JP2010147072A - Non-volatile semiconductor memory device - Google Patents

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Mitsuo Hase
光雄 長谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To lower a breakdown voltage of an insulating film, relating to a non-volatile semiconductor memory device in which data is stored by dielectric breakdown of the insulating film, between a drain layer and a drain electrode. <P>SOLUTION: A drain electrode 18 has a triangular tip corner 18P, and the tip corner 18P is superimposed on the end part of a drain layer 11D via a gate insulating film 13. When the drain electrode 18 is applied with a breakdown voltage, a field concentration occurs at the tip corner 18P of the drain electrode 18, causing dielectric breakdown of the gate insulating film 13 at a low voltage, and this results in a short-circuit between the drain electrode 18 and the drain layer 11D. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関し、特に、ドレイン層とドレイン電極の間の絶縁膜を絶縁破壊することによりデータを記憶させるようにした不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device in which data is stored by dielectric breakdown of an insulating film between a drain layer and a drain electrode.

従来、絶縁膜の絶縁破壊を利用してデータを記憶させるようにした不揮発性半導体記憶装置が知られている。この不揮発性半導体記憶装置においては、ドレイン層上に絶縁膜を介してドレイン電極を重畳させたメモリセルトランジスタと、ドレイン電極に接続されたビット線を備え、ビット線からドレイン電極に破壊電圧を印加することによって上述の絶縁膜を絶縁破壊させることで、メモリセルトランジスタにデータの書き込みを行う。   2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a nonvolatile semiconductor memory device that stores data using dielectric breakdown of an insulating film. This nonvolatile semiconductor memory device includes a memory cell transistor in which a drain electrode is superimposed on a drain layer via an insulating film, and a bit line connected to the drain electrode, and applies a breakdown voltage from the bit line to the drain electrode. Thus, data is written to the memory cell transistor by causing the above-described insulating film to break down.

そして、データの読み出し時には、予めビット線を適当な電位にプリチャージしておき、その後メモリセルトランジスタをオンさせる。すると、絶縁膜が絶縁破壊していない状態では、ドレイン層とドレイン電極とは絶縁されているので、ビット線の電位はプリチャージ電位のままである。一方、絶縁膜が絶縁破壊した状態では、ドレイン層とドレイン電極は短絡されるので、メモリセルトランジスタがオンすることによりビット線の電位はソース電位に変化する。   When reading data, the bit line is precharged to an appropriate potential in advance, and then the memory cell transistor is turned on. Then, in a state where the insulating film is not broken down, since the drain layer and the drain electrode are insulated, the potential of the bit line remains the precharge potential. On the other hand, since the drain layer and the drain electrode are short-circuited in the state in which the insulating film breaks down, the bit line potential changes to the source potential when the memory cell transistor is turned on.

即ち、この不揮発性半導体記憶装置によれば、絶縁膜が絶縁破壊していない状態を、例えばデータ値「0」に対応させ、絶縁膜が絶縁破壊した状態をデータ値「1」に対応させて、データの書き込み、読み出しを行うことができる。   That is, according to this nonvolatile semiconductor memory device, the state in which the insulating film is not broken down corresponds to, for example, the data value “0”, and the state in which the insulating film breaks down corresponds to the data value “1”. Data writing and reading can be performed.

この不揮発性半導体記憶装置は絶縁破壊を利用しているので、データを一度書き込んだら、その後データを消去したり、書き換えたりすることはできないが、アナログ回路等のトリミング用のメモリとして利用することができる。   Since this nonvolatile semiconductor memory device uses dielectric breakdown, once data is written, it cannot be erased or rewritten thereafter, but it can be used as a trimming memory for analog circuits and the like. it can.

この種の不揮発性半導体記憶装置は特許文献1に記載されている。
特開2006−245177号公報
This type of nonvolatile semiconductor memory device is described in Patent Document 1.
JP 2006-245177 A

上述の不揮発性半導体記憶装置においては、ドレイン電極に絶縁膜の破壊電圧を印加することが必要である。しかし、この破壊電圧は絶縁膜の膜厚が7nm程度でも11.6V〜12Vと高く、実用上は破壊電圧を更に下げる必要がある。   In the above-described nonvolatile semiconductor memory device, it is necessary to apply a breakdown voltage of the insulating film to the drain electrode. However, this breakdown voltage is as high as 11.6 V to 12 V even when the thickness of the insulating film is about 7 nm, and it is necessary to further reduce the breakdown voltage for practical use.

そこで、本発明の不揮発性半導体記憶装置は、半導体基板と、半導体基板の表面に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、ゲート電極の一方の側に隣接して形成されたソース層と、ゲート電極の他方の側に隣接して形成されたドレイン層と、絶縁膜を介してドレイン層と重畳したドレイン電極と、絶縁膜を絶縁破壊するための破壊電圧をドレイン電極に印加する電圧印加部と、を備え、半導体基板の表面に垂直な方向から見て、ドレイン電極は先端角部を有しており、この先端角部はドレイン層と重畳していることを特徴とする。   Therefore, a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate electrode formed on the surface of the semiconductor substrate via an insulating film, a source layer formed adjacent to one side of the gate electrode, A drain layer formed adjacent to the other side of the gate electrode, a drain electrode overlapped with the drain layer via the insulating film, and a voltage applying unit for applying a breakdown voltage to the drain electrode to break down the insulating film The drain electrode has a tip corner as viewed from a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, and the tip corner overlaps with the drain layer.

本発明の不揮発性半導体記憶装置によれば、ドレイン電極に破壊電圧を印加した場合に、その先端角部に電界集中が起こるので破壊電圧を下げることが可能になる。   According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, when a breakdown voltage is applied to the drain electrode, electric field concentration occurs at the corner of the tip, so that the breakdown voltage can be lowered.

これにより、この種の不揮発性半導体記憶装置を低電源電圧(例えば3.3V)で動作するLSIに組み込むことが可能になる。   As a result, this type of nonvolatile semiconductor memory device can be incorporated into an LSI that operates at a low power supply voltage (eg, 3.3 V).

本発明の実施形態による不揮発性半導体記憶装置について図面を参照して説明する。本実施形態による不揮発性半導体記憶装置は、ドレイン層とドレイン電極の間の絶縁膜を絶縁破壊することによりデータを一回のみ書き込んで記憶させるPROMであり、例えばアナログ回路等のトリミング用のメモリとして利用可能なものである。   A nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment is a PROM in which data is written and stored only once by dielectric breakdown of the insulating film between the drain layer and the drain electrode. For example, as a trimming memory such as an analog circuit It is available.

まず、この不揮発性半導体記憶装置の回路構成例について、図1の回路図を参照して説明する。不揮発性半導体記憶装置は、複数のメモリセルトランジスタが行列状に配置されたメモリセルアレイMAを有している。図1では、説明の便宜上、複数のメモリセルトランジスタのうち、4つのメモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4のみを示しているが、他の不図示のメモリセルトランジスタについても同様の構成を有している。以下の説明では、メモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・は、いずれもNチャネル型MOSトランジスタであるものとするが、これに限定されず、Pチャネル型であってもよい。   First, a circuit configuration example of this nonvolatile semiconductor memory device will be described with reference to the circuit diagram of FIG. The nonvolatile semiconductor memory device has a memory cell array MA in which a plurality of memory cell transistors are arranged in a matrix. In FIG. 1, for convenience of explanation, only four memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4 are shown among the plurality of memory cell transistors, but other memory cell transistors (not shown) have the same configuration. is doing. In the following description, the memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4,... Are all N-channel MOS transistors, but are not limited to this and may be P-channel transistors.

メモリセルアレイMAの行方向には、ポリシリコン等からなる複数のワード線WL1,WL2,・・・が配置されている。メモリセルアレイMAの列方向には、各ワード線WL1,WL2,・・・と交差して、アルミニウム等からなる複数のビット線BL1,BL2,・・・が配置されている。   A plurality of word lines WL1, WL2,... Made of polysilicon or the like are arranged in the row direction of the memory cell array MA. In the column direction of the memory cell array MA, a plurality of bit lines BL1, BL2,... Made of aluminum or the like are arranged crossing each word line WL1, WL2,.

各ワード線WL1,WL2,・・・と各ビット線BL1,BL2,・・・との各交差点には、それぞれ、メモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・が配置されている。各メモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・の各ゲートは、対応するワード線WL1,WL2,・・・で構成されている。また、各メモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・の各ソース層11Sは、それぞれ、アルミニウム等からなるソース線SLに接続されている。ソース線SLには、固定電圧として、例えば接地電圧Vssが供給されている。一方、各メモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・の各ドレイン層11Dとドレイン電極18の間にはゲート絶縁膜13が挟まれている。ドレイン電極18は、それぞれ、対応するビット線BL1,BL2,・・・に接続されている。   Memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4,... Are arranged at intersections between the word lines WL1, WL2,. Each gate of each memory cell transistor MT1, MT2, MT3, MT4,... Is constituted by a corresponding word line WL1, WL2,. Further, each source layer 11S of each memory cell transistor MT1, MT2, MT3, MT4,... Is connected to a source line SL made of aluminum or the like. For example, a ground voltage Vss is supplied to the source line SL as a fixed voltage. On the other hand, a gate insulating film 13 is sandwiched between the drain layer 11D and the drain electrode 18 of each memory cell transistor MT1, MT2, MT3, MT4,. The drain electrode 18 is connected to the corresponding bit line BL1, BL2,.

上述したメモリセルアレイMAにおいて、各ワード線WL1,WL2,・・・は、不図示のワード線選択回路に接続されている。ワード線選択回路は、ロウアドレス信号に応じて、複数のワード線WL1,WL2,・・・のうち、いずれか1本のワード線を選択するものである。   In the memory cell array MA described above, each word line WL1, WL2,... Is connected to a word line selection circuit (not shown). The word line selection circuit selects one of the plurality of word lines WL1, WL2,... According to the row address signal.

また、各ビット線BL1,BL2,・・・は、それぞれ、ビット線選択トランジスタBT1,BT2,・・・を介して読み出し/書き込み回路BSに接続されている。ビット線選択トランジスタBT1,BT2,・・・は、カラムアドレス信号に応じて、複数のビット線BL1,BL2,・・・のうち、いずれか1本のビット線を選択して、そのビット線を読み出し/書き込み回路BSに接続するものである。   Further, each bit line BL1, BL2,... Is connected to the read / write circuit BS via the bit line selection transistors BT1, BT2,. The bit line selection transistors BT1, BT2,... Select any one bit line from the plurality of bit lines BL1, BL2,. This is connected to the read / write circuit BS.

読み出し/書き込み回路BSは、ビット線選択トランジスタBT1,BT2,・・・によって選択されたビット線の電圧を検出するセンスアンプと、そのビット線にゲート絶縁膜13を絶縁破壊するための破壊電圧を印加する電圧発生回路(不図示)を備えている。   The read / write circuit BS has a sense amplifier for detecting the voltage of the bit line selected by the bit line selection transistors BT1, BT2,... And a breakdown voltage for insulating the gate insulating film 13 on the bit line. A voltage generation circuit (not shown) to be applied is provided.

また、各ビット線BL1,BL2,・・・には、プリチャージ信号PSに応じて、プリチャージ電圧、例えば電源電圧Vddを供給するプリチャージトランジスタPTが設けられている。本実施形態においてはプリチャージトランジスタPTはPチャネル型MOSトランジスタであるものとするが、これに限定されず、Nチャネル型であってもよい。   Each bit line BL1, BL2,... Is provided with a precharge transistor PT that supplies a precharge voltage, for example, a power supply voltage Vdd, in accordance with the precharge signal PS. In the present embodiment, the precharge transistor PT is assumed to be a P-channel MOS transistor, but is not limited to this, and may be an N-channel type.

以下に、メモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・の構成について、図2乃至図4を参照して説明する。図2は、複数のメモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・のうち、例として1つのメモリセルトランジスタMT1の平面構成を示している。図3は、図2のX−X線に沿った断面図であり、図4は、図2のY−Y線に沿った断面を示している。なお、メモリセルアレイMAに配置された他のメモリセルトランジスタMT2,MT3,MT4,・・・については、メモリセルトランジスタMT1の構成と同様である。また、図2では、主要な構成要素のみを示しており、それ以外の構成要素、例えばサイドウォール膜SP1,SP2の図示は省略されている。   Hereinafter, the configuration of the memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4,... Will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows a planar configuration of one memory cell transistor MT1 as an example among the plurality of memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4,. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 2, and FIG. 4 shows a cross section taken along line YY in FIG. Other memory cell transistors MT2, MT3, MT4,... Arranged in the memory cell array MA are the same as the configuration of the memory cell transistor MT1. In FIG. 2, only main components are shown, and other components such as the sidewall films SP1 and SP2 are not shown.

例えばN型のシリコン基板からなる半導体基板10上に、P型半導体層11が形成されている。P型半導体層11の表面には、素子分離絶縁膜として、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)絶縁膜12が形成されている。   For example, a P-type semiconductor layer 11 is formed on a semiconductor substrate 10 made of an N-type silicon substrate. A LOCOS (Local Oxidation of Silicon) insulating film 12 is formed on the surface of the P-type semiconductor layer 11 as an element isolation insulating film.

LOCOS絶縁膜12の膜厚は、例えば400nmである。LOCOS絶縁膜12によって囲まれた活性化領域にメモリセルトランジスタMT1が形成される。この活性化領域のP型半導体層11の表面には、シリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜13が形成されている。ゲート絶縁膜13の膜厚は、例えば約7nmである。   The film thickness of the LOCOS insulating film 12 is, for example, 400 nm. A memory cell transistor MT1 is formed in the activation region surrounded by the LOCOS insulating film 12. A gate insulating film 13 made of a silicon oxide film or the like is formed on the surface of the P-type semiconductor layer 11 in the activated region. The film thickness of the gate insulating film 13 is about 7 nm, for example.

このゲート絶縁膜13上に、ゲート電極として機能するワード線WL1が形成されている。ワード線WL1の側壁には、絶縁膜からなるサイドウォール膜SP1が形成されている。そして、このワード線WL1の一方の側に隣接したP型半導体層11の表面に、N−型層14及びN+型層15から成るドレイン層11Dが形成されている。ドレイン層11Dの表面はゲート絶縁膜13で被覆されている。また、ワード線WL1の一方の側のP型半導体層11の表面に、N−型層16及びN+型層17から成るソース層11Sが形成されている。即ち、ドレイン層11D及びソース層11SはLDD構造を有している。   On the gate insulating film 13, a word line WL1 functioning as a gate electrode is formed. A sidewall film SP1 made of an insulating film is formed on the sidewall of the word line WL1. A drain layer 11D composed of an N− type layer 14 and an N + type layer 15 is formed on the surface of the P type semiconductor layer 11 adjacent to one side of the word line WL1. The surface of the drain layer 11D is covered with a gate insulating film 13. A source layer 11S composed of an N− type layer 16 and an N + type layer 17 is formed on the surface of the P type semiconductor layer 11 on one side of the word line WL1. That is, the drain layer 11D and the source layer 11S have an LDD structure.

また、ドレイン層11Dに隣接するLOCOS絶縁膜12上から、ドレイン層11DのN−型層14の少なくとも一部上を覆って、ポリシリコン等からなるドレイン電極18が延びている。言い換えれば、ドレイン電極18の端部は、ゲート絶縁膜13を介して、ドレイン層11Dの端部、即ちN−型層14の少なくとも一部と重畳している。ドレイン電極18の端部には、絶縁膜からなるサイドウォール膜SP2が形成されているが、このサイドウォール膜SP2は除去されてもよい。   Further, a drain electrode 18 made of polysilicon or the like extends from above the LOCOS insulating film 12 adjacent to the drain layer 11D so as to cover at least a part of the N− type layer 14 of the drain layer 11D. In other words, the end of the drain electrode 18 overlaps with the end of the drain layer 11 </ b> D, that is, at least a part of the N− type layer 14 with the gate insulating film 13 interposed therebetween. A sidewall film SP2 made of an insulating film is formed at the end of the drain electrode 18, but the sidewall film SP2 may be removed.

上述の構成におけるドレイン電極18及びドレイン層11D等の形成方法の一例について説明すると、まず、ワード線WL1、ドレイン電極18を形成し、その後、サイドウォール膜SP1,SP2を形成する。その後、ワード線WL1、ドレイン電極18、サイドウォール膜SP1,SP2をマスクとした不純物の注入により、自己整合的にドレイン層11Dを形成する。あるいは、これとは異なる他の形成方法を用いてもよい。例えば、まず、ワード線WL1を形成する。そして、不純物の注入によりドレイン層11Dを形成し、その後でドレイン電極18を形成してもよい。   An example of a method for forming the drain electrode 18 and the drain layer 11D in the above configuration will be described. First, the word line WL1 and the drain electrode 18 are formed, and then the sidewall films SP1 and SP2 are formed. Thereafter, the drain layer 11D is formed in a self-aligned manner by impurity implantation using the word line WL1, the drain electrode 18, and the sidewall films SP1 and SP2 as a mask. Alternatively, another forming method different from this may be used. For example, first, the word line WL1 is formed. Then, the drain layer 11D may be formed by impurity implantation, and then the drain electrode 18 may be formed.

なお、ドレイン層11Dは上述のようなLDD構造ではなく、N+型層の単層からなるシングルドレイン構造であっても良い。この場合、そのN+型層がドレイン電極18と重畳していればよい。   Note that the drain layer 11D may have a single drain structure composed of a single N + type layer instead of the LDD structure as described above. In this case, it suffices if the N + type layer overlaps with the drain electrode 18.

また、図の例では、ゲート絶縁膜13のうち、ワード線WL1と重畳する領域と、ドレイン電極18と重畳する領域は、同じ膜厚で連続的に形成されているが、これに限定されず、互いに異なる膜厚を有してもよい。   In the example of the figure, in the gate insulating film 13, the region overlapping with the word line WL1 and the region overlapping with the drain electrode 18 are continuously formed with the same film thickness, but the present invention is not limited to this. , They may have different film thicknesses.

また、図の例では、ゲート絶縁膜13は、ワード線WL1と重畳すると共にドレイン電極18と重畳するように、連続的に形成されているが、これに限定されず、ワード線WL1との重畳箇所を含む領域と、ドレイン電極18との重畳箇所を含む他の領域とに分離して形成されてもよい。   In the example of the figure, the gate insulating film 13 is continuously formed so as to overlap with the word line WL1 and also overlap with the drain electrode 18. However, the present invention is not limited to this, and the gate insulating film 13 overlaps with the word line WL1. It may be formed separately in a region including a portion and another region including a portion where the drain electrode 18 overlaps.

そして、このメモリセルトランジスタMT1を覆って、層間絶縁膜19が形成されている。この層間絶縁膜19には、ドレイン電極18に到達するコンタクトホールCH1が設けられ、層間絶縁膜19上には、コンタクトホールCH1を通してドレイン電極18と接続するビット線BL1が形成されている。ビット線BL1に、読み出し/書き込み回路BSから破壊電圧が供給されると、ドレイン電極18とN−型層14に挟まれたゲート絶縁膜13が絶縁破壊されることで、ビット線BL1とドレイン層11Dが短絡される。   An interlayer insulating film 19 is formed so as to cover the memory cell transistor MT1. A contact hole CH1 reaching the drain electrode 18 is provided in the interlayer insulating film 19, and a bit line BL1 connected to the drain electrode 18 through the contact hole CH1 is formed on the interlayer insulating film 19. When a breakdown voltage is supplied to the bit line BL1 from the read / write circuit BS, the gate insulating film 13 sandwiched between the drain electrode 18 and the N− type layer 14 is broken down, so that the bit line BL1 and the drain layer are 11D is short-circuited.

また、層間絶縁膜19及びゲート絶縁膜13には、ソース層11Sに到達するコンタクトホールCH2が設けられ、層間絶縁膜19上には、コンタクトホールCH2を通してソース層11Sと接続するソース線SLが形成されている。   Further, a contact hole CH2 reaching the source layer 11S is provided in the interlayer insulating film 19 and the gate insulating film 13, and a source line SL connected to the source layer 11S through the contact hole CH2 is formed on the interlayer insulating film 19. Has been.

以下に、上記メモリセルトランジスタMT1のより詳細な構造について説明する。このメモリセルトランジスタMT1のドレイン電極18は、半導体基板10の表面に垂直な方向から見て、三角形状の先端角部18Pを有しており、この先端角部18Pは、ドレイン層11Dの端部、即ちN−型層14と重畳している。半導体基板10の表面に垂直な方向から見た場合の先端角部18Pの角度は、例えば約90度である。先端角部18Pの角度は、これ以外の角度であってもよいが、より強い電界集中を起こさせるためには90度以下であることが好ましい。   Hereinafter, a more detailed structure of the memory cell transistor MT1 will be described. The drain electrode 18 of the memory cell transistor MT1 has a triangular tip corner 18P when viewed from the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 10, and the tip corner 18P is the end of the drain layer 11D. That is, it overlaps with the N− type layer 14. The angle of the tip corner 18P when viewed from the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 10 is, for example, about 90 degrees. The angle of the tip corner 18P may be other than this, but is preferably 90 degrees or less in order to cause stronger electric field concentration.

ドレイン電極18に、ビット線BL1を介して破壊電圧が印加されると、先端角部18Pに電界集中が起こる。この電界集中によって、ドレイン電極18とドレイン層11DのN−型層14との間に挟まれるゲート絶縁膜13が絶縁破壊され易くなる。即ち、該ゲート絶縁膜13が先端角部18Pを持たないドレイン電極18とN−型層14との間に挟まれる場合に比して、破壊電圧を下げることができる。   When a breakdown voltage is applied to the drain electrode 18 via the bit line BL1, electric field concentration occurs at the tip corner 18P. Due to this electric field concentration, the gate insulating film 13 sandwiched between the drain electrode 18 and the N− type layer 14 of the drain layer 11 </ b> D is easily broken down. That is, the breakdown voltage can be lowered as compared with the case where the gate insulating film 13 is sandwiched between the drain electrode 18 having no tip corner 18P and the N− type layer 14.

なお、先端角部18Pは、例えばフォトリソグラフィ技術により形成したマスクを用いてドレイン電極18をパターニングする工程により形成されるが、その際のパターニング精度に応じて、先端角部18Pの先端部分の仕上がり加工形状が僅かな丸みを帯びていてもよい。ただし、この丸みの程度は、上述した破壊電圧の低下を妨げない程度である。   The tip corner 18P is formed by, for example, a process of patterning the drain electrode 18 using a mask formed by a photolithography technique. The finish of the tip of the tip corner 18P is finished according to the patterning accuracy at that time. The processing shape may be slightly rounded. However, the degree of roundness is such that it does not hinder the above-described decrease in breakdown voltage.

さらに、上記構成に加えて、ドレイン層11Dは、半導体基板10の表面に垂直な方向から見て、幅広の第1の領域11D−Aと、幅狭の第2の領域11D−Bを有している。そして、ドレイン電極18の先端角部18Pは、第2の領域11D−Bと重畳している。この構成により、ドレイン層11Dの狭い部分、即ち第2の領域11D−Bに電界集中が起きるため、破壊電圧をさらに下げることができる。   Further, in addition to the above configuration, the drain layer 11D includes a wide first region 11D-A and a narrow second region 11D-B when viewed from a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate 10. ing. The tip corner 18P of the drain electrode 18 overlaps the second region 11D-B. With this configuration, electric field concentration occurs in a narrow portion of the drain layer 11D, that is, the second region 11D-B, so that the breakdown voltage can be further reduced.

ここで、第2の領域11D−Bの断面構成において、LOCOS絶縁膜12のバーズビークの効果について図4を参照して説明する。LOCOS絶縁膜12の端部には選択酸化時の酸素の横方向拡散により一般にバーズビークと呼ばれる部分が形成される。そのバーズビークがドレイン層11Dにおける第2の領域11D−Bの中央に向かって延びることにより、それよりも薄いゲート絶縁膜13の部分の面積が狭くなり、そこに電界集中が起きて、その箇所のゲート絶縁膜13が絶縁破壊され易くなる。   Here, the effect of bird's beak of the LOCOS insulating film 12 in the cross-sectional configuration of the second region 11D-B will be described with reference to FIG. At the end of the LOCOS insulating film 12, a portion generally called a bird's beak is formed by lateral diffusion of oxygen during selective oxidation. When the bird's beak extends toward the center of the second region 11D-B in the drain layer 11D, the area of the thinner gate insulating film 13 becomes narrower, and electric field concentration occurs there. The gate insulating film 13 is easily broken down.

なお、素子分離絶縁膜としてはLOCOS絶縁膜12の替わりに、他の絶縁膜、例えばP型半導体層11に形成したトレンチの中に絶縁膜を埋め込んだシャロー・トレンチ絶縁膜(STI)を用いることができるが、ただし、シャロー・トレンチ絶縁膜は選択酸化を用いないため、バーズビークは形成されない。   As the element isolation insulating film, instead of the LOCOS insulating film 12, another insulating film, for example, a shallow trench insulating film (STI) in which an insulating film is embedded in a trench formed in the P-type semiconductor layer 11 is used. However, since the shallow trench insulating film does not use selective oxidation, no bird's beak is formed.

以下に、上述した不揮発性半導体記憶装置における書き込み動作について説明する。まず、メモリセルトランジスタMT1を例として、データ値「1」を書き込む場合について説明する。この場合、メモリセルトランジスタMT1に接続されたワード線WL1に対して、ワード線選択回路からハイレベル(電源電圧Vdd)のロウアドレス信号が印加される。これにより、ワード線WL1が選択され、メモリセルトランジスタMT1がオンする。また、ビット線BL1に対応するビット線選択トランジスタBT1のゲートにローレベル(接地電圧Vss)のカラムアドレス信号が印加される。すると、このビット線選択トランジスタBT1がオン状態となり、ビット線BL1は、読み出し/書き込み回路BSと接続される。そして、ビット線BL1に対して、読み出し/書き込み回路BSから破壊電圧が印加される。   Hereinafter, a write operation in the above-described nonvolatile semiconductor memory device will be described. First, the case where the data value “1” is written will be described by taking the memory cell transistor MT1 as an example. In this case, a high level (power supply voltage Vdd) row address signal is applied from the word line selection circuit to the word line WL1 connected to the memory cell transistor MT1. As a result, the word line WL1 is selected and the memory cell transistor MT1 is turned on. In addition, a low level (ground voltage Vss) column address signal is applied to the gate of the bit line selection transistor BT1 corresponding to the bit line BL1. Then, the bit line selection transistor BT1 is turned on, and the bit line BL1 is connected to the read / write circuit BS. A breakdown voltage is applied from the read / write circuit BS to the bit line BL1.

すると、ビット線BL1を介してメモリセルトランジスタMT1のドレイン電極18に破壊電圧が印加される。これにより、ドレイン電極18の先端角部18Pに電界集中が起きて、先端角部18Pとドレイン層11DのN−型層14との間に挟まれるゲート絶縁膜13が絶縁破壊される。ゲート絶縁膜13が絶縁破壊されると、メモリセルトランジスタMT1のドレイン層11Dとビット線BL1とが電気的に短絡される。このようにして、メモリセルトランジスタMT1にデータ値「1」を書き込まれる。   Then, a breakdown voltage is applied to the drain electrode 18 of the memory cell transistor MT1 via the bit line BL1. As a result, electric field concentration occurs at the tip corner 18P of the drain electrode 18, and the gate insulating film 13 sandwiched between the tip corner 18P and the N− type layer 14 of the drain layer 11D breaks down. When the gate insulating film 13 is broken down, the drain layer 11D of the memory cell transistor MT1 and the bit line BL1 are electrically short-circuited. In this way, the data value “1” is written into the memory cell transistor MT1.

このゲート絶縁膜13の絶縁破壊の様子について、図5、即ち、ドレイン層11Dにおけるドレイン電流Iを縦軸とし、ドレイン電圧Vを横軸とした場合の特性図を参照して説明する。図示のように、破壊電圧Vより低い電圧がドレイン電極18に印加されても、ドレイン電流Iは殆ど変化しないが、破壊電圧V以上の電圧がドレイン電極18に印加されると、ゲート絶縁膜13が絶縁破壊され、ドレイン電流Iが急激に大きくなる。本実施形態の絶縁破壊では、先端角部18Pを有したドレイン電極18を用いているため、破壊電圧Vを、先端角部18Pを持たないドレイン電極18を用いたときに必要な破壊電圧Vよりも下げることができる。 The state of the breakdown of the gate insulating film 13, FIG. 5, i.e., the drain current I D in the drain layer 11D on the vertical axis, will be described with reference to the characteristic diagram in the case where the drain voltage V D and the horizontal axis. As shown in the drawing, even when a voltage lower than the breakdown voltage V X is applied to the drain electrode 18, the drain current ID hardly changes, but when a voltage higher than the breakdown voltage V X is applied to the drain electrode 18, The insulating film 13 is broken down, and the drain current ID increases rapidly. The breakdown of this embodiment, the use of the drain electrode 18 having a tip angle portion 18P, the breakdown voltage V X, the breakdown voltage V necessary when using drain electrode 18 without a tip angle portion 18P It can be lower than X.

一方、ビット線BL1に接続される他のメモリセルトランジスタ、例えばメモリセルトランジスタMT3には、書き込みは行われない。これは、メモリセルトランジスタMT3に対応するワード線WL2にはローレベル(接地電圧Vss)のロウアドレス信号が印加され、ワード線WL2は選択されていないことにより、メモリセルトランジスタMT3はオフ状態となるためである。   On the other hand, writing is not performed on other memory cell transistors connected to the bit line BL1, for example, the memory cell transistor MT3. This is because a low level (ground voltage Vss) row address signal is applied to the word line WL2 corresponding to the memory cell transistor MT3, and the word line WL2 is not selected, so that the memory cell transistor MT3 is turned off. Because.

つまり、不揮発性半導体記憶装置においては、製造時の状態では全てのメモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・のゲート絶縁膜13は絶縁破壊されておらず、各ドレイン層11Dとドレイン電極18は絶縁されている。この場合、全てのメモリセルトランジスタMT1,MT2,MT3,MT4,・・・は、データ値「0」を記憶している。そして、上述のように、選択されたメモリセルトランジスタのゲート絶縁膜13を絶縁破壊することによりデータ値「1」を書き込むことになる。   That is, in the nonvolatile semiconductor memory device, the gate insulating films 13 of all the memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4,... The electrode 18 is insulated. In this case, all the memory cell transistors MT1, MT2, MT3, MT4,... Store the data value “0”. As described above, the data value “1” is written by breaking down the gate insulating film 13 of the selected memory cell transistor.

以下に、上述した不揮発性半導体記憶装置における読み出し動作について説明する。まず、プリチャージトランジスタPTがプリチャージ信号PSによってオン状態になることにより、各ビット線BL1,BL2,・・・は電源電圧Vddにプリチャージされる。   Hereinafter, a read operation in the nonvolatile semiconductor memory device described above will be described. First, when the precharge transistor PT is turned on by the precharge signal PS, the bit lines BL1, BL2,... Are precharged to the power supply voltage Vdd.

メモリセルトランジスタMT1に記憶されたデータ値を読み出す場合について説明すると、書き込み時と同様にしてワード線WL1が選択され、メモリセルトランジスタMT1はオン状態となる。また、メモリセルトランジスタMT1に接続されたビット線BL1がビット線選択トランジスタBT1により選択され、ビット線BL1は、読み出し/書き込み回路BSに接続される。   The case of reading the data value stored in the memory cell transistor MT1 will be described. The word line WL1 is selected in the same manner as at the time of writing, and the memory cell transistor MT1 is turned on. The bit line BL1 connected to the memory cell transistor MT1 is selected by the bit line selection transistor BT1, and the bit line BL1 is connected to the read / write circuit BS.

メモリセルトランジスタMT1にデータ値「1」が記憶されている場合、ドレイン層11Dとドレイン電極18は短絡されているので、ビット線BL1の電圧は、電源電圧Vddからソース線SLの電圧である接地電圧Vssに変化する。一方、メモリセルトランジスタMT1にデータ値「0」が記憶されている場合、ドレイン層11Dとドレイン電極18は絶縁されているので、ビット線BL1の電圧は電源電圧Vddから変化しない。従って、読み出し/書き込み回路BSによりビット線BL1の電圧が接地電圧Vssであるか電源電圧Vddであるかを判別することにより、メモリセルトランジスタMT1に記憶されたデータ値を読み出すことができる。   When the data value “1” is stored in the memory cell transistor MT1, since the drain layer 11D and the drain electrode 18 are short-circuited, the voltage of the bit line BL1 is the ground voltage that is the voltage of the source line SL from the power supply voltage Vdd. The voltage changes to Vss. On the other hand, when the data value “0” is stored in the memory cell transistor MT1, since the drain layer 11D and the drain electrode 18 are insulated, the voltage of the bit line BL1 does not change from the power supply voltage Vdd. Therefore, the data value stored in the memory cell transistor MT1 can be read by determining whether the voltage of the bit line BL1 is the ground voltage Vss or the power supply voltage Vdd by the read / write circuit BS.

上述したように、本実施形態の不揮発性半導体記憶装置によれば、ゲート絶縁膜の破壊電圧を下げることが可能になる。これにより、不揮発性半導体記憶装置をアナログ回路やデジタル回路を含む様々なLSIに搭載することが容易になる。破壊電圧は、読み出し/書き込み回路BSの電圧発生回路(不図示)によって作成されるが、電圧発生回路は、電源電圧Vddを昇圧する昇圧回路(不図示)によって形成されるため、破壊電圧が高いとその回路規模が大きくになり、実用性が乏しくなる。これに対して、本実施形態によれば、破壊電圧を下げることができるので、昇圧回路による昇圧も少なくて済み、回路規模を抑えることができる。   As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment, the breakdown voltage of the gate insulating film can be lowered. Thereby, it becomes easy to mount the nonvolatile semiconductor memory device on various LSIs including analog circuits and digital circuits. The breakdown voltage is created by a voltage generation circuit (not shown) of the read / write circuit BS, but the voltage generation circuit is formed by a booster circuit (not shown) that boosts the power supply voltage Vdd, so that the breakdown voltage is high. The circuit scale becomes large and the practicality becomes poor. On the other hand, according to the present embodiment, the breakdown voltage can be lowered, so that the boosting by the booster circuit can be reduced and the circuit scale can be suppressed.

本発明の実施形態による不揮発性半導体記憶装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による不揮発性半導体記憶装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による不揮発性半導体記憶装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による不揮発性半導体記憶装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態によるゲート絶縁膜の絶縁破壊の様子をドレイン電流とドレイン電圧との関係から説明する図である。It is a figure explaining the mode of the dielectric breakdown of the gate insulating film by embodiment of this invention from the relationship between drain current and drain voltage.

符号の説明Explanation of symbols

10 半導体基板 11 P型半導体層
11D−A 第1の領域 11D−B 第2の領域
12 LOCOS絶縁膜 13 ゲート絶縁膜
14,16 N−型層 15,17 N+型層
18 ドレイン電極 19 層間絶縁膜
WL1,WL2 ワード線 BL1,BL2 ビット線
SL ソース線 MA メモリセルアレイ
MT1,MT2,MT3,MT4 メモリセルトランジスタ
BT ビット線選択トランジスタ PT プリチャージトランジスタ
SP1,SP2 サイドウォール膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 11 P type semiconductor layer 11D-A 1st area | region 11D-B 2nd area | region 12 LOCOS insulating film 13 Gate insulating films 14 and 16 N-type layer 15, 17 N + type layer 18 Drain electrode 19 Interlayer insulating film WL1, WL2 Word line BL1, BL2 Bit line SL Source line MA Memory cell array MT1, MT2, MT3, MT4 Memory cell transistor BT Bit line selection transistor PT Precharge transistor SP1, SP2 Side wall film

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板の表面に絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の一方の側に隣接して形成されたソース層と、
前記ゲート電極の他方の側に隣接して形成されたドレイン層と、
前記絶縁膜を介して前記ドレイン層と重畳したドレイン電極と、
前記絶縁膜を絶縁破壊するための破壊電圧を前記ドレイン電極に印加する電圧印加部と、を備え、
前記半導体基板の表面に垂直な方向から見て、前記ドレイン電極は先端角部を有しており、この先端角部は前記ドレイン層と重畳していることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the surface of the semiconductor substrate via an insulating film;
A source layer formed adjacent to one side of the gate electrode;
A drain layer formed adjacent to the other side of the gate electrode;
A drain electrode overlapping the drain layer via the insulating film;
A voltage application unit for applying a breakdown voltage to the drain electrode for dielectric breakdown of the insulating film,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the drain electrode has a tip corner portion as viewed from a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, and the tip corner portion overlaps the drain layer.
前記半導体基板の表面に垂直な方向から見て、前記ドレイン層は前記ゲート電極に近い第1の領域と、前記第1の領域から前記ゲート電極に遠い方向に延びると共に前記第1の領域よりも狭い幅を持った第2の領域を含み、
前記ドレイン電極の先端角部は前記第2の領域と重畳していることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
When viewed from the direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, the drain layer extends in a direction closer to the gate electrode from the first region, and extends farther from the first region to the gate electrode and than the first region. Including a second region having a narrow width;
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a tip corner portion of the drain electrode overlaps with the second region.
前記ドレイン層の外側に隣接して前記絶縁膜より厚い膜厚を有するLOCOS膜を備え、
前記LOCOS膜の端部は、前記ドレイン層に重畳した前記ドレイン電極に向けて延びるバーズビークを有していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
A LOCOS film having a film thickness thicker than the insulating film adjacent to the outside of the drain layer;
3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein an end portion of the LOCOS film has a bird's beak extending toward the drain electrode superimposed on the drain layer.
前記ドレイン層は、第1のドレイン層と、第1のドレイン層より低濃度の第2のドレイン層とを備え、前記ドレイン電極は前記第2のドレイン層と重畳していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 The drain layer includes a first drain layer and a second drain layer having a lower concentration than the first drain layer, and the drain electrode overlaps with the second drain layer. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1. 前記絶縁膜は、前記ゲート電極と重畳する領域と、前記ドレイン電極と重畳する領域では、互いに異なる膜厚を有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置。 5. The nonvolatile film according to claim 1, wherein the insulating film has a different thickness in a region overlapping with the gate electrode and a region overlapping with the drain electrode. Semiconductor memory device.
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