JP2009088090A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置技術に関し、特に、不揮発性メモリを有する半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device technology, and more particularly to a technology effective when applied to a semiconductor device having a nonvolatile memory.
表示用装置として広く実用化されている液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)などは、更なる高精細化、長寿命化などに向けて開発が進められている。LCDの動作制御には、LCD駆動用集積回路(ドライバIC:Integrated Circuit、又は、単にドライバ)と称される半導体装置が用いられる。 Liquid crystal displays (LCDs) and the like that are widely put into practical use as display devices are being developed for higher definition and longer life. For the operation control of the LCD, a semiconductor device called an LCD driving integrated circuit (driver IC: Integrated Circuit or simply a driver) is used.
LCDドライバには、所望の画像、動画などを高画質で表示するために、画素への電位差を高精度に制御するような、直線性の高い諧調特性が要求される。一方、量産過程を経て生産されたLCDドライバにおいては、構成するトランジスタの特性にばらつきが生じるため、諧調特性も均質ではなくなる。上記のように高精度の諧調特性が要求されるようなLCDドライバにおいては、このようなトランジスタのばらつきは、特に顕著な問題となる。 In order to display a desired image, moving image, etc. with high image quality, the LCD driver is required to have gradation characteristics with high linearity so as to control the potential difference to the pixel with high accuracy. On the other hand, in an LCD driver produced through a mass production process, the characteristics of the transistors constituting it vary, so that the gradation characteristics are not uniform. In an LCD driver that requires high-precision gradation characteristics as described above, such transistor variations become a particularly significant problem.
これに対し、本発明者らが検討したLCDドライバでは、製造後にトリミングと称される諧調特性の調整が施され、最適な状態で出荷される。これには、トリマーと称される外付けの可変抵抗などで、諧調のずれている箇所を適正化するのが一般的であった。一方、本発明者らの検討によれば、近年のLCDの需要動向として、移動通信端末などへの搭載が急速に増加していることなどから、LCDドライバ自体の小型チップ化、低コスト生産化の要求などがなされている。従って、本発明者らは、上記のトリミング機能を、LCDドライバの半導体チップ内に予め備え、製造段階で諧調特性を調整し、出荷する技術を検討した。 On the other hand, the LCD driver studied by the present inventors is adjusted in tone characteristics called trimming after manufacture and shipped in an optimal state. For this purpose, it is common to optimize the location where the gradation is shifted by an external variable resistor called a trimmer. On the other hand, according to the study by the present inventors, the recent trend in demand for LCDs is the rapid increase in mounting on mobile communication terminals, etc. Requests are made. Accordingly, the present inventors have studied a technique for providing the above trimming function in the semiconductor chip of the LCD driver in advance, adjusting the gradation characteristics at the manufacturing stage, and shipping.
このとき、諧調特性の調整に関する情報を記憶し、出荷後の電源印加の無い状態でもその情報を保持し続けるような、比較的小容量で信頼性の高い不揮発性メモリ(または、電気ヒューズともいう)が必要となる。 At this time, information related to adjustment of gradation characteristics is stored, and a relatively small capacity and highly reliable non-volatile memory (also referred to as an electric fuse) that keeps the information even when no power is applied after shipment. )Is required.
本発明者らによる上記の検討から、LCDドライバの諧調特性を調節する不揮発性メモリは、LCDドライバと同時に同一の半導体チップ上に形成され、なるべく容易な製造工程で形成されるのが望ましい。例えば、特開2007−110073号公報(特許文献1)には、MIS構造において、チャネル反転領域からのFN(Fowler-Nordheim)トンネリング現象により絶縁膜を透過してくるキャリアをゲート電極に蓄積することで情報を保持する不揮発性メモリのうち、単層の電荷蓄積層を有する半導体装置が開示されている。 From the above examination by the present inventors, it is desirable that the nonvolatile memory for adjusting the gradation characteristics of the LCD driver is formed on the same semiconductor chip at the same time as the LCD driver, and is formed by an easy manufacturing process. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-110073 (Patent Document 1), in a MIS structure, carriers that pass through an insulating film due to a FN (Fowler-Nordheim) tunneling phenomenon from a channel inversion region are accumulated in a gate electrode. Among the non-volatile memories that hold information, a semiconductor device having a single charge storage layer is disclosed.
一般的な不揮発性メモリに比べ、単層の電荷蓄積層により構成される不揮発性メモリは、その製造工程が比較的容易であり、LCDドライバを形成する工程をそのまま利用して製造することができる。製造工程が容易であることは、半導体装置の製造歩留まりの向上や、製品の信頼性の向上に対して有効である。
しかしながら、LCDドライバと同一の半導体チップに、上記のような単層の電荷蓄積層を有する不揮発性メモリを備える半導体装置を本発明者らが検討したところ、以下に示すような課題が見出された。 However, when the present inventors examined a semiconductor device provided with a nonvolatile memory having a single charge storage layer as described above on the same semiconductor chip as the LCD driver, the following problems were found. It was.
一般的に、電荷を蓄積することで情報を保持するタイプの不揮発性メモリは、電荷を蓄積する容量部と、書き込み、読み出し、消去動作を行うMIS(Metal Insulator Semiconductor)構造、またはMIS構造を備える電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)(以下、単にMISトランジスタ)とを有する。通常、上記の書き込み、読み出し、消去動作を行うMISトランジスタは同一のトランジスタである。 In general, a nonvolatile memory of a type that retains information by accumulating charges includes a capacitor unit that accumulates charges and a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure that performs write, read, and erase operations, or an MIS structure. A field effect transistor (FET) (hereinafter simply referred to as MIS transistor). Normally, the MIS transistors that perform the above-described write, read, and erase operations are the same transistor.
ここで、上記の単層の電荷蓄積層を有する不揮発性メモリにおいて、書き込み、読み出し、消去動作を同一のMIS構造に担わせたタイプの不揮発性メモリを本発明者らが検討したところ、以下の課題が見出された。 Here, in the nonvolatile memory having the single charge storage layer described above, the present inventors have examined a nonvolatile memory of a type in which writing, reading, and erasing operations are performed in the same MIS structure. A challenge has been found.
即ち、書き込み動作時において、電圧を印加するタイミングによって、誤動作、書き込み不良、または、素子破壊などが起きることが明らかとなった。結果として、不揮発性メモリとしての半導体装置の信頼性を低下させる原因となっていることが分かった。本発明者らの更なる検討によれば、これらは、通常のトランジスタとしての動作を行う読み出し動作用のMISトランジスタと、キャリアの授受を行う書き込み/消去用MIS構造のように、要求される動作特性の異なるMIS構造を同一のMISトランジスタで共用し、同一のウェル内に形成されていることが原因であることが分かった。 That is, it has been clarified that a malfunction, a writing failure, or an element breakdown occurs depending on the timing of applying a voltage during a writing operation. As a result, it has been found that this causes a decrease in the reliability of the semiconductor device as the nonvolatile memory. According to further studies by the present inventors, these are required operations such as a MIS transistor for read operation that operates as a normal transistor and a MIS structure for write / erase that transfers carriers. It has been found that the cause is that MIS structures having different characteristics are shared by the same MIS transistor and formed in the same well.
そこで、本発明者らの更なる検討では、上記の2種類のMIS構造を分け、異なるウェルに形成することを着想した。即ち、不揮発性メモリ1セル内に、容量部を形成するウェル、書き込み/消去用MIS構造を形成するウェル、および、読み出し用MISトランジスタを形成するウェルの3つのウェルを備えた、単層の電荷蓄積層を有するタイプの不揮発性メモリを導入することで、上記課題の解決を試み、信頼性の低下を招く特性上の課題は回避することができた。 Therefore, in the further study by the present inventors, the idea was to divide the above two types of MIS structures and form them in different wells. That is, a single-layer charge comprising three wells in one cell of the nonvolatile memory, that is, a well for forming a capacitor portion, a well for forming a write / erase MIS structure, and a well for forming a read MIS transistor. By introducing a non-volatile memory of a type having a storage layer, it was possible to solve the above-mentioned problems and avoid characteristics problems that caused a decrease in reliability.
しかし、上記のようにLCDの更なる高詳細化の要求に、近年のLCDの携帯移動通信端末などへの搭載の需要などが相俟って、LCDドライバには更なる小型化、高集積化が要求されるようになっており、上記のような1セル3ウェルタイプの不揮発性メモリでは、所望の容量を所望の占有面積の中に収めるのが困難であることが分かった。特に、本発明者らが検討した構造の不揮発性メモリでは、例えば2kbitの集積度の実現が困難であることが明らかになった。 However, as described above, the demand for further refinement of LCDs combined with the recent demand for mounting LCDs in portable mobile communication terminals, etc., further miniaturization and higher integration of LCD drivers. Therefore, it has been found that it is difficult to fit a desired capacity within a desired occupied area in the 1-cell 3-well type nonvolatile memory as described above. In particular, it has become clear that it is difficult to realize a degree of integration of, for example, 2 kbit in the nonvolatile memory having the structure studied by the present inventors.
そこで、本発明の目的は、同一チップ内に不揮発性メモリを備える半導体装置において、集積度を向上させる技術を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a technique for improving the degree of integration in a semiconductor device including a nonvolatile memory in the same chip.
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本発明書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present invention and the accompanying drawings.
本願においては、複数の発明が開示されるが、そのうち一実施例を例に概要を簡単に説明すれば下記のとおりである。 In the present application, a plurality of inventions are disclosed. Of these, an outline will be briefly described as an example as follows.
即ち、共通の浮遊電極を備えるデータ書き込み/消去用素子と、読み出し用電界効果トランジスタと、容量素子とを有する不揮発性メモリセルにおいて、上記データ書き込み/消去用素子と読み出し用電界効果トランジスタとは、半導体基板の主面上に配置された同一の第1導電型の第2半導体領域内において、電気的に接続されるようにして形成され、上記容量素子は、第2半導体領域と分離された状態で、かつ、第2半導体領域に沿うようにして配置された第1導電型の第3半導体領域内に形成されていることを特徴とする。 That is, in a nonvolatile memory cell having a data write / erase element having a common floating electrode, a read field effect transistor, and a capacitor, the data write / erase element and the read field effect transistor are: In the second semiconductor region of the same first conductivity type disposed on the main surface of the semiconductor substrate, the capacitor element is formed so as to be electrically connected, and the capacitor element is separated from the second semiconductor region And it is formed in the 3rd semiconductor region of the 1st conductivity type arranged so that the 2nd semiconductor region may be met.
本願において開示される複数の発明のうち上記一実施例により得られる効果を代表して簡単に説明すれば下記のとおりである。 Of the plurality of inventions disclosed in the present application, effects obtained by the above-described embodiment will be briefly described as follows.
即ち、同一チップ内に不揮発性メモリを備える半導体装置において、集積度を向上させることができる。 In other words, the degree of integration can be improved in a semiconductor device including a nonvolatile memory in the same chip.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付すようにし、その繰り返しの説明は可能な限り省略するようにしている。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges. Also, components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof is omitted as much as possible. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
まず、本発明者らが検討した半導体装置が有する不揮発性メモリセルの構成、および、その特性に見出された課題について説明する。
(Embodiment 1)
First, the configuration of the nonvolatile memory cell included in the semiconductor device studied by the present inventors and the problems found in the characteristics thereof will be described.
図1は、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaの平面図を示したものである。図1には、不揮発性メモリセルNVMaの構成を分かりやすくするために、半導体領域にハッチングを付し、その他の例えば絶縁膜などは省略して示している。また、図2は図1のx1−x1線の断面図を示したものである。 FIG. 1 is a plan view of a nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors. In FIG. 1, for easy understanding of the configuration of the nonvolatile memory cell NVMa, the semiconductor region is hatched, and other insulating films, for example, are omitted. FIG. 2 is a sectional view taken along line x1-x1 in FIG.
半導体チップを構成する半導体基板1は、例えばp型(第2導電型)のシリコン単結晶により形成されている。半導体基板1の主面S1には分離部2が形成されている。半導体基板1には、その主面S1から所望の深さに渡って、n型(第1導電型)の半導体領域である、埋め込みnウェルDNWxが形成されている。この埋め込みnウェルDNWxには、p型の半導体領域である、動作素子形成用pウェルPWx1およびキャパシタ形成用pウェルPWx2が、第1方向Xに延在するようにして形成されている。同様に、埋め込みnウェルDNWxには、n型の半導体領域である、分離用nウェルNWが形成されている。埋め込みnウェルDNWxの中で、動作素子形成用pウェルPWx1およびキャパシタ形成用pウェルPWx2は、分離用nウェルNWにより分離された状態で内包されている。
The
半導体基板1の主面S1には浮遊電極FGxが形成されている。浮遊電極FGxは、例えば多結晶シリコン(ポリシリコンともいう)などからなるものとする。
On the main surface S1 of the
浮遊電極FGxは、動作素子用浮遊ゲート電極GExMと、キャパシタ用浮遊ゲート電極GExCとを有する。また、浮遊電極FGxは他のいかなる部分にも電気的に接続されないように、所謂浮遊(フローティング)状態となるように配置されている。このようにフローティング状態にある浮遊電極FGxは、データを保持する役割を担う。 The floating electrode FGx includes an operating element floating gate electrode GExM and a capacitor floating gate electrode GExC. The floating electrode FGx is arranged so as to be in a so-called floating state so as not to be electrically connected to any other part. Thus, the floating electrode FGx in the floating state plays a role of holding data.
また、半導体基板1の主面S1には、動作素子形成用pウェルPWx1の一部に平面的に重なるように、かつ、浮遊電極FGxが有する動作素子用浮遊ゲート電極GExMに沿うようにして、選択素子用ゲート電極GExSが形成されている。
Further, the main surface S1 of the
動作素子形成用pウェルPWx1内には、動作用MIS型電界効果トランジスタQMx、および、選択用MIS型電界効果トランジスタQSxが形成されている。以下、MIS型電界効果トランジスタを単にトランジスタと記す。動作用トランジスタQMxは、不揮発性メモリセルNVMaにおけるデータの書き込み、読み出し、消去等の動作を担う素子である。また、選択用トランジスタQSxは、半導体チップの中で配列されている多数の不揮発性メモリセルNVMaの中から、周囲のセルに干渉せずに上記の動作を施すために所望の不揮発性メモリセルNVMaを選択する役割を担う。詳しい動作に関しては、後に詳細に説明する。 An operating MIS field effect transistor QMx and a selection MIS field effect transistor QSx are formed in the operating element forming p well PWx1. Hereinafter, the MIS field effect transistor is simply referred to as a transistor. The operation transistor QMx is an element responsible for operations such as data writing, reading, and erasing in the nonvolatile memory cell NVMa. Further, the selection transistor QSx is a desired nonvolatile memory cell NVMa for performing the above-described operation without interfering with surrounding cells from among a large number of nonvolatile memory cells NVMa arranged in the semiconductor chip. Play a role to select. Detailed operations will be described later in detail.
動作用トランジスタQMxは下記の構成を有する。まず、上記の動作素子用浮遊ゲート電極GExMを有する。また、動作素子用浮遊ゲート電極GExMおよび半導体基板1の間に形成された動作素子用ゲート絶縁膜GIxMを有する。また、動作素子用浮遊ゲート電極GExMの側方下部に位置し、動作素子形成用pウェルPWx1に内包されるようにして半導体基板1の主面S1に形成された、n型の半導体領域である、1対のソース/ドレイン領域SDxを有する。この1対のソース/ドレイン領域SDxにおいて、ここでは特に、動作素子用浮遊ゲート電極GExMの側方下部のうち、選択素子用ゲート電極GExSが存在する側に形成されている方を、共有ソース/ドレイン領域SDCxとし、もう一方を動作素子用ソース/ドレイン領域SDMxと記述する。
The operation transistor QMx has the following configuration. First, the floating gate electrode GExM for the operation element is provided. In addition, it has a floating gate electrode GExM for operating elements and a gate insulating film GIxM for operating elements formed between the
なお、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて、各ソース/ドレイン領域SDx,SDSx、または、キャパシタ用ウェル給電領域VSCx、および、n型の半導体領域であるキャパシタ用ソース領域SCxとは、低い不純物濃度で接合深さの浅い半導体領域と、高い不純物濃度で接合深さの深い半導体領域とを含む。例えば、上述の1対のソース/ドレイン領域SDxの場合、接合深さの浅い半導体領域はn−半導体領域であり、接合深さの深い半導体領域はn+半導体領域である。 In the nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors, the source / drain regions SDx and SDSx or the capacitor well power supply region VSCx and the capacitor source region SCx which is an n-type semiconductor region A semiconductor region having a low impurity concentration and a shallow junction depth, and a semiconductor region having a high impurity concentration and a deep junction depth. For example, in the case of the pair of source / drain regions SDx described above, the semiconductor region with a shallow junction depth is an n − semiconductor region, and the semiconductor region with a deep junction depth is an n + semiconductor region.
選択用トランジスタQSxは下記の構成を有する。まず、上記の選択素子用ゲート電極GExSは選択トランジスタQSxを構成するものである。また、選択素子用ゲート電極GExSおよび半導体基板1の間に形成された選択素子用ゲート絶縁膜GIxSを有する。また、上記の共有ソース/ドレイン領域SDCxは、上記の動作素子用浮遊ゲート電極GExMの側方下部から、選択素子用ゲート電極GExSの側方下部まで延在し、選択用トランジスタQSxを構成する要素にもなっている。即ち、当該共有ソース/ドレイン領域SDCxを、動作用トランジスタQMxと選択用トランジスタQSxとの間で共有することで、これらは電気的に直列に接続された状態となっている。また、選択素子用ゲート電極GExSの側方下部に位置し、上記の共有ソース/ドレイン領域SDCxが形成されていない側の半導体基板1の主面S1に形成された、n型の半導体領域である選択素子用ソース/ドレイン領域SDSxを有する。
The selection transistor QSx has the following configuration. First, the selection element gate electrode GExS constitutes a selection transistor QSx. In addition, a selection element gate insulating film GIxS formed between the selection element gate electrode GExS and the
また、各ゲート電極GExM,GExSの側壁にはサイドウォールスペーサ3が形成されている。また、各ソース/ドレイン領域SDCx,SDMx,SDSxの表面、および、選択素子用ゲート電極GExSの表面には、シリサイド層4が形成されている。また、動作素子形成用pウェルPWx1における半導体基板1の主面S1の一部には、p型の半導体領域である動作素子用ウェル給電領域VSMxが、他の構成と分離部2を隔てて形成されている。
Further,
また、キャパシタ形成用pウェルPWx2内には、MISキャパシタCxが形成されている。MISキャパシタCxは、不揮発性メモリセルNVMaにおいて上記の動作用トランジスタQMxなどへの電圧供給効率を向上させる役割を担う素子である。 A MIS capacitor Cx is formed in the capacitor forming p-well PWx2. The MIS capacitor Cx is an element that plays a role of improving the voltage supply efficiency to the operation transistor QMx and the like in the nonvolatile memory cell NVMa.
MISキャパシタCxは以下の構成を有する。まず、上記のキャパシタ用浮遊ゲート電極GExCを有する。また、キャパシタ用浮遊ゲート電極GExCおよび半導体基板1の間に形成されたキャパシタ用ゲート絶縁膜GIxCを有する。また、キャパシタ形成用pウェルPWx2内において、平面的に見て、キャパシタ用浮遊ゲート電極GExCを挟み込む領域に位置する半導体基板1の主面S1に形成された、p型の半導体領域であるキャパシタ用ウェル給電領域VSCx、および、n型の半導体領域であるキャパシタ用ソース領域SCxを有する。
The MIS capacitor Cx has the following configuration. First, the capacitor floating gate electrode GExC is provided. Further, the capacitor gate insulating film GIxC formed between the capacitor floating gate electrode GExC and the
また、キャパシタ用浮遊ゲート電極GExCの側壁にはサイドウォールスペーサ3が形成されている。キャパシタ用ウェル給電領域VSCx、および、キャパシタ用ソース領域SCxの表面には、シリサイド層4が形成されている。
A
更に、半導体基板1の主面S1上には、層間絶縁膜5が形成されている。層間絶縁膜5は、絶縁膜5aと、その上に形成された絶縁膜5bとを有している。層間絶縁膜5には、コンタクトホールCHが形成され、その中を埋め込む導体部6によって、不揮発性メモリセルNVMaを構成する所望の領域に対して、シリサイド層4を介して電気的に接続される各コンタクトプラグCPx1〜CPx6を構成している。その中で、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいては、複数個所に存在する上記の容量ウェル給電用コンタクトプラグCPx4、および、キャパシタ用コンタクトプラグCPx5は、上層において全て互いに接続されており、同時に給電されるものとする。
Further, an
キャパシタ用浮遊ゲート電極GExC、および、動作素子用浮遊ゲート電極GExMの上面には保護絶縁膜PIが形成されており、その部分にシリサイド層4が形成されないようにしている。即ち、不揮発性メモリセルNVMaの選択素子用ゲート電極GExS上にはシリサイド層4が形成されており、不揮発性メモリセルNVMaの各浮遊ゲート電極GExC,GExM上にはシリサイド層4が形成されないように構成されている。なお、保護絶縁膜PIは、例えば、酸化シリコン膜などによって形成されている。
A protective insulating film PI is formed on the upper surfaces of the capacitor floating gate electrode GExC and the operating element floating gate electrode GExM, so that the
このような保護絶縁膜PIを形成する理由を以下に述べる。浮遊電極FGxは自己性合成のコンタクトを形成するための窒化シリコン膜(絶縁膜5a)で覆われている。この絶縁膜5aは、プロセスの低温化のため、例えばプラズマを用いた化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法などで形成される。窒化シリコン膜は導電性を持たないが、膜生成時のガス流量比や、プラズマの立ち上がり具合によっては、僅かに導電性を有することがある。そのような場合、浮遊電極FGxに蓄えられた電荷はこの窒化シリコン膜を伝わって基板に流出する可能性がある。このため、メモリのデータ保持ができないという不具合を起こし得ることが、本発明者らの検討により明らかになっている。このような問題を解決すべく、浮遊電極FGxと窒化シリコン膜(絶縁膜5a)との間に、酸化シリコン膜からなる保護絶縁膜PIを挟む構造としており、浮遊電極FGxから窒化シリコン膜への電荷の移動を防止している。
The reason for forming such a protective insulating film PI will be described below. The floating electrode FGx is covered with a silicon nitride film (insulating
また、この保護絶縁膜PIは各浮遊ゲート電極GExM,GExCのサイドウォールスペーサ3の端部から、ゲート長方向に延在するように形成されている。これにより、不揮発性メモリセルNVMaのシリサイド層4は保護絶縁膜PIに対して自己整合的に形成されることになる。
The protective insulating film PI is formed so as to extend in the gate length direction from the end of the
上記のようにして保護絶縁膜PIを形成している理由を、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaの動作用トランジスタQMxを例にして説明する。例えば、保護絶縁膜PIを形成せずに、シリサイド層4をサイドウォールスペーサ3に対して自己整合的に形成した場合、シリサイド層4の端部が、例えば一対のソース/ドレイン領域SDxのn+半導体領域と動作素子形成用pウェルPWx1との接合面に近付いてしまう。さらに、一対のソース/ドレイン領域SDxのn−半導体領域は接合深さが非常に浅い領域であるので、シリサイド層4がn−半導体領域を超えて動作素子形成用pウェルPWx1に達してしまう場合もある。即ち、保護絶縁膜PIが形成されていない場合には、n+半導体領域の上面に形成されたシリサイド層4の端部から、n−半導体領域の下の動作素子形成用pウェルPWx1に向かってリーク電流が流れやすい構成となってしまう。従って、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaでは、保護絶縁膜PIを形成し、シリサイド層4をn−半導体領域から話した構造としているので、リーク電流が流れにくい構造とすることができる。
The reason why the protective insulating film PI is formed as described above will be described by taking the operation transistor QMx of the nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors as an example. For example, when the
また、保護絶縁膜PIは、半導体基板1の他の領域に形成される抵抗素子等(図示しない)にも用いられている。保護絶縁膜PIによって、半導体基板1や、例えば多結晶シリコン膜上に、選択的にシリサイド層4を形成することができる。これにより、例えば抵抗素子などにおいて所望の抵抗値を得ることができる。
The protective insulating film PI is also used for a resistance element or the like (not shown) formed in another region of the
以上のように、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて、保護絶縁膜PIは上記の効果を同時に達成するものである。 As described above, in the nonvolatile memory cell NVMa studied by the present inventors, the protective insulating film PI achieves the above-described effect at the same time.
次に、本発明者らが検討した上記の構成の不揮発性メモリセルNVMaのメモリ動作に関して、図2、図3を用いて詳細に説明する。以下、動作ウェル給電用コンタクトプラグCPx1に印加される電圧を動作部ウェル電圧Vm、動作素子用コンタクトプラグCPx2に印加される電圧を動作部ソース電圧Vs、選択素子用コンタクトプラグCPx3に印加される電圧を読み出しドレイン電圧Vd、容量ウェル給電用コンタクトプラグCPx4およびキャパシタ用コンタクトプラグCPx5に印加される電圧をキャパシタ部印加電圧Vcと、それぞれ表す。 Next, the memory operation of the non-volatile memory cell NVMa having the above configuration studied by the present inventors will be described in detail with reference to FIGS. Hereinafter, the voltage applied to the operating well power supply contact plug CPx1 is the operating unit well voltage Vm, the voltage applied to the operating element contact plug CPx2 is the operating unit source voltage Vs, and the voltage applied to the selection element contact plug CPx3. The voltage applied to the read drain voltage Vd and the capacitor well power supply contact plug CPx4 and the capacitor contact plug CPx5 are represented as a capacitor portion applied voltage Vc, respectively.
まず、書き込み動作を説明する。キャパシタ部印加電圧Vcを+9Vとすることで、キャパシタ用ウェル給電領域VSCxを通じて、キャパシタ形成用pウェルPWx2に+9Vの電圧が印加される。このとき、MISキャパシタCxのもう一方の電極であるキャパシタ用浮遊ゲート電極GExCでは、キャパシタ用ゲート絶縁膜GIxCを介して−9Vに相当する電荷が蓄積される。 First, the write operation will be described. By setting the capacitor portion application voltage Vc to + 9V, a voltage of + 9V is applied to the capacitor forming p well PWx2 through the capacitor well power supply region VSCx. At this time, in the capacitor floating gate electrode GExC, which is the other electrode of the MIS capacitor Cx, a charge corresponding to −9 V is accumulated through the capacitor gate insulating film GIxC.
ここで、フローティング状態にあるキャパシタ用浮遊ゲート電極GExCには、浮遊電極FGxのうち、MISキャパシタCxを構成していない部分から、−9Vに相当する電荷が供給されることになる。即ち、浮遊電極FGx全体の電荷保存のために、動作素子用浮遊ゲート電極GExMは+9Vに帯電することになる。 Here, the charge corresponding to −9 V is supplied to the floating gate electrode GExC for the capacitor in the floating state from the portion of the floating electrode FGx that does not constitute the MIS capacitor Cx. That is, the operating element floating gate electrode GExM is charged to + 9V in order to preserve the charge of the entire floating electrode FGx.
これにより、動作用トランジスタQMxでは、動作素子用ゲート絶縁膜GIxMを介して、動作素子形成用pウェルPWx1に電界がかかる。そして、動作素子用ゲート絶縁膜GIxMとの界面に所謂反転領域が生じ、少数キャリアである電子が蓄積する。 Thereby, in the operation transistor QMx, an electric field is applied to the operation element formation p-well PWx1 via the operation element gate insulating film GIxM. Then, a so-called inversion region is generated at the interface with the gate insulating film for operating element GIxM, and electrons which are minority carriers accumulate.
更に、動作部ウェル電圧Vmは−9Vとされているから、動作素子形成用pウェルPWx1と、動作素子用浮遊ゲート電極GExMとの間には、動作素子用ゲート絶縁膜GIxMを介して18Vに相当する電圧が印加されていることになる。そして、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaでは、動作素子用ゲート絶縁膜GIxMを十分薄くしている。従って、この状態で、反転領域に生じた電子は18V相当の高電界を受け、動作素子用ゲート絶縁膜GIxMをFNトンネリングにより越えて、動作素子用浮遊ゲート電極GExMに注入される。 Furthermore, since the operating part well voltage Vm is set to −9V, the operating part forming p well PWx1 and the operating element floating gate electrode GExM are set to 18V via the operating element gate insulating film GIxM. A corresponding voltage is applied. In the nonvolatile memory cell NVMa studied by the present inventors, the gate insulating film GIxM for the operating element is made sufficiently thin. Therefore, in this state, the electrons generated in the inversion region receive a high electric field corresponding to 18 V, and are injected into the operating element floating gate electrode GExM through the FN tunneling through the operating element gate insulating film GIxM.
なお、−9Vが印加された動作部ソース電圧Vsからは、反転領域に潤滑に電子eが供給される。また、選択用トランジスタQSxをオン状態とし、読み出しドレイン電圧Vdに−9Vを印加すれば、こちらからも同様の電子の供給が可能となる。 Note that, from the operating part source voltage Vs to which −9 V is applied, electrons e are supplied to the inversion region for lubrication. Further, if the selection transistor QSx is turned on and −9 V is applied to the read drain voltage Vd, the same electron can be supplied from here.
以上のように、浮遊電極FGxには動作用トランジスタQMxの反転領域全面からのFNトンネリングにより電子が注入され、浮遊電極FGxは負に帯電する。そして、浮遊電極FGxはフローティング状態にあるので、その後、特定の電圧印加条件とならない限り、この蓄積電荷を保持し続ける。即ち、以上の動作により、不揮発性メモリセルNVMaセルにデータが書き込まれたことになる。 As described above, electrons are injected into the floating electrode FGx by FN tunneling from the entire inversion region of the operation transistor QMx, and the floating electrode FGx is negatively charged. Since the floating electrode FGx is in a floating state, the accumulated charge is continuously held unless a specific voltage application condition is satisfied. That is, data is written in the nonvolatile memory cell NVMa cell by the above operation.
次に、読み出し動作を説明する。まず、キャパシタ部印加電圧Vc=+3Vとした場合、上記と同様に、MISキャパシタCxを構成する一方の電極である、キャパシタ用浮遊ゲート電極GExCに−3Vの帯電が起こる。 Next, the reading operation will be described. First, when the capacitor unit applied voltage Vc is set to +3 V, similarly to the above, the capacitor floating gate electrode GExC, which is one electrode constituting the MIS capacitor Cx, is charged with −3 V.
このとき、浮遊電極FGxが上記の書き込み動作を受けておらず、帯電していない場合、動作素子用浮遊ゲート電極GExMは+3Vに帯電する。また、浮遊電極FGxが書き込みを経て負に帯電していた場合、電荷保存のために、動作素子用浮遊ゲート電極GExMの電位は+3Vよりも低くなる。即ち、動作用トランジスタQMxにしてみれば、書き込みの有無によって、オン状態となる閾値電圧が変化することになる。 At this time, if the floating electrode FGx has not undergone the above writing operation and is not charged, the operating element floating gate electrode GExM is charged to + 3V. Further, when the floating electrode FGx is negatively charged after writing, the potential of the operating element floating gate electrode GExM is lower than +3 V in order to preserve the charge. That is, in the case of the operation transistor QMx, the threshold voltage for turning on changes depending on the presence or absence of writing.
ここで、選択用トランジスタQSxをオン状態としておけば、読み出しドレイン電圧Vd(=+1V)と動作部ソース電圧Vs(=0V)との間の電位差により、ソース/ドレイン電流が流れることになる。このとき、動作用トランジスタQMxの閾値電圧の高低、即ち、データ書き込みの有無によって、ソース/ドレイン電流の大きさに変化が現れる。これにより、書き込みデータの有無を判断することができ、読み出し動作が可能となる。 Here, if the selection transistor QSx is turned on, a source / drain current flows due to a potential difference between the read drain voltage Vd (= + 1 V) and the operation unit source voltage Vs (= 0 V). At this time, the magnitude of the source / drain current varies depending on the threshold voltage of the operation transistor QMx, that is, the presence or absence of data writing. As a result, the presence or absence of write data can be determined, and a read operation can be performed.
次に、消去動作を説明する。ここでは、上記で説明した書き込み動作を実行する電圧印加条件の逆の条件とすることで、電子の挙動を全て逆にすることができる。即ち、書き込み動作により動作素子用浮遊ゲート電極GExMに蓄積された電子を、FNトンネリングにより、動作素子用ゲート絶縁膜GIxMを越えて、動作素子形成用pウェルPWx1に放出させることができる。これにより、消去動作が可能となる。 Next, the erase operation will be described. Here, all the behaviors of electrons can be reversed by setting the conditions opposite to the voltage application conditions for executing the write operation described above. That is, electrons accumulated in the operating element floating gate electrode GExM by the write operation can be emitted to the operating element formation p-well PWx1 through the FN tunneling over the operating element gate insulating film GIxM. Thereby, an erasing operation can be performed.
なお、上記の消去時における電子の供給源(ソース)は、導体部である動作素子用浮遊ゲート電極GExM側であるから、書き込み動作時のように動作素子形成用pウェルPWx1に反転領域を形成する必要は無く、動作部ソース電圧Vsおよび読み出しドレイン電圧Vdは、消去動作時には開放(オープン、又はopen)状態とすれば良い。 Since the electron supply source (source) at the time of erasing is on the side of the operating element floating gate electrode GExM which is a conductor portion, an inversion region is formed in the operating element forming p well PWx1 as in the writing operation. The operation unit source voltage Vs and the read drain voltage Vd may be in an open (open or open) state during the erase operation.
以上のようにして、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて、データの書き込み、読み出し、消去動作が可能となる。しかしながら、書き込み時における動作不良が、各領域への電圧印加のタイミングのずれによって引き起こされるという問題が、本発明者らの検討により見出された。以下にその詳細を説明する。 As described above, data can be written, read and erased in the nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors. However, the inventors have found a problem that an operation failure at the time of writing is caused by a shift in timing of voltage application to each region. Details will be described below.
本発明者らが見出した、書き込み動作時に起こる問題は、主に、n型の半導体領域である各ソース/ドレイン領域SDMx,SDCx,SDSxと、p型の半導体領域である動作素子形成用pウェルPWx1とで構成されるpn接合に起因する。本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaでは両者に対して電圧を印加するため、これらpn接合は寄生ダイオードを構成することになる。 The problems found during the write operation found by the present inventors are mainly source / drain regions SDMx, SDCx, SDSx that are n-type semiconductor regions, and p-wells for forming operating elements that are p-type semiconductor regions. This is due to the pn junction composed of PWx1. In the nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors, a voltage is applied to both, and these pn junctions constitute a parasitic diode.
ここで、書き込み動作時においては、動作素子用ソース/ドレイン領域SDMxおよび選択素子用ソース/ドレイン領域SDSxに印加される電圧である、それぞれ、動作部ソース電圧Vsおよび読み出しドレイン電圧Vdは同等である。また、選択用トランジスタQSxがオン状態であれば、共有ソース/ドレイン領域SDCxの電位もこれらと同等となる。よって以下では、同等である各ソース/ドレイン領域SDMx,SDCx,SDSxへの印加電圧を、動作部ソース電圧Vsとして一括して記述することにする。また、以下では、便宜上、pn接合の順方向電圧である、n型半導体(各ソース/ドレイン領域SDMx,SDCx,SDSx)側から見たp型半導体(動作素子形成用pウェルPWx1)側の電位を正電位とし、pn接合間電位差ΔVpnと記述する。即ち、pn接合間電位差ΔVpn=動作部ウェル電圧Vm−動作部ソース電圧Vsである。 Here, during the write operation, the operating unit source voltage Vs and the read drain voltage Vd, which are voltages applied to the operating element source / drain region SDMx and the selection element source / drain region SDSx, are equal, respectively. . Further, if the selection transistor QSx is in the on state, the potential of the shared source / drain region SDCx is equal to these. Therefore, hereinafter, the applied voltages to the equivalent source / drain regions SDMx, SDCx, and SDSx are collectively described as the operation unit source voltage Vs. In the following, for the sake of convenience, the potential on the p-type semiconductor (operation element forming p well PWx1) side viewed from the n-type semiconductor (each source / drain region SDMx, SDCx, SDSx) side, which is the forward voltage of the pn junction. Is a positive potential and is described as a pn junction potential difference ΔVpn. That is, pn junction potential difference ΔVpn = operating unit well voltage Vm−operating unit source voltage Vs.
上記において説明したように、書き込み動作時は、動作部ウェル電圧Vmおよび動作部ソース電圧Vsには、共に−9Vの電圧を印加する。従って、通常pn接合間電位差ΔVpn=0Vである。ただし、動作部ウェル電圧Vmと動作部ソース電圧Vsとでは、書き込み時には上記の通り同電圧を印加するとしても、他の動作時には異なる電圧が印加される。従って、これらには別の電圧源から給電することになり、この時の給電のタイミングのずれが、以下の問題をもたらすことが分かった。 As described above, during the write operation, a voltage of −9 V is applied to both the operation unit well voltage Vm and the operation unit source voltage Vs. Therefore, the potential difference between pn junctions is generally ΔVpn = 0V. However, the operating unit well voltage Vm and the operating unit source voltage Vs are applied with different voltages during other operations even if the same voltage is applied as described above during writing. Therefore, power is supplied to these from another voltage source, and it has been found that a shift in power supply timing at this time brings about the following problems.
図3は、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて書き込み動作を行うときの、動作部ウェル電圧Vmおよび動作部ソース電圧Vsの変化を時間timeで比較したタイミングチャート図である。 FIG. 3 is a timing chart for comparing changes in the operating unit well voltage Vm and the operating unit source voltage Vs by the time time when a write operation is performed in the nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors.
時間time=t1mにおいて、動作部ウェル電圧Vmが−9Vに降圧される。ここで、動作部ソース電圧Vsの降圧のタイミングが遅れ、時間time=t1sにおいて動作部ソース電圧Vsが−9Vに降圧されたとする。このとき、差分時間Δt1(=t1s−t1m)の間、動作素子形成用pウェルPWx1と、例えば動作素子用ソース/ドレイン領域SDMxとの間には、pn接合間電位差ΔVpn=−9Vの電位差が生じることになる。これは、当該pn接合に対しての逆方向電圧となる。 At time time = t 1 m, operation unit well voltage Vm is stepped down to -9 V. Here, it is assumed that the operation unit source voltage Vs is stepped down and the operation unit source voltage Vs is decreased to −9 V at time time = t 1 s . At this time, during the difference time Δt 1 (= t 1s −t 1m ), the potential difference ΔVpn between the pn junctions ΔVpn = −9 V between the operating element forming p well PWx1 and the operating element source / drain region SDMx, for example. This causes a potential difference of. This is a reverse voltage with respect to the pn junction.
本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて、当該pn接合の逆方向耐圧は−6V程度であり、上記のpn接合間電位差ΔVpn=−9Vでは、耐圧破壊を引き起こす。即ち、降伏電圧以上の逆方向電圧により、アバランシェ効果、ツェナー効果が顕著になり、大きな逆方向電流が急激に流れ出す。このように寄生的に発生する逆方向電流は、例えばラッチアップ現象を引き起こすなど、不揮発性メモリセルの性能を損ねる原因となる。 In the non-volatile memory cell NVMa examined by the present inventors, the reverse breakdown voltage of the pn junction is about −6V, and the breakdown voltage breakdown occurs when the potential difference ΔVpn = −9V between the pn junctions. That is, a reverse voltage higher than the breakdown voltage makes the avalanche effect and the Zener effect remarkable, and a large reverse current starts to flow rapidly. The reverse current generated parasitically in this manner causes a deterioration in the performance of the nonvolatile memory cell, for example, causing a latch-up phenomenon.
一方、上記と違う状況において、時間time=t2sにおいて、動作部ソース電圧Vsが−9Vに降圧される。ここで、動作部ウェル電圧Vmの降圧のタイミングが遅れ、時間time=t2mにおいて動作部ウェル電圧Vmが−9Vに降圧されたとする。このとき、差分時間Δt2(=t2m−t2s)の間、pn接合間電位差ΔVpn=+9Vの電位差が生じることになる。これは、当該pn接合に対して順方向電圧となる。従って、動作素子形成用pウェルPWx1から、例えば動作素子用ソース/ドレイン領域SDMxを通じて、例えば動作素子用コンタクトプラグCPx2には、当該pn接合の順方向電流が流れる。 On the other hand, in a situation different from the above, the operating unit source voltage Vs is stepped down to −9 V at time time = t 2s . Here, it is assumed that the timing of step-down of the operation unit well voltage Vm is delayed and the operation unit well voltage Vm is decreased to −9 V at time time = t 2 m . At this time, a potential difference of pn junction potential difference ΔVpn = + 9V is generated during the difference time Δt 2 (= t 2m −t 2s ). This is a forward voltage with respect to the pn junction. Therefore, the forward current of the pn junction flows from the operating element forming p well PWx1 to, for example, the operating element contact plug CPx2 through the operating element source / drain region SDMx.
本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて、例えば動作素子用コンタクトプラグCPx2の先には、+9V以下で動作する素子が多数接続されている。従って、上記のように寄生的に発生する順方向電流は、誤動作や、他の構成素子の破壊などを引き起こすなど、不揮発性メモリの信頼性を損ねる原因となる。 In the nonvolatile memory cell NVMa examined by the present inventors, for example, a large number of elements operating at +9 V or less are connected to the tip of the operation element contact plug CPx2. Therefore, the forward current generated parasitically as described above causes a malfunction, damage to other components, and the like, which deteriorates the reliability of the nonvolatile memory.
そこで、本発明者らの更なる検討として、動作部ソース電圧Vsと動作部ウェル電圧Vmとの間の降圧タイミングのずれが起こった場合でも、上記のような寄生的pn接合で発生する順方向または逆方向電流が悪影響を及ぼさないように、動作部ソース電圧Vsおよび読み出しドレイン電圧Vdを開放状態とする方法を試みた。 Therefore, as a further study by the present inventors, the forward direction generated at the parasitic pn junction as described above even when the step-down timing shift between the operation unit source voltage Vs and the operation unit well voltage Vm occurs. Alternatively, an attempt was made to open the operating unit source voltage Vs and the read drain voltage Vd so that the reverse current does not adversely affect.
これに関し、多数の素子を結線することで構成される集積回路において、特定の素子に導通する端子を物理的に完全に開放状態にすることは困難であり、実際には0V程度の固定電位となってしまう。この状態では、動作部ウェル電圧Vm=−9Vを受け、当該pn接合付近には空乏領域が広がる。そして、動作素子形成用pウェルPWx1の電界は上記の空乏領域に集中する。 In this regard, in an integrated circuit configured by connecting a large number of elements, it is difficult to physically and completely open a terminal connected to a specific element. turn into. In this state, the operating unit well voltage Vm = −9 V is received, and a depletion region spreads in the vicinity of the pn junction. The electric field of the operating element forming p well PWx1 is concentrated in the depletion region.
ここで、図2を用いて説明した書き込み動作では、動作素子用浮遊ゲート電極GExM(+9V)と動作素子形成用pウェルPWx1(−9V)との間の電位差(18V)によって、動作素子用ゲート絶縁膜GIxM直下の反転領域から浮遊電極FGxに、電子eをFNトンネリングさせるという方式であった。このとき、上記のように、動作素子形成用pウェルPWx1に供給される電圧による電界が、反転領域以外の場所に集中し、緩和されてしまうと、反転領域から見た動作素子用浮遊ゲート電極GExMへの電位差が18Vよりも大幅に低くなってしまう。即ち、上記の電界緩和が原因で、電子の正常なFNトンネリングが実現せず、書き込み不良を引き起こすという問題が、本発明者らの検討により明らかになった。結果として、不揮発性メモリセルNVMaの信頼性を損ねる原因となっている。 Here, in the write operation described with reference to FIG. 2, the operating element gate is generated by the potential difference (18 V) between the operating element floating gate electrode GExM (+9 V) and the operating element forming p well PWx1 (−9 V). This is a method in which electrons e are FN tunneled from the inversion region immediately below the insulating film GIxM to the floating electrode FGx. At this time, as described above, when the electric field generated by the voltage supplied to the p-well PWx1 for forming the operating element is concentrated and relaxed in a place other than the inversion region, the floating gate electrode for the operating element viewed from the inversion region. The potential difference to GExM is significantly lower than 18V. That is, the inventors have clarified a problem that due to the above electric field relaxation, normal FN tunneling of electrons is not realized and a writing failure is caused. As a result, the reliability of the nonvolatile memory cell NVMa is impaired.
これらの問題は、書き込み動作、読み出し動作、消去動作のそれぞれを、同一の素子が担っていることに主因がある。より具体的には以下の通りである。 These problems are mainly due to the fact that the same element is responsible for the write operation, read operation, and erase operation. More specifically, it is as follows.
本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMaでは、上記の動作素子として、MIS構造を有する電界効果トランジスタが用いられる。ここで、読み出し動作のためには、ウェルと逆導電型のソース/ドレイン領域を要し、書き込み動作のためには、ウェルと同じ導電型の給電領域を要する。従って、給電のタイミングずれを避けるためにこれらを同一にすることは、異なる導電型を要することから不可能である。更に、タイミングずれの悪影響を防止するために、寄生pn接合に接続される端子を開放状態としても、空乏領域の電解緩和による書き込み不調を招く。即ち、少なくとも、書き込み動作素子と、読み出し動作素子を同一の素子とする本構造では、上記の問題を解決するのは困難であることが、本発明者らの検討により明らかになった。 In the nonvolatile memory cell NVMa studied by the present inventors, a field effect transistor having a MIS structure is used as the operation element. Here, a source / drain region having a conductivity type opposite to that of the well is required for the read operation, and a power supply region having the same conductivity type as that of the well is required for the write operation. Therefore, it is impossible to make them the same in order to avoid timing deviations in power feeding because different conductivity types are required. Furthermore, even if the terminal connected to the parasitic pn junction is opened in order to prevent the adverse effect of the timing shift, writing failure due to electrolytic relaxation in the depletion region is caused. That is, the present inventors have clarified that it is difficult to solve the above problem at least in this structure in which the write operation element and the read operation element are the same element.
そこで、本発明者らは、書き込み・消去動作用の素子を、読み出し動作用の素子と分け、別のウェルの中に設けた構造を有する不揮発性メモリセルを検討した。その平面図を図4に示し、図4のx2−x2線の断面図を図5に示す。 In view of this, the present inventors studied a nonvolatile memory cell having a structure in which an element for writing / erasing operation is separated from an element for reading operation and provided in another well. The plan view is shown in FIG. 4, and a cross-sectional view taken along line x2-x2 of FIG. 4 is shown in FIG.
本発明者らが検討した他の不揮発性メモリセルNVMbは、先に図1、図2を用いて説明した不揮発性メモリセルNVMaと同様の構成である動作用トランジスタQMx、選択用トランジスタQSx、および、MISキャパシタCxを有する。特に、動作用トランジスタQMxおよび選択用トランジスタQSxは同一の動作素子形成用pウェルPWx1内に、また、MISキャパシタCxはキャパシタ形成用pウェルPWx2内に形成されている。上記pウェルPWx1,PWx2は、埋め込みnウェルDNWxの中に、分離用nウェルNWによって分離された状態で、形成されている。 Other nonvolatile memory cells NVMb investigated by the present inventors include an operation transistor QMx, a selection transistor QSx, and a configuration similar to the nonvolatile memory cell NVMa described with reference to FIGS. MIS capacitor Cx. In particular, the operation transistor QMx and the selection transistor QSx are formed in the same operation element formation p-well PWx1, and the MIS capacitor Cx is formed in the capacitor formation p-well PWx2. The p wells PWx1 and PWx2 are formed in the embedded n well DNWx in a state of being separated by the separation n well NW.
これに加え、同一の埋め込みnウェルDNWx内に書き込み素子形成用pウェルPWx3を有する。この書き込み素子形成用pウェルPWx3内には、書き込み用素子WDxが形成されている。これは、書き込み、消去動作を行う専用の素子として、読み出し動作を行う動作用トランジスタQMxと分けて形成されたものである。 In addition, a write element forming p well PWx3 is provided in the same embedded n well DNWx. A write element WDx is formed in the write element forming p well PWx3. This is formed separately from the operation transistor QMx for performing the read operation as a dedicated element for performing the write and erase operations.
書き込み用素子WDxは、浮遊電極FGxが書き込み素子形成用pウェルPWx3と平面的に重なる部分である書き込み素子用浮遊ゲート電極GExWを有する。また、書き込み素子用浮遊ゲート電極GExWと半導体基板1との間に形成された、書き込み素子用ゲート絶縁膜GIxWを有する。また、平面的に見て、書き込み素子用浮遊ゲート電極GExWを挟み込む領域に位置する半導体基板1の主面S1に、n型の半導体領域である書き込み素子用ソース領域SWx、および、p型の半導体領域である書き込み素子用ウェル給電領域VSWxを有する。また、書き込み素子用ソース領域SWxには、シリサイド層4を介して、書き込み素子用コンタクトプラグCPx7が電気的に接続されている。また、書き込み素子用ウェル給電領域VSWxには、シリサイド層4を介して、書き込みウェル給電用コンタクトプラグCPx8が電気的に接続されている。
The write element WDx includes a write element floating gate electrode GExW in which the floating electrode FGx overlaps the write element forming p well PWx3 in a plan view. In addition, the write element gate insulating film GIxW is formed between the write element floating gate electrode GExW and the
上記のように、書き込み動作を行う書き込み用素子WDxを、読み出し動作を行う動作用トランジスタQMxと分ける構成としたことで、以下の利点が得られる。即ち、書き込み用素子WDxにおいて、動作用トランジスタQMwのようなソース/ドレイン領域を両方形成する必要がなくなり、少なくとも片方を、書き込み素子形成用pウェルPWx3と同じ導電型の書き込み素子用ウェル給電領域VSWxとし、当該書き込み素子形成用pウェルPWx3への給電機構とすることができる。更に、書き込み用素子WDxを用いる書き込み動作時および消去動作時には、書き込み素子用ソース領域SWxと書き込み素子用ウェル給電領域VSWxとには、常に同様の電圧が印加される。従って、書き込み素子用コンタクトプラグCPx7と書き込みウェル給電用コンタクトプラグCPx8とは、上層において接続され、同時に同様の電圧を印加できる構成として良い。結果として、書き込み動作時に起こる給電のタイミングのずれに起因した、動作不良、素子破壊など、不揮発性メモリの信頼性を低下させる原因を排除することができる。 As described above, the following advantages can be obtained by separating the write element WDx that performs the write operation from the operation transistor QMx that performs the read operation. That is, in the write element WDx, it is not necessary to form both source / drain regions like the operation transistor QMw, and at least one of the write element well power supply regions VSWx having the same conductivity type as the write element forming p well PWx3 is eliminated. And a power feeding mechanism to the write element forming p well PWx3. Further, during a write operation and an erase operation using the write element WDx, the same voltage is always applied to the write element source region SWx and the write element well power supply region VSWx. Therefore, the write element contact plug CPx7 and the write well power supply contact plug CPx8 may be connected in the upper layer so that the same voltage can be applied simultaneously. As a result, it is possible to eliminate the cause of lowering the reliability of the nonvolatile memory, such as operation failure and element destruction, due to a shift in power feeding timing that occurs during the write operation.
しかし、本発明者らの検討では、図4、図5を用いて説明した構成の不揮発性メモリセルNVMbは、今後更に要求される高集積化、大容量化に適さないという。なぜなら、構成として3つのウェルを用いており、当初検討した不揮発性メモリセルNVMaが2つのウェルで構成されるのに比べて、表面積が大きいと言えるからである。 However, according to the study by the present inventors, it is said that the nonvolatile memory cell NVMb having the configuration described with reference to FIGS. 4 and 5 is not suitable for higher integration and larger capacity that will be required in the future. This is because three wells are used as the configuration, and it can be said that the surface area is large compared to the case where the nonvolatile memory cell NVMa initially studied is configured by two wells.
このように、動作の安定性を考慮すれば、書き込み用の素子と読み出し用の素子とを分けた3ウェル構成の不揮発性メモリセルNVMbが有意であり、集積能を考慮すれば、2ウェル構成の不揮発性メモリセルNVMaが有意であると言える。即ち、LCDドライバに用いる不揮発性メモリにおいて、本発明者らが検討した技術では、信頼性の要求と、高集積化の要求とが、トレードオフの関係にあり、信頼性の低下をもたらすことなく、集積度を向上させるのが困難であることを見出した。 As described above, in consideration of the stability of operation, the non-volatile memory cell NVMb having a three-well structure in which the writing element and the reading element are separated is significant, and in consideration of the integration capability, the two-well structure. It can be said that the non-volatile memory cell NVMa is significant. That is, in the nonvolatile memory used for the LCD driver, in the technology examined by the present inventors, there is a trade-off relationship between the requirement for reliability and the requirement for higher integration without causing a decrease in reliability. It was found that it was difficult to improve the degree of integration.
次に、本実施の形態1の半導体装置について説明する。 Next, the semiconductor device of the first embodiment will be described.
通常、半導体装置の製造工程中は、例えば単結晶シリコン(Si)などを母材とした高純度の半導体材料をウェハと称される平面略円形の薄板の状態で扱う。そして、その主面を、後に半導体チップとなる領域に分け、多数のチップ領域に同様の素子群を一括して形成することで、所望の回路機能を有する半導体集積回路を備えた半導体チップを形成する。 In general, during the manufacturing process of a semiconductor device, a high-purity semiconductor material using, for example, single crystal silicon (Si) as a base material is handled in a state of a thin plate having a substantially planar shape called a wafer. Then, the main surface is divided into regions that will later become semiconductor chips, and a similar chip group is formed in a large number of chip regions to form a semiconductor chip having a semiconductor integrated circuit having a desired circuit function. To do.
本実施の形態1で例示する不揮発性メモリは、LCDドライバを形成する半導体チップと同一のチップ内に形成される。以下では、特にLCDドライバを構成する、例えば種々の動作電圧の電界効果トランジスタからなる回路を形成する領域を主回路形成領域と称し、不揮発性メモリを形成する領域を不揮発性メモリ領域と称する。 The nonvolatile memory exemplified in the first embodiment is formed in the same chip as the semiconductor chip forming the LCD driver. In the following, a region for forming a circuit composed of field effect transistors having various operating voltages, for example, constituting the LCD driver will be referred to as a main circuit formation region, and a region for forming a nonvolatile memory will be referred to as a nonvolatile memory region.
図6は、本実施の形態1で例示する、半導体チップ上に形成された半導体装置のうち、不揮発性メモリ領域に形成された不揮発性メモリセルNVMにおける1セル分の平面図を示したものである。1セルとは、1bitの単位情報を記憶する領域を表す。図6には、不揮発性メモリセルNVMの構成を分かりやすくするために、半導体領域にハッチングを付し、その他の例えば絶縁膜などは省略して示している。以下、平面図に関しては特に断りの無い限り同様であるとする。また、図7は図6のx3−x3線の断面図を示した。 FIG. 6 shows a plan view of one cell in the non-volatile memory cell NVM formed in the non-volatile memory region in the semiconductor device formed on the semiconductor chip exemplified in the first embodiment. is there. One cell represents an area for storing 1-bit unit information. In FIG. 6, for easy understanding of the configuration of the nonvolatile memory cell NVM, the semiconductor region is hatched and other insulating films, for example, are omitted. Hereinafter, the plan view is the same unless otherwise specified. FIG. 7 shows a cross-sectional view taken along line x3-x3 of FIG.
半導体チップを構成する半導体基板1は、例えばp型(第2導電型)のシリコン単結晶により形成されている。p型とは、例えばIV族の元素からなるシリコンなどにおいて、ホウ素(B)などのIII族の元素を含有した状態であり、多数キャリアが正孔(ホールともいう)であるような半導体材料の導電型を表す。以下、p型の導電型に関しては同様であるとする。半導体基板1は厚さ方向に沿って互いに反対側に位置する主面(第1主面)S1および裏面(第2主面)(図示しない)を有する。図6は、例えば主面S1に形成された不揮発性メモリセルNVMの構成を見るために半導体基板1を主面S1側から見た図であり、図7においてはこの主面S1側の要部を拡大して示している。
The
半導体基板1の主面S1には分離部2が形成されている。ここで分離部2は、例えば半導体基板1の主面S1に形成された浅溝内に酸化シリコン等からなる絶縁膜を埋め込むことで形成された、所謂STI(Shallow Trench Isolation)と称される溝型の分離部2であるとする。
A
半導体基板1には、その主面S1から所望の深さに渡って、n型(第1導電型)の半導体領域である埋め込みnウェル(第1半導体領域)DNWが形成されている。n型とは、例えばIV族の元素からなるシリコンなどにおいて、リン(P)やヒ素(As)などのV族の元素を含有した状態であり、多数キャリアが電子であるような半導体材料の導電型を表す。以下、n型の導電型に関しては同様であるとする。
A buried n-well (first semiconductor region) DNW, which is an n-type (first conductivity type) semiconductor region, is formed in the
埋め込みnウェルDNWには、p型の半導体領域である動作素子形成用pウェル(第2半導体領域)PW1、および、同じくp型の半導体領域であるキャパシタ形成用pウェル(第3半導体領域)PW2が、埋め込みnウェルDNWに内包された状態で形成されている。これらの両pウェルPW1,PW2は、第1方向Xに延在するようにして、かつ、第1方向Xに交差する第2方向Yに沿って並ぶようにして形成されている。また、これらの両pウェルPW1,PW2の不純物濃度はそれぞれ同程度であり、また、半導体基板1の不純物濃度よりも高いものとする。
The buried n-well DNW includes an operating element forming p well (second semiconductor region) PW1 which is a p-type semiconductor region, and a capacitor forming p well (third semiconductor region) PW2 which is also a p-type semiconductor region. Are formed in the embedded n-well DNW. These p wells PW1 and PW2 are formed so as to extend in the first direction X and to be aligned along the second direction Y intersecting the first direction X. The impurity concentrations of both p wells PW1 and PW2 are approximately the same, and are higher than the impurity concentration of the
動作素子形成用pウェルPW1およびキャパシタ形成用pウェルPW2の外周には、それらを取り囲むように、かつ、埋め込みnウェルDNWよりも浅い位置に渡って、分離部2が形成されている。
On the outer periphery of the operating element formation p-well PW1 and the capacitor formation p-well PW2, the
この分離部2の底部には、n型の半導体領域である分離用nウェルNWが形成されている。分離用nウェルは、埋め込みnウェルDNWよりも浅い位置に渡って形成されている。分離用nウェルNWは外部から電気的な導通を取れるような機構を有しており(図示しない)、所望の電位とすることができる。
An isolation n well NW, which is an n-type semiconductor region, is formed at the bottom of the
以上の構成により、動作素子形成用pウェルPW1およびキャパシタ形成用pウェルPW2は、第1方向Xに互いに沿うようにして、かつ、第2方向Yに沿って並ぶようにして、埋め込みnウェルDNWに内包されるように配置されている。更に、動作素子形成用pウェルPW1およびキャパシタ形成用pウェルPW2は、その外周を取り囲む分離部2とその底部に形成された分離用nウェルNWにより、互いに電気的に分離された状態で配置されている。
With the above configuration, the operating element forming p well PW1 and the capacitor forming p well PW2 are arranged along the first direction X and aligned along the second direction Y so as to be embedded in the buried n well DNW. It is arranged so that it is included. Further, the operating element forming p well PW1 and the capacitor forming p well PW2 are arranged in a state of being electrically separated from each other by the separating
本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMは、動作素子形成用pウェルPW1、および、キャパシタ形成用pウェルPW2に平面的に重なるようにして配置され、以下に示す構成を有する。 The non-volatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment is arranged so as to planarly overlap with the operating element forming p well PW1 and the capacitor forming p well PW2, and has the following configuration.
第1に、不揮発性メモリセルNVMは、半導体基板1の主面S1において、動作素子形成用pウェルPW1の一部、および、キャパシタ形成用pウェルPW2の一部に、平面的に重なるようにして配置された浮遊電極FGを有する。浮遊電極FGは、例えば多結晶シリコンなどを母材とする導体膜からなるものとする。また、浮遊電極FGは、他のいかなる部分にも電気的に接続されていないような、浮遊状態であるように配置されている。このように浮遊状態にある浮遊電極FGは、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいて、データを保持する役割を担う。
First, the non-volatile memory cell NVM is arranged so as to planarly overlap a part of the operating element forming p well PW1 and a part of the capacitor forming p well PW2 on the main surface S1 of the
ここで、例えば、一般的な半導体装置における同様のゲート電極を形成する際に、コンタクトを形成するために、導体膜などを形成する工程がある。本実施の形態1においては、上記の浮遊電極FGの表面を、例えば酸化シリコン膜などの保護絶縁膜PIで覆っても良い。これにより、導体膜の形成工程などから保護し、他の箇所からの絶縁性を高めることができる。 Here, for example, when a similar gate electrode in a general semiconductor device is formed, there is a step of forming a conductor film or the like in order to form a contact. In the first embodiment, the surface of the floating electrode FG may be covered with a protective insulating film PI such as a silicon oxide film. Thereby, it can protect from the formation process of a conductor film, etc., and can improve the insulation from other places.
第2に、不揮発性メモリセルNVMは、動作素子形成用pウェルPW1に形成された、書き込み/消去用素子(データ書き込み/消去用素子)WDを有する。書き込み/消去用素子WDは、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいて、主にデータの書き込みと、消去動作を担う素子である。 Secondly, the nonvolatile memory cell NVM has a write / erase element (data write / erase element) WD formed in the operating element formation p-well PW1. The write / erase element WD is an element mainly responsible for data write and erase operations in the nonvolatile memory cell NVM illustrated in the first embodiment.
第3に、不揮発性メモリセルNVMは、動作素子形成用pウェルPW1に形成された、読み出し用トランジスタ(読み出し用電界効果トランジスタ)QRを有する。読み出し用トランジスタQRは、後に詳細を説明するように、MIS型の電界効果トランジスタであり、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいて、主にデータの読み出しを担う素子である。 Third, the nonvolatile memory cell NVM includes a read transistor (read field effect transistor) QR formed in the operating element formation p well PW1. As will be described in detail later, the read transistor QR is a MIS type field effect transistor, and is an element mainly responsible for reading data in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment.
上記のように、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいては、データの書込みと消去を担う書込み/消去用素子WDと、データの読み出しを担う読み出し用トランジスタQRとを別素子としつつ、1つの動作素子形成用pウェルPW1に形成している。これにより、本実施の形態1の不揮発性メモリセルNVMは、上記で図4、図5を用いて説明した、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMbにおける、書き込み・消去を担う素子を単独で形成する書き込み素子形成用pウェルPWx3を必要としない。結果として、不揮発性メモリセルNVMの面積を縮小させることができる。 As described above, in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment, the write / erase element WD responsible for writing and erasing data and the read transistor QR responsible for reading data are separated from each other. However, it is formed in one operating element forming p well PW1. As a result, the nonvolatile memory cell NVM according to the first embodiment is the same as the element responsible for writing / erasing in the nonvolatile memory cell NVMb examined by the present inventors described above with reference to FIGS. The p-well PWx3 for forming the writing element formed independently is not required. As a result, the area of the nonvolatile memory cell NVM can be reduced.
第4に、不揮発性メモリセルNVMは、動作素子形成用pウェルPW1に形成された、選択用トランジスタ(選択用電界効果トランジスタ)QSを有する。一般的なメモリ装置では、半導体チップの中でメモリセルが規則的な配列をなして配置されている。本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMが有する選択用トランジスタQSは、メモリ配列の中から所望の不揮発性メモリセルNVMを選択する際、周囲のセルへの干渉を防ぐために、上記の選択用トランジスタQSがスイッチとして各セル内に配置されている。これにより、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMの信頼性を向上させることができる。また、本実施の形態1において、選択用トランジスタQSは、上記の読み出し用トランジスタQRに電気的に直列に接続されているものとする。 Fourth, the nonvolatile memory cell NVM includes a selection transistor (selection field effect transistor) QS formed in the operating element formation p-well PW1. In a general memory device, memory cells are arranged in a regular array in a semiconductor chip. The selection transistor QS included in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment has the above-described configuration in order to prevent interference with surrounding cells when selecting a desired nonvolatile memory cell NVM from the memory array. A selection transistor QS is arranged in each cell as a switch. Thereby, the reliability of the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment can be improved. In the first embodiment, it is assumed that the selection transistor QS is electrically connected in series to the reading transistor QR.
第5に、不揮発性メモリセルNVMは、キャパシタ形成用pウェルPW2に形成された、MISキャパシタ(容量素子)Cを有する。MISキャパシタCは、後に詳細を説明するように、MIS構造からなる容量素子(キャパシタ、コンデンサ、カップリングコンデンサ)である。本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいて、主に、書込み/消去用素子WDなどへの電圧供給効率を向上させる役割を担う素子である。 Fifth, the nonvolatile memory cell NVM includes a MIS capacitor (capacitance element) C formed in the capacitor forming p-well PW2. The MIS capacitor C is a capacitive element (capacitor, capacitor, coupling capacitor) having a MIS structure, as will be described in detail later. In the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment, it is an element mainly responsible for improving the voltage supply efficiency to the write / erase element WD or the like.
以下では、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMが有する、上記第1〜第5の要素に関して、それぞれの構成を詳細に説明する。 Hereinafter, the respective configurations of the first to fifth elements included in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment will be described in detail.
第1に、浮遊電極FGは、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極(第1浮遊ゲート電極)GEWと、読み出し素子用浮遊ゲート電極(第2浮遊ゲート電極)GERと、キャパシタ用浮遊ゲート電極(第3浮遊ゲート電極)GECとを一体的に有している。 First, the floating electrode FG includes a write / erase element floating gate electrode (first floating gate electrode) GEW, a read element floating gate electrode (second floating gate electrode) GER, and a capacitor floating gate electrode (first floating gate electrode). 3 floating gate electrodes) GEC.
ここで、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWは、浮遊電極FGのうち、動作素子形成用pウェルPW1の一部に平面的に重なる位置から、キャパシタ形成用pウェルPW2の一部に至るまで、第1方向Xと交差する第2方向Yに延在するようにして配置された部分である。 Here, the write / erase element floating gate electrode GEW extends from the position of the floating electrode FG that overlaps a part of the operating element forming p well PW1 to a part of the capacitor forming p well PW2. , A portion arranged so as to extend in a second direction Y intersecting the first direction X.
また、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERは、浮遊電極FGのうち、動作素子形成用pウェルPW1の一部に平面的に重なる位置から、キャパシタ形成用pウェルPW2の一部に至るまで、上記の書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと距離を隔てて沿うようにして配置された部分である。即ち、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと読み出し素子用浮遊ゲート電極GERとは、動作素子形成用pウェルPW1の配置範囲内においては、互いに分離されている。 Further, the floating gate electrode GER for the read element extends from the position of the floating electrode FG that overlaps a part of the p well PW1 for forming the operating element to a part of the p well PW2 for forming the capacitor. This is a portion arranged so as to be spaced apart from the floating gate electrode GEW for the write / erase element. That is, the write / erase element floating gate electrode GEW and the read element floating gate electrode GER are separated from each other within the arrangement range of the operating element formation p-well PW1.
また、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECは、浮遊電極FGのうち、キャパシタ形成用pウェルPW2の一部に平面的に重なるようにして配置された部分である。 The capacitor floating gate electrode GEC is a portion of the floating electrode FG that is disposed so as to overlap with a part of the capacitor forming p well PW2.
ここで、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECの第1方向Xにおける幅は、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWおよび読み出し素子用浮遊ゲート電極GERの第1方向Xにおける幅よりも、大きいものとする。 Here, it is assumed that the width of the capacitor floating gate electrode GEC in the first direction X is larger than the width of the write / erase element floating gate electrode GEW and the read element floating gate electrode GER in the first direction X.
以上のように、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEW、読み出し素子用浮遊ゲート電極GER、および、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECは浮遊電極FGの一部であり、同一層内に配置されているものとする。後に詳細を記述するように、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMの基本的な構成要素としては、種々の配線層等を除けば、この一層の浮遊電極FGが導体膜の最上層となる。従って、例えば種々の動作電圧である電界効果トランジスタなどの主回路形成領域への形成と同様の工程で、不揮発性メモリ領域に不揮発性メモリセルNVMを形成することができる。結果として、生産性、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。 As described above, the write / erase element floating gate electrode GEW, the read element floating gate electrode GER, and the capacitor floating gate electrode GEC are part of the floating electrode FG and are arranged in the same layer. And As will be described in detail later, as a basic component of the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment, this single layer of floating electrode FG is the top of the conductor film except for various wiring layers. The upper layer. Therefore, for example, the non-volatile memory cell NVM can be formed in the non-volatile memory region by the same process as the formation of the main circuit forming region such as field effect transistors having various operating voltages. As a result, a semiconductor device with high productivity and reliability can be realized.
第2に、書き込み/消去用素子WDは、上記浮遊電極FGの一部である書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWを有する。 Second, the write / erase element WD includes a write / erase element floating gate electrode GEW which is a part of the floating electrode FG.
また、書き込み/消去用素子WDは、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWおよび半導体基板1の間に形成された、書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)GIWを有する。書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIWは、例えば酸化シリコン膜などにより形成されているものとする。
The write / erase element WD has a write / erase element gate insulating film (first gate insulating film) GIW formed between the write / erase element floating gate electrode GEW and the
また、書き込み/消去用素子WDは、動作素子形成用pウェルPW1内において、平面的に見て、上記の書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと読み出し素子用浮遊ゲート電極GERとに挟まれた領域に位置する半導体基板1の主面S1に形成された、n型の半導体領域である共有ソース/ドレイン領域(第4半導体領域)SDCを有する。共有ソース/ドレイン領域SDCの不純物濃度は、同じn型の半導体領域である埋め込みnウェルDNWおよび分離用nウェルNWの不純物濃度よりも高いものであるとする。
The write / erase element WD is sandwiched between the write / erase element floating gate electrode GEW and the read element floating gate electrode GER as viewed in a plane in the operating element formation p-well PW1. A shared source / drain region (fourth semiconductor region) SDC, which is an n-type semiconductor region, is formed on the main surface S1 of the
ここで、上記の共有ソース/ドレイン領域SDCは、平面的に見て、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、共有ソース/ドレイン領域SDC自体よりも浅い領域に形成された、n型エクステンション領域nx1を有する。n型エクステンション領域nx1の不純物濃度は、同じn型の半導体領域である共有ソース/ドレイン領域SDCの不純物濃度よりも低いものであるとする。以下、n型の半導体領域であるエクステンション領域の不純物濃度に関しては、特に断らない限り同様であるとする。 Here, the shared source / drain region SDC is a region that reaches the lower side of the floating gate electrode GEW for the write / erase element in a plan view, and the shared source / drain region SDC in a sectional view. It has an n-type extension region nx1 formed in a region shallower than itself. It is assumed that the impurity concentration of the n-type extension region nx1 is lower than the impurity concentration of the shared source / drain region SDC that is the same n-type semiconductor region. Hereinafter, the impurity concentration of the extension region which is an n-type semiconductor region is the same unless otherwise specified.
また、書き込み/消去用素子WDは、動作素子形成用pウェルPW1内において、平面的に見て、上記の共有ソース/ドレイン領域SDCと対をなすことで、上記の書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWを挟み込む領域に位置する半導体基板1の主面S1に形成された、p型の半導体領域である動作素子用ウェル給電領域(第5半導体領域)VSMを有する。動作素子用ウェル給電領域VSMの不純物濃度は、同じp型の半導体領域である動作素子形成用pウェルPW1およびキャパシタ形成用pウェルPW2の不純物濃度よりも高いものであるとする。
The write / erase element WD is paired with the shared source / drain region SDC in plan view in the operating element formation p-well PW1, so that the write / erase element floating gate is formed. An operating element well power supply region (fifth semiconductor region) VSM, which is a p-type semiconductor region, is formed on the main surface S1 of the
ここで、上記の動作素子用ウェル給電領域VSMは、平面的に見て、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、動作素子用ウェル給電領域VSM自体よりも浅い領域に形成された、p型エクステンション領域px1を有する。p型エクステンション領域px1の不純物濃度は、同じp型の半導体領域である動作素子用ウェル給電領域VSMの不純物濃度よりも低いものであるとする。以下、p型の半導体領域であるエクステンション領域の不純物濃度に関しては、特に断らない限り同様であるとする。 Here, the operating element well power supply region VSM is a region reaching the lower side portion of the write / erase element floating gate electrode GEW in plan view, and in cross section, the operating element well power supply region VSM. The p-type extension region px1 is formed in a region shallower than the region VSM itself. It is assumed that the impurity concentration of the p-type extension region px1 is lower than the impurity concentration of the operating element well power supply region VSM which is the same p-type semiconductor region. Hereinafter, the impurity concentration of the extension region which is a p-type semiconductor region is the same unless otherwise specified.
ここで、書き込み/消去用素子WDに、n型の半導体領域である共有ソース/ドレイン領域SDCを形成している理由を以下に記す。即ち、n型の共有ソース/ドレイン領域SDCを追加したことにより、浮遊ゲート電極下の反転層の形成が促進される。また、電子はp型半導体領域中では少数キャリアであるのに対して、n型半導体領域中では多数キャリアである。このため、n型の共有ソース/ドレイン領域SDCを設けたことにより、注入電子を反転層に容易に供給することができる。その結果、実効的なカップリング容量を増大させることができるので、浮遊電極FGの電位を効率的にコントロールすることができる。従って、データの書き込み速度を向上させることができる。また、データ書き込み速度のばらつきも低減できる。 Here, the reason why the shared source / drain region SDC which is an n-type semiconductor region is formed in the write / erase element WD will be described below. In other words, the addition of the n-type shared source / drain region SDC facilitates the formation of the inversion layer under the floating gate electrode. Further, electrons are minority carriers in the p-type semiconductor region, whereas electrons are majority carriers in the n-type semiconductor region. Therefore, by providing the n-type shared source / drain region SDC, injected electrons can be easily supplied to the inversion layer. As a result, the effective coupling capacitance can be increased, so that the potential of the floating electrode FG can be controlled efficiently. Therefore, the data writing speed can be improved. Further, variation in data writing speed can be reduced.
以上が、書き込み/消去用素子WDが有する構成である。書き込み/消去用素子WDは、導体部(Metal)としての書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEW、絶縁部(Insulator)としての書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIW、および、半導体部(Semiconductor)としての動作素子形成用pウェルPW1の三層のMIS構造からなる。なお、本実施の形態1においては、上部電極である書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWはフローティング状態であり、下部電極である動作素子形成用pウェルPW1は、動作素子用ウェル給電領域VSMにより給電される機構を有する。動作等の詳細な説明は、他の構成と併せて後に行う。 The above is the configuration of the write / erase element WD. The write / erase element WD includes a write / erase element floating gate electrode GEW as a conductor part (Metal), a write / erase element gate insulating film GIW as an insulator part, and a semiconductor part (Semiconductor). This is composed of a three-layer MIS structure of p-well PW1 for forming an operating element. In the first embodiment, the write / erase element floating gate electrode GEW serving as the upper electrode is in a floating state, and the operating element forming p well PW1 serving as the lower electrode is formed by the operating element well power supply region VSM. It has a mechanism to be fed. Detailed description of the operation and the like will be made later together with other configurations.
第3に、読み出し用トランジスタQRは、上記浮遊電極FGの一部である読み出し素子用浮遊ゲート電極GERを有する。 Thirdly, the read transistor QR has a read element floating gate electrode GER which is a part of the floating electrode FG.
また、読み出し用トランジスタQRは、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERおよび半導体基板1の間に形成された、読み出し素子用ゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)GIRを有する。読み出し素子用ゲート絶縁膜GIRは、例えば酸化シリコン膜などにより形成されているものとする。
Further, the read transistor QR has a read element gate insulating film (second gate insulating film) GIR formed between the read element floating gate electrode GER and the
また、読み出し用トランジスタQRは、上記の書き込み/消去用素子WDと共有する形で、共有ソース/ドレイン領域SDCを有する。 Further, the read transistor QR has a shared source / drain region SDC so as to be shared with the write / erase element WD.
ここで、上記の共有ソース/ドレイン領域SDCは、平面的に見て、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、共有ソース/ドレイン領域SDC自体よりも浅い領域に形成された、n型エクステンション領域nx2を有する。 Here, the shared source / drain region SDC is a region reaching the lower side of the read element floating gate electrode GER as viewed in a plan view, and as viewed in cross-section, than the shared source / drain region SDC itself. Has an n-type extension region nx2 formed in a shallow region.
また、読み出し用トランジスタQRは、動作素子形成用pウェルPW1内において、平面的に見て、上記の共有ソース/ドレイン領域SDCと対をなすことで、上記の読み出し素子用浮遊ゲート電極GERを挟み込む領域に位置する半導体基板1の主面S1に形成された、n型の半導体領域である読み出し素子用ソース/ドレイン領域(第6半導体領域)SDRを有する。読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRの不純物濃度は、共有ソース/ドレイン領域SDCの不純物濃度と同程度であるものとする。
Further, the read transistor QR is paired with the shared source / drain region SDC in plan view in the operating element formation p well PW1, thereby sandwiching the read element floating gate electrode GER. A read element source / drain region (sixth semiconductor region) SDR, which is an n-type semiconductor region, is formed on the main surface S1 of the
ここで、上記のように、第2方向Yに延在している読み出し素子用浮遊ゲート電極GERに対し、これを挟み込むようにして、一対の各ソース/ドレイン領域SDC,SDRが形成されている。更に、共有ソース/ドレイン領域SDCは、上記の書き込み/消去用素子WDと共有する構成となっていた。従って、読み出し用トランジスタQRと、書き込み/消去用素子WDとは、第1方向Xに並んで配置されていることとなる。 Here, as described above, the pair of source / drain regions SDC and SDR are formed so as to sandwich the read element floating gate electrode GER extending in the second direction Y. . Further, the shared source / drain region SDC is configured to be shared with the write / erase element WD. Therefore, the read transistor QR and the write / erase element WD are arranged side by side in the first direction X.
また、上記の読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRは、平面的に見て、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDR自体よりも浅い領域に形成された、n型エクステンション領域nx3を有する。 The read element source / drain region SDR is a region reaching a lower side portion of the read element floating gate electrode GER in plan view, and in read section source / drain region for read element. It has an n-type extension region nx3 formed in a region shallower than the SDR itself.
以上が、読み出し用トランジスタQRが有する構成である。読み出し用トランジスタQRは、ゲート電極としての読み出し素子用浮遊ゲート電極GER、ゲート絶縁膜としての読み出し素子用ゲート絶縁膜GIR、ソースまたはドレイン領域としての共有ソース/ドレイン領域SDC、および、同じくソースまたはドレイン領域としての読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRを基本構成とするMIS型電界効果トランジスタである。特に、p型である動作素子形成用pウェルPW1の中に形成され、n型である各ソース/ドレイン領域SDC,SDRを有する、nチャネル型の電界効果トランジスタである。なお、本実施の形態1においては、ゲート電極である読み出し素子用浮遊ゲート電極GERはフローティング状態であり、片方のソース/ドレイン領域である共有ソース/ドレイン領域SDCは、特定の給電機構を有さない。動作等の詳細な説明は、他の構成と併せて後に行う。 The above is the configuration of the reading transistor QR. The read transistor QR includes a read element floating gate electrode GER as a gate electrode, a read element gate insulating film GIR as a gate insulating film, a shared source / drain region SDC as a source or drain region, and a source or drain. This is a MIS type field effect transistor having a read element source / drain region SDR as a basic structure. In particular, it is an n-channel field effect transistor formed in a p-type operating element forming p-well PW1 and having n-type source / drain regions SDC, SDR. In the first embodiment, the read element floating gate electrode GER which is a gate electrode is in a floating state, and the shared source / drain region SDC which is one source / drain region has a specific power feeding mechanism. Absent. Detailed description of the operation and the like will be made later together with other configurations.
第4に、選択用トランジスタQSは、上記の動作素子形成用pウェルPW1の一部に平面的に重なるようにして形成された、選択素子用ゲート電極GESを有する。選択素子用ゲート電極GESは、平面的に見て、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERに対して、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと反対側の領域で、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERに沿うようにして配置されている。ただし、選択素子用ゲート電極GESは、平面的に見て、キャパシタ形成用pウェルと重なる領域にまでは達しない。更に、選択素子用ゲート電極GESは、浮遊電極FGとは一体ではなく、独立して形成されている。選択素子用ゲート電極GESは、例えば多結晶シリコンなどを母材とする導体膜からなるものとする。 Fourth, the selection transistor QS includes a selection element gate electrode GES formed so as to overlap with a part of the above-described operating element formation p well PW1. The selection element gate electrode GES is along the read element floating gate electrode GER in a region opposite to the read / write element floating gate electrode GEW with respect to the read element floating gate electrode GER in plan view. It is arranged like that. However, the selection element gate electrode GES does not reach a region overlapping the capacitor forming p-well in a plan view. Furthermore, the selection element gate electrode GES is not integrated with the floating electrode FG but is formed independently. The selection element gate electrode GES is made of a conductive film having, for example, polycrystalline silicon as a base material.
また、選択用トランジスタQSは、選択素子用ゲート電極GESおよび半導体基板1の間に形成された、選択素子用ゲート絶縁膜GISを有する。選択素子用ゲート絶縁膜GISは、例えば酸化シリコン膜などにより形成されているものとする。
The selection transistor QS has a selection element gate insulating film GIS formed between the selection element gate electrode GES and the
また、上記の読み出し用トランジスタQRが有する読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRは、平面的に見て、選択素子用ゲート電極GESの側方下部に達する領域まで配置されている。そして、選択用トランジスタQSは、上記の読み出し用トランジスタQRと共有する形で、この読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRを、ソースまたはドレイン領域として有する。この構成により、読み出し用トランジスタQRと選択用トランジスタQSとは電気的に直列に接続されていることになる。 Further, the read element source / drain region SDR included in the read transistor QR is disposed up to a region reaching the lower side of the select element gate electrode GES in plan view. The selection transistor QS has the read element source / drain region SDR as a source or drain region in a form shared with the read transistor QR. With this configuration, the reading transistor QR and the selection transistor QS are electrically connected in series.
ここで、上記の読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRは、平面的に見て、選択素子用ゲート電極GESの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDR自体よりも浅い領域に形成された、n型エクステンション領域nx4を有する。 Here, the read element source / drain region SDR is a region reaching a lower side portion of the selection element gate electrode GES in plan view, and in read section source / drain region for read element. It has an n-type extension region nx4 formed in a region shallower than the SDR itself.
また、選択用トランジスタQSは、動作素子形成用pウェルPW1内において、平面的に見て、上記の読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRと対をなすことで、上記の選択素子用ゲート電極GESを挟み込む領域に位置する半導体基板1の主面S1に形成された、n型の半導体領域である選択素子用ソース/ドレイン領域SDSを有する。選択素子用ソース/ドレイン領域SDSの不純物濃度は、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRの不純物濃度と同程度であるものとする。
The selection transistor QS is paired with the read element source / drain region SDR as viewed in plan in the operating element formation p-well PW1, thereby forming the selection element gate electrode GES. A source / drain region for selection element SDS, which is an n-type semiconductor region, is formed on the main surface S1 of the
ここで、上記の選択素子用ソース/ドレイン領域SDSは、平面的に見て、選択素子用ゲート電極GESの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、選択素子用ソース/ドレイン領域SDS自体よりも浅い領域に形成された、n型エクステンション領域nx5を有する。 Here, the source / drain region SDS for the selection element is a region reaching the lateral lower portion of the gate electrode GES for the selection element when seen in a plan view. It has an n-type extension region nx5 formed in a region shallower than the SDS itself.
以上が、選択用トランジスタQSが有する構成である。選択用トランジスタQSは、ゲート電極としての選択素子用ゲート電極GES、ゲート絶縁膜としての選択素子用ゲート絶縁膜GIS、ソースまたはドレイン領域としての選択素子用ソース/ドレイン領域SDS、および、同じくソースまたはドレイン領域としての共有ソース/ドレイン領域SDCを基本構成とするMIS型電界効果トランジスタである。なお、本実施の形態1においては、片方のソース/ドレイン領域である共有ソース/ドレイン領域SDCは、特定の給電機構を有さない。動作等の詳細な説明は、他の構成と併せて後に行う。 The above is the configuration of the selection transistor QS. The selection transistor QS includes a selection element gate electrode GES as a gate electrode, a selection element gate insulating film GIS as a gate insulating film, a selection element source / drain region SDS as a source or drain region, and a source or drain This is a MIS field effect transistor having a shared source / drain region SDC as a drain region as a basic configuration. In the first embodiment, the shared source / drain region SDC which is one of the source / drain regions does not have a specific power supply mechanism. Detailed description of the operation and the like will be made later together with other configurations.
第5に、MISキャパシタCは、上記の浮遊電極FGの一部であるキャパシタ用浮遊ゲート電極GECを有する。 Fifth, the MIS capacitor C has a capacitor floating gate electrode GEC which is a part of the floating electrode FG.
また、MISキャパシタCは、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECおよび半導体基板1の間に形成された、キャパシタ用ゲート絶縁膜(第3ゲート絶縁膜)GICを有する。キャパシタ用ゲート絶縁膜GICは、例えば酸化シリコン膜などにより形成されているものとする。
The MIS capacitor C includes a capacitor gate insulating film (third gate insulating film) GIC formed between the capacitor floating gate electrode GEC and the
また、MISキャパシタCは、キャパシタ形成用pウェルPW2内において、平面的に見て、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECを挟み込む領域に位置する半導体基板1の第1主面S1に形成された、p型であるキャパシタ用ウェル給電領域(第7半導体領域)VSC、および、n型の半導体領域であるキャパシタ用ソース領域(第8半導体領域)SCを有する。キャパシタ用ウェル給電領域VSCの不純物濃度は、同じp型の半導体領域である動作素子用ウェル給電領域VSMの不純物濃度と同程度であるものとする。また、キャパシタ用ソース領域SCの不純物濃度は、同じn型の半導体領域である共有ソース/ドレイン領域SDCなどと同程度であるものとする。
The MIS capacitor C is a p-type formed on the first main surface S1 of the
ここで、上記のキャパシタ用ウェル給電領域VSCは、平面的に見て、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、キャパシタ用ウェル給電領域VSC自体よりも浅い領域に形成された、p型エクステンション領域px2を有する。また、キャパシタ用ソース領域SCは、平面的に見て、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECの側方下部に至る領域であり、断面的に見て、キャパシタ用ソース領域SC自体よりも浅い領域に形成された、n型エクステンション領域nx6を有する。 Here, the above-described capacitor well power supply region VSC is a region reaching the lower side of the capacitor floating gate electrode GEC in plan view, and is more than the capacitor well power supply region VSC itself in cross section. A p-type extension region px2 is formed in the shallow region. Further, the capacitor source region SC is a region reaching the lower side of the capacitor floating gate electrode GEC in plan view, and is formed in a region shallower than the capacitor source region SC itself in cross section. In addition, it has an n-type extension region nx6.
ここで、MISキャパシタCに、n型の半導体領域であるキャパシタ用ソース領域SCを形成している理由を以下に記す。消去動作において、n型のキャパシタ用ソース領域SCを追加したことにより、電子をキャパシタ用ゲート絶縁膜GICの直下にスムーズに供給することができる。このため、浮遊電極FG下の反転層をすばやく形成することができるので、p型のキャパシタ形成用pウェルPW2をすばやく−9Vに固定することができる。その結果、実効的なカップリング容量を増大させることができるので、浮遊電極FGの電位を効率的にコントロールすることができる。従って、データ消去速度を向上させることができる。また、データ消去速度のばらつきも低減することができる。 Here, the reason why the capacitor source region SC which is an n-type semiconductor region is formed in the MIS capacitor C will be described below. In the erase operation, by adding the n-type capacitor source region SC, electrons can be smoothly supplied directly under the capacitor gate insulating film GIC. For this reason, since the inversion layer under the floating electrode FG can be formed quickly, the p-type capacitor forming p-well PW2 can be quickly fixed to −9V. As a result, the effective coupling capacitance can be increased, so that the potential of the floating electrode FG can be controlled efficiently. Therefore, the data erasing speed can be improved. In addition, variations in data erasing speed can be reduced.
以上が、MISキャパシタCが有する構成である。MISキャパシタCは、導体部としてのキャパシタ用浮遊ゲート電極GEC、絶縁部としてのキャパシタ用ゲート絶縁膜GIC、および、半導体部としてのキャパシタ形成用pウェルPW2の三層のMIS構造からなる容量素子である。なお、本実施の形態1においては、上部電極であるキャパシタ用浮遊ゲート電極GECはフローティング状態であり、下部電極であるキャパシタ形成用pウェルPW2は、キャパシタ用ウェル給電領域VSCにより給電される機構を有する。動作等の詳細な説明は、他の構成と併せて後に行う。 The above is the configuration of the MIS capacitor C. The MIS capacitor C is a capacitive element having a three-layer MIS structure of a capacitor floating gate electrode GEC as a conductor portion, a capacitor gate insulating film GIC as an insulating portion, and a capacitor forming p-well PW2 as a semiconductor portion. is there. In the first embodiment, the capacitor floating gate electrode GEC that is the upper electrode is in a floating state, and the capacitor forming p-well PW2 that is the lower electrode has a mechanism that is fed by the capacitor well feeding region VSC. Have. Detailed description of the operation and the like will be made later together with other configurations.
ここで、上記のように、MISキャパシタCは第1方向Xに延在するキャパシタ形成用pウェルPW2の中に形成されている。また、上記のように、動作素子形成用pウェルPW1は、キャパシタ形成用pウェルPW2と第1方向Xに互いに沿うように、かつ、第2方向Yに沿って並んで配置されている。従って、MISキャパシタCは、動作素子形成用pウェルPW1に形成された書き込み/消去用素子WD、読み出し用トランジスタQR、および、選択用トランジスタQSと第1方向Xに互いに沿うように、かつ、第2方向Yに沿って並んで配置されていることになる。 Here, as described above, the MIS capacitor C is formed in the capacitor forming p-well PW2 extending in the first direction X. Further, as described above, the operating element formation p-well PW1 is arranged along the second direction Y so as to be along the first direction X with the capacitor formation p-well PW2. Accordingly, the MIS capacitor C is aligned with the write / erase element WD, the read transistor QR, and the selection transistor QS formed in the operating element formation p-well PW1 along the first direction X, and They are arranged along the two directions Y.
本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMの基本的な構成は、上記の通りである。これに加え、以下の構成を有する。 The basic configuration of the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment is as described above. In addition to this, it has the following configuration.
各ゲート電極GEW,GER,GES,GECの側壁には、例えば酸化シリコンなどを主体とした絶縁膜よりなるサイドウォールスペーサ3が形成されている。サイドウォールスペーサ3は、当該各ゲート電極GEW,GER,GES,GECとの導通意図の無い配線などからの絶縁を目的として形成されるものである。
On the side walls of the gate electrodes GEW, GER, GES, and GEC,
また、pまたはn型の半導体領域である、各ウェル給電領域VSM,VSC、各ソースまたはドレイン領域SDC,SDR,SDS,SC、および、多結晶シリコンよりなる選択素子用ゲート電極GESの表面には、シリサイド層4が形成されている。シリサイド層4は、例えばコバルト(Co)とシリコンとの化合物であるコバルトシリサイドなどの導体膜により構成され、外部からの電気的なコンタクトとのオーミック接続を目的として形成されるものである。
Further, on the surface of each well power supply region VSM, VSC, each source or drain region SDC, SDR, SDS, SC, which is a p or n type semiconductor region, and the gate electrode GES for selection elements made of polycrystalline silicon. A
以上の構成を有する不揮発性メモリセルNVMが形成された半導体基板1の主面S1上には、層間絶縁膜5が形成されている層間絶縁膜5は、例えば窒化シリコンなどからなる絶縁膜5aと、その上に形成された、例えば酸化シリコンなどからなる絶縁膜5bとを有している。この様に、異なる2層の絶縁膜とすることで、例えば、層間絶縁膜5下の半導体基板1の主面S1の任意の箇所に通ずるコンタクトホールを形成する場合に役立つ。即ち、2層の絶縁膜5a,5bのエッチングレートの違いを利用して、自己整合的にエッチングをストップさせ、より緻密な加工を可能にする、所謂SAC(Self Align Contact)技術を適用することができる。
On the main surface S1 of the
また、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMは、上記のSAC技術により層間絶縁膜5に形成されたコンタクトホールCHを有する。その中を埋め込む導体部6によって、不揮発性メモリNVMを構成する所望の領域に対して、シリサイド層4を通じて電気的に接続される各コンタクトプラグCP1〜CP6を構成している。以下にその詳細を説明する。
Further, the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment has a contact hole CH formed in the
まず、共有ソース/ドレイン領域SDCに電気的に接続される、共有部給電用コンタクトプラグ(第1導電部)CP1を有する。共有部給電用コンタクトプラグCP1は、共有ソース/ドレイン領域SDCに電気的に接続されることで、同じn型半導体領域で接合する領域である、n型エクステンション領域nx1,nx2に、同電位を給電することができる。 First, it has a common part power supply contact plug (first conductive part) CP1 electrically connected to the shared source / drain region SDC. The shared portion power supply contact plug CP1 is electrically connected to the shared source / drain region SDC, thereby supplying the same potential to the n-type extension regions nx1 and nx2, which are regions joined by the same n-type semiconductor region. can do.
また、動作素子用ウェル給電領域VSMに電気的に接続される、動作ウェル給電用コンタクトプラグ(第2導電部)CP2を有する。動作ウェル給電用コンタクトプラグCP2は、動作素子用ウェル給電領域VSMに電気的に接続されることで、同じp型半導体領域で接合する領域である、p型エクステンション領域px1、および、動作素子形成用pウェルPW1に、同電位を給電することができる。 Further, it has an operation well power supply contact plug (second conductive portion) CP2 electrically connected to the operation element well power supply region VSM. The operating well power supply contact plug CP2 is electrically connected to the operating element well power supply region VSM, thereby joining the same p type semiconductor region, the p type extension region px1, and the operating element formation The same potential can be supplied to the p-well PW1.
ここで、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいては、同一セル内の複数個所に存在する上記の共有部給電用コンタクトプラグCP1、および、複数個所に存在する動作ウェル給電用コンタクトプラグCP2は、上層において全て互いに接続されており、同時に給電されるものとする。 Here, in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment, the common part power supply contact plug CP1 present at a plurality of locations in the same cell and the operation well power supply contact present at a plurality of locations. The plugs CP2 are all connected to each other in the upper layer and are supplied with power simultaneously.
また、選択素子用ソース/ドレイン領域SDSに電気的に接続される、読み出し用コンタクトプラグ(第3導電部)CP3を有する。読み出し用コンタクトプラグCP3は、選択素子用ソース/ドレイン領域SDSに電気的に接続されることで、同じn型半導体領域で接合する領域である、n型エクステンション領域nx5に、同電位を供給することができる。 Further, it has a read contact plug (third conductive portion) CP3 that is electrically connected to the source / drain region SDS for the selection element. The read contact plug CP3 supplies the same potential to the n-type extension region nx5, which is a region joined in the same n-type semiconductor region, by being electrically connected to the source / drain region SDS for the selection element. Can do.
ここで、読み出し用トランジスタQRにおける一対のソース/ドレイン領域の一つである、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRに給電する場合を考える。本実施の形態1においては、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRは選択用トランジスタQSのソースまたはドレイン領域ともなっている。従って、選択用トランジスタQSをオン状態としておくことで、選択素子用ソース/ドレイン領域SDSとほぼ同電位を、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRに給電することができる。即ち、本実施の形態1において、選択用トランジスタQSがオン状態であるとき、読み出し用コンタクトプラグCP3は、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRに電気的に接続されていることとなる。 Here, consider the case where power is supplied to the read element source / drain region SDR, which is one of the pair of source / drain regions in the read transistor QR. In the first embodiment, the read element source / drain region SDR is also a source or drain region of the selection transistor QS. Therefore, by setting the selection transistor QS to the on state, substantially the same potential as that of the selection element source / drain region SDS can be supplied to the read element source / drain region SDR. That is, in the first embodiment, when the selection transistor QS is in the on state, the read contact plug CP3 is electrically connected to the read element source / drain region SDR.
また、キャパシタ用ウェル給電領域VSCに電気的に接続される、キャパシタウェル給電用コンタクトプラグ(第4導電部)CP4を有する。キャパシタウェル給電用コンタクトプラグCP4はキャパシタ用ウェル給電領域VSCに電気的に接続されることで、同じp型半導体領域で接合する領域である、p型エクステンション領域px2、および、キャパシタ形成用pウェルPW2に、同電位を給電することができる。 The capacitor well power supply contact plug (fourth conductive portion) CP4 is electrically connected to the capacitor well power supply region VSC. The capacitor well power supply contact plug CP4 is electrically connected to the capacitor well power supply region VSC, so that a p-type extension region px2 and a capacitor formation p-well PW2 are regions that are joined in the same p-type semiconductor region. In addition, the same potential can be supplied.
また、キャパシタ用ソース領域SCに電気的に接続される、キャパシタ用コンタクトプラグ(第5導電部)CP5を有する。キャパシタ用コンタクトプラグCP5はキャパシタ用ソース領域SCに電気的に接続されることで、同じn型半導体領域で接合する領域である、n型エクステンション領域nx6に、同電位を供給することができる。 Further, the capacitor contact plug (fifth conductive portion) CP5 is electrically connected to the capacitor source region SC. The capacitor contact plug CP5 can be supplied to the n-type extension region nx6, which is a region joined by the same n-type semiconductor region, by being electrically connected to the capacitor source region SC.
ここで、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMにおいては、同一セル内の複数個所に存在する上記のキャパシタウェル給電用コンタクトプラグCP4、および、複数個所に存在するキャパシタ用コンタクトプラグCP5は、上層において全て互いに接続されており、同時に給電されるものとする。 Here, in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment, the above-described capacitor well power supply contact plug CP4 present at a plurality of locations in the same cell and the capacitor contact plug CP5 present at a plurality of locations. Are all connected to each other in the upper layer, and are fed simultaneously.
また、選択素子用ゲート電極GESに電気的に接続される、選択ゲート用コンタクトプラグCP6を有する。選択ゲート用コンタクトプラグCP6は選択素子用ゲート電極GESに電気的に接続されることで、選択用トランジスタQSにゲート電圧を印加することができる。 Further, a selection gate contact plug CP6 electrically connected to the selection element gate electrode GES is provided. The selection gate contact plug CP6 is electrically connected to the selection element gate electrode GES, whereby a gate voltage can be applied to the selection transistor QS.
以上の各コンタクトプラグCP1〜CP6において、同一セル内の複数箇所に存在する同一のものは、上層において全て互いに接続されており、同時に給電されるものとする。 In each of the above contact plugs CP1 to CP6, the same ones present at a plurality of locations in the same cell are all connected to each other in the upper layer and are supplied with power simultaneously.
以下では、本実施の形態1で上記のように例示した構成を有する不揮発性メモリセルNVMのセル面積についての、本発明者らの検証に関して説明する。 In the following, the verification by the present inventors regarding the cell area of the nonvolatile memory cell NVM having the configuration exemplified above in the first embodiment will be described.
本実施の形態1で例示した不揮発性メモリセルNVMは、書き込み/消去用素子WD、読み出し用トランジスタQR、選択用トランジスタQS、および、MISキャパシタCを有する。上記の構成は、本発明者らが検討した、図4、図5を用いて説明した構成の不揮発性メモリセルNVMbと同様である。従って、本発明者らが検討した、図1〜図3を用いて説明した構成の不揮発性メモリセルNVMaに見られた、図3を用いて説明した書き込み動作における問題は生じないと期待される。当該メモリ動作の検証は、以下で詳細に説明する。 The nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment includes a write / erase element WD, a read transistor QR, a select transistor QS, and a MIS capacitor C. The above configuration is the same as that of the nonvolatile memory cell NVMb having the configuration described with reference to FIGS. 4 and 5 studied by the present inventors. Therefore, it is expected that the problem in the write operation described with reference to FIG. 3 seen in the nonvolatile memory cell NVMa having the configuration described with reference to FIGS. . The verification of the memory operation will be described in detail below.
ここで、上記図4を用いて説明したように、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMbでは、書き込み・読み出し動作を専属的に担うために別素子とした書き込み/消去用素子WDを、別のウェル(書き込み素子形成用pウェルPWx3)に形成していた。そして、この書き込み素子形成用pウェルPWx3は、第2方向Yに沿った方向に追加する形で、不揮発性メモリセルNVMb内に形成されていた。 Here, as described with reference to FIG. 4, in the nonvolatile memory cell NVMb examined by the present inventors, the write / erase element WD, which is a separate element in order to exclusively handle the write / read operation, is provided. In another well (the writing element forming p well PWx3). The write element forming p well PWx3 is formed in the nonvolatile memory cell NVMb so as to be added in the direction along the second direction Y.
一方、本実施の形態1で例示した不揮発性メモリNVMでは、書き込み/消去用素子WDは、読み出し用トランジスタQRと、同一の動作素子形成用pウェルPW1内に、第1方向Xに沿って並ぶようにして形成している。これにより、浮遊電極FGの一部分であり、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWが延在する第2方向Yに対して新たなウェルや、新たな素子を追加することにはならず、不揮発性メモリセルNVMの面積を縮小することができる。 On the other hand, in the nonvolatile memory NVM exemplified in the first embodiment, the write / erase element WD is arranged along the first direction X in the read transistor QR and the same operating element formation p well PW1. In this way it is formed. Accordingly, a new well or a new element is not added to the second direction Y, which is a part of the floating electrode FG and the write / erase element floating gate electrode GEW extends, and is non-volatile. The area of the memory cell NVM can be reduced.
ただし、書き込み/消去用素子WDを別素子とすることで、構成上、素子数が増えた本実施の形態1の不揮発性メモリセルNVMにおいて、単に同一ウェル内に書き込み/消去用素子WDを形成するだけでは、第1方向Xへの面積の増大が起こる。 However, by using the write / erase element WD as a separate element, the write / erase element WD is simply formed in the same well in the nonvolatile memory cell NVM of the first embodiment in which the number of elements is increased due to the configuration. Only by doing so, the area in the first direction X increases.
このような技術的な課題を、本実施の形態1に例示した不揮発性メモリセルNVMにおいては、以下のように克服している。即ち、正常なメモリ動作を実現できる範囲で、機能的に同一と見なせる半導体領域を共有させることで、素子数増加による面積増大の影響を相殺している。 Such a technical problem is overcome in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment as follows. That is, by sharing a semiconductor region that can be regarded as functionally identical within a range in which normal memory operation can be realized, the influence of an increase in area due to an increase in the number of elements is offset.
具体的には、動作素子形成用pウェルPW1内において、書き込み/消去用素子WDと読み出し用トランジスタQRとは、第1方向Xに沿って並ぶようにして配置され、両素子は、ソースまたはドレイン領域を共有ソース/ドレイン領域SDCとして共有している。更に、書き込み/消去用素子WDの動作時に必要な、半導体層への給電を担う領域と、動作素子形成用pウェルPW1への給電を担う領域とを、動作素子用ウェル給電領域VSMとして共有している。これにより、本実施の形態1で例示した不揮発性メモリセルNVMでは、第1方向Xにおいて、書き込み/消去用素子WDと読み出し用トランジスタQRとを合わせた幅は、MISキャパシタCの幅よりも小さくすることができる。従って、第1方向Xへのセル面積の増大を回避することができる。 Specifically, the write / erase element WD and the read transistor QR are arranged along the first direction X in the operating element formation p-well PW1, and both elements are a source or a drain. The region is shared as a shared source / drain region SDC. Further, a region for supplying power to the semiconductor layer and a region for supplying power to the operating element formation p-well PW1 necessary for the operation of the write / erase element WD are shared as the operating element well power supply region VSM. ing. As a result, in the nonvolatile memory cell NVM illustrated in the first embodiment, the combined width of the write / erase element WD and the read transistor QR in the first direction X is smaller than the width of the MIS capacitor C. can do. Therefore, an increase in the cell area in the first direction X can be avoided.
ここで、上記のように、メモリ動作の信頼性を向上させるために、本実施の形態1で例示する不揮発性メモリセルNVMは、選択用トランジスタQSを用いている。選択用トランジスタQSは、読み出し用トランジスタQRに電気的に直列に接続されるため、動作素子形成用pウェルPW1内に形成されていた。これにより、第1方向Xにおける不揮発性メモリセルNVMの面積の増大が懸念される。これに対し、本実施の形態1では、上記のように、第1方向Xにおいて、書き込み/消去用素子WDと読み出し用トランジスタQRとを合わせた幅は、MISキャパシタCの幅よりも小さくしている。これにより、選択用トランジスタQSを含む動作素子形成用pウェルPW1であっても、その第1方向Xの幅は、キャパシタ形成用pウェルPW2と同程度か、それよりも小さくすることができる。従って、第1方向Xへのセル面積の増大を回避することができる。 Here, as described above, in order to improve the reliability of the memory operation, the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment uses the selection transistor QS. Since the selection transistor QS is electrically connected in series to the read transistor QR, the selection transistor QS is formed in the operating element formation p-well PW1. Thereby, there is a concern about an increase in the area of the nonvolatile memory cell NVM in the first direction X. In contrast, in the first embodiment, as described above, in the first direction X, the combined width of the write / erase element WD and the read transistor QR is made smaller than the width of the MIS capacitor C. Yes. As a result, even in the operating element forming p well PW1 including the selection transistor QS, the width in the first direction X can be the same as or smaller than that of the capacitor forming p well PW2. Therefore, an increase in the cell area in the first direction X can be avoided.
結果として、本実施の形態1で例示した不揮発性メモリセルNVMのセル面積は、本発明者らが先に検討し、上記図1を用いて説明した、セル面積の小さい不揮発性メモリセルNVMaと同程度とすることができる。更に、本発明者らが後に検討し、上記図4を用いて説明した、動作が正常である不揮発性メモリセルNVMbに対しては、ウェルを1つ減らすことが可能となった効果として、第2方向Yに約2/3程度に縮小することができる。 As a result, the cell area of the non-volatile memory cell NVM illustrated in the first embodiment is the same as that of the non-volatile memory cell NVMa having a small cell area, which has been previously examined by the present inventors and described with reference to FIG. It can be about the same. Further, the non-volatile memory cell NVMb which is examined later and described with reference to FIG. 4 and having a normal operation has the following effect. It can be reduced to about 2/3 in the two directions Y.
そこで、本実施の形態1で例示した構成によって面積の縮小が実現できる不揮発性メモリNVMにおいて、本発明者らが検討した不揮発性メモリセルNVMbと同様、書き込み時に問題の無い動作が可能であるかを、本発明者らは検証した。 Therefore, in the nonvolatile memory NVM that can reduce the area by the configuration exemplified in the first embodiment, is it possible to perform an operation without a problem at the time of writing as in the nonvolatile memory cell NVMb examined by the present inventors? The present inventors verified.
引き続き図7に示すように、共有部給電用コンタクトプラグCP1および動作ウェル給電用コンタクトプラグCP2に印加される電圧を動作部供給電圧Vp、読み出し用コンタクトプラグCP3に印加される電圧を読み出しドレイン電圧Vd、ならびに、キャパシタウェル給電用コンタクトプラグCP4およびキャパシタ用コンタクトプラグCP5に印加される電圧をキャパシタ部印加電圧Vcと、それぞれ表す。以下では、MISキャパシタCへの電荷の蓄積、浮遊電極FGに生じる電位、書き込み/消去用素子WDにかかる電界、および、FNトンネリングにより浮遊電極FGに蓄積される電子の挙動などは、上記で本発明者らが先に検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて説明したものと同様であるので、詳細な説明は省略する。 Subsequently, as shown in FIG. 7, the voltage applied to the common part power supply contact plug CP1 and the operation well power supply contact plug CP2 is the operating part supply voltage Vp, and the voltage applied to the read contact plug CP3 is the read drain voltage Vd. In addition, voltages applied to the capacitor well power supply contact plug CP4 and the capacitor contact plug CP5 are represented as a capacitor portion applied voltage Vc, respectively. Hereinafter, the accumulation of charges in the MIS capacitor C, the potential generated in the floating electrode FG, the electric field applied to the write / erase element WD, the behavior of electrons accumulated in the floating electrode FG due to FN tunneling, and the like will be described above. Since it is the same as that described in the nonvolatile memory cell NVMa previously examined by the inventors, detailed description thereof is omitted.
まず、本発明者らが先に検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいて問題が無かった、読み出しおよび消去動作について説明する。 First, read and erase operations will be described, which have no problem in the nonvolatile memory cell NVMa previously examined by the present inventors.
図8に示すように、読み出し動作時には、例えば、動作部供給電圧Vp=0V、読み出しドレイン電圧Vd=1V、および、キャパシタ部印加電圧Vc=+3Vとする。ここで、選択用トランジスタQSがオン状態である場合、読み出しドレイン電圧Vdとほぼ同等の電圧が読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRにも印加される。従って、読み出し用トランジスタQRは、0Vの共有ソース/ドレイン領域SDCをソース、+1Vの読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRをドレインとして、ゲート電極となる読み出し素子用浮遊ゲート電極GERの電位によって変化するソース/ドレインIdsを生じる。 As shown in FIG. 8, at the time of the read operation, for example, the operation unit supply voltage Vp = 0V, the read drain voltage Vd = 1V, and the capacitor unit applied voltage Vc = + 3V. Here, when the selection transistor QS is in the ON state, a voltage substantially equal to the read drain voltage Vd is also applied to the read element source / drain region SDR. Therefore, the read transistor QR has a source that varies depending on the potential of the floating gate electrode GER for the read element serving as a gate electrode, with the shared source / drain region SDC of 0V as the source and the source / drain region SDR for + 1V as the drain. / Drain Ids is generated.
ここで、本発明者らが先に検討した不揮発性メモリセルNVMaにおける読み出し動作に関する説明と同じ理由で、浮遊電極FGの一部である読み出し素子用浮遊ゲート電極GERの電荷蓄積状態は、データ書き込みの有無によって変化する。即ち、読み出し用トランジスタQRは、データ書き込みの有無によって、閾値電圧が変化していることになる。特に、読み出し用トランジスタQRはnチャネル型のトランジスタである。従って、書き込み動作を受けた状態では、読み出し素子用浮遊ゲート電極GERに負電荷である電子が蓄積されており、閾値電圧が上昇していることになる。ソース/ドレイン電流Idsは閾値電圧に対するゲート電位の高低によって著しく変化するから、このソース/ドレイン電流Ids値の違いにより、電荷の蓄積状態、即ちデータの保持状態を判別し、読み出すことができる。 Here, for the same reason as the description regarding the read operation in the nonvolatile memory cell NVMa previously examined by the present inventors, the charge accumulation state of the read element floating gate electrode GER which is a part of the floating electrode FG is the data write It changes depending on the presence or absence. That is, the threshold voltage of the reading transistor QR changes depending on whether data is written. In particular, the reading transistor QR is an n-channel transistor. Therefore, in a state where the write operation is received, electrons that are negative charges are accumulated in the read element floating gate electrode GER, and the threshold voltage is increased. Since the source / drain current Ids varies significantly depending on the level of the gate potential with respect to the threshold voltage, the charge accumulation state, that is, the data retention state, can be determined and read based on the difference in the source / drain current Ids value.
図9に示すように、消去動作時には、例えば、動作部供給電圧Vp=+9V、読み出しドレイン電圧Vdは開放状態、および、キャパシタ部印加電圧Vc=−9Vとする。書き込み/消去用素子WDにおいて、MISキャパシタCへの給電により、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWには−9Vの電圧が印加され、動作素子用ウェル給電領域VSMへの給電により、動作素子形成用pウェルPW1には+9Vの電圧が印加されている。従って、浮遊電極FGに蓄積している電子eは、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWにおいて、動作素子形成用pウェルPW1に向かって18Vの電位差に相当するエネルギーを受ける。これにより、電子eは書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIWをFNトンネリングし、動作素子形成用pウェルPW1に引き抜かれ、データの保持状態を消去することができる。 As shown in FIG. 9, at the time of the erase operation, for example, the operating unit supply voltage Vp = + 9V, the read drain voltage Vd is in an open state, and the capacitor unit applied voltage Vc = −9V. In the write / erase element WD, a voltage of −9 V is applied to the floating gate electrode GEW for the write / erase element by supplying power to the MIS capacitor C, and an operating element is formed by supplying power to the well power supply region VSM for operating element. A voltage of +9 V is applied to the p-well PW1. Accordingly, the electrons e accumulated in the floating electrode FG receive energy corresponding to a potential difference of 18 V toward the operating element formation p-well PW1 in the write / erase element floating gate electrode GEW. As a result, the electrons e FN tunnel the write / erase element gate insulating film GIW and are extracted to the operating element formation p-well PW1, thereby erasing the data holding state.
ここで、p型の素子形成用pウェルPW1と、これに接合するn型の共有ソース/ドレイン領域SDCとは、動作部供給電圧Vpによって同時に昇圧される。従って、当該pn接合での寄生電流の影響は無い。また、同じくp型の動作素子形成用pウェルPW1に接合するn型の選択素子用ソース/ドレイン領域SDSは、独立した給電機構を持つが、開放状態となっているので、当該pn接合においても寄生電流の影響は無い。また、同じくp型の素子形成用pウェルPW1に接合するn型の読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRは、選択用トランジスタQSがオン状態であっても、ほぼ同電位となる選択素子用ソース/ドレイン領域SDSが開放状態であるため、当該pn接合においても寄生電流の影響は無い。 Here, the p-type element forming p-well PW1 and the n-type shared source / drain region SDC joined thereto are boosted simultaneously by the operating unit supply voltage Vp. Therefore, there is no influence of the parasitic current at the pn junction. Similarly, the n-type selection element source / drain region SDS joined to the p-type operation element forming p well PW1 has an independent power feeding mechanism, but is also in an open state. There is no effect of parasitic current. Similarly, the n-type read element source / drain region SDR joined to the p-type element formation p-well PW1 has a selection element source / drain region SDR having substantially the same potential even when the selection transistor QS is on. Since the drain region SDS is in an open state, the pn junction is not affected by the parasitic current.
ここで、本発明者らが先に検討した不揮発性メモリセルNVMaにおいては、図3などを用いて説明したように、書き込み動作時において、信頼性を損なう問題があった。以下では、本実施の形態1で例示した不揮発性メモリセルNVMの書き込み動作を、図10を用いて説明する。 Here, the nonvolatile memory cell NVMa previously examined by the present inventors has a problem of impairing reliability during a write operation as described with reference to FIG. Hereinafter, a write operation of the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment will be described with reference to FIG.
書き込み動作時には、動作部供給電圧Vp=−9V、読み出しドレイン電圧Vdを開放状態、キャパシタ部印加電圧Vc=+9Vとする。 During the write operation, the operating unit supply voltage Vp = −9 V, the read drain voltage Vd is in an open state, and the capacitor unit applied voltage Vc = + 9 V.
書き込み/消去用素子WDにおいて、MISキャパシタC部への給電により、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWは+9Vにバイアスされる。これにより、書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIW下の動作素子形成用pウェルPW1には反転層ILが形成される。更に、動作素子用ウェル給電領域VSMへの給電により、動作素子形成用pウェルPW1は−9Vにバイアスされる。従って、反転層ILに発生する電子eは18Vの電位差に相当するエネルギーを受け、書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIWをFNトンネリングし、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWに注入される。このとき、同じく−9Vにバイアスされた共有ソース/ドレイン領域SDCにより、n型エクステンション領域nx1を通じて、反転層ILに潤滑に電子eが供給される。これにより、浮遊電極FGに電荷を蓄積する、即ちデータを書き込むことができる。 In the write / erase element WD, the write / erase element floating gate electrode GEW is biased to +9 V by supplying power to the MIS capacitor C part. As a result, the inversion layer IL is formed in the operating element formation p well PW1 under the gate insulating film GIW for the write / erase element. Further, the power supply to the operating element well power supply region VSM biases the operating element formation p-well PW1 to −9V. Therefore, the electrons e generated in the inversion layer IL receive energy corresponding to a potential difference of 18 V, and FN tunnel the write / erase element gate insulating film GIW and are injected into the write / erase element floating gate electrode GEW. At this time, electrons e are lubricated to the inversion layer IL through the n-type extension region nx1 by the shared source / drain region SDC similarly biased to −9V. Thereby, charges can be accumulated in the floating electrode FG, that is, data can be written.
ここで、p型の動作素子形成用pウェルPW1と、これに接合するn型の共有ソース/ドレイン領域SDCとは、動作部供給電圧Vpによって同時に降圧される。従って、当該pn接合での寄生電流の影響は無い。また、同じくp型の動作素子形成用pウェルPW1に接合するn型の選択素子用ソース/ドレイン領域SDSは、独立した給電機構を持つが、開放状態となっているので、当該pn接合においても寄生電流の影響は無い。また、同じくp型の動作素子形成用pウェルPW1に接合するn型の読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRは、選択用トランジスタQSがオン状態であっても、ほぼ同電位となる選択素子用ソース/ドレイン領域SDSが開放状態であるため、当該pn接合においても寄生電流の影響は無い。 Here, the p-type operating element forming p well PW1 and the n-type shared source / drain region SDC joined thereto are simultaneously stepped down by the operating unit supply voltage Vp. Therefore, there is no influence of the parasitic current at the pn junction. Similarly, the n-type selection element source / drain region SDS joined to the p-type operation element forming p well PW1 has an independent power feeding mechanism, but is also in an open state. There is no effect of parasitic current. Similarly, the n-type read element source / drain region SDR joined to the p-type operating element forming p well PW1 has a source for the select element that has substantially the same potential even when the select transistor QS is in the ON state. Since the / drain region SDS is in an open state, there is no influence of the parasitic current even in the pn junction.
このとき、本発明者らが先に検討した不揮発性メモリセルNVMaで説明したように、pn接合に係るn型領域のバイアスを開放状態としても、寄生的にp型領域に生じてしまう空乏層DLにおける電界緩和によって、反転層ILの電子eにFNトンネリングに必要な電位差を与えることができず、書き込み不良が起こるという問題があった。 At this time, as described in the nonvolatile memory cell NVMa previously examined by the present inventors, a depletion layer that is parasitically generated in the p-type region even when the bias of the n-type region related to the pn junction is opened. Due to the electric field relaxation in the DL, the potential difference necessary for the FN tunneling cannot be given to the electrons e of the inversion layer IL, and there is a problem that writing failure occurs.
この点、本実施の形態1で例示した不揮発性メモリセルNVMでは、開放状態としているn型領域は選択素子用ソース/ドレイン領域SDS、または、選択用トランジスタQSがオン状態のときに導通する読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRである。これらはいずれも、書き込み時に電子eのFNトンネリングを利用して浮遊電極FGに電荷を蓄積する書き込み/消去用素子WDの構成要素ではなく、構造上も離れている。従って、開放状態にあるn型領域と接合するp型領域で空乏層DLが生じたとしても、書き込み/消去用素子WDでの書き込み動作にはほとんど影響を及ぼさない。結果として、書き込み不良の発生を防止することができる。 In this regard, in the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment, the n-type region that is open is read when the source / drain region SDS for the selection element or the selection transistor QS is turned on. This is an element source / drain region SDR. These are not structural elements of the writing / erasing element WD that accumulates electric charges in the floating electrode FG using FN tunneling of electrons e at the time of writing, but are separated from each other in structure. Therefore, even if the depletion layer DL is generated in the p-type region joined to the n-type region in the open state, the write operation in the write / erase element WD is hardly affected. As a result, it is possible to prevent the occurrence of writing failure.
上記の効果は、読み出し動作と、書き込み/消去動作とを担う素子を異なる素子としたことによる。 The above effect is due to the fact that the elements responsible for the read operation and the write / erase operation are different elements.
まず、書き込み/消去動作を専属的に担う素子は、トランジスタとしての機能を必要とせず、ソース/ドレイン領域のように、異なるバイアス条件となる一対のn型半導体領域を必要としない。従って、トランジスタ機能を要する読み出しを担う素子を別素子とすることで、書き込みを担う素子では、反転領域への電子供給層とウェル給電層とに一括して同電位を給電することができる。結果として、給電タイミングのずれによる寄生pn接合の影響を防止することができる。 First, an element that is exclusively responsible for write / erase operations does not need a function as a transistor, and does not need a pair of n-type semiconductor regions that have different bias conditions like the source / drain regions. Therefore, by making the element responsible for reading that requires a transistor function a separate element, the element responsible for writing can collectively supply the same potential to the electron supply layer and the well power supply layer to the inversion region. As a result, it is possible to prevent the influence of the parasitic pn junction due to the shift of the feeding timing.
また、読み出しを専属的に担う素子には、書き込み/消去動作時のバイアスを必要とせず、寄生的に生じるpn接合は開放状態とするのが望ましい。ここで、読み出しを担う素子を別素子とすることで、書き込みを担う素子では、電界緩和による書き込み不良をもたらす空乏層DLの発生を防止することができる。結果として、信頼性の高い不揮発性メモリセルNVMを実現することができる。 In addition, it is desirable that a device exclusively responsible for reading does not require a bias at the time of writing / erasing operation, and a parasitic pn junction is opened. Here, when the element responsible for reading is a separate element, the element responsible for writing can prevent the occurrence of a depletion layer DL that causes a writing failure due to electric field relaxation. As a result, a highly reliable nonvolatile memory cell NVM can be realized.
以上のように、本実施の形態1で例示した構成の不揮発性メモリセルNVMによれば、寄生pn接合電流による素子破壊、または、書き込み不良などを引き起こすことなく、書き込み動作を実現することができる。結果として、本実施の形態1で例示した技術により、不揮発性メモリの信頼性の低下をもたらすことなく、集積度を向上させることができる。 As described above, according to the nonvolatile memory cell NVM having the configuration exemplified in the first embodiment, a write operation can be realized without causing element destruction due to a parasitic pn junction current or a write failure. . As a result, the degree of integration can be improved without reducing the reliability of the nonvolatile memory by the technique exemplified in the first embodiment.
(実施の形態2)
上記実施の形態1においては、1bitの情報を記録する単一の不揮発性メモリセルNVMの構成を例示した。実際のメモリ回路では、このようなメモリセルをアレイ状に配置し、それぞれを結線することで、多bitの情報を記録する不揮発性メモリとしている。本実施の形態2では、上記実施の形態1で例示した不揮発性メモリセルNVMをアレイ状に配置して用いるメモリ回路を例示する。なお、図13〜図25の説明は、本実施の形態2における不揮発性メモリセルNVMの書き込み動作および消去動作を説明したものである。このとき、選択用トランジスタQSはオン状態にあるとすれば、等価的に、読み出し用コンタクトプラグCP3は読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRに接続されているとして良い。従って、図13〜図25の説明では、選択用トランジスタQSはオン状態にあるとし、記載を省略する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the configuration of a single nonvolatile memory cell NVM that records 1-bit information is exemplified. In an actual memory circuit, such memory cells are arranged in an array and are connected to each other to form a non-volatile memory that records multi-bit information. In the second embodiment, a memory circuit in which the nonvolatile memory cells NVM exemplified in the first embodiment are arranged in an array is illustrated. The description of FIGS. 13 to 25 describes the write operation and erase operation of the nonvolatile memory cell NVM in the second embodiment. At this time, if the selection transistor QS is in the ON state, the read contact plug CP3 may be equivalently connected to the read element source / drain region SDR. Accordingly, in the description of FIGS. 13 to 25, the selection transistor QS is assumed to be in an on state, and the description is omitted.
図11は、本実施の形態2で例示する、不揮発性メモリセルNVMへの給電方法を説明するために、上記実施の形態1で例示した単一の不揮発性メモリセルNVMの平面図を示したものである。 FIG. 11 shows a plan view of the single nonvolatile memory cell NVM exemplified in the first embodiment to describe the power supply method to the nonvolatile memory cell NVM exemplified in the second embodiment. Is.
第1に、不揮発性メモリセルNVMの書き込み/消去用素子WDが有する共有ソース/ドレイン領域SDCおよび動作素子用ウェル給電領域VSMには、第2方向Yに延在するビット線(ビットライン、データ線、または、データラインとも言う)BLが電気的に接続されている。即ち、ビット線BLは、共有部給電用コンタクトプラグCP1および動作ウェル給電用コンタクトプラグCP2に電気的に接続され、これらに給電することができる。 First, the shared source / drain region SDC and the operating element well power supply region VSM included in the write / erase element WD of the nonvolatile memory cell NVM have bit lines (bit lines, data) extending in the second direction Y. BL (also referred to as a line or a data line) is electrically connected. In other words, the bit line BL is electrically connected to the shared portion power supply contact plug CP1 and the operation well power supply contact plug CP2, and can supply power thereto.
上記実施の形態1で図6、図7を用いて説明した不揮発性メモリセルNVMとの対比により、ビット線BLには、動作部供給電圧Vpが印加されることになる。 By comparison with the nonvolatile memory cell NVM described with reference to FIGS. 6 and 7 in the first embodiment, the operating unit supply voltage Vp is applied to the bit line BL.
第2に、不揮発性メモリセルNVMの読み出し用トランジスタQRが有する読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRには、第2方向Yに延在する読み出しビット線rBLが、選択用トランジスタQSを介して、電気的に接続されている。即ち、読み出しビット線rBLは、読み出し用コンタクトプラグCP3に電気的に接続され、これに給電することができる。また、読み出し動作時には、読み出しビット線rBLに供給された電圧は、制御線(または制御ライン)SLによって選択用トランジスタQSがオン状態とされたビットのみが、読み出し素子用ソース/ドレイン領域SDRへ供給される。 Second, in the read element source / drain region SDR included in the read transistor QR of the nonvolatile memory cell NVM, the read bit line rBL extending in the second direction Y is electrically connected via the selection transistor QS. Connected. That is, the read bit line rBL is electrically connected to the read contact plug CP3 and can supply power thereto. In the read operation, the voltage supplied to the read bit line rBL is supplied to the read element source / drain region SDR only from the bit in which the selection transistor QS is turned on by the control line (or control line) SL. Is done.
上記実施の形態1で図6、図7を用いて説明した不揮発性メモリセルNVMとの対比により、読み出しビット線rBLには、読み出しドレイン電圧Vdが印加されることになる。 In comparison with the nonvolatile memory cell NVM described with reference to FIGS. 6 and 7 in the first embodiment, the read drain voltage Vd is applied to the read bit line rBL.
第3に、不揮発性メモリセルNVMのMISキャパシタCが有するキャパシタ用ウェル給電領域VSCおよびキャパシタ用ソース領域SCには、第1方向Xに延在するワード線(ワードラインとも言う)WLが電気的に接続されている。即ち、ワード線WLは、キャパシタウェル給電用コンタクトプラグCP4およびキャパシタ用コンタクトプラグCP5に電気的に接続され、これらに給電することができる。 Third, a word line (also referred to as a word line) WL extending in the first direction X is electrically connected to the capacitor well power supply region VSC and the capacitor source region SC of the MIS capacitor C of the nonvolatile memory cell NVM. It is connected to the. That is, the word line WL is electrically connected to the capacitor well power supply contact plug CP4 and the capacitor contact plug CP5 and can supply power thereto.
上記実施の形態1で図6、図7を用いて説明した不揮発性メモリセルNVMとの対比により、ワード線WLには、キャパシタ部印加電圧Vcが印加されることになる。 By comparison with the nonvolatile memory cell NVM described with reference to FIGS. 6 and 7 in the first embodiment, the capacitor portion applied voltage Vc is applied to the word line WL.
図12に示すように、実際のメモリアレイMemでは、例えば不揮発性メモリセルNVM11,NVM12,NVM13,NVM14などが、第1方向Xの同じ行に配置され、例えば不揮発性メモリセルNVM11,NVM21,NVM31などが、第2方向Yの同じ列に配置される。本実施の形態2で例示するメモリアレイMemは、上記のようなアレイ状の配置によって、構成されているとする。 As shown in FIG. 12, in the actual memory array Mem, for example, nonvolatile memory cells NVM11, NVM12, NVM13, NVM14, etc. are arranged in the same row in the first direction X, for example, nonvolatile memory cells NVM11, NVM21, NVM31. Are arranged in the same row in the second direction Y. The memory array Mem exemplified in the second embodiment is assumed to be configured by the array arrangement as described above.
同じ行に配置された、例えば不揮発性メモリセルNVM11〜NVM14などは、同一のワード線WL10によって結線されている。また、同じ列に配置された、例えば不揮発性メモリNVM11〜NVM31などは、同一のビット線BL01、または、同一の読み出しビット線rBL01によって結線されている。そして、ビット線BLまたは読み出しビット線rBLのいずれかと、ワード線WLとを一組指定することで、任意の不揮発性メモリセルNVMを選択することができる。 Non-volatile memory cells NVM11 to NVM14, for example, arranged in the same row are connected by the same word line WL10. Further, for example, the non-volatile memories NVM11 to NVM31 arranged in the same column are connected by the same bit line BL01 or the same read bit line rBL01. An arbitrary nonvolatile memory cell NVM can be selected by designating one set of either the bit line BL or the read bit line rBL and the word line WL.
本実施の形態2においては、例えば、図12中でハッチングを付した不揮発性メモリセルNVM22に書き込み動作を施す場合を例示する。図13には、不揮発性メモリセルNVM22における、MISキャパシタC、読み出し用トランジスタQR、および、書き込み/消去用素子WDの断面と、それらへのバイアス状態を示す。以下では、図12と併せて、書き込み動作の説明に用いる。
In the second embodiment, for example, a case where the write operation is performed on the non-volatile
不揮発性メモリセルNVM22に書き込み動作を施すためには、ワード線WL20に+9V、ビット線BL02に−9Vを印加する。ここで、上記実施の形態1において、図9、図10などを用いて説明したように、不揮発性メモリセルNVMにおいては、キャパシタ部印加電圧Vcと動作部供給電圧Vpとの差が、書き込み/消去用素子WDの書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと、動作素子形成用pウェルPW1との間に生じる電位差となる。即ち、本実施の形態2においては、セルに導通するビット線とワード線との電位差がこれに相当する。 In order to perform a write operation on the nonvolatile memory cell NVM22, + 9V is applied to the word line WL20 and −9V is applied to the bit line BL02. Here, as described with reference to FIGS. 9 and 10 in the first embodiment, in the nonvolatile memory cell NVM, the difference between the capacitor unit applied voltage Vc and the operating unit supply voltage Vp is the write / This is a potential difference generated between the write / erase element floating gate electrode GEW of the erase element WD and the operating element formation p-well PW1. That is, in the second embodiment, the potential difference between the bit line and the word line conducted to the cell corresponds to this.
従って、不揮発性メモリセルNVM22においては、書き込み/消去用素子WDの書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと、動作素子形成用pウェルPW1との間には、約18Vの電位差が生じる。これは、上記実施の形態1において図10を用いて説明した不揮発性メモリセルNVMへの書き込み動作と同様のバイアス条件であり、書き込み動作が施されることになる。 Therefore, in the nonvolatile memory cell NVM22, a potential difference of about 18 V is generated between the write / erase element floating gate electrode GEW of the write / erase element WD and the operating element formation p-well PW1. This is the same bias condition as the write operation to the nonvolatile memory cell NVM described with reference to FIG. 10 in the first embodiment, and the write operation is performed.
即ち、不揮発性メモリセルNVM22では、上記の電位差を受けたFNトンネリングにより、書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIW直下の反転層ILから、浮遊電極FGに電子eが注入される。その結果、読み出し用トランジスタQRの閾値電圧は上昇することになる。 That is, in the nonvolatile memory cell NVM22, electrons e are injected into the floating electrode FG from the inversion layer IL immediately below the write / erase element gate insulating film GIW by FN tunneling that receives the above-described potential difference. As a result, the threshold voltage of the read transistor QR increases.
図14は、書き込み時間に対する、読み出し用トランジスタQRの閾値電圧の変化を表すグラフ図である。図中にて特性ex1として示しているのが、上記の書き込み動作を受けた不揮発性メモリセルNVM22の特性である。書き込みセルである不揮発性メモリセルNVM22において、書き込み時間の経過とともに、浮遊電極FGに電子が注入され、読み出し用トランジスタQRの閾値電圧が上昇していることが分かる。上記実施の形態1において図8を用いて説明したように、この閾値電圧の違いを利用してデータの保持状態を判別する。 FIG. 14 is a graph showing a change in the threshold voltage of the read transistor QR with respect to the write time. In the figure, the characteristic ex1 indicates the characteristic of the nonvolatile memory cell NVM22 that has undergone the above write operation. It can be seen that in the nonvolatile memory cell NVM22 which is a writing cell, electrons are injected into the floating electrode FG as the writing time elapses, and the threshold voltage of the reading transistor QR increases. As described with reference to FIG. 8 in the first embodiment, the data holding state is determined using this difference in threshold voltage.
ここで、本実施の形態2では、メモリアレイMemにおいて、書き込み動作に必要な上記のバイアス条件を受けていないセルについて考察する。 Here, in the second embodiment, a cell that does not receive the bias condition necessary for the write operation in the memory array Mem will be considered.
例えば、不揮発性メモリセルNVM11,NVM13,NVM14,NVM31,NVM33,NVM34は、−9Vのビット線BL02および+9Vのワード線WL20の両方に電気的に接続されておらず、電荷の移動などいかなる影響も及ばない。 For example, the non-volatile memory cells NVM11, NVM13, NVM14, NVM31, NVM33, and NVM34 are not electrically connected to both the −9V bit line BL02 and the + 9V word line WL20, and are not affected by any effect such as charge movement. It doesn't reach.
一方、ビット線BL02、または、ワード線WL20のいずれかの給電を受けるセルに着目する。 On the other hand, attention is focused on a cell that receives power from either the bit line BL02 or the word line WL20.
第1に、図12における不揮発性メモリセルNVM12,NVM32などでは、+9Vのワード線WL20からは外れているものの、−9Vのビット線BL02には電気的に接続されている。従って、不揮発性メモリセルNVM12,NVM32などは、このビット線BL02からの給電によって、以下のような影響を受ける。 First, the non-volatile memory cells NVM12, NVM32, etc. in FIG. 12 are electrically connected to the −9V bit line BL02 although they are disconnected from the + 9V word line WL20. Therefore, the nonvolatile memory cells NVM12, NVM32, and the like are affected as follows by the power supply from the bit line BL02.
図15は、ビット線BL02に接続されている、例えば不揮発性メモリセルNVM12の断面図を示したものである。上記のようなバイアス条件により、動作素子形成用pウェルPW1には−9Vの電圧が印加され、書き込み/消去用素子WDの書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと、動作素子形成用pウェルPW1との間には、約9Vの電位差が生じることになる。 FIG. 15 shows a cross-sectional view of, for example, the nonvolatile memory cell NVM12 connected to the bit line BL02. Under the bias conditions as described above, a voltage of −9 V is applied to the operating element forming p well PW1, and the writing / erasing element floating gate electrode GEW of the writing / erasing element WD and the operating element forming p well PW1. Therefore, a potential difference of about 9V is generated.
この9Vという電位差は、上記の書き込み動作時(18V)のように、反転層ILの電子eを、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWに、FNトンネリングにより潤滑に注入し得るほどのエネルギーには相当しない。しかしながら、9Vの電位差で電子eのFNトンネリングが完全に起こらないというわけではない。従って、書き込み時間の経過とともに、浮遊電極FGに注入される電子は徐々に増加していく。 This potential difference of 9 V is not high enough to allow the electrons e of the inversion layer IL to be smoothly injected into the write / erase element floating gate electrode GEW by FN tunneling as in the write operation (18 V). Not equivalent. However, FN tunneling of electrons e does not completely occur at a potential difference of 9V. Therefore, the electrons injected into the floating electrode FG gradually increase as the writing time elapses.
再び、図14において、図中にて特性ex2として示しているのが、上記のビット線BL02からの給電を受けた不揮発性メモリセルNVM12の特性である。書き込み時間の経過とともに、読み出し用トランジスタQRの閾値電圧が上昇している。これは、FNトンネリングにより浮遊電極FGに注入される電子の蓄積によるものであるが、ビット線BL02のみによる電位差が9Vと、通常の書き込み動作時よりも小さいため、閾値電圧の立ち上がり、および、飽和も小さい。 Again in FIG. 14, what is indicated as a characteristic ex2 in the figure is the characteristic of the nonvolatile memory cell NVM12 that is supplied with power from the bit line BL02. As the write time elapses, the threshold voltage of the read transistor QR increases. This is due to accumulation of electrons injected into the floating electrode FG by FN tunneling. However, since the potential difference due to only the bit line BL02 is 9 V, which is smaller than that in the normal write operation, the threshold voltage rises and is saturated. Is also small.
しかしながら、書き込みの対象として選択されていない不揮発性メモリセルNVM12などにおいて、上記のような閾値電圧の上昇が起こることは、誤書き込みの可能性を有することになる。このように、本来書き込みの対象に無いものの、給電されているビット線BL02列の影響を受けて起こる、不揮発性メモリセルNVM12,NVM32などにおける読み出し用トランジスタQRの閾値電圧の上昇を、ディスターブ現象などと称する。特に、上記のように動作素子形成用pウェルPW1への給電で起こるディスターブ現象を、ウェルディスターブ(またはデータディスターブ)現象という。 However, in the nonvolatile memory cell NVM12 that is not selected as a write target, an increase in the threshold voltage as described above has a possibility of erroneous writing. As described above, an increase in the threshold voltage of the read transistor QR in the nonvolatile memory cells NVM12, NVM32, etc., which is not originally a target of writing, but is affected by the bit line BL02 column supplied with power, may be disturbed. Called. In particular, the disturb phenomenon that occurs as a result of the power supply to the operating element formation p-well PW1 as described above is referred to as a well disturb (or data disturb) phenomenon.
第2に、図12における不揮発性メモリセルNVM21,NVM23,NVM24などでは、−9Vのビット線BL02からは外れているものの、+9Vのワード線WL20には電気的に接続されている。従って、図16に例えば不揮発性メモリセルNVM24の断面を示すように、上記と同様に、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと、動作素子形成用pウェルPW1との間に生じる電位差でFNトンネリングする電子eによって、ディスターブ現象が起こる。 Secondly, the nonvolatile memory cells NVM21, NVM23, NVM24, etc. in FIG. 12 are electrically connected to the + 9V word line WL20, although they are disconnected from the −9V bit line BL02. Therefore, for example, as shown in FIG. 16 showing a cross-section of the nonvolatile memory cell NVM24, FN tunneling is caused by the potential difference generated between the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1. The disturb phenomenon occurs due to the electrons e.
ただし、この場合の電位差は以下のようにして当該領域に生じるものである。まず、ワード線WL20の+9Vがキャパシタ形成用pウェルPW2に印加される。これを受け、キャパシタ用ゲート絶縁膜GICを介して対向するキャパシタ用浮遊ゲート電極GECでは、キャパシタ形成用pウェルPW2の正電位に相当する負電位となるように、電荷の移動が起こる。そして、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECを備える浮遊電極FGでは、元の電荷状態を保存するために、浮遊電極FGの一部である書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWには、キャパシタ用浮遊ゲート電極GECに移動した負電荷に相当する正電荷が充電される。上記の、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと動作素子形成用pウェルPW1との間に生じる電位差とは、この正電荷によるものである。従って、上記の経路の間には電圧降下が起こっており、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと、動作素子形成用pウェルPW1との間に生じる電位差は、キャパシタ形成用pウェルPW2に印加された+9Vに比べて低くなる。 However, the potential difference in this case is generated in the region as follows. First, +9 V of the word line WL20 is applied to the capacitor forming p-well PW2. In response to this, in the capacitor floating gate electrode GEC opposed via the capacitor gate insulating film GIC, charge movement occurs so as to have a negative potential corresponding to the positive potential of the capacitor forming p well PW2. In the floating electrode FG including the capacitor floating gate electrode GEC, the write / erase element floating gate electrode GEW which is a part of the floating electrode FG includes a capacitor floating gate electrode in order to preserve the original charge state. A positive charge corresponding to the negative charge moved to the GEC is charged. The potential difference generated between the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1 is due to this positive charge. Therefore, a voltage drop occurs between the above paths, and the potential difference generated between the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1 is applied to the capacitor formation p-well PW2. Compared to the + 9V applied.
ここで、再び、図14において、図中にて特性ex3として示しているのが、上記のワード線WL20からの給電を受けた不揮発性メモリセルNVM24の特性である。書き込み時間の経過とともに、ディスターブ現象が起こっている。しかし、ビット線BL02によるウェルディスターブ現象を表す特性ex2に比べて、その程度は小さい。このように、本来書き込みの対象に無いものの、給電されているワード線WL20の影響を受けて起こる、不揮発性メモリセルNVM21,NVM23,NVM24などにおける誤書き込み現象を、ワードディスターブなどと表現する。 Here, in FIG. 14 again, what is indicated as the characteristic ex3 in the drawing is the characteristic of the nonvolatile memory cell NVM24 that is supplied with power from the word line WL20. As the writing time elapses, the disturb phenomenon occurs. However, the degree is smaller than the characteristic ex2 representing the well disturb phenomenon caused by the bit line BL02. As described above, an erroneous write phenomenon in the nonvolatile memory cells NVM21, NVM23, NVM24, etc., which is not originally a target of writing, but occurs due to the influence of the supplied word line WL20 is expressed as word disturb or the like.
上記のように、ディスターブしたセルをそのままの状態で用いると、周辺のセルへの繰り返しの書き込みなどにより、当該セルは書き込み動作を受けていないにも関わらず、読み出し用トランジスタの閾値電圧が書き込み状態と同等になってしまう可能性がある。これは、誤書き込みの可能性を有することを意味する。 As described above, when the disturbed cell is used as it is, the threshold voltage of the reading transistor is in the writing state even though the cell has not been subjected to the writing operation due to repeated writing to the surrounding cells. May become equivalent. This means that there is a possibility of erroneous writing.
また、メモリ回路などにおいては、高集積化のための素子面積の縮小の要求から、スケーリング則によって、印加電圧が下げられる場合がある。このとき、上記のように、書き込みを施されていないにも関わらず、ディスターブを受けて閾値電圧が上昇したメモリセルを含んでいると、通常通り書き込みを施したメモリセルの閾値電圧とのマージンが小さくなる。これは、スケーリングの制限となる可能性を有する。 In a memory circuit or the like, an applied voltage may be lowered by a scaling law because of a demand for reducing an element area for high integration. At this time, as described above, if a memory cell whose threshold voltage has increased due to a disturbance even though no writing has been performed is included, a margin from the threshold voltage of the memory cell to which writing has been performed normally is included. Becomes smaller. This has the potential to limit scaling.
従って、本実施の形態2で例示する、不揮発性メモリセルNVMからなるメモリアレイMemにおいて、ディスターブによる閾値電圧の上昇を引き起こさないことが望ましい。以下では、書き込みのためにバイアスされたビット線BLおよびワード線WLのいずれか一方に接続された不揮発性メモリセルNVMにおいても、ディスターブを回避し得る技術を例示する。 Therefore, in the memory array Mem composed of the nonvolatile memory cells NVM exemplified in the second embodiment, it is desirable not to cause an increase in the threshold voltage due to the disturb. Hereinafter, a technique capable of avoiding disturbance even in the nonvolatile memory cell NVM connected to either the bit line BL or the word line WL biased for writing will be described.
図17は、本実施の形態2で例示するメモリアレイMemへの書き込み状態を示す平面図である。通常、メモリアレイMemへの書き込みをする際、複数のビット線BL02,BL04,BL07,BL09などに−9Vを印加し、同時に一つのワード線WL40などに+9Vを印加する。これにより、バイアスされたビット線BL02,BL04,BL07,BL09とワード線WL40とに接続される不揮発性メモリセルNVM42,NVM44,NVM47,NVM49などが、書き込み動作を受ける。なお、バイアスするビット線、ワード線の本数は、それぞれ複数、単数、または、それらの組み合わせであっても良い。 FIG. 17 is a plan view showing a write state to the memory array Mem exemplified in the second embodiment. Normally, when writing to the memory array Mem, −9V is applied to a plurality of bit lines BL02, BL04, BL07, BL09 and the like, and + 9V is simultaneously applied to one word line WL40 and the like. As a result, the nonvolatile memory cells NVM42, NVM44, NVM47, NVM49, etc. connected to the biased bit lines BL02, BL04, BL07, BL09 and the word line WL40 undergo a write operation. Note that the number of bit lines and word lines to be biased may be plural, singular, or a combination thereof.
このとき、上記図14、図15などを用いて説明したように、−9Vにバイアスされたビット線BL02,BL04,BL07,BL09に接続されており、かつ、+9Vにバイアスされたワード線WL40には接続されていない不揮発性メモリセルNVM02,NVM04,NVM07,NVM09は、ウェルディスターブを起こす。 At this time, as described with reference to FIGS. 14 and 15 and the like, the bit lines BL02, BL04, BL07, and BL09 biased to −9V are connected to the word line WL40 biased to + 9V. Non-volatile memory cells NVM02, NVM04, NVM07, and NVM09 that are not connected to each other cause well disturb.
また、上記図14、図16などを用いて説明したように、+9Vにバイアスされたワード線WL40に接続されており、かつ、−9Vにバイアスされたビット線BL02,BL04,BL07,BL09には接続されていない不揮発性メモリセルNVM40は、ワードディスターブを起こす。 Further, as described with reference to FIGS. 14 and 16, the bit lines BL02, BL04, BL07, and BL09 that are connected to the word line WL40 biased to + 9V and biased to −9V Non-volatile memory cells NVM 40 that are not connected cause word disturb.
本実施の形態2では、上記のディスターブを防止するために、セルの選択に用いておらず、通常、バイアスの対象とならない、所謂非選択のビット線BLおよびワード線WLに、特定の電圧を印加する技術を例示する。 In the second embodiment, in order to prevent the above-described disturbance, a specific voltage is applied to so-called unselected bit lines BL and word lines WL that are not used for cell selection and are not normally biased. The technique to apply is illustrated.
第1に、ワード線WLにおいて、+9Vにバイアスされた選択ワード線WL40以外の、例えばワード線WL60などに、−3Vの電圧を印加する。ここで、ウェルディスターブが懸念されるメモリセルの中で、上記のワード線WL60の−3Vのバイアスを受けるものの一例として、不揮発性メモリセルNVM64の要部断面図を図18に示す。また、図19には、この不揮発性メモリセルNVM64における閾値電圧の、書き込み時間に対する変化を示す。図中では、特性ex4と示した曲線が、当該不揮発性メモリセルNVM64の特性である。 First, in the word line WL, a voltage of −3 V is applied to the word line WL60, for example, other than the selected word line WL40 biased to + 9V. Here, FIG. 18 shows a cross-sectional view of the main part of the nonvolatile memory cell NVM64 as an example of the memory cell that is subject to well disturb, which receives the −3 V bias of the word line WL60. FIG. 19 shows the change of the threshold voltage in the nonvolatile memory cell NVM64 with respect to the writing time. In the drawing, the curve indicated by the characteristic ex4 is the characteristic of the nonvolatile memory cell NVM64.
書き込み/消去用素子WDにおいて、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと動作素子形成用pウェルPW1との間に生じる電位差は、ビット線BL04とワード線WL60とに印加される電圧の差であるから、上記の不揮発性メモリセルNVM64においては、約6Vとなる。従って、図14の状態に比べて、書き込み/消去用素子WDにおける電子の注入は少なくなり、閾値電圧の上昇が抑えられる。即ち、上記のように、書き込み動作のためのワード線WLのバイアスを必要としないメモリセルに対して−3V程度の電圧を印加することで、ウェルディスターブを緩和することができる。結果として、不揮発性メモリの信頼性を向上させることができる。 In the write / erase element WD, a potential difference generated between the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1 is a difference between voltages applied to the bit line BL04 and the word line WL60. Therefore, in the above-described nonvolatile memory cell NVM64, the voltage is about 6V. Therefore, compared with the state of FIG. 14, the injection of electrons in the write / erase element WD is reduced, and an increase in threshold voltage is suppressed. That is, as described above, well disturb can be alleviated by applying a voltage of about −3 V to a memory cell that does not require the bias of the word line WL for the write operation. As a result, the reliability of the nonvolatile memory can be improved.
ここでは、ワード線WL60に−3Vのバイアスを施し、不揮発性メモリセルNVM64のウェルディスターブを緩和する技術を一例として説明した。一方、書き込み動作のための+9Vのバイアスを施すワード線WL40以外には、全て同様の技術を適用し、不揮発性メモリセルNVM02,NVM04,NVM07,NVM09のウェルディスターブを緩和させることができる。 Here, the technique of applying a bias of −3 V to the word line WL60 to alleviate the well disturb of the nonvolatile memory cell NVM64 has been described as an example. On the other hand, except for the word line WL40 to which a bias of +9 V for the write operation is applied, the same technique can be applied to alleviate the well disturb of the nonvolatile memory cells NVM02, NVM04, NVM07, and NVM09.
また、ワードディスターブを生じる不揮発性メモリセルNVM40においても、同様の技術により、効果を緩和することができる。 Also, the effect can be mitigated by the same technique in the nonvolatile memory cell NVM40 that causes word disturb.
再び、図17に示すように、ワードディスターブを生じる不揮発性メモリセルNVM40においては、ワード線40による+9Vの電圧を緩和させるために、それぞれ、書き込み対象ではないビット線BL01,BL03,BL05,BL06,BL08などに、+3Vの正電圧を印加する。これにより、ワードディスターブを緩和させることができる。 Again, as shown in FIG. 17, in the non-volatile memory cell NVM 40 that causes word disturb, in order to relax the + 9V voltage caused by the word line 40, the bit lines BL01, BL03, BL05, BL06, which are not write targets, respectively. A positive voltage of +3 V is applied to BL08 and the like. Thereby, word disturb can be relieved.
ここで、上記のディスターブを緩和する技術において、ウェルディスターブを緩和するためのワード線WLへのバイアスと、ワードディスターブを緩和するためのビット線BLへのバイアスは、同時に適用しても良く、特定のワード線WLまたはビット線BLに個別に適用しても、一括して適用しても良い。 Here, in the above-described technology for mitigating disturbance, the bias to the word line WL for mitigating the well disturb and the bias to the bit line BL for mitigating the word disturb may be applied simultaneously. The word lines WL or the bit lines BL may be applied individually or collectively.
本実施の形態2では、書き込み時のディスターブを緩和することを目的として、本来バイアスの必要ないワード線WLおよびビット線BLにバイアスを施した。従って、本来書き込み動作時にいかなる給電も受けず、ディスターブを生じることのなかったメモリセル(例えば、不揮発性メモリセルNVM11など)にも、給電されることになる。これにより、当該メモリセルにおけるディスターブの発生が懸念される。 In the second embodiment, the word line WL and the bit line BL, which originally do not need to be biased, are biased for the purpose of alleviating disturbance during writing. Therefore, the memory cell (for example, the non-volatile memory cell NVM11) that originally did not receive any power supply during the write operation and did not cause disturbance is also supplied with power. As a result, there is a concern about the occurrence of disturbance in the memory cell.
これに対し、本実施の形態2では、ディスターブの回避を目的としたビット線BLおよびワード線WLへのバイアスを±3Vとしている。従って、ウェルディスターブおよびワードディスターブの両方を回避する場合であっても、電位差は6V程度であり、問題となる大きな閾値電圧の上昇は起こらない。 On the other hand, in the second embodiment, the bias to the bit line BL and the word line WL for the purpose of avoiding disturbance is set to ± 3V. Therefore, even when both of the well disturb and the word disturb are avoided, the potential difference is about 6 V, and a large threshold voltage that causes a problem does not increase.
次に、消去動作時に生じるディスターブの回避技術を説明する。 Next, a technique for avoiding disturbance that occurs during the erase operation will be described.
本発明者らの検討によれば、例えば、LCDドライバなどのトリミングを目的として半導体チップの中に形成された不揮発性メモリは、そのトリミングのための情報を保持する領域と、出荷後にデータを書き換えられる領域とを備えていることが要求される。従って、データを書き換える対象の領域を設け、そこでは、一括して情報が消去されることを想定して、不揮発性メモリを構成しなければならない。ここで、本発明者らの更なる検討によれば、この書き換え用の不揮発性メモリを別のチップとする手法では、チップ面積の顕著な増大をもたらし、望ましくない技術である。 According to studies by the present inventors, for example, a nonvolatile memory formed in a semiconductor chip for the purpose of trimming, such as an LCD driver, has an area for holding information for trimming, and data is rewritten after shipment. And an area to be provided. Therefore, an area for rewriting data is provided, and the nonvolatile memory must be configured on the assumption that information is erased collectively. Here, according to a further study by the present inventors, the technique of using this non-volatile memory for rewriting as another chip is an undesirable technique because it causes a significant increase in chip area.
図20は、同一チップ内に配列された不揮発性メモリNVMからなるメモリアレイMemに対して施される、特定領域の一括消去動作を説明するための平面図である。ここでは、メモリアレイMemを構成する不揮発性メモリセルNVMを、ビット線BLの延在する方向に沿って2つの領域に分け、一方の領域を消去マットEMとして、消去マットEMに属する不揮発性メモリセルNVMeを一括して消去する。他方の領域を非消去マットKMとして、非消去マットKMに属する不揮発性メモリセルNVMkではデータの消去は行わない。図21には、消去マットEMに属する不揮発性メモリセルNVMeの要部断面図を示す。図22には、非消去マットKMに属する不揮発性メモリセルNVMkの要部断面図を示す。 FIG. 20 is a plan view for explaining a batch erase operation for a specific area, which is performed on the memory array Mem including the nonvolatile memories NVM arranged in the same chip. Here, the nonvolatile memory cell NVM constituting the memory array Mem is divided into two regions along the extending direction of the bit line BL, and one region is defined as the erase mat EM, and the nonvolatile memory belonging to the erase mat EM The cells NVMe are erased collectively. The other area is set as a non-erasable mat KM, and data is not erased in the nonvolatile memory cell NVMk belonging to the non-erasable mat KM. FIG. 21 is a cross-sectional view of the main part of the nonvolatile memory cell NVMe belonging to the erase mat EM. FIG. 22 is a cross-sectional view of the main part of the nonvolatile memory cell NVMk belonging to the non-erasable mat KM.
上記実施の形態1において図9を用いて説明したように、不揮発性メモリセルNVMのデータを消去するためには、動作部供給電圧Vpに+9V、かつ、キャパシタ部印加電圧Vcに−9Vの電圧を印加する。従って、図20、図21において示す、本実施の形態2における不揮発性メモリNVMeでは、ビット線BL01〜BL09、および、ワード線WL10〜WL50に、それぞれ+9V、および、−9Vの電圧を印加する。 As described with reference to FIG. 9 in the first embodiment, in order to erase the data in the nonvolatile memory cell NVM, the operating unit supply voltage Vp is + 9V, and the capacitor unit applied voltage Vc is −9V. Is applied. Therefore, in the nonvolatile memory NVMe in the second embodiment shown in FIG. 20 and FIG. 21, voltages of +9 V and −9 V are applied to the bit lines BL01 to BL09 and the word lines WL10 to WL50, respectively.
これにより、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと動作素子形成用pウェルPW1との間には、書き込み時とは逆の極性で、18V程度の電位差が生じることになる。従って、浮遊電極FGに蓄積した電子eはこの電位差を受け、FNトンネリングにより書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜GIWを越えて、動作素子形成用pウェルPW1に放出される。これにより、消去マットEMに属する不揮発性メモリNVMeのデータは消去される。 As a result, a potential difference of about 18 V is generated between the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1 with a polarity opposite to that at the time of writing. Therefore, the electrons e accumulated in the floating electrode FG receive this potential difference, and are emitted to the operating element forming p well PW1 over the write / erase element gate insulating film GIW by FN tunneling. Thereby, the data in the nonvolatile memory NVMe belonging to the erase mat EM is erased.
一方、図22に示す非消去マットKMに属する不揮発性メモリセルNVMkでは、ワード線WL60〜WL90から給電される電圧は無いものの、ビット線BL01〜BL09から給電される+9Vを受ける。これにより、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと動作素子形成用pウェルPW1との間にも同程度の電位差が生じる。従って、消去動作を受ける上記図22に示した不揮発性メモリセルNVMeほどではないにせよ、浮遊電極FGに蓄積した電子eの放出が徐々に起こる。即ち、ウェルディスターブが生じる。 On the other hand, the nonvolatile memory cell NVMk belonging to the non-erasable mat KM shown in FIG. 22 receives +9 V supplied from the bit lines BL01 to BL09, although there is no voltage supplied from the word lines WL60 to WL90. As a result, the same potential difference is generated between the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1. Therefore, although not as much as the nonvolatile memory cell NVMe shown in FIG. 22 that receives the erasing operation, the electrons e accumulated in the floating electrode FG are gradually emitted. That is, well disturb occurs.
ここで、上記のように、消去動作、または、ウェルディスターブのように、浮遊電極FGに蓄積した電子eの放出が起こると、nチャネル型トランジスタである読み出し用トランジスタQRの閾値電圧が低下する。そして、次第に書き込み動作を受けていない状態に戻る。 Here, as described above, when the electron e accumulated in the floating electrode FG is released as in the erase operation or the well disturb, the threshold voltage of the reading transistor QR which is an n-channel transistor is lowered. Then, it gradually returns to a state where it does not receive a write operation.
図23には、読み出し用トランジスタQRの閾値電圧の、消去時間に対する変化を示している。特性ex5は消去動作を受けた不揮発性メモリセルNVMeの特性を示し、特性ex6は消去動作を受けない不揮発性メモリセルNVMkの特性を示す。消去動作を受けない不揮発性メモリセルNVMkにおいても、消去動作を受けた不揮発性メモリセルNVMeほどではないにしろ、消去時間の経過とともに閾値電圧が低下するウェルディスターブが生じる。 FIG. 23 shows a change in the threshold voltage of the read transistor QR with respect to the erase time. A characteristic ex5 indicates the characteristic of the nonvolatile memory cell NVMe that has undergone the erasing operation, and a characteristic ex6 indicates the characteristic of the nonvolatile memory cell NVMk that has not received the erasing operation. Even in the non-volatile memory cell NVMk that has not been subjected to the erasing operation, well disturb occurs in which the threshold voltage decreases as the erasing time elapses, although not as much as the non-volatile memory cell NVMe that has undergone the erasing operation.
上記のように、ディスターブしたセルをそのままの状態で用いると、消去マットへの繰り返しの消去動作により、当該セルは書き込み動作を受けていないにも関わらず、読み出し用トランジスタの閾値電圧が消去状態と同等になってしまう可能性がある。これは、誤消去の可能性を有することを意味する。また、上記の書き込み時に生じるディスターブと同様、メモリ回路におけるスケーリングの制限となる可能性も有する。 As described above, when the disturbed cell is used as it is, the threshold voltage of the read transistor is set to the erased state by the repeated erase operation to the erase mat even though the cell is not subjected to the write operation. There is a possibility of becoming equivalent. This means that there is a possibility of erroneous erasure. Further, similar to the disturb that occurs during the above-described writing, there is a possibility that the memory circuit may be limited in scaling.
そこで、本実施の形態2で例示する技術では、図24に示すように、消去の対象とならない非消去マットKMに接続されるワード線WL60〜WL90において、+9Vの電圧を印加する。図25には、このときの非消去マットKMに属する不揮発性メモリセルNVMkの要部断面図を示す。 Therefore, in the technique exemplified in the second embodiment, as shown in FIG. 24, a voltage of +9 V is applied to the word lines WL60 to WL90 connected to the non-erasable mat KM that is not the object of erasure. FIG. 25 shows a cross-sectional view of the main part of the nonvolatile memory cell NVMk belonging to the non-erasable mat KM at this time.
ワード線WL60〜WL90において、+9Vの電圧を印加することによって、書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極GEWと動作素子形成用pウェルPW1とはほぼ同電位となり、電位差はほぼ0Vとなる。これにより、不揮発性メモリセルNVMkにおいては、浮遊電極FGから動作素子形成用pウェルPW1への電子の放出はほとんど起こらない。従って、本実施の形態2で例示した技術により、非消去マットKMでのウェルディスターブを緩和することができる。結果として、不揮発性メモリの信頼性を更に向上させることができる。 By applying a voltage of + 9V to the word lines WL60 to WL90, the write / erase element floating gate electrode GEW and the operating element formation p-well PW1 have substantially the same potential, and the potential difference becomes approximately 0V. Thereby, in the nonvolatile memory cell NVMk, almost no electrons are emitted from the floating electrode FG to the operating element forming p well PW1. Therefore, well disturb in the non-erased mat KM can be mitigated by the technique exemplified in the second embodiment. As a result, the reliability of the nonvolatile memory can be further improved.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
本発明は、例えば液晶ディスプレイの駆動用集積回路を構成するのに必要な半導体産業に適用することができる。 The present invention can be applied to, for example, the semiconductor industry required to construct an integrated circuit for driving a liquid crystal display.
1 半導体基板
2 分離部
3 サイドウォールスペーサ
4 シリサイド層
5 層間絶縁膜
5a,5b 絶縁膜
6 導体部
S1 主面(第1主面)
NVM 不揮発性メモリセル
DNW 埋め込みnウェル(第1半導体領域)
NW 分離用nウェル
PW1 動作素子形成用pウェル(第2半導体領域)
PW2 キャパシタ形成用pウェル(第3半導体領域)
WD 書き込み/消去用素子(データ書き込み/消去用素子)
QR 読み出し用トランジスタ(読み出し用電界効果トランジスタ)
QS 選択用トランジスタ(選択用電界効果トランジスタ)
C MISキャパシタ(容量素子)
FG 浮遊電極
PI 保護絶縁膜
GEW 書き込み/消去素子用浮遊ゲート電極(第1浮遊ゲート電極)
GER 読み出し素子用浮遊ゲート電極(第2浮遊ゲート電極)
GES 選択素子用ゲート電極
GEC キャパシタ用浮遊ゲート電極(第3浮遊ゲート電極)
GIW 書き込み/消去素子用ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁膜)
GIR 読み出し素子用ゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)
GIS 選択素子用ゲート絶縁膜
GIC キャパシタ用ゲート絶縁膜(第3ゲート絶縁膜)
SDC 共有ソース/ドレイン領域(第4半導体領域)
SDR 読み出し素子用ソース/ドレイン領域(第6半導体領域)
SDS 選択素子用ソース/ドレイン領域
VSM 動作素子用ウェル給電領域(第5半導体領域)
VSC キャパシタ用ウェル給電領域(第7半導体領域)
SC キャパシタ用ソース領域(第8半導体領域)
X 第1方向
Y 第2方向
nx1〜nx6 n型エクステンション領域
px1,px2 p型エクステンション領域
CH コンタクトホール
CP1 共有部給電用コンタクトプラグ(第1導電部)
CP2 動作ウェル給電用コンタクトプラグ(第2導電部)
CP3 読み出し用コンタクトプラグ(第3導電部)
CP4 キャパシタウェル給電用コンタクトプラグ(第4導電部)
CP5 キャパシタ用コンタクトプラグ(第5導電部)
CP6 選択ゲート用コンタクトプラグ
Vp 動作部供給電圧
Vd 読み出しドレイン電圧
Vc キャパシタ部印加電圧
e 電子
IL 反転層
DL 空乏層
BL,BL01〜BL09 ビット線
WL,WL01〜WL09 ワード線
SL 制御線
rBL 読み出しビット線
EM 消去マット
KM 非消去マット
DESCRIPTION OF
NVM nonvolatile memory cell DNW buried n-well (first semiconductor region)
NW isolation n-well PW1 operating element formation p-well (second semiconductor region)
PW2 capacitor formation p-well (third semiconductor region)
WD write / erase element (data write / erase element)
QR readout transistor (readout field effect transistor)
QS selection transistor (selection field effect transistor)
C MIS capacitor (capacitance element)
FG Floating electrode PI Protective insulating film GEW Floating gate electrode for write / erase element (first floating gate electrode)
Floating gate electrode for GER read element (second floating gate electrode)
GES selection element gate electrode GEC capacitor floating gate electrode (third floating gate electrode)
GIW Write / erase element gate insulating film (first gate insulating film)
GIR read element gate insulating film (second gate insulating film)
Gate insulating film for GIS selection element GIC Capacitor gate insulating film (third gate insulating film)
SDC shared source / drain region (fourth semiconductor region)
Source / drain region for SDR read element (sixth semiconductor region)
SDS selection element source / drain region VSM operation element well power supply region (fifth semiconductor region)
VSC capacitor well feeding region (seventh semiconductor region)
SC capacitor source region (eighth semiconductor region)
X first direction Y second direction nx1 to nx6 n-type extension region px1, px2 p-type extension region CH contact hole CP1 contact plug for supplying power to shared part (first conductive part)
CP2 Operation well power supply contact plug (second conductive part)
CP3 Read contact plug (third conductive part)
CP4 Capacitor well contact plug (fourth conductive part)
CP5 capacitor contact plug (fifth conductive part)
CP6 Select gate contact plug Vp Operating part supply voltage Vd Read drain voltage Vc Capacitor part applied voltage e Electron IL Inversion layer DL Depletion layer BL, BL01 to BL09 Bit line WL, WL01 to WL09 Word line SL Control line rBL Read bit line EM Erase mat KM Non-erase mat
Claims (13)
前記半導体基板の第1主面に配置された主回路形成領域と、
前記半導体基板の第1主面に配置された不揮発性メモリ領域とを備え、
前記不揮発性メモリ領域には、
前記半導体基板の第1主面に形成された第1導電型の第1半導体領域と、
第1導電型とは逆導電型である第2導電型であり、前記第1半導体領域内において第1方向に延在するようにして配置された第2半導体領域と、
前記第1半導体領域内において、前記第2半導体領域に対し、電気的に分離された状態で沿うようにして、かつ、前記第1方向と交差する第2方向に沿って並ぶようにして配置された、第2導電型の第3半導体領域と、
前記第2半導体領域、および、前記第3半導体領域に平面的に重なるようにして配置された不揮発性メモリセルとを備え、
前記不揮発性メモリセルは、
前記第2半導体領域の一部および前記第3半導体領域の一部に平面的に重なるようにして配置された浮遊電極と、
前記第2半導体領域に形成されたデータ書き込み/消去用素子と、
前記第2半導体領域に形成された読み出し用電界効果トランジスタと、
前記第3半導体領域に形成された容量素子とを有し、
前記浮遊電極は、
前記第2半導体領域の一部に平面的に重なるように、かつ、前記第1方向と交差する第2方向に延在するようにして配置された第1浮遊ゲート電極と、
前記第2半導体領域の一部に平面的に重なるように、かつ、前記第1浮遊ゲート電極と距離を隔てて沿うようにして配置された第2浮遊ゲート電極と、
前記第3半導体領域の一部に平面的に重なるようにして配置された第3浮遊ゲート電極とを有し、
前記データ書き込み/消去用素子は、
前記第1浮遊ゲート電極と、
前記第1浮遊ゲート電極および前記半導体基板の間に形成された第1ゲート絶縁膜と、
前記第2半導体領域内において、平面的に見て、前記第1浮遊ゲート電極と前記第2浮遊ゲート電極とに挟まれた領域に位置する前記半導体基板の第1主面に形成された、第1導電型の第4半導体領域と、
前記第2半導体領域内において、平面的に見て、前記第4半導体領域と対をなすことで、前記第1浮遊ゲート電極を挟み込む領域に位置する前記半導体基板の第1主面に形成された、第2導電型の第5半導体領域とを有し、
前記読み出し用電界効果トランジスタは、
前記第2浮遊ゲート電極と、
前記第2浮遊ゲート電極および前記半導体基板の間に形成された第2ゲート絶縁膜と、
前記第2半導体領域内において、平面的に見て、前記第4半導体領域と対をなすことで、前記第2浮遊ゲート電極を挟み込む領域に位置する前記半導体基板の第1主面に形成された、第1導電型の第6半導体領域と、
前記データ書き込み/消去用素子と共有するようにして前記第4半導体領域とを有し、
前記容量素子は、
前記第3浮遊ゲート電極と、
前記第3浮遊ゲート電極および前記半導体基板の間に形成された第3ゲート絶縁膜と、
前記第3半導体領域内において、平面的に見て、前記第3浮遊ゲート電極を挟み込む領域に位置する前記半導体基板の第1主面に形成された、互いに逆導電型である第7半導体領域および第8半導体領域とを有し、
前記第1浮遊ゲート電極、前記第2浮遊ゲート電極、および、前記第3浮遊ゲート電極は、同一層内に配置されており、
前記浮遊電極は、いかなる部分にも電気的に接続されていない浮遊状態で配置されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a first principal surface and a second principal surface located on opposite sides along the thickness direction;
A main circuit forming region disposed on the first main surface of the semiconductor substrate;
A non-volatile memory region disposed on the first main surface of the semiconductor substrate,
In the nonvolatile memory area,
A first semiconductor region of a first conductivity type formed on a first main surface of the semiconductor substrate;
A second conductivity type opposite to the first conductivity type, and a second semiconductor region disposed in the first semiconductor region so as to extend in a first direction;
In the first semiconductor region, the second semiconductor region is arranged so as to be electrically separated and aligned along a second direction intersecting the first direction. A third semiconductor region of the second conductivity type;
The second semiconductor region, and a non-volatile memory cell disposed to overlap the third semiconductor region in a plane,
The nonvolatile memory cell is
A floating electrode disposed so as to planarly overlap a part of the second semiconductor region and a part of the third semiconductor region;
A data write / erase element formed in the second semiconductor region;
A read field effect transistor formed in the second semiconductor region;
A capacitive element formed in the third semiconductor region;
The floating electrode is
A first floating gate electrode disposed so as to planarly overlap a part of the second semiconductor region and to extend in a second direction intersecting the first direction;
A second floating gate electrode disposed so as to planarly overlap a part of the second semiconductor region and along a distance from the first floating gate electrode;
A third floating gate electrode disposed so as to planarly overlap a part of the third semiconductor region,
The data write / erase element is
The first floating gate electrode;
A first gate insulating film formed between the first floating gate electrode and the semiconductor substrate;
In the second semiconductor region, the second semiconductor region is formed on a first main surface of the semiconductor substrate located in a region sandwiched between the first floating gate electrode and the second floating gate electrode in plan view. A fourth semiconductor region of one conductivity type;
The second semiconductor region is formed on the first main surface of the semiconductor substrate located in a region sandwiching the first floating gate electrode by making a pair with the fourth semiconductor region in plan view. And a fifth semiconductor region of the second conductivity type,
The readout field effect transistor comprises:
The second floating gate electrode;
A second gate insulating film formed between the second floating gate electrode and the semiconductor substrate;
The second semiconductor region is formed on the first main surface of the semiconductor substrate located in a region sandwiching the second floating gate electrode by pairing with the fourth semiconductor region in plan view. A sixth semiconductor region of the first conductivity type;
The fourth semiconductor region so as to be shared with the data writing / erasing element;
The capacitive element is
The third floating gate electrode;
A third gate insulating film formed between the third floating gate electrode and the semiconductor substrate;
A seventh semiconductor region having a conductivity type opposite to each other formed on a first main surface of the semiconductor substrate located in a region sandwiching the third floating gate electrode in plan view in the third semiconductor region; An eighth semiconductor region;
The first floating gate electrode, the second floating gate electrode, and the third floating gate electrode are arranged in the same layer,
The semiconductor device, wherein the floating electrode is arranged in a floating state not electrically connected to any part.
前記データ書き込み/消去用素子と前記読み出し用電界効果トランジスタとは、前記第2半導体領域内において、前記第1方向に沿って並んで配置されており、
前記データ書き込み/消去用素子と前記読み出し用電界効果トランジスタとを合わせた、前記第1方向における幅は、前記容量素子の前記第1方向における幅よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The data write / erase element and the read field effect transistor are arranged side by side in the first direction in the second semiconductor region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the data writing / erasing element and the reading field effect transistor in the first direction is smaller than a width of the capacitor element in the first direction.
前記第1方向における前記第2半導体領域の幅は、前記第1方向における前記第3半導体領域の幅と同じか、それよりも小さいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The width of the second semiconductor region in the first direction is the same as or smaller than the width of the third semiconductor region in the first direction.
前記不揮発性メモリセルは、
前記第4半導体領域に電気的に接続する第1導電部と、
前記第5半導体領域に電気的に接続する第2導電部と、
前記第6半導体領域に電気的に接続する第3導電部と、
前記第7半導体領域に電気的に接続する第4導電部と、
前記第8半導体領域に電気的に接続する第5導電部とを有し、
前記第1導電部と前記第2導電部とは、電気的に同電位となるように互いに接続され、
前記第4導電部と前記第5導電部とは、電気的に同電位となるように互いに接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The nonvolatile memory cell is
A first conductive portion electrically connected to the fourth semiconductor region;
A second conductive portion electrically connected to the fifth semiconductor region;
A third conductive portion electrically connected to the sixth semiconductor region;
A fourth conductive portion electrically connected to the seventh semiconductor region;
A fifth conductive portion electrically connected to the eighth semiconductor region;
The first conductive part and the second conductive part are connected to each other so as to be electrically at the same potential,
The fourth conductive portion and the fifth conductive portion are connected to each other so as to be electrically at the same potential.
前記不揮発性メモリセルの前記読み出し用電界効果トランジスタには、選択用電界効果トランジスタが電気的に直列に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein a field effect transistor for selection is electrically connected in series to the field effect transistor for reading of the nonvolatile memory cell.
前記選択用電界効果トランジスタは、
前記第2半導体領域に形成され、
前記第6半導体領域を、ソースまたはドレイン領域として前記読み出し用電界効果トランジスタと共有することで、前記読み出し用電界効果トランジスタに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5.
The selection field effect transistor is:
Formed in the second semiconductor region;
A semiconductor device, wherein the sixth semiconductor region is electrically connected to the read field effect transistor by sharing the sixth semiconductor region with the read field effect transistor as a source or drain region.
前記データ書き込み/消去用素子でのデータの書き換えは、チャネル全面における、電荷のFNトンネリングにより行うことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
Rewriting data with the data writing / erasing element is performed by charge FN tunneling over the entire channel surface.
前記半導体基板の第1主面に配置された主回路領域と、
前記半導体基板の第1主面に配置された不揮発性メモリ領域とを備え、
前記不揮発性メモリ領域の不揮発性メモリセルは、
前記半導体基板の第1主面に形成された第1導電型の第1半導体領域と、
第1導電型とは逆導電型である第2導電型であり、前記第1半導体領域内における前記半導体基板の第1主面において第1方向に沿って延在するように形成された第2半導体領域と、
第2導電型であり、前記第1半導体領域内における前記半導体基板の第1主面において第1方向に沿って延在するように形成され、前記第1半導体領域に対して分離された状態で、前記第1方向に交差する第2方向に沿って並んで配置された第3半導体領域と、
前記第2半導体領域において、前記第1方向に沿って並んで配置されたデータ書き込み/消去用素子および読み出し用電界効果トランジスタと、
前記第3半導体領域に配置された容量素子と、
前記半導体基板の第1主面上に、絶縁膜を介して浮遊状態で形成された浮遊電極とを備え、
前記不揮発性メモリセルの配置範囲内において、前記データ書き込み/消去用素子の第1浮遊ゲート電極、前記読み出し用電界効果トランジスタの第2浮遊ゲート電極、および、前記容量素子の第3浮遊ゲート電極は、前記浮遊電極の一部として一体的に形成されており、
前記第1浮遊ゲート電極と前記第2浮遊ゲート電極とは、前記第2半導体領域の配置範囲内においては互いに分離されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a first principal surface and a second principal surface located on opposite sides along the thickness direction;
A main circuit region disposed on the first main surface of the semiconductor substrate;
A non-volatile memory region disposed on the first main surface of the semiconductor substrate,
The nonvolatile memory cell in the nonvolatile memory area is
A first semiconductor region of a first conductivity type formed on a first main surface of the semiconductor substrate;
A second conductivity type opposite to the first conductivity type is a second conductivity type formed so as to extend along the first direction on the first main surface of the semiconductor substrate in the first semiconductor region. A semiconductor region;
The second conductivity type is formed so as to extend along the first direction on the first main surface of the semiconductor substrate in the first semiconductor region, and is separated from the first semiconductor region. A third semiconductor region arranged side by side along a second direction intersecting the first direction;
A data write / erase element and a read field effect transistor arranged side by side in the first direction in the second semiconductor region;
A capacitive element disposed in the third semiconductor region;
A floating electrode formed in a floating state via an insulating film on the first main surface of the semiconductor substrate;
Within the non-volatile memory cell arrangement range, the first floating gate electrode of the data write / erase element, the second floating gate electrode of the read field effect transistor, and the third floating gate electrode of the capacitor element are , Formed integrally as part of the floating electrode,
The semiconductor device, wherein the first floating gate electrode and the second floating gate electrode are separated from each other within an arrangement range of the second semiconductor region.
前記データ書き込み/消去用素子と前記読み出し用電界効果トランジスタとは、前記第2半導体領域内において、前記第1方向に沿って並んで配置されており、
前記データ書き込み/消去用素子と前記読み出し用電界効果トランジスタとを合わせた、前記第1方向における幅は、前記容量素子の前記第1方向における幅よりも小さいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8.
The data write / erase element and the read field effect transistor are arranged side by side in the first direction in the second semiconductor region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the data writing / erasing element and the reading field effect transistor in the first direction is smaller than a width of the capacitor element in the first direction.
前記第1方向における前記第2半導体領域の幅は、前記第1方向における前記第3半導体領域の幅と同じか、それよりも小さいことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8.
The width of the second semiconductor region in the first direction is the same as or smaller than the width of the third semiconductor region in the first direction.
前記不揮発性メモリセルの前記読み出し用電界効果トランジスタには、選択用電界効果トランジスタが電気的に直列に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8.
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein a field effect transistor for selection is electrically connected in series to the field effect transistor for reading of the nonvolatile memory cell.
前記選択用電界効果トランジスタは、
前記第2半導体領域に形成され、
ソースまたはドレイン領域を、前記読み出し用電界効果トランジスタと共有することで、前記読み出し用電界効果トランジスタに電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11.
The selection field effect transistor is:
Formed in the second semiconductor region;
A semiconductor device characterized in that a source or drain region is shared with the readout field effect transistor and thereby electrically connected to the readout field effect transistor.
前記データ書き込み/消去用素子でのデータの書き換えは、チャネル全面における、電荷のFNトンネリングにより行うことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8.
Rewriting data with the data writing / erasing element is performed by charge FN tunneling over the entire channel surface.
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