JP2005346912A - Semiconductor integrated circuit apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor integrated circuit apparatus in which a plurality of transistors having different thickness of gate oxide films are integrated in one chip without deteriorating a transistor property. <P>SOLUTION: A plurality of external terminals (output terminals) of a semiconductor substrate in which a plurality of transistors having gate oxide film thickness of different two kinds or more are formed are connected to an internal circuit through an interface circuit. For example, a transistor other than a transistor having the thinnest gate oxide film is used for a transistor connected directly to the external terminal for control circuit controlling each node. Thus, a thick film gate oxide film transistor is used for a node coming into contact with an external power source and requiring high breakdown voltage, and a thin film gate oxide film transistor is used for a transistor not coming into contact with the external power source. Thereby, in the thin film gate oxide film transistor, as only voltage of a range controllable by internal voltage drop is applied, the degree of freedom of device/circuit design is widened remarkably. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数のゲート酸化膜厚を有するトランジスタを1チップに集積させた半導体集積回路装置に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device in which transistors having a plurality of gate oxide film thicknesses are integrated on one chip.

従来の半導体集積回路装置は、殆どのデバイスが1種類のゲート酸化膜を利用し、複数のゲート酸化膜厚を用いたトランジスタを1つのチップに集積することはない。しかし、EEPROM(Electrically Erasable Programmablle Read-Only Memory)のようにメモリセルの書き込み/消去に高電圧を必要とするデバイスでは状況が異なる。
NOR型フラッシュメモリの場合について説明すると、図17に示されているように、電源電圧の3Vに対して内部において書き込み/消去に使用される電圧は10V以上であり、その差は3倍以上もある。図17は、NOR型フラッシュメモリに用いられるトランジスタの回路図とメモリセルの読み出し、書き込み、消去時の印加電圧を表示している。フラッシュEEPROMは、積層ゲート型不揮発性メモリセルを有し、電気的に書き込み可能で一括消去する半導体メモリである。
In conventional semiconductor integrated circuit devices, most devices use one kind of gate oxide film, and transistors using a plurality of gate oxide film thicknesses are not integrated on one chip. However, the situation is different in a device such as an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) that requires a high voltage for writing / erasing a memory cell.
In the case of a NOR type flash memory, as shown in FIG. 17, the voltage used for writing / erasing inside is 3 V or more with respect to 3 V of the power supply voltage, and the difference is 3 times or more. is there. FIG. 17 shows a circuit diagram of transistors used in the NOR flash memory and applied voltages at the time of reading, writing, and erasing of the memory cells. A flash EEPROM is a semiconductor memory that includes stacked gate type nonvolatile memory cells and is electrically writable and erased collectively.

一般に、トランジスタのゲート酸化膜の耐圧は、10MV/cm程度(ゲート酸化膜の耐圧とは、それ以上の電界が印加されると酸化膜が破壊されるときの電界をいう)である。また、そのトランジスタに印加される電圧によってゲート酸化膜をどこまで薄膜化できるかが決まってくる。通常せいぜい破壊に至る半分以下の5MV/cm程度の電界をゲート酸化膜に印加可能な電界の上限と規定している。
トランジスタの性能は、ゲート酸化膜厚に強く依存し、膜厚が薄いほど性能は向上する。これはデバイスのスケーリング則によるものである(スケーリング則については、「超高速MOSデバイス」6〜12頁(培風館)参照)。
NOR型フラッシュメモリの場合、モードによって3V/10Vという3倍以上の異なる電圧が印加される。トランジスタのパラメータをこれに合わせて考えると、印加電圧が10Vの場合には、印加電圧が3Vの場合に比べて3.3倍厚い酸化膜をトランジスタに形成する必要になる。
In general, the breakdown voltage of a gate oxide film of a transistor is about 10 MV / cm (the breakdown voltage of the gate oxide film is an electric field when the oxide film is destroyed when an electric field higher than that is applied). The voltage applied to the transistor determines how far the gate oxide film can be thinned. Usually, an electric field of about 5 MV / cm, which is less than half that leads to destruction at most, is defined as the upper limit of the electric field that can be applied to the gate oxide film.
The performance of the transistor strongly depends on the gate oxide film thickness, and the performance improves as the film thickness decreases. This is due to the scaling law of the device (for the scaling law, see “Ultra-high-speed MOS device” on pages 6 to 12 (Baifukan)).
In the case of a NOR type flash memory, a different voltage of 3 times or more, 3V / 10V, is applied depending on the mode. Considering the transistor parameters accordingly, when the applied voltage is 10V, it is necessary to form an oxide film 3.3 times thicker than that when the applied voltage is 3V.

1種類のゲート酸化膜ですべての用途を満たそうとすると、前述したゲート酸化膜の耐圧を考慮しなければならないので、使用可能な酸化膜厚の下限は、20nm程度になる。そしてすべてのトランジスタを10V印加対応の酸化膜厚で形成した場合には3V印加系トランジスタに次のような問題が生じる。
1.トランジスタの特性劣化が生じる。ゲート酸化膜が厚いのでgmが上がらない。2.しきい値を下げることができない。トランジスタのしきい値電圧Vthは、チャネルの不純物濃度の平方根と、ゲート酸化膜厚に比例するので、10V印加系のトランジスタではしきい値が高く、低い電圧に対する回路マージンが不足してくる。3.レイアウト面積が増大する。10V仕様のトランジスタでは高電圧がかかるために各種デザインルールが広くなり、トランジスタサイズが大きくなる。特に、問題1、2は、電源電圧が低下してきた最近のメモリ/フラッシュメモリ混載ロジックデバイスでは深刻な問題である。
If one type of gate oxide film is to satisfy all applications, the above-mentioned breakdown voltage of the gate oxide film must be taken into consideration, so the lower limit of the usable oxide film thickness is about 20 nm. When all transistors are formed with an oxide film thickness corresponding to 10V application, the following problems occur in the 3V application transistor.
1. Degradation of transistor characteristics occurs. Since the gate oxide film is thick, gm does not increase. 2. The threshold cannot be lowered. Since the threshold voltage Vth of the transistor is proportional to the square root of the impurity concentration of the channel and the gate oxide film thickness, a 10V applied transistor has a high threshold and lacks a circuit margin for a low voltage. 3. Layout area increases. Since a high voltage is applied to a 10V specification transistor, various design rules are widened, and the transistor size is increased. In particular, problems 1 and 2 are serious problems in recent memory / flash memory mixed logic devices in which the power supply voltage has been lowered.

このため、特に3V以下の電源電圧(Vdd)で動作するフラッシュメモリでは、電源電圧Vddが3Vで動作する3V系トランジスタと電源電圧Vddが10Vで動作する10V系トランジスタ素子を作り分け、それぞれの素子をゲート酸化膜も含めて全く別個に作るプロセスを用いるのが一般的である。図18にトランジスタ記号の使い分けについて記載する。ゲート部分を薄く描いたもの(図18(a))は、薄いゲート酸化膜を用いたトランジスタ(以下、薄膜ゲート酸化膜トランジスタという)であり、厚く描いたもの(図18(b))は、厚いゲート酸化膜を用いたトランジスタ(以下、厚膜ゲート酸化膜トランジスタという)である。このように、例えば、最近のフラッシュEEPROMではゲート酸化膜作り分けプロセスを用いるのが一般的である。
以下、薄膜ゲート酸化膜トランジスタを低圧系トランジスタといい、厚膜ゲート酸化膜トランジスタを高圧系トランジスタともいう。
従来、電源電圧Vddが直接印加されるトランジスタ、電源電圧と等価な電圧が印加されるトランジスタ、入力バッファ/出力バッファのように外部とのインターフェース関係のトランジスタには、低圧系トランジスタが使用されていた。これは、電源電圧Vddで動作するトランジスタの性能を極力良くしてチップ性能を向上させるためである。
For this reason, particularly in a flash memory that operates with a power supply voltage (Vdd) of 3 V or less, a 3 V transistor that operates with a power supply voltage Vdd of 3 V and a 10 V transistor element that operates with a power supply voltage Vdd of 10 V are created separately. It is common to use a process that completely separates the gate oxide film including the gate oxide film. FIG. 18 shows the proper use of transistor symbols. A thin gate portion (FIG. 18A) is a transistor using a thin gate oxide film (hereinafter referred to as a thin film gate oxide transistor), and a thin gate portion (FIG. 18B) is A transistor using a thick gate oxide film (hereinafter referred to as a thick film gate oxide transistor). Thus, for example, in a recent flash EEPROM, it is common to use a gate oxide film formation process.
Hereinafter, the thin film gate oxide transistor is referred to as a low voltage transistor, and the thick gate oxide transistor is also referred to as a high voltage transistor.
Conventionally, a low-voltage transistor has been used as a transistor to which a power supply voltage Vdd is directly applied, a transistor to which a voltage equivalent to the power supply voltage is applied, or an interface-related transistor such as an input buffer / output buffer. . This is to improve the chip performance by improving the performance of the transistor operating with the power supply voltage Vdd as much as possible.

しかし、この方式では次のようにいくつかの問題がある。
まず、1.トランジスタの微細化が進み、外部電源電圧Vdd以下の電圧で内部を動作させる内部降圧が一般的になると、低圧系トランジスタそのものが電源電圧Vdd以下の耐圧しか持たない場合が出てくる。
図19は、内部降圧を行う場合の電源系システムを簡略化してまとめたブロック図である。図において、Vddは、電源電圧として外部よりチップに供給される電圧であり、降圧回路やインターフェース関係の各回路に供給される。内部の主な回路には降圧回路によって定められる電圧が供給され、降圧電位系として動作する。
外部とのインターフェース(データ出力バッファ)は、電源電圧Vddで動作するため、降圧回路により形成された内部降圧電位が低圧系回路に供給され、低圧系回路からレベルシフタにより電位変換された信号がI/Oバッファに与えられる。図20は、内部電源電圧降下回路(降圧回路)の1例である。
However, this method has several problems as follows.
First, 1. As transistor miniaturization advances and internal step-down operation is generally performed with the internal operation at a voltage lower than the external power supply voltage Vdd, the low-voltage transistor itself may have a withstand voltage lower than the power supply voltage Vdd. .
FIG. 19 is a simplified block diagram of a power supply system in the case of performing internal voltage step-down. In the figure, Vdd is a voltage supplied to the chip from the outside as a power supply voltage, and is supplied to each step-down circuit and each circuit related to the interface. The internal main circuit is supplied with a voltage determined by a step-down circuit and operates as a step-down potential system.
Since the external interface (data output buffer) operates at the power supply voltage Vdd, the internal step-down potential formed by the step-down circuit is supplied to the low-voltage system circuit, and the signal whose potential is converted by the level shifter from the low-voltage system circuit is Given to O buffer. FIG. 20 is an example of an internal power supply voltage drop circuit (voltage stepdown circuit).

図19に示す電源系システムにおいて、トランジスタにかかる電圧を考えると、電源電圧Vddについては内部降圧によりトランジスタにかかるストレスの軽減が可能であるが、インターフェースについては電源電圧Vddが直接印加されることになる。したがって、インターフェース部分の耐圧が律則してトランジスタの微細化が妨げられている。ここでインターフェースとは、入出力バッファ及び降圧回路部分で直接電源電圧Vddが供給される箇所のことである。
次に、2.同じくインターフェース関係においては、フラッシュEEPROMで一般的である3値制御(入力ピン(入力端子)にVddをはるかに越える高電圧を与えたときに3値目の状態として検知する場合が問題である。図21は、3値目の入力を検知する高電位検知回路の1例である。3値目の電圧としては12Vが通常使われているが、電源電圧Vddが3V系のトランジスタにとっては定格の4倍の電圧がかけられることになり問題1以上に厳しい状態になる。
In the power supply system shown in FIG. 19, considering the voltage applied to the transistor, the power supply voltage Vdd can reduce the stress applied to the transistor by internal step-down, but the power supply voltage Vdd is directly applied to the interface. Become. Therefore, the breakdown voltage of the interface portion is regulated, and the miniaturization of the transistor is hindered. Here, the interface is a portion to which the power supply voltage Vdd is directly supplied in the input / output buffer and the step-down circuit.
Next, in the same way, in relation to the interface, ternary control, which is common in flash EEPROM (when a high voltage far exceeding Vdd is applied to the input pin (input terminal) is detected as the third value state. 21 shows an example of a high-potential detection circuit that detects the input of the third value, where 12V is normally used as the voltage of the third value, but the power supply voltage Vdd is 3V. For a transistor, a voltage that is four times the rated voltage is applied, which is more severe than problem 1.

さらに、3.ESDストレス耐量に関する問題もある。静電気によるパッケージ帯電等の影響で半導体集積回路装置のピン(端子)に瞬時に高電圧が印加されるモードがある(Electro-Static Discharge)。通常入力ピン(入力端子)は、図22の回路図及び半導体基板断面図に示すようにパッド(入力端子)近傍に保護素子(逆方向ダイオード/寄生パイポーラ素子)を配置して集積回路内部に過大な電圧が印加されるのを防いでいる。図22では、保護素子として保護バイポーラ(図22(a))、n拡散領域−n拡散領域間の寄生npnバイポーラトランジスタ(図22(b))、MOSトランジスタの表面ブレークダウンを用いた寄生npnバイポーラトランジスタ(図22(c))などを用いている。
逆方向ダイオードは、PN接合からなるが、ブレークダウン電圧はゲート酸化膜の微細化と比例してスケーリングされる訳ではない。薄膜化が進むと酸化膜が破壊する電圧がPN接合のブレークダウン電圧以下になってしまうケースも考えられる。したがって、微細化デバイスにとってESDストレスは大変に深刻な問題である。
Furthermore, there is also a problem regarding 3. ESD stress tolerance. There is a mode (Electro-Static Discharge) in which a high voltage is instantaneously applied to pins (terminals) of a semiconductor integrated circuit device due to the effect of static electricity on the package. As shown in the circuit diagram of FIG. 22 and the semiconductor substrate cross-sectional view, the normal input pin (input terminal) is excessively large in the integrated circuit by arranging a protective element (reverse diode / parasitic bipolar element) near the pad (input terminal). This prevents the voltage from being applied. In FIG. 22, a protective bipolar (FIG. 22A), a parasitic npn bipolar transistor between n + diffusion region-n + diffusion region (FIG. 22B), and a parasitic using surface breakdown of a MOS transistor are used as protective elements. An npn bipolar transistor (FIG. 22C) or the like is used.
The reverse diode is composed of a PN junction, but the breakdown voltage is not scaled in proportion to the miniaturization of the gate oxide film. As the film thickness decreases, the voltage at which the oxide film breaks may be less than the breakdown voltage of the PN junction. Therefore, ESD stress is a very serious problem for miniaturized devices.

また、4.内部降圧する際の電源電圧Vddが直接印加されるノードは、問題である。内部降圧する場合でも電源電圧Vddと接触するノードは当然存在する。このノードについては、他のインターフェース同様過大な電圧が印加されると酸化膜が破壊され、また、破壊されないまでもデバイスの信頼上大きな問題となる。そのため、インターフェース部分がネックで酸化膜のスケーリングができなくなる場合も考えられる。
特許文献1には昇圧回路が発生する高電圧を安定化させるための容量として記憶装置内の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(FET)と同一ゲート絶縁膜厚を有するFETを利用する容量性素子の直列体で構成する半導体記憶装置が記載されている。
特開平6−188387号公報
Also, the node to which the power supply voltage Vdd is directly applied when the voltage is internally stepped down is a problem. Even when the internal voltage is stepped down, there is naturally a node in contact with the power supply voltage Vdd. For this node, if an excessive voltage is applied like other interfaces, the oxide film is destroyed, and even if it is not destroyed, it becomes a big problem in device reliability. Therefore, there may be a case where the oxide film cannot be scaled because the interface portion is a neck.
Patent Document 1 discloses a series of capacitive elements that use an FET having the same gate insulating film thickness as an insulated gate field effect transistor (FET) in a memory device as a capacitor for stabilizing a high voltage generated by a booster circuit. A semiconductor memory device composed of a body is described.
JP-A-6-188387

本発明は、低圧系トランジスタ及び高圧系トランジスタ、すなわち、複数のゲート酸化膜厚の異なるトランジスタをトランジスタ特性を損なうことなく1チップに集積する半導体集積回路装置を提供する。   The present invention provides a semiconductor integrated circuit device in which a low-voltage transistor and a high-voltage transistor, that is, a plurality of transistors having different gate oxide thicknesses are integrated on one chip without impairing transistor characteristics.

本発明の半導体集積回路装置の一態様は、半導体基板に形成されたメモリセルアレイと、前記半導体基板に形成され、前記メモリセルアレイを構成する複数のメモリセルに接続され、これらメモリセルの各ノードを制御する制御回路とを具備し、前記制御回路におけるYセレクタのゲートに、読み出し時内部昇圧された電位が与えられることを特徴としている。
また、本発明の半導体集積回路装置の一態様は、前記半導体基板に形成されたメモリセルアレイと、前記半導体基板に形成され、前記メモリセルアレイを構成する複数のメモリセルに接続され、これらメモリセルの各ノードを制御する制御回路とを具備し、前記制御回路におけるソースデコーダのNMOSドライバゲートに読み出し時内部昇圧された電位が与えられることを特徴としている。
すなわち、本発明においては、外部電源と接触しており高い耐圧が必要なノードに厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用い、外部電源に接触していないトランジスタには薄膜ゲート酸化膜トランジスタを用いる。これにより、薄膜ゲート酸化膜トランジスタは、内部降圧でコントロール出来る範囲の電圧しか印加されないのでデバイス/回路設計の自由度が飛躍的に広がる。
One embodiment of a semiconductor integrated circuit device of the present invention includes a memory cell array formed on a semiconductor substrate, and a plurality of memory cells formed on the semiconductor substrate and constituting the memory cell array. And a control circuit for controlling, and the gate of the Y selector in the control circuit is supplied with an internally boosted potential during reading.
Another embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention is a memory cell array formed on the semiconductor substrate and connected to a plurality of memory cells formed on the semiconductor substrate and constituting the memory cell array. And a control circuit that controls each node, and an internal boosted potential is applied to the NMOS driver gate of the source decoder in the control circuit during reading.
That is, in the present invention, a thick gate oxide transistor is used for a node that is in contact with an external power supply and requires a high breakdown voltage, and a thin film gate oxide transistor is used for a transistor that is not in contact with the external power supply. As a result, only a voltage within a range that can be controlled by the internal step-down voltage is applied to the thin-film gate oxide film transistor, so that the degree of freedom in device / circuit design is greatly expanded.

以上詳述した通り、本発明によれば、この外部と接触しているノードに耐圧の高い厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いることにより、薄膜ゲート酸化膜トランジスタを用いたデバイスは内部降圧でコントロール出来る範囲の電圧しか印加されないことになり、デバイス/回路設計の自由度が飛躍的に広がる。又ゲート酸化膜が厚いほど電界が弱くなるのでESD保護の耐圧を高めに設定できる。   As described in detail above, according to the present invention, a device using a thin film gate oxide transistor can be controlled by internal step-down by using a thick gate oxide transistor having a high breakdown voltage at the node in contact with the outside. Only a voltage in the range is applied, and the degree of freedom in device / circuit design is greatly expanded. Further, since the electric field becomes weaker as the gate oxide film is thicker, the ESD protection withstand voltage can be set higher.

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to examples.

図面を参照して実施例1を説明する。
図1は、半導体集積回路装置が形成されたシリコンなどの半導体基板表面を模式的に示す平面図である。半導体基板1には、例えば、周辺に複数の入力/出力端子23、電源端子(Vdd)21、接地端子(GND)22などの外部端子2が配置されている。半導体基板1内部にはメモリセルアレイなどの集積回路を構成する内部回路4が形成されており、内部回路4は、外部端子2と入力回路もしくは出力回路などのインターフェース回路3を介して接続されている。
そして、電源端子21に直接接続されるMOSトランジスタには少なくとも厚膜ゲート酸化膜トランジスタ(図18(b)参照)が用いられる。半導体基板1にはそれぞれ電源端子21、接地端子22に接続されている電源線24及び接地線25が形成されている。厚膜ゲート酸化膜トランジスタの酸化膜厚は、10nmを越えている。好ましくは12〜20nmが適当である。この厚さなら5Vを印加することができる。一方、電源端子21に直接接続されない薄膜ゲート酸化膜トランジスタの酸化膜厚は、5Vをかける必要はないので、10nm以下好ましくは、8nm程度以下が適当である。
Embodiment 1 will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view schematically showing the surface of a semiconductor substrate such as silicon on which a semiconductor integrated circuit device is formed. For example, a plurality of input / output terminals 23, a power supply terminal (Vdd) 21, and a ground terminal (GND) 22 are arranged around the semiconductor substrate 1. An internal circuit 4 constituting an integrated circuit such as a memory cell array is formed inside the semiconductor substrate 1, and the internal circuit 4 is connected to the external terminal 2 via an interface circuit 3 such as an input circuit or an output circuit. .
At least a thick gate oxide transistor (see FIG. 18B) is used as the MOS transistor directly connected to the power supply terminal 21. A power supply line 24 and a ground line 25 connected to the power supply terminal 21 and the ground terminal 22 are formed on the semiconductor substrate 1. The oxide film thickness of the thick gate oxide transistor exceeds 10 nm. 12 to 20 nm is preferable. With this thickness, 5V can be applied. On the other hand, the oxide film thickness of the thin-film gate oxide transistor that is not directly connected to the power supply terminal 21 does not need to be applied with 5 V, and is 10 nm or less, preferably about 8 nm or less.

図2は、半導体基板に形成されたデータ出力バッファ回路及びレベルシフタの回路図である。降圧回路(図示せず)で形成された降圧電位の内部出力信号は、レベルシフタに入力され、出力バッファを介して外部端子に出力端子(I/O)から出力される。レベルシフタは、PMOSトランジスタP1、P2、NMOSトランジスタN1、N2及びインバータ回路INVから構成されている。出力バッファは、PMOSトランジスタP3、P4、P5及びNMOSトランジスタN3、N4、N5から構成されている。電源電圧Vddがソースに接続されているPMOSトランジスタP1、P2は、厚膜ゲート酸化膜トランジスタからなる。PMOSトランジスタP1、P2のドレインにドレインが接続されているNMOSトランジスタN1、N2も厚膜ゲート酸化膜トランジスタから構成されている。インバータ回路INVは、NMOSトランジスタN1、N2のゲート間に、このインバータ回路の出力がNMOSトランジスタN2のゲートに入力されるように接続される。PMOSトランジスタP1のゲートは、PMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2の接続部に接続される。PMOSトランジスタP2のゲートは、PMOSトランジスタP1とNMOSトランジスタN1の接続部に接続される。   FIG. 2 is a circuit diagram of the data output buffer circuit and the level shifter formed on the semiconductor substrate. An internal output signal of a step-down potential formed by a step-down circuit (not shown) is input to a level shifter and output from an output terminal (I / O) to an external terminal via an output buffer. The level shifter includes PMOS transistors P1 and P2, NMOS transistors N1 and N2, and an inverter circuit INV. The output buffer is composed of PMOS transistors P3, P4, P5 and NMOS transistors N3, N4, N5. The PMOS transistors P1 and P2 connected to the source of the power supply voltage Vdd are thick gate oxide transistors. The NMOS transistors N1 and N2 whose drains are connected to the drains of the PMOS transistors P1 and P2 are also formed of thick gate oxide transistors. The inverter circuit INV is connected between the gates of the NMOS transistors N1 and N2 so that the output of the inverter circuit is input to the gate of the NMOS transistor N2. The gate of the PMOS transistor P1 is connected to the connection portion between the PMOS transistor P2 and the NMOS transistor N2. The gate of the PMOS transistor P2 is connected to the connection portion between the PMOS transistor P1 and the NMOS transistor N1.

出力バッファのインバータ回路を構成するPMOSトランジスタP3、インバータ回路を構成するPMOSトランジスタP4及び出力端に接続されたPMOSトランジスタP5のそれぞれのソースに電源電圧Vddが接続されている。したがって、これらのPMOSトランジスタP3、P4、P5は、厚膜ゲート酸化膜トランジスタで構成され、これらトランジスタと接続されるNMOSトランジスタN3、N4、N5も厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いる。
このように、レベルシフタより先のすべてのトランジスタは、厚膜ゲート酸化膜トランジスタ、すなわち、高圧系トランジスタで形成される。この他のトランジスタは、薄膜ゲート酸化膜トランジスタから構成されている。
これは、内部電圧の出力信号を受けて電源電圧Vddレベルにレベルシフト後出力バッファトランジスタに信号を与えている例である。内部電圧降下をしていない場合においても、外部端子I/Oに直接接続される出力バッファトランジスタを高電位系で形成することも考えられる。これだけでも従来技術の問題点3であるESD耐圧不足に対して十分な効果がある。
The power source voltage Vdd is connected to the sources of the PMOS transistor P3 constituting the inverter circuit of the output buffer, the PMOS transistor P4 constituting the inverter circuit, and the PMOS transistor P5 connected to the output terminal. Therefore, these PMOS transistors P3, P4 and P5 are formed of thick film gate oxide transistors, and the NMOS transistors N3, N4 and N5 connected to these transistors also use thick film gate oxide transistors.
In this way, all transistors prior to the level shifter are formed by thick gate oxide transistors, that is, high voltage transistors. The other transistors are thin film gate oxide transistors.
In this example, an output signal of an internal voltage is received and a signal is given to the output buffer transistor after level shifting to the power supply voltage Vdd level. Even when there is no internal voltage drop, it may be possible to form an output buffer transistor directly connected to the external terminal I / O in a high potential system. This alone has a sufficient effect on the insufficient ESD withstand voltage, which is the third problem of the prior art.

図3は、半導体基板に形成された入力バッファの回路図である。
図2の場合と同様に入力初段に電源電圧Vddを印加するのでESD対策として十分に有効である。入力端子にゲートが接続されたPMOSトランジスタP6及びNMOSトランジスタN6はインバータ構造を有しており、いずれも厚膜ゲート酸化膜トランジスタからなる。PMOSトランジスタP6のソースは、電源電圧Vddに接続されている。これらトランジスタは、インバータINVを介して内部回路に接続されている。
図4は、半導体基板に形成された出力バッファの回路図である。
ここではESD耐圧を高める観点から、出力端子に直接接続されている出力バッファの最終段のみに厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いる。この最終段は、直列に接続されたPMOSトランジスタP7及びNMOSトランジスタN7からなり、PMOSトランジスタP7のソースには電源電圧Vddが印加される。これらトランジスタに接続されるインバータINV1、INV2を構成するトランジスタには薄膜ゲート酸化膜トランジスタ、すなわち、低電位系トランジスタが用いられている。
FIG. 3 is a circuit diagram of the input buffer formed on the semiconductor substrate.
As in the case of FIG. 2, the power supply voltage Vdd is applied to the first input stage, which is sufficiently effective as an ESD countermeasure. The PMOS transistor P6 and NMOS transistor N6, whose gates are connected to the input terminals, have an inverter structure, both of which are made of thick gate oxide transistors. The source of the PMOS transistor P6 is connected to the power supply voltage Vdd. These transistors are connected to an internal circuit via an inverter INV.
FIG. 4 is a circuit diagram of an output buffer formed on the semiconductor substrate.
Here, from the viewpoint of increasing the ESD withstand voltage, a thick gate oxide transistor is used only in the final stage of the output buffer directly connected to the output terminal. This final stage includes a PMOS transistor P7 and an NMOS transistor N7 connected in series, and a power supply voltage Vdd is applied to the source of the PMOS transistor P7. As transistors constituting the inverters INV1 and INV2 connected to these transistors, thin-film gate oxide transistors, that is, low-potential transistors are used.

図5は、高電位検知回路の回路図である。図21に示す従来の高電位検知回路と回路構成は同じであるが、この回路では入力端子に接続されるトランジスタ及びゲートに電源電圧Vddが印加されるトランジスタに厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いることで従来とは異なる。すなわち、厚膜ゲート酸化膜トランジスタは、基板電位と同電位のソースが入力端子に接続され、ゲートがドレインに接続されたPMOSトランジスタP8、ソースがPMOSトランジスタP8のドレインに接続されたPMOSトランジスタP9、ドレインがPMOSトランジスタP8のドレインに接続され、ソースが接地電位VssのNMOSトランジスタN8に用いられている。3値レベル検知信号は、インバータINV1、INV2を介して出力される。
本発明が適用されるフラッシュEEPROMでは、3値制御(入力端子にVddをはるかに越える高電圧を与えたときに3値目の状態を検知する場合)が問題である。3値目の電圧としては12Vが通常使われているが、電源電圧Vddが3V系のトランジスタにとっては定格の4倍の電圧がかけられることになり問題1以上に厳しい状態になるが、厚膜ゲート酸化膜トランジスタをこの検知回路に適用することによりこの問題を回避することができる。
FIG. 5 is a circuit diagram of the high potential detection circuit. The circuit configuration is the same as that of the conventional high potential detection circuit shown in FIG. 21, but in this circuit, a thick gate oxide transistor is used for the transistor connected to the input terminal and the transistor to which the power supply voltage Vdd is applied to the gate. It is different from the conventional one. That is, the thick gate oxide transistor includes a PMOS transistor P8 having a source having the same potential as the substrate potential connected to the input terminal, a gate connected to the drain, and a PMOS transistor P9 having a source connected to the drain of the PMOS transistor P8, The drain is connected to the drain of the PMOS transistor P8, and the source is used for the NMOS transistor N8 having the ground potential Vss. The ternary level detection signal is output via inverters INV1 and INV2.
In the flash EEPROM to which the present invention is applied, ternary control (when the third state is detected when a high voltage far exceeding Vdd is applied to the input terminal) is a problem. Although the voltage of 12V is normally used as the third voltage, the power supply voltage Vdd is 4 times higher than the rated voltage for 3V type transistors, which is more severe than problem 1. This problem can be avoided by applying a gate oxide transistor to this detection circuit.

図6は、内部電源電圧降下回路(降圧回路)の回路図である。
図21に示す従来の降圧回路と回路構成は同じであるが、この回路では電源電圧Vddが印加されるトランジスタに厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いることで従来とは異なる。図19は、内部降圧を行う場合の電源系システムを簡略化してまとめたブロック図である。Vddは、電源電圧として外部よりチップに供給される電圧であり、降圧回路やインターフェース関係の各回路に供給される。内部の主な回路には降圧回路によって定められる電圧が供給され、降圧電位系として動作する。
FIG. 6 is a circuit diagram of an internal power supply voltage drop circuit (step-down circuit).
The circuit configuration is the same as that of the conventional step-down circuit shown in FIG. 21, but this circuit differs from the conventional one by using a thick gate oxide film transistor as the transistor to which the power supply voltage Vdd is applied. FIG. 19 is a simplified block diagram of a power supply system in the case of performing internal voltage step-down. Vdd is a voltage supplied to the chip from the outside as a power supply voltage, and is supplied to each step-down circuit and each interface-related circuit. The internal main circuit is supplied with a voltage determined by a step-down circuit and operates as a step-down potential system.

この降圧回路は、基準電圧発生回路で生成された基準電圧Vref を負入力とする差動増幅器AMP、ゲートが差動増幅器AMPの出力に接続され、ソースが電源電圧Vddに接続されたPMOSトランジスタP10、ドレイン及びゲートがPMOSトランジスタP10のドレインに接続されたNMOSトランジスタN10、ゲートがPMOSトランジスタP10のドレインに接続され、ソースが電源電圧Vddに接続されたNMOSトランジスタN9、直列接続され中点Cが差動増幅器AMPの正入力に接続された抵抗R1、R2から構成されており、この降圧回路から内部電源電圧VddINT が生成される。
この実施例では、PMOSトランジスタP10及びNMOSトランジスタN9、N10に本発明の特徴である厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いる。一方、この降圧回路に直接接続されて降圧電位系で動作するようなトランジスタについては、薄膜ゲート酸化膜トランジスタが用いられる。
This step-down circuit has a differential amplifier AMP having a negative input to the reference voltage Vref generated by the reference voltage generation circuit, a PMOS transistor P10 having a gate connected to the output of the differential amplifier AMP and a source connected to the power supply voltage Vdd. The NMOS transistor N10 has a drain and a gate connected to the drain of the PMOS transistor P10. The NMOS transistor N9 has a gate connected to the drain of the PMOS transistor P10 and a source connected to the power supply voltage Vdd. It is composed of resistors R1 and R2 connected to the positive input of the dynamic amplifier AMP, and an internal power supply voltage VddINT is generated from this step-down circuit.
In this embodiment, the thick gate oxide transistor which is a feature of the present invention is used for the PMOS transistor P10 and the NMOS transistors N9 and N10. On the other hand, a thin film gate oxide transistor is used for a transistor that is directly connected to the step-down circuit and operates in a step-down potential system.

次に、図7図乃至図10に示す製造工程断面図を参照して厚膜ゲート酸化膜トランジスタ(低圧系トランジスタ)及び薄膜ゲート酸化膜トランジスタ(高圧系トランジスタ)を混載する半導体集積回路装置の製造方法を説明する。この半導体集積回路装置は、例えば、NOR型フラッシュメモリを混載したロジックを備えた多電源装置である。半導体基板1は、例えば、10Vなどで動作する高圧系トランジスタ領域20と、例えば、3Vで動作する低圧系トランジスタ領域30を備えている。
まず、シリコン半導体などの半導体基板1表面にLOCOS法により各領域を分離する厚さ550nmのフィールド酸化膜5を形成する。これを形成するには半導体基板1表面の素子形成領域にマスクを施し、加熱処理を行って素子分離領域を形成する。フィールド酸化膜5を形成することによって半導体基板1は、高圧系トランジスタ領域20及び低圧系トランジスタ領域30にそれぞれ素子分離される(図7(a))。その後、厚さ15nm程度のダミーゲート酸化膜6を熱酸化処理によって半導体基板1上の素子領域に形成する(図7(b))。その後高圧系トランジスタ領域20を露出させたパターンを有するフォトレジスト7を半導体基板1に形成する。
Next, referring to the manufacturing process sectional views shown in FIG. 7 to FIG. 10, a semiconductor integrated circuit device in which a thick gate oxide transistor (low voltage transistor) and a thin gate oxide transistor (high voltage transistor) are mixedly mounted is manufactured. A method will be described. This semiconductor integrated circuit device is, for example, a multi-power supply device including a logic in which a NOR flash memory is embedded. The semiconductor substrate 1 includes a high-voltage transistor region 20 that operates at, for example, 10V, and a low-voltage transistor region 30 that operates at, for example, 3V.
First, a field oxide film 5 having a thickness of 550 nm is formed on the surface of a semiconductor substrate 1 such as a silicon semiconductor by LOCOS method. In order to form this, an element formation region on the surface of the semiconductor substrate 1 is masked, and heat treatment is performed to form an element isolation region. By forming the field oxide film 5, the semiconductor substrate 1 is separated into a high-voltage transistor region 20 and a low-voltage transistor region 30 (FIG. 7A). Thereafter, a dummy gate oxide film 6 having a thickness of about 15 nm is formed in the element region on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation (FIG. 7B). Thereafter, a photoresist 7 having a pattern exposing the high-voltage transistor region 20 is formed on the semiconductor substrate 1.

そして、このフォトレジスト7をマスクにして高圧系トランジスタ領域20のダミーゲート酸化膜6下に、例えば、ボロンイオンを60KeV、6×1012atoms/cm2 の条件で注入するチャネルイオン注入8を行う(図8(a))。次に、半導体基板1上のフォトレジスト7を酸処理などで取り除いてから低圧系トランジスタ領域30を露出させたパターンを有するフォトレジスト9を半導体基板1に形成する。そして、このフォトレジスト9をマスクにして低圧系トランジスタ領域30のダミーゲート酸化膜6下に、例えば、まずボロンイオンを80KeV、1.5×1012atoms/cm2 の条件で深く注入し、ついでボロンイオンを40KeV、2.5×1012atoms/cm2 の条件で浅く注入してチャネルイオン注入11を行う(図8(b))。
次に、酸処理によりフォトレジスト9を除去してからダミーゲート酸化膜6を希HF処理により取り去る。次いで、厚さ18nm程度のゲート酸化膜12を高圧系トランジスタ領域20及び低圧系トランジスタ領域30に形成する(図9(a))。次に、高圧系トランジスタ領域20を被覆するフォトレジスト13を半導体基板1に形成し、これをマスクとして低圧系トランジスタ領域30のゲート酸化膜12を希HF処理により取り除く(図9(b))。
Then, channel ion implantation 8 for implanting boron ions, for example, under conditions of 60 KeV and 6 × 10 12 atoms / cm 2 is performed below the dummy gate oxide film 6 in the high-voltage transistor region 20 using the photoresist 7 as a mask. (FIG. 8 (a)). Next, after removing the photoresist 7 on the semiconductor substrate 1 by acid treatment or the like, a photoresist 9 having a pattern in which the low-voltage transistor region 30 is exposed is formed on the semiconductor substrate 1. Then, for example, boron ions are first implanted deeply under the conditions of 80 KeV and 1.5 × 10 12 atoms / cm 2 under the dummy gate oxide film 6 in the low-voltage transistor region 30 using the photoresist 9 as a mask. Boron ions are implanted shallowly under the conditions of 40 KeV and 2.5 × 10 12 atoms / cm 2 to perform channel ion implantation 11 (FIG. 8B).
Next, after removing the photoresist 9 by acid treatment, the dummy gate oxide film 6 is removed by dilute HF treatment. Next, a gate oxide film 12 having a thickness of about 18 nm is formed in the high-voltage transistor region 20 and the low-voltage transistor region 30 (FIG. 9A). Next, a photoresist 13 covering the high-voltage transistor region 20 is formed on the semiconductor substrate 1, and using this as a mask, the gate oxide film 12 in the low-voltage transistor region 30 is removed by dilute HF treatment (FIG. 9B).

次に、このフォトレジスト13を酸処理により除去してから半導体基板1を熱処理して、高圧系トランジスタ領域20及び低圧系トランジスタ領域30の表面に厚さ10nm程度のゲート酸化膜を形成する。即ち、高圧系トランジスタ領域20には、ゲート酸化膜12の上にさらに酸化膜を重ねて膜厚20nm程度のゲート酸化膜15を形成し、低圧系トランジスタ領域30には、半導体基板1表面に熱酸化を行って薄い厚さ10nm程度のゲート酸化膜14を形成する。この方法により膜厚の異なるゲート酸化膜が形成される。次に、ゲート電極材料となるポリシリコン膜18をCVD(Chemical Vapour Deposition)法などにより半導体基板1の全面に堆積させてから、このポリシリコン膜18にリンなどの不純物を拡散する(図10(a))。その後ポリシリコン膜18をパターニングし、半導体基板1の表面領域に不純物拡散領域を選択的に形成する。この結果、高圧系トランジスタ領域20には、ソース/ドレイン領域16と、その間の上に形成されたゲート酸化膜15と、その上に形成されたゲート電極18とから構成されたNMOSトランジスタが形成され、低圧系トランジスタ領域30には、ソース/ドレイン領域17と、その間の上に形成されたゲート酸化膜14と、その上に形成されたゲート電極18とから構成されたNMOSトランジスタが形成される(図10(b))。   Next, after removing the photoresist 13 by acid treatment, the semiconductor substrate 1 is heat-treated to form a gate oxide film having a thickness of about 10 nm on the surfaces of the high-voltage transistor region 20 and the low-voltage transistor region 30. That is, in the high-voltage transistor region 20, an oxide film is further stacked on the gate oxide film 12 to form a gate oxide film 15 having a thickness of about 20 nm. In the low-voltage transistor region 30, the surface of the semiconductor substrate 1 is heated. Oxidation is performed to form a thin gate oxide film 14 having a thickness of about 10 nm. By this method, gate oxide films having different thicknesses are formed. Next, after depositing a polysilicon film 18 serving as a gate electrode material on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like, impurities such as phosphorus are diffused into the polysilicon film 18 (FIG. a)). Thereafter, the polysilicon film 18 is patterned to selectively form an impurity diffusion region in the surface region of the semiconductor substrate 1. As a result, in the high-voltage transistor region 20, an NMOS transistor is formed that includes the source / drain region 16, the gate oxide film 15 formed therebetween, and the gate electrode 18 formed thereon. In the low-voltage transistor region 30, an NMOS transistor is formed which includes a source / drain region 17, a gate oxide film 14 formed therebetween, and a gate electrode 18 formed thereon ( FIG. 10B).

なお、ゲート酸化膜を形成する手段として、上記の酸化膜を重ねて形成する方法を取らないで、それぞれの領域毎に所定の厚さのゲート酸化膜を形成する方法を用いることもできる。
また、ここでは2種類のゲート酸化膜厚を有するトランジスタを形成する場合を示したが、例えば、低圧系トランジスタを電源電圧Vdd系と最もゲート酸化膜の薄い降圧電位系に作り分けるなどして、3種類以上のゲート酸化膜厚を有するトランジスタを形成しても良い。この場合インターフェース回路や降圧回路のトランジスタは、Vdd系、高圧系のいずれのトランジスタで構成しても良い。
次に、本発明をフラッシュEEPROMを構成する制御回路に適用した実施例について説明する。
まず、フラッシュEEPROMにおける内部昇圧について説明する。
半導体メモリの読み出し系のようにアナログ的要素の大きい回路では、通常のCMOSロジック部分と比較して電源マージンの狭い場合が多い。とくにデバイスの低電圧化が進むにしたがって、アナログ部分の電源マージン不足を補うために回路的な工夫が必要になってくる。
As a means for forming the gate oxide film, a method of forming a gate oxide film having a predetermined thickness for each region can be used without taking the method of forming the above-described oxide film in an overlapping manner.
Also, here, a case where a transistor having two types of gate oxide film thicknesses is formed is shown. For example, a low-voltage transistor is separately formed into a power supply voltage Vdd system and a step-down potential system having the thinnest gate oxide film. A transistor having three or more gate oxide film thicknesses may be formed. In this case, the transistors of the interface circuit and the step-down circuit may be composed of either Vdd type or high voltage type transistors.
Next, an embodiment in which the present invention is applied to a control circuit constituting a flash EEPROM will be described.
First, internal boosting in the flash EEPROM will be described.
In a circuit having a large analog element such as a read system of a semiconductor memory, the power supply margin is often narrower than that of a normal CMOS logic portion. In particular, as the voltage of the device is lowered, it is necessary to devise a circuit to make up for the shortage of the power supply margin in the analog portion.

以下、フラッシュEEPROMの読み出し回路を説明する。図11は、フラッシュEEPROMのメモリセル断面図及び等価回路図、図12は、セルアレイの回路図である。図中、VG はゲート電圧、VS はソース電圧、VD はドレイン電圧である。メモリセルへのデータ書き込み/消去は浮遊ゲートへ電子を注入し、引き抜くことによって行う。浮遊ゲートに電子が存在する状態では制御ゲートからみたしきい値が高くなってオフ状態になり、電子が存在しない状態では制御ゲートからみたしきい値が低くなってオン状態になる。オン状態のしきい値は、2V程度が一般的である。
従来のフラッシュEEPROMにおいて電源電圧は、Vdd=5Vが一般的であり、読み出し時にはメモリセルの制御ゲート(VG )にVdd=5Vを直接印加していた。こうした場合、読み出し時オン状態のメモリセルで検出されるセル電流Icellは下記(1)式で表される。
Icell=kVD (Vdd−VTHcell−1/2・VD 2 )・・・(1)
ここで、kは比例定数である。VTHcell=2Vの場合は、Vdd−VTHcell=3Vとなり十分なセル電流Icellが得られる。しかし、低電圧化が進み、Vdd=3Vになると、Vdd−VTHcell=1Vになってしまうので、十分なセル電流が得られなくなる。
Hereinafter, a read circuit of the flash EEPROM will be described. FIG. 11 is a cross-sectional view of a memory cell and an equivalent circuit diagram of a flash EEPROM, and FIG. 12 is a circuit diagram of a cell array. In the figure, VG is a gate voltage, VS is a source voltage, and VD is a drain voltage. Data writing / erasing to the memory cell is performed by injecting electrons into the floating gate and extracting them. In the state where electrons are present in the floating gate, the threshold value seen from the control gate is increased and turned off, and in the state where no electrons are present, the threshold value seen from the control gate is lowered and turned on. The on-state threshold is generally about 2V.
In the conventional flash EEPROM, the power supply voltage is generally Vdd = 5V, and Vdd = 5V is directly applied to the control gate (VG) of the memory cell at the time of reading. In such a case, the cell current Icell detected in the memory cell in the on state at the time of reading is expressed by the following equation (1).
Icell = kVD (Vdd-VTHcell- 1/2 · VD 2) ··· (1)
Here, k is a proportionality constant. When VTHcell = 2V, Vdd−VTHcell = 3V and sufficient cell current Icell can be obtained. However, when the voltage is lowered and Vdd = 3V, Vdd−VTHcell = 1V, so that a sufficient cell current cannot be obtained.

このため読み出し時には、例えば、図13に示されるような昇圧回路を用いてメモリセルのワード線にかかる電圧を内部昇圧によって5V程度にする技術が提案されている。図13は、直列に接続された複数のダイオード、ダイオードのアノード/カソード間に接続されたキャパシタからなり、リングオシレータからの逆相の信号がキャパシタに与えられる。
以上、メモリセルのゲート電圧を昇圧する必然性について説明したが、読み出し時のカラムでも同じようなことが起きる。
図14は、フラッシュEEPROMの読み出し回路の概略回路図である。Vbiasは、2V程度に設定され、読み出し時のビット線電圧の上限がリミットされるようになっている。ドレイン電圧VD は、ほぼ1Vである。
ビット線BL、/BLの微小な振幅は、負荷Rによって増幅されて、センスアンプAMPに入力されメモリデータの“1”/“0”(オン状態/オフ状態)が判定される。
For this reason, at the time of reading, for example, a technique has been proposed in which the voltage applied to the word line of the memory cell is set to about 5 V by internal boosting using a booster circuit as shown in FIG. FIG. 13 is composed of a plurality of diodes connected in series and a capacitor connected between the anode / cathode of the diodes, and an antiphase signal from the ring oscillator is applied to the capacitor.
Although the necessity of boosting the gate voltage of the memory cell has been described above, the same thing occurs in the column at the time of reading.
FIG. 14 is a schematic circuit diagram of a read circuit of the flash EEPROM. Vbias is set to about 2 V, and the upper limit of the bit line voltage at the time of reading is limited. The drain voltage VD is approximately 1V.
The minute amplitudes of the bit lines BL and / BL are amplified by the load R and input to the sense amplifier AMP to determine “1” / “0” (on state / off state) of the memory data.

低電位化にともなって問題となってくるのは、Yセレクタの抵抗である。従来の5V動作では読み出し時のYセレクタゲートTr1には電源電圧Vddが印加される。そして、Yセレクタゲートのバイアスは、VG =5V、VS =1Vであるので、Yセレクタの抵抗は、セルの等価抵抗と比較して十分に小さかった。
しかし、電源電圧Vddが低電圧化されて2.7Vあるいはそれ以下になると、VG =2.7V、VS =1VであるからVGS=1.7Vとなり、Yセレクタの等価抵抗が非常に大きくなってくる。つまり、セルに比較して無視できぬほどYセレクタの抵抗が高く、Yセレクタの抵抗値が大きな電源電圧依存性を持つという問題が生じてくる。このため読み出し回路のVddmin マージンが大きく損なわれる結果となる。
このような問題の対策として読み出し時にYセレクタにかかる電圧も昇圧電位を用いる。昇圧電位は、外部電源に依存しない一定電位に設定できるために広い電源電圧範囲でもセルまわり(ワード線+Yセレクタ)は、同じバイアス関係で動作することになり、安定した読み出し動作が得られる。
さらに、前述の昇圧電位は、ソースデコーダにも適用できる。これは、読み出し電位の低電位化にともない、Yセレクタ同様にソースデコーダのNMOSドライバの抵抗が問題になってくるからである。
A problem with the lowering of the potential is the resistance of the Y selector. In the conventional 5V operation, the power supply voltage Vdd is applied to the Y selector gate Tr1 during reading. Since the bias of the Y selector gate is VG = 5V and VS = 1V, the resistance of the Y selector is sufficiently smaller than the equivalent resistance of the cell.
However, when the power supply voltage Vdd is lowered to 2.7 V or less, VG = 2.7 V and VS = 1 V, so VGS = 1.7 V, and the equivalent resistance of the Y selector becomes very large. come. That is, there is a problem that the resistance of the Y selector is so high that it cannot be ignored compared to the cell, and the resistance value of the Y selector has a large power supply voltage dependency. As a result, the Vddmin margin of the read circuit is greatly impaired.
As a countermeasure against such a problem, the voltage applied to the Y selector at the time of reading also uses the boosted potential. Since the boosted potential can be set to a constant potential that does not depend on the external power supply, the cell periphery (word line + Y selector) operates in the same bias relation even in a wide power supply voltage range, and a stable read operation can be obtained.
Further, the boosted potential described above can be applied to a source decoder. This is because the resistance of the NMOS driver of the source decoder becomes a problem as with the Y selector as the read potential is lowered.

図15は、フラッシュEEPROMのブロックダイアグラム図、図16は、フラッシュEEPROMのメモリセルに対する制御回路を簡略化したブロック図である。こうした制御回路の中でソースデコーダは、消去時にハイレベル、それ以外はロウレベルを出力する回路である。図16では、ソースデコーダの機能を簡略化してインバータとして表現しているが実際は様々な構成を有している。
しかも、Yセレクタ、ソースデコーダともに書き込み消去時に高い電圧を印加するため、ここでのトランジスタには一般的に低電圧動作には適さない厚膜ゲート酸化膜トランジスタ、すなわち、高圧系トランジスタが使用される。したがって、これらYセレクタのゲートやソースデコーダのNMOSドライバゲートに昇圧電位を用いることは、読み出し時に安定動作を図る上で非常に有効である。
FIG. 15 is a block diagram of the flash EEPROM, and FIG. 16 is a simplified block diagram of a control circuit for the memory cell of the flash EEPROM. In such a control circuit, the source decoder is a circuit that outputs a high level at the time of erasing, and outputs a low level otherwise. In FIG. 16, the function of the source decoder is simplified and expressed as an inverter, but actually has various configurations.
In addition, since a high voltage is applied to both the Y selector and the source decoder at the time of writing and erasing, a thick gate oxide film transistor, that is, a high voltage transistor that is generally not suitable for low voltage operation is used as the transistor here. . Therefore, the use of the boosted potential for the gate of the Y selector and the NMOS driver gate of the source decoder is very effective in achieving stable operation during reading.

本発明は、以上のような構成により、次のような作用が認められる。
(1)インターフェース関係
素子の微細化にともない低電圧化が進んでいるが、システムによってはいまだ5Vを使用しているものも多い。そのため、デバイスに要求される機能として動作可能な電源電圧範囲が広いことが重要になってくる。このことは微細化を進めていく上で弊害となって見えてくる。一般に例えば2V〜5Vのような広い電源電圧範囲でデバイス動作を保証する場合には内部降圧回路を使用し、内部の電源電圧が上がり過ぎないようにする。過度の電圧ストレスは電圧降下回路にもっぱら印加されることになるがインターフェース関係はまた事情が異なり、電源電圧そのものがトランジスタに印加されることになる。したがって、すべてのトランジスタについてインターフェース部分の耐圧で律則させると、デバイスをスケーリングして高性能化をはかっているにもかかわらず、広範囲動作を保証したためにインターフェース部分がネックになりデバイスのスケーリングができなくなるなどという本末転倒なことが起きてしまう。これに対し、インターフェース回路で外部と接触しているノードに耐圧の高い厚膜ゲート酸化膜トランジスタを用いれば、薄膜デバイスは内部降圧でコントロール出来る範囲の電圧しか印加されないことになり、デバイス/回路設計の自由度が飛躍的に広がる。
In the present invention, the following operations are recognized by the above-described configuration.
(1) Interface relations With the miniaturization of devices, the voltage reduction is progressing, but some systems still use 5V. Therefore, it is important that the power supply voltage range that can be operated as a function required for the device is wide. This appears to be an adverse effect on the progress of miniaturization. In general, when the device operation is guaranteed in a wide power supply voltage range such as 2 V to 5 V, an internal step-down circuit is used so that the internal power supply voltage does not increase excessively. Excessive voltage stress is applied exclusively to the voltage drop circuit, but the interface relationship is also different, and the power supply voltage itself is applied to the transistor. Therefore, if all the transistors are regulated by the breakdown voltage of the interface part, the interface part becomes a bottleneck because the device is scaled to achieve high performance, but the interface part becomes a bottleneck, and the device can be scaled. The end of things that happen to end up happening. On the other hand, if a thick gate oxide transistor with a high breakdown voltage is used for the node that is in contact with the outside in the interface circuit, the thin film device can only be applied with a voltage that can be controlled by internal step-down. The degree of freedom is greatly expanded.

(2)3値制御
(1)のケースのように、内部降圧しなければならないような薄膜デバイスにとっては3値目のレベルである12Vがかかるということは非常に深刻な問題である。チップ内部の電圧については内部電源コントロールにより過度なストレスが印加されない状態にすることが可能であるが、インターフェース部分は外部からの電圧が直接印加されるので回路的な対策ではストレス緩和できない。このようなケースで10V以上の耐圧を有するトランジスタが使用できるならば酸化膜にかかるストレスの問題はいっきに解消される。
(3)ESD
ゲート酸化膜が厚ければ電界が弱くなるのでESD保護の耐圧を高めに設定できる。
(4)電源電圧降下回路を用いたときの電源電圧Vddと接触するノードにかかる電圧ストレスもゲート酸化膜の厚膜化によって電界が緩和される。
(2) Three-value control As in the case of (1), it is a very serious problem that a third value of 12V is applied to a thin film device that must be internally stepped down. Regarding the internal voltage of the chip, it is possible to prevent excessive stress from being applied by controlling the internal power supply. However, since the external voltage is directly applied to the interface portion, the stress cannot be reduced by circuit measures. If a transistor having a breakdown voltage of 10 V or more can be used in such a case, the problem of stress applied to the oxide film can be solved at once.
(3) ESD
If the gate oxide film is thick, the electric field becomes weak, so the ESD protection withstand voltage can be set high.
(4) The voltage stress applied to the node in contact with the power supply voltage Vdd when the power supply voltage drop circuit is used also reduces the electric field by increasing the thickness of the gate oxide film.

本発明の半導体集積回路装置の平面図。1 is a plan view of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の出力バッファ回路及びレベルシフタ回路図。FIG. 3 is an output buffer circuit and level shifter circuit diagram of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の入力バッファ回路図。FIG. 3 is an input buffer circuit diagram of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の出力バッファ回路図。1 is an output buffer circuit diagram of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の高電位検知(3値制御)回路図。1 is a circuit diagram of high potential detection (three-value control) of a semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の内部電源降圧回路図。The internal power supply step-down circuit diagram of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. 本発明の半導体集積回路装置の製造工程断面図。Sectional drawing of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device of this invention. 本発明の半導体集積回路装置の製造工程断面図。Sectional drawing of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device of this invention. 本発明の半導体集積回路装置の製造工程断面図。Sectional drawing of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device of this invention. 本発明の半導体集積回路装置の製造工程断面図。Sectional drawing of the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device of this invention. 不揮発性メモリセルの断面図及びその等価回路図。Sectional drawing of a non-volatile memory cell, and its equivalent circuit schematic. フラッシュEEPROMのメモリセルアレイの回路図。The circuit diagram of the memory cell array of flash EEPROM. フラッシュEEPROMの昇圧回路図。FIG. 3 is a boost circuit diagram of a flash EEPROM. フラッシュEEPROMの読み出し回路図。FIG. 3 is a read circuit diagram of a flash EEPROM. フラッシュEEPROMの回路ブロック図。A circuit block diagram of a flash EEPROM. フラッシュEEPROMセルの制御回路図。The control circuit diagram of a flash EEPROM cell. NOR型フラッシュEEPROMセル及びその各モードの動作電圧図。FIG. 4 is a diagram illustrating an NOR-type flash EEPROM cell and operating voltage in each mode. 本発明に用いるトランジスタの記号の説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram of symbols of transistors used in the present invention. 内部電源降圧を用いた場合の電源系システム図。The power supply system figure in the case of using internal power supply step-down. 内部電源降圧回路を示す回路図。The circuit diagram which shows an internal power supply step-down circuit. 3値目の入力を検知する回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the circuit which detects the input of the 3rd value. 端子の保護素子を示す回路図及び半導体基板断面図。The circuit diagram which shows the protection element of a terminal, and a semiconductor substrate sectional drawing.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・半導体基板、 2・・・外部端子、
3・・・インターフェース回路、 4・・・内部回路、
5・・・フィールド酸化膜、 6・・・ダミーゲート酸化膜、
7、9、13・・・フォトレジスト、 8、11・・・イオン注入、
12、14、15・・・ゲート酸化膜、
16、17・・・ソース/ドレイン領域、 18・・・ゲート電極、
20・・・高圧系トランジスタ領域、 21・・・電源端子、
22・・・接地端子、 23・・・入力端子もしくは出力端子、
24・・・電源線、 25・・・接地線、
30・・・低圧系トランジスタ領域。

1 ... Semiconductor substrate, 2 ... External terminal,
3 ... interface circuit, 4 ... internal circuit,
5 ... Field oxide film, 6 ... Dummy gate oxide film,
7, 9, 13 ... photoresist, 8, 11 ... ion implantation,
12, 14, 15 ... gate oxide film,
16, 17 ... source / drain region, 18 ... gate electrode,
20 ... High-voltage transistor region, 21 ... Power supply terminal,
22 ... grounding terminal, 23 ... input or output terminal,
24 ... Power line 25 ... Grounding line
30: Low-voltage transistor region.

Claims (4)

半導体基板に形成されたメモリセルアレイと、
前記半導体基板に形成され、前記メモリセルアレイを構成する複数のメモリセルに接続され、これらメモリセルの各ノードを制御する制御回路とを具備し、
前記制御回路におけるYセレクタのゲートに、読み出し時内部昇圧された電位が与えられることを特徴とする半導体集積回路装置。
A memory cell array formed on a semiconductor substrate;
A control circuit formed on the semiconductor substrate, connected to a plurality of memory cells constituting the memory cell array, and controlling each node of the memory cells;
A semiconductor integrated circuit device, wherein an internal boosted potential is applied to a gate of a Y selector in the control circuit during reading.
前記半導体基板には、異なる2種類以上のゲート酸化膜厚を有する複数のトランジスタが形成され、前記Yセレクタには最もゲート酸化膜の薄いトランジスタ以外のトランジスタを用いることを特徴とする請求項11に記載の半導体集積回路装置。 12. A plurality of transistors having two or more different gate oxide film thicknesses are formed on the semiconductor substrate, and a transistor other than a transistor having the thinnest gate oxide film is used for the Y selector. The semiconductor integrated circuit device described. 前記半導体基板に形成されたメモリセルアレイと、
前記半導体基板に形成され、前記メモリセルアレイを構成する複数のメモリセルに接続され、これらメモリセルの各ノードを制御する制御回路とを具備し、
前記制御回路におけるソースデコーダのNMOSドライバゲートに読み出し時内部昇圧された電位が与えられることを特徴とする半導体集積回路装置。
A memory cell array formed on the semiconductor substrate;
A control circuit formed on the semiconductor substrate, connected to a plurality of memory cells constituting the memory cell array, and controlling each node of the memory cells;
A semiconductor integrated circuit device, wherein an internal boosted potential is applied to an NMOS driver gate of a source decoder in the control circuit during reading.
前記半導体基板には、異なる2種類以上のゲート酸化膜厚を有する複数のトランジスタが形成され、前記ソースデコーダには最もゲート酸化膜の薄いトランジスタ以外のトランジスタを用いることを特徴とする請求項13に記載の半導体集積回路装置。

14. The semiconductor substrate according to claim 13, wherein a plurality of transistors having two or more different gate oxide film thicknesses are formed on the semiconductor substrate, and a transistor other than a transistor having the thinnest gate oxide film is used as the source decoder. The semiconductor integrated circuit device described.

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