and a hole diameter of 0.3 μm is formed by lithography and dry etching, although not shown. A through-hole is opened, deposited by CVD, planarized with tungsten (W) through contact planarized by CMP, deposited by sputtering, and formed of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm by lithography and dry etching. A state in which two metal wirings 71 are formed is shown.

図16には、本発明の第2の不揮発性メモリのモジュールの直接周辺回路ブロックが示されている。セレクトトランジスタSTへ接続された読出しワード線RWL、および、読出しビット線RBLは、夫々、電源電圧Vccで動作するワードドライバとセンスアンプへ接続され、書込みワード線PWL、および、書込みビット線PBLは、夫々、高電圧Vppで動作するワードドライバと書込みドライバにより制御される。読出し動作用の電源電圧Vccとして3.3V、書込み・消去動作用の高電圧Vppとして6Vを用いて不揮発性メモリモジュールは動作する。    FIG. 16 shows a direct peripheral circuit block of the second nonvolatile memory module of the present invention. The read word line RWL and the read bit line RBL connected to the select transistor ST are respectively connected to a word driver and a sense amplifier that operate at the power supply voltage Vcc, and the write word line PWL and the write bit line PBL are Each is controlled by a word driver and a write driver operating at a high voltage Vpp. The nonvolatile memory module operates using 3.3V as the power supply voltage Vcc for the read operation and 6V as the high voltage Vpp for the write / erase operation.

《超低消費電力不揮発性メモリの第3の例》
図17には、本発明に係る半導体装置が有する第3の不揮発性メモリの8セル分の回路図が示されている。図18は、図17の回路図に対応する平面構造が示されている。同図には、N型ウエル84、P型ウエル85、カップリングキャパシタを形成するための活性領域81、メモリトランジスタを形成するための活性領域82、電荷注入領域を形成するための活性領域83が配置され、フローティングゲート86、N型不純物領域から成るN型ウエル接続領域90、メモリトランジスタのソース87、およびドレイン88、P型不純物領域から成る少数キャリア注入領域89、電荷注入領域91が配置され、前記N型ウエル接続領域90と前記少数キャリア注入領域89は、コンタクトホール92を介して第1金属膜からなるワード線96へ接続され、前記メモリトランジスタのソース87はコンタクトホール92を介して第1金属膜95へ接続され、さらに前記第1金属膜95はスルーホール97を介して第2金属膜からなる共通ソース線Vss98へ接続され、前記電荷注入領域91はコンタクトホール92を介して第1金属膜94へ接続され、さらに前記第1金属膜94はスルーホール97を介して第2金属膜からなる書込みビット線PBL99へ接続され、前記メモリトランジスタのドレイン88はコンタクトホール92を介して第1金属膜93へ接続され、さらに前記第1金属膜93はスルーホール97を介して第2金属膜からなる読出しビット線RBL100へ接続されている。
<< Third Example of Ultra Low Power Consumption Nonvolatile Memory >>
FIG. 17 shows a circuit diagram of eight cells of the third nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention. FIG. 18 shows a planar structure corresponding to the circuit diagram of FIG. The figure shows an N-type well 84, a P-type well 85, an active region 81 for forming a coupling capacitor, an active region 82 for forming a memory transistor, and an active region 83 for forming a charge injection region. A floating gate 86, an N-type well connection region 90 made of an N-type impurity region, a source 87 and a drain 88 of a memory transistor, a minority carrier injection region 89 made of a P-type impurity region, and a charge injection region 91, The N-type well connection region 90 and the minority carrier injection region 89 are connected to a word line 96 made of a first metal film via a contact hole 92, and the source 87 of the memory transistor is connected to the first metal via a contact hole 92. The first metal film 95 is connected to the metal film 95 and the first metal film 95 is connected to the first through the through hole 97. The charge injection region 91 is connected to the first metal film 94 through the contact hole 92, and the first metal film 94 is connected to the second metal through the through hole 97. Connected to a write bit line PBL99 made of a film, the drain 88 of the memory transistor is connected to a first metal film 93 through a contact hole 92, and the first metal film 93 is connected to a second metal through a through hole 97. It is connected to a read bit line RBL100 made of a film.

本発明の第3の不揮発性メモリセルのセル面積は、ワード線に平行な方向に第2金属配線のレイアウトピッチの2.5倍、ビット線に平行な方向にウエルのレイアウトピッチの1.5倍程度である。通常の3.3V系CMOSトランジスタのレイアウトルールでは、第2金属配線およびウエルのレイアウトピッチが1μm、および4μm程度であることから、セル面積は2.5x6=15μmであった。The cell area of the third nonvolatile memory cell of the present invention is 2.5 times the layout pitch of the second metal wiring in the direction parallel to the word line, and 1.5 times the layout pitch of the well in the direction parallel to the bit line. It is about twice. In the normal 3.3V CMOS transistor layout rule, since the layout pitch of the second metal wiring and well is about 1 μm and 4 μm, the cell area is 2.5 × 6 = 15 μm 2 .

図19から図21には、本発明の第3の不揮発性メモリの製造工程毎の断面構造が示される。各断面図は、図18に示された平面構造において、C→Dの記号で示された箇所に対応するものである。先ず、図19に示された製造工程では、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板101の表面領域の所望の領域に、ドライエッチングにより開口し、CVD法でシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した深さ300nmのSTI102を形成した後、熱酸化法により膜厚10nmの表面酸化膜121を成長し、イオン注入法によりリンイオンをエネルギー1MeV、注入量1×1013cm−2、エネルギー500keV、注入量3×1012cm−2、およびエネルギー150keV、注入量1×1012cm−2注入してN型ウエル54を形成し、ボロンイオンをエネルギー500keV、注入量1×1013cm−2、エネルギー150keV、注入量3×1012cm−2、およびエネルギー50keV、注入量1×1012cm−2注入してP型ウエル53を形成した状態が示されている。19 to 21 show a cross-sectional structure for each manufacturing process of the third nonvolatile memory of the present invention. Each cross-sectional view corresponds to a portion indicated by a symbol C → D in the planar structure shown in FIG. First, in the manufacturing process shown in FIG. 19, openings are formed in a desired region of the surface region of the P-type silicon substrate 101 having a resistivity of 10 Ωcm by dry etching, a silicon oxide film is deposited by CVD, and flattened by CMP. after forming the STI102 depth 300nm which ized by thermal oxidation to grow a surface oxide film 121 having a thickness of 10 nm, the energy 1MeV phosphorus ions by an ion implantation method, the injection amount 1 × 10 13 cm -2, energy 500 keV, An implantation amount of 3 × 10 12 cm −2 and an energy of 150 keV, an implantation amount of 1 × 10 12 cm −2 is implanted to form an N-type well 54, and boron ions are energized with an energy of 500 keV, an implantation amount of 1 × 10 13 cm −2 , Energy 150 keV, injection amount 3 × 10 12 cm −2 , energy 50 keV, injection amount 1 A state in which a P-type well 53 is formed by implanting × 10 12 cm −2 is shown.

図20に示された製造工程では、前記表面酸化膜121をウエットエッチングにより除去した後、熱酸化法により膜厚7nmのゲート酸化膜105を成長し、CVD法で堆積した膜厚200nmのポリシリコン膜へ、イオン注入法により加速エネルギー10keVのリンイオンを注入量2x1015cm−2注入した後、リソグラフィ法とドライエッチングにより加工してポリシリコンゲート106を形成し、リソグラフィ法によりマスキングしてイオン注入法により加速エネルギー50keVの砒素イオンを注入量x1015cm−2注入してN型ウエル接続領域108、メモリトランジスタのソース110、およびドレイン111を形成した後、リソグラフィ法により膜厚1μmのレジスト膜122をパターンニングし、イオン注入法により加速エネルギー50keVの2弗化ボロン(BF2)イオン123を注入量1x1015cm−2注入して少数キャリア注入領域109、および電荷注入領域112を形成する。In the manufacturing process shown in FIG. 20, after the surface oxide film 121 is removed by wet etching, a gate oxide film 105 having a thickness of 7 nm is grown by a thermal oxidation method, and polysilicon having a thickness of 200 nm deposited by a CVD method. After implantation of phosphorus ions having an acceleration energy of 10 keV into the film by an implantation amount of 2 × 10 15 cm −2 by ion implantation, a polysilicon gate 106 is formed by lithography and dry etching, masking by lithography is performed, and ion implantation is performed. Then, an arsenic ion having an acceleration energy of 50 keV is implanted by an implantation amount x10 15 cm −2 to form the N-type well connection region 108, the source 110 and the drain 111 of the memory transistor, and then a resist film 122 having a thickness of 1 μm is formed by lithography. Pattern and ion implantation Forming a minority carrier injection region 109 and the charge injection region 112, the 2 boron difluoride (BF2) ions 123 of an acceleration energy 50keV implant dose 1x10 15 to cm -2 injected by.

図21に示された製造工程では、前期レジスト122を灰化法により除去し、洗浄した後、CVD法で堆積しエッチバック法により加工した膜厚100nmの酸化膜サイドスペーサ113を形成し、前記ポリシリコンゲート106、および露出した基板表面上に膜厚50nmのコバルトシリサイド膜107を成長させ、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した膜厚800nmのコンタクト層間膜114を形成し、リソグラフィ法とドライエッチングにより穴径0.3μmのコンタクトホールを開口し、CVD法で堆積し、CMP法で平坦化したタングステン(W)コンタクト115を埋め込み、スパッタ法で堆積し、リソグラフィ法とドライエッチングにより膜厚500nmのアルミニウム(Al)から成る第1金属配線116を形成し、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した膜厚800nmの第1層間膜117を形成し、リソグラフィ法とドライエッチングにより穴径0.3μmのスルーホールを開口し、CVD法で堆積し、CMP法で平坦化したタングステン(W)スルーコンタクト118を形成し、スパッタ法で堆積し、リソグラフィ法とドライエッチングにより膜厚500nmのアルミニウム(Al)から成る第2金属配線119を形成した状態が示されている。  In the manufacturing process shown in FIG. 21, the resist 122 is removed by the ashing method and washed, and then the oxide film side spacer 113 having a film thickness of 100 nm deposited by the CVD method and processed by the etch back method is formed. A polysilicon gate 106 and a cobalt silicide film 107 having a thickness of 50 nm are grown on the exposed substrate surface, a silicon oxide film is deposited by a CVD method, and a contact interlayer film 114 having a thickness of 800 nm is formed by a CMP method. Then, a contact hole having a hole diameter of 0.3 μm is opened by lithography and dry etching, deposited by CVD, embedded with a tungsten (W) contact 115 planarized by CMP, and deposited by sputtering. A first made of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm by dry etching. A metal wiring 116 is formed, a silicon oxide film is deposited by CVD, a first interlayer film 117 having a thickness of 800 nm is formed by CMP, and a through hole having a hole diameter of 0.3 μm is formed by lithography and dry etching. The tungsten (W) through contact 118 is deposited by the CVD method, planarized by the CMP method, deposited by the sputtering method, and deposited by the sputtering method and dry etching, and is made of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm. A state in which two metal wirings 119 are formed is shown.

本発明に係る半導体装置が有する第3の不揮発性メモリでは、ワード線本数32、書込みおよび読出しビット線本数32でアレーを構成し、メモリ容量は1024ビットであった。  In the third nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention, the number of word lines is 32 and the number of write and read bit lines is 32, and the memory capacity is 1024 bits.

《RFID向け不揮発性メモリ》
図22には、RFIDチップに搭載した本発明による揮発性メモリモジュールの直接周辺回路ブロックが示されている。読出しビット線RBLは電源電圧Vccで動作するセンスアンプへ接続され、書込みビット線PBLは高電圧Vppで動作する書込みドライバにより制御され、ワード線WLは電源電圧Vccと高電圧Vppの切り替え回路を含んだワードドライバで制御される。読出し動作用の電源電圧Vccとして1.5V、書込み・消去動作用の高電圧Vppとして6Vを用いて不揮発性メモリモジュールは動作する。
<< Nonvolatile memory for RFID >>
FIG. 22 shows a direct peripheral circuit block of the volatile memory module according to the present invention mounted on an RFID chip. Read bit line RBL is connected to a sense amplifier operating at power supply voltage Vcc, write bit line PBL is controlled by a write driver operating at high voltage Vpp, and word line WL includes a switching circuit between power supply voltage Vcc and high voltage Vpp. It is controlled by a word driver. The nonvolatile memory module operates using 1.5 V as the power supply voltage Vcc for the read operation and 6 V as the high voltage Vpp for the write / erase operation.

本不揮発性メモリモジュールは、128個のメモリセルが1本のワード線WL上に接続されており(n=128)、ビット線RBL、PBL上には1セルのみ接続されているため、任意のメモリセルが偶発的に過消去を引き起こした場合にも、読出し不良は発生し得ない。  In this nonvolatile memory module, 128 memory cells are connected on one word line WL (n = 128), and only one cell is connected on the bit lines RBL and PBL. Even when a memory cell accidentally causes overerasing, a read failure cannot occur.

図23には、本発明による揮発性メモリモジュールが搭載されたRFIDチップの回路ブロックが示される。パッドP1、およびP2に、外部のリーダーから発信されたRF信号を受信するため、チップ外部に配置されたアンテナLが接続され、前記パッドP1−P2間には容量120pFの電源キャパシタCT、電圧クランプ回路(Voltage Clamp)、電源モジュレーター(Modulator)、およびブリッジ整流器(Bridge Rectifier)が接続され、前記ブリッジ整流器の出力から内部電源電圧(Vcc)と高電圧(Vpp)を発生するVcc検出回路(Vcc Detector)、Vpp昇圧回路(Vpp Generator)が接続されている。また、前記ブリッジ整流器により、受信したRF信号に含まれる動作モードを検出する回路(Mode Selector)、クロック検出回路(Clock Extractor)、および不揮発性メモリ(EEPROM:Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)への書込みデータを取り出す回路(Data Modulator)が接続され、動作モードがコントローラ(Controller)へ送られて不揮発性メモリの動作が制御される。書込み前記内部電源電圧Vccと高電圧Vppが不揮発性メモリへ供給されて、書込み、読出し動作が行われる。前期ブリッジ整流器の出力には電源安定化キャパシタCFが接続され、出力電圧を検出するための電圧レギュレータ(Regulator)の制御信号が前記電圧クランプ回路へフィードバックされて、電源電圧の安定化が図られている。  FIG. 23 shows a circuit block of an RFID chip on which a volatile memory module according to the present invention is mounted. An antenna L arranged outside the chip is connected to the pads P1 and P2 to receive an RF signal transmitted from an external reader, and a power capacitor CT having a capacity of 120 pF and a voltage clamp are connected between the pads P1 and P2. A circuit (Voltage Clamp), a power supply modulator (Modulator), and a bridge rectifier are connected to generate an internal power supply voltage (Vcc) and a high voltage (Vpp) from the output of the bridge rectifier (Vcc Detector). ), A Vpp booster circuit (Vpp Generator) is connected. In addition, the bridge rectifier supplies an operation mode included in the received RF signal to a circuit (Mode Selector), a clock detection circuit (Clock Extractor), and a nonvolatile memory (EEPROM: Electrically Easable and Programmable Read Only Memory). A circuit for extracting write data (Data Modulator) is connected, and the operation mode is sent to the controller (Controller) to control the operation of the nonvolatile memory. Writing The internal power supply voltage Vcc and the high voltage Vpp are supplied to the nonvolatile memory, and writing and reading operations are performed. A power supply stabilization capacitor CF is connected to the output of the first bridge rectifier, and a control signal of a voltage regulator (Regulator) for detecting the output voltage is fed back to the voltage clamp circuit to stabilize the power supply voltage. Yes.

本RFIDチップは、RF周波数2.45GHzで動作し、チップ内部で発生可能な総電力は10〜50μW程度である。この総電力の内、前記Vpp昇圧回路で発生できる電源能力は6V、1μA程度であるが、メモリセルの書込み電流が200nA以下であるため、動作上の支障は全くない。  The RFID chip operates at an RF frequency of 2.45 GHz, and the total power that can be generated inside the chip is about 10 to 50 μW. Of this total power, the power supply capability that can be generated by the Vpp booster circuit is about 6 V and 1 μA, but since the write current of the memory cell is 200 nA or less, there is no problem in operation.

《高速読出し・超低消費電力不揮発性メモリの第1の例》
図24には、本発明に係る半導体装置が有する第1の高速読出し可能な不揮発性メモリの4セル分の回路図が示されている。同図において、メモリトランジスタMTのフローティングゲートにはカップリングキャパシタC2と、電荷注入領域のキャパシタCJが接続され、前記メモリトランジスタMTのドレインはセレクトトランジスタSTへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのドレインは読出しビット線RBLへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのゲートは読み出しワード線RWLへ接続され、前記電荷注入領域は書込みビット線PBLへ接続され、前記カップリングキャパシタC2は書き込みワード線PWLへ接続されている。本不揮発性メモリでは、電源電圧1.5Vで動作する内部ロジック回路用トランジスタの膜厚3nmのゲート酸化膜1(Tox1)と、電源電圧3.3Vで動作する外部インタフェース回路用トランジスタの膜厚7nmのゲート酸化膜2(Tox2)を備えている。前記セレクトトランジスタSTは膜厚3nmの前記ゲート酸化膜1(Tox1)からなり、前記メモリトランジスタMT、前記カップリングキャパシタC2,および電荷注入領域のキャパシタCJは、膜厚7nmの前記ゲート酸化膜2(Tox2)からなる。
<< First Example of High-Speed Reading / Ultra Low Power Consumption Nonvolatile Memory >>
FIG. 24 shows a circuit diagram of four cells of the first high-speed readable nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention. In the figure, a coupling capacitor C2 and a capacitor CJ in the charge injection region are connected to the floating gate of the memory transistor MT, the drain of the memory transistor MT is connected to the select transistor ST, and the drain of the select transistor ST is read. Connected to the bit line RBL, the gate of the select transistor ST is connected to the read word line RWL, the charge injection region is connected to the write bit line PBL, and the coupling capacitor C2 is connected to the write word line PWL. . In this nonvolatile memory, a gate oxide film 1 (Tox1) having a film thickness of 3 nm for an internal logic circuit transistor operating at a power supply voltage of 1.5V and a film thickness of 7 nm for an external interface circuit transistor operating at a power supply voltage of 3.3V. Gate oxide film 2 (Tox2). The select transistor ST includes the gate oxide film 1 (Tox1) having a thickness of 3 nm, and the memory transistor MT, the coupling capacitor C2, and the capacitor CJ in the charge injection region include the gate oxide film 2 (with a thickness of 7 nm). Tox2).

図25には、本発明に係る半導体装置が有する第1の高速読出し可能な不揮発性メモリセルの動作電圧条件が示される。先ず、書込み動作(Program)は、ワード線WLへ6Vのような正電圧を印加した後、書込みビット線PBLへ−5Vのような負電圧を印加する。これにより、本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様に、BTBT現象によって発生するホットエレクトロンを前記フローティングゲート中へ注入して行われる。この書込み動作では、書込みビット線の電流は約100nA、書込み時間は約5μs、したがって書込みエネルギーは2.5pJ、書込み後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約2Vであった。  FIG. 25 shows operating voltage conditions of the first high-speed readable nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. First, in a write operation (Program), a positive voltage such as 6V is applied to the word line WL, and then a negative voltage such as −5V is applied to the write bit line PBL. Thus, similarly to the first example of the nonvolatile memory of the present invention, hot electrons generated by the BTBT phenomenon are injected into the floating gate. In this write operation, the write bit line current was about 100 nA, the write time was about 5 μs, therefore the write energy was 2.5 pJ, and the threshold voltage of the memory transistor after the write was about 2V.

消去動作(Erase)は、書込みビット線PBLのみへ6Vのような電圧を印加し、前記フローティングゲートから前記電荷注入領域へのトンネル電流により電子放出を行うものであり、消去に要する時間は約100ms、消去後の前記メモリトランジスタのしきい電圧は約−1.5Vであった。  In the erase operation (Erase), a voltage such as 6 V is applied only to the write bit line PBL, and electrons are emitted by a tunnel current from the floating gate to the charge injection region, and the time required for erase is about 100 ms. The threshold voltage of the memory transistor after erasing was about -1.5V.

読み出し動作(Read)は、前記読出しビット線RBLを1.5Vにプリチャージした後、前記読出しワード線RWLに1.5Vを印加して、前記セレクトトランジスタをオンさせ、前記メモリトランジスタの消去/書込み状態に対応するオン/オフ状態を判定することにより行う。前記読出しビット線に接続されるセンスアンプ回路、および読出しワード線に接続されるワードドラーバー回路は、いずれも電源電圧1.5Vで動作する高速動作から構成されており、読出し時間は20ns程度が得られた。  In the read operation (Read), the read bit line RBL is precharged to 1.5 V, then 1.5 V is applied to the read word line RWL to turn on the select transistor, and erase / write of the memory transistor. This is done by determining the on / off state corresponding to the state. The sense amplifier circuit connected to the read bit line and the word driver circuit connected to the read word line are both composed of a high-speed operation that operates at a power supply voltage of 1.5 V, and a read time of about 20 ns can be obtained. It was.

図26には、本発明に係る半導体装置が有する第1の高速読出し可能な不揮発性メモリセルの平面構造が示されている。同図において、前記セレクトトランジスタSTのゲート酸化膜厚を変更するためのパターン131が付加された点を除いては、図12に示された本発明の第3の不揮発性メモリセルの平面構造に同一である。  FIG. 26 shows a planar structure of the first high-speed readable nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In the figure, the planar structure of the third nonvolatile memory cell of the present invention shown in FIG. 12 is the same except that a pattern 131 for changing the gate oxide film thickness of the select transistor ST is added. Are the same.

図27から図31には、本発明の第1の高速読出し可能な不揮発性メモリの製造工程毎の断面構造が示される。各断面図は、図26に示された平面構造において、E→Fの記号で示された箇所に対応するものである。先ず、図27に示された製造工程では、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板51の表面領域の所望の領域に、ドライエッチングにより開口し、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した深さ300nmのSTI52を形成した後、熱酸化法により膜厚10nmの表面酸化膜72を成長し、イオン注入法によりリンイオンをエネルギー1MeV、注入量1×1013cm−2、エネルギー500keV、注入量3×1012cm−2およびエネルギー150keV、注入量1×1012cm−2注入してN型ウエル54を形成し、ボロンイオンをエネルギー500keV、注入量1×1013cm−2、エネルギー150keV、注入量3×1012cm−2、およびエネルギー50keV、注入量1×1012cm−2注入してP型ウエル53を形成した状態が示されている。27 to 31 show cross-sectional structures for each manufacturing process of the first high-speed readable nonvolatile memory of the present invention. Each cross-sectional view corresponds to a location indicated by the symbol E → F in the planar structure shown in FIG. First, in the manufacturing process shown in FIG. 27, a desired region of the surface region of the P-type silicon substrate 51 having a resistivity of 10 Ωcm is opened by dry etching, a silicon oxide film is deposited by CVD, and flattened by CMP. after forming the STI52 depth 300nm which ized by thermal oxidation to grow a surface oxide film 72 having a thickness of 10 nm, the energy 1MeV phosphorus ions by an ion implantation method, the injection amount 1 × 10 13 cm -2, energy 500 keV, Implantation amount 3 × 10 12 cm −2 and energy 150 keV, implantation amount 1 × 10 12 cm −2 is implanted to form an N-type well 54, boron ions are energy 500 keV, implantation amount 1 × 10 13 cm −2 , energy 150 keV, implantation dose 3 × 10 12 cm -2, and energy 50 keV, implantation dose 1 × 1 12 cm -2 injected into the formation of the P-type well 53 state is shown.

図28に示された製造工程では、前記表面酸化膜72をウエットエッチングにより除去した後、熱酸化法により膜厚5nmのゲート酸化膜55を成長し、リソグラフィ法によりパターニングした膜厚1μmのレジスト膜133をマスクとしたウエットエッチングによりセレクトトランジスタが形成されるべき領域のみの前記ゲート酸化膜55を除去する。  In the manufacturing process shown in FIG. 28, after removing the surface oxide film 72 by wet etching, a gate oxide film 55 having a thickness of 5 nm is grown by a thermal oxidation method, and a resist film having a thickness of 1 μm is patterned by a lithography method. The gate oxide film 55 only in the region where the select transistor is to be formed is removed by wet etching using 133 as a mask.

図29に示された製造工程では、前記レジスト膜133を灰化法により除去した後、熱酸化法により膜厚3nmのゲート絶縁膜132を成長する。この熱酸化工程では、前記ゲート酸化膜55も追加酸化が進行し、結果的に酸化膜厚は7nmとなる。  In the manufacturing process shown in FIG. 29, after removing the resist film 133 by ashing, a gate insulating film 132 having a thickness of 3 nm is grown by thermal oxidation. In this thermal oxidation process, additional oxidation of the gate oxide film 55 proceeds, resulting in an oxide film thickness of 7 nm.

図30に示された製造工程では、CVD法で堆積した膜厚200nmのポリシリコン膜へ、イオン注入法により加速エネルギー10keVのリンイオンを注入量2x1015cm−2注入した後、リソグラフィ法とドライエッチングにより加工してポリシリコンゲート56を形成し、リソグラフィ法によりマスキングしてイオン注入法により加速エネルギー50keVの砒素イオンを注入量1x1015cm−2注入してN型ウエル接続領域58、メモリトランジスタのソース60、およびドレイン61、セレクトトランジスタのドレイン62を形成した後、リソグラフィ法により膜厚1μmのレジスト膜73をパターンニングし、イオン注入法により加速エネルギー50keVの2弗化ボロン(BF2)イオン74を注入量1x1015cm−2注入して少数キャリア注入領域59、および電荷注入領域63を形成する。In the illustrated manufacturing steps in FIG. 30, the polysilicon film having a thickness of 200nm was deposited by CVD, after implantation dose 2x10 15 cm -2 implanted phosphorus ions of acceleration energy 10keV by ion implantation, lithography and dry etching processed polysilicon gate 56 is formed, N-type well connection region 58 is masked to injection volume 1x10 15 cm -2 implanted arsenic ions acceleration energy 50keV by ion implantation by a lithography method, the source of the memory transistor by 60, the drain 61, and the drain 62 of the select transistor are formed, and then a resist film 73 having a thickness of 1 μm is patterned by lithography, and boron difluoride (BF2) ions 74 having an acceleration energy of 50 keV are implanted by ion implantation. The amount 1x10 1 cm -2 implanted to form the minority carrier injection region 59, and the charge injection region 63.

図31に示された製造工程では、前期レジスト73を灰化法により除去し、洗浄した後、CVD法で堆積しエッチバック法により加工した膜厚100nmの酸化膜サイドスペーサ66を形成し、前記ポリシリコンゲート56、および露出した基板表面上に膜厚50nmのコバルトシリサイド膜57を成長させ、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した膜厚800nmのコンタクト層間膜67を形成し、リソグラフィ法とドライエッチングにより穴径0.3μmのコンタクトホールを開口し、CVD法で堆積し、CMP法で平坦化したタングステン(W)コンタクト68を埋め込み、スパッタ法で堆積し、リソグラフィ法とドライエッチングにより膜厚500nmのアルミニウム(Al)から成る第1金属配線69を形成し、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積し、CMP法により平坦化した膜厚800nmの第1層間膜70を形成し、図示されていないが、リソグラフィ法とドライエッチングにより穴径0.3μmのスルーホールを開口し、CVD法で堆積し、CMP法で平坦化したタングステン(W)スルーコンタクトを埋め込み、スパッタ法で堆積し、リソグラフィ法とドライエッチングにより膜厚500nmのアルミニウム(Al)から成る第2金属配線71を形成した状態が示されている。この後、図示されてはいないが、パッシベーション工程を経てチップが完成する。  In the manufacturing process shown in FIG. 31, the resist 73 is removed by the ashing method, washed, then deposited by the CVD method and processed by the etch back method to form an oxide film side spacer 66 having a thickness of 100 nm. A polysilicon silicide film 57 and a cobalt silicide film 57 having a thickness of 50 nm are grown on the exposed substrate surface, a silicon oxide film is deposited by a CVD method, and a contact interlayer film 67 having a thickness of 800 nm is formed by a CMP method. Then, a contact hole having a hole diameter of 0.3 μm is opened by lithography and dry etching, deposited by CVD, embedded with a tungsten (W) contact 68 planarized by CMP, and deposited by sputtering. First metal wiring 69 made of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm by dry etching Then, a silicon oxide film is deposited by a CVD method and a first interlayer film 70 having a thickness of 800 nm is formed by a CMP method, and a hole diameter of 0.3 μm is formed by lithography and dry etching, although not shown. A through-hole is opened, deposited by CVD, planarized with tungsten (W) through contact planarized by CMP, deposited by sputtering, and formed of aluminum (Al) having a thickness of 500 nm by lithography and dry etching. A state in which two metal wirings 71 are formed is shown. Thereafter, although not shown, the chip is completed through a passivation process.

《高速読出し・超低消費電力不揮発性メモリの第2の例》
図32には、本発明に係る半導体装置が有する第2の高速読出し可能な不揮発性メモリセルの断面構造が示されている。同図において、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板261の表面領域に深さ300nmの素子分離酸化膜262によって電気的に分離された、平均リン濃度2x1017cm−3のN型ウエル264、および265、平均ボロン濃度3x1017cm−3のP型ウエル263が形成され、前記N型ウエル264の一方の表面領域に膜厚7nmのシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜266を介して、膜厚200nm、平均リン濃度2x1020cm−3のポリシリコン膜からなるフローティングゲート267が配置され、前記フローティングゲート267の両端部の一方に隣接して平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域269が、他方に隣接して平均ボロン濃度1x1020cm−3のP型不純物領域268が配置され、前記N型不純物領域269と前記P型不純物領域268は接続されて書込みワード線PWLへ接続され、前記P型ウエル263の表面領域に、前記ゲート絶縁膜266と前記フローティングゲート267が延在して配置され、平均砒素濃度1x1020cm−3のN型不純物領域からなるソース270と、ドレイン271からなるNチャンネルメモリトランジスタMNTと、前記N型ウエル265の表面領域に、前記ゲート絶縁膜266と前記フローティングゲート267が延在して配置され、平均ボロン濃度1x1020cm−3のP型不純物領域からなるソース273と、ドレイン272からなるPチャンネルメモリトランジスタMPTとを備え、前記NチャンネルメモリトランジスタMNTのドレイン271と前記PチャンネルメモリトランジスタMPTのドレイン272が接続されてインバーターを構成する。インバーターの出力はセレクトトランジスタSTのソースへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのゲートは読み出しワード線RWLへ、前記セレクトトランジスタSTのドレインは読み出しビット線RBLへ接続されている。前記NチャンネルメモリトランジスタMNTのソース270はソース線Vssへ接続され、前記PチャンネルメモリトランジスタMPTのソース273は書込みビット線PBLへ接続され、さらに、前記N型ウエル265の表面領域に、前記ゲート絶縁膜266と前記フローティングゲート267が延在して配置され、平均砒素濃度1x1020cm−3のN型ウエル接続領域274が配置され、前記N型ウエル接続領域274はウエル給電線VNへ接続されて本発明の第2の高速読出し・超低消費電力不揮発性メモリが構成されている。
<< Second example of non-volatile memory with high-speed reading and ultra-low power consumption >>
FIG. 32 shows a cross-sectional structure of a second high-speed non-volatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In the figure, N-type wells 264 and 265 having an average phosphorus concentration of 2 × 10 17 cm −3 electrically isolated by a device isolation oxide film 262 having a depth of 300 nm on the surface region of a P-type silicon substrate 261 having a resistivity of 10 Ωcm. A P-type well 263 having an average boron concentration of 3 × 10 17 cm −3 is formed, and a film thickness of 200 nm is formed on one surface region of the N-type well 264 via a gate insulating film 266 made of a silicon oxide film having a thickness of 7 nm. A floating gate 267 made of a polysilicon film having an average phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm −3 is disposed, and an N-type impurity region 269 having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 is adjacent to one of both ends of the floating gate 267. distribution is P-type impurity region 268 of the average boron concentration 1x10 20 cm -3 adjacent to the other The N-type impurity region 269 and the P-type impurity region 268 are connected to the write word line PWL, and the gate insulating film 266 and the floating gate 267 extend in the surface region of the P-type well 263. The gate insulating film 266 is disposed on the surface region of the N-type well 265 and the source 270 made of an N-type impurity region having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 and an N-channel memory transistor MNT made of a drain 271. The floating gate 267 is extended, and includes a source 273 made of a P-type impurity region having an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 , and a P-channel memory transistor MPT made of a drain 272, and the N-channel memory transistor MNT drain 271 and P-channel The drain 272 of the channel memory transistor MPT is connected to form an inverter. The output of the inverter is connected to the source of the select transistor ST, the gate of the select transistor ST is connected to the read word line RWL, and the drain of the select transistor ST is connected to the read bit line RBL. The source 270 of the N-channel memory transistor MNT is connected to the source line Vss, the source 273 of the P-channel memory transistor MPT is connected to the write bit line PBL, and the gate insulation is formed on the surface region of the N-type well 265. The film 266 and the floating gate 267 are extended to be disposed, an N-type well connection region 274 having an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 is disposed, and the N-type well connection region 274 is connected to the well power supply line VN. The second high-speed read / ultra-low power consumption nonvolatile memory of the present invention is configured.

図33には、本発明の第2の高速読出し・超低消費電力不揮発性メモリの等価回路が示される。同図において、NチャンネルメモリトランジスタMNTとPチャンネルメモリトランジスタMPTが直列接続されてインバーターを構成し、両メモリトランジスタのゲートはフローティングゲートとして動作させ、前記フローティングゲートにはカップリングキャパシタC2と、電荷注入領域のキャパシタCJが接続されている。前記NチャンネルメモリトランジスタMTのドレインはセレクトトランジスタSTへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのドレインは読出しビット線RBLへ接続され、前記セレクトトランジスタSTのゲートは読み出しワード線RWLへ接続され、前記PチャンネルメモリトランジスタMPTのドレインは書込みビット線PBLへ接続され、電荷注入領域として作用する。前記PチャンネルメモリトランジスタMPTの配置されたN型ウエルはN型ウエル接続領域を介してウエル給電線VNへ接続されている。前記カップリングキャパシタC2は書き込みワード線PWLへ接続されている。前記カップリングキャパシタC2は、前記インバーターの入力ゲート静電容量と前記電荷注入領域のキャパシタCJとの和のおおよそ5倍以上に設計されており、前記ワード線WLから前記フローティングゲートへの静電カップリング比は0.83以上となる。  FIG. 33 shows an equivalent circuit of the second high-speed read / ultra-low power consumption nonvolatile memory of the present invention. In the figure, an N-channel memory transistor MNT and a P-channel memory transistor MPT are connected in series to form an inverter. The gates of both memory transistors are operated as floating gates, and the floating gate has a coupling capacitor C2 and charge injection. A region capacitor CJ is connected. The drain of the N-channel memory transistor MT is connected to the select transistor ST, the drain of the select transistor ST is connected to the read bit line RBL, the gate of the select transistor ST is connected to the read word line RWL, and the P-channel memory The drain of the transistor MPT is connected to the write bit line PBL and functions as a charge injection region. The N-type well in which the P-channel memory transistor MPT is disposed is connected to the well power supply line VN via the N-type well connection region. The coupling capacitor C2 is connected to the write word line PWL. The coupling capacitor C2 is designed to be about five times or more the sum of the input gate capacitance of the inverter and the capacitor CJ of the charge injection region, and the electrostatic capacitor from the word line WL to the floating gate. The ring ratio is 0.83 or more.

図34には、本発明に係る半導体装置が有する第2の高速読出し可能な不揮発性メモリセルの動作電圧条件が示される。書込み動作(Program)は、ワード線WLへ6Vのような正電圧を印加した後、書込みビット線PBLへ−5Vのような負電圧を印加する。これにより、本発明の不揮発性メモリの第1の例に同様に、BTBT現象によって発生するホットエレクトロンを前記フローティングゲート中へ注入して行われる。この書込み動作では、書込みビット線の電流は約200nA、書込み時間は約5μs、したがって書込みエネルギーは5pJ、書込み後の前記NチャンネルメモリトランジスタMNTはオフ状態、前記PチャンネルメモリトランジスタMPTはオン状態となった。  FIG. 34 shows operating voltage conditions of the second high-speed readable nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. In the write operation (Program), after applying a positive voltage such as 6V to the word line WL, a negative voltage such as −5V is applied to the write bit line PBL. Thus, similarly to the first example of the nonvolatile memory of the present invention, hot electrons generated by the BTBT phenomenon are injected into the floating gate. In this write operation, the write bit line current is about 200 nA, the write time is about 5 μs, therefore the write energy is 5 pJ, the N-channel memory transistor MNT after the write is turned off, and the P-channel memory transistor MPT is turned on. It was.

消去動作(Erase)は、ウエル給電線VNへのみへ6Vのような電圧を印加し、前記フローティングゲートからN型ウエルへのトンネル電流により電子放出を行うものであり、消去に要する時間は約200ms、消去後の前記NチャンネルメモリトランジスタMNTはオン状態、前記PチャンネルメモリトランジスタMPTはオフ状態となった。  In the erase operation (Erase), a voltage such as 6 V is applied only to the well feed line VN, and electrons are emitted by a tunnel current from the floating gate to the N-type well, and the time required for erase is about 200 ms. After the erase operation, the N-channel memory transistor MNT is turned on, and the P-channel memory transistor MPT is turned off.

読み出し動作(Read)は、前記読出しビット線RBLを3.3Vにプリチャージした後、前記読出しワード線RWLに3.3Vを印加して、前記セレクトトランジスタをオンさせ、前記インバーターのオン、オフ状態を判定する。待機状態(Standby)では、すべての端子は接地電位0Vとするが、読出し動作の直前に書込みビット線PBL、書込みワード線PWL、およびウエル給電線VNに3.3Vを印加した後、読出し動作を行う。  In the read operation (Read), the read bit line RBL is precharged to 3.3V, and then 3.3V is applied to the read word line RWL to turn on the select transistor and turn on / off the inverter. Determine. In the standby state (Standby), all terminals are set to the ground potential of 0 V. However, the read operation is performed after 3.3 V is applied to the write bit line PBL, the write word line PWL, and the well power supply line VN immediately before the read operation. Do.

《システムLSI救済用不揮発性メモリ》
図35には本発明に係る半導体装置の一例であるシステムLSIのチップ平面図が概略的に示されている。同図に示されるシステムLSIは、特に制限されないが、半導体基板の周縁に多数のボンディングパッド等の外部接続電極300が配置され、その内側に外部入出力回路301、アナログ入出力回路302が設けられている。外部入出力回路301及びアナログ入出力回路302は3.3Vのような相対的にレベルの高い外部電源を動作電源とする。レベルシフト回路303は前記外部電源を1.8Vのような内部電源電圧に降圧する。レベルシフト回路303の内側には、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)304、中央処理装置(CPU)305、キャッシュメモリ(CACH)306、ロジック回路(LOG)307、フェーズ・ロックド・ループ回路(PLL)308、アナログ・ディジタル変換回路(ADC)309、及びディジタル・アナログ変換回路(DAC)310、システムコントローラ(SYSC)311を有する。312、313、314で示されるものは夫々電気的に消去及び書き込みが可能な不揮発性メモリ(EPROM)であり、図1で説明した不揮発性メモリセルを備える。
<< Restoring nonvolatile memory for system LSI >>
FIG. 35 schematically shows a chip plan view of a system LSI which is an example of a semiconductor device according to the present invention. The system LSI shown in the figure is not particularly limited, but a large number of external connection electrodes 300 such as bonding pads are arranged on the periphery of the semiconductor substrate, and an external input / output circuit 301 and an analog input / output circuit 302 are provided inside thereof. ing. The external input / output circuit 301 and the analog input / output circuit 302 use an external power supply having a relatively high level such as 3.3V as an operation power supply. The level shift circuit 303 steps down the external power supply to an internal power supply voltage such as 1.8V. Inside the level shift circuit 303 are a static random access memory (SRAM) 304, a central processing unit (CPU) 305, a cache memory (CACH) 306, a logic circuit (LOG) 307, a phase locked loop circuit ( PLL) 308, an analog / digital conversion circuit (ADC) 309, a digital / analog conversion circuit (DAC) 310, and a system controller (SYSC) 311. Reference numerals 312, 313, and 314 denote electrically erasable and erasable nonvolatile memories (EPROMs) each including the nonvolatile memory cell described with reference to FIG.

前記SRAM304、CPU305、LOG307、CACH306、SYSC311はレベルシフト回路303から供給される1.8Vのような内部電源電圧を動作電源として動作される。但し、SRAM304は内部電源電圧を昇圧してワード線セレクトレベルを形成し、ワードドライバなどの動作電源に用いる。不揮発性メモリ(EPROM)312、313、314はデータ読み出し動作では内部電源電圧を用いて動作するが、消去・書き込み動作には高電圧を要し、当該高電圧は、内部昇圧回路によって形成してもよいし、また、システムLSIのEPROMライタモードのような所定の動作モードにおいて所定の外部接続電極を介して外部から供給されるようにしてもよい。  The SRAM 304, CPU 305, LOG 307, CACH 306, and SYSC 311 are operated using an internal power supply voltage such as 1.8 V supplied from the level shift circuit 303 as an operation power supply. However, the SRAM 304 boosts the internal power supply voltage to form a word line select level, which is used as an operation power supply such as a word driver. Non-volatile memories (EPROMs) 312, 313, and 314 operate using an internal power supply voltage in a data read operation, but a high voltage is required for an erase / write operation. The high voltage is formed by an internal booster circuit. Alternatively, it may be supplied from the outside via a predetermined external connection electrode in a predetermined operation mode such as the EPROM writer mode of the system LSI.

前記不揮発性メモリ(EPROM)312はSRAM304の救済情報(欠陥メモリセルを冗長メモリセルに置き換える為の制御情報)の格納に利用され、不揮発性メモリ(EPROM)313はアナログ回路の発信周波数のトリミングデータの格納に利用され、ヒューズによる救済用プログラム回路に代えて搭載されている。また、前記不揮発性メモリ(EPROM)314は、メモリ容量1kビットを搭載しており、チップのID情報、チップの動作モード情報、および所望のデータの格納に利用される。  The nonvolatile memory (EPROM) 312 is used for storing relief information (control information for replacing defective memory cells with redundant memory cells) in the SRAM 304, and the nonvolatile memory (EPROM) 313 is trimming data of the oscillation frequency of the analog circuit. Is used in place of the fuse, and is mounted in place of the fuse relief circuit. The nonvolatile memory (EPROM) 314 has a memory capacity of 1 kbit and is used for storing chip ID information, chip operation mode information, and desired data.

図35に例示されるシステムLSIは、特に制限されないが、単層ポリシリコンゲートプロセスによって単結晶シリコンのような1個の半導体基板上に形成された相補型のMISトランジスタ(絶縁ゲート電界効果トランジスタ)を有し、MISトランジスタのゲート酸化膜厚は2種類に分類される。  The system LSI illustrated in FIG. 35 is not particularly limited, but is a complementary MIS transistor (insulated gate field effect transistor) formed on one semiconductor substrate such as single crystal silicon by a single layer polysilicon gate process. The gate oxide film thickness of the MIS transistor is classified into two types.

外部入出力回路301、アナログ入出力回路302、SRAM304、ADC309、DAC310、及び不揮発性メモリ312、313、314は、特に制限されないが、0.2μmプロセス技術を用いた場合、ゲート長0.4μmでゲート酸化膜厚8nmのMISトランジスタを有する。これは、ゲート酸化膜で構成されるトンネル酸化膜に比較的厚い膜厚を設定することが情報保持性能を良好にする上で望ましく、その他にMISトランジスタの動作電圧に対してある程度の耐圧を確保する必要があるからである。したがって、前記不揮発性メモリ312、313、314の不揮発性メモリトランジスタを構成するMISトランジスタのゲート絶縁膜や、前記外部インタフェース回路301に含まれるMISトランジスタのゲート絶縁膜等は、プロセスばらつきによる許容誤差範囲内で等しい膜厚を有する事になる。前記ゲート絶縁膜厚のプロセスばらつきによる許容範囲は特に制限されないが、0.25μm〜0.2μmの最少加工寸法のプロセスでは、8.0nmの目標膜厚に対して±0.5nm程度であり、0.18μm〜0.15μmの最少加工寸法のプロセスでは、7.0nmの目標膜厚に対して±0.3nm程度である。  The external input / output circuit 301, the analog input / output circuit 302, the SRAM 304, the ADC 309, the DAC 310, and the nonvolatile memories 312, 313, and 314 are not particularly limited. However, when the 0.2 μm process technology is used, the gate length is 0.4 μm. It has a MIS transistor with a gate oxide film thickness of 8 nm. In order to improve the information retention performance, it is desirable to set a relatively thick film thickness for the tunnel oxide film composed of the gate oxide film. In addition, a certain level of breakdown voltage is secured against the operating voltage of the MIS transistor. Because it is necessary to do. Therefore, the gate insulating film of the MIS transistor that constitutes the nonvolatile memory transistor of the nonvolatile memories 312, 313, and 314, the gate insulating film of the MIS transistor included in the external interface circuit 301, and the like are within an allowable error range due to process variations. Have the same film thickness. The allowable range due to the process variation of the gate insulating film thickness is not particularly limited, but in the process with the minimum processing dimension of 0.25 μm to 0.2 μm, it is about ± 0.5 nm with respect to the target film thickness of 8.0 nm. In a process having a minimum processing dimension of 0.18 μm to 0.15 μm, the thickness is about ± 0.3 nm with respect to a target film thickness of 7.0 nm.

これに対して、降圧された比較的低い内部電圧を動作電源とする回路、即ち、ロジック回路307、キャッシュメモリ306、CPU305は、ゲート長0.2μmでゲート酸化膜厚4nmのMISトランジスタで構成される。レベルシフト回路303は、特に制限されないが、双方のゲート酸化膜厚のMISトランジスタを有している。  On the other hand, the circuit using the relatively low internal voltage that has been stepped down as the operation power supply, that is, the logic circuit 307, the cache memory 306, and the CPU 305 is configured by a MIS transistor having a gate length of 0.2 μm and a gate oxide film thickness of 4 nm. The Although the level shift circuit 303 is not particularly limited, the level shift circuit 303 includes MIS transistors having both gate oxide film thicknesses.

上記夫々ゲート酸化膜厚の異なるMISトランジスタのゲート電極は同一膜厚のポリシリコン層によって構成されている。ここでポリシリコン層の同一膜厚とは、プロセスばらつきによる許容範囲内で等しい膜厚であることを意味し、ゲート膜厚のプロセスばらつきによる許容範囲は特に制限されないが、30nm〜200nmの目標膜厚で±10%程度ある。上述のゲート酸化膜は膜厚の等しいもの同士で同じフォトマスクを用いて生成し、また、上述のポリシリコンゲートは膜厚の等しいもの同士で同じフォトマスクを用いて生成することができる。このように、単層ゲート構造の不揮発性記憶素子におけるゲート酸化膜厚を、他の回路のMISトランジスタのゲート酸化膜厚と共通化することにより、システムLSIの製造プロセスを複雑化しないことを優先させて、フラッシュメモリの不揮発性記憶素子にある程度長い情報保持性能を持たせることができる。  The gate electrodes of the MIS transistors having different gate oxide thicknesses are composed of polysilicon layers having the same thickness. Here, the same film thickness of the polysilicon layer means an equal film thickness within an allowable range due to process variation, and the allowable range due to process variation of the gate film thickness is not particularly limited, but a target film of 30 nm to 200 nm. The thickness is about ± 10%. The gate oxide films described above can be formed using the same photomask with the same thickness, and the polysilicon gates described above can be generated using the same photomask with the same thickness. In this way, priority is given to not complicating the manufacturing process of the system LSI by sharing the gate oxide film thickness in the non-volatile memory element of the single-layer gate structure with the gate oxide film thickness of the MIS transistors of other circuits. Thus, the nonvolatile memory element of the flash memory can have a certain long information holding performance.

本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリは、単層のポリシリコン層を用いた不揮発性メモリトランジスタから構成されるため、デバイス構造を簡素化することができ、通常のロジック回路プロセス、あるいは汎用DRAMプロセスへ全く新たなプロセスを追加することなく、低消費電力で動作する不揮発性メモリを搭載した半導体装置の実現を可能にする。例えば、液晶表示ドライバー(LCD:Liquid Crystal Driver)内蔵マイコンを液晶パネル基板へ実装後に行われる色階調のトリミングデータの格納、家電製品に搭載される廉価なマイコン(1ドルマイコンと呼ばれる)の内部発信器の発信周波数のトリミングデータの格納、アナログ回路搭載マイコンの内部抵抗や回路定数のトリミングデータの格納、大容量SRAMを搭載した高性能マイコンにおけるSRAMの救済情報の格納、非接触ICカード、特に廉価なRFIDにおけるID情報の格納、等に最適であり、小容量、低消費電力、廉価な不揮発性メモリが要求される半導体装置へ搭載して、その市場競争力の強化に著しい効果がある。    The nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is composed of a nonvolatile memory transistor using a single polysilicon layer, so that the device structure can be simplified, and a normal logic circuit process or general purpose It is possible to realize a semiconductor device equipped with a nonvolatile memory that operates with low power consumption without adding a completely new process to the DRAM process. For example, storage of color gradation trimming data performed after mounting a liquid crystal display driver (LCD: Liquid Crystal Driver) microcomputer on a liquid crystal panel substrate, and the interior of a low-cost microcomputer (called a one-dollar microcomputer) mounted on a home appliance Trimming data for transmitter frequency, trimming data for internal resistance and circuit constants of analog circuit-equipped microcomputers, SRAM relief information for high-performance microcomputers equipped with large-capacity SRAMs, contactless IC cards, It is optimal for storing ID information in inexpensive RFID, etc., and has a remarkable effect on strengthening its market competitiveness when mounted on a semiconductor device that requires a small capacity, low power consumption, and inexpensive nonvolatile memory.

本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリを実施するための最良の形態を説明するメモリセルの断面構造を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the cross-sectional structure of the memory cell explaining the best form for implementing the non-volatile memory which the semiconductor device which concerns on this invention has. 図1の不揮発性記憶メモリセルの等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory cell of FIG. 1. 図1の不揮発性メモリセルの平面構造を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a planar structure of the nonvolatile memory cell of FIG. 1. 図1の不揮発性メモリセルに対する書き込み、消去、読み出し、待機時の夫々における電圧状態を例示する説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating voltage states at the time of writing, erasing, reading, and waiting for the nonvolatile memory cell of FIG. 1. 本発明に係る半導体装置が有する第1の不揮発性メモリセルの断面構造の一例を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly an example of the cross-sectional structure of the 1st non-volatile memory cell which the semiconductor device which concerns on this invention has. 図5の不揮発性メモリセルに対する書き込み、消去、読み出し、待機時の夫々における電圧状態を例示する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating voltage states during writing, erasing, reading, and standby in the nonvolatile memory cell of FIG. 5. 図5の不揮発性メモリセルの平面構造を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a planar structure of the nonvolatile memory cell of FIG. 5. 本発明に係る半導体装置が有する第2の不揮発性メモリセルの断面構造の一例を概略的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly an example of the cross-sectional structure of the 2nd non-volatile memory cell which the semiconductor device which concerns on this invention has. 図8の不揮発性メモリセルの等価回路図である。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory cell of FIG. 8. 図8の不揮発性メモリセルに対する書き込み、消去、読み出し、待機時の夫々における電圧状態を例示する説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating voltage states in writing, erasing, reading, and standby in the nonvolatile memory cell of FIG. 8; 図8の不揮発性メモリセルを採用した不揮発性メモリの詳細な一例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram illustrating a detailed example of a nonvolatile memory employing the nonvolatile memory cell of FIG. 8. 図11の不揮発性メモリセルの平面構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the planar structure of the non-volatile memory cell of FIG. 図11のA−B位置での第1製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-sectional structure in the 1st manufacturing process in the AB position of FIG. 図11のA−B位置での第2製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-sectional structure in the 2nd manufacturing process in the AB position of FIG. 図11のA−B位置での第3製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-section structure in the 3rd manufacturing process in the AB position of FIG. 図11の不揮発性メモリの直接周辺回路を含む詳細な一例を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram showing a detailed example including a direct peripheral circuit of the nonvolatile memory of FIG. 11. 本発明に係る半導体装置が有する第3の不揮発性メモリの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the 3rd non-volatile memory which the semiconductor device concerning this invention has. 図17の不揮発性メモリセルの平面構造を示す説明図である。FIG. 18 is an explanatory diagram showing a planar structure of the nonvolatile memory cell of FIG. 17. 図18のC−D位置での第1製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-section structure in the 1st manufacturing process in the CD position of FIG. 図18のC−D位置での第2製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-section structure in the 2nd manufacturing process in the CD position of FIG. 図18のC−D位置での第3製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-sectional structure in the 3rd manufacturing process in the CD position of FIG. 本発明に係る半導体装置が有するRFIDチップ向け揮発性メモリモジュールの直接周辺回路ブロックの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the direct peripheral circuit block of the volatile memory module for RFID chips which the semiconductor device which concerns on this invention has. 図22の不揮発性メモリを搭載したRFIDチップの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the RFID chip | tip which mounts the non-volatile memory of FIG. 本発明に係る半導体装置が有する第1の高速読出し型の不揮発性メモリの一例を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an example of a first high-speed read nonvolatile memory included in a semiconductor device according to the present invention. 図24の不揮発性メモリセルに対する書き込み、消去、読み出し、待機時の夫々における電圧状態を例示する説明図である。FIG. 25 is an explanatory diagram illustrating voltage states during writing, erasing, reading, and standby in the nonvolatile memory cell of FIG. 24; 図24の不揮発性メモリセルの平面構造を示す説明図である。FIG. 25 is an explanatory diagram showing a planar structure of the nonvolatile memory cell of FIG. 24. 図26のC−D位置での第1製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-sectional structure in the 1st manufacturing process in the CD position of FIG. 図26のC−D位置での第2製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-sectional structure in the 2nd manufacturing process in the CD position of FIG. 図26のC−D位置での第31製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-sectional structure in the 31st manufacturing process in the CD position of FIG. 図26のC−D位置での第4製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-section structure in the 4th manufacturing process in the CD position of FIG. 図26のC−D位置での第5製造工程での縦断面構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the longitudinal cross-section structure in the 5th manufacturing process in the CD position of FIG. 本発明に係る半導体装置が有する第2の高速読出し型の不揮発性メモリの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the 2nd high-speed reading non-volatile memory which the semiconductor device which concerns on this invention has. 図32の不揮発性メモリセルの等価回路図である。FIG. 33 is an equivalent circuit diagram of the nonvolatile memory cell of FIG. 32. 図32の不揮発性メモリセルに対する書き込み、消去、読み出し、待機時の夫々における電圧状態を例示する説明図である。FIG. 33 is an explanatory diagram illustrating voltage states at the time of writing, erasing, reading, and waiting for the nonvolatile memory cell of FIG. 32; 本発明に係る不揮発性メモリを搭載したシステムLSIチップの回路構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the circuit structure of the system LSI chip which mounts the non-volatile memory which concerns on this invention. 本発明に係る第1の従来技術を説明するための平面構造図である。It is a top view for explaining the 1st prior art concerning the present invention. 本発明に係る第2の従来技術を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the 2nd prior art which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、51、101、261−P型シリコン基板
2、262−素子分離酸化膜
3、24、53、85、242、252、263−P型ウエル
4、25、54、84、205、264−N型ウエル
5、55、105、132、241、266−ゲート絶縁膜
6、26、86、184、215、267−フローティングゲート
7、190、191、207、212、269−N型不純物領域
8、11、208、209、213、214、268−P型不純物領域
9、33、60、87、110、245、270、273−ソース
10、34、35、61、62、88、111、244、271、272−ドレイン
12、37、92−コンタクトホール
13、38−ワード線WL
16、38、39、41、93、94、95、96−第1金属膜
17、42、97−スルーホール
18、45、99−書込みビット線PBL
19、44、100−読出しビット線RBL
21、22、23、81、82、83、181、182−活性領域
27、183、243−セレクトゲート
31、59、89、109−少数キャリア注入領域
32、58、90、108、274−N型ウエル接続領域
36、63、91、112−電荷注入領域
43、98−共通ソース線Vss
52、102−STI
56、106−ポリシリコンゲート
57、107−コバルトシリサイド膜
66、113−酸化膜サイドスペーサ
67、114−コンタクト層間膜
68、115−タングステンコンタクト
69、116−第1金属配線
70、117−第1層間膜
71、119−第2金属配線
72、121−表面酸化膜
73、122、133−レジスト膜
74、123−2弗化ボロン(BF2)イオン
118−タングステンスルーコンタクト
185−パターン
186−パターン内領域
188−チャンネル領域
189−コントロールゲート
251−深いN型ウエル
300−外部接続電極
301−外部入出力回路
302−アナログ入出力回路
303−レベルシフト回路
304−スタティク・ランダム・アクセス・メモリSRAM
305−中央処理装置CPU
306−キャッシュメモリCACH
307−ロジック回路LOG
308−フェーズ・ロックド・ループ回路PLL
309−アナログ・ディジタル変換回路ADC
310−ディジタル・アナログ変換回路DAC
311−システムコントローラSYSC
312313、314−不揮発性メモリEPROM
1, 51, 101, 261-P type silicon substrate 2, 262-element isolation oxide film 3, 24, 53, 85, 242, 252, 263-P type well 4, 25, 54, 84, 205, 264-N Type wells 5, 55, 105, 132, 241, 266-gate insulating films 6, 26, 86, 184, 215, 267-floating gates 7, 190, 191, 207, 212, 269-N-type impurity regions 8, 11 208, 209, 213, 214, 268-P-type impurity regions 9, 33, 60, 87, 110, 245, 270, 273-sources 10, 34, 35, 61, 62, 88, 111, 244, 271, 272-drains 12, 37, 92-contact holes 13, 38-word lines WL
16, 38, 39, 41, 93, 94, 95, 96-first metal film 17, 42, 97-through hole 18, 45, 99-write bit line PBL
19, 44, 100-read bit line RBL
21, 22, 23, 81, 82, 83, 181, 182- active regions 27, 183, 243-select gates 31, 59, 89, 109-minority carrier injection regions 32, 58, 90, 108, 274-N type Well connection regions 36, 63, 91, 112-charge injection regions 43, 98-common source line Vss
52, 102-STI
56, 106-polysilicon gate 57, 107-cobalt silicide film 66, 113-oxide side spacer 67, 114-contact interlayer 68, 115-tungsten contact 69, 116-first metal wiring 70, 117-first interlayer Films 71, 119-second metal wiring 72, 121-surface oxide films 73, 122, 133-resist film 74, 123-2 boron fluoride (BF2) ions 118-tungsten through contact 185-pattern 186-in-pattern region 188 Channel region 189 Control gate 251 Deep N-type well 300 External connection electrode 301 External input / output circuit 302 Analog input / output circuit 303 Level shift circuit 304 Static random access memory SRAM
305-Central processing unit CPU
306-cache memory CACH
307-Logic circuit LOG
308-Phase Locked Loop Circuit PLL
309-Analog-digital conversion circuit ADC
310-digital-analog converter circuit DAC
311-System Controller SYSC
313313, 314-nonvolatile memory EPROM

Claims (19)

第1導電型の半導体基板内に、第2導電型のソース、及びドレイン、フローティングゲート、電荷注入領域、及びコントロールゲートを持つ電気的に書き込み可能な不揮発性記憶素子において、前記電荷注入領域は、前記フローティングゲートの延在部分の下にゲート絶縁膜を介して形成された第1の第2導電型の半導体領域と、前記第1の第2導電型の半導体領域内に、前記フローティングゲート端下部に隣接して形成された第1導電型の半導体領域を備え、前記第1導電型の半導体領域はプログラ厶用ビット線へ接続されたことを特徴とする半導体装置。  In an electrically writable nonvolatile memory element having a source and drain of a second conductivity type, a floating gate, a charge injection region, and a control gate in a first conductivity type semiconductor substrate, the charge injection region includes: A first second-conductivity-type semiconductor region formed via a gate insulating film under the floating gate extension portion, and the first-second-conductivity-type semiconductor region in the lower portion of the floating gate end A semiconductor device comprising: a first conductivity type semiconductor region formed adjacent to the first conductivity type semiconductor region, wherein the first conductivity type semiconductor region is connected to a programming bit line. 前記コントロールゲートは、前記第1導電型の半導体基板内に前記フローティングゲートの延在部分の下にゲート絶縁膜を介して形成された第2の第2導電型の半導体領域から成り、前記電荷注入領域を構成する前記第1の第2導電型の半導体領域とは電気的に分離されたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。  The control gate comprises a second second conductivity type semiconductor region formed in the first conductivity type semiconductor substrate via a gate insulating film under an extending portion of the floating gate, and the charge injection 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is electrically isolated from the first second conductivity type semiconductor region constituting the region. 前記プログラム用ビット線へは、前記第1導電型の半導体領域と前記第1の第2導電型の半導体領域とが構成する半導体接合を逆方向バイアスする第1の電圧を印加し、前記第1の第2導電型の半導体領域はフローティング電位とし、前記コントロールゲートへは、前記第1の電圧とは反対極性の第2の電圧を印加し、前記フローティングゲート内へ電荷を注入して電気的な書き込みを行うことを特徴とする請求項1、及び請求項2記載の半導体装置。  A first voltage that reversely biases a semiconductor junction formed by the first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor region is applied to the program bit line, The second conductivity type semiconductor region is set to a floating potential, a second voltage having a polarity opposite to that of the first voltage is applied to the control gate, and electric charges are injected into the floating gate. 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein writing is performed. 前記フローティングゲート、及び前記ゲート絶縁膜は、夫々、論理回路を構成する相補型MISトランジスタのゲート、及びそれらのゲート絶縁膜を用いていることを特徴とする請求項1、請求項2、及び請求項3記載の半導体装置。  3. The floating gate and the gate insulating film, respectively, use a gate of a complementary MIS transistor constituting a logic circuit and a gate insulating film thereof. Item 4. The semiconductor device according to Item 3. 第1導電型の半導体基板内に、第1の第2導電型ソース、及び第1の第2導電型ドレイン、フローティングゲート、電荷注入領域、及びコントロールゲートを持つ電気的に書き込み可能な記憶素子領域と、前記第1の第2導電型ドレインへ接続された第2の第2導電型ソース、読出し用ビット線へ接続された第2の第2導電型ドレイン、及びセレクトゲートを持つセレクトトランジスタを備えた不揮発性記憶素子において、前記電荷注入領域は、前記フローティングゲートの延在部分の下にゲート絶縁膜を介して形成された第1の第2導電型の半導体領域と、前記第1の第2導電型の半導体領域内に、前記フローティングゲート端下部に隣接して形成された第1導電型の半導体領域を備え、前記第1導電型の半導体領域はプログラム用ビット線へ接続されたことを特徴とする半導体装置。  An electrically writable storage element region having a first second conductivity type source, a first second conductivity type drain, a floating gate, a charge injection region, and a control gate in a first conductivity type semiconductor substrate A select transistor having a second second conductivity type source connected to the first second conductivity type drain, a second second conductivity type drain connected to the read bit line, and a select gate. In the non-volatile memory element, the charge injection region includes a first second-conductivity-type semiconductor region formed via a gate insulating film under an extending portion of the floating gate, and the first second A conductive type semiconductor region is provided with a first conductive type semiconductor region formed adjacent to a lower end of the floating gate, and the first conductive type semiconductor region is a program bit. Wherein a connected to. 前記プログラム用ビット線へは、前記第1導電型の半導体領域と前記第1の第2導電型の半導体領域とが構成する半導体接合を逆方向バイアスする第1の電圧を印加し、前記第1の第2導電型の半導体領域は浮遊電位とし、前記コントロールゲートへは、前記第1の電圧とは反対極性の第2の電圧を印加し、前記フローティングゲート内へ電荷を注入して電気的な書き込みを行い、前記読出し用ビット線と前記セレクトゲートへは、電源電圧を印加して読出しを行うことを特徴とする請求項5記載の半導体装置。  A first voltage that reversely biases a semiconductor junction formed by the first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor region is applied to the program bit line, The second conductivity type semiconductor region is set to a floating potential, a second voltage having a polarity opposite to the first voltage is applied to the control gate, and electric charges are injected into the floating gate to electrically 6. The semiconductor device according to claim 5, wherein writing is performed, and reading is performed by applying a power supply voltage to the read bit line and the select gate. 外部インタフェース回路及び論理回路を含み、厚膜ゲート絶縁膜を有する外部インタフェース回路用MISトランジスタと、薄膜ゲート絶縁膜を有する論理回路用MISトランジスタを含む半導体集積回路装置において、第1の第2導電型ソース、及び第1の第2導電型ドレイン、フローティングゲート、コントロールゲート、及び前記厚膜ゲート絶縁膜をゲート絶縁膜として用いて成るメモリトランジスタと、前記フローティングゲートの延在部分の下に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成された第1の第2導電型の半導体領域と、前記第1の第2導電型の半導体領域内に前記フローティングゲート端下部に隣接して形成された第1導電型の半導体領域とから成る電荷注入領域と、前記第1の第2導電型ドレインへ接続された第2の第2導電型ソース、読出し用ビット線へ接続された第2の第2導電型ドレイン、セレクトゲート、及び前記厚膜ゲート絶縁膜をゲート絶縁膜として用いて成るセレクトトランジスタを有する不揮発性記憶素子群を含んだ電気的に書換え可能な不揮発性記憶回路を備えたことを特徴とする半導体装置。  In a semiconductor integrated circuit device including an external interface circuit and a logic circuit, the external interface circuit MIS transistor having a thick gate insulating film and the logic circuit MIS transistor having a thin gate insulating film, the first second conductivity type A source, a first second conductivity type drain, a floating gate, a control gate, a memory transistor using the thick gate insulating film as a gate insulating film, and the first under a floating gate extension A first second-conductivity-type semiconductor region formed via the gate insulating film, and a first-conductivity formed in the first-second-conductivity-type semiconductor region adjacent to the lower portion of the floating gate end. A charge injection region comprising a semiconductor region of a type, and a second second connected to the first second conductivity type drain A non-volatile memory element group having a conductive source, a second second conductivity type drain connected to a read bit line, a select gate, and a select transistor using the thick gate insulating film as a gate insulating film A semiconductor device comprising an electrically rewritable nonvolatile memory circuit. 外部インタフェース回路及び論理回路を含み、厚膜ゲート絶縁膜を有する外部インタフェース回路用MISトランジスタと、薄膜ゲート絶縁膜を有する論理回路用MISトランジスタを含む半導体集積回路装置において、第1の第2導電型ソース、及び第1の第2導電型ドレイン、フローティングゲート、コントロールゲート、及び前記厚膜ゲート絶縁膜を第1のゲート絶縁膜として用いて成るメモリトランジスタと、前記フローティングゲートの延在部分の下に前記第1のゲート絶縁膜を介して形成された第1の第2導電型の半導体領域と、前記第1の第2導電型の半導体領域内に前記フローティングゲート端下部に隣接して形成された第1導電型の半導体領域とから成る電荷注入領域と、前記第1の第2導電型ドレインへ接続された第2の第2導電型ソース、読出し用ビット線へ接続された第2の第2導電型ドレイン、セレクトゲート、及び前記薄膜ゲート絶縁膜を第2のゲート絶縁膜として用いて成るセレクトトランジスタを有する不揮発性記憶素子群を含んだ電気的に書換え可能な不揮発性記憶回路を備えたことを特徴とする半導体装置。  In a semiconductor integrated circuit device including an external interface circuit and a logic circuit, the external interface circuit MIS transistor having a thick gate insulating film and the logic circuit MIS transistor having a thin gate insulating film, the first second conductivity type A source, a first second conductivity type drain, a floating gate, a control gate, a memory transistor using the thick film gate insulating film as a first gate insulating film, and an extension portion of the floating gate A first second-conductivity-type semiconductor region formed through the first gate insulating film; and a first-second-conductivity-type semiconductor region formed adjacent to the lower portion of the floating gate end. A charge injection region comprising a first conductivity type semiconductor region and a second connection connected to the first second conductivity type drain; Nonvolatile memory having a second conductivity type source, a second second conductivity type drain connected to a read bit line, a select gate, and a select transistor using the thin film gate insulating film as a second gate insulating film A semiconductor device comprising an electrically rewritable nonvolatile memory circuit including an element group. 前記第1導電型の半導体領域はプログラム用ビット線へ接続され、前記プログラム用ビット線へは、前記第1導電型の半導体領域と前記第1の第2導電型の半導体領域とが構成する半導体接合を逆方向バイアスする第1の電圧を印加し、前記コントロールゲートへは、前記第1の電圧とは反対極性の第2の電圧を印加し、前記フローティングゲート内へ電荷を注入して前記不揮発性記憶回路の電気的な書き込みが行われることを特徴とする請求項7、又は請求項8記載の半導体装置。  The first conductivity type semiconductor region is connected to a program bit line, and the program bit line includes a semiconductor constituted by the first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor region. A first voltage that reversely biases the junction is applied, a second voltage having a polarity opposite to that of the first voltage is applied to the control gate, and electric charges are injected into the floating gate to thereby form the nonvolatile memory. 9. The semiconductor device according to claim 7, wherein electrical writing is performed to the volatile memory circuit. 記プログラム用ビット線へ、前記第1導電型の半導体領域と前記第1の第2導電型の半導体領域とが構成する半導体接合を順方向バイアスする第3の電圧を印加し、前記フローティングゲート内の電荷を放出して、前記不揮発性記憶回路の電気的な消去が行われることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。  A third voltage for applying a forward bias to a semiconductor junction formed by the first conductivity type semiconductor region and the first second conductivity type semiconductor region is applied to the program bit line, The semiconductor device according to claim 9, wherein the non-volatile memory circuit is electrically erased by discharging the electric charge. 前記半導体集積回路装置は、被救済回路と、被救済回路を代替する救済回路とを含み、前記不揮発性記憶回路は、前記救済回路で代替すべき被救済回路を特定する救済情報の記憶回路であることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。  The semiconductor integrated circuit device includes a circuit to be repaired and a repair circuit that replaces the circuit to be repaired, and the nonvolatile memory circuit is a memory circuit for repair information that specifies a circuit to be repaired to be replaced by the repair circuit. The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device is provided. 前記被救済回路に対する別の救済情報記憶回路として、ヒューズ素子の溶断状態に応じて救済情報を記憶するヒューズプログラム回路を更に有して成るものであることを特徴とする請求項11記載の半導体装置。  12. The semiconductor device according to claim 11, further comprising a fuse program circuit for storing relief information according to a blown state of a fuse element as another relief information storage circuit for the circuit to be repaired. . 前記被救済回路はDRAM内蔵のメモリセルアレイであることを特徴とする請求項11又は12記載の半導体装置。  13. The semiconductor device according to claim 11, wherein the circuit to be relieved is a DRAM memory cell array. 前記被救済回路はマイクロコンピュータ内蔵DRAMのメモリセルアレイであることを特徴とする請求項11又は12記載の半導体装置。  13. The semiconductor device according to claim 11, wherein the circuit to be relieved is a memory cell array of a DRAM with a built-in microcomputer. 前記被救済回路はマイクロコンピュータ内蔵SRAMのメモリセルアレイであることを特徴とする請求項11又は12記載の半導体装置。  13. The semiconductor device according to claim 11, wherein the circuit to be relieved is a memory cell array of a microcomputer built-in SRAM. 前記半導体集積回路装置は、アナログ回路と、その回路定数を調整する定数トリミング回路とを含み、前記不揮発性記憶回路は、前記定数トリミング回路の前記回路定数を特定するための情報の記憶回路であることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。  The semiconductor integrated circuit device includes an analog circuit and a constant trimming circuit for adjusting the circuit constant, and the nonvolatile memory circuit is an information storage circuit for specifying the circuit constant of the constant trimming circuit. The semiconductor device according to claim 9. 前記半導体集積回路装置は、発振回路と、その発振周波数を調整する周波数トリミング回路とを含み、前記不揮発性記憶回路は、前記周波数トリミング回路の前記発振周波数を特定するための情報の記憶回路であることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。  The semiconductor integrated circuit device includes an oscillation circuit and a frequency trimming circuit for adjusting the oscillation frequency, and the nonvolatile memory circuit is an information storage circuit for specifying the oscillation frequency of the frequency trimming circuit. The semiconductor device according to claim 9. 前記半導体集積回路装置は、参照電圧発生回路と、その発生した参照電圧を調整する電圧トリミング回路とを含み、前記不揮発性記憶回路は、前記電圧トリミング回路の前記参照電圧を特定するための情報の記憶回路であることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。  The semiconductor integrated circuit device includes a reference voltage generation circuit and a voltage trimming circuit that adjusts the generated reference voltage, and the nonvolatile memory circuit stores information for specifying the reference voltage of the voltage trimming circuit. The semiconductor device according to claim 9, wherein the semiconductor device is a memory circuit. 前記半導体集積回路装置は、チップを特定するためのセキュリティ回路を含み、前記不揮発性記憶回路は、前記セキュリティ回路のチップを特定するための情報の記憶回路であることを特徴とする請求項9記載の半導体装置。  10. The semiconductor integrated circuit device includes a security circuit for specifying a chip, and the nonvolatile memory circuit is an information storage circuit for specifying a chip of the security circuit. Semiconductor device.
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