JP2005197328A - Non-volatile storage device, semiconductor integrated circuit device and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
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(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, and can be manufactured without adding a new process to a normal complementary MIS transistor (hereinafter referred to as a CMOS transistor). The present invention relates to a nonvolatile memory device that can be written with low voltage and ultra-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ム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 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、下記の観点から公知例調査を行った。 After completing the present invention, the present inventors conducted a survey of known examples from the following viewpoints.
調査の観点は、CMOS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な不揮発性記憶トランジスタであり、情報の記憶のための特別なフローティングゲートを持たない観点である。 The viewpoint of the investigation is a nonvolatile memory transistor that can be manufactured without adding a new process to the manufacturing process of the CMOS transistor, and is a viewpoint that does not have a special floating gate for storing information.
その結果、特許文献1〜3、および非特許文献1が発見された。 As a result,
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、CMOS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な不揮発性記憶トランジスタを採用すればよく、さらに情報の記憶のための特別なフローティングゲートを持たない構造とすればよい。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 problem, a non-volatile memory transistor that can be manufactured without adding a new process to the CMOS transistor manufacturing process may be employed, and a structure that does not have a special floating gate for storing information. do it.
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、米国特許公報第5,408,115号、米国特許公報第5,969,383号には、図27にそのメモリセル構造と書込み方式が示めされるように、サイドスペーサを利用したスプリットゲートを有し、サイドスペーサは酸化膜/シリコン窒化膜/酸化膜(Oxide Nitride Oxide、以下ONOをいう)から構成され、ONO膜中へ電荷蓄積を行うメモリセル方式を開示している。この従来の第1のメモリセルでは、図23に示すように、基板141の表面のゲート酸化膜142を介してセレクトゲート143が配置され、セレクトゲート143の周辺部に下部酸化膜145、シリコン窒化膜146、および上部酸化膜147が積層された後に、サイドスペーサ形状のコントロールゲート148が配置されている。従来の第1のメモリセルのソース144は、上記セレクトゲート143の加工直後に形成され、ドレイン149は上記コントロールゲート148の加工後に形成されるため、ドレイン149側のコントロールゲート148のみがゲート電極として機能する。 According to the results of investigation and examination of the prior art by the present inventors, the following points have been clarified. First, U.S. Pat. No. 5,408,115 and U.S. Pat. No. 5,969,383 disclose splitting using side spacers, as shown in FIG. There is disclosed a memory cell system in which a gate is provided, a side spacer is composed of an oxide film / silicon nitride film / oxide film (Oxide Nitride Oxide, hereinafter referred to as ONO), and charges are accumulated in the ONO film. In the conventional first memory cell, as shown in FIG. 23, a select gate 143 is arranged via a
本従来の第1のメモリセルへの書込み動作は、ドレイン149へ5V、セレクトゲート143へ1V、コントロールゲート148へ10Vを印加してチャンネルをオンさせ、ソース144から走行してくる電子150をセレクトゲート143とコントロールゲート148の境界下部のチャンネル領域で発生する横方向の強電界内で加速してホットエレクトロン化し、上記下部酸化膜145を貫通させて上記シリコン窒化膜147中へ注入しトラップすることにより行われる。この動作は、ホットエレクトロンの注入位置がドレイン近傍ではないことから、一般的には、ソース・サイド・インジェクション(SSI)方式と呼ばれている。前記シリコン窒化膜147中へトラップされた電子151により、コントロールゲート148から測ったしきい電圧を上昇させ、書込み状態を得る。 In this conventional write operation to the first memory cell, 5V is applied to the
本従来の第1のメモリセルでは、ONO構造のサイドスペーサ、およびコントロールゲート148を形成するための製造工程を追加する必要がある点、および、書き込みに必要な動作電圧10V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 first conventional memory cell, it is necessary to add a manufacturing process for forming a side spacer having an ONO structure and a
また、特開2001−156188号公報に開示されている電気的に書き込み可能な従来の第2の不揮発性メモリセルは、図28に断面構造を示すように、基板161の表面のゲート酸化膜162を介してゲート163が配置され、ゲート163の周辺部に下部酸化膜164、シリコン窒化膜165、および上部酸化膜166が積層された後に、サイドスペーサ形状のサイドゲート167、低濃度ソース・ドレイン168、ドレイン170、ソース171が配置されており、前記ゲート163とサイドゲート167はサリサイド膜172で接続され、酸化膜サイドスペーサ169の外側の前記ソース171とドレイン170の上部にもサイリサイド膜172が形成されている。 In addition, the conventional electrically writable second nonvolatile memory cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-156188 has a gate oxide film 162 on the surface of the
本従来の第2のメモリセルでは、前記ゲート163と前記ドレイン170へ適当な電圧を印加して、トランジスタをオンさせ、ドレイン170近傍において発生させたホットエレクトロン174を前記シリコン窒化膜165へ注入・トラップさせて書込みを行う。ソース・ドレインを入れ替えた書込み動作を行うことにより、ソース171側の前記シリコン窒化膜165へもホットエレクトロン173の注入・トラップが可能であるため、1セルで2ビットの情報が保存できる。 In the conventional second memory cell, an appropriate voltage is applied to the
本従来の第1のメモリセルにおいても、ONO構造のサイドスペーサ、およびサイドゲート167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り、結果として製造コストの増加は免れない。 Also in the first conventional memory cell, it is necessary to change the manufacturing process of a normal CMOS transistor in order to form the side spacer and the
さらに、福田らによる”New Nonvolatile Memory With Charge−Trapping Sidewall”,IEEE Electron Device Letters,Vol.24,No.8,July 2003,pp490−492に開示されている電気的に書き込み可能な従来の第3の不揮発性メモリセルは、図29に断面構造を示すように、P型基板181の表面に膜厚7.6nmのゲート酸化膜182を介して長さ0.4μmのゲート183が配置され、ゲート183の周辺部に膜厚4.5nmの下部酸化膜184を形成した後、膜厚20nmのシリコン窒化膜185、および、膜厚50nmの上部酸化膜186がサイドスペーサ状に形成され、前記シリコン窒化膜185の直下の基板表面にソース187、ドレイン188が配置されている。
さらに、福田らによるメモリセルの他の特徴は、サイドウォール内に電荷を注入することによる不揮発性記憶を利用する為に、従来問題となっていたゲート酸化膜の薄膜化によるデータ保持特性の劣化の問題を避けることが出来ることにある。一方で、チャネルホットエレクトロン注入を用いている為に、通常のCMOSプロセスを変更することなしに形成されたセルにおいては、書き込み・消去特性が所望のFurthermore, “New Nonvolatile Memory With Charge-Traping Sidewall” by Fukuda et al., IEEE Electron Device Letters, Vol. 24, no. 8, July 2003, pp 490-492, an electrically writable third conventional nonvolatile memory cell has a film thickness of 7 on the surface of a P-
In addition, another feature of the memory cell by Fukuda et al. Is the deterioration of data retention characteristics due to the thinning of the gate oxide film, which has been a problem in the past, because it uses nonvolatile memory by injecting charges into the sidewall. It is to be able to avoid this problem. On the other hand, since channel hot electron injection is used, in a cell formed without changing the normal CMOS process, write / erase characteristics are desired.
本従来の第3のメモリセルへの書込みは、前記ゲート183、およびドレイン188へ書込み電圧4.3Vを、書込み時間1msの間印加して、ドレイン188の近傍で発生するチャンネルホットエレクトロン189を、前記シリコン窒化膜185へ注入して行う。また、読出し動作は、ソース187側へ正電圧1.2Vを印加して、メモリセルのしきい電圧を判定して行う。前記の書込み条件では、約1Vのしきい電圧の変化が得られる。 In writing to the conventional third memory cell, a channel
本従来の第3のメモリセルにおいては、前記従来の第1、および第2のメモリセルに必要であったコントロールゲート148、およびサイドゲート167に対応するゲートは不要である。しかしながら、前記チャンネルホットエレクトロン189を前記シリコン窒化膜185への注入する方向の電界分布を形成するため、下部酸化膜184の膜厚を前記ゲート酸化膜182より薄くして、フリンジ電界強度を増加させる必要がある。また、前記フリンジ電界強度は、前記幅20nmのシリコン窒化膜185の直下における前記ドレイン188の接合位置に非常に敏感に影響される。したがって、安定的に均一な書込み特性を得るためには、前記ドレイン188を形成するイオン注入量やその後の熱処理等の形成条件の最適化、前記サイドスペーサ状の上部酸化膜186の長さの精密な制御が必要である。したがって、上記本従来の第3のメモリセルに特有の製造工程は、既存のCMOSトランジスタの製造工程にそのまま合致する可能性は低く、製造条件の変更が必要となり、結果として既存のCMOSトランジスタの性能が劣化、もしくは変動するという第3の問題点に達する。In the conventional third memory cell, the gates corresponding to the
本発明の目的は、通常のCMOSトランジスタの製造工程を何ら変更することなく、フローティングゲートを使用しない不揮発性メモリを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a non-volatile memory that does not use a floating gate without changing the manufacturing process of a normal CMOS transistor.
本発明の別の目的は、通常のCMOSトランジスタの製造工程を何ら変更することなく、信頼性の高い不揮発性メモリを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a highly reliable non-volatile memory without changing the manufacturing process of a normal CMOS transistor.
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、廉価な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 to provide a semiconductor device equipped with an inexpensive non-volatile memory without adding a completely new process to a normal logic circuit process, analog circuit process, or general-purpose DRAM process.
本発明の他の目的は、通常のCMOSトランジスタの製造工程を何ら変更することなく形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 non-volatile memory cell formed without changing the manufacturing process of a normal CMOS transistor as a memory module, an analog circuit relief circuit, or a trimming circuit. It is in.
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、第1導電型の不純物拡散層をコレクタ電極に、第2導電型のウエルをベース電極に、第2の第1導電型の不純物拡散層をエミッタ電極とするバイポーラトランジスタ構造において、コレクタ・ベース間に逆バイアスを印加した状態で、ベース・エミッタ接合を順バイアスして、ベース領域に注入した少数キャリアをコレクタ電極近傍の絶縁膜中、例えばフローティングゲート中へ注入・トラップさせる、いわゆる基板ホットエレクトロン注入により書込みを行うことであり、前記コレクタの逆バイアス条件と前記エミッタの順バイアス条件を適当に設定することによりトランジスタ構造を変更することなく、不揮発性メモリセルとして動作させることを意図するものである。[1] The first point of view is that the first conductivity type impurity diffusion layer is a collector electrode, the second conductivity type well is a base electrode, and the second first conductivity type impurity diffusion layer is an emitter electrode. In the transistor structure, with the reverse bias applied between the collector and base, the base-emitter junction is forward-biased and minority carriers injected into the base region are injected into the insulating film near the collector electrode, for example, into the floating gate. Writing is performed by trapping, so-called substrate hot electron injection, and it operates as a nonvolatile memory cell without changing the transistor structure by appropriately setting the reverse bias condition of the collector and the forward bias condition of the emitter. It is intended to be made.
〔2〕第2の観点は、10nm以下の薄い酸化膜を介して基板領域と絶縁されたフローティングゲートを用いない不揮発性メモリセル構造を提案するものである。[2] A second aspect proposes a nonvolatile memory cell structure that does not use a floating gate insulated from a substrate region through a thin oxide film of 10 nm or less.
〔3〕第3の観点は、10nm以下の薄い酸化膜を介して基板領域と絶縁されたフローティングゲートを有する不揮発性メモリセルにおいて、フローティングゲートのエッヂ部分が薄い酸化膜上に配置されていない構造を提案するものである。[3] A third aspect is a non-volatile memory cell having a floating gate insulated from a substrate region through a thin oxide film of 10 nm or less, and a structure in which the edge portion of the floating gate is not disposed on the thin oxide film This is a proposal.
〔4〕第4の観点は、12nm以上の厚い酸化膜を介して基板領域と絶縁されたフローティングゲートを有する不揮発性メモリにおいて、そのメモリへの書き込み、消去動作にホットキャリア注入法を用いるものである。[4] A fourth aspect is that a non-volatile memory having a floating gate insulated from a substrate region through a thick oxide film of 12 nm or more uses a hot carrier injection method for writing to and erasing the memory. is there.
〔5〕第5の観点は、前記半導体集積回路装置の用途として、RFIDのチップ認証情報の記憶回路、および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、前記半導体集積回路装置は、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。[5] A fifth aspect considers a storage circuit for RFID chip authentication information and a storage circuit for relief information as applications of the semiconductor integrated circuit device. At this time, the semiconductor device includes a repair target circuit and a repair circuit that replaces the repair target circuit on a semiconductor substrate, and the semiconductor integrated circuit device specifies a repair circuit to be replaced by the repair circuit. Used as an information storage 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く、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, and the circuit to be relieved may be a memory cell array of a DRAM with a built-in microcomputer. 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、第1導電型の不純物拡散層をコレクタ電極に、第2導電型のウエルをベース電極に、第2の第1導電型の不純物拡散層をエミッタ電極とするバイポーラトランジスタ構造において、コレクタ・ベース間に逆バイアスを印加した状態で、ベース・エミッタ接合を順バイアスして、ベース領域に注入した少数キャリアをコレクタ電極近傍の絶縁膜中、あるいはフローティングゲート中へ注入・トラップさせる、いわゆる基板ホットエレクトロン注入により書込みを行うことであり、前記コレクタの逆バイアス条件と前記エミッタの順バイアス条件を適当に設定することによりトランジスタ構造を変更することなく、不揮発性メモリセルとして動作させるこが可能となり、廉価な不揮発性メモリを提供できる。 That is, in a bipolar transistor structure having a first conductivity type impurity diffusion layer as a collector electrode, a second conductivity type well as a base electrode, and a second first conductivity type impurity diffusion layer as an emitter electrode, A so-called substrate hot electron that forward biases the base-emitter junction with a reverse bias applied between them and injects and traps minority carriers injected into the base region into the insulating film near the collector electrode or into the floating gate. Writing is performed by implantation, and by appropriately setting the reverse bias condition of the collector and the forward bias condition of the emitter, it is possible to operate as a nonvolatile memory cell without changing the transistor structure. A non-volatile memory can be provided.
電荷トラップ領域は素子分離内の絶縁膜中であり、酸化膜、窒化膜、それらの積層膜であってもかまわない。したがって、本発明の不揮発性メモリセルにおいては、従来のフローティングゲートを電荷蓄積領域として使用しないため、データリテンション特性がゲート酸化膜厚に全く影響されない。これは、本発明の不揮発性メモリセルとして使用するトランジスタが、いずれの技術世代でもよく、例えば65nm技術によるゲート長50nm、ゲート酸化膜厚1.2nmのトランジスタでもその製造工程を変更することなく廉価な不揮発性メモリを搭載できる。 The charge trap region is in the insulating film in the element isolation, and may be an oxide film, a nitride film, or a laminated film thereof. Therefore, in the nonvolatile memory cell of the present invention, since the conventional floating gate is not used as the charge storage region, the data retention characteristic is not affected at all by the gate oxide film thickness. This is because the transistor used as the nonvolatile memory cell of the present invention may be of any technology generation. For example, a transistor having a gate length of 50 nm and gate oxide film thickness of 1.2 nm by 65 nm technology is inexpensive without changing the manufacturing process. A non-volatile memory can be installed.
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の一例が示される。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、素子分離内に配置されている電荷トラップ層としても機能するシリコン窒化膜41、P型ウエル201、202が配置され、前記P型ウエル201、202が形成されていない基板1の表面領域に不揮発性記憶素子として機能する素子分離400、ゲート6、低濃度N型拡散層7、低濃度P型拡散層8、および、ソースもしくはコレクターとして機能するN型拡散層701、ドレインもしくはコレクターとして機能するN型拡散層702、エミッターとして機能するN型拡散層703、ベースもしくは基板電極として機能するP型拡散層80が備えられている。前記P型シリコン基板領域1に形成された素子分離400は初期状態において、前記ゲート電極6とソース電極701を接地し、ドレイン電極702に3Vを印加することで前記ソース電極701、ドレイン電極702間が導通する。これは素子分離400が低不純物濃度のP型シリコン基板上に形成されている為に分離能力が弱く、隣接したN型拡散層領域701,702とで形成される寄生MOSトランジスタがオン状態にあるためである。 FIG. 1 shows an example of 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
図1および図2において、本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリへの書込みは、前記エミッター電極となるN型拡散層703へ順バイアスとなる電圧、約−1Vを(Ve)を印加し、前記ベース電極となるP型拡散層80に接地電位(Vb)を印加し、前記コレクター電極となるN型拡散層701、702に約3Vを(Vc)印加し、前記ゲート電極6に正の高電圧約20Vを(Vg)印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記エミッター電極703からベース領域を形成する前記P型ウエル202、201、前記P型シリコン基板領域1中へ少数キャリアである電子が注入され、コレクタとして働く前記N型拡散層701、702に印加される電圧Vc=3Vに引かれ流れ込む。ゲート6に印加される電位Vgが十分に高い場合には、注入された前記電子の一部がホットエレクトロンとなり、前記P型シリコン基板中で加速され、前記ゲート6へ向かって走行する。前記ホットエレクトロンの一部は前記素子分離400中に注入され、前記素子分離400内のシリコン窒化膜41にトラップされる。トラップされた電子により前記素子分離400下部と前記P型シリコン基板1との界面状態を変調する結果、高抵抗化され、ドレインへ例えば3Vを印加した読出しを行えば、ドレイン電流の減少として書込み状態が確認される。 In FIG. 1 and FIG. 2, writing to the nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is performed by applying a forward bias voltage of about −1 V (Ve) to the N-
図1および図3において、本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリへの消去は、前記ソース電極となるN型拡散層701に約7Vを印加し、前記ゲート電極6に負の高電圧約−20Vを印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記ソース電極701を形成するN型拡散層領域においてバンド間トンネル現象あるいはアバランシェ現象により発生したホットホールが前記ゲート電極6に印加された電圧による電界で引かれ一部が前記素子分離400中に注入され、前記素子分離400内のシリコン窒化膜41にトラップされる。トラップされたホールにより前記素子分離400下部と前記P型シリコン基板1との界面状態を変調する結果、低抵抗化され、ドレインへ例えば3Vを印加した読み出しを行えば、ドレイン電流の増加として消去状態が確認される。ここでソース電極を形成するN型拡散層701の構造として、通常の高濃度N型拡散層を低濃度N型拡散層で囲まれた構造以外に、バンド間トンネル現象あるいはアバランシェ現象が起こりやすい接合構造、例えば低濃度N型拡散層7を有さず、高濃度N型拡散層のみで形成する、もしくは高濃度N型拡散層を低濃度P型拡散層で囲む構造をとることで、消去動作の効率をあげることが出来る。 In FIGS. 1 and 3, erasing the nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is performed by applying about 7 V to the N-
図4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回路の平面構造の概略が示される。同図において、P型ウエル2、N型ウエル3が所望の領域に配置され、前記N型ウエル領域内にエミッター選択ゲート62を構成するPチャンネル型トランジスタが配置され、エミッター線(EL)は前記エミッター選択ゲート63(ESG)を介してローカルエミッター線112に接続され、前記ローカルエミッター線112はエミッター電極703に接続される。前記P型ウエル2内に選択ゲート61を構成するNチャンネル型トランジスタが配置され、ビット線(BL)は前記選択ゲート61を介してドレイン領域702に接続される。前記ドレイン領域702とP型シリコン基板領域1内に形成されたソース領域701に挟まれた前記P型シリコン基板領域内に配置された素子分離上にメモリゲート63が配置される。ソース線(SL)は前記ソース領域701に接続される。隣接した記憶素子間には、書き込み時にエミッター電極から注入した電子が隣接する記憶素子に流れ、誤書き込みを起こさないようN型ウエル3もしくはN型拡散層70が配置され、書き込み時に接地電位を与えることで電子が隣接する素子に流れることを防ぐ役目を果たす。 FIG. 4 shows an outline of a planar structure of the nonvolatile memory cell circuit included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, a P-
図5には、図1から図4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)を行う場合には、全てのビット線(BL)に3Vを印加し、全ての選択ゲート(SG)に3Vを印加し、書き込みを行う素子のエミッターに接続されているエミッター線(EL)に−1Vを印加し、書き込みを行う素子に接続されるローカルエミッター線を選択するエミッター選択ゲート(ESG)に−3Vを印加し、全素子のメモリゲート(MG)に共通して高電圧20Vを印加し、全素子のソース線(SL)に共通して3Vを印加する。この動作条件により書き込みを行う素子のエミッターにのみ電子を注入する電位−1Vが印加され基板ホットエレクトロンが注入されることで書き込み動作が行われる。 FIG. 5 shows operating voltage conditions of the nonvolatile memory cell of the present invention shown in FIGS. First, when performing a write operation (Program), 3 V is applied to all the bit lines (BL), 3 V is applied to all the select gates (SG), and they are connected to the emitters of the elements to be written. Common to all the memory gates (MG) of all elements by applying -1V to the emitter line (EL) and applying -3V to the emitter selection gate (ESG) for selecting the local emitter line connected to the element to be written. A high voltage of 20 V is applied, and 3 V is applied in common to the source lines (SL) of all elements. Under this operating condition, a writing operation is performed by applying a potential of −1 V for injecting electrons only to the emitter of the element to be written and injecting substrate hot electrons.
消去動作(Erase)では、全てのビット線(BL)、全ての選択ゲート(SG)、全てのエミッター線(EL)、全てのエミッター選択ゲート(ESG)が接地され、全てのメモリゲート(MG)に負の高電圧−20Vが印加され、全てのソース線(SL)に正の高電圧7Vが印加される。この動作条件により全ての素子に対して一括してホールが注入され消去動作が行われる。 In the erase operation (Erase), all bit lines (BL), all selection gates (SG), all emitter lines (EL), all emitter selection gates (ESG) are grounded, and all memory gates (MG). A negative high voltage of −20V is applied to the source line, and a positive high voltage of 7V is applied to all the source lines (SL). Under these operating conditions, holes are injected into all elements at once and an erasing operation is performed.
読み出し動作(Read)においては、選択されたビット線(BL)に3Vが印加され、選択された選択ゲート(SG)に3Vが印加され、全てのエミッター線(EL)が接地され、全てのエミッター選択ゲート(ESG)が接地され、全てのメモリゲート(MG)が接地ないしは開放され、全てのソース線(SL)が接地される。この動作条件により、書き込みが行われている素子については、素子の抵抗が高く、消去状態あるいは初期状態にある素子においては素子の抵抗が低い為に、読み出し電流に差が現れ、これを検出することで情報を読み出すことが出来る。 In the read operation (Read), 3 V is applied to the selected bit line (BL), 3 V is applied to the selected selection gate (SG), all the emitter lines (EL) are grounded, and all the emitters are connected. The selection gate (ESG) is grounded, all the memory gates (MG) are grounded or opened, and all the source lines (SL) are grounded. Due to this operating condition, the element in which writing is performed has a high element resistance, and the element in the erased state or the initial state has a low element resistance. Information can be read out.
本動作条件によれば、全ての動作状態において高電圧はゲートに一括して印加されるのみであり、これにより高電圧を取り扱うトランジスタをチップ上に必要とせず、例えばチップ外部より直接ゲートに印加されるような動作を行うことが可能となる。また本発明の不揮発性メモリセルの構造によれば、ゲート電極は全て分離酸化膜上に配置されている為に、ゲート絶縁膜の膜厚に関係なく高電圧を印加することが可能である。 According to these operating conditions, in all operating states, a high voltage is only applied to the gate at a time, so that a transistor that handles the high voltage is not required on the chip, for example, applied directly to the gate from the outside of the chip. It is possible to perform such an operation. Further, according to the structure of the nonvolatile memory cell of the present invention, since all the gate electrodes are disposed on the isolation oxide film, it is possible to apply a high voltage regardless of the thickness of the gate insulating film.
《メタルゲート素子分離型不揮発性メモリ》
図6には、本発明に係る半導体装置が有するメタルゲート素子分離型の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。これは最良の形態の一変形である。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、素子分離内に配置されている電荷トラップ層としても機能するシリコン窒化膜41、P型ウエル201、202が配置され、前記P型ウエル201、202が形成されていない基板1の表面領域に不揮発性記憶素子として機能する素子分離400、ゲートを形成するコンタクトホール10内の金属プラグと第1金属配線層11、低濃度N型拡散層7、低濃度P型拡散層8、および、ソースもしくはコレクターとして機能するN型拡散層701、ドレインもしくはコレクターとして機能するN型拡散層702、エミッターとして機能するN型拡散層703、ベースもしくは基板電極として機能するP型拡散層80が備えられている。前記P型シリコン基板領域1に形成された素子分離400は初期状態において、前記ゲート電極10,11とソース電極701を接地し、ドレイン電極702に3Vを印加することで前記ソース電極701、ドレイン電極702間が導通する。これは素子分離400が低不純物濃度のP型シリコン基板上に形成されている為に分離能力が弱く、隣接したN型拡散層領域701,702とで形成される寄生MOSトランジスタがオン状態にあるためである。ゲート電極としてコンタクトホール10を有した第1の金属配線11を用いたことにより、コンタクトホール10の形成時に素子分離400の酸化膜がエッチングされることで素子分離酸化膜が薄膜化される。これにより書き込みおよび消去動作時にゲート電極に印加する電圧の絶対値を低減することが出来る。本メタルゲート素子分離型の不揮発性メモリセルの動作条件は図5に示されるものと同様である。<Metal gate element separation type non-volatile memory>
FIG. 6 shows a cross-sectional structure of a metal gate element isolation type nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. This is a variant of the best mode. In the figure, an
《深いN型ウエルを有する素子分離型不揮発性メモリ》
図7には、本発明に係る半導体装置が有する深いN型ウエルを有する素子分離型の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。これは最良の形態の一変形である。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、素子分離内に配置されている電荷トラップ層としても機能するシリコン窒化膜41、深いN型ウエル31、P型ウエル201、202が配置され、前記P型ウエル201、202が形成されていない基板1の表面領域に不揮発性記憶素子として機能する素子分離400、ゲート6、低濃度N型拡散層7、低濃度P型拡散層8、および、ソースもしくはコレクターとして機能するN型拡散層701、ドレインもしくはコレクターとして機能するN型拡散層702、エミッターとして機能するN型拡散層703、ベースもしくは基板電極として機能するP型拡散層80が備えられている。前記P型シリコン基板領域1に形成された素子分離400は初期状態において、前記ゲート6とソース電極701を接地し、ドレイン電極702に3Vを印加することで前記ソース電極701、ドレイン電極702間が導通する。これは素子分離400が低不純物濃度のP型シリコン基板上に形成されている為に分離能力が弱く、隣接したN型拡散層領域701,702とで形成される寄生MOSトランジスタがオン状態にあるためである。深いN型ウエル31を配置することにより、書き込み時にエミッターより注入される電子が書き込みを行うメモリセル以外に流れ込むことを防ぐことが出来る。本深いN型ウエルを有する素子分離型の不揮発性メモリセルの動作条件は図5に示されるものと同様である。また本構造に対してコンタクトホールと第1金属配線をゲートとして用いた構造を適応してもよい。<< Element Isolation Nonvolatile Memory with Deep N-type Well >>
FIG. 7 shows a cross-sectional structure of an element isolation type nonvolatile memory cell having a deep N-type well included in the semiconductor device according to the present invention. This is a variant of the best mode. In the figure, there are an
《チャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型不揮発性メモリ》
図8には、本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。これは最良の形態の一変形である。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、素子分離内に配置されている電荷トラップ層としても機能するシリコン窒化膜41、P型ウエル2が配置され、前記P型ウエル2が形成されていない基板1の表面領域に不揮発性記憶素子として機能する素子分離400、ゲート6、低濃度N型拡散層7、および、ソースとして機能するN型拡散層701、ドレインとして機能するN型拡散層702が備えられている。前記P型シリコン基板領域1に形成された素子分離400は初期状態において、前記ゲート電極6とソース電極701を接地し、ドレイン電極702に3Vを印加することで前記ソース電極701、ドレイン電極702間が導通する。これは素子分離400が低不純物濃度のP型シリコン基板上に形成されている為に分離能力が弱く、隣接したN型拡散層領域701,702とで形成される寄生MOSトランジスタがオン状態にあるためである。<Channel hot electron writing element separation type non-volatile memory>
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of a channel hot electron writing element isolation type nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. This is a variant of the best mode. In the figure, an
図8および図9において、本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型不揮発性メモリへの書込みは、前記ドレイン電極となるN型拡散層702へ正の高電圧、約7Vを(Vd)を印加し、前記ソース電極となるN型拡散層701に接地電位(Vs)を印加し、前記ゲート電極6に正の高電圧約20Vを(Vg)印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記ソース電極701から前記ドレイン電極702に電子が流れ込む。ゲート6に印加される電位Vgが十分に高い場合には、注入された前記電子の一部がホットエレクトロンとなり、前記P型シリコン基板中で加速され、前記ゲート6へ向かって走行する。前記ホットエレクトロンの一部は前記素子分離400中に注入され、前記素子分離400内のシリコン窒化膜41にトラップされる。トラップされた電子により前記素子分離400下部と前記P型シリコン基板1との界面状態を変調する結果、高抵抗化され、ドレインへ例えば3Vを印加した読出しを行えば、ドレイン電流の減少として書込み状態が確認される。 8 and 9, when writing to the channel hot electron writing element separation type non-volatile memory of the semiconductor device according to the present invention, a positive high voltage of about 7 V is applied to the N
本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型不揮発性メモリへの消去は、前記ソース電極となるN型拡散層701に約7Vを印加し、前記ゲート電極6に負の高電圧約−20Vを印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記ソース電極701を形成するN型拡散層領域においてバンド間トンネル現象あるいはアバランシェ現象により発生したホットホールが前記ゲート電極6に印加された電圧による電界で引かれ一部が前記素子分離400中に注入され、前記素子分離400内のシリコン窒化膜41にトラップされる。トラップされたホールにより前記素子分離400下部と前記P型シリコン基板1との界面状態を変調する結果、低抵抗化され、ドレインへ例えば3Vを印加した読み出しを行えば、ドレイン電流の増加として消去状態が確認される。ここでソース電極を形成するN型拡散層701の構造として、通常の高濃度N型拡散層を低濃度N型拡散層で囲まれた構造以外に、バンド間トンネル現象あるいはアバランシェ現象が起こりやすい接合構造、例えば低濃度N型拡散層7を有さず、高濃度N型拡散層のみで形成する、もしくは高濃度N型拡散層を低濃度P型拡散層で囲む構造をとることで、消去動作の効率をあげることが出来る。 In erasing the channel hot electron writing element separation type non-volatile memory of the semiconductor device according to the present invention, about 7 V is applied to the N-
図10には、図8に示された本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型不揮発性メモリセル回路の平面構造の概略が示される。同図において、P型ウエル2が所望の領域に配置され、前記P型ウエル2内に選択ゲート61を構成するNチャンネル型トランジスタが配置され、ビット線(BL)110は前記選択ゲート61を介してドレイン領域702に接続される。前記ドレイン領域702とP型シリコン基板領域1内に形成されたソース領域701に挟まれた前記P型シリコン基板領域内に配置された素子分離上にメモリゲート63が配置される。ソース線(SL)131は前記ソース領域701に接続される。 FIG. 10 shows an outline of a planar structure of the channel hot electron writing element isolation type nonvolatile memory cell circuit included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, a P-
図11には、図8から図10に示されたチャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型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)を行う場合には、書き込みを行うセルに接続されるビット線(BL)に7Vを印加し、書き込みを行うセルを洗濯する選択ゲート(SG)に7Vを印加し、全素子のメモリゲート(MG)に共通して高電圧20Vを印加し、全素子のソース線(SL)に共通して接地電位を印加する。この動作条件により書き込みを行う素子のドレインにのみ書き込み電位7Vが印加されチャネルホットエレクトロンが注入されることで書き込み動作が行われる。 FIG. 11 shows operating voltage conditions of the channel hot electron writing element separation type non-volatile memory cell shown in FIGS. First, when performing a write operation (Program), 7V is applied to the bit line (BL) connected to the cell to be written, 7V is applied to the selection gate (SG) for washing the cell to be written, A high voltage of 20 V is applied commonly to the memory gates (MG) of all elements, and a ground potential is applied commonly to the source lines (SL) of all elements. Under this operating condition, a write operation is performed by applying a write potential of 7 V only to the drain of the element to be written and injecting channel hot electrons.
消去動作(Erase)では、全てのビット線(BL)、全ての選択ゲート(SG)が接地され、全てのメモリゲート(MG)に負の高電圧−20Vが印加され、全てのソース線(SL)に正の高電圧7Vが印加される。この動作条件により全ての素子に対して一括してホールが注入され消去動作が行われる。 In the erase operation (Erase), all the bit lines (BL) and all the selection gates (SG) are grounded, a negative high voltage of −20 V is applied to all the memory gates (MG), and all the source lines (SL) ) Is applied with a positive high voltage of 7V. Under these operating conditions, holes are injected into all elements at once and an erasing operation is performed.
読み出し動作(Read)においては、選択されたビット線(BL)に3Vが印加され、選択された選択ゲート(SG)に3Vが印加され、全てのメモリゲート(MG)が接地ないしは開放され、全てのソース線(SL)が接地される。この動作条件により、書き込みが行われている素子については、素子の抵抗が高く、消去状態あるいは初期状態にある素子においては素子の抵抗が低い為に、読み出し電流に差が現れ、これを検出することで情報を読み出すことが出来る。 In the read operation (Read), 3V is applied to the selected bit line (BL), 3V is applied to the selected selection gate (SG), and all the memory gates (MG) are grounded or opened. Source line (SL) is grounded. Due to this operating condition, the element in which writing is performed has a high element resistance, and the element in the erased state or the initial state has a low element resistance. Information can be read out.
図12には、本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み素子分離型の不揮発性メモリセルのゲート電極としてコンタクトホール10中の金属プラグと第1金属配線11を用いたものの断面構造が示される。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、素子分離内に配置されている電荷トラップ層としても機能するシリコン窒化膜41、P型ウエル2が配置され、前記P型ウエル2が形成されていない基板1の表面領域に不揮発性記憶素子として機能する素子分離400、ゲート電極として用いられるコンタクトホール10中の金属プラグと第1金属配線11、低濃度N型拡散層7、および、ソースとして機能するN型拡散層701、ドレインとして機能するN型拡散層702が備えられている。前記P型シリコン基板領域1に形成された素子分離400は初期状態において、前記ゲート電極6とソース電極701を接地し、ドレイン電極702に3Vを印加することで前記ソース電極701、ドレイン電極702間が導通する。これは素子分離400が低不純物濃度のP型シリコン基板上に形成されている為に分離能力が弱く、隣接したN型拡散層領域701,702とで形成される寄生MOSトランジスタがオン状態にあるためである。ゲート電極としてコンタクトホール10を有した第1の金属配線11を用いたことにより、コンタクトホール10の形成時に素子分離400の酸化膜がエッチングされることで素子分離酸化膜が薄膜化される。これにより書き込みおよび消去動作時にゲート電極に印加する電圧の絶対値を低減することが出来る。本メタルゲート素子分離型の不揮発性メモリセルの動作条件は図11に示されるものと同様である。 FIG. 12 shows a cross-sectional structure of the semiconductor device according to the present invention using the metal plug in the
《ゲートエッヂレス型不揮発性メモリ》
図13には、本発明に係る半導体装置が有するゲートエッヂレス型の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。これは最良の形態の一変形である。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、P型ウエル201、202、203、N型ウエル3、301,302が配置され、フローティングゲート64、およびソースもしくはコレクターとして機能するN型拡散層701とN型ウエル301、ドレインもしくはコレクターとして機能するN型拡散層702とN型ウエル302、エミッターとして機能するN型拡散層703、ベースもしくは基板電極として機能するP型拡散層80、コントロールゲートとして機能するN型拡散層704とN型ウエル3が備えられている。フローティングゲート64のエッヂ部分は全て厚い分離酸化膜4上に配置されている。本構造によりゲートエッヂ部からのリークによる信頼性の劣化を避けることが可能となる。本セルで用いられているNチャネルMOSトランジスタにおいては活性領域上にゲートエッヂを配置させない為に、ソース、ドレインを形成するN型拡散層701、702をN型ウエル301,302で包んだ構造となっており、この構造を採用することにより素子分離を越えてのソース、ドレイン領域を形成することができ、ゲートエッヂを素子分離領域上に配置することが可能となる。<Gate edgeless nonvolatile memory>
FIG. 13 shows a cross-sectional structure of a gate edgeless nonvolatile memory cell included in a semiconductor device according to the present invention. This is a variant of the best mode. In the figure, an
図13および図14において、本発明に係る半導体装置が有するゲートエッヂレス型不揮発性メモリへの書込みは、前記エミッター電極となるN型拡散層703へ順バイアスとなる電圧、約−1Vを(Ve)を印加し、前記ベース電極となるP型拡散層80に接地電位(Vb)を印加し、前記コレクター電極となるN型拡散層701、702に約3Vを(Vc)印加し、前記コントロールゲート電極704に正の高電圧約10Vを(Vcg)印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記エミッター電極703からベース領域を形成する前記P型ウエル202、201、前記P型シリコン基板領域1中へ少数キャリアである電子が注入され、コレクタとして働く前記N型拡散層701、702に印加される電圧Vc=3Vに引かれ流れ込む。コントロールゲート704に印加される電位Vcgが十分に高い場合には、注入された前記電子の一部がホットエレクトロンとなり、前記P型ウエル領域203中で加速され、前記フローティングゲート64に注入される。前記フローティングゲートに注入された電子により前記フローティングゲート64下部のチャネル領域の状態を変調する結果、高抵抗化され、ドレインとコントロールゲートへ例えば3Vを印加した読出しを行えば、ドレイン電流の減少として書込み状態が確認される。 13 and 14, the writing to the gate edgeless nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is performed by applying a forward bias voltage of about −1 V to the N-
図13および図15において、本発明に係る半導体装置が有するゲートエッヂレス型不揮発性メモリへの消去は、前記ソース電極となるN型拡散層701に約10Vを印加し、前記エミッター電極703、ドレイン電極702、ベース電極80、コントロールゲート電極704に接地電位を印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記ソース電極701、301を形成するN型領域とフローティングゲート64間においてファウラーノルドハイム(FN)トンネル現象によりフローティングゲート64中の電子がソース電極を形成するN型領域に引きぬかれる。これにより前記フローティングゲート64下部のチャネル領域の状態を変調する結果、低抵抗化され、ドレインとコントロールゲートへ例えば3Vを印加した読出しを行えば、ドレイン電流の増加として消去状態が確認される。 13 and FIG. 15, the gate edgeless nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is erased by applying approximately 10 V to the N-
図16には、図13に示された本発明に係る半導体装置が有するゲートエッヂレス型不揮発性メモリセル回路の平面構造の概略が示される。同図において、P型ウエル2、N型ウエル3が所望の領域に配置され、前記N型ウエル領域3内にエミッター選択ゲート62を構成するPチャンネル型トランジスタが配置され、エミッター線(EL)110は前記エミッター選択ゲート63(ESG)を介してローカルエミッター線112に接続され、前記ローカルエミッター線112はエミッター電極703に接続される。前記P型ウエル2内に選択ゲート61を構成するNチャンネル型トランジスタが配置され、ビット線(BL)111は前記選択ゲート61を介してドレイン領域702、302に接続される。前記ドレイン領域702とソース領域701、301に挟まれた活性領域上にフローティングゲート64が配置される。フローティングゲート64はコントロールゲートとして機能するN型ウエル中の活性領域42を覆うように延在する。ソース線(SL)131は前記ソース領域701、301に接続される。隣接した記憶素子間には、書き込み時にエミッター電極から注入した電子が隣接する記憶素子に流れ、誤書き込みを起こさないようN型ウエル3もしくはN型拡散層70が配置され、書き込み時に接地電位を与えることで電子が隣接する素子に流れることを防ぐ役目を果たす。 FIG. 16 shows an outline of a planar structure of a gate edgeless nonvolatile memory cell circuit included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, a P-
図17には、図13から図16に示された本発明のゲートエッヂレス型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)を行う場合には、全てのビット線(BL)に3Vを印加し、全ての選択ゲート(SG)に3Vを印加し、書き込みを行う素子のエミッターに接続されているエミッター線(EL)に−1Vを印加し、書き込みを行う素子に接続されるローカルエミッター線を選択するエミッター選択ゲート(ESG)に−3Vを印加し、全素子のコントロールゲート(CG)に共通して高電圧10Vを印加し、全素子のソース線(SL)に共通して3Vを印加する。この動作条件により書き込みを行う素子のエミッターにのみ電子を注入する電位−1Vが印加され基板ホットエレクトロンが注入されることで書き込み動作が行われる。 FIG. 17 shows operating voltage conditions of the gate edgeless nonvolatile memory cell of the present invention shown in FIGS. First, when performing a write operation (Program), 3 V is applied to all the bit lines (BL), 3 V is applied to all the select gates (SG), and they are connected to the emitters of the elements to be written. Common to the control gates (CG) of all elements by applying -1V to the emitter line (EL), applying -3V to the emitter selection gate (ESG) for selecting the local emitter line connected to the element to be written. A high voltage of 10 V is applied, and 3 V is applied in common to the source lines (SL) of all elements. Under this operating condition, a writing operation is performed by applying a potential of −1 V for injecting electrons only to the emitter of the element to be written and injecting substrate hot electrons.
消去動作(Erase)では、全てのビット線(BL)、全ての選択ゲート(SG)、全てのエミッター線(EL)、全てのエミッター選択ゲート(ESG)全てのコントロールゲート(CG)が接地され、全てのソース線(SL)に正の高電圧10Vが印加される。この動作条件により全ての素子のフローティングゲートからFNトンネルにより一括して電子が引き抜かれ消去動作が行われる。 In the erase operation (Erase), all bit lines (BL), all select gates (SG), all emitter lines (EL), all emitter select gates (ESG), all control gates (CG) are grounded. A positive high voltage of 10 V is applied to all the source lines (SL). Under these operating conditions, electrons are collectively extracted from the floating gates of all elements by the FN tunnel, and an erasing operation is performed.
読み出し動作(Read)においては、選択されたビット線(BL)に3Vが印加され、選択された選択ゲート(SG)に3Vが印加され、全てのエミッター線(EL)が接地され、全てのエミッター選択ゲート(ESG)が接地され、選択されたコントロールゲート(CG)に3Vが印加され、全てのソース線(SL)が接地される。この動作条件により、書き込みが行われている素子については、素子の抵抗が高く、消去状態あるいは初期状態にある素子においては素子の抵抗が低い為に、読み出し電流に差が現れ、これを検出することで情報を読み出すことが出来る。 In the read operation (Read), 3 V is applied to the selected bit line (BL), 3 V is applied to the selected selection gate (SG), all the emitter lines (EL) are grounded, and all the emitters are connected. The selection gate (ESG) is grounded, 3V is applied to the selected control gate (CG), and all the source lines (SL) are grounded. Due to this operating condition, the element in which writing is performed has a high element resistance, and the element in the erased state or the initial state has a low element resistance. Information can be read out.
《厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリ》
図18には、本発明に係る半導体装置が有する厚膜ゲート酸化膜型の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。これは最良の形態の一変形である。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、P型ウエル2、N型ウエル3が配置され、フローティングゲート64、およびソースもしくはコレクターとして機能するN型拡散層701、ドレインもしくはコレクターとして機能するN型拡散層702、エミッターとして機能するN型拡散層703、ベースもしくは基板電極として機能するP型拡散層80、コントロールゲートとして機能するN型拡散層704とN型ウエル3が備えられている。《Thick gate oxide nonvolatile memory》
FIG. 18 shows a cross-sectional structure of a thick gate oxide film type nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. This is a variant of the best mode. In the figure, an
図18および図19において、本発明に係る半導体装置が有する厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリへの書込みは、前記エミッター電極となるN型拡散層703へ順バイアスとなる電圧、約−1Vを(Ve)を印加し、前記ベース電極となるP型拡散層80に接地電位(Vb)を印加し、前記コレクター電極となるN型拡散層701、702に約3Vを(Vc)印加し、前記コントロールゲート電極となるN型拡散層704に正の高電圧約10Vを(Vcg)印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記エミッター電極703からベース領域を形成する前記P型ウエル2中へ少数キャリアである電子が注入され、コレクタとして働く前記N型拡散層701、702に印加される電圧Vc=3Vに引かれ流れ込む。コントロールゲート704に印加される電位Vcgが十分に高い場合には、注入された前記電子の一部がホットエレクトロンとなり、前記フローティングゲート64へ注入される。前記フローティングゲート64に注入された電子により前記フローティングゲート下部の界面状態を変調する結果、高抵抗化され、ドレインへ例えば3Vを印加した読出しを行えば、ドレイン電流の減少として書込み状態が確認される。 18 and 19, writing into the thick gate oxide nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is performed by applying a forward bias voltage of about −1 V to the N-
図18および図20において、本発明に係る半導体装置が有する厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリへの消去は、前記ソース電極となるN型拡散層701に約10Vを印加し、前記エミッター電極となるN型拡散層703を接地ないしは開放し、前記ドレイン電極となるN型拡散層702を接地ないしは開放し、前記ベース電極となるP型拡散層80を接地し、前記コントロールゲート電極となるN型拡散層704を接地することで行われる。上記電圧条件によれば、前記ソース電極701を形成するN型拡散層領域においてバンド間トンネル現象あるいはアバランシェ現象により発生したホットホールの一部が前記フローティングゲート電極64中に注入される。前記フローティングゲート電極64に注入されたホールにより前記フローティングゲート電極64下部と前記P型ウエル2との界面状態を変調する結果、低抵抗化され、ドレインへ例えば3V、コントロールゲートに例えば3Vを印加した読み出しを行えば、ドレイン電流の増加として消去状態が確認される。ここでソース電極を形成するN型拡散層701の構造として、通常の高濃度N型拡散層を低濃度N型拡散層で囲まれた構造以外に、バンド間トンネル現象あるいはアバランシェ現象が起こりやすい接合構造、例えば低濃度N型拡散層7を有さず、高濃度N型拡散層のみで形成する、もしくは高濃度N型拡散層を低濃度P型拡散層8で囲む構造をとることで、消去動作の効率をあげることが出来る。 18 and 20, the erase to the thick gate oxide nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is performed by applying about 10 V to the N-
図21には、図18に示された本発明に係る半導体装置が有する厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリセル回路の平面構造の概略が示される。同図において、P型ウエル2、N型ウエル3が所望の領域に配置され、前記N型ウエル領域内にエミッター選択ゲート62を構成するPチャンネル型トランジスタが配置され、エミッター線(EL)110は前記エミッター選択ゲート63(ESG)を介してローカルエミッター線112に接続され、前記ローカルエミッター線112はエミッター電極703に接続される。前記P型ウエル2内に選択ゲート61を構成するNチャンネル型トランジスタが配置され、ビット線(BL)111は前記選択ゲート61を介してドレイン領域に接続される。前記ドレイン領域と直列にフローティングゲート64とソース領域が配置される。ソース線(SL)131は前記ソース領域に接続される。隣接した記憶素子間には、書き込み時にエミッター電極から注入した電子が隣接する記憶素子に流れ、誤書き込みを起こさないようN型ウエル3もしくはN型拡散層70が配置され、書き込み時に接地電位を与えることで電子が隣接する素子に流れることを防ぐ役目を果たす。 FIG. 21 shows an outline of a planar structure of the thick gate oxide film type nonvolatile memory cell circuit included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, a P-
図22には、図18から図21に示された本発明の厚膜ゲート酸化膜型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)を行う場合には、全てのビット線(BL)に3Vを印加し、全ての選択ゲート(SG)に3Vを印加し、書き込みを行う素子のエミッターに接続されているエミッター線(EL)に−1Vを印加し、書き込みを行う素子に接続されるローカルエミッター線を選択するエミッター選択ゲート(ESG)に−3Vを印加し、選択されたコントロールゲート(CG)に高電圧10Vを印加し、全素子のソース線(SL)に共通して3Vを印加する。この動作条件により書き込みを行う素子のエミッターにのみ電子を注入する電位−1Vが印加され基板ホットエレクトロンが注入されることで書き込み動作が行われる。 FIG. 22 shows operating voltage conditions of the thick gate oxide nonvolatile memory cell of the present invention shown in FIGS. First, when performing a write operation (Program), 3 V is applied to all the bit lines (BL), 3 V is applied to all the select gates (SG), and they are connected to the emitters of the elements to be written. A voltage of -1 V is applied to the emitter line (EL), a voltage of -3 V is applied to the emitter selection gate (ESG) for selecting a local emitter line connected to the element to be written, and a high voltage is applied to the selected control gate (CG). 10 V is applied, and 3 V is applied in common to the source lines (SL) of all elements. Under this operating condition, a writing operation is performed by applying a potential of −1 V for injecting electrons only to the emitter of the element to be written and injecting substrate hot electrons.
消去動作(Erase)では、全てのビット線(BL)、全ての選択ゲート(SG)、全てのエミッター線(EL)、全てのエミッター選択ゲート(ESG)、全てのコントロールゲート(CG)が接地され、全てのソース線(SL)に正の高電圧10Vが印加される。この動作条件により全ての素子に対して一括してホールが注入され消去動作が行われる。 In the erase operation (Erase), all bit lines (BL), all select gates (SG), all emitter lines (EL), all emitter select gates (ESG), and all control gates (CG) are grounded. A positive high voltage of 10 V is applied to all the source lines (SL). Under these operating conditions, holes are injected into all elements at once and an erasing operation is performed.
読み出し動作(Read)においては、選択されたビット線(BL)に3Vが印加され、選択された選択ゲート(SG)に3Vが印加され、全てのエミッター線(EL)が接地され、全てのエミッター選択ゲート(ESG)が接地され、選択されたコントロールゲート(CG)に3Vが印加され、全てのソース線(SL)が接地される。この動作条件により、書き込みが行われている素子については、素子の抵抗が高く、消去状態あるいは初期状態にある素子においては素子の抵抗が低い為に、読み出し電流に差が現れ、これを検出することで情報を読み出すことが出来る。本動作により12nm以上の厚いゲート酸化膜を有する不揮発性メモリ素子に対して比較的低い電圧で書き込み、消去動作を行うことが可能となる。 In the read operation (Read), 3 V is applied to the selected bit line (BL), 3 V is applied to the selected selection gate (SG), all the emitter lines (EL) are grounded, and all the emitters are connected. The selection gate (ESG) is grounded, 3V is applied to the selected control gate (CG), and all the source lines (SL) are grounded. Due to this operating condition, the element in which writing is performed has a high element resistance, and the element in the erased state or the initial state has a low element resistance. Information can be read out. By this operation, it becomes possible to perform writing and erasing operations at a relatively low voltage with respect to a nonvolatile memory element having a thick gate oxide film of 12 nm or more.
《チャネルホットエレクトロン書き込み厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリ》
図23には、本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み厚膜ゲート酸化膜型の不揮発性メモリセルの断面構造が示される。これは最良の形態の一変形である。同図において、P型シリコン基板1の表面領域に素子分離4、P型ウエル2、N型ウエル3が配置され、フローティングゲート64、およびソースとして機能するN型拡散層701、ドレインとして機能するN型拡散層702、コントロールゲートとして機能するN型拡散層704とN型ウエル3が備えられている。<< Channel hot electron writing thick film gate oxide nonvolatile memory >>
FIG. 23 shows a cross-sectional structure of a channel hot electron write thick gate oxide film type nonvolatile memory cell included in the semiconductor device according to the present invention. This is a variant of the best mode. In the figure, an
図23および図24において、本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリへの書込みは、前記ドレイン電極となるN型拡散層702へ正の高電圧、約10Vを(Vd)を印加し、前記ソース電極となるN型拡散層701に接地電位を(Vs)印加し、前記コントロールゲート電極となるN型拡散層704に正の高電圧約10Vを(Vcg)印加することで行う。上記電圧条件によれば、前記ソース電極701からドレイン領域に向かって電子が流れ込む。コントロールゲート704に印加される電位Vcgが十分に高い場合には、注入された前記電子の一部がホットエレクトロンとなり、前記フローティングゲート64へ注入される。前記フローティングゲート64に注入された電子により前記フローティングゲート下部の界面状態を変調する結果、高抵抗化され、ドレインおよびコントロールゲートへ例えば3Vを印加した読出しを行えば、ドレイン電流の減少として書込み状態が確認される。 23 and 24, the channel hot electron writing thick film gate oxide nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is written to the N-
図25には、図23に示された本発明に係る半導体装置が有するチャネルホットエレクトロン書き込み厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリセル回路の平面構造の概略が示される。同図において、P型ウエル2、N型ウエル3が所望の領域に配置され、前記P型ウエル2内に選択ゲート61を構成するNチャンネル型トランジスタが配置され、ビット線(BL)111は前記選択ゲート61を介してドレイン領域に接続される。前記ドレイン領域と直列にフローティングゲート64とソース領域が配置される。ソース線(SL)131は前記ソース領域に接続される。 FIG. 25 shows an outline of a planar structure of a channel hot electron writing thick gate oxide film type nonvolatile memory cell circuit included in the semiconductor device according to the present invention shown in FIG. In the figure, a P-
図26には、図23から図25に示された本発明のチャネルホットエレクトロン書込み厚膜ゲート酸化膜型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)を行う場合には、選択されたビット線(BL)に10Vを印加し、書き込みを行う素子を選択する選択ゲート(SG)に10Vを印加し、書き込みを行う素子のコントロールゲートに接続されているコントロールゲートに10Vを印加し、全素子のソース線(SL)に共通して設置電位を印加する。この動作条件により書き込みを行う素子にのみチャネルホットエレクトロンが注入されることで書き込み動作が行われる。なお消去動作、読み出し動作については前期厚膜ゲート酸化膜型不揮発性メモリセルと同様である。 FIG. 26 shows operating voltage conditions of the channel hot electron writing thick film gate oxide nonvolatile memory cell of the present invention shown in FIGS. First, when performing a write operation (Program), 10 V is applied to a selected bit line (BL), 10 V is applied to a selection gate (SG) for selecting an element to be written, and the element to be written is written. A voltage of 10 V is applied to the control gate connected to the control gate, and an installation potential is applied to the source lines (SL) of all elements. Under these operating conditions, channel hot electrons are injected only into the element to be written, so that the write operation is performed. The erase operation and read operation are the same as those of the previous thick gate oxide film type nonvolatile memory cell.
なお、本実施例においてはNチャネル型トランジスタを記憶素子とした半導体装置について説明したが、Pチャネル型トランジスタを用いた記憶素子においても同様の特性を得ることが出来る。 Note that although a semiconductor device using an N-channel transistor as a memory element has been described in this embodiment, similar characteristics can be obtained even in a memory element using a P-channel transistor.
本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリは、トランジスタのソース近傍の絶縁膜中へ基板ホットキャリアを注入することにより書込み・消去を行う方式であるため、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、不揮発性メモリを搭載した廉価な半導体装置を提供できる。また、本発明に係る半導体装置が有する不揮発性メモリは、電荷蓄積のためのフローティングゲートを使用しないため、従来の不揮発性メモリで必須であったトンネル絶縁膜を必要とせず、微細CMOSプロセスにおいても容易に形成可能である。本発明の不揮発性メモリは、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。 Since the nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention is a method in which programming / erasing is performed by injecting substrate hot carriers into an insulating film near the source of a transistor, a normal logic circuit process or a general-purpose DRAM process is used. An inexpensive semiconductor device equipped with a non-volatile memory can be provided without adding a completely new process. In addition, since the nonvolatile memory included in the semiconductor device according to the present invention does not use a floating gate for storing electric charge, it does not require a tunnel insulating film that is essential in a conventional nonvolatile memory, and even in a fine CMOS process. It can be easily formed. The non-volatile memory of the present invention is a low-cost microcomputer (one dollar) that stores trimming data of color gradation that is performed after mounting a liquid crystal display driver (LCD) built-in microcomputer on a liquid crystal panel substrate, and that is installed in a home appliance. Trimming data of the oscillation frequency of the internal oscillator (called a microcomputer), trimming data of the internal resistance and circuit constants of the microcomputer equipped with the analog circuit, storage of SRAM relief information in a high performance microcomputer equipped with a large capacity SRAM, Ideal for non-contact IC cards, especially for storing ID information in low-priced RFID, etc., and mounting on semiconductor devices that require low-capacity, low-power consumption, low-cost non-volatile memory to enhance its market competitiveness Has a significant effect.
1−P型シリコン基板
2、201、202、203−P型ウエル
3、301、302−N型ウエル
4、400−素子分離
5−ゲート酸化膜
6−ゲート電極
7−低濃度N型拡散層
8−低濃度P型拡散層
9−サイドスペーサ
10−コンタクトホール
11−第1金属配線
12−ビアホール
13−第2金属配線
31−深いN型ウエル
41−分離内シリコン窒化膜
42−活性領域
61−選択ゲート
62−エミッター選択ゲート
63−メモリゲート
64−フローティングゲート
70−N型拡散層
71−濃いN型拡散層
80−P型拡散層
81−濃いP型拡散層
110−ビット線
111−エミッター線
112−ローカルエミッター線
130−ワード(メモリゲート)線
131−ソース線
701−ソース(コレクタ)N型拡散層
702−ドレイン(コレクタ)N型拡散層
703−エミッタN型拡散層
704−コントロールゲートN型拡散層
BL−ビット線
SG−選択ゲート
EL−エミッター線
ESG−エミッター選択ゲート
MG−メモリゲート
SL−ソース線
CG−コントロールゲート
Unit Cell−単位メモリセル領域1-P-
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JP2003437016A JP2005197328A (en) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Non-volatile storage device, semiconductor integrated circuit device and semiconductor device |
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