JP2008047274A - Nonvolatile semiconductor storage device, method for determining state of nonvolatile semiconductor storage device, and semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device, method for determining state of nonvolatile semiconductor storage device, and semiconductor integrated circuit device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rewritable nonvolatile memory cell which can increase a reading margin and control a word line and a bit line at a Vcc level. <P>SOLUTION: Inverters, in which storage transistors (nMOS transistors) are composed of transistors which can control threshold values by charging electric charges to a side spacer, are cross-connected to constitute flip-flops. When writing is made to one of the storage transistors, a high voltage is supplied to the source of the storage transistor via a source line, and a high voltage is also supplied to the gate of the storage transistor via the load transistor of the opposite-side inverter. When the writing is erased, a high voltage is supplied to the source of the storage transistor via the source line. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電気的に消去および書き込み可能な不揮発性半導体記憶装置およびそれを備えた半導体集積回路装置に関するものである。   The present invention relates to an electrically erasable and writable nonvolatile semiconductor memory device and a semiconductor integrated circuit device including the same.

たとえば内蔵SRAMの容量の増大に伴うリダンダンシ(冗長化)の必要性や、LCDドライバ等のボード実装後に個別のチューニングを実施する必要性や、個人識別情報(IDコード、暗号解読用キー、ICカードの番号等)の多様な用途拡大に伴って低コストなヒューズの必要性が高まってきている。   For example, the need for redundancy (redundancy) due to the increase in the capacity of the built-in SRAM, the need for individual tuning after board mounting such as an LCD driver, personal identification information (ID code, decryption key, IC card) The need for low-cost fuses is increasing along with the expansion of various applications.

従来、標準CMOSプロセスで形成可能なヒューズ素子として、ポリシリコンや配線メタル層をレーザや電流で溶断するもの、絶縁ゲート膜等を電圧で破壊するもの、等があった。しかし、このような溶断や絶縁破壊等によるものでは一度しかプログラムできないため上述の用途には適さない。   Conventionally, there are fuse elements that can be formed by a standard CMOS process, such as those in which a polysilicon or wiring metal layer is blown by a laser or current, and those in which an insulating gate film is destroyed by voltage. However, such a fusing or dielectric breakdown can be programmed only once and is not suitable for the above-mentioned use.

一方、CMOSプロセスで形成できるフローティングゲート型の不揮発性素子を利用するものであれば、電気的に消去・書込みが可能なヒューズが実現できるが、トランジスタに不揮発性を持たせるために従来のフラッシュメモリのような特別なプロセスを導入するのはコスト的観点から見合わない。また、標準CMOSプロセスでのフローティングゲート型素子については、高集積化に伴い絶縁膜が薄くなるとデータ保持特性が悪くなるという問題があった。   On the other hand, if a floating gate type non-volatile element that can be formed by a CMOS process is used, a fuse that can be electrically erased and written can be realized. Introducing a special process like this is not worth the cost. Further, the floating gate type element in the standard CMOS process has a problem that the data retention characteristic is deteriorated when the insulating film is thinned with the high integration.

そこで、例えば特許文献1・特許文献2・特許文献3には、標準CMOSプロセスで製造可能な不揮発性記憶装置や特別なフローティングゲートを持たない不揮発性記憶装置が示されている。   Thus, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3 show a nonvolatile memory device that can be manufactured by a standard CMOS process and a nonvolatile memory device that does not have a special floating gate.

米国特許第6,518,614号公報US Pat. No. 6,518,614 特開2004−56095号公報JP 2004-56095 A 特開2005−353106号公報JP-A-2005-353106

図1に従来例として特許文献3に開示されている標準CMOSプロセスで製造された不揮発性記憶装置のメモリセル構成を示す。基本的には、不揮発性データ記憶部であるN型MOSトランジスタMCN1、MCN2と、不揮発性データ記憶部の出力ノードnodeT、nodeBを差動入力とするスタティックラッチ形態のフリップフロップ部(MN3、MN4、MP1、MP2)から構成される。フリップフロップ部では通常のSRAM動作の読み出しや書き込み動作が行える一方で、不揮発性データ記憶部の情報をリロードしてフリップフロップ部にデータを格納することが可能な構成である。   FIG. 1 shows a memory cell configuration of a nonvolatile memory device manufactured by a standard CMOS process disclosed in Patent Document 3 as a conventional example. Basically, N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 which are nonvolatile data storage units, and static latch type flip-flop units (MN3, MN4,...) Having differential inputs to the output nodes nodeT and nodeB of the nonvolatile data storage unit. MP1, MP2). The flip-flop unit can perform normal SRAM operation reading and writing operations, but can reload data in the nonvolatile data storage unit and store data in the flip-flop unit.

図2に上記従来例におけるデータ設定方法を示す。このデータ設定方法は、MCN1、MCN2のしきい値電圧差でデータを確定する方法である。データ書き込み前の初期状態においては、N型MOSトランジスタMCN1、MCN2は共にしきい値電圧Vth0であり、この状態においてはフリップフロップの出力データは不定となる。そのため、データを確定するために、まず、データ"0"の書き込みをMCN1側のしきい値電圧をVth1(Vth1>Vth0)まで上げることで実現する。本構成においては、消去する(Vthを下げる)ことができないので、その後の、データ"1"の書き込みは、データ"0"の状態から、MCN2側のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth1)まで上げることで実現する。   FIG. 2 shows a data setting method in the conventional example. This data setting method is a method of determining data by the threshold voltage difference between MCN1 and MCN2. In the initial state before data writing, the N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 are both at the threshold voltage Vth0, and in this state, the output data of the flip-flop is indefinite. Therefore, in order to determine the data, first, data “0” is written by raising the threshold voltage on the MCN1 side to Vth1 (Vth1> Vth0). In this configuration, since erasure (Vth cannot be reduced), subsequent writing of data “1” is performed by setting the threshold voltage on the MCN2 side to Vth2 (Vth2> Vth1) from the state of data “0”. Realized by raising

図3に上記従来例における不揮発性データ記憶部のN型MOSトランジスタのしきい値電圧変更方法を示す。例として、データ"0"、すなわちMCN1側のしきい値電圧を上げる場合を示している。基本的にはN型MOSトランジスタのホットキャリヤによる特性劣化を積極的に利用しており、しきい値電圧を上げたい方のMCN1のソース電位を0V、ゲート電位(MLW)を2.5V、ドレイン電位(nodeT)を5Vにしてドレイン端付近におけるホットキャリヤ注入現象でしきい値電圧を上げるようにしている。この時、ドレイン電位の5Vは、ビット線BLT電位を5Vにして、フリップフロップ部のワード線WLを十分に高い電圧(7V)にしてBLT電位の5Vが完全にnodeTに供給されるようにすることによって供給する。しきい値電圧を上げたくない方のMCN2のドレイン電位はBLB電位を0Vに設定することで、ホットキャリヤ注入が発生しないように制御している。データ"1"を書く場合は、MCN2側のしきい値電圧を上げることになるので、BLT=0V、BLB=5Vと設定するだけで、他の条件はデータ"0"書き込み時と同じである。   FIG. 3 shows a method for changing the threshold voltage of the N-type MOS transistor in the nonvolatile data storage section in the above-described conventional example. As an example, data “0”, that is, a case where the threshold voltage on the MCN1 side is increased is shown. Basically, the characteristic degradation due to hot carriers of the N-type MOS transistor is actively utilized, and the source potential of MCN1, which is to increase the threshold voltage, is 0V, the gate potential (MLW) is 2.5V, the drain The potential (nodeT) is set to 5 V, and the threshold voltage is raised by hot carrier injection near the drain end. At this time, the drain potential of 5V is such that the bit line BLT potential is set to 5V, the word line WL of the flip-flop section is set to a sufficiently high voltage (7V), and the BLT potential of 5V is completely supplied to the nodeT. By supplying. The drain potential of MCN2, which does not want to increase the threshold voltage, is controlled so that hot carrier injection does not occur by setting the BLB potential to 0V. When data “1” is written, the threshold voltage on the MCN2 side is increased. Therefore, simply setting BLT = 0V and BLB = 5V, the other conditions are the same as when data “0” is written. .

図4に上記従来例における不揮発性データ記憶部からフリップフロップ部へのデータ転送方法を示す。図中の動作はデータ"0"、つまり、MCN1のしきい値電圧Vth1がMCN2のしきい値電圧Vth0よりも高い場合を示している。フリップフロップ部においてワード線WL=0V、リストア制御信号RESTORE=0Vにしたもとで、時刻t0にイコライズ制御信号ZEQをVccから0Vに下げることで、nodeTとnodeBを同電位にイコライズする。時刻t1でイコライズ動作を終了し、時刻t2から徐々にMCN1、MCN2のゲート電位であるMLWを上げていくことで、しきい値電圧の低いMCN2側が先にオンして、nodeBの電位を引き下げていく。しばらくすればMCN1側もオンするが、最終的にはしきい値電圧の低いMCN2側のnodeBが0V、MCN1側のnodeTがVccでラッチは確定する。時刻t3でMLWの昇圧を完了し、時刻t4でRESTOREを0VからVccに上げることでフリップフロップ部のラッチを活性化して、データを安定に保持し、最後に時刻t5でMLWを0Vに下げて終了となる。
以上、従来例におけるメモリセルの動作説明をしてきたが、従来構成においては以下の問題がある。
FIG. 4 shows a data transfer method from the nonvolatile data storage unit to the flip-flop unit in the above-described conventional example. The operation in the drawing shows data “0”, that is, the threshold voltage Vth1 of MCN1 is higher than the threshold voltage Vth0 of MCN2. Under the condition that the word line WL = 0V and the restore control signal RESTORE = 0V in the flip-flop unit, the equalization control signal ZEQ is lowered from Vcc to 0V at time t0, so that nodeT and nodeB are equalized to the same potential. At time t1, the equalizing operation is terminated, and MLW, which is the gate potential of MCN1 and MCN2, is gradually increased from time t2, so that the MCN2 side having the lower threshold voltage is turned on first, and the potential of nodeB is lowered. Go. After a while, the MCN1 side also turns on, but finally the latch is determined when nodeB on the MCN2 side having a low threshold voltage is 0V and nodeT on the MCN1 side is Vcc. At time t3, MLW boosting is completed. At time t4, RESTORE is raised from 0V to Vcc to activate the latch of the flip-flop unit, to keep the data stable. Finally, at time t5, MLW is lowered to 0V. End.
Although the operation of the memory cell in the conventional example has been described above, the conventional configuration has the following problems.

〔1〕しきい値電圧差のマージンが小さい。しきい値電圧差マージンは、データ"0"の場合はVth1−Vth0、データ"1"の場合はVth2−Vth1がそれに相当する。ホットキャリヤ注入現象におけるしきい値電圧変化量には、上限値Vth_maxが存在し、データ"0"及びデータ"1"の読み出しマージンを均等に配分すれば、書き換え1回を前提とした場合の各々のマージンは(Vth_max−Vth0)/2となる。N回の書き換えをすることを前提とした場合は、Vth制御をVth_maxを最大値として2N分割する必要があり、データ"0"、データ"1"の各々のマージンは(Vth_max−Vth0)/2Nとなり、さらにマージンが小さくなる。   [1] The threshold voltage difference margin is small. The threshold voltage difference margin corresponds to Vth1−Vth0 for data “0” and Vth2−Vth1 for data “1”. The threshold voltage change amount in the hot carrier injection phenomenon has an upper limit value Vth_max. If the read margins of the data “0” and the data “1” are evenly distributed, each of the cases where one rewrite is assumed. The margin is (Vth_max−Vth0) / 2. When it is assumed that rewriting is performed N times, it is necessary to divide the Vth control into 2N with Vth_max as the maximum value, and the margin of each of the data “0” and data “1” is (Vth_max−Vth0) / 2N Thus, the margin is further reduced.

〔2〕不揮発性データ記憶部にデータを書く時の動作電圧として、各メモリセル毎に制御する必要があるワード線WL、及びビット線BLT、BLBに高電圧(7V及び5V)を印加する必要がある。これはワード線及びビット線を駆動するドライバ、並びにビット線を選択するためのカラム選択トランジスタに高耐圧トランジスタを使用する必要があることを意味する。通常読み出し動作のように、Vcc=1.8Vで動作させる時は、高電圧対応で最適化された高耐圧トランジスタは高速でないため、アクセス遅延を引き起こす問題がある。電流駆動能力を上げるためにトランジスタサイズを大きくすることは、チップ面積を大きくすることにつながるという問題点がある。   [2] It is necessary to apply a high voltage (7 V and 5 V) to the word line WL and the bit lines BLT and BLB that need to be controlled for each memory cell as an operating voltage when writing data to the nonvolatile data storage unit There is. This means that it is necessary to use a high breakdown voltage transistor as a driver for driving the word line and the bit line and a column selection transistor for selecting the bit line. When operating at Vcc = 1.8 V as in the normal read operation, the high voltage transistor optimized for high voltage is not high speed, which causes an access delay. Increasing the transistor size in order to increase the current driving capability has the problem of increasing the chip area.

この発明は、読み出しマージンを大きくとることができ、且つ、ワード線,ビット線の制御をVccレベルで行うことができる、書き換え可能な不揮発性記憶装置および半導体集積回路装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a rewritable nonvolatile memory device and a semiconductor integrated circuit device that can take a large read margin and can control a word line and a bit line at a Vcc level. To do.

[不揮発性半導体記憶装置]
請求項1の発明は、2つのインバータをクロス接続して構成されたフリップフロップと、このフリップフロップの両側のノードにそれぞれ接続された2つのゲートトランジスタと、を有する不揮発性半導体記憶装置であって、
前記インバータは、直列に接続された負荷トランジスタおよび記憶トランジスタを含み、前記記憶トランジスタは、ゲート近傍への電子注入によりしきい値電圧制御可能な記憶トランジスタで構成され、前記2つのゲートトランジスタには、動作電源電圧と接地電圧との間に制御されるそれぞれ個別のビット線が接続され、前記2つのゲートトランジスタのゲート電極には、動作電源電圧と接地電圧との間に制御されるワード線が共通に接続され、さらに、前記記憶トランジスタのソースおよび負荷トランジスタのソースには、書込時または消去時に高電圧を供給する高電圧供給線が接続されていることを特徴とする。
[Nonvolatile semiconductor memory device]
The invention of claim 1 is a nonvolatile semiconductor memory device having a flip-flop configured by cross-connecting two inverters, and two gate transistors respectively connected to nodes on both sides of the flip-flop. ,
The inverter includes a load transistor and a storage transistor connected in series, and the storage transistor is configured by a storage transistor capable of controlling a threshold voltage by electron injection near the gate, and the two gate transistors include: Each bit line controlled between the operating power supply voltage and the ground voltage is connected, and the word line controlled between the operating power supply voltage and the ground voltage is common to the gate electrodes of the two gate transistors. Further, a high voltage supply line for supplying a high voltage at the time of writing or erasing is connected to the source of the storage transistor and the source of the load transistor.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記記憶トランジスタは、ゲート電極の側部に形成された絶縁膜サイドスペーサと、ドレインの周縁部分に形成された低不純物濃度領域と、を有し、書込時には、前記記憶トランジスタのソースに高電圧を印加するとともに、前記負荷トランジスタのソースを経由して記憶トランジスタのゲートに高電圧を印加することにより、前記絶縁膜サイドスペーサにチャネルホットエレクトロンを注入して情報の書き込みを行い、消去時には、前記記憶トランジスタのソースに高電圧を印加することにより、前記絶縁膜サイドスペーサにアバランシェホットホールを注入して情報の消去を行うことを特徴とする。   According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the memory transistor has an insulating film side spacer formed on a side portion of the gate electrode and a low impurity concentration region formed on a peripheral portion of the drain. At the time of writing, a high voltage is applied to the source of the storage transistor, and a high voltage is applied to the gate of the storage transistor via the source of the load transistor, whereby channel hot electrons are applied to the insulating film side spacer. The information is written by injecting information, and at the time of erasing, a high voltage is applied to the source of the memory transistor to inject an avalanche hot hole into the insulating film side spacer to erase the information. .

請求項3の発明は、請求項1,2の発明において、前記インバータは、前記負荷トランジスタと並列にプリチャージ用トランジスタを有し、このプリチャージ用トランジスタは、プリチャージ制御電圧により前記負荷トランジスタから独立してオン/オフ制御されることを特徴とする。   According to a third aspect of the invention, in the first and second aspects of the invention, the inverter has a precharge transistor in parallel with the load transistor, and the precharge transistor is separated from the load transistor by a precharge control voltage. It is characterized by being independently controlled on / off.

請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記負荷トランジスタのソースに高電圧を供給する高電圧供給線を、前記2つのインバータに対して別々に設けたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, a high voltage supply line for supplying a high voltage to a source of the load transistor is provided separately for the two inverters.

請求項5の発明は、請求項3の発明において、前記記憶トランジスタのソースに高電圧を供給する高電圧供給線を、前記2つのインバータに対して別々に設けたことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, a high voltage supply line for supplying a high voltage to the source of the storage transistor is provided separately for the two inverters.

請求項6の発明は、請求項4の発明において、前記直列に接続された前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタの間にさらに接続され、前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタとの電気的接続をオン/オフするスイッチ手段を設けたことを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the load transistor and the storage transistor connected in series are further connected between the load transistor and the storage transistor, and electrical connection between the load transistor and the storage transistor is turned on / off. The switch means is provided.

請求項7の発明は、請求項5の発明において、前記直列に接続された前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタの間にさらに接続され、前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタとを電気的接続をオン/オフするスイッチ手段を設けたことを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the fifth aspect of the present invention, the load transistor and the storage transistor connected in series are further connected between the load transistor and the storage transistor, and electrical connection between the load transistor and the storage transistor is turned on / off. The switch means is provided.

請求項8の発明は、請求項1〜7の発明において、前記2つのインバータの各負荷トランジスタの導通抵抗を、アンバランスにしたことを特徴とする。   The invention of claim 8 is characterized in that, in the inventions of claims 1 to 7, the conduction resistances of the load transistors of the two inverters are unbalanced.

請求項9の発明は、請求項1〜7の発明において、前記2つのインバータの電源電圧線または接地に対する静電容量を、アンバランスにしたことを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects of the present invention, the capacitances of the two inverters with respect to the power supply voltage line or ground are unbalanced.

請求項10の発明は、請求項1〜7の発明において、前記2つのインバータの記憶トランジスタの導通抵抗を、アンバランスにしたことを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in the first to seventh aspects of the present invention, the conduction resistances of the memory transistors of the two inverters are unbalanced.

後述する実施形態において、請求項1および請求項2の発明には、実施形態1〜5が対応する。請求項3の発明には、実施形態2〜5が対応する。請求項4の発明には、実施形態2、4が対応する。請求項5の発明には、実施形態3、5が対応する。請求項6の発明には、実施形態4が対応する。請求項7の発明には、実施形態5が対応する。請求項8の発明には、実施形態1、2、3の図14,31,49の尚書きが対応する。請求項9の発明には、実施形態1、2、3の図15,32,50が対応する。請求項10の発明には、実施形態1、2、3の図14,31,49が対応する。   In the embodiments to be described later, Embodiments 1 to 5 correspond to the inventions of claims 1 and 2. Embodiments 2 to 5 correspond to the invention of claim 3. Embodiments 2 and 4 correspond to the invention of claim 4. Embodiments 3 and 5 correspond to the invention of claim 5. Embodiment 4 corresponds to the invention of claim 6. Embodiment 5 corresponds to the invention of claim 7. The invention of claim 8 corresponds to the memorandums of FIGS. The invention of claim 9 corresponds to FIGS. 15, 32 and 50 of the first, second and third embodiments. The invention of claim 10 corresponds to FIGS. 14, 31, and 49 of the first, second, and third embodiments.

[不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法]
請求項11の発明は、請求項3〜7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つの記憶トランジスタのソース電圧を上昇させこれらの記憶トランジスタをオフするステップ、前記プリチャージ用トランジスタを介して、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、前記2つの記憶トランジスのソース電圧を同期して下降させてゆくステップ、を有することを特徴とする。
[State Determination Method for Nonvolatile Semiconductor Memory Device]
The invention of claim 11 uses the nonvolatile semiconductor memory device of claims 3 to 7 to increase the source voltage of the two memory transistors to turn off these memory transistors, via the precharge transistor, The method includes a step of applying a precharge voltage of the same voltage to the two storage transistors and a step of lowering the source voltages of the two storage transistors in synchronization.

請求項12の発明は、請求項3〜7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記プリチャージ用トランジスタをオンして、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、前記プリチャージ用トランジスタをオフして、前記プリチャージ電圧の印加を停止するステップ、を有することを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, using the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of the third to seventh aspects, the step of turning on the precharge transistor and applying the same precharge voltage to the two memory transistors, And a step of turning off the charging transistor to stop the application of the precharge voltage.

請求項13の発明は、請求項6、7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記スイッチ手段がオフしている状態で、前記プリチャージ用トランジスタをオンして、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、前記スイッチ手段をオンするステップ、前記プリチャージ用トランジスタをオフして、前記プリチャージ電圧の印加を停止するステップ、を有することを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, the non-volatile semiconductor memory device according to any one of the sixth and seventh aspects is used, the precharge transistor is turned on while the switch means is turned off, and the same voltage is applied to the two storage transistors. Applying the precharge voltage, turning on the switch means, and turning off the precharge transistor to stop the application of the precharge voltage.

請求項14の発明は、請求項1〜7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つの負荷トランジスタのソース電圧が低い状態で、前記ゲートトランジスタをオンして、前記ビット線から前記2つの記憶トランジスタにプリチャージ電圧を印加するステップ、前記ゲートトランジスタをオフして、前記ビット線からのプリチャージ電圧を遮断するステップ、前記負荷トランジスタのソース電圧を上昇させるステップ、を有することを特徴とする。   A fourteenth aspect of the present invention uses the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of the first to seventh aspects, turns on the gate transistor while the source voltage of the two load transistors is low, and stores the two memories from the bit line. Applying a precharge voltage to the transistor; turning off the gate transistor to cut off the precharge voltage from the bit line; and raising the source voltage of the load transistor.

請求項15の発明は、請求項3〜7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つのインバータの前記プリチャージ用トランジスタのうち、一方のみをオンすることにより、前記フリップフロップの状態を強制的に決定することを特徴とする。   According to a fifteenth aspect of the present invention, the state of the flip-flop is forced by turning on only one of the precharging transistors of the two inverters using the nonvolatile semiconductor memory device according to the third to seventh aspects. It is characterized by determining to.

請求項16の発明は、請求項4、6の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つの記憶トランジスタのソース電位を上昇させ前記2つの記憶トランジスタをオフするステップ、前記プリチャージ用トランジスタを介して、前記2つの記憶トランジスタにそれぞれ異なる電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、前記2つの記憶トランジスタのソース電位を同期して下降させてゆくステップ、を有することを特徴とする。   According to a sixteenth aspect of the present invention, using the nonvolatile semiconductor memory device according to the fourth or sixth aspect, the step of raising the source potential of the two storage transistors to turn off the two storage transistors, via the precharging transistor And a step of applying precharge voltages of different voltages to the two storage transistors, and a step of lowering the source potentials of the two storage transistors in synchronization.

請求項17の発明は、請求項5、7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つの記憶トランジスタのソース電位を上昇させ前記2つの記憶トランジスタをオフするステップ、前記プリチャージ用トランジスタを介して、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、前記2つの記憶トランジスタのソース電位を電位差を持たせて下降させてゆくステップ、を有することを特徴とする。   The invention of claim 17 uses the nonvolatile semiconductor memory device of claims 5 and 7 to raise the source potential of the two storage transistors to turn off the two storage transistors, via the precharging transistor. And a step of applying a precharge voltage of the same voltage to the two storage transistors, and a step of lowering the source potential of the two storage transistors with a potential difference.

請求項18の発明は、請求項3〜7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つのプリチャージ用トランジスタの一方をオン、他方をオフすることにより、前記記憶トランジスタの一方に測定用電圧を供給することを特徴とする。   The invention according to claim 18 uses the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 3 to 7, and turns on one of the two precharge transistors and turns off the other, whereby a measurement voltage is applied to one of the memory transistors. It is characterized by supplying.

請求項19の発明は、請求項5、7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つのプリチャージ用トランジスタの一方をオン、他方をオフすることにより、前記記憶トランジスタの一方に測定用電圧を供給し、さらに、他方の記憶トランジスタのソースに測定用電圧を供給することを特徴とする。   A nineteenth aspect of the invention uses the nonvolatile semiconductor memory device according to the fifth and seventh aspects, and turns on one of the two precharging transistors and turns off the other, whereby a measurement voltage is applied to one of the storage transistors. And measuring voltage is supplied to the source of the other storage transistor.

請求項20の発明は、請求項6、7の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つのプリチャージ用トランジスタの一方をオン、他方をオフすることにより、前記記憶トランジスタの一方に測定用電圧を供給し、さらに、前記スイッチ手段をオフすることを特徴とする。   A twentieth aspect of the invention uses the nonvolatile semiconductor memory device according to the sixth and seventh aspects, and turns on one of the two precharge transistors and turns off the other, whereby a measurement voltage is applied to one of the storage transistors. And the switch means is turned off.

後述する実施形態において、請求項11の発明には、実施形態2、3、4の図28,46,65が対応する。請求項12の発明には、実施形態2、3、4の図29,47,66が対応する。請求項13の発明は、実施形態4の図66が対応する。請求項14の発明は、実施形態2,3,4の図30,図48,図67が対応する。請求項15の発明は、実施形態2,3,4の図25,43,62が対応する。請求項16の発明は、実施形態2,4の図23,60が対応する。請求項17の発明は、実施形態3,5の図41,70が対応する。請求項18の発明は、実施形態2,3,4の図33、51,68が対応する。請求項19の発明は、実施形態3の図51が対応する。請求項20の発明は、実施形態4の図68が対応する。   In the embodiment described later, the invention of claim 11 corresponds to FIGS. 28, 46 and 65 of the second, third, and fourth embodiments. The invention of claim 12 corresponds to FIGS. 29, 47 and 66 of the second, third and fourth embodiments. The invention of claim 13 corresponds to FIG. 66 of the fourth embodiment. The invention of claim 14 corresponds to FIGS. 30, 48 and 67 of the second, third and fourth embodiments. The invention of claim 15 corresponds to FIGS. 25, 43 and 62 of the second, third and fourth embodiments. The invention of claim 16 corresponds to FIGS. 23 and 60 of the second and fourth embodiments. The invention of claim 17 corresponds to FIGS. 41 and 70 of the third and fifth embodiments. The invention of claim 18 corresponds to FIGS. 33, 51 and 68 of the second, third and fourth embodiments. The invention of claim 19 corresponds to FIG. 51 of the third embodiment. The invention of claim 20 corresponds to FIG. 68 of the fourth embodiment.

[半導体集積回路記憶装置]
請求項21の発明は、請求項1〜8の不揮発性半導体記憶装置と、被救済回路と、該被救済回路を代替する救済回路とを含み、前記不揮発性記憶装置を、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たことを特徴とする。
[Semiconductor integrated circuit memory device]
A twenty-first aspect of the invention includes the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of the first to eighth aspects of the present invention, a repair target circuit, and a repair circuit that replaces the repair target circuit, and the nonvolatile memory device is replaced with the repair circuit. The present invention is characterized in that a storage circuit for repair information for specifying a circuit to be repaired is provided.

請求項22の発明は、請求項1〜8の不揮発性半導体記憶装置と、アナログ回路と、その回路定数を調整する定数トリミング回路とを含み、前記不揮発性記憶装置を、前記定数トリミング回路の前記回路定数を特定するための情報の記憶回路としたことを特徴とする。   A twenty-second aspect of the invention includes the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of the first to eighth aspects, an analog circuit, and a constant trimming circuit that adjusts a circuit constant thereof, and the nonvolatile memory device is connected to the constant trimming circuit. An information storage circuit for specifying circuit constants is provided.

請求項23の発明は、請求項1〜8の不揮発性半導体記憶装置と、発振回路と、その発振周波数を調整する周波数トリミング回路とを含み、前記不揮発性記憶装置を、前記周波数トリミング回路の前記発振周波数を特定するための情報の記憶回路としたことを特徴とする。   A twenty-third aspect of the invention includes the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of the first to eighth aspects, an oscillation circuit, and a frequency trimming circuit that adjusts an oscillation frequency thereof, and the nonvolatile memory device is included in the frequency trimming circuit. The information storage circuit is used to specify the oscillation frequency.

請求項24の発明は、請求項1〜8の不揮発性半導体記憶装置と、参照電圧発生回路と、その発生した参照電圧を調整する電圧トリミング回路とを含み、前記不揮発性記憶装置を、前記電圧トリミング回路の前記参照電圧を特定するための情報の記憶回路としたことを特徴とする。   A twenty-fourth aspect of the invention includes the nonvolatile semiconductor memory device according to any one of the first to eighth aspects, a reference voltage generation circuit, and a voltage trimming circuit that adjusts the generated reference voltage. An information storage circuit for specifying the reference voltage of the trimming circuit is provided.

請求項25の発明は、請求項1〜8の不揮発性半導体記憶装置と、チップを特定するためのセキュリティ回路を含み、前記不揮発性記憶装置を、前記セキュリティ回路のチップを特定するための情報の記憶回路としたことを特徴とする。   A twenty-fifth aspect of the invention includes the nonvolatile semiconductor memory device according to the first to eighth aspects and a security circuit for specifying a chip, and the non-volatile memory device is stored with information for specifying a chip of the security circuit. It is a memory circuit.

後述する実施形態において、請求項21の発明には、第7の実施形態が対応する。請求項22、23、24、25の発明には、第6の実施形態が対応する。   In the embodiment described later, the seventh embodiment corresponds to the invention of claim 21. The sixth embodiment corresponds to the inventions of claims 22, 23, 24, and 25.

この発明では、記憶トランジスタのしきい値電圧の制御、すなわち、書き込み,消去に必要な高電圧をインバータの両端(負荷トランジスタのソースと記憶トランジスタのソース)に接続されている高圧供給線を介して行う。   In the present invention, the threshold voltage of the storage transistor is controlled, that is, a high voltage necessary for writing and erasing is supplied via a high voltage supply line connected to both ends of the inverter (the source of the load transistor and the source of the storage transistor). Do.

これにより、請求項1の発明によれば、一方のインバータの記憶トランジスタのしきい値電圧を上昇させる書き込み時、および、書き込んだ記憶トランジスタのしきい値電圧を下降させる消去時においても、ワード線,ビット線はVccレベルで動作させればよくなり、周辺回路の小型化や高速読み出しが可能になる。   As a result, according to the first aspect of the present invention, the word line can be used at the time of writing to increase the threshold voltage of the storage transistor of one inverter and at the time of erasing to decrease the threshold voltage of the written storage transistor. The bit lines need only be operated at the Vcc level, and the peripheral circuits can be downsized and read at high speed.

この発明では、負荷トランジスタと並列にプリチャージ用トランジスタを設けた。これにより、フリップフロップの状態を転移させずに両方のノードを充電することができ、この充電された電圧の下降のアンバランスによってフリップフロップの状態を決定させることができるため、状態の決定を確実に行うことが可能になる。   In the present invention, a precharging transistor is provided in parallel with the load transistor. As a result, both nodes can be charged without changing the state of the flip-flop, and the state of the flip-flop can be determined by the unbalanced decrease in the charged voltage, so that the determination of the state is ensured. It becomes possible to do.

この発明では、負荷トランジスタのソースに高電圧を供給する高電圧供給線または記憶トランジスタのソースに高電圧を供給する高電圧供給線(ソース線)を2つのインバータに対して別々に設けた。これにより、フリップフロップを構成する2つのノードの充電電圧、または、充電後の電圧の遷移において両インバータ間に電位差を付けることができ、両方の記憶トランジスタがともに書き込まれていないフリップフロップの状態をどちらかに確実に確定することができる。   In the present invention, a high voltage supply line for supplying a high voltage to the source of the load transistor or a high voltage supply line (source line) for supplying a high voltage to the source of the storage transistor is separately provided for the two inverters. As a result, a potential difference can be applied between the two inverters at the transition of the charging voltage of the two nodes constituting the flip-flop or the voltage after charging, and the state of the flip-flop in which both storage transistors are not written can be obtained. You can be sure of either.

また、この発明では、いずれか一方の記憶トランジスタに書き込みが行われている場合には、前記充電電圧または遷移電圧の電位差にかかわらず、その記憶トランジスタへの書き込みにしたがって状態が確定する。これにより、この不揮発性半導体記憶装置(メモリセル)をアレイ状に複数配列した記憶装置において、書き込みが行われているメモリセルと書き込みが行われていないメモリセルが混在していても、書き込みが行われているメモリセルはその書き込みにしたがって状態が確定し、書き込みが行われていないメモリセルは、上記電位差に応じて確実に特定の一方の状態に確定する。これにより、書き込みが行われているメモリセルと書き込みが行われていないメモリセルが混在した記憶装置であっても、データが不定になることがなくなる。   In the present invention, when writing is performed to any one of the storage transistors, the state is determined according to the writing to the storage transistor regardless of the potential difference between the charging voltage or the transition voltage. As a result, in a storage device in which a plurality of nonvolatile semiconductor storage devices (memory cells) are arranged in an array, writing can be performed even if memory cells where writing is performed and memory cells where writing is not performed are mixed. The state of the memory cell that is being performed is determined according to the writing, and the memory cell that is not being written is surely determined to be in one specific state according to the potential difference. Accordingly, even in a storage device in which a memory cell in which writing is performed and a memory cell in which writing is not performed are mixed, data does not become indefinite.

この発明では、2つの負荷トランジスタの導通抵抗をアンバランスにした。トランジスタの導通抵抗はチャンネル幅またはチャンネル長を変えることにより容易に実現できる。また、この発明では、2つのインバータのVccまたは接地に対する静電容量をアンバランスにした。以上のアンバランス構成により、フリップフロップに電源を投入したときのノード電位の上昇がアンバランスになって状態分岐点がどちらか一方に偏位するため、書き込みが行われていないフリップフロップの状態をいずれか一方に確定することができる。   In the present invention, the conduction resistances of the two load transistors are unbalanced. The conduction resistance of the transistor can be easily realized by changing the channel width or the channel length. In the present invention, the capacitances of the two inverters with respect to Vcc or ground are unbalanced. With the above unbalanced configuration, the rise in node potential when the power is supplied to the flip-flop becomes unbalanced, and the state branch point shifts to either one. Either one can be confirmed.

[第1の実施形態]
第1の実施形態に係る不揮発性記憶装置およびそれを備えた半導体集積回路装置について図5〜図15を参照して説明する。
[First Embodiment]
A nonvolatile memory device according to a first embodiment and a semiconductor integrated circuit device including the nonvolatile memory device will be described with reference to FIGS.

図5は不揮発性記憶装置の1つの不揮発性メモリセルの回路図である。このメモリセルは6個のMOSトランジスタで構成されている。P型MOSトランジスタMP1,N型MOSトランジスタMCN1を直列に接続したインバータ (True側インバータ)と、P型MOSトランジスタMP2,N型MOSトランジスタMCN2を直列に接続したインバータ(Bar側インバータ)をスタティックラッチ接続したフリップフロップを有している。このうち、P型MOSトランジスタMP1,MP2を負荷トランジスタと呼び、N型MOSトランジスタMCN1,MCN2を記憶トランジスタと呼ぶ。記憶トランジスタMCN1,MCN2は、図7以下で説明するように、サイドウォール部に電荷を蓄積・中和することにより、不揮発的にしきい値を変更可能な不揮発素子として機能する。   FIG. 5 is a circuit diagram of one nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory device. This memory cell is composed of six MOS transistors. Static latch connection of an inverter (True side inverter) in which P-type MOS transistor MP1 and N-type MOS transistor MCN1 are connected in series and an inverter (Bar side inverter) in which P-type MOS transistor MP2 and N-type MOS transistor MCN2 are connected in series Flip-flops. Among these, the P-type MOS transistors MP1 and MP2 are called load transistors, and the N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 are called storage transistors. The storage transistors MCN1 and MCN2 function as non-volatile elements that can change the threshold value in a non-volatile manner by accumulating and neutralizing charges in the sidewall portion, as will be described with reference to FIG.

このフリップフロップのうち、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1を直列に接続したインバータがTrue側の記憶部として機能し、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2を直列に接続したインバータがBar側の記憶部として機能する。負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1の接続部がnodeTであり、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2の接続部がnodeBである。nodeTが高電位,nodeBが低電位のとき記憶内容が"0"であり、nodeTが低電位,nodeBが高電位のとき記憶内容が"1"である。   Among the flip-flops, an inverter in which the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 are connected in series functions as a storage unit on the True side, and an inverter in which the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 are connected in series functions as a storage unit on the Bar side. To do. A connection portion between the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 is nodeT, and a connection portion between the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 is nodeB. When nodeT is high potential and nodeB is low potential, the stored content is “0”, and when nodeT is low potential and nodeB is high potential, the stored content is “1”.

各インバータの記憶トランジスタ側端部すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のソースは、ソース線SLに接続されている。各インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP1,MP2のソースはVPS線に接続されている。また、負荷トランジスタMP1,MP2のウエルはVPM線に接続されている。   The storage transistor side end of each inverter, that is, the source of the storage transistors MCN1 and MCN2, is connected to the source line SL. Load transistor side ends of the inverters, that is, the sources of the load transistors MP1 and MP2, are connected to the VPS line. The wells of the load transistors MP1 and MP2 are connected to the VPM line.

nodeTは、トランスファゲートMN1を介してビット線BLT(BitLine−True)に接続され、nodeBは、トランスファゲートMN2を介してビット線BLB(BitLine−Bar)に接続されている。トランスファゲートMN1,MN2は、N型MOSトランジスタで構成され、各ゲートには共通のワード線WLが接続されている。   The node T is connected to the bit line BLT (BitLine-True) via the transfer gate MN1, and the node B is connected to the bit line BLB (BitLine-Bar) via the transfer gate MN2. The transfer gates MN1 and MN2 are composed of N-type MOS transistors, and a common word line WL is connected to each gate.

図6は、図5に示した不揮発性メモリセルをアレイ状に配列したメモリセルアレイの構成を示す図である。このメモリセルアレイでは、図5の不揮発性メモリセルがX,Yのマトリクスアレイに配列されている。そして、ワード線WLが、各行(ロウ)ごとに設けられ、ビット線BLT、BLBが、各列(カラム)ごとに各々1本ずつ設けられている。これらワード線WL,ビット線BLT,BLBは、それぞれ独立に制御される。一方、それ以外の信号線(VPS、VPM、SL)は全メモリセルに共通に設けられ、アレイ内の全メモリセルが一体に制御される。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a memory cell array in which the nonvolatile memory cells shown in FIG. 5 are arranged in an array. In this memory cell array, the nonvolatile memory cells of FIG. 5 are arranged in an X and Y matrix array. A word line WL is provided for each row (row), and one bit line BLT, BLB is provided for each column (column). These word lines WL and bit lines BLT and BLB are controlled independently. On the other hand, the other signal lines (VPS, VPM, SL) are provided in common to all the memory cells, and all the memory cells in the array are integrally controlled.

図7、図9および図12は、記憶トランジスタMCN1(MCN2)の断面構造を示す図である。このうち、図7は書き込み時の電位配置を示し、図9は消去時の電位配置を示し、図12は読み出し時の電位配置を示している。   7, 9 and 12 are diagrams showing a cross-sectional structure of the memory transistor MCN1 (MCN2). 7 shows the potential arrangement at the time of writing, FIG. 9 shows the potential arrangement at the time of erasing, and FIG. 12 shows the potential arrangement at the time of reading.

また、図8は、記憶トランジスタMCN1の書き込み時のメモリセルの電圧印加手順を示す図、図10は、記憶トランジスタMCN1,2を含む不揮発性メモリセルの消去時の電圧印加手順を示す図、図13は、記憶トランジスタMCN1,2を含む不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。である。   8 is a diagram showing a voltage application procedure of the memory cell at the time of writing to the memory transistor MCN1, and FIG. 10 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of erasing the nonvolatile memory cell including the memory transistors MCN1 and MC2. 13 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of reading from a nonvolatile memory cell including the memory transistors MCN1 and MCN2. It is.

図7、図9、図12において、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板101の表面領域に、深さ0.8μm、平均ボロン濃度2×1017cm-3のP型ウエル104が形成されている。このP型ウエル104に、深さ250nmの複数のトレンチ(素子分離)102によって分離された2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2が形成されている。この図には、一方の記憶トランジスタ(MCN1)のみを示している。 7, 9, and 12, a P-type well 104 having a depth of 0.8 μm and an average boron concentration of 2 × 10 17 cm −3 is formed in the surface region of a P-type silicon substrate 101 having a resistivity of 10 Ωcm. . In this P-type well 104, two storage transistors MCN1 and MCN2 separated by a plurality of trenches (element isolation) 102 having a depth of 250 nm are formed. In this figure, only one storage transistor (MCN1) is shown.

記憶トランジスタは、Nチャンネル型トランジスタであり、P型ウエル104の表面領域に、両側のトレンチ102に隣接して形成されたドレイン109,ソース115、および、ドレイン109の周辺領域に形成されたドレインエクステンション107を有する。ドレイン109,ソース115は、それぞれ平均砒素濃度1×1020cm-3に形成され、ドレインエクステンション107平均砒素濃度5×1018cm-3に形成されている。 The storage transistor is an N-channel transistor, and has a drain 109 and a source 115 formed adjacent to the trench 102 on both sides in the surface region of the P-type well 104 and a drain extension formed in the peripheral region of the drain 109. 107. The drain 109 and the source 115 are each formed with an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 , and the drain extension 107 is formed with an average arsenic concentration of 5 × 10 18 cm −3 .

また、P型ウエル104の表面のドレイン109,ソース115間の領域であるチャネル領域の基板上には、膜厚5nmのゲート酸化膜105、および、膜厚200nmでリン濃度2×1020cm-3のポリシリコン膜からなるゲート電極106が形成されている。また、このゲート酸化膜105,ゲート電極106の両側には、膜厚50nmの絶縁膜からなるサイドスペーサ108、108Sが形成されている。なお、ソース115周辺にはエクステンション領域が形成されていないため、ソース側のサイドスペーサ108Sは、基板のチャンネル領域に対して露出している。 On the substrate of the channel region, which is the region between the drain 109 and the source 115 on the surface of the P-type well 104, a gate oxide film 105 with a thickness of 5 nm and a phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm with a thickness of 200 nm. A gate electrode 106 made of 3 polysilicon film is formed. Further, side spacers 108 and 108S made of an insulating film having a thickness of 50 nm are formed on both sides of the gate oxide film 105 and the gate electrode 106. Since no extension region is formed around the source 115, the side spacer 108S on the source side is exposed to the channel region of the substrate.

また、P型ウエル104の領域内で、トレンチ102により、上記記憶トランジスタから分離された領域には、このP型ウエル104を接地するための電極である平均ボロン濃度1×1020cm-3のP型拡散層111が形成されている。 In the region of the P-type well 104, the region separated from the memory transistor by the trench 102 has an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 that is an electrode for grounding the P-type well 104. A P-type diffusion layer 111 is formed.

この記憶トランジスタは、ソース側のサイドスペーサ108Sにキャリアを注入することによってしきい値電圧を上昇させることができる。また、図9で説明するように、サイドスペーサ108Sに注入したキャリアを引き抜いて、しきい値電圧を初期状態に戻すこともできる。これにより、この記憶トランジスタは、不揮発にデータを記憶する。   In this memory transistor, the threshold voltage can be increased by injecting carriers into the side spacer 108S on the source side. Further, as will be described with reference to FIG. 9, the threshold voltage can be returned to the initial state by extracting the carrier injected into the side spacer 108S. As a result, the storage transistor stores data in a nonvolatile manner.

なお、記憶トランジスタの標準的な初期しきい電圧は1.2Vであるが、特殊な構造のトランジスタであるためバラツキが大きく、信頼性の観点から、この記憶トランジスタ単独で記憶素子として用いることは困難である。このため、この実施形態では、図5に示したフリップフロップ構成でメモリセルを構成している。   Note that the standard initial threshold voltage of the memory transistor is 1.2 V. However, since the transistor has a special structure, the variation is large, and it is difficult to use the memory transistor alone as a memory element from the viewpoint of reliability. It is. Therefore, in this embodiment, the memory cell is configured with the flip-flop configuration shown in FIG.

図7に示すように、記憶トランジスタへの書き込み動作は、ドレイン線VDへ0Vを印加し、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば6V)を印加してチャネルホットエレクトロンHEをサイドスペーサ108Sへ注入する動作である。このチャネルホットエレクトロンの注入によってサイドスペーサ108Sにトラップされた電子によりしきい値電圧が上昇し、書き込み状態となる。   As shown in FIG. 7, in the write operation to the storage transistor, 0V is applied to the drain line VD, a positive voltage (for example, 6V) below the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, and channel hot electrons HE are changed to the side spacers 108S. It is the operation to inject. The threshold voltage rises due to the electrons trapped in the side spacer 108S due to the injection of channel hot electrons, and a write state is established.

図8は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を上昇させてデータ"0"を書き込む場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1を図7に示す電位配置にするため、図8に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。VPS、VPM、SLを6Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc(1.8V)、ビット線BLTを0V、BLBをVccにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1がオンすることでnodeT(記憶トランジスタMCN1のドレイン)は、ビット線BLT(0V)とほぼ同電位になるとともに、これにより負荷トランジスタMP2がオンするため、nodeB(記憶トランジスタMCN1のゲート)が、VPS(6V)とほぼ同電位になる。これにより、記憶トランジスタMCN1の電位配置は図7と同じになる。このときトランスファゲートMN1および記憶トランジスタMCN1には、300μA程度の電流が流れて、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2まで上昇させる。   FIG. 8 is a diagram showing a voltage application procedure when data “0” is written by raising the threshold voltage of the memory transistor MCN1. In order to make the memory transistor MCN1 have the potential arrangement shown in FIG. 7, a voltage is applied to the memory cell by the procedure shown in FIG. Under the condition that VPS, VPM, and SL are set to 6V, the word line WL is set to Vcc (1.8V), the bit line BLT is set to 0V, and BLB is set to Vcc. When the transfer gate MN1 which is an N-type MOS transistor is turned on, the node T (the drain of the storage transistor MCN1) becomes substantially the same potential as the bit line BLT (0 V), and the load transistor MP2 is thereby turned on. The gate of the storage transistor MCN1 becomes substantially the same potential as VPS (6V). Thereby, the potential arrangement of the memory transistor MCN1 becomes the same as that in FIG. At this time, a current of about 300 μA flows through the transfer gate MN1 and the storage transistor MCN1, thereby raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 to Vth2.

また、データ"1"を書く場合は、記憶トランジスタMCN2側のしきい値電圧を上げることになるが、BLT=Vcc、BLB=0Vと電圧設定を逆転するだけで、他の条件はデータ"0"書き込み時と同じである。   When data “1” is written, the threshold voltage on the memory transistor MCN2 side is increased. However, only the voltage setting is reversed to BLT = Vcc and BLB = 0V, and other conditions are set to data “0”. "Same as writing.

なお、上記実施例では、トランジスタMCN1のゲート(nodeB)へ6Vを印加し、トランジスタMCN1のドレイン(ソース線SL)へ6Vを印加しているが、これらの電圧は異なる電圧でも良い。一方、VPMとVPSとは同じ電圧なので、これらの信号を接続し、共通の信号としても良い。   In the above embodiment, 6V is applied to the gate (nodeB) of the transistor MCN1 and 6V is applied to the drain (source line SL) of the transistor MCN1, but these voltages may be different voltages. On the other hand, since VPM and VPS are the same voltage, these signals may be connected to form a common signal.

図9、10は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図9に示すように、消去動作は、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば9V)を印加し、ゲート線VG、ドレイン線VDに0Vを印加して、ソース電極115からアバランシェホットホールHHを発生させ、これをサイドスペーサ108Sへ注入する動作である。これにより、前記書き込み動作でサイドスペーサ108Sにトラップされた電子を中和し、しきい値電圧を低下させることによって書き込まれたデータが消去される。   9 and 10 are diagrams showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). As shown in FIG. 9, in the erasing operation, a positive voltage (for example, 9 V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, 0 V is applied to the gate line VG and the drain line VD, and the avalanche hot hole is applied from the source electrode 115. In this operation, HH is generated and injected into the side spacer 108S. As a result, the electrons trapped in the side spacer 108S in the write operation are neutralized, and the written data is erased by lowering the threshold voltage.

図10は、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧を低下させてデータを消去する場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図9に示す電位配置にするため、図10に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。一般的に、消去動作は、図6に示したメモリアレイの全メモリセルに対して一括して行われる。VPMをVccに設定し、VPSを0Vに設定し、SLを9Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLT、BLBを0Vにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1、MN2がオンすることでnodeT、nodeBは0Vとなり、記憶トランジスタMCN1、MCN2の各部の電圧は図9に示したものと同じになる。なお、図10ではVPMをVcc(1.8V)としているが、当該信号は0Vでも正常に動作する。したがってVPMをVPSと接続し、共通の信号としても良い。   FIG. 10 is a diagram showing a voltage application procedure when data is erased by lowering the threshold voltages of the memory transistors MCN1 and MCN2. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 9, a voltage is applied to the memory cell by the procedure shown in FIG. In general, the erase operation is performed collectively for all the memory cells of the memory array shown in FIG. Under the condition that VPM is set to Vcc, VPS is set to 0V, and SL is set to 9V, the word line WL is set to Vcc, and the bit lines BLT and BLB are set to 0V. When the transfer gates MN1 and MN2 which are N-type MOS transistors are turned on, nodeT and nodeB become 0V, and the voltages of the respective parts of the storage transistors MCN1 and MCN2 become the same as those shown in FIG. In FIG. 10, VPM is set to Vcc (1.8V), but the signal operates normally even at 0V. Therefore, the VPM may be connected to the VPS and used as a common signal.

このように、図7、8に示した書き込み時の電圧印加手順、および、図9、10に示した消去時の電圧印加手順では、各メモリセル毎に独立制御が必要なワード線およびビット線に0VまたはVccを印加すればよいように設計されているため、すなわち、ワード線、ビット線に高電圧の印加が不要であるため、ワード線,ビット線の制御回路に高耐圧トランジスタを使用する必要が無くなり、高速に動作する高性能なトランジスタを使用して読み出し動作の高速化を図ることができる。   Thus, in the voltage application procedure at the time of writing shown in FIGS. 7 and 8 and the voltage application procedure at the time of erasing shown in FIGS. 9 and 10, word lines and bit lines that require independent control for each memory cell. In other words, a high voltage transistor is used for the word line and bit line control circuit because it is not necessary to apply a high voltage to the word line and bit line. There is no need, and high-speed transistors that operate at high speed can be used to speed up the read operation.

図11は、上記書き込み動作によって記憶トランジスタMCN1,MCN2に設定されるしきい値電圧を説明する図、すなわち、不揮発性メモリセルに対するデータ設定の方式を説明する図である。ここで、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が低い状態(オン)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が高い状態(オフ)のときデータは"1"であり、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が高い状態(オフ)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が低い状態(オン)のときデータは"0"である。   FIG. 11 is a diagram for explaining threshold voltages set in the memory transistors MCN1 and MCN2 by the write operation, that is, a diagram for explaining a data setting method for a nonvolatile memory cell. Here, when the threshold voltage of the storage transistor MCN1 is low (on) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is high (off), the data is “1” and the threshold of the storage transistor MCN1 When the voltage is high (off) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is low (on), the data is “0”.

同図(A)は、データ設定前、すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合を示す。この状態は、メモリセルの状態は不定である。   FIG. 6A shows a case before data setting, that is, when the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are both in the initial state Vth0. In this state, the state of the memory cell is indefinite.

同図(B)は、不揮発性メモリセルにデータ"0"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"0"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 5B shows the threshold voltage when data “0” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “0” is realized by raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 from the initial state in FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

同図(C)は、不揮発性メモリセルにデータ"1"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"1"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 3C shows the threshold voltage when data “1” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “1” is realized by raising the threshold voltage of the memory transistor MCN2 from the initial state of FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

図9、10で説明した消去動作を行うと、同図(B),(C)のようにしきい値電圧が制御されていても、同図(A)に示す状態に復帰する。   When the erase operation described with reference to FIGS. 9 and 10 is performed, the state shown in FIG. 9A is restored even if the threshold voltage is controlled as shown in FIGS.

このように、このメモリセルは、記憶トランジスタMCN1、MCN2のしきい値電圧を上げても、再度初期状態Vth0まで下げることが可能であるため、複数回のデータの書き換えが要求される用途に用いても、True側(記憶トランジスタMCN1)とBar側(記憶トランジスタMCN2)のしきい値電圧の差である読み出しマージンを十分に大きく取ることができる。   As described above, since the memory cell can be lowered to the initial state Vth0 again even if the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are increased, the memory cell is used for an application that requires a plurality of data rewrites. However, a read margin that is the difference between the threshold voltages on the True side (storage transistor MCN1) and the Bar side (storage transistor MCN2) can be sufficiently large.

図12、13は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。第1の実施形態のメモリセルの記憶内容の読み出しは、図12に示すように、ソース線VSを0Vとし、ゲート線VGにVccを印加した時のドレイン線VDの電圧を読み取ることによって行う。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図12に示す電位配置にするため、図13に示す手順でメモリセルに電圧が印加される。読み出し動作はSRAMの読み出し動作と同様、差動型センスアンプを使用する。VPS,VPMをVcc、SLを0Vに設定し、ワード線WLをVccに設定した条件下で、フリップフロップ内のデータに応じたビット線BLT、BLBの変化を差動型センスアンプで読み出す。記憶トランジスタMCN1がオンしているときBLTは低電圧(0V)であり、記憶トランジスタMCN1がオフしているときBLTは高電圧(Vcc)である。記憶トランジスタMCN2がオンしているときBLBが低電圧(0V)であり、記憶トランジスタMCN2がオフしているときBLBは高電圧(Vcc)である。BLTが低電圧(0V)且つBLBが低電圧 (Vcc)のときデータは"1"であり、BLTが高電圧(Vcc)且つBLBが低電圧(0V)のときデータは"0"である。   12 and 13 are diagrams showing a voltage application procedure at the time of reading from the nonvolatile memory cell. As shown in FIG. 12, the storage contents of the memory cell according to the first embodiment are read by reading the voltage of the drain line VD when the source line VS is set to 0 V and Vcc is applied to the gate line VG. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 12, a voltage is applied to the memory cell in the procedure shown in FIG. The read operation uses a differential sense amplifier as in the SRAM read operation. Under the condition that VPS and VPM are set to Vcc, SL is set to 0 V, and the word line WL is set to Vcc, the change of the bit lines BLT and BLB corresponding to the data in the flip-flop is read by the differential sense amplifier. When the storage transistor MCN1 is on, BLT is at a low voltage (0V), and when the storage transistor MCN1 is off, BLT is at a high voltage (Vcc). When the storage transistor MCN2 is on, BLB is at a low voltage (0V), and when the storage transistor MCN2 is off, BLB is at a high voltage (Vcc). Data is "1" when BLT is low voltage (0V) and BLB is low voltage (Vcc), and data is "0" when BLT is high voltage (Vcc) and BLB is low voltage (0V).

[第1の実施形態の変形例]
図6に示す不揮発性メモリセルは、書き込みが行われていない状態、すなわち、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧がともに低い状態では、データが確定しない。そこで、図14,15に示すように、True側(記憶トランジスタMCN1側)とBar側(記憶トランジスタMCN2側)の回路構成をアンバランスにすることにより、書き込みが行われていない状態でも、立ち上げ時にデータを"0"または"1"の一方に確定させることができる。
[Modification of First Embodiment]
In the nonvolatile memory cell shown in FIG. 6, data is not determined in a state where writing is not performed, that is, in a state where the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are both low. Therefore, as shown in FIGS. 14 and 15, the circuit configuration on the True side (storage transistor MCN1 side) and the Bar side (storage transistor MCN2 side) are unbalanced to start up even in a state where writing is not performed. Sometimes data can be fixed to either "0" or "1".

図14に示す不揮発性メモリセルは、2つの負荷トランジスタMP1,MP2のチャンネル幅をアンバランスにしたものである。この例では負荷トランジスタMP1(太線で示す)のチャンネル幅を負荷トランジスタMP2のチャンネル幅の2倍にして、負荷トランジスタMP1のオン時の抵抗値が、負荷トランジスタMP2のオン時の抵抗値に比べて1/2となるようにしている。   In the nonvolatile memory cell shown in FIG. 14, the channel widths of the two load transistors MP1 and MP2 are unbalanced. In this example, the channel width of the load transistor MP1 (indicated by a thick line) is twice the channel width of the load transistor MP2, and the resistance value when the load transistor MP1 is on is compared with the resistance value when the load transistor MP2 is on. It is made to become 1/2.

この構成のメモリセルが、記憶トランジスタMCN1,MCN2が両方とも書き込みされていない状態で電源が投入されると、nodeTがnodeBよりも速く電位が上昇し、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN2がオン状態、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN1がオフ状態、すなわち、データ"0"となって安定する。   When the memory cell of this configuration is turned on when neither of the storage transistors MCN1 and MCN2 is written, the potential of nodeT rises faster than that of nodeB, and the load transistor MP1 and storage transistor MCN2 are turned on. The load transistor MP2 and the storage transistor MCN1 are in the off state, that is, the data becomes “0” and is stabilized.

なお、上記のチャンネル幅をアンバランスにする代わりに、チャンネル長をアンバランスにしてもよい。また、チャンネル幅またはチャンネル長を変更する負荷トランジスタは、MP1,MP2のどちらでもよい。また、記憶トランジスタMCN1,MCN2のチャンネル幅またはチャンネル長を変更してアンバランスにしてもよい。   Note that the channel length may be unbalanced instead of making the channel width unbalanced. Further, the load transistor for changing the channel width or the channel length may be either MP1 or MP2. Further, the channel widths or channel lengths of the storage transistors MCN1 and MCN2 may be changed to be unbalanced.

図15に示す不揮発性メモリセルは、フリップフロップの2つのnodeT,nodeBにそれぞれキャパシタを接続したものである。nodeTには、電源ラインVccとの間にキャパシタC1を接続し、nodeBには、グランドとの間にキャパシタC2を接続している。これらのキャパシタの容量は例えば50fF程度である。   The nonvolatile memory cell shown in FIG. 15 is obtained by connecting capacitors to two nodeT and nodeB of a flip-flop. A capacitor C1 is connected between the node T and the power supply line Vcc, and a capacitor C2 is connected between the node B and the ground. The capacitance of these capacitors is about 50 fF, for example.

これにより、2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2に設定されるいずれにも、書き込み・消去を行っていない状態で電源を投入すると、電源投入直後のnodeTの電位上昇が速く、nodeBの電位上昇が遅くなるので、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN2がオン状態、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN1がオフ状態、すなわち、データ"0"となって安定する。   As a result, when the power is turned on without writing / erasing to any of the two memory transistors MCN1 and MCN2, the potential rise of nodeT immediately after power-on is rapid and the potential rise of nodeB is slow. Therefore, the load transistor MP1 and the storage transistor MCN2 are in the on state, the load transistor MP2 and the storage transistor MCN1 are in the off state, that is, the data becomes “0” and is stabilized.

図15に示した例では、nodeT,nodeBのいずれにもキャパシタを接続したが、一方のみに接続しても不揮発性メモリセルの回路構成を非対称にすることができる。   In the example shown in FIG. 15, the capacitor is connected to both nodeT and nodeB, but the circuit configuration of the nonvolatile memory cell can be made asymmetric even if it is connected to only one of them.

[第2の実施形態]
第2の実施形態に係る不揮発性記憶装置およびそれを備えた半導体集積回路装置について図16〜図33を参照して説明する。
[Second Embodiment]
A nonvolatile memory device according to a second embodiment and a semiconductor integrated circuit device including the nonvolatile memory device will be described with reference to FIGS.

図16は不揮発性記憶装置の1つの不揮発性メモリセルの回路図である。このメモリセルは、8トランジスタで構成されるVPS分割型の不揮発性メモリセルである。このメモリセルは、P型MOSトランジスタMP1,N型MOSトランジスタMCN1を直列に接続したインバータ(True側インバータ)と、P型MOSトランジスタMP2,N型MOSトランジスタMCN2を直列に接続したインバータ(Bar側インバータ)をスタティックラッチ接続したフリップフロップを有している。このうち、P型MOSトランジスタMP1,MP2を負荷トランジスタと呼び、N型MOSトランジスタMCN1,MCN2を記憶トランジスタと呼ぶ。記憶トランジスタMCN1,MCN2は、図18以下で説明するように、サイドウォール部に電荷を蓄積・中和することにより、不揮発的にしきい値を変更可能な不揮発素子として機能する。   FIG. 16 is a circuit diagram of one nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory device. This memory cell is a VPS-divided nonvolatile memory cell composed of 8 transistors. This memory cell includes an inverter (True side inverter) in which a P-type MOS transistor MP1 and an N-type MOS transistor MCN1 are connected in series, and an inverter (Bar-side inverter) in which a P-type MOS transistor MP2 and an N-type MOS transistor MCN2 are connected in series. ) In a static latch connection. Among these, the P-type MOS transistors MP1 and MP2 are called load transistors, and the N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 are called storage transistors. The storage transistors MCN1 and MCN2 function as non-volatile elements that can change the threshold value in a non-volatile manner by accumulating and neutralizing charges in the sidewall portion, as will be described with reference to FIG.

各インバータの記憶トランジスタ側端部すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のソースは、ソース線SLに接続されている。また、True側インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP1のソースはVPST線に接続され、Bar側インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP2のソースはVPSB線に接続されている。   The storage transistor side end of each inverter, that is, the source of the storage transistors MCN1 and MCN2, is connected to the source line SL. The load transistor side end of the True side inverter, that is, the source of the load transistor MP1 is connected to the VPST line, and the load transistor side end of the Bar side inverter, that is, the source of the load transistor MP2 is connected to the VPSB line.

このフリップフロップのうち、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1を直列に接続したインバータがTrue側の記憶部として機能し、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2を直列に接続したインバータがBar側の記憶部として機能する。負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1の接続部がnodeTであり、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2の接続部がnodeBである。nodeTが高電位,nodeBが低電位のとき記憶内容が"0"であり、nodeTが低電位,nodeBが高電位のとき記憶内容が"1"である。   Among the flip-flops, an inverter in which the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 are connected in series functions as a storage unit on the True side, and an inverter in which the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 are connected in series functions as a storage unit on the Bar side. To do. A connection portion between the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 is nodeT, and a connection portion between the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 is nodeB. When nodeT is high potential and nodeB is low potential, the stored content is “0”, and when nodeT is low potential and nodeB is high potential, the stored content is “1”.

nodeTは、トランスファゲートMN1を介してビット線BLT(BitLine−True)に接続され、nodeBは、トランスファゲートMN2を介してビット線BLB(BitLine−Bar)に接続されている。トランスファゲートMN1,MN2は、N型MOSトランジスタで構成され、各ゲートには共通のワード線WLが接続されている。   The node T is connected to the bit line BLT (BitLine-True) via the transfer gate MN1, and the node B is connected to the bit line BLB (BitLine-Bar) via the transfer gate MN2. The transfer gates MN1 and MN2 are composed of N-type MOS transistors, and a common word line WL is connected to each gate.

また、負荷トランジスタMP1に並列に、すなわちnodeTとVPSTとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP3が接続されている。また、負荷トランジスタMP2に並列に、すなわちnodeBとVPSBとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP4が接続されている。P型MOSトランジスタMP3のゲートにはT側プリチャージ線PRETが接続され、P型MOSトランジスタMP4のゲートにはB側プリチャージ線PREBが接続されている。また、全てのP型MOSトランジスタMP1〜MP4は同一Nウエル内に形成されNウエル電位はVPM信号で制御されている。   Further, a P-type MOS transistor MP3, which is a precharging transistor, is connected in parallel to the load transistor MP1, that is, between nodeT and VPST. A P-type MOS transistor MP4, which is a precharging transistor, is connected in parallel with the load transistor MP2, that is, between nodeB and VPSB. A T-side precharge line PRET is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP3, and a B-side precharge line PREB is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP4. All the P-type MOS transistors MP1 to MP4 are formed in the same N well, and the N well potential is controlled by the VPM signal.

図17は、図16に示した不揮発性メモリセルをアレイ状に配列したメモリセルアレイの構成を示す図である。このメモリセルアレイでは、図16の不揮発性メモリセルがX,Yのマトリクスアレイに配列されている。そして、ワード線WLが、各行(ロウ)ごとに設けられ、ビット線BLT、BLBが、各列(カラム)ごとに各々1本ずつ設けられている。これらワード線WL,ビット線BLT,BLBは、それぞれ独立に制御される。一方、それ以外の信号線(PREB、PRET、VPST、VPSB、VPM、SL)は全メモリセルに共通に設けられ、アレイ内の全メモリセルが一体に制御される。   FIG. 17 is a diagram showing a configuration of a memory cell array in which the nonvolatile memory cells shown in FIG. 16 are arranged in an array. In this memory cell array, the nonvolatile memory cells of FIG. 16 are arranged in an X and Y matrix array. A word line WL is provided for each row (row), and one bit line BLT, BLB is provided for each column (column). These word lines WL and bit lines BLT and BLB are controlled independently. On the other hand, the other signal lines (PREB, PRET, VPST, VPSB, VPM, SL) are provided in common to all the memory cells, and all the memory cells in the array are integrally controlled.

図18、図20、図26は、記憶トランジスタMCN1(MCN2)の半導体基板上における構造を示す図である。図18は、書き込み時の電位配置を示し、図20は消去時の電位配置を示し、図26は読み出し時の電位配置を示している。   18, FIG. 20, and FIG. 26 are diagrams showing the structure of the memory transistor MCN1 (MCN2) on the semiconductor substrate. 18 shows the potential arrangement at the time of writing, FIG. 20 shows the potential arrangement at the time of erasing, and FIG. 26 shows the potential arrangement at the time of reading.

また、図19は、記憶トランジスタMCN1への書き込み時の電圧印加手順を示す図である。図21は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図27は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。   FIG. 19 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of writing to the memory transistor MCN1. FIG. 21 is a diagram showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). FIG. 27 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of reading from a nonvolatile memory cell.

図18において、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板101の表面領域に、深さ0.8μm、平均ボロン濃度2×1017cm-3のP型ウエル104が形成されている。このP型ウエル104に、深さ250nmの複数のトレンチ(素子分離)102によって分離された2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2が形成されている。この図には、一方の記憶トランジスタ(MCN1)のみを示している。 In FIG. 18, a P-type well 104 having a depth of 0.8 μm and an average boron concentration of 2 × 10 17 cm −3 is formed in the surface region of a P-type silicon substrate 101 having a resistivity of 10 Ωcm. In this P-type well 104, two storage transistors MCN1 and MCN2 separated by a plurality of trenches (element isolation) 102 having a depth of 250 nm are formed. In this figure, only one storage transistor (MCN1) is shown.

記憶トランジスタは、Nチャンネル型トランジスタであり、P型ウエル104の表面領域に、両側のトレンチ102に隣接して形成されたドレイン109,ソース115、および、ドレイン109の周辺領域に形成されたドレインエクステンション107を有する。ドレイン109,ソース115は、それぞれ平均砒素濃度1×1020cm-3に形成され、ドレインエクステンション107平均砒素濃度5×1018cm-3に形成されている。 The storage transistor is an N-channel transistor, and has a drain 109 and a source 115 formed adjacent to the trench 102 on both sides in the surface region of the P-type well 104 and a drain extension formed in the peripheral region of the drain 109. 107. The drain 109 and the source 115 are each formed with an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 , and the drain extension 107 is formed with an average arsenic concentration of 5 × 10 18 cm −3 .

また、P型ウエル104の表面のドレイン109,ソース115間の領域であるチャネル領域の基板上には、膜厚5nmのゲート酸化膜105、および、膜厚200nmでリン濃度2×1020cm-3のポリシリコン膜からなるゲート電極106が形成されている。また、このゲート酸化膜105,ゲート電極106の両側には、膜厚50nmの絶縁膜からなるサイドスペーサ108、108Sが形成されている。なお、ソース115周辺にはエクステンション領域が形成されていないため、ソース側のサイドスペーサ108Sは、基板のチャンネル領域に対して露出している。 On the substrate of the channel region, which is the region between the drain 109 and the source 115 on the surface of the P-type well 104, a gate oxide film 105 with a thickness of 5 nm and a phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm with a thickness of 200 nm. A gate electrode 106 made of 3 polysilicon film is formed. Further, side spacers 108 and 108S made of an insulating film having a thickness of 50 nm are formed on both sides of the gate oxide film 105 and the gate electrode 106. Since no extension region is formed around the source 115, the side spacer 108S on the source side is exposed to the channel region of the substrate.

また、P型ウエル104の領域内で、トレンチ102により、上記記憶トランジスタから分離された領域には、このP型ウエル104を接地するための電極である平均ボロン濃度1×1020cm-3のP型拡散層111が形成されている。 In the region of the P-type well 104, the region separated from the memory transistor by the trench 102 has an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 that is an electrode for grounding the P-type well 104. A P-type diffusion layer 111 is formed.

この記憶トランジスタは、ソース側のサイドスペーサ108Sにキャリアを注入することによってしきい値電圧を上昇させることができる。また、図20で説明するように、サイドスペーサ108Sに注入したキャリアを引き抜いて、しきい値電圧を初期状態に戻すこともできる。これにより、この記憶トランジスタは、不揮発にデータを記憶する。   In this memory transistor, the threshold voltage can be increased by injecting carriers into the side spacer 108S on the source side. Further, as will be described with reference to FIG. 20, the threshold voltage can be returned to the initial state by extracting the carrier injected into the side spacer 108S. As a result, the storage transistor stores data in a nonvolatile manner.

なお、記憶トランジスタの標準的な初期しきい電圧は1.2Vであるが、特殊な構造のトランジスタであるためバラツキが大きく、信頼性の観点から、この記憶トランジスタ単独で記憶素子として用いることは困難である。このため、この実施形態では、図16に示したフリップフロップ構成でメモリセルを構成している。   Note that the standard initial threshold voltage of the memory transistor is 1.2 V. However, since the transistor has a special structure, the variation is large, and it is difficult to use the memory transistor alone as a memory element from the viewpoint of reliability. It is. Therefore, in this embodiment, the memory cell is configured with the flip-flop configuration shown in FIG.

図18に示すように、書き込み動作は、ドレイン線VDへ0Vを印加し、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば6V)を印加してチャネルホットエレクトロンHEを前記サイドスペーサ108Sへ注入する動作である。このチャネルホットエレクトロンの注入によってサイドスペーサ108Sにトラップされた電子によりしきい値電圧が上昇し、記憶トランジスタが書き込み状態となる。   As shown in FIG. 18, in the write operation, 0 V is applied to the drain line VD, a positive voltage (for example, 6 V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, and channel hot electrons HE are injected into the side spacer 108S. Is the action. The threshold voltage rises due to electrons trapped in the side spacer 108S due to the injection of channel hot electrons, and the memory transistor enters a writing state.

図19は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を上昇させてデータ"0"を書き込む場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1を図18に示す電位配置にするため、図19に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。PREB、PRET、VPST、VPSB、VPM、SLを6Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLTを0V、BLBをVccにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1がオンすることでnodeT(記憶トランジスタMCN1のドレイン)は、ビット線BLT(0V)とほぼ同電位になるとともに、これにより負荷トランジスタMP2がオンするため、nodeB(記憶トランジスタMCN1のゲート)が、VPSB(6V)とほぼ同電位になる。これにより、記憶トランジスタMCN1の電位配置は図18と同じになる。このときトランスファゲートMN1および記憶トランジスタMCN1には、300μA程度の電流が流れて、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2まで上昇させる。   FIG. 19 is a diagram showing a voltage application procedure when data “0” is written by increasing the threshold voltage of the memory transistor MCN1. In order to make the memory transistor MCN1 have the potential arrangement shown in FIG. 18, a voltage is applied to the memory cell by the procedure shown in FIG. Under the condition that PREB, PRET, VPST, VPSB, VPM, SL are set to 6V, the word line WL is set to Vcc, the bit line BLT is set to 0V, and the BLB is set to Vcc. When the transfer gate MN1 which is an N-type MOS transistor is turned on, the node T (the drain of the storage transistor MCN1) becomes substantially the same potential as the bit line BLT (0 V), and the load transistor MP2 is thereby turned on. The gate of the storage transistor MCN1 becomes substantially the same potential as VPSB (6V). Thereby, the potential arrangement of the memory transistor MCN1 becomes the same as that in FIG. At this time, a current of about 300 μA flows through the transfer gate MN1 and the storage transistor MCN1, thereby raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 to Vth2.

また、データ"1"を書く場合は、記憶トランジスタMCN2側のしきい値電圧を上げることになるが、BLT=Vcc、BLB=0Vと電圧設定を逆転するだけで、他の条件はデータ"0"書き込み時と同じである。   When data “1” is written, the threshold voltage on the memory transistor MCN2 side is increased. However, only the voltage setting is reversed to BLT = Vcc and BLB = 0V, and other conditions are set to data “0”. "Same as writing.

なお、上記実施例では、トランジスタMCN1のゲート(nodeB)へ6Vを印加し、トランジスタMCN1のドレイン(ソース線SL)へ6Vを印加しているが、これらの電圧は異なる電圧でも良い。また、図19では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、VPSBとVPSTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばVPS信号)とすることができる。更にはVPMもVPSと同じ電圧であるので、これを含めて共通の信号としても良い。   In the above embodiment, 6V is applied to the gate (nodeB) of the transistor MCN1 and 6V is applied to the drain (source line SL) of the transistor MCN1, but these voltages may be different voltages. In FIG. 19, since PREB and PRET are the same voltage, they can be used as a common signal (for example, PRE signal). Furthermore, since VPSB and VPST have the same voltage, they can be a common signal (for example, a VPS signal). Furthermore, since VPM is the same voltage as VPS, a common signal including this may be used.

図20、図21は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図20に示すように、消去動作は、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば9V)を印加し、ゲート線VG、ドレイン線VDに0Vを印加して、ソース電極115からアバランシェホットホールHHを発生させ、これをサイドスペーサ108Sへ注入する動作である。これにより、前記書き込み動作でサイドスペーサ108Sにトラップされた電子を中和し、しきい値電圧を低下させることによって書き込まれたデータが消去される。   20 and 21 are diagrams showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). As shown in FIG. 20, in the erasing operation, a positive voltage (for example, 9V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, 0V is applied to the gate line VG and the drain line VD, and the avalanche hot hole is applied from the source electrode 115. In this operation, HH is generated and injected into the side spacer 108S. As a result, the electrons trapped in the side spacer 108S in the write operation are neutralized, and the written data is erased by lowering the threshold voltage.

図21は、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧を低下させてデータを消去する場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図20に示す電位配置にするため、図21に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。一般的に、消去動作は、図17に示したメモリアレイの全メモリセルに対して一括して行われる。PREB、PRET、VPMをVccに設定し、VPST、VPSBを0Vに設定し、SLを9Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLT、BLBを0Vにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1、MN2がオンすることでnodeT、nodeBは0Vとなり、記憶トランジスタMCN1、MCN2の電位配置は図20と同じになる。また、図21では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、VPSBとVPSTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばVPS信号)とすることができる。更には、VPMを0Vとしても正常に動作するので、VPMをVPSと接続し、共通の信号としても良い。   FIG. 21 is a diagram showing a voltage application procedure when data is erased by lowering the threshold voltages of the memory transistors MCN1 and MCN2. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 20, a voltage is applied to the memory cell in the procedure shown in FIG. In general, the erase operation is performed on all the memory cells of the memory array shown in FIG. PREB, PRET, VPM are set to Vcc, VPST, VPSB are set to 0V, and SL is set to 9V, the word line WL is set to Vcc, and the bit lines BLT, BLB are set to 0V. When the transfer gates MN1 and MN2 which are N-type MOS transistors are turned on, nodeT and nodeB become 0V, and the potential arrangement of the storage transistors MCN1 and MCN2 is the same as that in FIG. In FIG. 21, since PREB and PRET are the same voltage, they can be used as a common signal (for example, PRE signal). Furthermore, since VPSB and VPST have the same voltage, they can be a common signal (for example, a VPS signal). Further, since the VPM operates normally even when the VPM is set to 0 V, the VPM may be connected to the VPS and used as a common signal.

このように、図18、図19に示した書き込み時の電圧印加手順、および、図20、図21に示した消去時の電圧印加手順は、各メモリセル毎に独立制御が必要なワード線およびビット線に0VまたはVccを印加すればよいように設計されているため、すなわちワード線、ビット線に高電圧の印加が不要であるため、ワード線,ビット線の制御回路に高耐圧トランジスタを使用する必要が無くなり、高速に動作する高性能なトランジスタを使用して読み出し動作の高速化を図ることができる。   As described above, the voltage application procedure at the time of writing shown in FIGS. 18 and 19 and the voltage application procedure at the time of erasing shown in FIGS. 20 and 21 are the same as the word lines that require independent control for each memory cell. Because it is designed to apply 0V or Vcc to the bit line, that is, it is not necessary to apply a high voltage to the word line and bit line, high voltage transistors are used in the word line and bit line control circuits. Therefore, the reading operation can be speeded up using a high-performance transistor that operates at high speed.

図22は、上記書き込み動作によって記憶トランジスタMCN1,MCN2に設定されるしきい値電圧を説明する図、すなわち、不揮発性メモリセルに対するデータ設定の方式を説明する図である。ここで、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が低い状態(オン)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が高い状態(オフ)のときデータは"1"であり、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が高い状態(オフ)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が低い状態(オン)のときデータは"0"である。   FIG. 22 is a diagram for explaining threshold voltages set in the memory transistors MCN1 and MCN2 by the write operation, that is, a diagram for explaining a data setting method for a nonvolatile memory cell. Here, when the threshold voltage of the storage transistor MCN1 is low (on) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is high (off), the data is “1” and the threshold of the storage transistor MCN1 When the voltage is high (off) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is low (on), the data is “0”.

同図(A)は、データ設定前、すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合を示す。この状態でも図23または図25に示す手順により、この不揮発性メモリセルの状態がデータ"1"に確定される。   FIG. 6A shows a case before data setting, that is, when the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are both in the initial state Vth0. Even in this state, the state of the nonvolatile memory cell is determined to be data “1” by the procedure shown in FIG.

同図(B)は、不揮発性メモリセルにデータ"0"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"0"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 5B shows the threshold voltage when data “0” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “0” is realized by raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 from the initial state in FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

同図(C)は、不揮発性メモリセルにデータ"1"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"1"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 3C shows the threshold voltage when data “1” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “1” is realized by raising the threshold voltage of the storage transistor MCN2 from the initial state of FIG.

図20、図21で説明した消去動作を行うと、同図(B),(C)のようにしきい値電圧が制御されていても、同図(A)に示す状態に復帰する。   When the erase operation described with reference to FIGS. 20 and 21 is performed, the state shown in FIG. 20A is restored even if the threshold voltage is controlled as shown in FIGS.

このように、このメモリセルは、記憶トランジスタMCN1、MCN2のしきい値電圧を上げても、再度初期状態Vth0まで下げることが可能であるため、また、記憶トランジスタMCN1、MCN2が共に初期状態Vth0の場合でも、強制的にデータを”1”に確定することができるため、複数回のデータの書き換えが要求される用途に用いても、True側(記憶トランジスタMCN1)とBar側(記憶トランジスタMCN2)のしきい値電圧の差である読み出しマージンを十分に大きく取ることができる。   Thus, since this memory cell can be lowered again to the initial state Vth0 even if the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are increased, both the storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0. Even in this case, since the data can be forcibly determined to be “1”, the True side (the storage transistor MCN1) and the Bar side (the storage transistor MCN2) can be used for applications that require a plurality of data rewrites. The read margin, which is the difference between the threshold voltages, can be made sufficiently large.

図18、図19に示した書き込み動作により、記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれかに書き込みを行い、メモリセルに"1"または"0"のデータを書き込むことができる。一方、初期状態のメモリセル、すなわち、記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれにも書き込みが行われておらず、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合には、一般的にはメモリセルの記憶内容が不定である。しかし、初期状態のメモリセルに対して以下の手順で電圧を印加することにより、このメモリセルの記憶内容を"1"または"0"のいずれかに確定することができる。   By the writing operation shown in FIGS. 18 and 19, writing can be performed to one of the storage transistors MCN1 and MCN2, and data “1” or “0” can be written to the memory cell. On the other hand, when no data is written in the memory cell in the initial state, that is, in the storage transistors MCN1 and MCN2, both of the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0. The memory content of the memory cell is indefinite. However, by applying a voltage to the memory cell in the initial state according to the following procedure, the memory content of this memory cell can be determined to be “1” or “0”.

図23は、第2の実施形態の不揮発性メモリセルのデータを確定するための電圧印加手順を説明する図である。この手順は、不揮発性メモリセルの記憶内容が"1"または"0"の場合には、その記憶内容どおりにメモリセル(フリップフロップ)の状態を設定し、メモリセルが初期状態の場合には、強制的にデータを"1"に固定する動作である。複数のメモリセルが配列されたメモリアレイにおいて、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在する場合に、この手順をメモリアレイの全メモリセルに一括して行うことにより、記憶内容が"1"または"0"のメモリセルに対しては、その記憶内容どおりにフリップフロップの状態を設定し、初期状態のメモリセルに対しては、フリップフロップの状態を強制的に"1"に固定する。この手順はメモリの起動時に実行される。   FIG. 23 is a diagram illustrating a voltage application procedure for determining data in the nonvolatile memory cell according to the second embodiment. In this procedure, when the stored content of the nonvolatile memory cell is “1” or “0”, the state of the memory cell (flip-flop) is set according to the stored content, and when the memory cell is in the initial state, This is an operation for forcibly fixing the data to “1”. In a memory array in which a plurality of memory cells are arranged, if the memory contents are "1" and "0" and the memory cells in the initial state coexist, this procedure is collectively applied to all the memory cells in the memory array. By doing so, the state of the flip-flop is set according to the stored content for the memory cell whose stored content is “1” or “0”, and the state of the flip-flop is set for the memory cell in the initial state. Forced to "1". This procedure is executed when the memory is activated.

図23に示す手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vにした条件下で行われる。まず、時刻t0に、ソース電位SLを0VからVccに立ち上げ、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。時刻t1に、プリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンする。同時に、Vccに設定されているプリチャージ電圧のうち、True側のプリチャージ電圧VPSTをΔV(Vth2−Vth0よりも十分小さい電圧、たとえば、0.2V)低下させる。これにより、nodeT、nodeBのプリチャージ電圧も各々Vcc−ΔV,Vccとなり、記憶トランジスタMCN2のソース・ドレイン間電圧が、記憶トランジスタMCN1のソース・ドレイン間電圧よりもΔVだけ高くなる。これにより、記憶トランジスタMCN2側の見かけのしきい値電圧をΔV分だけ高くすることができる。   The procedure shown in FIG. 23 is as follows. This procedure is performed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V. First, at time t0, the source potential SL is raised from 0 V to Vcc, and the storage transistors MCN1 and MCN2 are turned off. At time t1, the precharge transistors MP3 and MP4 are turned on by lowering the precharge control signals PRET and PREB from Vcc to 0V. At the same time, among the precharge voltages set to Vcc, the True-side precharge voltage VPST is lowered by ΔV (voltage sufficiently smaller than Vth2−Vth0, for example, 0.2V). As a result, the precharge voltages of nodeT and nodeB are also Vcc−ΔV and Vcc, respectively, and the source-drain voltage of the storage transistor MCN2 becomes higher by ΔV than the source-drain voltage of the storage transistor MCN1. Thereby, the apparent threshold voltage on the memory transistor MCN2 side can be increased by ΔV.

時刻t2にPRET、PREBをVccに戻し、時刻t3よりソース電位SLをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。この時、メモリセルの記憶内容が"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVcc−ΔVとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。一方、メモリセルの記憶内容が"0"の場合は、ΔVだけしきい値電圧が上昇しても、やはり記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧の方が記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧よりも低く、記憶トランジスタMCN2が先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"に確定する。   At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc, and from time t3, the source potential SL is gradually lowered toward 0V. At this time, when the memory content of the memory cell is “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is first lowered to 0V, and nodeB is Vcc−ΔV Thus, the data of the flip-flop is fixed to “1”. On the other hand, when the memory content of the memory cell is “0”, even if the threshold voltage increases by ΔV, the threshold voltage of the memory transistor MCN2 is still lower than the threshold voltage of the memory transistor MCN1. Since the memory transistor MCN2 is turned on first, nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the data of the flip-flop is determined to be "0".

また、メモリセルの記憶内容が"不定"の場合、すなわち、MCN1,MCN2のしきい値電圧が共にVth0である場合は、記憶トランジスタMCN1の見かけのしきい値電圧が記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧よりもΔVだけ低いため、MCN1がMCN2よりも先にオンし、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVcc−ΔVとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。
フリップフロップの状態が確定したのちの時刻t4にVPSTをVccに戻す。
Further, when the memory content of the memory cell is “undefined”, that is, when the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0, the apparent threshold voltage of the memory transistor MCN1 is the threshold voltage of the memory transistor MCN2. Since it is lower than the voltage by ΔV, MCN1 is turned on earlier than MCN2, nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc−ΔV, and the flip-flop data is determined to be “1”.
VPST is returned to Vcc at time t4 after the state of the flip-flop is determined.

MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるメモリセルは、未だ書き込み,書き換えが行われていないセルである場合が多く、このようなメモリセルでは、書き換えに伴うトランジスタ劣化もないため、ΔVの設定については、トランジスタの初期的なしきい値電圧のばらつきだけを考慮しておけばよい。したがって、例えば0.2V程度で十分と考えられる。   A memory cell in which the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0 is often a cell that has not yet been written or rewritten. In such a memory cell, there is no deterioration of the transistor due to rewriting. For the setting of, only the initial threshold voltage variation of the transistor needs to be considered. Therefore, for example, about 0.2V is considered sufficient.

図23に示した電圧印加手順は、初期状態のメモリセルをデータ"1"に確定する場合の手順であるが、P型MOSトランジスタのソース電位制御においてVPSTに代えてVPSBの電圧をΔVだけ低下させることで、初期状態のメモリセルをデータ"0"に確定することも可能である。また、図23では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。   The voltage application procedure shown in FIG. 23 is a procedure for determining the memory cell in the initial state as data “1”. However, in the source potential control of the P-type MOS transistor, the voltage of VPSB is reduced by ΔV instead of VPST. By doing so, it is possible to determine the memory cell in the initial state as data “0”. In FIG. 23, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be a common signal (for example, a PRE signal).

図24は、図23に示した電圧印加手順を行う場合のデータ確定のマージンを説明する図である。MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるような初期状態においては、前述したように、nodeTのプリチャージ電圧をnodeBよりもΔVだけ低くすることで、MCN2側の見かけのしきい値電圧をΔVだけ高くし、強制的にデータ"1"と認識させている。既にデータ"0"が書き込まれているメモリセルにおいては、ΔV分だけマージンが減少することになるが、仮にVth2−Vth0=1V、ΔV=0.2Vとした場合のマージンは0.8Vとなる。既にデータ"1"が書き込まれているメモリセルにおいては、逆にΔV分だけマージンが増加することになり、仮にVth2−Vt h0=1V、ΔV=0.2Vとした場合のマージンは1.2Vとなる。   FIG. 24 is a diagram for explaining a data determination margin when the voltage application procedure shown in FIG. 23 is performed. In the initial state where both the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are Vth0, as described above, the apparent threshold voltage on the MCN2 side can be obtained by making the precharge voltage of nodeT lower by ΔV than nodeB. Is increased by ΔV to forcibly recognize the data as “1”. In a memory cell in which data “0” has already been written, the margin decreases by ΔV. However, if Vth2−Vth0 = 1V and ΔV = 0.2V, the margin becomes 0.8V. . In the memory cell in which data “1” has already been written, the margin is increased by ΔV. If Vth2−Vth0 = 1V and ΔV = 0.2V, the margin is 1.2V. It becomes.

図25は、初期状態のメモリセルに対してデータを確定させる電圧印加の手順を説明する図である。すなわち、図23の手順は、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在するメモリアレイにおいて、各メモリセルのデータを一括して確定させる手順であったが、図25に示す手順は、それぞれのメモリセルの記憶内容とは関係なく、メモリセルのデータを強制的に"1"または"0"に確定させる。   FIG. 25 is a diagram for explaining a voltage application procedure for determining data for a memory cell in an initial state. That is, the procedure of FIG. 23 is a procedure for determining the data of each memory cell collectively in a memory array in which memory cells with stored contents “1” and “0” and an initial state memory cell coexist. The procedure shown in FIG. 25 forcibly fixes the data in the memory cell to “1” or “0” regardless of the stored contents of each memory cell.

データ書込済のメモリセルと初期状態のメモリセルが混在する場合、または、全てのメモリセルが初期状態の場合、いずれの場合においても、メモリアレイに対して一括してこの手順を実行することにより、そのメモリセルのデータを"1"または"0"に確定することができる。以下の説明は、初期状態のメモリセルの記憶内容を強制的に"1"に確定する手順を示している。   This procedure should be executed on the memory array in a batch in both cases where there are mixed data memory cells and memory cells in the initial state, or if all memory cells are in the initial state. Thus, the data of the memory cell can be determined to be “1” or “0”. The following description shows a procedure for forcibly determining the stored contents of the memory cell in the initial state to “1”.

ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定した条件下で、まず、時刻t0にソース電位SLを0VからVccに立ち上げてMCN1、MCN2をオフし、時刻t1にプリチャージ制御信号PREB、PRET並びにプリチャージトランジスタMP3のソース電位VPSTをVccから0Vに立ち下げる。これにより、nodeBがプリチャージトランジスタMP4によりVccに充電され、nodeTがプリチャージトランジスタMP3を介して放電される。時刻t2にPREB、PRETをVccに戻し、時刻t3にSLをVccから0Vにする。このとき、ゲート電位がより高いMCN1の方がMCN2よりも先にオンすることで、nodeBがVccに保持された状態で、nodeTは0Vに引き下げられ、フリップフロップ内のデータが"1"と確定する。時刻t4にVPSTをVccに戻す。   Under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, first, the source potential SL is raised from 0V to Vcc at time t0 to turn off MCN1 and MCN2, and at time t1, the precharge control signal PREB, PRET and the source potential VPST of the precharge transistor MP3 are lowered from Vcc to 0V. Thereby, nodeB is charged to Vcc by the precharge transistor MP4, and nodeT is discharged through the precharge transistor MP3. At time t2, PREB and PRET are returned to Vcc, and at time t3, SL is changed from Vcc to 0V. At this time, MCN1 having a higher gate potential is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is lowered to 0V while nodeB is held at Vcc, and the data in the flip-flop is determined to be "1". To do. At time t4, VPST is returned to Vcc.

図25に示した手順は、メモリセルの記憶内容を強制的に"1"に確定する手順であるが、強制的に"0"に確定することも可能である。すなわち、時刻t1にプリチャージトランジスタMP3のソース電位VPSTに代えて、プリチャージトランジスタMP4のソース電位VPSBをVccから0Vに立ち下げることで、nodeBが放電され、データが"0"に確定する。また、図25では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。   The procedure shown in FIG. 25 is a procedure for forcibly confirming the stored contents of the memory cell to “1”, but it can also be forcibly determined to “0”. That is, by dropping the source potential VPSB of the precharge transistor MP4 from Vcc to 0V instead of the source potential VPST of the precharge transistor MP3 at time t1, nodeB is discharged and the data is determined to be “0”. In FIG. 25, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be a common signal (for example, a PRE signal).

図23または図25の手順を実行することにより、2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2の両方が初期状態Vth0である初期状態のメモリセルが存在しても、その記憶内容を一義的に"1"または"0"に確定することができる。   By executing the procedure of FIG. 23 or FIG. 25, even if there is an initial state memory cell in which both of the two storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0, the stored content is uniquely “1” or It can be fixed to “0”.

本不揮発性メモリセルをヒューズの代わりに使用する場合に、記憶内容を一義的に"1"に確定するようにすれば、初期状態のままで、ヒューズを切る前の状態(データ"1"に対応)を実現することができる。   When this nonvolatile memory cell is used in place of a fuse, if the stored content is uniquely determined to be “1”, the state before the fuse is blown (data “1” is maintained in the initial state). Response).

図26、図27は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。第2の実施形態のメモリセルの記憶内容の読み出しは、図26に示すように、ソース線VSを0Vとし、ゲート線VGにVccを印加した時のドレイン線VDの電圧を読み取ることによって行う。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図26に示す電位配置にするため、図27に示す手順でメモリセルに電圧が印加される。読み出し動作はSRAMの読み出し動作と同様、差動型センスアンプを使用する。PREB、PRET、VPST、VPSB、VPMをVcc、SLを0Vに設定し、ワード線WLをVccに設定した条件下で、フリップフロップ内のデータに応じたビット線BLT、BLBの変化を差動型センスアンプで読み出す。BLTが低電圧(0V)且つBLBが低電圧(Vcc)のときデータは"1"であり、BLTが高電圧(Vcc)且つBLBが低電圧(0V)のときデータは"0"である。また、図27では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、VPSBとVPSTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばVPS信号)とすることができる。更にはVPMとVPSとも同じ電圧であるので、これらを接続し、共通の信号としても良い。   26 and 27 are diagrams showing a voltage application procedure at the time of reading from the nonvolatile memory cell. As shown in FIG. 26, the memory contents of the second embodiment are read by reading the voltage of the drain line VD when the source line VS is 0 V and Vcc is applied to the gate line VG. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 26, a voltage is applied to the memory cell in the procedure shown in FIG. The read operation uses a differential sense amplifier as in the SRAM read operation. Under the condition that PREB, PRET, VPST, VPSB, and VPM are set to Vcc, SL is set to 0 V, and the word line WL is set to Vcc, the change of the bit lines BLT and BLB according to the data in the flip-flop is differential type. Read with a sense amplifier. The data is "1" when BLT is low voltage (0V) and BLB is low voltage (Vcc), and the data is "0" when BLT is high voltage (Vcc) and BLB is low voltage (0V). In FIG. 27, since PREB and PRET are the same voltage, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since VPSB and VPST have the same voltage, they can be a common signal (for example, a VPS signal). Furthermore, since VPM and VPS are the same voltage, they may be connected to form a common signal.

図25に示したデータ確定手順は、初期状態のメモリセル(記憶トランジスタMCN1,MCN2の両方が初期状態(しきい値電圧=Vth0)のメモリセル)が存在していても、これを強制的に"1"に確定することができる手順であった。初期状態のメモリセルが存在しない場合、または、初期状態のメモリセルのデータ値が不定であっても構わない場合には、図28〜図30に示す確定手順を用いることができる。この確定手順では、図23に示した手順のようなΔVの確定マージンの低下(図24参照)は生じない。   The data determination procedure shown in FIG. 25 forces the initial state memory cells (memory transistors MCN1 and MCN2 both in the initial state (threshold voltage = Vth0)) to exist. This was a procedure that could be fixed to “1”. When there is no memory cell in the initial state, or when the data value of the memory cell in the initial state may be indefinite, the determination procedure shown in FIGS. 28 to 30 can be used. In this determination procedure, the decrease in the determination margin of ΔV (see FIG. 24) as in the procedure shown in FIG. 23 does not occur.

図28に示すデータ確定手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPST,VPSB,VPMをVccに設定した条件下で行われる。まず、時刻t0に、ソース電位SLを0VからVccに立ち上げて、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。時刻t1に、プリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げてプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンし、nodeT,nodeBをVccにプリチャージする。時刻t2に、PRET、PREBをVccに戻してプリチャージを完了する。時刻t3より、ソース電位SLをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。この時、データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"と確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"と確定する。また、図28では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、VPSBとVPSTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばVPS信号)とすることができる。更にはVPMがVPSと同じ電圧であることから、VPMとVPSとを接続し、共通の信号としても良い。   The data confirmation procedure shown in FIG. 28 is as follows. This procedure is performed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0 V and VPST, VPSB and VPM are set to Vcc. First, at time t0, the source potential SL is raised from 0 V to Vcc, and the storage transistors MCN1 and MCN2 are turned off. At time t1, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V, the precharge transistors MP3 and MP4 are turned on, and nodeT and nodeB are precharged to Vcc. At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc to complete the precharge. From time t3, the source potential SL is slowly lowered toward 0V. At this time, in the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc, and the flip-flop data is “1” is confirmed. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN1, so that nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the flip-flop data is “ Confirm 0 ". In FIG. 28, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be used as a common signal (for example, PRE signal). Furthermore, since VPSB and VPST have the same voltage, they can be a common signal (for example, a VPS signal). Furthermore, since VPM is the same voltage as VPS, VPM and VPS may be connected to form a common signal.

図29に示すデータ確定手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPST,VPSB,VPMをVccに設定し、且つソース電位SLを0Vに固定した条件下で行われる。まず、時刻t0にプリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンし、nodeT,nodeBをプリチャージする。nodeT、nodeBのプリチャージレベルは、各々MP1、MP3、MCN1、もしくはMP2、MP4、MCN2がそれぞれDC的に流す電流量が一定になるところで安定する。この時、データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも電流駆動力が大きいため、nodeTがnodeBよりも電位が低くなり、時刻t1でプリチャージ完了後、フリップフロップのデータが"1"と確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも電流駆動量が大きいため、nodeBがnodeTよりも電位が低くなり、時刻t1でプリチャージ完了後、フリップフロップのデータが"1"と確定する。また、図29では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、VPSBとVPSTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばVPS信号)とすることができる。更にはVPMがVPSと同じ電圧であることから、VPMとVPSとを接続し、共通の信号としても良い。   The data confirmation procedure shown in FIG. 29 is as follows. This procedure is performed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, VPST, VPSB and VPM are set to Vcc, and the source potential SL is fixed to 0V. First, at time t0, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V to turn on the precharge transistors MP3 and MP4 and precharge the nodes T and nodeB. The precharge levels of nodeT and nodeB are stabilized when the amount of current flowing through each of the MP1, MP3, and MCN1, or the MP2, MP4, and MCN2 is constant. At this time, in the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage has a higher current driving capability than MCN2, and therefore, the potential of nodeT becomes lower than that of nodeB, and after completion of precharging at time t1, the flip-flop The data of the group is fixed to “1”. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage has a larger current drive amount than MCN1, so that the potential of nodeB becomes lower than that of nodeT, and after completion of precharge at time t1, the flip-flop Is determined to be “1”. In FIG. 29, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since VPSB and VPST have the same voltage, they can be a common signal (for example, a VPS signal). Furthermore, since VPM is the same voltage as VPS, VPM and VPS may be connected to form a common signal.

このデータ確定手順は、図28に示したデータ確定手順と比較して、プリチャージ時にフリップフロップ内にDC的な貫通電流が流れるので消費電流という観点でデメリットを有するが、ソース線電位SLT、SLBを0V固定で制御できるという制御容易性の観点でメリットを有する。また、MCN1およびMC2のソース‐ドレイン電圧を高く設定できることから、それぞれの電流駆動量を高くできるというメリットも有する。   Compared with the data determination procedure shown in FIG. 28, this data determination procedure has a demerit in terms of current consumption because a DC through current flows in the flip-flop during precharging, but the source line potentials SLT, SLB Has a merit from the viewpoint of controllability that can be controlled at a fixed voltage of 0V. Further, since the source-drain voltages of MCN1 and MC2 can be set high, there is an advantage that the respective current drive amounts can be increased.

図30に示すデータ確定手順は以下のとおりである。このデータ確定手順の特徴は、ビット線側からnodeT、nodeBのプリチャージ電圧を供給している点である。PRET,PREBをVccに固定するとともに、ワード線WL、ビット線BLT,BLBをVccに設定し、VPST,VPSB電位を0VにしてMP1〜MP4をカットオフすることにより、Vccに充電したビット線BLT、BLBからトランスファゲートMN1、MN2を介して、nodeT、nodeBを各々Vcc−Vthnにプリチャージする。ここでVthnはMN1、MN2のしきい値電圧である。時刻t0でワード線WLをVccから0Vに立ち下げて、nodeT、nodeBをフローティングにすることにより、MCN1並びにMCN2から放電される電荷量の差でフリップフロップのデータを確定する。データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも電流駆動力が大きいため、nodeTがnodeBよりも電位が低くなり、時刻t1でVPST、VPSB電位を0VからVccに立ち上げた後、この不揮発性メモリセルのデータが"1"に確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも電流駆動量が大きいため、nodeBがnodeTよりも電位が低くなり、時刻t1でVPST、VPSB電位を0VからVccに立ち上げた後、この不揮発性メモリセルのデータが"0"に確定する。また、図30では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、VPSBとVPSTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばVPS信号)とすることができる。   The data confirmation procedure shown in FIG. 30 is as follows. This data determination procedure is characterized in that nodeT and nodeB precharge voltages are supplied from the bit line side. The bit line BLT charged to Vcc is set by fixing PRET and PREB to Vcc, setting the word line WL and bit lines BLT and BLB to Vcc, setting the VPST and VPSB potentials to 0 V, and cutting off MP1 to MP4. , And BLB are precharged to Vcc-Vthn via the transfer gates MN1 and MN2, respectively. Here, Vthn is a threshold voltage of MN1 and MN2. At time t0, the word line WL is lowered from Vcc to 0V, and the nodes T and nodeB are floated, so that the flip-flop data is determined by the difference in the amount of charge discharged from MCN1 and MCN2. In the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage has a larger current driving capability than MCN2, so that node T has a lower potential than node B, and the VPST and VPSB potentials are changed from 0 V to Vcc at time t1. After the start-up, the data of this nonvolatile memory cell is fixed to “1”. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage has a larger current drive amount than MCN1, so that nodeB has a lower potential than nodeT, and the VPST and VPSB potentials are changed from 0V at time t1. After rising to Vcc, the data of this nonvolatile memory cell is determined to be “0”. In FIG. 30, since PREB and PRET are the same voltage, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since VPSB and VPST have the same voltage, they can be a common signal (for example, a VPS signal).

[第2の実施形態の変形例]
第2の実施形態のVPS分割型8トランジスタ構成の不揮発性メモリセルにおいて、書き込みが行われていない状態、すなわち、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧がともに低い状態の場合、図28〜図30の立ち上げ処理(データ確定処理)では、データが確定しない。そこで、図31,32に示すように、True側(記憶トランジスタMCN1側)とBar側(記憶トランジスタMCN2側)の回路構成をアンバランスにすることにより、書き込みが行われていない状態でも、立ち上げ時にデータを"0"または"1"の一方に確定させることができる。
[Modification of Second Embodiment]
In the nonvolatile memory cell having the VPS division type 8-transistor configuration according to the second embodiment, when writing is not performed, that is, when the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are both low, FIG. In the start-up process 30 (data confirmation process), data is not confirmed. Therefore, as shown in FIGS. 31 and 32, the circuit configuration on the True side (storage transistor MCN1 side) and the Bar side (storage transistor MCN2 side) are unbalanced to start up even in a state where writing is not performed. Sometimes data can be fixed to either "0" or "1".

図31に示す不揮発性メモリセルは、2つの負荷トランジスタMP1,MP2のチャンネル幅をアンバランスにしたものである。この例では負荷トランジスタMP1(太線で示す)のチャンネル幅を負荷トランジスタMP2のチャンネル幅の2倍にして、負荷トランジスタMP1のオン時の抵抗値が、負荷トランジスタMP2のオン時の抵抗値に比べて1/2となるようにしている。   In the nonvolatile memory cell shown in FIG. 31, the channel widths of the two load transistors MP1 and MP2 are unbalanced. In this example, the channel width of the load transistor MP1 (indicated by a thick line) is twice the channel width of the load transistor MP2, and the resistance value when the load transistor MP1 is on is compared with the resistance value when the load transistor MP2 is on. It is made to become 1/2.

この構成のメモリセルが、記憶トランジスタMCN1,MCN2が両方とも書き込みされていない状態で電源が投入されると、nodeTがnodeBよりも速く電位が上昇し、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN2がオン状態、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN1がオフ状態、すなわち、データ"0"となって安定する。   When the memory cell of this configuration is turned on when neither of the storage transistors MCN1 and MCN2 is written, the potential of nodeT rises faster than that of nodeB, and the load transistor MP1 and storage transistor MCN2 are turned on. The load transistor MP2 and the storage transistor MCN1 are in the off state, that is, the data becomes “0” and is stabilized.

なお、上記のチャンネル幅をアンバランスに代わりにチャンネル長をアンバランスにしてもよい。また、チャンネル幅またはチャンネル長を変更する負荷トランジスタは、MP1,MP2のどちらでもよい。また、記憶トランジスタMCN1,MCN2のチャンネル幅またはチャンネル長を変更してアンバランスにしてもよい。   Note that the channel length may be unbalanced instead of the above channel width unbalance. Further, the load transistor for changing the channel width or the channel length may be either MP1 or MP2. Further, the channel widths or channel lengths of the storage transistors MCN1 and MCN2 may be changed to be unbalanced.

図32に示す不揮発性メモリセルは、フリップフロップの2つのノードnodeT,nodeBにそれぞれキャパシタを接続したものである。nodeTには、電源ラインVccとの間にキャパシタC1を接続し、nodeBには、グランドとの間にキャパシタC2を接続している。これらのキャパシタの容量は例えば50fF程度である。   The nonvolatile memory cell shown in FIG. 32 is obtained by connecting capacitors to two nodes nodeT and nodeB of a flip-flop. A capacitor C1 is connected between the node T and the power supply line Vcc, and a capacitor C2 is connected between the node B and the ground. The capacitance of these capacitors is about 50 fF, for example.

これにより、2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれにも書き込み・消去を行っていない状態で電源を投入すると、電源投入直後のnodeTの電位上昇が速く、nodeBの電位上昇が遅くなるので、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN2がオン状態、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN1がオフ状態、すなわち、データ"0"となって安定する。   As a result, when the power is turned on in a state where neither of the two storage transistors MCN1 and MCN2 is written / erased, the potential rise of nodeT immediately after power-on is quick and the potential rise of nodeB is slow. MP1 and storage transistor MCN2 are on, load transistor MP2 and storage transistor MCN1 are off, that is, data “0” is stabilized.

図32に示した例では、nodeT,nodeBのいずれにもキャパシタを接続したが、一方のみに接続しても不揮発性メモリセルの回路構成を非対称にすることができる。   In the example shown in FIG. 32, the capacitor is connected to both nodeT and nodeB, but the circuit configuration of the nonvolatile memory cell can be made asymmetric even if only one is connected.

[第2の実施形態におけるしきい値電圧測定方法]
なお、この8トランジスタ構成の不揮発性メモリセルでは、図33に示すような電位配置にすることにより、記憶トランジスタのしきい値電圧を測定することができる。この方法でしきい値電圧を測定することで、初期状態でのしきい値電圧ばらつき、書き込み動作や消去動作におけるしきい値電圧変化量、書き換え後のしきい値電圧の高温保持特性などの評価を行うことが可能となる。
[Threshold voltage measurement method in the second embodiment]
Note that in this 8-transistor nonvolatile memory cell, the threshold voltage of the memory transistor can be measured by arranging the potential as shown in FIG. By measuring the threshold voltage using this method, evaluation of threshold voltage variations in the initial state, threshold voltage variation during write and erase operations, high-temperature retention characteristics of the threshold voltage after rewriting, etc. Can be performed.

図33では、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を判定する場合を示している。記憶トランジスタMCN1のソース電位SL=0Vにしたもとで、記憶トランジスタMCN1のドレイン(nodeT)にビット線BLTからトランスファゲートMN1を介して0.5Vを供給する。記憶トランジスタMCN1のゲート電位(nodeB)は負荷トランジスタMP2、MP4からVPSB電位(MAP電圧)が供給される。   FIG. 33 shows a case where the threshold voltage of the memory transistor MCN1 is determined. With the source potential SL = 0V of the storage transistor MCN1, 0.5V is supplied from the bit line BLT to the drain (nodeT) of the storage transistor MCN1 via the transfer gate MN1. The gate potential (nodeB) of the storage transistor MCN1 is supplied with the VPSB potential (MAP voltage) from the load transistors MP2 and MP4.

負荷トランジスタMP2はゲート電位(nodeT)が0.5Vに設定されているため、VPSB電位が0.5V+Vthp以上の場合にオンしてnodeBに電位供給することになる。一方、負荷トランジスタMP4はゲート電位PREBが0Vに設定されているので、VPSB電位がVthp以上の場合にオンしてnodeBに電位供給が可能となる。VthpはMP1〜MP4で示すP型MOSトランジスタのしきい値電圧であり、標準CMOSプロセスでは0.7V程度である。これ以上の電圧範囲において、MCN1のしきい値電圧(ある一定電流を流すのに必要なゲート電圧)判定が可能となる。MCN1側のしきい値電圧を測定している時に、MCN2側でのリーク電流でMCN1のゲート電位nodeBが引き下げられないように、MCN2のゲート電位nodeTを0.5Vに設定してオフさせておく。   Since the load transistor MP2 has a gate potential (nodeT) set to 0.5V, the load transistor MP2 is turned on and supplied to nodeB when the VPSB potential is 0.5V + Vthp or more. On the other hand, since the gate potential PREB is set to 0V, the load transistor MP4 is turned on when the VPSB potential is equal to or higher than Vthp and can supply potential to the nodeB. Vthp is a threshold voltage of the P-type MOS transistor indicated by MP1 to MP4, and is about 0.7 V in the standard CMOS process. In a voltage range higher than this, it is possible to determine the threshold voltage of MCN1 (the gate voltage necessary to pass a certain current). When measuring the threshold voltage on the MCN1 side, the gate potential nodeT of MCN2 is set to 0.5 V and turned off so that the gate potential nodeB of MCN1 is not lowered due to the leakage current on the MCN2 side. .

図33は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を測定する場合の電圧印加手順であるが、記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧の測定は、ビット線BLT、BLB制御、プリチャージ信号PRET、PREB制御をそれぞれ逆にするだけで可能である。   FIG. 33 shows a voltage application procedure when the threshold voltage of the storage transistor MCN1 is measured. The threshold voltage of the storage transistor MCN2 is measured by the bit line BLT, BLB control, precharge signal PRET, PREB control. It is possible only by reversing each.

なお、このしきい値測定のためにプリチャージ線をPRET,PREBに分けているが、この測定を行わないのであれば、プリチャージ線はTrue側、Bar側共通でよい。   The precharge line is divided into PRET and PREB for the threshold measurement. However, if this measurement is not performed, the precharge line may be common to the True side and the Bar side.

[第3の実施形態]
第3の実施形態に係る不揮発性記憶装置およびそれを備えた半導体集積回路装置について図34〜図51を参照して説明する。
[Third Embodiment]
A nonvolatile memory device according to a third embodiment and a semiconductor integrated circuit device including the nonvolatile memory device will be described with reference to FIGS.

図34は不揮発性記憶装置の1つの不揮発性メモリセルの回路図である。このメモリセルは、8トランジスタで構成されるSL分割型の不揮発性メモリセルである。このメモリセルは、P型MOSトランジスタMP1,N型MOSトランジスタMCN1を直列に接続したインバータ(True側インバータ)と、P型MOSトランジスタMP2,N型MOSトランジスタMCN2を直列に接続したインバータ(Bar側インバータ)をスタティックラッチ接続したフリップフロップを有している。このうち、P型MOSトランジスタMP1,MP2を負荷トランジスタと呼び、N型MOSトランジスタMCN1,MCN2を記憶トランジスタと呼ぶ。記憶トランジスタMCN1,MCN2は、図36以下で説明するように、サイドウォール部に電荷を蓄積・中和することにより、不揮発的にしきい値を変更可能な不揮発素子として機能する。   FIG. 34 is a circuit diagram of one nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory device. This memory cell is an SL-divided nonvolatile memory cell composed of 8 transistors. This memory cell includes an inverter (True side inverter) in which a P-type MOS transistor MP1 and an N-type MOS transistor MCN1 are connected in series, and an inverter (Bar-side inverter) in which a P-type MOS transistor MP2 and an N-type MOS transistor MCN2 are connected in series. ) In a static latch connection. Among these, the P-type MOS transistors MP1 and MP2 are called load transistors, and the N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 are called storage transistors. The storage transistors MCN1 and MCN2 function as non-volatile elements that can change the threshold value in a non-volatile manner by accumulating and neutralizing charges in the sidewall portion, as will be described with reference to FIG.

True側インバータの記憶トランジスタ側の端部すなわち記憶トランジスタMCN1のソースは、True側ソース線SLTに接続されている。また、Bar側インバータの記憶トランジスタ側の端部すなわち記憶トランジスタMCN2のソースは、Bar側ソース線SLBに接続されている。また、両インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP1,MP2のソースはVPS線に接続されている。   The end of the True-side inverter on the storage transistor side, that is, the source of the storage transistor MCN1 is connected to the True-side source line SLT. Further, the end of the Bar-side inverter on the storage transistor side, that is, the source of the storage transistor MCN2 is connected to the Bar-side source line SLB. Also, the load transistor side ends of both inverters, that is, the sources of the load transistors MP1 and MP2, are connected to the VPS line.

このフリップフロップのうち、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1を直列に接続したインバータがTrue側の記憶部として機能し、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2を直列に接続したインバータがBar側の記憶部として機能する。負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1の接続部がnodeTであり、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2の接続部がnodeBである。nodeTが高電位,nodeBが低電位のとき記憶内容が"0"であり、nodeTが低電位,nodeBが高電位のとき記憶内容が"1"である。   Among the flip-flops, an inverter in which the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 are connected in series functions as a storage unit on the True side, and an inverter in which the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 are connected in series functions as a storage unit on the Bar side. To do. A connection portion between the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 is nodeT, and a connection portion between the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 is nodeB. When nodeT is high potential and nodeB is low potential, the stored content is “0”, and when nodeT is low potential and nodeB is high potential, the stored content is “1”.

nodeTは、トランスファゲートMN1を介してビット線BLT(BitLine−True)に接続され、nodeBは、トランスファゲートMN2を介してビット線BLB(BitLine−Bar)に接続されている。トランスファゲートMN1,MN2は、N型MOSトランジスタで構成され、各ゲートには共通のワード線WLが接続されている。   The node T is connected to the bit line BLT (BitLine-True) via the transfer gate MN1, and the node B is connected to the bit line BLB (BitLine-Bar) via the transfer gate MN2. The transfer gates MN1 and MN2 are composed of N-type MOS transistors, and a common word line WL is connected to each gate.

また、負荷トランジスタMP1に並列に、すなわちnodeTとVPSとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP3が接続されている。また、負荷トランジスタMP2に並列に、すなわちnodeBとVPSとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP4が接続されている。P型MOSトランジスタMP3のゲートにはT側プリチャージ線PRETが接続され、P型MOSトランジスタMP4のゲートにはB側プリチャージ線PREBが接続されている。また、全てのP型MOSトランジスタMP1〜MP4は同一Nウエル内に形成されNウエル電位はVPM信号で制御されている。   A P-type MOS transistor MP3, which is a precharging transistor, is connected in parallel with the load transistor MP1, that is, between nodeT and VPS. A P-type MOS transistor MP4, which is a precharging transistor, is connected in parallel to the load transistor MP2, that is, between nodeB and VPS. A T-side precharge line PRET is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP3, and a B-side precharge line PREB is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP4. All the P-type MOS transistors MP1 to MP4 are formed in the same N well, and the N well potential is controlled by the VPM signal.

図35は、図34に示した不揮発性メモリセルをアレイ状に配列したメモリセルアレイの構成を示す図である。このメモリセルアレイでは、図34の不揮発性メモリセルがX,Yのマトリクスアレイに配列されている。そして、ワード線WLが、各行(ロウ)ごとに設けられ、ビット線BLT、BLBが、各列(カラム)ごとに各々1本ずつ設けられている。これらワード線WL,ビット線BLT,BLBは、それぞれ独立に制御される。一方、それ以外の信号線(PREB、PRET、VPS、VPM、SLT、SLB)は全メモリセルに共通に設けられ、メモリセルアレイ内の全メモリセルが一体に制御される。   FIG. 35 is a diagram showing a configuration of a memory cell array in which the nonvolatile memory cells shown in FIG. 34 are arranged in an array. In this memory cell array, the nonvolatile memory cells shown in FIG. 34 are arranged in an X and Y matrix array. A word line WL is provided for each row (row), and one bit line BLT, BLB is provided for each column (column). These word lines WL and bit lines BLT and BLB are controlled independently. On the other hand, the other signal lines (PREB, PRET, VPS, VPM, SLT, SLB) are provided in common to all the memory cells, and all the memory cells in the memory cell array are integrally controlled.

図36、図38、図44は、記憶トランジスタMCN1(MCN2)の半導体基板上における構造を示す図である。図36は書き込み時の電位配置を示し、図38は消去時の電位配置を示し、図44は読み出し時の電位配置を示している。   36, 38, and 44 are views showing the structure of the memory transistor MCN1 (MCN2) on the semiconductor substrate. 36 shows the potential arrangement at the time of writing, FIG. 38 shows the potential arrangement at the time of erasing, and FIG. 44 shows the potential arrangement at the time of reading.

また、図37は、記憶トランジスタMCN1への書き込み時の電圧印加手順を示す図である。図39は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図45は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。   FIG. 37 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of writing to the memory transistor MCN1. FIG. 39 is a diagram showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). FIG. 45 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of reading from a nonvolatile memory cell.

図36において、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板101の表面領域に、深さ0.8μm、平均ボロン濃度2×1017cm-3のP型ウエル104が形成されている。このP型ウエル104に、深さ250nmの複数のトレンチ(素子分離)102によって分離された2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2が形成されている。この図には、一方の記憶トランジスタ(MCN1)のみを示している。 36, a P-type well 104 having a depth of 0.8 μm and an average boron concentration of 2 × 10 17 cm −3 is formed in the surface region of a P-type silicon substrate 101 having a resistivity of 10 Ωcm. In this P-type well 104, two storage transistors MCN1 and MCN2 separated by a plurality of trenches (element isolation) 102 having a depth of 250 nm are formed. In this figure, only one storage transistor (MCN1) is shown.

記憶トランジスタは、Nチャンネル型トランジスタであり、P型ウエル104の表面領域に、両側のトレンチ102に隣接して形成されたドレイン109,ソース115、および、ドレイン109の周辺領域に形成されたドレインエクステンション107を有する。ドレイン109,ソース115は、それぞれ平均砒素濃度1×1020cm-3に形成され、ドレインエクステンション107平均砒素濃度5×1018cm-3に形成されている。 The storage transistor is an N-channel transistor, and has a drain 109 and a source 115 formed adjacent to the trench 102 on both sides in the surface region of the P-type well 104 and a drain extension formed in the peripheral region of the drain 109. 107. The drain 109 and the source 115 are each formed with an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 , and the drain extension 107 is formed with an average arsenic concentration of 5 × 10 18 cm −3 .

また、P型ウエル104の表面のドレイン109,ソース115間の領域であるチャネル領域の基板上には、膜厚5nmのゲート酸化膜105、および、膜厚200nmでリン濃度2×1020cm-3のポリシリコン膜からなるゲート電極106が形成されている。また、このゲート酸化膜105,ゲート電極106の両側には、膜厚50nmの絶縁膜からなるサイドスペーサ108、108Sが形成されている。なお、ソース115周辺にはエクステンション領域が形成されていないため、ソース側のサイドスペーサ108Sは、基板のチャンネル領域に対して露出している。   On the substrate of the channel region, which is the region between the drain 109 and the source 115 on the surface of the P-type well 104, a gate oxide film 105 with a thickness of 5 nm and a phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm −3 with a thickness of 200 nm. A gate electrode 106 made of a polysilicon film is formed. Further, side spacers 108 and 108S made of an insulating film having a thickness of 50 nm are formed on both sides of the gate oxide film 105 and the gate electrode 106. Since no extension region is formed around the source 115, the side spacer 108S on the source side is exposed to the channel region of the substrate.

また、P型ウエル104の領域内で、トレンチ102により、上記記憶トランジスタから分離された領域には、このP型ウエル104を接地するための電極である平均ボロン濃度1×1020cm-3のP型拡散層111が形成されている。 In the region of the P-type well 104, the region separated from the memory transistor by the trench 102 has an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 that is an electrode for grounding the P-type well 104. A P-type diffusion layer 111 is formed.

この記憶トランジスタは、ソース側のサイドスペーサ108Sにキャリアを注入することによってしきい値電圧を上昇させることができる。また、図38で説明するように、サイドスペーサ108Sに注入したキャリアを引き抜いて、しきい値電圧を初期状態に戻すこともできる。これにより、この記憶トランジスタは、不揮発にデータを記憶する。   In this memory transistor, the threshold voltage can be increased by injecting carriers into the side spacer 108S on the source side. Further, as will be described with reference to FIG. 38, the carrier voltage injected into the side spacer 108S can be extracted to return the threshold voltage to the initial state. As a result, the storage transistor stores data in a nonvolatile manner.

なお、記憶トランジスタの標準的な初期しきい電圧は1.2Vであるが、特殊な構造のトランジスタであるためバラツキが大きく、信頼性の観点から、この記憶トランジスタ単独で記憶素子として用いることは困難である。このため、この実施形態では、図34に示したフリップフロップ構成でメモリセルを構成している。   Note that the standard initial threshold voltage of the memory transistor is 1.2 V. However, since the transistor has a special structure, the variation is large, and it is difficult to use the memory transistor alone as a memory element from the viewpoint of reliability. It is. Therefore, in this embodiment, the memory cell is configured with the flip-flop configuration shown in FIG.

図36に示すように、書き込み動作は、ドレイン線VDへ0Vを印加し、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば6V)を印加してチャネルホットエレクトロンHEを前記サイドスペーサ108Sへ注入する動作である。このチャネルホットエレクトロンの注入によってサイドスペーサ108Sにトラップされた電子によりしきい値電圧が上昇し、記憶トランジスタが書き込み状態となる。   As shown in FIG. 36, in the write operation, 0 V is applied to the drain line VD, a positive voltage (for example, 6 V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, and channel hot electrons HE are injected into the side spacer 108S. Is the action. The threshold voltage rises due to electrons trapped in the side spacer 108S due to the injection of channel hot electrons, and the memory transistor enters a writing state.

図37は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を上昇させてデータ"0"を書き込む場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1を図36に示す電位配置にするため、図37に示す電圧印加手順でメモリセルに電圧を印加する。PREB、PRET、VPS、VPM、SLT、SLBを6Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLTを0V、BLBをVccにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1がオンすることでnodeT(記憶トランジスタMCN1のドレイン)は、ビット線BLT(0V)とほぼ同電位になるとともに、これにより負荷トランジスタMP2がオンするため、nodeB(記憶トランジスタMCN1のゲート)が、VPSB(6V)とほぼ同電位になる。これにより、記憶トランジスタMCN1の電位配置は図36と同じになる。このときトランスファゲートMN1および記憶トランジスタMCN1には、300μA程度の電流が流れて、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2まで上昇させる。   FIG. 37 is a diagram showing a voltage application procedure when data “0” is written by increasing the threshold voltage of the memory transistor MCN1. In order to make the memory transistor MCN1 have the potential arrangement shown in FIG. 36, a voltage is applied to the memory cell by the voltage application procedure shown in FIG. Under the condition that PREB, PRET, VPS, VPM, SLT, and SLB are set to 6V, the word line WL is set to Vcc, the bit line BLT is set to 0V, and BLB is set to Vcc. When the transfer gate MN1 which is an N-type MOS transistor is turned on, the node T (the drain of the storage transistor MCN1) becomes substantially the same potential as the bit line BLT (0 V), and the load transistor MP2 is thereby turned on. The gate of the storage transistor MCN1 becomes substantially the same potential as VPSB (6V). Thereby, the potential arrangement of the memory transistor MCN1 becomes the same as that in FIG. At this time, a current of about 300 μA flows through the transfer gate MN1 and the storage transistor MCN1, thereby raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 to Vth2.

また、データ"1"を書く場合は、記憶トランジスタMCN2側のしきい値電圧を上げることになるが、BLT=Vcc、BLB=0Vと電圧設定を逆転するだけで、他の条件はデータ"0"書き込み時と同じである。   When data “1” is written, the threshold voltage on the memory transistor MCN2 side is increased. However, only the voltage setting is reversed to BLT = Vcc and BLB = 0V, and other conditions are set to data “0”. "Same as writing.

なお、上記実施例では、トランジスタMCN1のゲート(nodeB)へ6Vを印加し、トランジスタMCN1のドレイン(ソース線SL)へ6Vを印加しているが、これらの電圧は異なる電圧でも良い。また、図37では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、SLBとSLTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばSL信号)とすることができる。更にVPSとVPM との電圧が同じであることからこれらの信号を接続し、共通の信号にしても良い。   In the above embodiment, 6V is applied to the gate (nodeB) of the transistor MCN1 and 6V is applied to the drain (source line SL) of the transistor MCN1, but these voltages may be different voltages. In FIG. 37, since PREB and PRET are the same voltage, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since SLB and SLT have the same voltage, they can be a common signal (for example, an SL signal). Furthermore, since the voltages of VPS and VPM are the same, these signals may be connected to form a common signal.

図38、図39は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図38に示すように、消去動作は、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば9V)を印加し、ゲート線VG、ドレイン線VDに0Vを印加して、ソース電極115からアバランシェホットホールHHを発生させ、これをサイドスペーサ108Sへ注入する動作である。これにより、前記書き込み動作でサイドスペーサ108Sにトラップされた電子を中和し、しきい値電圧を低下させることによって書き込まれたデータが消去される。   38 and 39 are diagrams showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). As shown in FIG. 38, in the erasing operation, a positive voltage (for example, 9V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, 0V is applied to the gate line VG and the drain line VD, and the avalanche hot hole is applied from the source electrode 115. In this operation, HH is generated and injected into the side spacer 108S. As a result, the electrons trapped in the side spacer 108S in the write operation are neutralized, and the written data is erased by lowering the threshold voltage.

図39は、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧を低下させてデータを消去する場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタを図38に示す電位配置にするため、図39に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。一般的に、消去動作は、図35に示したメモリアレイの全メモリセルに対して一括して行われる。PREB、PRET、VPMをVccに設定し、VPSを0Vに設定し、SLT、SLBを9Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLT、BLBを0Vにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1、MN2がオンすることでnodeT、nodeBは0Vとなり、記憶トランジスタMCN1、MCN2の電位配置は図38と同じになる。また、図39では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、SLBとSLTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばSL信号)とすることができる。更にVPMは0Vでも正常動作するので、VPSとVPMとを接続し、共通の信号にすることも可能である。   FIG. 39 is a diagram showing a voltage application procedure when data is erased by lowering the threshold voltages of the memory transistors MCN1 and MCN2. In order to make the memory transistor have the potential arrangement shown in FIG. 38, a voltage is applied to the memory cell by the procedure shown in FIG. In general, the erase operation is performed collectively for all the memory cells of the memory array shown in FIG. PREB, PRET, and VPM are set to Vcc, VPS is set to 0V, and SLT and SLB are set to 9V. The word line WL is set to Vcc, and the bit lines BLT and BLB are set to 0V. When the transfer gates MN1 and MN2 which are N-type MOS transistors are turned on, nodeT and nodeB become 0V, and the potential arrangement of the storage transistors MCN1 and MCN2 is the same as that in FIG. In FIG. 39, since PREB and PRET are the same voltage, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since SLB and SLT have the same voltage, they can be a common signal (for example, an SL signal). Furthermore, since VPM operates normally even at 0V, it is possible to connect VPS and VPM to make a common signal.

このように、図36、図37に示した書き込み時の電圧印加手順、および、図38、図39に示した消去時の電圧印加手順は、各メモリセル毎に独立制御が必要なワード線、およびビット線に0VまたはVccを印加すればよいように設計されているため、すなわちワード線、ビット線に高電圧の印加が不要であるため、ワード線,ビット線の制御回路に高耐圧トランジスタを使用する必要が無くなり、高速に動作する高性能なトランジスタを使用して読み出し動作の高速化を図ることができる。   Thus, the voltage application procedure at the time of writing shown in FIGS. 36 and 37 and the voltage application procedure at the time of erasing shown in FIGS. 38 and 39 are the word lines that require independent control for each memory cell, In addition, since it is designed to apply 0 V or Vcc to the bit line, that is, it is not necessary to apply a high voltage to the word line and the bit line, a high voltage transistor is provided in the word line and bit line control circuit. There is no need to use it, and high-speed transistors that operate at high speed can be used to speed up the read operation.

図40は、上記書き込み動作によって記憶トランジスタMCN1,MCN2に設定されるしきい値電圧を説明する図、すなわち、不揮発性メモリセルに対するデータ設定の方式を説明する図である。ここで、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が低い状態(オン)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が高い状態(オフ)のときデータは"1"であり、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が高い状態(オフ)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が低い状態(オン)のときデータは"0"である。   FIG. 40 is a diagram for explaining threshold voltages set in the memory transistors MCN1 and MCN2 by the write operation, that is, a diagram for explaining a data setting method for the nonvolatile memory cells. Here, when the threshold voltage of the storage transistor MCN1 is low (on) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is high (off), the data is “1” and the threshold of the storage transistor MCN1 When the voltage is high (off) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is low (on), the data is “0”.

同図(A)は、データ設定前、すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合を示す。この状態でも図41または図43に示す手順により、この不揮発性メモリセルの状態がデータ"1"に確定される。   FIG. 6A shows a case before data setting, that is, when the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are both in the initial state Vth0. Even in this state, the state of the nonvolatile memory cell is determined to be data “1” by the procedure shown in FIG. 41 or 43.

同図(B)は、不揮発性メモリセルにデータ"0"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"0"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 5B shows the threshold voltage when data “0” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “0” is realized by raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 from the initial state in FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

同図(C)は、不揮発性メモリセルにデータ"1"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"1"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 3C shows the threshold voltage when data “1” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “1” is realized by raising the threshold voltage of the memory transistor MCN2 from the initial state of FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

図38、図39で説明した消去動作を行うと、同図(B),(C)のようにしきい値電圧が制御されていても、同図(A)に示す状態に復帰する。   When the erase operation described with reference to FIGS. 38 and 39 is performed, even if the threshold voltage is controlled as shown in FIGS.

このように、このメモリセルは、記憶トランジスタMCN1、MCN2のしきい値電圧を上げても、再度初期状態Vth0まで下げることが可能であるため、また、記憶トランジスタMCN1、MCN2が共に初期状態Vth0の場合でも、強制的にデータを”1”に確定することができるため、複数回のデータの書き換えが要求される用途に用いても、True側(記憶トランジスタMCN1)とBar側(記憶トランジスタMCN2)のしきい値電圧の差である読み出しマージンを十分に大きく取ることができる。   Thus, since this memory cell can be lowered again to the initial state Vth0 even if the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are increased, both the storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0. Even in this case, since the data can be forcibly determined to be “1”, the True side (the storage transistor MCN1) and the Bar side (the storage transistor MCN2) can be used for applications that require a plurality of data rewrites. The read margin, which is the difference between the threshold voltages, can be made sufficiently large.

図36、図37に示した書き込み動作により、記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれかに書き込みを行い、メモリセルに"1"または"0"のデータを書き込むことができる。一方、初期状態のメモリセル、すなわち、記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれにも書き込みが行われておらず、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合には、一般的にはメモリセルの記憶内容が不定である。しかし、初期状態のメモリセルに対して以下の手順で電圧を印加することにより、このメモリセルの記憶内容を"1"または"0"のいずれかに確定することができる。   36 and 37, data can be written to one of the memory transistors MCN1 and MCN2 and data “1” or “0” can be written to the memory cell. On the other hand, when no data is written in the memory cell in the initial state, that is, in the storage transistors MCN1 and MCN2, both of the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0. The memory content of the memory cell is indefinite. However, by applying a voltage to the memory cell in the initial state according to the following procedure, the memory content of this memory cell can be determined to be “1” or “0”.

図41は、第3の実施形態の不揮発性メモリセルのデータを確定するための電圧印加手順を説明する図である。この手順は、不揮発性メモリセルの記憶内容が"1"または"0"の場合には、その記憶内容どおりにメモリセル(フリップフロップ)の状態を設定し、メモリセルが初期状態の場合には、強制的にデータを"1"に固定する動作である。複数のメモリセルが配列されたメモリアレイにおいて、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在する場合に、この手順をメモリアレイの全メモリセルに一括して行うことにより、記憶内容が"1"または"0"のメモリセルに対しては、その記憶内容どおりにフリップフロップの状態を設定し、初期状態のメモリセルに対しては、フリップフロップの状態を強制的に"1"に固定する。この手順はメモリの起動時に実行される。   FIG. 41 is a diagram for explaining a voltage application procedure for determining data in the nonvolatile memory cell according to the third embodiment. In this procedure, when the stored content of the nonvolatile memory cell is “1” or “0”, the state of the memory cell (flip-flop) is set according to the stored content, and when the memory cell is in the initial state, This is an operation for forcibly fixing the data to “1”. In a memory array in which a plurality of memory cells are arranged, if the memory contents are "1" and "0" and the memory cells in the initial state coexist, this procedure is collectively applied to all the memory cells in the memory array. By doing so, the state of the flip-flop is set according to the stored content for the memory cell whose stored content is “1” or “0”, and the state of the flip-flop is set for the memory cell in the initial state. Forced to "1". This procedure is executed when the memory is activated.

図41に示す手順は以下のとおりである。ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPS,VPMをVccに設定した条件下で、まず、時刻t0にソース電位SLT,SLBを0VからVccに立ち上げ、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。そして、時刻t1にプリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンし、nodeT,nodeBをVccにチャージする。   The procedure shown in FIG. 41 is as follows. Under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V and VPS and VPM are set to Vcc, the source potentials SLT and SLB are first raised from 0V to Vcc at time t0, and the storage transistors MCN1 and MCN2 Turn off. Then, at time t1, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V to turn on the precharge transistors MP3 and MP4 and charge nodeT and nodeB to Vcc.

時刻t2にPRET、PREBをVccに戻し、時刻t3よりTrue側のソース電位SLTをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。そして、時刻t3よりも遅れた時刻t4にBar側のソース電位SLBをゆっくりと0Vに向けて立ち下げてゆく。このとき、SLB−SLT=ΔVs(たとえばΔVs=0.2V)となるように制御する。これにより、記憶トランジスタMCN2のソース・ドレイン間電圧が、記憶トランジスタMCN1のソース・ドレイン間電圧よりもΔVsだけ高く制御されることになり、これによって、記憶トランジスタMCN2側の見かけのしきい値電圧をΔVs分だけ高くすることができる。   At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc, and from time t3, the True-side source potential SLT is slowly lowered toward 0V. Then, the Bar-side source potential SLB is gradually lowered to 0 V at time t4 which is later than time t3. At this time, control is performed so that SLB-SLT = ΔVs (for example, ΔVs = 0.2 V). As a result, the source-drain voltage of the storage transistor MCN2 is controlled to be higher by ΔVs than the source-drain voltage of the storage transistor MCN1, thereby reducing the apparent threshold voltage on the storage transistor MCN2 side. It can be increased by ΔVs.

この時、メモリセルの記憶内容が"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。一方、メモリセルの記憶内容が"0"の場合は、ΔVsだけしきい値電圧が上昇しても、やはり記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧の方が記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧よりも低く、記憶トランジスタMCN2が先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"に確定する。   At this time, when the memory content of the memory cell is “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is first lowered to 0V, and nodeB becomes Vcc, The data of the flip-flop is fixed to “1”. On the other hand, when the memory content of the memory cell is “0”, even if the threshold voltage increases by ΔVs, the threshold voltage of the memory transistor MCN2 is still lower than the threshold voltage of the memory transistor MCN1. Since the memory transistor MCN2 is turned on first, nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the data of the flip-flop is determined to be "0".

また、メモリセルの記憶内容が不定の場合、すなわち、MCN1,MCN2のしきい値電圧が共にVth0である場合は、記憶トランジスタMCN1の見かけのしきい値電圧が記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧よりもΔVsだけ低いため、MCN1がMCN2よりも先にオンし、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。   When the memory contents of the memory cell are indefinite, that is, when the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0, the apparent threshold voltage of the memory transistor MCN1 is higher than the threshold voltage of the memory transistor MCN2. Is also lower by ΔVs, MCN1 is turned on earlier than MCN2, nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc, and the flip-flop data is fixed to "1".

MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるメモリセルは、未だ書き込み,書き換えが行われていないセルである場合が多く、このようなメモリセルでは、書き換えに伴うトランジスタ劣化もないため、ΔVの設定については、トランジスタの初期的なしきい値電圧のばらつきだけを考慮しておけばよい。したがって、例えば0.2V程度で十分と考えられる。   A memory cell in which the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0 is often a cell that has not yet been written or rewritten. In such a memory cell, there is no deterioration of the transistor due to rewriting. For the setting of, only the initial threshold voltage variation of the transistor needs to be considered. Therefore, for example, about 0.2V is considered sufficient.

図41に示した電圧印加手順は、初期状態のメモリセルをデータ"1"に確定する場合の手順であるが、記憶トランジスタのソース電位制御においてSLT,SLBの電位関係を逆転させるだけで、初期状態のメモリセルをデータ"0"に確定することも可能である。また、図41では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。更にはVPSとVPMとも同じ電圧であるので、これらを接続し、共通の信号としても良い。   The voltage application procedure shown in FIG. 41 is a procedure for determining the memory cell in the initial state as data “1”. However, in the source potential control of the storage transistor, only the potential relationship between SLT and SLB is reversed. It is also possible to fix the memory cell in the state to data “0”. In FIG. 41, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since VPS and VPM are the same voltage, they may be connected to form a common signal.

図42は、図41に示した電圧印加手順を行う場合のデータ確定のマージンを説明する図である。MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるような初期状態においては、前述したように、Bar側のソース電位SLBをTrue側のソース電位SLTよりもΔVsだけ高くすることで、MCN2側の見かけのしきい値電圧をΔVsだけ高くし、強制的にデータ"1"と認識させている。既にデータ"0"が書き込まれているメモリセルにおいては、ΔVs分だけマージンが減少することになるが、仮にVth2−Vth0=1V、ΔVs=0.2Vとした場合のマージンは0.8Vとなる。既にデータ"1"が書き込まれているメモリセルにおいては、逆にΔV分だけマージンが増加することになり、仮にVth2−Vth0=1V、ΔVs=0.2Vとした場合のマージンは1.2Vとなる。   FIG. 42 is a diagram for explaining a data determination margin when the voltage application procedure shown in FIG. 41 is performed. In the initial state in which the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0, as described above, the source potential SLB on the Bar side is made higher by ΔVs than the source potential SLT on the True side, so that the MCN2 side The apparent threshold voltage is increased by ΔVs to forcibly recognize data “1”. In a memory cell in which data “0” has already been written, the margin decreases by ΔVs. However, if Vth2−Vth0 = 1V and ΔVs = 0.2V, the margin is 0.8V. . In the memory cell in which data “1” has already been written, the margin is increased by ΔV. If Vth2−Vth0 = 1V and ΔVs = 0.2V, the margin is 1.2V. Become.

図43は、初期状態のメモリセルに対してデータを確定させる電圧印加の手順を説明する図である。すなわち、図41の手順は、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在するメモリアレイにおいて、各メモリセルのデータを一括して確定させる手順であったが、図43に示す手順は、それぞれのメモリセルの記憶内容とは関係なく、メモリセルのデータを強制的に"1"または"0"に確定させる。   FIG. 43 is a diagram illustrating a voltage application procedure for determining data for a memory cell in an initial state. That is, the procedure of FIG. 41 is a procedure for determining data of each memory cell collectively in a memory array in which memory cells with stored contents “1” and “0” and an initial state memory cell coexist. The procedure shown in FIG. 43 forcibly fixes the data in the memory cell to “1” or “0” regardless of the stored contents of each memory cell.

データ書込済のメモリセルと初期状態のメモリセルが混在する場合は、初期状態のメモリセルに対して個別にこの手順を実行することにより、または、全てのメモリセルが初期状態のメモリアレイに対して一括してこの手順を実行することにより、そのメモリセルのデータを"1"または"0"に確定することができる。以下の説明は、初期状態のメモリセルの記憶内容を強制的に"1"に確定する手順を示している。   If there is a mix of data-written memory cells and memory cells in the initial state, either execute this procedure individually for the memory cells in the initial state, or all the memory cells will be stored in the memory array in the initial state. On the other hand, by executing this procedure collectively, the data of the memory cell can be fixed to “1” or “0”. The following description shows a procedure for forcibly determining the stored contents of the memory cell in the initial state to “1”.

ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPS,VPMをVccに設定した条件下で、まず、時刻t0にBar側のソース電位SLBを0VからVccに立ち上げて記憶トランジスタMCN2をオフし、時刻t1にプリチャージ制御信号PREBをVccから0Vに立ち下げる。これにより、nodeBがプリチャージトランジスタMP4によりVccに充電される。時刻t2にPREBをVccに戻し、時刻t3にSLBをVccから0Vに戻す。これにより、ゲート電位がより高いMCN1の方がMCN2よりも先にオンすることで、nodeBがVccに保持された状態で、nodeTは0Vに引き下げられ、フリップフロップ内のデータが"1"と確定する。   Under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0 V and VPS and VPM are set to Vcc, the Bar-side source potential SLB is first raised from 0 V to Vcc at time t0 to set the storage transistor MCN2 The precharge control signal PREB is lowered from Vcc to 0V at time t1. As a result, nodeB is charged to Vcc by the precharge transistor MP4. At time t2, PREB is returned to Vcc, and at time t3, SLB is returned from Vcc to 0V. As a result, MCN1 having a higher gate potential is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is lowered to 0V while nodeB is held at Vcc, and the data in the flip-flop is determined to be "1". To do.

図43に示した手順は、メモリセルの記憶内容を強制的に"1"に確定する手順であるが、強制的に"0"に確定することも可能である。すなわち、時刻t0にBar側ソース電位SLBに代えてTrue側ソース電位SLTを0VからVccに立ち上げ、時刻t1にプリチャージトランジスタMP4のゲート電位PREBに代えて、プリチャージトランジスタMP3のゲート電位PRETをVccから0Vに立ち下げることで、nodeBが0Vとなり、データが"0"に確定する。またVPSとVPMとは同じ電圧であるので、共通に接続しても良い。   The procedure shown in FIG. 43 is a procedure for forcibly confirming the stored contents of the memory cell to “1”, but it can also be forcibly determined to “0”. That is, the True side source potential SLT is raised from 0 V to Vcc instead of the Bar side source potential SLB at time t0, and the gate potential PRET of the precharge transistor MP3 is changed to the gate potential PREB of the precharge transistor MP4 at time t1. By dropping the voltage from Vcc to 0V, nodeB becomes 0V, and the data is fixed to "0". Since VPS and VPM are the same voltage, they may be connected in common.

図41または図43の手順を実行することにより、2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2の両方が初期状態Vth0である初期状態のメモリセルが存在しても、その記憶内容を一義的に"1"または"0"に確定することができる。   By executing the procedure of FIG. 41 or FIG. 43, even if there is an initial state memory cell in which both of the two storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0, the stored content is uniquely “1” or It can be fixed to “0”.

本不揮発性メモリセルをヒューズの代わりに使用する場合に、記憶内容を一義的に"1"に確定するようにすれば、初期状態のままで、ヒューズを切る前の状態(データ"1"に対応)を実現することができる。   When this nonvolatile memory cell is used in place of a fuse, if the stored content is uniquely determined to be “1”, the state before the fuse is blown (data “1” is maintained in the initial state). Response).

図44、図45は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。第3の実施形態のメモリセルの記憶内容の読み出しは、図44に示すように、ソース線VSを0Vとし、ゲート線VGにVccを印加した時のドレイン線VDの電圧を読み取ることによって行う。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図44に示す電位配置にするため、図45に示す手順でメモリセルに電圧が印加される。読み出し動作はSRAMの読み出し動作と同様、差動型センスアンプを使用する。PREB、PRET、VPS、VPMをVcc、SLT、SLBを0Vに設定し、ワード線WLをVccに設定した条件下で、フリップフロップ内のデータに応じたビット線BLT、BLBの変化を差動型センスアンプで読み出す。BLTが低電圧(0V)且つBLBが低電圧(Vcc)のときデータは"1"であり、BLTが高電圧(Vcc)且つBLBが低電圧(0V)のときデータは"0"である。また、図45では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、SLBとSLTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばSL信号)とすることができる。更にVPSとVPMとが同じ電圧であることから、これらを共通の信号としても良い。   44 and 45 are diagrams showing a voltage application procedure at the time of reading from the nonvolatile memory cell. As shown in FIG. 44, the storage contents of the memory cell according to the third embodiment are read by reading the voltage of the drain line VD when the source line VS is set to 0 V and Vcc is applied to the gate line VG. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 44, a voltage is applied to the memory cell in the procedure shown in FIG. The read operation uses a differential sense amplifier as in the SRAM read operation. Under the condition that PREB, PRET, VPS, and VPM are set to Vcc, SLT, and SLB are set to 0 V and the word line WL is set to Vcc, the change of the bit lines BLT and BLB according to the data in the flip-flop is differential type. Read with a sense amplifier. The data is "1" when BLT is low voltage (0V) and BLB is low voltage (Vcc), and the data is "0" when BLT is high voltage (Vcc) and BLB is low voltage (0V). In FIG. 45, since PREB and PRET have the same voltage, they can be used as a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since SLB and SLT have the same voltage, they can be a common signal (for example, an SL signal). Furthermore, since VPS and VPM are the same voltage, they may be used as a common signal.

図43に示したデータ確定手順は、初期状態のメモリセル(記憶トランジスタMCN1,MCN2の両方が初期状態(しきい値電圧=Vth0)のメモリセル)が存在していても、これを強制的に"1"に確定することができる手順であった。初期状態のメモリセルが存在しない場合、または、初期状態のメモリセルのデータ値が不定であっても構わない場合には、図46〜図48に示す確定手順を用いることができる。この確定手順は、図41に示した手順のようなΔVsの確定マージンの低下(図42参照)は生じない。   The data determination procedure shown in FIG. 43 forces the initial state memory cells (memory cells MCN1 and MCN2 both in the initial state (threshold voltage = Vth0)) to exist. This was a procedure that could be fixed to “1”. When there is no memory cell in the initial state, or when the data value of the memory cell in the initial state may be indefinite, the determination procedure shown in FIGS. 46 to 48 can be used. This determination procedure does not cause a decrease in the determination margin of ΔVs (see FIG. 42) unlike the procedure shown in FIG.

図46に示すデータ確定手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPS,VPMをVccに設定した条件下で行われる。まず、時刻t0にソース電位SLT,SLBを0VからVccに立ち上げて、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。時刻t1に、プリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンして、nodeT,nodeBをVccにプリチャージする。時刻t2に、PRET、PREBをVccに戻してプリチャージを完了する。時刻t3より、ソース電位SLをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。この時、データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"と確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"と確定する。また、図46では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、SLBとSLTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばSL信号)とすることができる。更にVPSとVPMとも同じ電圧であるので、これらを 共通の信号としても良い。   The data confirmation procedure shown in FIG. 46 is as follows. This procedure is performed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0 V, and VPS and VPM are set to Vcc. First, at time t0, the source potentials SLT and SLB are raised from 0 V to Vcc, and the storage transistors MCN1 and MCN2 are turned off. At time t1, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V, so that the precharge transistors MP3 and MP4 are turned on to precharge nodeT and nodeB to Vcc. At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc to complete the precharge. From time t3, the source potential SL is slowly lowered toward 0V. At this time, in the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc, and the flip-flop data is “1” is confirmed. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN1, so that nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the flip-flop data is “ Confirm 0 ". In FIG. 46, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since SLB and SLT have the same voltage, they can be a common signal (for example, an SL signal). Furthermore, since VPS and VPM have the same voltage, they may be used as a common signal.

図47に示すデータ確定手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPS,VPMをVccに設定し、且つソース電位SLT,SLBを0Vに固定した条件下で行われる。まず、時刻t0にプリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンして、nodeT,nodeBをプリチャージする。nodeT、nodeBのプリチャージレベルは、各々MP1、MP3、MCN1、もしくはMP2、MP4、MCN2がそれぞれDC的に流す電流量が一定になるところで安定する。この時、データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも電流駆動力が大きいため、nodeTがnodeBよりも電位が低くなり、時刻t1でプリチャージ完了後、フリップフロップのデータが"1"と確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも電流駆動量が大きいため、nodeBがnodeTよりも電位が低くなり、時刻t1でプリチャージ完了後、フリップフロップのデータが"1"と確定する。また、図47では、PREBとPRETとは同じ電圧波形であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、SLBとSLTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばSL信号)とすることができる。更にVPSとVPMとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号としても良い。   The data confirmation procedure shown in FIG. 47 is as follows. This procedure is performed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, VPS and VPM are set to Vcc, and the source potentials SLT and SLB are fixed to 0V. First, at time t0, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V to turn on the precharge transistors MP3 and MP4 and precharge the nodes T and nodeB. The precharge levels of nodeT and nodeB are stabilized when the amount of current flowing through each of the MP1, MP3, and MCN1, or the MP2, MP4, and MCN2 is constant. At this time, in the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage has a higher current driving capability than MCN2, and therefore, the potential of nodeT becomes lower than that of nodeB, and after completion of precharging at time t1, the flip-flop The data of the group is fixed to “1”. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage has a larger current drive amount than MCN1, so that the potential of nodeB becomes lower than that of nodeT, and after completion of precharge at time t1, the flip-flop Is determined to be “1”. In FIG. 47, since PREB and PRET have the same voltage waveform, they can be a common signal (for example, a PRE signal). Furthermore, since SLB and SLT have the same voltage, they can be a common signal (for example, an SL signal). Furthermore, since VPS and VPM have the same voltage, they may be used as a common signal.

このデータ確定手順は、図46に示したデータ確定手順と比較して、プリチャージ時にフリップフロップ内にDC的な貫通電流が流れるので消費電流という観点でデメリットを有するが、ソース線電位SLT、SLBを0V固定で制御できるという制御容易性の観点でメリットを有する。また、MCN1およびMC2のソース‐ドレイン電圧を高く設定できることから、それぞれの電流駆動量を高くできるというメリットも有する。   Compared with the data determination procedure shown in FIG. 46, this data determination procedure has a demerit in terms of current consumption because a DC through current flows in the flip-flop during precharge, but the source line potentials SLT, SLB Has a merit from the viewpoint of controllability that can be controlled at a fixed voltage of 0V. Further, since the source-drain voltages of MCN1 and MC2 can be set high, there is an advantage that the respective current drive amounts can be increased.

図48に示すデータ確定手順は以下のとおりである。このデータ確定手順は、ビット線側からnodeT、nodeBのプリチャージ電圧を供給している点である。PRET,PREBをVccに固定するとともに、ワード線WL、ビット線BLT,BLBをVccに設定し、VPS電位を0VにしてMP1〜MP4をカットオフすることで、Vccに充電したビット線BLT、BLBからトランスファゲートMN1、MN2を介して、nodeT、nodeBを各々Vcc−Vthnにプリチャージする。ここでVthnはMN1、MN2のしきい値電圧である。時刻t0でワード線WLをVccから0Vに立ち下げて、nodeT、nodeBをフローティングにすることにより、MCN1並びにMCN2から放電される電荷量の差でフリップフロップのデータを確定する。データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも電流駆動力が大きいため、nodeTがnodeBよりも電位が低くなり、時刻1でVPS電位を0VからVccに立ち上げた後、この不揮発性メモリセルのデータが"1"に確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも電流駆動量が大きいため、nodeBがnodeTよりも電位が低くなり、時刻1でVPS電位を0VからVccに立ち上げた後、この不揮発性メモリセルのデータが"0"に確定する。また、図48では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。さらに、SLBとSLTとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばSL信号)とすることができる。更にVPSとVPMとも同じ電圧であるので、これらを共通の信号としても良い。   The data confirmation procedure shown in FIG. 48 is as follows. This data determination procedure is that precharge voltages of nodeT and nodeB are supplied from the bit line side. While fixing PRET and PREB to Vcc, the word lines WL and bit lines BLT and BLB are set to Vcc, the VPS potential is set to 0 V, and MP1 to MP4 are cut off to thereby cut the bit lines BLT and BLB charged to Vcc. Then, nodeT and nodeB are precharged to Vcc-Vthn via transfer gates MN1 and MN2, respectively. Here, Vthn is a threshold voltage of MN1 and MN2. At time t0, the word line WL is lowered from Vcc to 0V, and the nodes T and nodeB are floated, so that the flip-flop data is determined by the difference in the amount of charge discharged from MCN1 and MCN2. In the case of data "1", MCN1 having a lower threshold voltage has a higher current driving capability than MCN2, so that node T has a lower potential than node B, and the VPS potential is raised from 0 V to Vcc at time 1. After that, the data of the nonvolatile memory cell is fixed to “1”. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage has a larger current drive amount than MCN1, so that the potential of nodeB becomes lower than that of nodeT, and the VPS potential is changed from 0V to Vcc at time 1. After the start-up, the data of this nonvolatile memory cell is fixed to “0”. In FIG. 48, since PREB and PRET are the same voltage, they can be used as a common signal (for example, PRE signal). Furthermore, since SLB and SLT have the same voltage, they can be a common signal (for example, an SL signal). Furthermore, since VPS and VPM have the same voltage, they may be used as a common signal.

[第3の実施形態の変形例]
第3の実施形態のSL分割型8トランジスタ構成の不揮発性メモリセルにおいて、書き込みが行われていない状態、すなわち、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧がともに低い状態の場合、図46〜図48の立ち上げ処理(データ確定処理)では、データが確定しない。そこで、図49,50に示すように、True側(記憶トランジスタMCN1側)とBar側(記憶トランジスタMCN2側)の回路構成をアンバランスにすることにより、書き込みが行われていない状態でも立ち上げ時にデータを"0"または"1"の一方に確定させることができる。
[Modification of Third Embodiment]
In the nonvolatile memory cell having the SL divided type 8-transistor configuration according to the third embodiment, when writing is not performed, that is, when the threshold voltages of the memory transistors MCN1 and MCN2 are both low, FIG. In 48 start-up processing (data confirmation processing), data is not confirmed. Therefore, as shown in FIGS. 49 and 50, the circuit configuration on the True side (storage transistor MCN1 side) and the Bar side (storage transistor MCN2 side) are unbalanced, so that even when no write is performed, Data can be fixed to either “0” or “1”.

図49に示す不揮発性メモリセルは、2つの負荷トランジスタMP1,MP2のチャンネル幅をアンバランスにしたものである。この例では負荷トランジスタMP1(太線で示す)のチャンネル幅を負荷トランジスタMP2のチャンネル幅の2倍にして、負荷トランジスタMP1のオン時の抵抗値が、負荷トランジスタMP2のオン時の抵抗値に比べて1/2となるようにしている。   The nonvolatile memory cell shown in FIG. 49 is one in which the channel widths of the two load transistors MP1 and MP2 are unbalanced. In this example, the channel width of the load transistor MP1 (indicated by a thick line) is twice the channel width of the load transistor MP2, and the resistance value when the load transistor MP1 is on is compared with the resistance value when the load transistor MP2 is on. It is made to become 1/2.

この構成のメモリセルが、記憶トランジスタMCN1,MCN2が両方とも書き込みされていない状態で電源が投入されると、nodeTがnodeBよりも速く電位が上昇し、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN2がオン状態、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN1がオフ状態、すなわち、データ"0"となって安定する。   When the memory cell of this configuration is turned on when neither of the storage transistors MCN1 and MCN2 is written, the potential of nodeT rises faster than that of nodeB, and the load transistor MP1 and storage transistor MCN2 are turned on. The load transistor MP2 and the storage transistor MCN1 are in the off state, that is, the data becomes “0” and is stabilized.

なお、上記のチャンネル幅をアンバランスに代わりにチャンネル長をアンバランスにしてもよい。また、チャンネル幅またはチャンネル長を変更する負荷トランジスタは、MP1,MP2のどちらでもよい。また、記憶トランジスタMCN1,MCN2のチャンネル幅またはチャンネル長を変更してアンバランスにしてもよい。   Note that the channel length may be unbalanced instead of the above channel width unbalance. Further, the load transistor for changing the channel width or the channel length may be either MP1 or MP2. Further, the channel widths or channel lengths of the storage transistors MCN1 and MCN2 may be changed to be unbalanced.

図50に示す不揮発性メモリセルは、フリップフロップの2つのノードnodeT,nodeBにそれぞれキャパシタを接続したものである。nodeTには、電源ラインVccとの間にキャパシタC1を接続し、nodeBには、グランドとの間にキャパシタC2を接続している。これらのキャパシタの容量は例えば50fF程度である。   The nonvolatile memory cell shown in FIG. 50 is obtained by connecting capacitors to two nodes nodeT and nodeB of a flip-flop. A capacitor C1 is connected between the node T and the power supply line Vcc, and a capacitor C2 is connected between the node B and the ground. The capacitance of these capacitors is about 50 fF, for example.

これにより、2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれにも書き込み・消去を行っていない状態で電源を投入すると、電源投入直後のnodeTの電位上昇が速く、nodeBの電位上昇が遅くなるので、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN2がオン状態、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN1がオフ状態、すなわち、データ"0"となって安定する。   As a result, when the power is turned on in a state where neither of the two storage transistors MCN1 and MCN2 is written / erased, the potential rise of nodeT immediately after power-on is quick and the potential rise of nodeB is slow. MP1 and storage transistor MCN2 are on, load transistor MP2 and storage transistor MCN1 are off, that is, data “0” is stabilized.

図50に示した例では、nodeT,nodeBのいずれにもキャパシタを接続したが、一方のみに接続しても不揮発性メモリセルの回路構成を非対称にすることができる。   In the example shown in FIG. 50, the capacitor is connected to both nodeT and nodeB, but the circuit configuration of the nonvolatile memory cell can be made asymmetric even if only one is connected.

[第3の実施形態におけるしきい値電圧測定方法]
なお、この8トランジスタ構成の不揮発性メモリセルでは、図51に示すような電位配置にすることにより、記憶トランジスタのしきい値電圧を測定することができる。この方法でしきい値電圧を測定することで、初期状態でのしきい値電圧ばらつき、書き込み動作、消去動作におけるしきい値電圧変化量、書き換え後のしきい値電圧の高温保持特性などの評価を行うことが可能となる。
[Threshold Voltage Measuring Method in Third Embodiment]
Note that in this 8-transistor nonvolatile memory cell, the threshold voltage of the memory transistor can be measured by arranging the potential as shown in FIG. By measuring the threshold voltage using this method, evaluation of threshold voltage variation in the initial state, threshold voltage variation during write and erase operations, high-temperature retention characteristics of the threshold voltage after rewrite, etc. Can be performed.

図51では、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を判定する場合を示している。検査する記憶トランジスタMCN1のソース電位SLT=0Vに設定したもとで、記憶トランジスタMCN1のドレイン(nodeT)にビット線BLTからトランスファゲートMN1を介して1Vを供給する。記憶トランジスタMCN1のゲート電位(nodeB)は負荷トランジスタMP2、MP4からVPS電位(MAP電圧)が供給される。   FIG. 51 shows a case where the threshold voltage of the memory transistor MCN1 is determined. With the source potential SLT of the storage transistor MCN1 to be inspected set to 0 V, 1 V is supplied from the bit line BLT to the drain (nodeT) of the storage transistor MCN1 via the transfer gate MN1. The gate potential (nodeB) of the storage transistor MCN1 is supplied with the VPS potential (MAP voltage) from the load transistors MP2 and MP4.

負荷トランジスタMP2はゲート電位(nodeT)が1Vに設定されているため、VPSB電位が1V+Vthp以上の場合にオンしてnodeBに電位供給することになる。一方、負荷トランジスタMP4はゲート電位PREBが0Vに設定されているので、VPS電位がVthp以上の場合にオンしてnodeBに電位供給が可能となる。VthpはMP1〜MP4で示すP型MOSトランジスタのしきい値電圧であり、標準CMOSプロセスでは0.7V程度である。したがって、これ以上の電圧範囲において、MCN1のしきい値電圧(ある一定電流を流すのに必要なゲート電圧)判定が可能となる。MCN1側のしきい値電圧を測定している時に、MCN2側での不要なリークパスを無くすために、MCN2のソース電位SLBはMAP電圧、ビット線はフローティングにしておく。   Since the gate potential (nodeT) is set to 1V, the load transistor MP2 is turned on and supplied to nodeB when the VPSB potential is 1V + Vthp or higher. On the other hand, since the gate potential PREB is set to 0V, the load transistor MP4 is turned on when the VPS potential is equal to or higher than Vthp and can supply the potential to the nodeB. Vthp is a threshold voltage of the P-type MOS transistor indicated by MP1 to MP4, and is about 0.7 V in the standard CMOS process. Therefore, it is possible to determine the threshold voltage of MCN1 (the gate voltage necessary for flowing a certain constant current) in a voltage range higher than this. When measuring the threshold voltage on the MCN1 side, the source potential SLB of the MCN2 is set to the MAP voltage and the bit line is left floating in order to eliminate an unnecessary leak path on the MCN2 side.

図51は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を測定する場合の電圧印加手順を示しているが、記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧の測定は、ビット線BLT、BLB制御、ソース電位SLT,SLB制御、プリチャージ信号PRET、PREB制御をそれぞれ逆にするだけで可能である。   FIG. 51 shows a voltage application procedure when measuring the threshold voltage of the storage transistor MCN1, but the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is measured by the bit lines BLT, BLB control, source potentials SLT, SLB. This is possible only by reversing the control and precharge signals PRET and PREB control.

なお、このしきい値測定のためにプリチャージ線をPRET,PREBに分けているが、この測定を行わないのであれば、プリチャージ線はTrue側、Bar側共通でよい。   The precharge line is divided into PRET and PREB for the threshold measurement. However, if this measurement is not performed, the precharge line may be common to the True side and the Bar side.

[第2、第3の実施形態の半導体基板上のレイアウト]
図52に第2、第3の実施形態のメモリセルの半導体基板上のレイアウトを示す。
同図(A)が基板表面の活性領域とゲート電極のレイアウトを示す。同図(B)が第1層のメタル配線を示す。同図(C)が第2、第3層のメタル配線を示している。同図(A)に示すように、True側,Bar側の記憶トランジスタは、同方向にレイアウトされ、不純物の斜め打ち込みに誤差が生じても相互の特性が同じになるようにされている。
[Layout on Semiconductor Substrate in Second and Third Embodiments]
FIG. 52 shows the layout on the semiconductor substrate of the memory cells of the second and third embodiments.
FIG. 2A shows the layout of the active region on the substrate surface and the gate electrode. FIG. 5B shows the first level metal wiring. FIG. 2C shows the second and third layer metal wiring. As shown in FIG. 6A, the True-side and Bar-side storage transistors are laid out in the same direction so that the mutual characteristics are the same even if an error occurs in the oblique implantation of impurities.

また、同図(C)に示すように、VPS線、ソース線(SL)は、このレイアウトでそれぞれTrue側,Bar側に分割されており、いずれか一方をショート(共通化)することにより、第2実施形態のVPS分割型、または、第3実施形態のSL分割型の構成とすることができる。このように、同図のレイアウトとすることにより、第2メタル配線までは工程を共通にしつつ、第3メタル配線を変更するのみで第2実施形態のVPS分割型、または、第3実施形態のSL分割型の不揮発性半導体メモリセルを製作することができる。   Further, as shown in FIG. 6C, the VPS line and the source line (SL) are divided into the True side and the Bar side in this layout, respectively, and by short-circuiting (sharing) one of them, The VPS split type of the second embodiment or the SL split type of the third embodiment can be used. Thus, with the layout shown in the figure, the VPS split type of the second embodiment or the third embodiment can be changed by changing the third metal wiring while keeping the same process up to the second metal wiring. An SL-divided nonvolatile semiconductor memory cell can be manufactured.

[第4の実施形態]
第4の実施形態に係る不揮発性記憶装置およびそれを備えた半導体集積回路装置(メモリセルアレイ)について図53〜図68を参照して説明する。
[Fourth Embodiment]
A nonvolatile memory device according to a fourth embodiment and a semiconductor integrated circuit device (memory cell array) including the nonvolatile memory device will be described with reference to FIGS.

図53は不揮発性記憶装置の1つの不揮発性メモリセルの回路図である。このメモリセルは、第2の実施形態で説明したVPS分割型メモリセルに、アナログスイッチを付加した12トランジスタ構成の不揮発性メモリセルである。   FIG. 53 is a circuit diagram of one nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory device. This memory cell is a 12-transistor nonvolatile memory cell in which an analog switch is added to the VPS division type memory cell described in the second embodiment.

このメモリセルは、P型MOSトランジスタMP1,N型MOSトランジスタMCN1を直列に接続したインバータ(True側インバータ)と、P型MOSトランジスタMP2,N型MOSトランジスタMCN2を直列に接続したインバータ(Bar側インバータ)をスタティックラッチ接続したフリップフロップを有している。このうち、P型MOSトランジスタMP1,MP2を負荷トランジスタと呼び、N型MOSトランジスタMCN1,MCN2を記憶トランジスタと呼ぶ。記憶トランジスタMCN1,MCN2は、図55以下で説明するように、サイドウォール部に電荷を蓄積・中和することにより、不揮発的にしきい値を変更可能な不揮発素子として機能する。   This memory cell includes an inverter (True side inverter) in which a P-type MOS transistor MP1 and an N-type MOS transistor MCN1 are connected in series, and an inverter (Bar-side inverter) in which a P-type MOS transistor MP2 and an N-type MOS transistor MCN2 are connected in series. ) In a static latch connection. Among these, the P-type MOS transistors MP1 and MP2 are called load transistors, and the N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 are called storage transistors. The storage transistors MCN1 and MCN2 function as non-volatile elements that can change the threshold value in a non-volatile manner by accumulating and neutralizing electric charges in the side wall portions, as will be described with reference to FIG.

このメモリセルはさらにP型MOSトランジスタMP1とN型MOSトランジスタMCN1との間にP型MOSトランジスタMP5およびN型MOSトランジスタMN3からなるアナログスイッチを備え、また、P型MOSトランジスタMP2とN型MOSトランジスタMCN2との間にP型MOSトランジスタMP6およびN型MOSトランジスタMN4からなるアナログスイッチを備えている。P型MOSトランジスタMP5とP型MOSトランジスタMP6とのゲートはRESN線に接続され、N型MOSトランジスタMN3とN型MOSトランジスタMN4とのゲートはRESP線に接続されている。   The memory cell further includes an analog switch including a P-type MOS transistor MP5 and an N-type MOS transistor MN3 between the P-type MOS transistor MP1 and the N-type MOS transistor MCN1, and the P-type MOS transistor MP2 and the N-type MOS transistor. Between the MCN2, an analog switch including a P-type MOS transistor MP6 and an N-type MOS transistor MN4 is provided. The gates of the P-type MOS transistor MP5 and the P-type MOS transistor MP6 are connected to the RESN line, and the gates of the N-type MOS transistor MN3 and the N-type MOS transistor MN4 are connected to the RESP line.

各インバータの記憶トランジスタ側端部すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のソースは、ソース線SLに接続されている。また、True側インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP1のソースはVPST線に接続され、Bar側インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP2のソースはVPSB線に接続されている。   The storage transistor side end of each inverter, that is, the source of the storage transistors MCN1 and MCN2, is connected to the source line SL. The load transistor side end of the True side inverter, that is, the source of the load transistor MP1 is connected to the VPST line, and the load transistor side end of the Bar side inverter, that is, the source of the load transistor MP2 is connected to the VPSB line.

このフリップフロップのうち、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1を直列に接続したインバータがTrue側の記憶部として機能し、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2を直列に接続したインバータがBar側の記憶部として機能する。負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1の接続部がnodeTであり、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2の接続部がnodeBである。nodeTが高電位,nodeBが低電位のとき記憶内容が"0"であり、nodeTが低電位,nodeBが高電位のとき記憶内容が"1"である。   Among the flip-flops, an inverter in which the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 are connected in series functions as a storage unit on the True side, and an inverter in which the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 are connected in series functions as a storage unit on the Bar side. To do. A connection portion between the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 is nodeT, and a connection portion between the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 is nodeB. When nodeT is high potential and nodeB is low potential, the stored content is “0”, and when nodeT is low potential and nodeB is high potential, the stored content is “1”.

nodeTは、トランスファゲートMN1を介してビット線BLT(BitLine−True)に接続され、nodeBは、トランスファゲートMN2を介してビット線BLB(BitLine−Bar)に接続されている。トランスファゲートMN1,MN2は、N型MOSトランジスタで構成され、各ゲートには共通のワード線WLが接続されている。   The node T is connected to the bit line BLT (BitLine-True) via the transfer gate MN1, and the node B is connected to the bit line BLB (BitLine-Bar) via the transfer gate MN2. The transfer gates MN1 and MN2 are composed of N-type MOS transistors, and a common word line WL is connected to each gate.

また、負荷トランジスタMP1に並列に、すなわちnodeTとVPSTとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP3が接続されている。また、負荷トランジスタMP2に並列に、すなわちnodeBとVPSBとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP4が接続されている。P型MOSトランジスタMP3のゲートにはT側プリチャージ線PRETが接続され、P型MOSトランジスタMP4のゲートにはB側プリチャージ線PREBが接続されている。また、全てのP型MOSトランジスタMP1〜MP6は同一Nウエル内に形成されNウエル電位はVPM信号で制御されている。   Further, a P-type MOS transistor MP3, which is a precharging transistor, is connected in parallel to the load transistor MP1, that is, between nodeT and VPST. A P-type MOS transistor MP4, which is a precharging transistor, is connected in parallel with the load transistor MP2, that is, between nodeB and VPSB. A T-side precharge line PRET is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP3, and a B-side precharge line PREB is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP4. All the P-type MOS transistors MP1 to MP6 are formed in the same N well, and the N well potential is controlled by the VPM signal.

図54は、図53に示した不揮発性メモリセルをアレイ状に配列したメモリセルアレイの構成を示す図である。このメモリセルアレイでは、図53の不揮発性メモリセルがX,Yのマトリクスアレイに配列されている。そして、ワード線WLが、各行(ロウ)ごとに設けられ、ビット線BLT、BLBが、各列(カラム)ごとに各々1本ずつ設けられている。これらワード線WL,ビット線BLT,BLBは、それぞれ独立に制御される。一方、それ以外の信号線(PREB、PRET、VPST、VPSB、VPM、SL、RESN、RESP)は全メモリセルに共通に設けられ、メモリセルアレイ全体が一体に制御される。   FIG. 54 is a diagram showing a configuration of a memory cell array in which the nonvolatile memory cells shown in FIG. 53 are arranged in an array. In this memory cell array, the nonvolatile memory cells of FIG. 53 are arranged in an X, Y matrix array. A word line WL is provided for each row (row), and one bit line BLT, BLB is provided for each column (column). These word lines WL and bit lines BLT and BLB are controlled independently. On the other hand, other signal lines (PREB, PRET, VPST, VPSB, VPM, SL, RESN, and RESP) are provided in common to all the memory cells, and the entire memory cell array is integrally controlled.

図55、図57、図63は、記憶トランジスタMCN1(MCN2)の半導体基板上における構造を示す図である。図55は書き込み時の電位配置を示し、図57は消去時の電位配置を示し、図63は読み出し時の電位配置を示している。   55, 57, and 63 are diagrams showing the structure of the memory transistor MCN1 (MCN2) on the semiconductor substrate. FIG. 55 shows the potential arrangement at the time of writing, FIG. 57 shows the potential arrangement at the time of erasing, and FIG. 63 shows the potential arrangement at the time of reading.

また、図56は、記憶トランジスタMCN1への書き込み時の電圧印加手順を示す図である。図58は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図64は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。   FIG. 56 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of writing to the memory transistor MCN1. FIG. 58 is a diagram showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). FIG. 64 is a diagram showing a voltage application procedure at the time of reading from a nonvolatile memory cell.

図55において、抵抗率10ΩcmのP型シリコン基板101の表面領域に、深さ0.8μm、平均ボロン濃度2×1017cm-3のP型ウエル104が形成されている。このP型ウエル104に、深さ250nmの複数のトレンチ(素子分離)102によって分離された2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2が形成されている。この図には、一方の記憶トランジスタ(MCN1)のみを示している。 55, a P-type well 104 having a depth of 0.8 μm and an average boron concentration of 2 × 10 17 cm −3 is formed in the surface region of a P-type silicon substrate 101 having a resistivity of 10 Ωcm. In this P-type well 104, two storage transistors MCN1 and MCN2 separated by a plurality of trenches (element isolation) 102 having a depth of 250 nm are formed. In this figure, only one storage transistor (MCN1) is shown.

記憶トランジスタは、Nチャンネル型トランジスタであり、P型ウエル104の表面領域に、両側のトレンチ102に隣接して形成されたドレイン109,ソース115、および、ドレイン109の周辺領域に形成されたドレインエクステンション107を有する。ドレイン109,ソース115は、それぞれ平均砒素濃度1×1020cm-3に形成され、ドレインエクステンション107平均砒素濃度5×1018cm-3に形成されている。 The storage transistor is an N-channel transistor, and has a drain 109 and a source 115 formed adjacent to the trench 102 on both sides in the surface region of the P-type well 104 and a drain extension formed in the peripheral region of the drain 109. 107. The drain 109 and the source 115 are each formed with an average arsenic concentration of 1 × 10 20 cm −3 , and the drain extension 107 is formed with an average arsenic concentration of 5 × 10 18 cm −3 .

また、P型ウエル104の表面のドレイン109,ソース115間の領域であるチャネル領域の基板上には、膜厚5nmのゲート酸化膜105、および、膜厚200nmでリン濃度2×1020cm-3のポリシリコン膜からなるゲート電極106が形成されている。また、このゲート酸化膜105,ゲート電極106の両側には、膜厚50nmの絶縁膜からなるサイドスペーサ108、108Sが形成されている。なお、ソース115周辺にはエクステンション領域が形成されていないため、ソース側のサイドスペーサ108Sは、基板のチャンネル領域に対して露出している。 On the substrate of the channel region, which is the region between the drain 109 and the source 115 on the surface of the P-type well 104, a gate oxide film 105 with a thickness of 5 nm and a phosphorus concentration of 2 × 10 20 cm with a thickness of 200 nm. A gate electrode 106 made of 3 polysilicon film is formed. Further, side spacers 108 and 108S made of an insulating film having a thickness of 50 nm are formed on both sides of the gate oxide film 105 and the gate electrode 106. Since no extension region is formed around the source 115, the side spacer 108S on the source side is exposed to the channel region of the substrate.

また、P型ウエル104の領域内で、トレンチ102により、上記記憶トランジスタから分離された領域には、このP型ウエル104を接地するための電極である平均ボロン濃度1×1020cm-3のP型拡散層111が形成されている。 In the region of the P-type well 104, the region separated from the memory transistor by the trench 102 has an average boron concentration of 1 × 10 20 cm −3 that is an electrode for grounding the P-type well 104. A P-type diffusion layer 111 is formed.

この記憶トランジスタは、ソース側のサイドスペーサ108Sにキャリアを注入することによってしきい値電圧を上昇させることができる。また、図57で説明するように、サイドスペーサ108Sに注入したキャリアを引き抜いて、しきい値電圧を初期状態に戻すこともできる。これにより、この記憶トランジスタは、不揮発にデータを記憶する。   In this memory transistor, the threshold voltage can be increased by injecting carriers into the side spacer 108S on the source side. Further, as will be described with reference to FIG. 57, the carrier voltage injected into the side spacer 108S can be pulled out to return the threshold voltage to the initial state. As a result, the storage transistor stores data in a nonvolatile manner.

なお、記憶トランジスタの標準的な初期しきい電圧は1.2Vであるが、特殊な構造のトランジスタであるためバラツキが大きく、信頼性の観点から、この記憶トランジスタ単独で記憶素子として用いることは困難である。このため、この実施形態では、図53に示したフリップフロップ構成でメモリセルを構成している。   Note that the standard initial threshold voltage of the memory transistor is 1.2 V. However, since the transistor has a special structure, the variation is large, and it is difficult to use the memory transistor alone as a memory element from the viewpoint of reliability. It is. Therefore, in this embodiment, the memory cell is configured with the flip-flop configuration shown in FIG.

図55に示すように、書き込み動作は、ドレイン線VDへ0Vを印加し、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば6V)を印加してチャネルホットエレクトロンHEを前記サイドスペーサ108Sへ注入する動作である。このチャネルホットエレクトロンの注入によってサイドスペーサ108Sにトラップされた電子によりしきい値電圧が上昇し、記憶トランジスタが書き込み状態となる。   As shown in FIG. 55, in the write operation, 0V is applied to the drain line VD, a positive voltage (for example, 6V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, and channel hot electrons HE are injected into the side spacer 108S. Is the action. The threshold voltage rises due to electrons trapped in the side spacer 108S due to the injection of channel hot electrons, and the memory transistor enters a writing state.

図56は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を上昇させてデータ"0"を書き込む場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1を図55に示す電位配置にするため、図56に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。RESNを0Vに、RESPをVccにした後、PREB、PRET、VPST、VPSB、VPM、SLを6Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLTを0V、BLBをVccにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1がオンすることでnodeT(記憶トランジスタMCN1のドレイン)は、ビット線BLT(0V)とほぼ同電位になるとともに、これにより負荷トランジスタMP2がオンするため、nodeB(記憶トランジスタMCN1のゲート)が、VPSB(6V)とほぼ同電位になる。これにより、記憶トランジスタMCN1の電圧印加手順は図57と同じになる。このときトランスファゲートMN1および記憶トランジスタMCN1には、300μA程度の電流が流れて、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2まで上昇させる。   FIG. 56 is a diagram showing a voltage application procedure when data “0” is written by increasing the threshold voltage of the memory transistor MCN1. In order to make the memory transistor MCN1 have the potential arrangement shown in FIG. 55, a voltage is applied to the memory cell by the procedure shown in FIG. After RESN is set to 0V and RESP is set to Vcc, the word line WL is set to Vcc, the bit line BLT is set to 0V, and the BLB is set to Vcc under the condition that PREB, PRET, VPST, VPSB, VPM, and SL are set to 6V. When the transfer gate MN1 which is an N-type MOS transistor is turned on, the node T (the drain of the storage transistor MCN1) becomes substantially the same potential as the bit line BLT (0 V), and the load transistor MP2 is thereby turned on. The gate of the storage transistor MCN1 becomes substantially the same potential as VPSB (6V). Thereby, the voltage application procedure of the memory transistor MCN1 is the same as that in FIG. At this time, a current of about 300 μA flows through the transfer gate MN1 and the storage transistor MCN1, thereby raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 to Vth2.

また、データ"1"を書く場合は、記憶トランジスタMCN2側のしきい値電圧を上げることになるが、BLT=Vcc、BLB=0Vと電圧設定を逆転するだけで、他の条件はデータ"0"書き込み時と同じである。   When data “1” is written, the threshold voltage on the memory transistor MCN2 side is increased. However, only the voltage setting is reversed to BLT = Vcc and BLB = 0V, and other conditions are set to data “0”. "Same as writing.

なお、上記実施例では、トランジスタMCN1のゲート(nodeB)へ6Vを印加し、トランジスタMCN1のドレイン(ソース線SL)へ6Vを印加しているが、これらの電圧は異なる電圧でも良い。   In the above embodiment, 6V is applied to the gate (nodeB) of the transistor MCN1 and 6V is applied to the drain (source line SL) of the transistor MCN1, but these voltages may be different voltages.

図57、図58は記憶トランジスタMCN1(MCN2)への消去電圧印加手順を示す図である。図57に示すように、消去動作は、ソース線VSへ接合耐圧以下の正電圧(例えば9V)を印加し、ゲート線VG、ドレイン線VDに0Vを印加して、ソース電極115からアバランシェホットホールHHを発生させ、これをサイドスペーサ108Sへ注入する動作である。これにより、前記書き込み動作でサイドスペーサ108Sにトラップされた電子を中和し、しきい値電圧を低下させることによって書き込まれたデータが消去される。   57 and 58 are diagrams showing a procedure for applying an erase voltage to the memory transistor MCN1 (MCN2). As shown in FIG. 57, in the erasing operation, a positive voltage (for example, 9V) lower than the junction breakdown voltage is applied to the source line VS, 0V is applied to the gate line VG and the drain line VD, and the avalanche hot hole is applied from the source electrode 115. In this operation, HH is generated and injected into the side spacer 108S. As a result, the electrons trapped in the side spacer 108S in the write operation are neutralized, and the written data is erased by lowering the threshold voltage.

図58は、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧を低下させてデータを消去する場合の電圧印加手順を示す図である。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図57に示す電位配置にするため、図58に示す手順でメモリセルに電圧を印加する。一般的には、消去動作は、図54に示したメモリアレイの全メモリセルに対して一括して行われる。RESNを0Vに、RESPをVccにし、PREB、PRET、VPMをVccに設定し、VPST、VPSBを0Vに設定し、SLを9Vに設定した条件下で、ワード線WLをVcc、ビット線BLT、BLBを0Vにする。N型MOSトランジスタであるトランスファゲートMN1、MN2がオンすることでnodeT、nodeBは0Vとなり、記憶トランジスタMCN1、MCN2の電圧印加手順は図57と同じになる。   FIG. 58 is a diagram showing a voltage application procedure when data is erased by lowering the threshold voltages of the memory transistors MCN1 and MCN2. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 57, a voltage is applied to the memory cell by the procedure shown in FIG. In general, the erase operation is performed collectively for all the memory cells of the memory array shown in FIG. Under the condition that RESN is set to 0V, RESP is set to Vcc, PREB, PRET, and VPM are set to Vcc, VPST and VPSB are set to 0V, and SL is set to 9V, word line WL is set to Vcc, bit line BLT, BLB is set to 0V. When the transfer gates MN1 and MN2 which are N-type MOS transistors are turned on, nodeT and nodeB become 0V, and the voltage application procedure of the storage transistors MCN1 and MCN2 is the same as that in FIG.

このように、図55、図56に示した書き込み時の電圧印加手順、および、図57、図58に示した消去時の電圧印加手順は、各メモリセル毎に独立制御が必要なワード線およびビット線に0VまたはVccを印加すればよいように設計されているため、すなわちワード線、ビット線に高電圧の印加が不要であるため、ワード線,ビット線の制御回路に高耐圧トランジスタを使用する必要が無くなり、高速に動作する高性能なトランジスタを使用して読み出し動作の高速化を図ることができる。   As described above, the voltage application procedure at the time of writing shown in FIGS. 55 and 56 and the voltage application procedure at the time of erasing shown in FIGS. 57 and 58 are the same as the word line that requires independent control for each memory cell. Because it is designed to apply 0V or Vcc to the bit line, that is, it is not necessary to apply a high voltage to the word line and bit line, high voltage transistors are used in the word line and bit line control circuits. Therefore, the reading operation can be speeded up using a high-performance transistor that operates at high speed.

図59は、上記書き込み動作によって記憶トランジスタMCN1,MCN2に設定されるしきい値電圧を説明する図、すなわち、不揮発性メモリセルに対するデータ設定の方式を説明する図である。ここで、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が低い状態(オン)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が高い状態(オフ)のときデータは"1"であり、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧が高い状態(オフ)で且つ記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧が低い状態(オン)のときデータは"0"である。   FIG. 59 is a diagram for explaining threshold voltages set in the memory transistors MCN1 and MCN2 by the write operation, that is, a diagram for explaining a data setting method for a nonvolatile memory cell. Here, when the threshold voltage of the storage transistor MCN1 is low (on) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is high (off), the data is “1” and the threshold of the storage transistor MCN1 When the voltage is high (off) and the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is low (on), the data is “0”.

同図(A)は、データ設定前、すなわち記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合を示す。この状態でも図60または図62に示す手順により、この不揮発性メモリセルの状態がデータ" 1"に確定される。   FIG. 6A shows a case before data setting, that is, when the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are both in the initial state Vth0. Even in this state, the state of the nonvolatile memory cell is determined to be data “1” by the procedure shown in FIG. 60 or 62.

同図(B)は、不揮発性メモリセルにデータ"0"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"0"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 5B shows the threshold voltage when data “0” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “0” is realized by raising the threshold voltage of the storage transistor MCN1 from the initial state in FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

同図(C)は、不揮発性メモリセルにデータ"1"を設定したときのしきい値電圧を示している。データ"1"の書き込みは、同図(A)の初期状態から記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧をVth2(Vth2>Vth0)まで上げることで実現する。   FIG. 3C shows the threshold voltage when data “1” is set in the nonvolatile memory cell. Writing of data “1” is realized by raising the threshold voltage of the memory transistor MCN2 from the initial state of FIG. 5A to Vth2 (Vth2> Vth0).

図57、図58で説明した消去動作を行うと、同図(B),(C)のようにしきい値電圧が制御されていても、同図(A)に示す状態に復帰する。   When the erase operation described with reference to FIGS. 57 and 58 is performed, the state shown in FIG. 5A is restored even if the threshold voltage is controlled as shown in FIGS.

このように、このメモリセルは、記憶トランジスタMCN1、MCN2のしきい値電圧を上げても、再度初期状態Vth0まで下げることが可能であるため、また、記憶トランジスタMCN1、MCN2が共に初期状態Vth0の場合でも、強制的にデータを”1”に確定することができるため、複数回のデータの書き換えが要求される用途に用いても、True側(記憶トランジスタMCN1)とBar側(記憶トランジスタMCN2)のしきい値電圧の差である読み出しマージンを十分に大きく取ることができる。   Thus, since this memory cell can be lowered again to the initial state Vth0 even if the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are increased, both the storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0. Even in this case, since the data can be forcibly determined to be “1”, the True side (the storage transistor MCN1) and the Bar side (the storage transistor MCN2) can be used for applications that require a plurality of data rewrites. The read margin, which is the difference between the threshold voltages, can be made sufficiently large.

図55、図56に示した書き込み動作により、記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれかに書き込みを行い、メモリセルに"1"または"0"のデータを書き込むことができる。一方、初期状態のメモリセル、すなわち、記憶トランジスタMCN1,MCN2のいずれにも書き込みが行われておらず、記憶トランジスタMCN1,MCN2のしきい値電圧が両方とも初期状態Vth0の場合には、一般的にはメモリセルの記憶内容が不定である。しかし、初期状態のメモリセルに対して以下の手順で電圧を印加することにより、このメモリセルの記憶内容を"1"または"0"のいずれかに確定することができる。   With the write operation shown in FIGS. 55 and 56, data can be written to one of the memory transistors MCN1 and MCN2, and data “1” or “0” can be written to the memory cell. On the other hand, when no data is written in the memory cell in the initial state, that is, in the storage transistors MCN1 and MCN2, both of the threshold voltages of the storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0. The memory content of the memory cell is indefinite. However, by applying a voltage to the memory cell in the initial state according to the following procedure, the memory content of this memory cell can be determined to be “1” or “0”.

図60は、第4の実施形態の不揮発性メモリセルのデータを確定するための電圧印加手順を説明する図である。この手順は、不揮発性メモリセルの記憶内容が"1"または"0"の場合には、その記憶内容どおりにメモリセル(フリップフロップ)の状態を設定し、メモリセルが初期状態の場合には、強制的にデータを"1"に固定する動作である。複数のメモリセルが配列されたメモリアレイにおいて、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在する場合に、この手順をメモリアレイの全メモリセルに一括して行うことにより、記憶内容が"1"または"0"のメモリセルに対しては、その記憶内容どおりにフリップフロップの状態を設定し、初期状態のメモリセルに対しては、フリップフロップの状態を強制的に"1"に固定する。この手順はメモリの起動時に実行される。   FIG. 60 is a diagram for explaining a voltage application procedure for determining data in the nonvolatile memory cell according to the fourth embodiment. In this procedure, when the stored content of the nonvolatile memory cell is “1” or “0”, the state of the memory cell (flip-flop) is set according to the stored content, and when the memory cell is in the initial state, This is an operation for forcibly fixing the data to “1”. In a memory array in which a plurality of memory cells are arranged, if the memory contents are "1" and "0" and the memory cells in the initial state coexist, this procedure is collectively applied to all the memory cells in the memory array. By doing so, the state of the flip-flop is set according to the stored content for the memory cell whose stored content is “1” or “0”, and the state of the flip-flop is set for the memory cell in the initial state. Forced to "1". This procedure is executed when the memory is activated.

図60に示す手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vにし、RESNを0Vにし、RESPをVccにした条件下で実行される。まず、時刻t0に、ソース電位SLを0VからVccに 立ち上げ、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。時刻t1に、プリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンする。同時に、Vccに設定されているプリチャージ電圧のうち、True側のプリチャージ電圧VPSTをΔV(Vth2−Vth0よりも十分小さい電圧、たとえば、0.2V)低下させる。これにより、nodeT、nodeBのプリチャージ電圧も各々Vcc−ΔV,Vccとなり、記憶トランジスタMCN2のソース・ドレイン間電圧が、記憶トランジスタMCN1のソース・ドレイン間電圧よりもΔVだけ高くなる。これにより、記憶トランジスタMCN2側の見かけのしきい値電圧をΔV分だけ高くすることができる。   The procedure shown in FIG. 60 is as follows. This procedure is executed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, RESN is set to 0V, and RESP is set to Vcc. First, at time t0, the source potential SL is raised from 0 V to Vcc, and the storage transistors MCN1 and MCN2 are turned off. At time t1, the precharge transistors MP3 and MP4 are turned on by lowering the precharge control signals PRET and PREB from Vcc to 0V. At the same time, among the precharge voltages set to Vcc, the True-side precharge voltage VPST is lowered by ΔV (voltage sufficiently smaller than Vth2−Vth0, for example, 0.2V). As a result, the precharge voltages of nodeT and nodeB are also Vcc−ΔV and Vcc, respectively, and the source-drain voltage of the storage transistor MCN2 becomes higher by ΔV than the source-drain voltage of the storage transistor MCN1. Thereby, the apparent threshold voltage on the memory transistor MCN2 side can be increased by ΔV.

時刻t2にPRET、PREBをVccに戻し、時刻t3よりソース電位SLをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。この時、メモリセルの記憶内容が"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVcc−ΔVとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。一方、メモリセルの記憶内容が"0"の場合は、ΔVだけしきい値電圧が上昇しても、やはり記憶トラ ンジスタMCN2のしきい値電圧の方が記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧よりも低く、記憶トランジスタMCN2が先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"に確定する。   At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc, and from time t3, the source potential SL is gradually lowered toward 0V. At this time, when the memory content of the memory cell is “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is first lowered to 0V, and nodeB is Vcc−ΔV Thus, the data of the flip-flop is fixed to “1”. On the other hand, when the stored content of the memory cell is “0”, the threshold voltage of the storage transistor MCN2 is still higher than the threshold voltage of the storage transistor MCN1 even if the threshold voltage increases by ΔV. Since the memory transistor MCN2 is turned on first, nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the data of the flip-flop is determined to be “0”.

また、メモリセルの記憶内容が"不定"の場合、すなわち、MCN1,MCN2のしきい値電圧が共にVth0である場合は、記憶トランジスタMCN1の見かけのしきい値電圧が記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧よりもΔVだけ低いため、MCN1がMCN2よりも先にオンし、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVcc−ΔVとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。   Further, when the memory content of the memory cell is “undefined”, that is, when the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0, the apparent threshold voltage of the memory transistor MCN1 is the threshold voltage of the memory transistor MCN2. Since it is lower than the voltage by ΔV, MCN1 is turned on earlier than MCN2, nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc−ΔV, and the flip-flop data is determined to be “1”.

フリップフロップの状態が確定したのちの時刻t4にVPSTをVccに戻す。   VPST is returned to Vcc at time t4 after the state of the flip-flop is determined.

MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるメモリセルは、未だ書き込み,書き換えが行われていないセルである場合が多く、このようなメモリセルでは、書き換えに伴うトランジスタ劣化もないため、ΔVの設定については、トランジスタの初期的なしきい値電圧のばらつきだけを考慮しておけばよい。したがって、例えば0.2V程度で十分と考えられる。   A memory cell in which the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0 is often a cell that has not yet been written or rewritten. In such a memory cell, there is no deterioration of the transistor due to rewriting. For the setting of, only the initial threshold voltage variation of the transistor needs to be considered. Therefore, for example, about 0.2V is considered sufficient.

図60に示した電圧印加手順は、初期状態のメモリセルをデータ"1"に確定する場合の手順であるが、P型MOSトランジスタのソース電位制御においてVPSTに代えてVPSBの電圧をΔVだけ低下させることで、初期状態のメモリセルをデータ"0"に確定することも可能である。   The voltage application procedure shown in FIG. 60 is a procedure for determining the memory cell in the initial state as data “1”. In the source potential control of the P-type MOS transistor, the voltage of VPSB is reduced by ΔV instead of VPST. By doing so, it is possible to determine the memory cell in the initial state as data “0”.

図61は、図60に示した電圧印加手順を行う場合のデータ確定のマージンを説明する図である。MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるような初期状態においては、前述したように、nodeTのプリチャージ電圧をnodeBよりもΔVだけ低くすることで、MCN2側の見かけのしきい値電圧をΔVだけ高くし、強制的にデータ"1"と認識させている。既にデータ"0"が書き込まれているメモリセルにおいては、ΔV分だけマージンが減少することになるが、仮にVth2−Vth0=1V、ΔV=0.2Vとした場合のマージンは0.8Vとなる。既にデータ"1"が書き込まれているメモリセルにおいては、逆にΔV分だけマージンが増加することになり、仮にVth2−Vth0=1V、ΔV=0.2Vとした場合のマージンは1.2Vとなる。   FIG. 61 is a diagram for explaining a data determination margin when the voltage application procedure shown in FIG. 60 is performed. In the initial state where both the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are Vth0, as described above, the apparent threshold voltage on the MCN2 side can be obtained by making the precharge voltage of nodeT lower by ΔV than nodeB. Is increased by ΔV to forcibly recognize the data as “1”. In a memory cell in which data “0” has already been written, the margin decreases by ΔV. However, if Vth2−Vth0 = 1V and ΔV = 0.2V, the margin becomes 0.8V. . In the memory cell in which data “1” has already been written, the margin is increased by ΔV. If Vth2−Vth0 = 1V and ΔV = 0.2V, the margin is 1.2V. Become.

図62は、初期状態のメモリセルに対してデータを確定させる電圧印加の手順を説明する図である。すなわち、図60の手順は、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在するメモリアレイにおいて、各メモリセルのデータを一括して確定させる手順であったが、図62に示す手順は、それぞれのメモリセルの記憶内容とは関係なく、メモリセルのデータを確実に"1"または"0"に確定させる。   FIG. 62 is a diagram for explaining a voltage application procedure for determining data for a memory cell in an initial state. That is, the procedure of FIG. 60 is a procedure for determining the data of each memory cell collectively in a memory array in which memory cells with stored contents “1” and “0” and an initial state memory cell coexist. The procedure shown in FIG. 62 ensures that the data in the memory cell is “1” or “0” regardless of the stored contents of each memory cell.

データ書込済のメモリセルと初期状態のメモリセルが混在する場合、または、全てのメモリセルが初期状態の場合、いずれの場合においても、メモリアレイに対して一括してこの手順を実行することにより、そのメモリセルのデータを"1"または"0"に確定することができる。以下の説明は、初期状態のメモリセルの記憶内容を強制的に"1"に確定する手順を示している。   This procedure should be executed on the memory array in a batch in both cases where there are mixed data memory cells and memory cells in the initial state, or if all memory cells are in the initial state. Thus, the data of the memory cell can be determined to be “1” or “0”. The following description shows a procedure for forcibly determining the stored contents of the memory cell in the initial state to “1”.

ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに、RESNを0Vに、RESPをVccに、それぞれ設定した条件下で、まず、時刻t0にソース電位SLを0VからVccに立ち上げてMCN1、MCN2をオフし、時刻t1にプリチャージ制御信号PREB、PRET並びにプリチャージトランジスタMP3のソース電位VPSTをVccから0Vに立ち下げる。これにより、nodeBがプリチャージトランジスタMP4によりVccに充電され、nodeTがプリチャージトランジスタMP3を介して放電される。時刻t2にPREB、PRETをVccに戻し、時刻t3にSLをVccから0Vにする。このとき、ゲート電位がより高いMCN1の方がMCN2よりも先にオンすることで、nodeBがVccに保持された状態で、nodeTは0Vに引き下げられ、フリップフロップ内のデータが"1"と確定する。時刻t4にVPSTをVccに戻す。   Under the conditions that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, RESN is set to 0V, and RESP is set to Vcc, the source potential SL is first raised from 0V to Vcc at time t0, and MCN1 and MCN2 are set. At time t1, the precharge control signals PREB and PRET and the source potential VPST of the precharge transistor MP3 are lowered from Vcc to 0V. Thereby, nodeB is charged to Vcc by the precharge transistor MP4, and nodeT is discharged through the precharge transistor MP3. At time t2, PREB and PRET are returned to Vcc, and at time t3, SL is changed from Vcc to 0V. At this time, MCN1 having a higher gate potential is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is lowered to 0V while nodeB is held at Vcc, and the data in the flip-flop is determined to be "1". To do. At time t4, VPST is returned to Vcc.

図62に示した手順は、メモリセルの記憶内容を強制的に"1"に確定する手順であるが、強制的に"0"に確定することも可能である。すなわち、時刻t1にプリチャージトランジスタMP3のソース電位VPSTに代えて、プリチャージトランジスタMP4のソース電位VPSBをVccから0Vに立ち下げることで、nodeBが放電され、データが"0"に確定する。   The procedure shown in FIG. 62 is a procedure for forcibly confirming the stored contents of the memory cell to “1”, but can be forcibly determined to “0”. That is, by dropping the source potential VPSB of the precharge transistor MP4 from Vcc to 0V instead of the source potential VPST of the precharge transistor MP3 at time t1, nodeB is discharged and the data is determined to be “0”.

図60または図62の手順を実行することにより、2つの記憶トランジスタMCN1,MCN2の両方が初期状態Vth0である初期状態のメモリセルが存在しても、その記憶内容を一義的に"1"または"0"に確定することができる。   By executing the procedure of FIG. 60 or FIG. 62, even if there is an initial state memory cell in which both of the two storage transistors MCN1 and MCN2 are in the initial state Vth0, the stored content is uniquely “1” or It can be fixed to “0”.

本不揮発性メモリセルをヒューズの代わりに使用する場合に、記憶内容を一義的に"1"に確定するようにすれば、初期状態のままで、ヒューズを切る前の状態(データ"1"に対応)を実現することができる。   When this nonvolatile memory cell is used in place of a fuse, if the stored content is uniquely determined to be “1”, the state before the fuse is blown (data “1” is maintained in the initial state). Response).

図63、図64は不揮発性メモリセルの読み出し時の電圧印加手順を示す図である。図63に示すように、読み出しは、ソース線VSを0Vとし、ゲート線VGにVccを印加した時のドレイン線VDの電圧を読み取ることによって行う。記憶トランジスタMCN1,MCN2を図65の電位配置にするため、図64に示す条件でメモリセルに電圧が印加される。読み出し動作はSRAMの読み出し動作と同様、差動型センスアンプを使用する。RESNを0Vに、RESPをVccに、PREB、PRET、VPST、VPSB、VPMをVcc、SLを0Vに設定し、ワード線WLをVccに設定した条件下で、フリップフロップ内のデータに応じたビット線BLT、BLBの変化を差動型センスアンプで読み出す。BLTが低電圧(0V)且つBLBが低電圧(Vcc)のときデータは"1"であり、BLTが高電圧 (Vcc)且つBLBが低電圧(0V)のときデータは"0"である。   63 and 64 are diagrams showing a voltage application procedure at the time of reading from the nonvolatile memory cell. As shown in FIG. 63, reading is performed by reading the voltage of the drain line VD when the source line VS is set to 0 V and Vcc is applied to the gate line VG. In order to make the memory transistors MCN1 and MCN2 have the potential arrangement shown in FIG. 65, a voltage is applied to the memory cell under the conditions shown in FIG. The read operation uses a differential sense amplifier as in the SRAM read operation. Bit according to the data in the flip-flop under the condition that RESN is set to 0V, RESP is set to Vcc, PREB, PRET, VPST, VPSB, VPM are set to Vcc, SL is set to 0V, and word line WL is set to Vcc. Changes in the lines BLT and BLB are read out by a differential sense amplifier. Data is "1" when BLT is low voltage (0V) and BLB is low voltage (Vcc), and data is "0" when BLT is high voltage (Vcc) and BLB is low voltage (0V).

図62に示したデータ確定手順は、初期状態のメモリセル(記憶トランジスタMCN1,MCN2の両方が初期状態(しきい値電圧=Vth0)のメモリセル)が存在していても、これを"1"に強制的に確定することができる手順であった。初期状態のメモリセルが存在しない場合、または、初期状態のメモリセルのデータ値が不定であっても構わない場合には、図65〜図67に示す確定手順を用いることができる。この確定手順では、図60に示した手順のようなΔVの確定マージンの低下(図61参照)は生じない。   The data determination procedure shown in FIG. 62 is performed even if there is an initial state memory cell (a memory cell in which both storage transistors MCN1 and MCN2 are in an initial state (threshold voltage = Vth0)). It was a procedure that could be forcibly confirmed. When there is no memory cell in the initial state, or when the data value of the memory cell in the initial state may be indefinite, the determination procedure shown in FIGS. 65 to 67 can be used. In this determination procedure, the decrease in the determination margin of ΔV (see FIG. 61) as in the procedure shown in FIG. 60 does not occur.

図65に示すデータ確定手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、RESNを0Vにし、RESPをVccにし、VPST,VPSB,VPMをVccに設定した条件下で行われる。まず、時刻t0に、ソース電位SLを0VからVccに立ち上げて、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。時刻t1にプリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンして、nodeT,nodeBをVccにプリチャージする。時刻t2に、PRET、PREBをVccに戻しプリチャージ完了後、時刻t3よりソース電位SLをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。この時、データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"と確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"と確定する。   The data confirmation procedure shown in FIG. 65 is as follows. This procedure is performed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, RESN is set to 0V, RESP is set to Vcc, and VPST, VPSB, and VPM are set to Vcc. First, at time t0, the source potential SL is raised from 0 V to Vcc, and the storage transistors MCN1 and MCN2 are turned off. At time t1, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V, so that the precharge transistors MP3 and MP4 are turned on to precharge nodeT and nodeB to Vcc. At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc, and after precharge is completed, the source potential SL is gradually lowered toward 0V from time t3. At this time, in the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc, and the flip-flop data is “1” is confirmed. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN1, so that nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the flip-flop data is “ Confirm 0 ".

図66に示すデータ確定手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、VPST,VPSB,VPMをVccに設定し、RESNをVccに、RESPを0Vに設定し、且つソース 電位SLを0Vに固定した条件下で行われる。まず、時刻t0に、プリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンして、nodeT,nodeBをプリチャージする。このときトランジスタMN3、MN4、MP5、MP6はそれぞれオフしているので、nodeT、nodeBはともにVccにプリチャージされる。一方、MCN1のドレインAtrTと、MCN2のドレインAtrBとは、それぞれフローティング状態であるので、ほぼ0Vになっている。時刻t1に、RESNを0Vに、RESPをVccに設定する。このときトランジスタMN3、MN4、MP5、MP6はそれぞれオンするので、nodeTとAtrTおよびnodeBとAtrBはそれぞれ電気的に導通し、AtrTとAtrBはともにVccに充電される。時刻t2に、プリチャージ制御信号PRET、PREBを0VからVccに立ち上げる。データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも電流駆動力が大きいため、nodeTがnodeBよりも電位が低くなり、フリップフロップのデータが"1"と確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも電流駆動量が大きいため、nodeBがnodeTよりも電位が低くなり、フリップフロップのデータが"1"と確定する。   The data confirmation procedure shown in FIG. 66 is as follows. In this procedure, word line WL and bit lines BLT and BLB are set to 0V, VPST, VPSB and VPM are set to Vcc, RESN is set to Vcc, RESP is set to 0V, and source potential SL is fixed to 0V. Performed under the above conditions. First, at time t0, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V to turn on the precharge transistors MP3 and MP4 and precharge the nodes T and nodeB. At this time, since the transistors MN3, MN4, MP5, and MP6 are off, both nodeT and nodeB are precharged to Vcc. On the other hand, since the drain AtrT of MCN1 and the drain AtrB of MCN2 are each in a floating state, they are almost 0V. At time t1, RESN is set to 0V and RESP is set to Vcc. At this time, the transistors MN3, MN4, MP5, and MP6 are turned on, so that nodeT and AtrT and nodeB and AtrB are electrically conducted, and AtrT and AtrB are both charged to Vcc. At time t2, the precharge control signals PRET and PREB are raised from 0V to Vcc. In the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage has a higher current driving capability than MCN2, so that node T has a lower potential than node B, and the flip-flop data is determined to be “1”. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage has a larger current drive amount than MCN1, so that the potential of nodeB becomes lower than that of nodeT, and the data of the flip-flop is determined to be “1”. To do.

このデータ確定手順は、図29に示した第2の実施形態のデータ確定手順と比較して、プリチャージ時にフリップフロップ内にDC的な貫通電流が流れる期間がt1からt2の間に限定できるので、消費電流を低減することができる。   Compared with the data determination procedure of the second embodiment shown in FIG. 29, this data determination procedure can limit the period during which a DC through current flows in the flip-flop during precharge between t1 and t2. , Current consumption can be reduced.

図67に示すデータ確定手順は以下のとおりである。このデータ確定手順の特徴は、ビット線側からnodeT、nodeBのプリチャージ電圧を供給している点である。PRET,PREBをVccに固定するとともに、ワード線WL、ビット線BLT,BLBをVccに設定し、VPST,VPSB電位を0VにしてMP1〜MP4をカットオフすることにより、Vccに充電したビット線BLT、BLBからトランスファゲートMN1、MN2を介して、nodeT、nodeBを各々Vcc−Vthnにプリチャージする。ここでVthnはMN1、MN2のしきい値電圧である。時刻t0でワード線WLをVccから0Vに立ち下げて、nodeT、nodeBをフローティングにすることにより、MCN1並びにMCN2から放電される電荷量の差でフリップフロップのデータを確定する。データ"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも電流駆動力が大きいため、nodeTがnodeBよりも電位が低くなり、時刻t1でVPST、VPSB電位を0VからVccに立ち上げた後、この不揮発性メモリセルのデータが"1"に確定する。一方、データ"0"の場合は、しきい値電圧の低いMCN2の方がMCN1よりも電流駆動量が大きいため、nodeBがnodeTよりも電位が低くなり、時刻t1でVPST、VPSB電位を0VからVccに立ち上げた後、この不揮発性メモリセルのデータが"0"に確定する。こののち時刻t1にVPSをVccに立ち上げる。   The data confirmation procedure shown in FIG. 67 is as follows. This data determination procedure is characterized in that nodeT and nodeB precharge voltages are supplied from the bit line side. The bit line BLT charged to Vcc is set by fixing PRET and PREB to Vcc, setting the word line WL and bit lines BLT and BLB to Vcc, setting the VPST and VPSB potentials to 0 V, and cutting off MP1 to MP4. , And BLB are precharged to Vcc-Vthn via the transfer gates MN1 and MN2, respectively. Here, Vthn is a threshold voltage of MN1 and MN2. At time t0, the word line WL is lowered from Vcc to 0V, and the nodes T and nodeB are floated, so that the flip-flop data is determined by the difference in the amount of charge discharged from MCN1 and MCN2. In the case of data “1”, MCN1 having a lower threshold voltage has a larger current driving capability than MCN2, so that node T has a lower potential than node B, and the VPST and VPSB potentials are changed from 0 V to Vcc at time t1. After the start-up, the data of this nonvolatile memory cell is fixed to “1”. On the other hand, in the case of data “0”, MCN2 having a lower threshold voltage has a larger current drive amount than MCN1, so that nodeB has a lower potential than nodeT, and the VPST and VPSB potentials are changed from 0V at time t1. After rising to Vcc, the data of this nonvolatile memory cell is determined to be “0”. Thereafter, VPS is raised to Vcc at time t1.

なお、この第4の実施形態の不揮発性メモリセルにおいても、第2の実施形態において図31,図32を参照して説明したように、記憶トランジスタMCN1,MCN2または負荷トランジスタMP1,MP2のチャンネル幅またチャンネル長を異ならせたり、一方のインバータにキャパシタを接続したりして、フリップフロップの回路構成を非対称にしてもよい。   In the nonvolatile memory cell according to the fourth embodiment, as described with reference to FIGS. 31 and 32 in the second embodiment, the channel widths of the storage transistors MCN1 and MCN2 or the load transistors MP1 and MP2 are used. Further, the circuit length of the flip-flop may be made asymmetric by changing the channel length or connecting a capacitor to one inverter.

[第4の実施形態におけるしきい値電圧測定方法]
なお、この12トランジスタ構成の不揮発性メモリセルでは、図68に示すような電位配置にすることにより、記憶トランジスタのしきい値電圧を測定することができる。この方法でしきい値電圧を測定することで、初期状態でのしきい値電圧ばらつき、書き込み動作、消去動作におけるしきい値電圧変化量、書き換え後のしきい値電圧の高温保持特性などの評価を行うことが可能となる。
[Threshold voltage measurement method in the fourth embodiment]
In this 12-transistor nonvolatile memory cell, the threshold voltage of the memory transistor can be measured by arranging the potential as shown in FIG. By measuring the threshold voltage using this method, evaluation of threshold voltage variation in the initial state, threshold voltage variation during write and erase operations, high-temperature retention characteristics of the threshold voltage after rewrite, etc. Can be performed.

図68では、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を判定する場合を示している。検査する記憶トランジスタMCN1のソース電位SLT=0Vに設定したもとで、記憶トランジスタMCN1のドレイン(nodeT)にビット線BLTからトランスファゲートMN1を介して1Vを供給する。記憶トランジスタMCN1のゲート電位(nodeB)は負荷トランジスタMP4からVPSB電位(MAP電圧)が供給される。   FIG. 68 shows a case where the threshold voltage of the memory transistor MCN1 is determined. With the source potential SLT of the storage transistor MCN1 to be inspected set to 0 V, 1 V is supplied from the bit line BLT to the drain (nodeT) of the storage transistor MCN1 via the transfer gate MN1. The gate potential (nodeB) of the storage transistor MCN1 is supplied with the VPSB potential (MAP voltage) from the load transistor MP4.

負荷トランジスタMP3はゲート電位PRETが0Vに設定されているため、VPST電位がVthp以上の場合にオンしてnodeTにMAP電位を供給することになる。同様に、負荷トランジスタMP4はゲート電位PREBが0Vに設定されているので、VPSB電位がVthp以上の場合にオンしてnodeBにMAP電位の供給が可能となる。VthpはMP1〜MP4で示すP型MOSトランジスタのしきい値電圧であり、標準CMOSプロセスでは0.7V程度である。したがって、これ以上の電圧範囲において、MCN1のしきい値電圧(ある一定電流を流すのに必要なゲート電圧)判定が可能となる。MCN1側のしきい値電圧を測定している時に、トランジスタMN3,MP5,MN4およびMP6は全て非導通状態であり、nodeTからSLへのリークパスおよびnodeBからSLへのリークパスはそれぞれ電気的に遮断されるので、BLは0Vにしておいて問題ない。   Since the gate potential PRET is set to 0V, the load transistor MP3 is turned on to supply the MAP potential to the node T when the VPST potential is equal to or higher than Vthp. Similarly, since the gate potential PREB is set to 0V, the load transistor MP4 is turned on when the VPSB potential is equal to or higher than Vthp and can supply the MAP potential to the nodeB. Vthp is a threshold voltage of the P-type MOS transistor indicated by MP1 to MP4, and is about 0.7 V in the standard CMOS process. Therefore, it is possible to determine the threshold voltage of MCN1 (the gate voltage necessary for flowing a certain constant current) in a voltage range higher than this. When measuring the threshold voltage on the MCN1 side, the transistors MN3, MP5, MN4 and MP6 are all non-conductive, and the leak path from nodeT to SL and the leak path from nodeB to SL are electrically cut off, respectively. Therefore, there is no problem if BL is set to 0V.

図68は、記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧を測定する場合の電圧印加手順を示しているが、記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧の測定は、ビット線BLT、BLB制御を逆にするだけで可能である。   FIG. 68 shows a voltage application procedure for measuring the threshold voltage of the memory transistor MCN1, but the threshold voltage of the memory transistor MCN2 is measured only by reversing the bit line BLT and BLB control. Is possible.

なお、このしきい値測定のためにプリチャージ線をPRET,PREBに分ける必要はなく、共通でよい。   It is not necessary to divide the precharge line into PRET and PREB for this threshold measurement, and they may be shared.

[第5の実施形態]
第5の実施形態に係る不揮発性記憶装置およびそれを備えた半導体集積回路装置について図69、図70を参照して説明する。
[Fifth Embodiment]
A nonvolatile memory device according to a fifth embodiment and a semiconductor integrated circuit device including the nonvolatile memory device will be described with reference to FIGS. 69 and 70. FIG.

図69は不揮発性記憶装置の1つの不揮発性メモリセルの回路図である。このメモリセルは、第3の実施形態で説明したSL分割型メモリセルに、アナログスイッチを付加した12トランジスタ構成の不揮発性メモリセルである。   FIG. 69 is a circuit diagram of one nonvolatile memory cell of the nonvolatile memory device. This memory cell is a 12-transistor nonvolatile memory cell in which an analog switch is added to the SL-divided memory cell described in the third embodiment.

このメモリセルは、P型MOSトランジスタMP1,N型MOSトランジスタMCN1を直列に接続したインバータ(True側インバータ)と、P型MOSトランジスタMP2,N型MOSトランジスタMCN2を直列に接続したインバータ(Bar側インバータ)をスタティックラッチ接続したフリップフロップを有している。このうち、P型MOSトランジスタMP1,MP2を負荷トランジスタと呼び、N型MOSトランジスタMCN1,MCN2を記憶トランジスタと呼ぶ。記憶トランジスタMCN1,MCN2は、サイドウォール部に電荷を蓄積・中和することにより、不揮発的にしきい値を変更可能な不揮発素子として機能する。   This memory cell includes an inverter (True side inverter) in which a P-type MOS transistor MP1 and an N-type MOS transistor MCN1 are connected in series, and an inverter (Bar-side inverter) in which a P-type MOS transistor MP2 and an N-type MOS transistor MCN2 are connected in series. ) In a static latch connection. Among these, the P-type MOS transistors MP1 and MP2 are called load transistors, and the N-type MOS transistors MCN1 and MCN2 are called storage transistors. The memory transistors MCN1 and MCN2 function as nonvolatile elements that can change the threshold value in a nonvolatile manner by accumulating and neutralizing charges in the sidewall portions.

このメモリセルはさらにP型MOSトランジスタMP1とN型MOSトランジスタMCN1との間にP型MOSトランジスタMP5およびN型MOSトランジスタMN3からなるアナログスイッチを備え、また、P型MOSトランジスタMP2とN型MOSトランジスタMCN2との間にP型MOSトランジスタMP6およびN型MOSトランジスタMN4からなるアナログスイッチを備えている。
P型MOSトランジスタMP5とP型MOSトランジスタMP6とのゲートはRESN線に接続され、N型MOSトランジスタMN3とN型MOSトランジスタMN4とのゲートはRESP線に接続されている。
The memory cell further includes an analog switch including a P-type MOS transistor MP5 and an N-type MOS transistor MN3 between the P-type MOS transistor MP1 and the N-type MOS transistor MCN1, and the P-type MOS transistor MP2 and the N-type MOS transistor. Between the MCN2, an analog switch including a P-type MOS transistor MP6 and an N-type MOS transistor MN4 is provided.
The gates of the P-type MOS transistor MP5 and the P-type MOS transistor MP6 are connected to the RESN line, and the gates of the N-type MOS transistor MN3 and the N-type MOS transistor MN4 are connected to the RESP line.

True側インバータの記憶トランジスタ側の端部すなわち記憶トランジスタMCN1のソースは、True側ソース線SLTに接続されている。また、Bar側インバータの記憶トランジスタ側の端部すなわち記憶トランジスタMCN2のソースは、Bar側ソース線SLBに接続されている。また、両インバータの負荷トランジスタ側端部すなわち負荷トランジスタMP1,MP2のソースはVPS線に接続されている。   The end of the True-side inverter on the storage transistor side, that is, the source of the storage transistor MCN1 is connected to the True-side source line SLT. Further, the end of the Bar-side inverter on the storage transistor side, that is, the source of the storage transistor MCN2 is connected to the Bar-side source line SLB. Also, the load transistor side ends of both inverters, that is, the sources of the load transistors MP1 and MP2, are connected to the VPS line.

このフリップフロップのうち、負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1を直列に接続したインバータがTrue側の記憶部として機能し、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2を直列に接続したインバータがBar側の記憶部として機能する。負荷トランジスタMP1,記憶トランジスタMCN1の接続部がnodeTであり、負荷トランジスタMP2,記憶トランジスタMCN2の接続部がnodeBである。nodeTが高電位,nodeBが低電位のとき記憶内容が"0"であり、nodeTが低電位,nodeBが高電位のとき記憶内容が"1"である。   Among the flip-flops, an inverter in which the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 are connected in series functions as a storage unit on the True side, and an inverter in which the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 are connected in series functions as a storage unit on the Bar side. To do. A connection portion between the load transistor MP1 and the storage transistor MCN1 is nodeT, and a connection portion between the load transistor MP2 and the storage transistor MCN2 is nodeB. When nodeT is high potential and nodeB is low potential, the stored content is “0”, and when nodeT is low potential and nodeB is high potential, the stored content is “1”.

nodeTは、トランスファゲートMN1を介してビット線BLT(BitLine−True)に接続され、nodeBは、トランスファゲートMN2を介してビット線BLB(BitLine−Bar)に接続されている。トランスファゲートMN1,MN2は、N型MOSトランジスタで構成され、各ゲートには共通のワード線WLが接続されている。   The node T is connected to the bit line BLT (BitLine-True) via the transfer gate MN1, and the node B is connected to the bit line BLB (BitLine-Bar) via the transfer gate MN2. The transfer gates MN1 and MN2 are composed of N-type MOS transistors, and a common word line WL is connected to each gate.

また、負荷トランジスタMP1に並列に、すなわちnodeTとVPSTとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP3が接続されている。また、負荷トランジスタMP2に並列に、すなわちnodeBとVPSBとの間にプリチャージ用トランジスタであるP型MOSトランジスタMP4が接続されている。P型MOSトランジスタMP3のゲートにはT側プリチャージ線PRETが接続され、P型MOSトランジスタMP4のゲートにはB側プリチャージ線PREBが接続されている。また、全てのP型MOSトランジスタMP1〜MP6は同一Nウエル内に形成されNウエル電位はVPM信号で制御されている。   Further, a P-type MOS transistor MP3, which is a precharging transistor, is connected in parallel to the load transistor MP1, that is, between nodeT and VPST. A P-type MOS transistor MP4, which is a precharging transistor, is connected in parallel with the load transistor MP2, that is, between nodeB and VPSB. A T-side precharge line PRET is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP3, and a B-side precharge line PREB is connected to the gate of the P-type MOS transistor MP4. All the P-type MOS transistors MP1 to MP6 are formed in the same N well, and the N well potential is controlled by the VPM signal.

この第5の実施形態の不揮発性メモリセルの記憶トランジスタMCN1,MCN2の構成および動作手順は、データを確定する手順以外は図53〜図68で説明した第4の実施形態の不揮発性メモリセルの動作手順と同様である。このため、以下データ確定手順を説明し、他の動作手順については説明を省略する。   The configuration and operation procedure of the storage transistors MCN1 and MCN2 of the nonvolatile memory cell of the fifth embodiment are the same as those of the nonvolatile memory cell of the fourth embodiment described with reference to FIGS. The operation procedure is the same. For this reason, the data determination procedure will be described below, and description of other operation procedures will be omitted.

図70は、第5の実施形態の不揮発性メモリセルのデータを確定するための電圧印加手順を説明する図である。この手順は、不揮発性メモリセルの記憶内容が"1"または"0"の場合には、その記憶内容どおりにメモリセル(フリップフロップ)の状態を設定し、メモリセルが初期状態の場合には、強制的にデータを"1"に固定する動作である。複数のメモリセルが配列されたメモリアレイにおいて、記憶内容が"1","0"のメモリセルおよび初期状態のメモリセルが混在する場合に、この手順をメモリアレイの全メモリセルに一括して行うことにより、記憶内容が"1"または"0"のメモリセルに対しては、その記憶内容どおりにフリップフロップの状態を設定し、初期状態のメモリセルに対しては、フリップフロップの状態を強制的に"1"に固定する。この手順はメモリの起動時に実行される。   FIG. 70 is a diagram for explaining a voltage application procedure for determining data in the nonvolatile memory cell according to the fifth embodiment. In this procedure, when the stored content of the nonvolatile memory cell is “1” or “0”, the state of the memory cell (flip-flop) is set according to the stored content, and when the memory cell is in the initial state, This is an operation for forcibly fixing the data to “1”. In a memory array in which a plurality of memory cells are arranged, if the memory contents are "1" and "0" and the memory cells in the initial state coexist, this procedure is collectively applied to all the memory cells in the memory array. By doing so, the state of the flip-flop is set according to the stored content for the memory cell whose stored content is “1” or “0”, and the state of the flip-flop is set for the memory cell in the initial state. Forced to "1". This procedure is executed when the memory is activated.

図70に示す手順は以下のとおりである。この手順は、ワード線WL、ビット線BLT,BLBを0Vに設定し、RESNを0Vに、RESPをVccに設定し、VPS,VPMをVccに設定した条件下で実行される。まず、時刻t0に、ソース電位SLT,SLBを0VからVccに立ち上げ、記憶トランジスタMCN1、MCN2をオフさせる。そして、時刻t1にプリチャージ制御信号PRET、PREBをVccから0Vに立ち下げることでプリチャージトランジスタMP3,MP4をオンし、nodeT,nodeBをVccにチャージする。   The procedure shown in FIG. 70 is as follows. This procedure is executed under the condition that the word line WL and the bit lines BLT and BLB are set to 0V, RESN is set to 0V, RESP is set to Vcc, and VPS and VPM are set to Vcc. First, at time t0, the source potentials SLT and SLB are raised from 0 V to Vcc, and the storage transistors MCN1 and MCN2 are turned off. At time t1, the precharge control signals PRET and PREB are lowered from Vcc to 0V to turn on the precharge transistors MP3 and MP4 and charge nodeT and nodeB to Vcc.

時刻t2にPRET、PREBをVccに戻し、時刻t3よりTrue側のソース電位SLTをゆっくりと0Vに向けて立ち下げていく。そして、時刻t3よりも遅れた時刻t4にBar側のソース電位SLBをゆっくりと0Vに向けて立ち下げてゆく。このとき、SLB−SLT=ΔVs(たとえばΔVs=0.2V)となるように制御する。これにより、記憶トランジスタMCN2のソース・ドレイン間電圧が、記憶トランジスタMCN1のソース・ドレイン間電圧よりもΔVsだけ高く制御されることになり、これによって、記憶トランジスタMCN2側の見かけのしきい値電圧をΔVs分だけ高くすることができる。   At time t2, PRET and PREB are returned to Vcc, and from time t3, the True-side source potential SLT is slowly lowered toward 0V. Then, the Bar-side source potential SLB is gradually lowered to 0 V at time t4 which is later than time t3. At this time, control is performed so that SLB-SLT = ΔVs (for example, ΔVs = 0.2 V). As a result, the source-drain voltage of the storage transistor MCN2 is controlled to be higher by ΔVs than the source-drain voltage of the storage transistor MCN1, thereby reducing the apparent threshold voltage on the storage transistor MCN2 side. It can be increased by ΔVs.

この時、メモリセルの記憶内容が"1"の場合は、しきい値電圧の低いMCN1の方がMCN2よりも先にオンするため、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。一方、メモリセルの記憶内容が"0"の場合は、ΔVsだけしきい値電圧が上昇しても、やはり記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧の方が記憶トランジスタMCN1のしきい値電圧よりも低く、記憶トランジスタMCN2が先にオンするため、nodeBが先に0Vに引き下げられて、nodeTはVccとなり、フリップフロップのデータが"0"に確定する。   At this time, when the memory content of the memory cell is “1”, MCN1 having a lower threshold voltage is turned on earlier than MCN2, so that nodeT is first lowered to 0V, and nodeB becomes Vcc, The data of the flip-flop is fixed to “1”. On the other hand, when the memory content of the memory cell is “0”, even if the threshold voltage increases by ΔVs, the threshold voltage of the memory transistor MCN2 is still lower than the threshold voltage of the memory transistor MCN1. Since the memory transistor MCN2 is turned on first, nodeB is first pulled down to 0V, nodeT becomes Vcc, and the data of the flip-flop is determined to be "0".

また、メモリセルの記憶内容が"不定"の場合、すなわち、MCN1,MCN2のしきい値電圧が共にVth0である場合は、記憶トランジスタMCN1の見かけのしきい値電圧が記憶トランジスタMCN2のしきい値電圧よりもΔVsだけ低いため、MCN1がMCN2よりも先にオンし、nodeTが先に0Vに引き下げられて、nodeBはVccとなり、フリップフロップのデータが"1"に確定する。   Further, when the memory content of the memory cell is “undefined”, that is, when the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0, the apparent threshold voltage of the memory transistor MCN1 is the threshold voltage of the memory transistor MCN2. Since it is lower than the voltage by ΔVs, MCN1 is turned on earlier than MCN2, nodeT is first pulled down to 0V, nodeB becomes Vcc, and the flip-flop data is determined to be “1”.

MCN1、MCN2のしきい値電圧が共にVth0であるメモリセルは、未だ書き込み,書き換えが行われていないセルである場合が多く、このようなメモリセルでは、書き換えに伴うトランジスタ劣化もないため、ΔVの設定については、トランジスタの初期的なしきい値電圧のばらつきだけを考慮しておけばよい。したがって、例えば0.2V程度で十分と考えられる。   A memory cell in which the threshold voltages of MCN1 and MCN2 are both Vth0 is often a cell that has not yet been written or rewritten. In such a memory cell, there is no deterioration of the transistor due to rewriting. For the setting of, only the initial threshold voltage variation of the transistor needs to be considered. Therefore, for example, about 0.2V is considered sufficient.

図70に示した電圧印加手順は、初期状態のメモリセルをデータ"1"に確定する場合手順であるが、記憶トランジスタのソース電位制御においてSLT,SLBの電位関係を逆転させるだけで、初期状態のメモリセルをデータ"0"に確定することも可能である。また、図70では、PREBとPRETとは同じ電圧であるので、これらを共通の信号(例えばPRE信号)とすることができる。   The voltage application procedure shown in FIG. 70 is a procedure for determining the memory cell in the initial state as data “1”. However, in the source potential control of the storage transistor, only the potential relationship between SLT and SLB is reversed. It is also possible to determine the memory cell of “0” as data “0”. In FIG. 70, since PREB and PRET are the same voltage, they can be a common signal (for example, a PRE signal).

[第6,第7の実施形態]
図71は、上述した不揮発性メモリセルを搭載したRFIDチップの回路ブロックである。パッドP1,P2には、外部のリーダから発信されたRF信号を受信するために、チップ外部に配置されたアンテナLを接続する。前記パッドP1−P2間には容量120pFの電源キャパシタCT、電圧クランプ回路(Voltage Clamp)、電源モジュレータ(Modulator)、およびブリッジ整流器(Bridge Rectifier)をそれぞれ接続している。ブリッジ整流器の出力には電源安定化キャパシタCFを接続し、出力電圧を検出するための電圧レギュレータ(Regulator)の制御信号を前記電圧クランプ回路へフィードバックして電源電圧の安定化が図っている。また、前記ブリッジ整流器の出力には、内部電源電圧(Vcc)を発生するVcc検出回路(Vcc Detector)、Vcc以外の各種電圧を発生する昇圧回路(Vpp Generator)をそれぞれ接続している。また、前記ブリッジ整流器の出力には、前記ブリッジ整流器により受信したRF信号に含まれる動作モードを検出する回路(Mode
Selector)、クロック検出回路(Clock Extractor)、および不揮発性記憶装置のモジュール(EEPROM)への書込みデータを取り出す回路(Data Modulator)を設けている。コントローラ(Cオンtroller)は動作モードのデータを受けて不揮発性記憶装置のモジュール(EEPROM)の動作を制御する。
[Sixth and seventh embodiments]
FIG. 71 is a circuit block of an RFID chip on which the above-described nonvolatile memory cell is mounted. An antenna L disposed outside the chip is connected to the pads P1 and P2 in order to receive an RF signal transmitted from an external reader. A power supply capacitor CT having a capacitance of 120 pF, a voltage clamp circuit (Voltage Clamp), a power supply modulator (Modulator), and a bridge rectifier are connected between the pads P1 and P2. A power supply stabilization capacitor CF is connected to the output of the bridge rectifier, and a control signal of a voltage regulator (Regulator) for detecting the output voltage is fed back to the voltage clamp circuit to stabilize the power supply voltage. The output of the bridge rectifier is connected to a Vcc detection circuit (Vcc Detector) that generates an internal power supply voltage (Vcc) and a booster circuit (Vpp Generator) that generates various voltages other than Vcc. The output of the bridge rectifier includes a circuit (Mode) for detecting an operation mode included in the RF signal received by the bridge rectifier.
A selector, a clock detection circuit (Clock Extractor), and a circuit (Data Modulator) for extracting write data to the module (EEPROM) of the nonvolatile memory device are provided. The controller (C controller) receives operation mode data and controls the operation of the module (EEPROM) of the nonvolatile memory device.

このRFIDチップに搭載された不揮発性記憶装置のモジュール(EEPROM)には、チップ認証のためのID番号、宅配便用の住所、バーコードを代替する商品情報(価格、生産日、生産地、生産者、成分情報等)、航空貨物タグの必要情報(便名、所有者名、搭乗地、目的地等)等を書き込む。   The module (EEPROM) of the non-volatile storage device mounted on the RFID chip has an ID number for chip authentication, an address for courier service, and product information (price, date of production, production location, production) that replaces the barcode. The required information (e.g. flight number, owner name, boarding place, destination).

図72は本発明の不揮発性メモリセルが搭載された半導体集積回路装置の一例であるシステムLSIの概略チップ平面図である。同図に示されるシステムLSIは、特に制限されないが、半導体基板の周縁に多数のボンディングパッド等の外部接続電極120を配置し、その内側に外部入出力回路121、アナログ入出力回路122を設けている。外部入出力回路121およびアナログ入出力回路122は3.3Vのような相対的にレベルの高い外部電源を動作電源とする。レベルシフト回路123は前記外部電源を1.8Vのような内部電源電圧に降圧する。   FIG. 72 is a schematic chip plan view of a system LSI which is an example of a semiconductor integrated circuit device on which the nonvolatile memory cell of the present invention is mounted. The system LSI shown in the figure is not particularly limited, but a large number of external connection electrodes 120 such as bonding pads are arranged on the periphery of the semiconductor substrate, and an external input / output circuit 121 and an analog input / output circuit 122 are provided inside thereof. Yes. The external input / output circuit 121 and the analog input / output circuit 122 use an external power supply having a relatively high level such as 3.3V as an operation power supply. The level shift circuit 123 steps down the external power supply to an internal power supply voltage such as 1.8V.

レベルシフト回路123の内側には、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ(SRAM)124、中央処理装置(SPU)125、キャッシュメモリ(CACH)126、ロジック回路(Logic)127、フェーズ・ロックド・ループ回路(PLL)128、アナログ・ディジタル変換回路(ADC)129、およびディジタル・アナログ変換回路(DAC)130、システムコントローラ(SYSC)131を有する。132、133、134で示されるものはそれぞれ電気的に消去および書き込みが可能な不揮発性メモリ(EEPROM)であり、本発明の不揮発性記憶装置を所定容量分備えたものである。   Inside the level shift circuit 123 are a static random access memory (SRAM) 124, a central processing unit (SPU) 125, a cache memory (CACH) 126, a logic circuit (Logic) 127, a phase locked loop circuit ( PLL) 128, an analog / digital conversion circuit (ADC) 129, a digital / analog conversion circuit (DAC) 130, and a system controller (SYSC) 131. Reference numerals 132, 133, and 134 denote electrically erasable and writable nonvolatile memories (EEPROMs), respectively, each having a predetermined capacity of the nonvolatile memory device of the present invention.

前記不揮発性メモリ132はSRAM124の救済情報(欠陥メモリセルを冗長メモリセルに置き換える為の制御情報)の格納に利用する。   The nonvolatile memory 132 is used for storing relief information (control information for replacing defective memory cells with redundant memory cells) of the SRAM 124.

また、不揮発性メモリ133は、アナログ回路の回路定数を調整する定数トリミング回路の前記回路定数を特定するための情報の格納のために、またはアナログ回路の発振周波数のトリミングデータの格納のために、さらにまたは電圧トリミング回路の前記参照電圧を特定するための情報の記憶に利用するものであり、ヒューズによる救済用プログラム回路に代えて搭載している。   The nonvolatile memory 133 is used for storing information for specifying the circuit constant of the constant trimming circuit for adjusting the circuit constant of the analog circuit, or for storing trimming data of the oscillation frequency of the analog circuit. Further, it is used for storing information for specifying the reference voltage of the voltage trimming circuit, and is mounted in place of the relief program circuit by the fuse.

また、前記不揮発性メモリ134は、メモリ容量256ビットを搭載しており、チップのID情報、チップの動作モード情報、および所望のデータの格納に利用する。   The nonvolatile memory 134 has a memory capacity of 256 bits and is used for storing chip ID information, chip operation mode information, and desired data.

従来のメモリセル構成を示す図A diagram showing a conventional memory cell configuration 従来のメモリセルにおけるデータ設定方法および読み出しマージンを説明する図The figure explaining the data setting method and read margin in the conventional memory cell 従来のメモリセルにおける不揮発性データ記憶部への書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the write-voltage application procedure to the non-volatile data storage part in the conventional memory cell 上記従来のメモリセルにおける不揮発性データ記憶部からフリップフロップ部へのデータ転送方法を説明する図The figure explaining the data transfer method from the non-volatile data storage part to the flip-flop part in the said conventional memory cell 本発明の第1実施形態である6トランジスタ構成のメモリセルの構成を示す図The figure which shows the structure of the memory cell of 6 transistor structure which is 1st Embodiment of this invention. 前記メモリセルをアレイ状に配列した記憶装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the memory | storage device which arranged the said memory cell in the array form 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記記憶トランジスタのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erasing voltage application procedure of the said memory transistor 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erase voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell 前記メモリセルにおけるデータ設定方法および読み出しマージンを説明する図The figure explaining the data setting method and read-out margin in the said memory cell 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read-out voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 一方の負荷トランジスタのチャンネル幅を広くして両インバータの導通抵抗をアンバランスにしたメモリセルの構成図Configuration diagram of a memory cell in which the channel width of one load transistor is widened and the conduction resistances of both inverters are unbalanced 付加コンデンサを接続して両インバータが持つ静電容量をアンバランスにしたメモリセルの構成図Configuration diagram of a memory cell with an additional capacitor connected to unbalance the capacitance of both inverters 本発明の第2実施形態であるVPS分割型8トランジスタ構成のメモリセルの構成を示す図The figure which shows the structure of the memory cell of the VPS division | segmentation type | mold 8 transistor structure which is 2nd Embodiment of this invention. 前記メモリセルをアレイ状に配列した記憶装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the memory | storage device which arranged the said memory cell in the array form 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記記憶トランジスタのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erasing voltage application procedure of the said memory transistor 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erase voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell 前記メモリセルにおけるデータ設定方法および読み出しマージンを説明する図The figure explaining the data setting method and read-out margin in the said memory cell 前記メモリセルの未書込であっても"1"に確定させるデータ確定手順を説明する図FIG. 6 is a diagram for explaining a data confirmation procedure for confirming to “1” even when the memory cell is not yet written. 上記データ確定手順の各データの読み出しマージンを説明する図The figure explaining the read margin of each data of the above-mentioned data confirmation procedure 初期状態の前記メモリセルを"1"に確定させる手順を説明する図The figure explaining the procedure which fixes the said memory cell of an initial state to "1" 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read-out voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 一方の負荷トランジスタのチャンネル幅を広くして両インバータの導通抵抗をアンバランスにしたメモリセルの構成図Configuration diagram of a memory cell in which the channel width of one load transistor is widened and the conduction resistances of both inverters are unbalanced 付加コンデンサを接続して両インバータが持つ静電容量をアンバランスにしたメモリセルの構成図Configuration diagram of a memory cell with an additional capacitor connected to unbalance the capacitance of both inverters 記憶トランジスタのしきい値電圧を測定する方法を説明する図The figure explaining the method of measuring the threshold voltage of a memory transistor 本発明の第3実施形態であるソース線分割型8トランジスタ構成のメモリセルの構成を示す図The figure which shows the structure of the memory cell of the source line division | segmentation type 8 transistor structure which is 3rd Embodiment of this invention. 前記メモリセルをアレイ状に配列した記憶装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the memory | storage device which arranged the said memory cell in the array form 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記記憶トランジスタのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erasing voltage application procedure of the said memory transistor 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erase voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell 前記メモリセルにおけるデータ設定方法および読み出しマージンを説明する図The figure explaining the data setting method and read-out margin in the said memory cell 前記メモリセルの未書込であっても"1"に確定させるデータ確定手順を説明する図FIG. 6 is a diagram for explaining a data confirmation procedure for confirming to “1” even when the memory cell is not yet written. 上記データ確定手順の各データの読み出しマージンを説明する図The figure explaining the read margin of each data of the above-mentioned data confirmation procedure 初期状態の前記メモリセルを"1"に確定させる手順を説明する図The figure explaining the procedure which fixes the said memory cell of an initial state to "1" 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read-out voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 一方の負荷トランジスタのチャンネル幅を広くして両インバータの導通抵抗をアンバランスにしたメモリセルの構成図Configuration diagram of a memory cell in which the channel width of one load transistor is widened and the conduction resistances of both inverters are unbalanced 付加コンデンサを接続して両インバータが持つ静電容量をアンバランスにしたメモリセルの構成図Configuration diagram of a memory cell with an additional capacitor connected to unbalance the capacitance of both inverters 記憶トランジスタのしきい値電圧を測定する方法を説明する図The figure explaining the method of measuring the threshold voltage of a memory transistor 第2、第3の実施形態のメモリセルの半導体基板上のレイアウトを示す図The figure which shows the layout on the semiconductor substrate of the memory cell of 2nd, 3rd embodiment. 本発明の第4実施形態であるVPS分割型12トランジスタ構成のメモリセルの構成を示す図The figure which shows the structure of the memory cell of the VPS division type 12 transistor structure which is 4th Embodiment of this invention. 前記メモリセルをアレイ状に配列した記憶装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the memory | storage device which arranged the said memory cell in the array form 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記記憶トランジスタのデータ消去電圧印加手順を示す図The figure which shows the data erasing voltage application procedure of the said memory transistor 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ書き込み電圧印加手順を示す図The figure which shows the data write voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記メモリセルにおけるデータ設定方法および読み出しマージンを説明する図The figure explaining the data setting method and read-out margin in the said memory cell 前記メモリセルの未書込であっても"1"に確定させるデータ確定手順を説明する図FIG. 6 is a diagram for explaining a data confirmation procedure for confirming to “1” even when the memory cell is not yet written. 上記データ確定手順の各データの読み出しマージンを説明する図The figure explaining the read margin of each data of the above-mentioned data confirmation procedure 初期状態の前記メモリセルを"1"に確定させる手順を説明する図The figure explaining the procedure which fixes the said memory cell of an initial state to "1" 前記メモリセルの記憶トランジスタのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read-out voltage application procedure of the memory transistor of the said memory cell. 前記メモリセルにおける記憶トランジスタへのデータ読み出し電圧印加手順を示す図The figure which shows the data read voltage application procedure to the memory transistor in the said memory cell. 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 前記メモリセルのデータ確定手順を説明する図The figure explaining the data confirmation procedure of the said memory cell 記憶トランジスタのしきい値電圧を測定する方法を説明する図The figure explaining the method of measuring the threshold voltage of a memory transistor 本発明の第5実施形態であるソース線分割型12トランジスタ構成のメモリセルの構成を示す図The figure which shows the structure of the memory cell of the source line division | segmentation type 12 transistor structure which is 5th Embodiment of this invention. 前記メモリセルの未書込であっても"1"に確定させるデータ確定手順を説明する図FIG. 6 is a diagram for explaining a data confirmation procedure for confirming to “1” even when the memory cell is not yet written. 上記メモリセルを用いたRFIDチップの構成図Configuration diagram of an RFID chip using the memory cell 上記メモリセルを用いたシステムLSIチップの概略平面図Schematic plan view of a system LSI chip using the memory cell

符号の説明Explanation of symbols

MP1,MP2 負荷トランジスタ
MP3,MP4 プリチャージ用トランジスタ
MCN1,MCN2 記憶トランジスタ
MN1,MN2 トランスファゲート(ゲートトランジスタ)
108 絶縁膜サイドスペーサ
MP1, MP2 Load transistor MP3, MP4 Precharging transistor MCN1, MCN2 Memory transistor MN1, MN2 Transfer gate (gate transistor)
108 Insulating film side spacer

Claims (25)

2つのインバータをクロス接続して構成されたフリップフロップと、このフリップフロップの両側のノードにそれぞれ接続された2つのゲートトランジスタと、を有する不揮発性半導体記憶装置であって、
前記インバータは、直列に接続された負荷トランジスタおよび記憶トランジスタを含み、
前記記憶トランジスタは、ゲート近傍への電子注入によりしきい値電圧制御可能な記憶トランジスタで構成され、
前記2つのゲートトランジスタには、動作電源電圧と接地電圧との間に制御されるそれぞれ個別のビット線が接続され、
前記2つのゲートトランジスタのゲート電極には、動作電源電圧と接地電圧との間に制御されるワード線が共通に接続され、
さらに、前記記憶トランジスタのソースおよび負荷トランジスタのソースには、書込時または消去時に高電圧を供給する高電圧供給線が接続されている
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A nonvolatile semiconductor memory device having a flip-flop configured by cross-connecting two inverters and two gate transistors respectively connected to nodes on both sides of the flip-flop,
The inverter includes a load transistor and a storage transistor connected in series,
The storage transistor is configured by a storage transistor capable of controlling a threshold voltage by electron injection near the gate,
Each of the two gate transistors is connected to an individual bit line controlled between an operating power supply voltage and a ground voltage,
A word line controlled between an operating power supply voltage and a ground voltage is commonly connected to the gate electrodes of the two gate transistors,
Further, a high-voltage supply line for supplying a high voltage at the time of writing or erasing is connected to the source of the storage transistor and the source of the load transistor.
前記記憶トランジスタは、ゲート電極の側部に形成された絶縁膜サイドスペーサと、ドレインの周縁部分に形成された低不純物濃度領域と、を有し、
書込時には、前記記憶トランジスタのソースに高電圧を印加するとともに、前記負荷トランジスタのソースを経由して記憶トランジスタのゲートに高電圧を印加することにより、前記絶縁膜サイドスペーサにチャネルホットエレクトロンを注入して情報の書き込みを行い、
消去時には、前記記憶トランジスタのソースに高電圧を印加することにより、前記絶縁膜サイドスペーサにアバランシェホットホールを注入して情報の消去を行う
請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The memory transistor includes an insulating film side spacer formed on a side portion of the gate electrode, and a low impurity concentration region formed on a peripheral portion of the drain,
At the time of writing, a high voltage is applied to the source of the storage transistor and a high voltage is applied to the gate of the storage transistor via the source of the load transistor, thereby injecting channel hot electrons into the insulating film side spacer. Write information,
2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein at the time of erasing, information is erased by applying an avalanche hot hole to the insulating film side spacer by applying a high voltage to the source of the memory transistor.
前記インバータは、前記負荷トランジスタと並列にプリチャージ用トランジスタを有し、
このプリチャージ用トランジスタは、プリチャージ制御電圧により前記負荷トランジスタから独立してオン/オフ制御される請求項1または請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
The inverter has a precharging transistor in parallel with the load transistor,
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the precharge transistor is on / off controlled independently of the load transistor by a precharge control voltage. 4.
前記負荷トランジスタのソースに高電圧を供給する高電圧供給線を、前記2つのインバータに対して別々に設けた請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein a high voltage supply line for supplying a high voltage to a source of the load transistor is separately provided for the two inverters. 前記記憶トランジスタのソースに高電圧を供給する高電圧供給線を、前記2つのインバータに対して別々に設けた請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein a high voltage supply line for supplying a high voltage to a source of the storage transistor is separately provided for the two inverters. 前記直列に接続された前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタの間にさらに接続され、前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタとを電気的に接続(オン)または遮断(オフ)するスイッチ手段を設けた請求項4に記載の不揮発性半導体記憶装置   5. The switch means further connected between the load transistor and the storage transistor connected in series and electrically connecting (turning on) or shutting off (off) the load transistor and the storage transistor. Nonvolatile semiconductor memory device according to 前記直列に接続された前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタの間にさらに接続され、前記負荷トランジスタと前記記憶トランジスタとを電気的に接続(オン)または遮断(オフ)するスイッチ手段を設けた請求項5に記載の不揮発性半導体記憶装置   6. A switch means further connected between the load transistor and the storage transistor connected in series and electrically connecting (turning on) or blocking (off) the load transistor and the storage transistor is provided. Nonvolatile semiconductor memory device according to 前記2つのインバータの各負荷トランジスタの導通抵抗を、アンバランスにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。   8. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein conduction resistances of load transistors of the two inverters are unbalanced. 前記2つのインバータの電源電圧線または接地に対する静電容量を、アンバランスにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。   8. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein capacitances of the two inverters with respect to a power supply voltage line or a ground are unbalanced. 9. 前記2つのインバータの記憶トランジスタの導通抵抗を、アンバランスにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。   8. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the conduction resistances of the memory transistors of the two inverters are unbalanced. 9. 請求項3乃至請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つの記憶トランジスタのソース電圧を上昇させこれらの記憶トランジスタをオフするステップ、
前記プリチャージ用トランジスタを介して、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、
前記2つの記憶トランジスのソース電圧を同期して下降させてゆくステップ、
を有する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3,
Increasing the source voltage of the two storage transistors to turn off the storage transistors;
Applying the same precharge voltage to the two memory transistors via the precharge transistor;
Dropping the source voltages of the two storage transistors synchronously;
A method for determining the state of a non-volatile semiconductor memory device.
請求項3乃至請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記プリチャージ用トランジスタをオンして、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、
前記プリチャージ用トランジスタをオフして、前記プリチャージ電圧の印加を停止するステップ、
を有する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3,
Turning on the precharge transistor and applying the same precharge voltage to the two storage transistors;
Turning off the precharge transistor to stop application of the precharge voltage;
A method for determining the state of a non-volatile semiconductor memory device.
請求項6または請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記スイッチ手段がオフしている状態で、前記プリチャージ用トランジスタをオンして、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、
前記スイッチ手段をオンするステップ、
前記プリチャージ用トランジスタをオフして、前記プリチャージ電圧の印加を停止するステップ、
を有する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 6 or 7,
A step of turning on the precharging transistor and applying the same precharge voltage to the two storage transistors in a state in which the switch means is off;
Turning on the switch means;
Turning off the precharge transistor to stop application of the precharge voltage;
A method for determining the state of a non-volatile semiconductor memory device.
請求項1乃至請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つの負荷トランジスタのソース電圧が低い状態で、前記ゲートトランジスタをオンして、前記ビット線から前記2つの記憶トランジスタにプリチャージ電圧を印加するステップ、
前記ゲートトランジスタをオフして、前記ビット線からのプリチャージ電圧を遮断するステップ、
前記負荷トランジスタのソース電圧を上昇させるステップ、
を有する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
Turning on the gate transistor and applying a precharge voltage from the bit line to the two storage transistors while the source voltage of the two load transistors is low;
Turning off the gate transistor to block a precharge voltage from the bit line;
Increasing the source voltage of the load transistor;
A method for determining the state of a non-volatile semiconductor memory device.
請求項3乃至請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、前記2つのインバータの前記プリチャージ用トランジスタのうち、一方のみをオンすることにより、前記フリップフロップの状態を強制的に決定する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。   8. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 3, wherein only one of the precharge transistors of the two inverters is turned on to force the state of the flip-flop. A method for determining a state of a nonvolatile semiconductor memory device. 請求項4または請求項6に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つの記憶トランジスタのソース電位を上昇させ前記2つの記憶トランジスタをオフするステップ、
前記プリチャージ用トランジスタを介して、前記2つの記憶トランジスタにそれぞれ異なる電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、
前記2つの記憶トランジスタのソース電位を同期して下降させてゆくステップ、
を有する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4 or 6,
Increasing the source potential of the two storage transistors to turn off the two storage transistors;
Applying different precharge voltages to the two memory transistors via the precharge transistor,
Lowering the source potential of the two storage transistors synchronously;
A method for determining the state of a non-volatile semiconductor memory device.
請求項5または請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つの記憶トランジスタのソース電位を上昇させ前記2つの記憶トランジスタをオフするステップ、
前記プリチャージ用トランジスタを介して、前記2つの記憶トランジスタに同じ電圧のプリチャージ電圧を印加するステップ、
前記2つの記憶トランジスタのソース電位を電位差を持たせて下降させてゆくステップ、
を有する不揮発性半導体記憶装置の状態決定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5 or 7,
Increasing the source potential of the two storage transistors to turn off the two storage transistors;
Applying the same precharge voltage to the two memory transistors via the precharge transistor;
Lowering the source potential of the two storage transistors with a potential difference;
A method for determining the state of a non-volatile semiconductor memory device.
請求項3乃至請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つのプリチャージ用トランジスタの一方をオン、他方をオフすることにより、前記記憶トランジスタの一方に測定用電圧を供給することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の状態測定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 3,
A method for measuring a state of a nonvolatile semiconductor memory device, wherein a measurement voltage is supplied to one of the memory transistors by turning on one of the two precharge transistors and turning off the other.
請求項5または請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つのプリチャージ用トランジスタの一方をオン、他方をオフすることにより、前記記憶トランジスタの一方に測定用電圧を供給し、
さらに、他方の記憶トランジスタのソースに測定用電圧を供給することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の状態測定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 5 or 7,
By turning on one of the two precharge transistors and turning off the other, supply a measurement voltage to one of the memory transistors,
Furthermore, a measuring voltage is supplied to the source of the other memory transistor, and a state measuring method for a nonvolatile semiconductor memory device.
請求項6または請求項7に記載の不揮発性半導体記憶装置を用い、
前記2つのプリチャージ用トランジスタの一方をオン、他方をオフすることにより、前記記憶トランジスタの一方に測定用電圧を供給し、
さらに、前記スイッチ手段をオフすることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の状態測定方法。
Using the nonvolatile semiconductor memory device according to claim 6 or 7,
By turning on one of the two precharge transistors and turning off the other, supply a measurement voltage to one of the memory transistors,
Furthermore, the state measuring method of the nonvolatile semiconductor memory device characterized by turning off the switch means.
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置と、被救済回路と、
該被救済回路を代替する救済回路とを含み、
前記不揮発性記憶装置を、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た半導体集積回路装置。
A nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 8, a circuit to be repaired,
A repair circuit that replaces the circuit to be repaired,
A semiconductor integrated circuit device in which the nonvolatile memory device is a relief information memory circuit for specifying a to-be-relieved circuit to be replaced by the relief circuit.
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置と、アナログ回路と、その回路定数を調整する定数トリミング回路とを含み、
前記不揮発性記憶装置を、前記定数トリミング回路の前記回路定数を特定するための情報の記憶回路とした半導体集積回路装置。
A nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 8, an analog circuit, and a constant trimming circuit for adjusting a circuit constant thereof,
A semiconductor integrated circuit device, wherein the nonvolatile memory device is an information memory circuit for specifying the circuit constant of the constant trimming circuit.
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置と、発振回路と、その発振周波数を調整する周波数トリミング回路とを含み、
前記不揮発性記憶装置を、前記周波数トリミング回路の前記発振周波数を特定するための情報の記憶回路とした半導体集積回路装置。
A nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 8, an oscillation circuit, and a frequency trimming circuit for adjusting the oscillation frequency,
A semiconductor integrated circuit device, wherein the nonvolatile storage device is an information storage circuit for specifying the oscillation frequency of the frequency trimming circuit.
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置と、参照電圧発生回路と、その発生した参照電圧を調整する電圧トリミング回路とを含み、
前記不揮発性記憶装置を、前記電圧トリミング回路の前記参照電圧を特定するための情報の記憶回路とした半導体集積回路装置。
A nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 8, a reference voltage generation circuit, and a voltage trimming circuit that adjusts the generated reference voltage.
A semiconductor integrated circuit device, wherein the nonvolatile memory device is an information memory circuit for specifying the reference voltage of the voltage trimming circuit.
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置と、チップを特定するためのセキュリティ回路を含み、
前記不揮発性記憶装置を、前記セキュリティ回路のチップを特定するための情報の記憶回路とした半導体集積回路装置。
A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1 and a security circuit for specifying a chip,
A semiconductor integrated circuit device, wherein the nonvolatile storage device is an information storage circuit for specifying a chip of the security circuit.
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