JP2009283602A - Nonvolatile semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、不揮発性半導体メモリに係り、特に不可逆性記憶素子を用いた半導体メモリに関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory, and more particularly to a semiconductor memory using an irreversible memory element.
電気的に書き込みが可能な不揮発性半導体メモリは、DRAMやSRAMなどの大容量メモリのリダンダンシ用途、アナログ回路のチューニング用途、チップID用途などにおいて必要不可欠である。 An electrically writable nonvolatile semiconductor memory is indispensable for redundancy use of a large-capacity memory such as DRAM and SRAM, analog circuit tuning use, and chip ID use.
製造コストを抑え、安価な不揮発性半導体メモリを提供する為には、CMOS標準プロセスのみで実装可能な記憶素子が必要である。そのような要求を満たす記憶素子として、ゲート酸化膜絶縁破壊型アンチヒューズがある。これはMOSトランジスタのゲート酸化膜をアンチヒューズとし、絶縁破壊前の状態を“0”、絶縁破壊後の状態を“1”と記憶する不可逆性記憶素子(以下アンチヒューズ素子)である。 In order to reduce the manufacturing cost and provide an inexpensive nonvolatile semiconductor memory, a memory element that can be mounted only by a CMOS standard process is required. As a memory element that satisfies such requirements, there is a gate oxide dielectric breakdown type antifuse. This is an irreversible memory element (hereinafter referred to as an antifuse element) that uses a gate oxide film of a MOS transistor as an antifuse, and stores a state before dielectric breakdown as “0” and a state after dielectric breakdown as “1”.
アンチヒューズ素子の絶縁破壊には、例えば6V程度の高い電圧を供給することが可能なアンチヒューズ素子用電源(以下VBP)が必要である。また、VBPが供給する高い電圧から、アンチヒューズ素子周辺のトランジスタを保護する為にバリアトランジスタが必要である。このバリアトランジスタの絶縁破壊を防ぐ為、バリアトランジスタのゲートには、VBPよりも低い電圧、例えば3V程度を与える必要がある。従って、この3V程度の低電圧を供給するバリアトランジスタゲート用電源(以下VBT)が必要となる。更に、1.5V程度の電圧を供給する制御論理回路用電源(以下VDD)も必要となる。 For dielectric breakdown of the anti-fuse element, an anti-fuse element power source (hereinafter referred to as VBP) capable of supplying a high voltage of about 6 V, for example, is required. In addition, a barrier transistor is necessary to protect the transistor around the antifuse element from the high voltage supplied by VBP. In order to prevent the dielectric breakdown of the barrier transistor, it is necessary to apply a voltage lower than VBP, for example, about 3 V, to the gate of the barrier transistor. Therefore, a barrier transistor gate power supply (hereinafter referred to as VBT) that supplies this low voltage of about 3V is required. Further, a control logic circuit power supply (hereinafter referred to as VDD) that supplies a voltage of about 1.5 V is also required.
以上より、アンチヒューズ素子を用いた不揮発性半導体メモリには、VDD、VBP、VBTの3つの電源が必要である。従って、アンチヒューズ素子を用いた不揮発性半導体メモリは、利用する為に3種類の異なる電圧の電源を用意しなければならず、不便であった。 As described above, a nonvolatile semiconductor memory using an antifuse element requires three power supplies, VDD, VBP, and VBT. Therefore, the nonvolatile semiconductor memory using the anti-fuse element is inconvenient because it is necessary to prepare power supplies of three different voltages in order to use them.
その対策として、VDDからVBTとVBPを生成する昇圧回路を内蔵する方法や、VDDのみ内蔵しVBT電圧とVBP電圧を外部から供給する方法が従来から提案されている。 As countermeasures, a method of incorporating a booster circuit for generating VBT and VBP from VDD, and a method of supplying only a VDD and supplying a VBT voltage and a VBP voltage from the outside have been proposed.
しかし、昇圧回路を内蔵する方法の場合、電圧の昇圧比率が高い場合や、供給する電流量が大きい場合は昇圧回路の面積が大きくなる、という問題があった。また、VBT電圧とVBP電圧を外部から供給する方法の場合、用意すべき外部電源の数が多く使いにくいという問題に加えて、それらの電源の投入順序が厳しく制限されるという問題があった。例えば、VDDを投入する前にVBP、又はVBTを投入すると、誤書き込みを起こす危険がある。また、バリアトランジスタが機能する前にVBPを投入すると、内部素子の破壊を引き起こす危険があった。 However, the method incorporating the booster circuit has a problem that the area of the booster circuit increases when the voltage boost ratio is high or when the supplied current amount is large. In addition, in the method of supplying the VBT voltage and the VBP voltage from the outside, in addition to the problem that the number of external power supplies to be prepared is large and difficult to use, there is a problem that the power-on sequence is severely limited. For example, if VBP or VBT is input before VDD is input, there is a risk of erroneous writing. Also, if VBP is turned on before the barrier transistor functions, there is a risk of causing destruction of the internal elements.
また、VBP回路とVBT回路を内蔵する方法(特許文献1)では、メモリ回路全体の面積が大きくなりすぎる、という問題があった。更に、電源投入時において論理回路が不定状態となる場合があり、その影響により内部昇圧電源が誤動作し誤書き込みや内部素子の破壊を引き起こす危険があった。 Further, the method (Patent Document 1) in which the VBP circuit and the VBT circuit are built in has a problem that the area of the entire memory circuit becomes too large. In addition, the logic circuit may become indefinite when the power is turned on, and there is a risk that the internal boosting power supply malfunctions due to the influence, thereby causing erroneous writing or destruction of internal elements.
従って、従来の技術では、アンチヒューズ素子を用いた信頼性の高い不揮発性半導体メモリを提供する事が難しかった。
本発明は、アンチヒューズ素子を内蔵し動作信頼性が高い小型の不揮発性半導体メモリを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a small non-volatile semiconductor memory having an antifuse element and high operational reliability.
この発明の一態様による不揮発性半導体メモリは、一端に第1の電圧を印加され絶縁膜破壊によりデータを書き込むようにされた不可逆性記憶素子と、一端が前記不可逆性記憶素子の他端側に接続されるバリアトランジスタと、一端が前記バリアトランジスタの他端側に接続され他端が接地と接続される選択トランジスタとを備えるメモリセルを複数配置して構成されるメモリセルアレイと、データの書き込み時おいて前記メモリセルを選択するため前記選択トランジスタのゲートに接続されるワード線と、前記第1の電圧が供給される第1の電源端子と、前記第1の電源端子と接続され前記第1の電圧が第1の値を超えたことを検知した場合第1の信号を出力する検知回路と、第2の電圧が供給される第2の電源端子と、前記第2の電源端子、及び前記検知回路と接続され前記第1の信号が前記検知回路から出力された場合前記第2の電圧を昇圧して第3の電圧を生成し前記バリアトランジスタのゲートに第3の電圧を出力する昇圧回路とを備えることを特徴とする。 A nonvolatile semiconductor memory according to an aspect of the present invention includes an irreversible memory element in which a first voltage is applied to one end and data is written by breaking an insulating film, and one end is on the other end side of the irreversible memory element. A memory cell array comprising a plurality of memory cells each including a barrier transistor to be connected and a selection transistor having one end connected to the other end of the barrier transistor and the other end connected to the ground; In order to select the memory cell, a word line connected to the gate of the selection transistor, a first power supply terminal to which the first voltage is supplied, and the first power supply terminal are connected to the first power supply terminal. A detection circuit that outputs a first signal when it is detected that the voltage of the first voltage exceeds a first value, a second power supply terminal to which a second voltage is supplied, and the second power supply terminal And when the first signal is output from the detection circuit connected to the detection circuit, the second voltage is boosted to generate a third voltage, and the third voltage is output to the gate of the barrier transistor. And a booster circuit.
本発明によれば、アンチヒューズ素子を内蔵し動作信頼性が高い小型の不揮発性半導体メモリを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the small non-volatile semiconductor memory with a built-in antifuse element and high operation reliability can be provided.
次に、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体メモリを図面に基づいて説明する。 Next, a nonvolatile semiconductor memory according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体メモリ10を示した概略図である。図1に示すように、本実施の形態に係る不揮発性半導体メモリ10は、アンチヒューズ素子用電源端子(以下VBP端子)20、制御論理回路用電源端子(以下VDD端子)21、制御信号端子22、VBP検知回路30、バリアトランジスタゲート用電源昇圧回路(以下VBT昇圧回路)40、制御論理回路50、8個のメモリセル60が接続されたメモリセルアレイ70、及びメモリセル60毎に接続されるセンスアンプ64から構成される。なお、本実施の形態では8個のメモリセル60を接続させて形成されるメモリセルアレイ70を示しているが、本願発明がこの数や形に限定されるものではない。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a
VBP端子20、及びVDD端子21は図示しない外部電源にそれぞれ接続され、VBP端子20には電圧VBPが供給され、VDD端子21には電圧VDDが供給される。
The
図1に示すように、VBP端子20から電源ライン100が延び、電源ライン100にはVBP検知回路30、及びメモリセルアレイ70が接続される。VBP検知回路30は、VBP端子20から電源ライン100に供給される電圧VBPが規定の値を超えると、VBT昇圧回路40を動作させる為の始動信号31をVBT昇圧回路40に出力する。また、VBT端子21から電源ライン101が延び、電源ライン101にはVBT昇圧回路40、及び制御論理回路50が接続される。なお、電源ライン101はVBT昇圧回路40の入力側に接続され、VBT昇圧回路40の出力側からは電源ライン102が延び、電源ライン102にはメモリセルアレイ70を形成する全てのメモリセル60が接続される。VBT昇圧回路40は、始動信号31を入力すると電圧VDDの昇圧を開始し電圧VBTを生成する。そして、メモリセルアレイ70を形成する全てのメモリセル60のバリアトランジスタ62のゲートが接続する電源ライン102に電圧VBTを出力する。また、制御端子22から信号ライン106が延び、信号ライン106には制御論理回路50が接続される。なお、信号ライン106は制御論理回路50の入力側と接続され、出力側からは信号ライン103が延び、信号ライン103にはすべてのメモリセル60に接続されるセンスアンプ64が接続される。制御論理回路50は、制御端子22から制御信号23が供給されると、センスアンプ64を制御する信号51を信号線103に出力する。
As shown in FIG. 1, a
メモリセルアレイ70を形成する8個のメモリセル60は、電源ライン100、102、及び信号ライン103と共通に接続される。
The eight
メモリセル60は、不可逆性記憶素子61、バリアトランジスタ62、及び選択トランジスタ63により構成される。不可逆性記憶素子61は、例えばMOSトランジスタのゲート酸化膜をアンチヒューズとし絶縁破壊前の状態を“0”と記憶し、絶縁破壊後の状態を“1”と記憶するゲート酸化膜絶縁破壊型アンチヒューズ(以下アンチヒューズ素子)とする。
The
アンチヒューズ素子61のゲート端子はバリアトランジスタ62のドレイン端子に接続され、もう一方の端子は電源ライン100に接続される。アンチヒューズ素子61のもう一方の端子は、例えばpMOSトランジスタのソース端子、ドレイン端子、及びバックゲート端子が共通接続された端子とする。なお、アンチヒューズ素子61のゲート端子とバリアトランジスタ62のドレイン端子が接続するノードは以下PGと称する。アンチヒューズ素子61はキャパシタから構成されるヒューズ素子であり、過大電圧が印加されるとアンチヒューズ素子61内の絶縁層が破壊され導通状態となる。なお、アンチヒューズ素子61の絶縁層は、例えばONO(酸化層/窒化層/酸化層)やアモルファスシリコンの半導体等から形成される。ただし、本願発明がこれに限られるものではない。
The gate terminal of the
バリアトランジスタ62のソース端子は選択トランジスタ63のドレイン端子に接続され、バリアトランジスタ62のゲート端子は電源ライン102に接続される。バリアトランジスタ62のソース端子と選択トランジスタ63のドレイン端子が接続するノードは以下VFと称する。そして、各メモリセル60のノードVFにはセンスアンプ64がそれぞれ接続される。なお、ノードVFに接続される端子はセンスアンプ64の入力端子とする。
The source terminal of the
バリアトランジスタ62と選択トランジスタ63はnMOSトランジスタで形成される。バリアトランジスタ62は電圧VBTで制御されており、ゲート−ソース間電圧が動作閾値電圧Vth以下になると遮断される。換言すると、バリアトランジスタ62のソース端子のノードVFの電位が、ゲート端子に印加される電圧VBTから動作閾値電圧Vthを引いた値以上になるとバリアトランジスタ62は遮断される。つまり、バリアトランジスタ62は、そのソース端子の電位を制限しており、ソース端子に接続される選択トランジスタ63とセンスアンプ64を保護している。また、電圧VBTはバリアトランジスタ62のゲート端子に接続されており、バリアトランジスタ62のゲート端子とドレイン端子間に生じる電位差を緩和し、バリアトランジスタ62の破壊を防止している。
The
選択トランジスタ63はバリアトランジスタ62と接地VSS間に形成される。ゲート端子に接続される信号ライン104に図示しないデコーダから選択信号DI<A>〜<H>が印加されると選択トランジスタ63は導通状態となりノードVFが接地電池VSSとなる。また、センスアンプ64の出力端子は出力信号DO<A>〜<H>が印加される信号ライン105と接続され、その信号ライン105には図示しない出力バッファが接続される。
The
次に、第1の実施の形態の書き込み/読み出し動作を図1〜図3を用いて説明する。図2は書き込み時のタイミングチャートであり、図3は読み出し時のタイミングチャートである。 Next, the write / read operation of the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a timing chart at the time of writing, and FIG. 3 is a timing chart at the time of reading.
アンチヒューズ素子61は、絶縁破壊前は高抵抗であり、絶縁破壊後は低抵抗である。高抵抗の状態を“0”と定義し、低抵抗の状態を“1”と定義する。ここでは、アンチヒューズ素子61に対する“1”の書き込み、すなわちアンチヒューズ素子61の絶縁破壊についての説明を行う。
The
図2に示すように、時刻t0に、図示しない外部電源よりVBP端子20に電圧VBP(6V)の印加が開始される。VBP検知回路30は、VBP端子20、及び電源ライン100に供給される電圧VBPが規定の値を超えるとVBT昇圧回路40を動作させる為の始動信号31を出力する。規定の値は、例えば1Vとし時刻t1に1Vを超えたとする。次に、VBT昇圧回路40は、時刻t2に始動信号31を入力すると電圧VDDの昇圧を開始し電圧VBTを生成する。すると、バリアトランジスタ62はゲートに電圧VBTが印加され導通状態となる。この状態で時刻t3に入力信号DI<A>〜<H>を活性化すると、選択トランジスタ63が時刻t4に導通し、時刻t5にノードPGの電位がVSS電位程度まで落ちる。そして、アンチヒューズ素子61を形成するPMOSトランジスタのゲート酸化膜に6V程度の電圧が印加されゲート酸化膜が絶縁破壊され“1”を記憶する。
As shown in FIG. 2, application of voltage VBP (6 V) to the
次に、読み出し動作について説明する。アンチヒューズ素子60の読み出しは次のように行われる。
Next, the reading operation will be described. Reading of the
図3に示すように、時刻t0に、図示しない外部電源よりVBP端子20に電圧VBP(1.5V)の印加が開始される。VBP検知回路30は、VBP端子20、及び電源ライン100に供給される電圧VBPが規定の値を超えるとVBT昇圧回路40を動作させる為の始動信号31を出力する。規定の値は、例えば1Vとし時刻t1に1Vを超えたとする。次に、時刻t2に、VBT昇圧回路40は始動信号31がを入力されると電圧VDDの昇圧を開始し電圧VBTを生成する。すると、時刻t3に、バリアトランジスタ62はゲートに電圧VBTが印加され導通状態となる。そして、アンチヒューズ素子61に流れる電流によりノードVFへ充電が開始され、時刻t4に、充電が終了しセンスアンプ64で判定が行われる。なお、読み出しの判定は、ノードVFの電位と参照電位VREFをセンスアンプ64で比較して行われる。アンチヒューズ素子61の抵抗が高ければアンチヒューズ素子に流れる電流は少なく、ノードVFは充電されないため“0”の判定となる。逆に、アンチヒューズ素子61の抵抗が低ければアンチヒューズ素子に生じる電流は多く、VFは充電されるため“1”の判定となる。
As shown in FIG. 3, at time t0, application of voltage VBP (1.5 V) to the
なお、バリアトランジスタ62と選択トランジスタ63はほぼ同じ寸法で設計される為、両者の漏れ電流はほぼ等しくなる。従って、書き込み時及び読み出し時以外のノードVFの電位はVBP電位とVSS電位のほぼ中間の電位となる。
In addition, since the
本実施の形態は、VBT昇圧回路40を内蔵する事により外部から供給する電源の数を一つ減らすことが可能となる。なお、電圧VBTから電圧VSSへの電流経路がない為、VBT昇圧回路40は高い電流供給能力を持つ必要はない。更に、電圧VBTは電圧VBPの半分であるため、VBT昇圧回路40はVBP昇圧回路よりも半分以下の面積で形成することが可能となる。また、電圧VBPを外部供給とすることで、VBPを内蔵することに伴う面積の増加を抑制している。つまり、不揮発性半導体メモリの小型化が実現可能となる。
In the present embodiment, by incorporating the
また、電圧VBPを内部で生成しない為、外部からVBP端子20に高い電圧を印加しない限りアンチヒューズ素子61に高い電圧が印加されないため、誤書き込みを起こす危険がない。更に、VBT昇圧回路40は電圧VBPより生成される始動信号31を受けて電圧VBTを生成する。よって、VBP端子20に高い電圧が印加された時は必ずバリアトランジスタ62が稼働する為、電源の投入の順序を制御しなくてもメモリセル60の内部素子が破壊される危険もない。
In addition, since the voltage VBP is not generated internally, a high voltage is not applied to the
以上をまとめると、本実施の形態では、動作信頼性の高い小型の不揮発性半導体メモリを提供することができる。 In summary, in this embodiment, a small nonvolatile semiconductor memory with high operation reliability can be provided.
なお、本願発明は、本実施の形態のような汎用メモリに限らず、図3に示すようにDRAM、SRAM等のメモリと混載された形態も含むものとする。 The invention of the present application is not limited to the general-purpose memory as in the present embodiment, but includes a form in which it is mixed with a memory such as a DRAM or SRAM as shown in FIG.
10…不揮発性半導体メモリ、20…VBP端子、21…VDD端子、22…制御信号端子、23…制御信号、30…VBP検知回路、31…始動信号、40…VBT昇圧回路、50…制御論理回路、51…センスアンプ制御信号、60…メモリセル、61…アンチヒューズ素子、62…バリアトランジスタ、63…選択トランジスタ、64…センスアンプ、70…メモリセルアレイ、100〜102…電源ライン、103〜106…信号ライン。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
データの書き込み時において前記メモリセルを選択するため前記選択トランジスタのゲートに接続されるワード線と、
前記第1の電圧が供給される第1の電源端子と、
前記第1の電源端子と接続され前記第1の電圧が第1の値を超えたことを検知した場合第1の信号を出力する検知回路と、
第2の電圧が供給される第2の電源端子と、
前記第2の電源端子、及び前記検知回路と接続され前記第1の信号が前記検知回路から出力された場合前記第2の電圧を昇圧して第3の電圧を生成し前記バリアトランジスタのゲートに第3の電圧を出力する昇圧回路と
を備えることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。 An irreversible memory element in which a first voltage is applied to one end and data is written by breaking the insulating film, a barrier transistor having one end connected to the other end of the irreversible memory element, and one end being the barrier transistor A memory cell array configured by arranging a plurality of memory cells each including a selection transistor connected to the other end of the memory and connected to the ground at the other end;
A word line connected to the gate of the selection transistor to select the memory cell when writing data;
A first power supply terminal to which the first voltage is supplied;
A detection circuit that is connected to the first power supply terminal and outputs a first signal when detecting that the first voltage exceeds a first value;
A second power supply terminal to which a second voltage is supplied;
When the first signal is connected to the second power supply terminal and the detection circuit and the first signal is output from the detection circuit, the second voltage is boosted to generate a third voltage to be used as the gate of the barrier transistor. And a booster circuit that outputs a third voltage.
前記書き込み時は前記第1の値より高い第2の値とされ、
前記読み出し時は前記第1の値より高く第2の値より低い第3の値とされる
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。 The first voltage is:
At the time of writing, the second value is higher than the first value,
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein at the time of reading, the third value is higher than the first value and lower than the second value.
絶縁破壊によりプログラミングされる
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。 The irreversible memory element is
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the nonvolatile semiconductor memory is programmed by dielectric breakdown.
センスアンプが接続される
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。 In a node where the other end of the barrier transistor and one end of the selection transistor are connected,
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein a sense amplifier is connected.
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体メモリ。 The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein a sense amplifier is connected to each memory cell.
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