JP2011151150A - 半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】ビット線フックアップ回路における配線層間の耐圧を保障できる半導体集積回路を提供する。
【解決手段】順次配置された第1〜第4のビット線を有するメモリセルアレイ11と、メモリセルアレイ11の一端側に配置され、第1,第3のビット線に電気的に接続された第1センス回路12−1と、メモリセルアレイ11の他端側に配置され、第2,第4のビット線に電気的に接続された第2センス回路と、メモリセルアレイ11と第1センス回路12−1との間に配置され、電流通路の一端が第1のビット線に接続され、他端が第1センス回路12−1に接続される転送トランジスタTF0を含む第1フックアップ領域13−1と、第1フックアップ領域13−1と第1センス回路12−1との間に配置され、電流通路の一端が第3のビット線に接続され、他端が第1センス回路12−1に接続される転送トランジスタTF1を含む第2フックアップ領域13−2とを具備する。
【選択図】図4
【解決手段】順次配置された第1〜第4のビット線を有するメモリセルアレイ11と、メモリセルアレイ11の一端側に配置され、第1,第3のビット線に電気的に接続された第1センス回路12−1と、メモリセルアレイ11の他端側に配置され、第2,第4のビット線に電気的に接続された第2センス回路と、メモリセルアレイ11と第1センス回路12−1との間に配置され、電流通路の一端が第1のビット線に接続され、他端が第1センス回路12−1に接続される転送トランジスタTF0を含む第1フックアップ領域13−1と、第1フックアップ領域13−1と第1センス回路12−1との間に配置され、電流通路の一端が第3のビット線に接続され、他端が第1センス回路12−1に接続される転送トランジスタTF1を含む第2フックアップ領域13−2とを具備する。
【選択図】図4
Description
本発明は、半導体集積回路に関し、例えばNAND型フラッシュメモリにおけるビット線フックアップ回路に関するものである。
近年、主記憶メモリとしてNAND型フラッシュメモリを使用した電子機器が数多く製品化されている。一方、電子機器の多機能化に伴い、NAND型フラッシュメモリの記憶容量の大容量化が課題となっている(例えば、特許文献1参照)。
記憶容量の大容量化を図るに当たり、チップレイアウトは非常に重要である。例えば、メモリセルの微細化が顕著に進行しているが、導電線の断線、短絡などの問題を解消し、信頼性の向上を図るためには、導電線の形状やコンタクトホールに関しては、フォトリソグラフィの難易度と導電線間の耐圧を考慮してそのサイズやピッチを決定しなければならない。
特に、ビット線については、ライン&スペースのパターンにより最小加工寸法で形成したとしても、ビット線フックアップ回路と呼ばれるスイッチ素子とビット線を接続するためには、導電線を曲げて接続するなど、レイアウト等を十分に工夫する必要がある。例えば、フォトリソグラフィの観点からは補償するランダムパターンの増加を抑制する必要があり、さらに配線ピッチの縮小の観点からは導電線の耐圧を保障する必要がある。
従って、ビット線フックアップ回路におけるレイアウトの検討は、フォトリソグラフィのマージン確保、配線層間の耐圧保障、チップサイズの縮小、さらには、記憶容量の大容量化にとって必須である。
しかし、微細化が進行すると、従来のビット線フックアップ回路の構成では、以下のような問題が生じている。
例えば、NAND型フラッシュメモリの場合、データ消去動作時に、ビット線フックアップ回路における配線層間の電位差が20V以上になり、配線層間にリーク電流が発生する。そのため、配線層の耐圧を保障することができない。
特に、ビット線フックアップ回路中の配線層では、センス回路に近いものほど混みあっているため、耐圧スペックを満たす距離を確保しつつ、マージンを確保することが困難となる。
前述したように、従来の半導体集積回路では、微細化が進行すると、ビット線フックアップ回路における配線層間の耐圧を保障できない、またフォトリソグラフィのマージンを確保できないという問題があった。
本発明は、ビット線フックアップ回路における配線層間の耐圧を保障でき、さらにフォトリソグラフィのマージンを確保することができる半導体集積回路を提供する。
本発明の一実施態様の半導体集積回路は、隣接して順次配置された第1、第2、第3、第4のビット線を含む複数のビット線と複数のワード線との交点にマトリクス状に配置された複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイの一端側に配置され、前記第1、第3のビット線に電気的に接続され、前記メモリセルのデータを読み出す第1センス回路と、前記メモリセルアレイの他端側に配置され、前記第2、第4のビット線に電気的に接続され、前記メモリセルのデータを読み出す第2センス回路と、前記メモリセルアレイと前記第1センス回路との間に配置され、電流通路の一端が前記第1のビット線に接続され、前記電流通路の他端が前記第1センス回路に電気的に接続される第1転送トランジスタが配置される第1フックアップ領域と、第1フックアップ領域と前記第1センス回路との間に配置され、電流通路の一端が前記第3のビット線に接続され、前記電流通路の他端が前記第1センス回路に電気的に接続される第2転送トランジスタが配置される第2フックアップ領域とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、ビット線フックアップ回路における配線層間の耐圧を保障でき、さらにフォトリソグラフィのマージンを確保することができる半導体集積回路を提供できる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態の半導体集積回路について説明する。ここでは、半導体集積回路として、NAND型フラッシュメモリを例に取る。説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。
[1]第1実施形態
本発明の第1実施形態のNAND型フラッシュメモリについて説明する。
本発明の第1実施形態のNAND型フラッシュメモリについて説明する。
[1−1]NAND型フラッシュメモリの全体構成例
図1は、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリの主要な構成を示すブロック図である。
図1は、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリの主要な構成を示すブロック図である。
図示するように、本実施形態のNAND型フラッシュメモリは、メモリセルアレイ11、センス回路12、ビット線フックアップ回路13、入出力(I/O)回路14、カラムデコーダ15、アドレスバッファ16、ローデコーダ17、ドライバ回路18、電圧制御回路19、基板電位制御回路20、及び電圧発生回路21を備えている。
メモリセルアレイ11は、複数のブロックBLK0,BLK1,…,BLKjから構成される。複数のブロックBLK0,BLK1,…,BLKjの各々は、複数のメモリセルユニットを有する。複数のメモリセルユニットの各々は、直列接続された複数のメモリセルからなるNANDストリングで構成され、その両端に1つずつ接続される2つのセレクトゲートトランジスタにより選択される。
センス回路12は、メモリセルアレイ11中のメモリセルからのデータを読み出す。また、図示しないが、センス回路12は、データラッチ回路を有している。データラッチ回路は、読み出し/書き込み時にデータを一時的にラッチする機能を有し、例えば、フリップフロップ回路等から構成される。
ビット線フックアップ回路13は、メモリセルアレイ11とセンス回路12との間に配置され、M1配線層であるビット線を、M1配線層より下層のM0配線層である接続線に接続するための回路である。ここで、上記Mn(n=0,1,…)とは、nが大きいほど半導体基板側から上層に配置された配線層を表記するものである。
入出力回路14は、データのインターフェイス回路として働く。
アドレスバッファ16は、アドレス信号のインターフェイス回路として機能する。
カラムデコーダ15及びローデコーダ17は、アドレス信号に基づいてメモリセルアレイ11内のメモリセルを選択する。
ドライバ回路(ワード線ドライバ)18は、選択されたブロック(BLK0,BLK1,…,BLKj)内の選択されたワード線を駆動する。
制御回路19は、例えば、基板電圧制御回路20及び電圧発生回路21の動作を制御する。
基板電圧制御回路20は、半導体基板の電圧を制御する。具体的には、p型半導体基板内に、n型ウェル領域とp型ウェル領域からなるダブルウェル領域が形成され、メモリセルがp型ウェル領域内に形成される場合、p型ウェル領域の電圧を動作モードに応じて制御する。例えば、基板電圧制御回路20は、読み出し/書き込み時には、p型ウェル領域を0Vに設定し、消去時には、p型ウェル領域を15V以上40V以下の電圧に設定する。
電圧発生回路21は、選択されたブロック内のワード線に与える電圧を発生する。例えば、読み出し時には、電圧発生回路21は、読み出し電圧と中間電圧(読み出しパス電圧)を発生する。読み出し電圧は、選択されたブロック内の選択されたワード線に与え、中間電圧は、選択されたブロック内の非選択のワード線に与える。また、書き込み時には、電圧発生回路21は、書き込み電圧と中間電圧(書込みパス電圧)を発生する。書き込み電圧は、選択されたブロック内の選択されたワード線に与え、中間電圧は、選択されたブロック内の非選択のワード線に与える。
[1−2]ブロックの構成例
次に、図2を用いて、第1実施形態におけるメモリセルアレイ11内のブロック(BLK0,BLK1,…,BLKj)の構成例を説明する。この説明では、ブロックBLK0を一例に挙げて説明する。ここで、NAND型フラッシュメモリの消去動作は、このブロック単位で一括して行われる。そのため、ブロックは、消去単位である。
次に、図2を用いて、第1実施形態におけるメモリセルアレイ11内のブロック(BLK0,BLK1,…,BLKj)の構成例を説明する。この説明では、ブロックBLK0を一例に挙げて説明する。ここで、NAND型フラッシュメモリの消去動作は、このブロック単位で一括して行われる。そのため、ブロックは、消去単位である。
ブロックBLK0は、ワード線方向に配置された複数のメモリセルユニットMUおよびメモリセルユニットMUを選択するセレクトゲートトランジスタS1,S2により構成される。
メモリセルユニットMUは、32個のメモリセルトランジスタMTの電流通路が直列接続されたNANDストリングから構成される。選択トランジスタS1の電流通路の一端は、メモリセルユニットMUの電流通路の一端に接続される。選択トランジスタS2の電流通路の一端は、メモリセルユニットMUの電流通路の他端に接続される。本例では、メモリセルユニットMUは、32個のメモリセルMTから構成されるが、2つ以上のメモリセルから構成されていればよく、特に32個に限定されるというものではない。
メモリセルトランジスタMTは、複数のビット線BL0〜BLn−1と複数のワード線WL0〜WL31との交差位置にマトリクス状に配置されている。メモリセルトランジスタMTのそれぞれは、半導体基板上に順次、トンネル絶縁膜、浮遊電極FG、ゲート間絶縁膜、および制御電極CGが積層された構造である。
ワード線WL0〜WL31ごとにページ(PAGE)が設けられる。ここで、NAND型フラッシュメモリの読み出し動作および書き込み動作は、このページ(PAGE)単位で一括して行われる。そのため、ページは、読み出しおよび書き込み単位である。
選択トランジスタS1の電流通路の他端は、ソース線SLに接続される。選択トランジスタS2の電流通路の他端は、ビット線BLに接続される。
ワード線WL0〜WL31は、ワード線方向に延び、ワード線方向の複数のメモリセルトランジスタMTの制御電極CGに共通に接続される。セレクトゲート線SGSは、ワード線方向に延び、ワード線方向の複数の選択トランジスタS1のゲート電極に共通に接続される。セレクトゲート線SGDも、ワード線方向に延び、ワード線方向の複数の選択トランジスタS2のゲート電極に共通に接続される。
ビット線BL0〜BLn−1は、ビット線方向に延び、ビット線フックアップ回路13を介して、センス回路12に接続され、メモリセルトランジスタMTのデータが読み出される。
[1−3]ビット線フックアップ回路の構成例
次に、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるビット線フックアップ回路の構成について説明する。
次に、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるビット線フックアップ回路の構成について説明する。
図3は、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイ、センス回路、及びビット線フックアップ回路のレイアウトを示す概略図である。
図示するように、メモリセルアレイ11を挟むように、一端及び他端にそれぞれ第1センス回路12−1及び第2センス回路12−2が配置されている。メモリセルアレイ11とセンス回路12−1との間には、第1フックアップ領域13−1、第2フックアップ領域13−2が配置されている。メモリセルアレイ11とセンス回路12−2との間には、第3フックアップ領域13−3、第4フックアップ領域13−4が配置されている。
メモリセルアレイ11のブロック内には、複数のビット線が配列されている。配列された複数のビット線は、1本置きに、センス回路12−1とセンス回路12−2に交互に接続されている。例えば、複数のビット線のうち、偶数番目のビット線はセンス回路12−1に接続され、奇数番目のビット線はセンス回路12−2に接続されている。
次に、メモリセルアレイ11とセンス回路12−1との間に配置される第1フックアップ領域13−1、第2フックアップ領域13−2について説明する。
図4は、第1実施形態における第1、第2フックアップ領域内のレイアウトと回路構成を示す回路図である。
ビット線フックアップ回路13は、第1フックアップ領域13−1、第2フックアップ領域13−2、第1転送制御回路22−1、及び第2転送制御回路22−2から構成されている。
ブロック内に配列される複数のビット線は、前述したように、1本置きに、センス回路12−1とセンス回路12−2とに交互に接続されている。ここでは、センス回路12−1に接続されるビット線を、ビット線BL0,BL1,BL2,BL3,…,BL7として説明する。
第1フックアップ領域13−1は、4つの転送トランジスタTF0,TF2,TF4,TF6を有している。転送トランジスタTF0,TF2,TF4,TF6の各々は、ドレインがドレインコンタクトを介してビット線BL0,BL2,BL4,BL6にそれぞれ電気的に接続されている。これら転送トランジスタTF0,TF2,TF4,TF6の各々のソースは、ソースコンタクトを介してセンス回路12−1内のセンスアンプSA0,SA2,SA4,SA6にそれぞれ電気的に接続されている。
第2フックアップ領域13−2は、4つの転送トランジスタTF1,TF3,TF5,TF7を有している。転送トランジスタTF1,TF3,TF5,TF7の各々は、ドレインがドレインコンタクトを介してビット線BL1,BL3,BL5,BL7にそれぞれ電気的に接続されている。これら転送トランジスタTF1,TF3,TF5,TF7の各々のソースは、ソースコンタクトを介してセンス回路12−1内のセンスアンプSA1,SA3,SA5,SA7にそれぞれに電気的に接続されている。
以下に、ビット線の接続を詳述する。
ビット線BL0は、第1フックアップ領域13−1内の転送トランジスタTF0を介して内部ビット線BLI0に接続され、内部ビット線BLI0はセンスアンプSA0に接続されている。ビット線BL1は、第2フックアップ領域13−2内の転送トランジスタTF1を介して内部ビット線BLI1に接続され、内部ビット線BLI1はセンスアンプSA1に接続されている。
ビット線BL2は、第1フックアップ領域13−1内の転送トランジスタTF2を介して内部ビット線BLI2に接続され、内部ビット線BLI2はセンスアンプSA2に接続されている。ビット線BL3は、第2フックアップ領域13−2内の転送トランジスタTF3を介して内部ビット線BLI3に接続され、内部ビット線BLI3はセンスアンプSA3に接続されている。
ビット線BL4は、第1フックアップ領域13−1内の転送トランジスタTF4を介して内部ビット線BLI4に接続され、内部ビット線BLI4はセンスアンプSA4に接続されている。ビット線BL5は、第2フックアップ領域13−2内の転送トランジスタTF5を介して内部ビット線BLI5に接続され、内部ビット線BLI5はセンスアンプSA5に接続されている。
さらに、ビット線BL6は、第1フックアップ領域13−1内の転送トランジスタTF6を介して内部ビット線BLI6に接続され、内部ビット線BLI6はセンスアンプSA6に接続されている。ビット線BL7は、第2フックアップ領域13−2内の転送トランジスタTF7を介して内部ビット線BLI7に接続され、内部ビット線BLI7はセンスアンプSA7に接続されている。
また、第1フックアップ領域13−1には、第1転送制御回路22−1が設けられている。第1転送制御回路22−1は複数の制御線BLSを有し、制御線BLSの各々は転送トランジスタTF0,TF2,TF4,TF6のゲートにそれぞれ接続されている。
第1転送制御回路22−1は、転送トランジスタTF0,TF2,TF4,TF6のゲートに接続された制御線BLSに与える電圧を制御することにより、転送トランジスタTF0,TF2,TF4,TF6の導通状態を制御する。例えば、制御線BLSには、データ消去動作の際、基準電位、例えば接地電圧Vssが与えられる。
第2フックアップ領域13−2には、第2転送制御回路22−2が設けられている。第2転送制御回路22−2は複数の制御線BLSを有し、制御線BLSの各々は転送トランジスタTF1,TF3,TF5,TF7のゲートにそれぞれ接続されている。
第2転送制御回路22−2は、転送トランジスタTF1,TF3,TF5,TF7のゲートに接続された制御線BLSに与える電圧を制御することにより、転送トランジスタTF1,TF3,TF5,TF7の導通状態を制御する。例えば、制御線BLSには、データ消去動作の際、接地電圧Vssが与えられる。
次に、図5〜図11を用いて、ビット線フックアップ回路のレイアウトとその断面構造について説明する。
図5〜図9は、第1実施形態におけるフックアップ領域のレイアウト図であり、図10及び図11はフックアップ領域の断面図である。
まず、図5〜図9及び図10を用いて、ビット線BL0のレイアウト及び配線方向(A−A線)の断面構造を述べる。以下、GC配線層は、転送トランジスタのゲート電極(制御線BLS)と同じ配線層によって形成される配線である。M0配線層は、GC配線層上に層間絶縁膜を介して形成される1層目の配線層である。M1配線層は、M0配線層上に層間絶縁膜を介して形成される2層目の配線層である。GC配線層は転送トランジスタのゲート電極の配線層を用いて形成されるため、GC配線層として新たな配線層を設ける必要はない。
図10に示すように、ビット線BL0であるM1配線層1aは、コンタクトプラグV1によりM0配線層2aに接続されている。M0配線層2aは、コンタクトプラグV2によりGC配線層3aに接続されている。さらに、GC配線層3aは、コンタクトプラグV3によりM0配線層2bに接続されている。ここまでの断面構造に対応するレイアウトを図5に示す。なお、GC配線層は、ゲート電極層であるが、ここでは配線として使用している。
M0配線層2bは、コンタクトプラグCS1により第1フックアップ領域13−1内の転送トランジスタTF0のドレインDに接続される。転送トランジスタTF0のソースSは、コンタクトプラグCS2により内部ビット線BLI0であるM0配線層2cに接続されている。なお、GC配線層3bは、転送トランジスタTF0のゲート電極である。ここまでの断面構造に対応するレイアウトを図6に示す。
M0配線層2cは、コンタクトプラグV4によりGC配線層3cに接続されている。ここまでの断面構造に対応するレイアウトを図7に示す。
GC配線層3cは、コンタクトプラグV5によりM0配線層2dに接続されている。M0配線層2dは、コンタクトプラグV6によりM1配線層1bに接続されている。ここまでの断面構造に対応するレイアウトを図8、図9に示す。さらに、M1配線層1bはセンス回路12−1に接続される。
また、図5〜図9及び図11を用いて、ビット線BL1のレイアウト及び配線方向(B−B線)の断面構造を述べる。
図11に示すように、ビット線BL1であるM1配線層4aは、コンタクトプラグV7によりM0配線層5aに接続されている。M0配線層5aは、コンタクトプラグV8によりM1配線層4bに戻され接続される。ここまでの断面構造に対応するレイアウトを図5、図6に示す。
M1配線層4bは、コンタクトプラグV9によりM0配線層5bに接続されている。ここまでの断面構造に対応するレイアウトを図7、図8に示す。
M0配線層5bは、コンタクトプラグCS3により第2フックアップ領域13−2内の転送トランジスタTF1のドレインDに接続される。転送トランジスタTF1のソースSは、コンタクトプラグCS4によりM0配線層5cに接続されている。GC配線層6aは、転送トランジスタTF1のゲート電極である。この断面構造に対応するレイアウトを図9に示す。さらに、M0配線層5cはセンス回路12−1に接続される。
前述したように、メモリセルアレイ11の両側にセンス回路12−1,12−2をそれぞれ配置しているため、ビット線は両側のセンス回路12−1,12−2に交互に引き出される。
図5に示したように、M1配線層1aを下層のM0配線層2aに接続するために、コンタクトプラグV1が用いられ、M1配線層4aを下層のM0配線層5aに接続するために、コンタクトプラグV7が用いられている。
さらに、M0配線層2aはコンタクトプラグV2によりGC配線層3aに接続される。M0配線層2aの長辺方向の長さは、コンタクトプラグV1,V2をコンタクトするために必要な領域で決まるため、長さはそれほど必要なく島状の形状になる。M0配線層2aから物理的にショートしないスペースを確保して、M0配線層5aを配置する。
このM0配線層5aにM1配線層(ビット線BL1)4aを接続するコンタクトプラグV7は、コンタクトプラグV1と“4F”離れた位置に配置する。“F”はライン&スペースが配列されるピッチのハーフピッチであり、最小加工寸法を示す。ここでは、“F”はビット線が配列されるピッチのハーフピッチを表す。
これにより、“2F”ピッチで配列されたビット線BLから引き出したM0配線層、コンタクトプラグ、及びGC配線層のピッチを“8F”ピッチにまで緩和することが可能になる。
ビット線BLは、NAND型フラッシュメモリのチップ内で最小加工寸法を使用するセルアレイ11内に形成されるため、フォトリソグラフィ及び加工の面では難易度が高い。メモリセルアレイ以外では、配線ピッチ、配線寸法、またはコンタクトプラグの径、コンタクトプラグのピッチを緩和したレイアウトが望ましく、厳しいレイアウトは配線のショート、オープンまたはコンタクトホールの未開口を引き起こし易くなり、歩留まり低下を招くリスクが考えられる。本実施形態では、フォトリソグラフィ及び加工の難易度を下げて歩留まり低下を抑えることが可能である。
また、図6に示したように、ビット線BL1の電位が印加されたM1配線層4bは、図6に示す領域では通過配線である。また、ゲート電極であるGC配線層3bが活性領域7を通過することにより、nチャネルMOS電界効果トランジスタからなる転送トランジスタTF0が構成されている。
ビット線BL0の電位が印加されたM0配線層2bは、コンタクトプラグCS1により転送トランジスタTF0のドレインDに接続される。転送トランジスタTF0のソースSは、コンタクトプラグCS2によりM0配線層2cに接続される。ビット線BL0は、転送トランジスタTF0を通過して内部ビット線BLI0に接続される。
NAND型フラッシュメモリの消去動作時に、ビット線BLは25V程度まで昇圧されるが、転送トランジスタがオフしているため、ビット線BLと内部ビット線BLIは電気的に切り離される。このときの内部ビット線BLIの電位は、電源電圧Vdd(例えば、3V)程度である。
領域C1では、従来、ビット線BLのM0配線層と内部ビット線BLIのM0配線層が対向する領域が出現していた。この場合、消去動作時における、ビット線BLのM0配線層と内部ビット線BLIのM0配線層との電位差は25V−3V=22Vであり、ショートや断線などの信頼性問題を起こす可能性があった。
これを防ぐためには、高電圧差がかかる配線間距離を離すことが有効である。そこで、本実施形態では、1本置きに引き出すことで“4F”ピッチとしたビット線を、さらに図6に示したように、M0配線層2cとM1配線層4bに割り振ることによって、“8F”ピッチとすることにより、高電圧差が生じるM0配線層間の距離を確保する。これは、メモリセルアレイが微細化されて、ビット線などの配線間距離が確保できない場合に非常に有効である。
また、図7では、M0配線層2cは全て内部ビット線BLIに変換されている。ビット線の半数のM0配線層2cは、コンタクトプラグV4によりGC配線層3cに接続される。
図5において、M1配線層4bに接続したビット線を、図7に示すように、コンタクトプラグV9によりM0配線層5bに接続する。ビット線の残りの半数、例えばビット線BL2のM0配線層2cは、コンタクトプラグV10によりM1配線層1cに接続される。この領域では、内部ビット線BLIをM0配線層2cからM1配線層1cに上げて、さらにビット線BLをM1配線層4bからM0配線層5bに下げることを行う。
GC配線層3cを使用する目的は、この領域でのM0配線層の出現を減らすためであり、これにより領域C2に示すように、ビット線BLと内部ビット線BLI間の高電圧差を緩和する距離を確保することができる。
また図8は、レイアウトの一方が図7に接し、他方が図6と同様な図9に示したトランジスタ配列領域に接するレイアウト図である。ビット線BLIのGC配線層3cは、ビット線BLのM0配線層5bを回避してコンタクトプラグV5、M0配線層2d、コンタクトプラグV6を介して、M1配線層1bに接続される。
この領域では、図7においてGC配線層に接続した内部ビット線BLIをM1配線層に上げることを行い、ビット線BLのM0配線層と内部ビット線BLIのM0配線層の距離を考慮してレイアウトされる。
ビット線BLのM0配線層5bは、図6と同じレイアウトである図9に接続され、転送トランジスタを介して内部ビット線BLIのM0配線層5cに変換される。さらに、M0配線層5cは、低電圧駆動のセンス回路12−1に接続される。
以上述べたように、ビット線BLと内部ビット線BLIとの間には、消去動作時に高電圧差が生じてしまう。電圧関係の緩和ができない場合、ビット線BLと内部ビット線BLIとの距離を離す必要があるが、微細化により適切な距離を確保するのが難しく、特にM0配線層において配線間の距離を確保するのが厳しい。そこで、本実施形態では、図5〜図9に示したレイアウトのようにM0配線層の出現する頻度を減らすことにより、高電圧差が生じるM0配線間の距離を確保することが可能である。
[1−4]データ消去動作
次に、図12を用いて、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおける消去動作について説明する。
次に、図12を用いて、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおける消去動作について説明する。
図12は、第1実施形態のNAND型フラッシュメモリにおける消去動作時のビット線フックアップ回路のタイミングチャートである。
図示するように、まず、消去動作に入るため、メモリセルアレイ11のウェル電位CPWELLが、接地電圧Vssから消去電圧Vera(例えば、25V程度)まで昇圧する。
この際、ビット線BL0〜BLnは、ウェル電位CPWLLに追随して、消去電圧程度〜Veraのレベルまで充電される。一方、センス回路12側の内部ビット線BLI0〜BLInは、制御線BLSが接地電圧Vssであるため、メモリセルアレイ11側のビット線BL0〜BLnと電気的に切り離されている。このため、内部ビット線BLI0〜BLInの電圧は、電源電圧Vdd(例えば、3V)に維持される。
したがって、メモリセルアレイ11側のビット線BL0〜BLnとセンス回路12側の内部ビット線BLI0〜BLInとの間には、22V程度の電位差が生じる。
[1−5]効果
本実施形態によれば、複数のビット線をメモリセルアレイの両側に交互に引き出すことにより、ビット線(特に、M0配線層)形成時のフォトリソグラフィのマージンを稼ぎつつ、さらに配線間の耐圧を緩和するために、ビット線からセンス回路までの配線層を3つの配線層(M1配線層、M0配線層、GC配線層)用いて形成する。これにより、M0配線層の出現頻度を下げて、高電圧のビット線ノードと転送トランジスタを通過した低電圧の内部ビット線ノードとが対向する距離、すなわちビット線ノードと内部ビット線ノード間の距離を耐圧スペックが満たせる距離まで離すことができる。
本実施形態によれば、複数のビット線をメモリセルアレイの両側に交互に引き出すことにより、ビット線(特に、M0配線層)形成時のフォトリソグラフィのマージンを稼ぎつつ、さらに配線間の耐圧を緩和するために、ビット線からセンス回路までの配線層を3つの配線層(M1配線層、M0配線層、GC配線層)用いて形成する。これにより、M0配線層の出現頻度を下げて、高電圧のビット線ノードと転送トランジスタを通過した低電圧の内部ビット線ノードとが対向する距離、すなわちビット線ノードと内部ビット線ノード間の距離を耐圧スペックが満たせる距離まで離すことができる。
また、M0配線層、M1配線層に加えて、ゲート電極層と同一の層及び材料からなるGC配線層を使用することにより、工程を増やすことなく、ビット線フックアップ回路におけるビット線を3層の配線層にて形成できる。
また、メモリセルアレイの両側にセンス回路を設け、偶数番目のビット線を一端側のセンス回路に接続し、奇数番目のビット線を他端側のセンス回路に接続することにより、ビット線フックアップ領域に配置されるビット線間のピッチを緩和することができる。
また、ビット線フックアップ領域におけるビット線の配列ピッチを“4F”の一定に保持し、パターンの配列周期性を保つことにより、フォトリソグラフィ及び加工のマージンを増大することができる。
また、本実施形態では、半導体基板の平面方向に配列されたビット線を、層方向に配分することで高電位と低電位の配線が最小スペースで対向しない配線レイアウトを実現している。また、配線の配列周期性を崩さず、フォトリソグラフィのマージンを削ることなく、配線の短絡及び断線の問題を防止し、記憶素子の大容量化と高信頼性を両立する半導体記憶装置を実現できる。
以上説明したように本実施形態によれば、ビット線フックアップ回路における配線層間の耐圧を保障でき、さらにフォトリソグラフィのマージンを確保することができる半導体集積回路を提供できる。
[2]第2実施形態
本発明の第2実施形態のNAND型フラッシュメモリについて説明する。第2実施形態は、ビット線フックアップ回路内のビット線の一部に転送トランジスタをシリーズに配置したものである。第2実施形態では、全体構成やブロック構成等の第1実施形態と重複する部分の記載は省略する。
本発明の第2実施形態のNAND型フラッシュメモリについて説明する。第2実施形態は、ビット線フックアップ回路内のビット線の一部に転送トランジスタをシリーズに配置したものである。第2実施形態では、全体構成やブロック構成等の第1実施形態と重複する部分の記載は省略する。
[2−1]ビット線フックアップ回路の構成例
以下に、図13及び図14を用いて、メモリセルアレイ11とセンス回路12−1との間に配置されるビット線フックアップ回路13について説明する。
以下に、図13及び図14を用いて、メモリセルアレイ11とセンス回路12−1との間に配置されるビット線フックアップ回路13について説明する。
図13は、第2実施形態のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイ、センス回路、及びビット線フックアップ回路のレイアウトを示す概略図である。図14は、第2実施形態におけるビット線フックアップ回路の構成を示す回路図である。
ビット線フックアップ回路13は、第1フックアップ領域13−1、第2フックアップ領域13−2、第1転送制御回路22−1、及び第2転送制御回路22−2から構成されている。ここでは、ビット線BL0〜BL3のレイアウト及び回路構成を述べる。ビット線BL4以降のレイアウト及び回路構成は、ビット線BL0〜BL3の繰り返しであるため、記載を省略する。
第1フックアップ領域13−1は転送トランジスタTFX0を有し、第2フックアップ領域13−2は4つの転送トランジスタTF0〜TF3を有している。
M1配線層のビット線BL0は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTFX0のドレインに接続される。転送トランジスタTFX0のソースは、コンタクトプラグCS2、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。
このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTF0のドレインに接続される。転送トランジスタTF0のソースは、コンタクトプラグCS2を介してM0配線層の内部ビット線BLI0に接続される。さらに、内部ビット線BLI0は、センス回路12−1内のセンスアンプSA0に接続されている。
M1配線層のビット線BL1〜BL3は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTF1〜TF3のドレインにそれぞれ接続される。転送トランジスタTF1〜TF3のソースは、コンタクトプラグCS2を介してM0配線層の内部ビット線BLI1〜BLI3にそれぞれ接続される。さらに、内部ビット線BLI1〜BLI3は、センス回路12−1内のセンスアンプSA1〜SA3にそれぞれ接続されている。
第1転送制御回路22−1は制御線BLSXを有し、制御線BLSXは転送トランジスタTFX0のゲートに接続されている。第1転送制御回路22−1は、転送トランジスタTFX0のゲートに接続された制御線BLSXに与える電圧を制御することにより、転送トランジスタTFX0の導通状態を制御する。例えば、制御線BLSXには、データ消去動作の際、ビット線の転送出力線BLX0を、ビット線電圧が20V程度ならば半分の10V程度で出力するような電圧、すなわち消去電圧Veraの半分の電圧と閾値電圧Vthとの和((〜Vera/2)+Vth)が与えられる。
第2転送制御回路22−2は制御線BLSを有し、制御線BLSは転送トランジスタTF1〜TF3のゲートにそれぞれ接続されている。第2転送制御回路22−2は、転送トランジスタTF1〜TF3のゲートに接続された制御線BLSに与える電圧を制御することにより、転送トランジスタTF1〜TF3の導通状態を制御する。例えば、制御線BLSには、データ消去動作の際、基準電圧、例えば接地電圧Vssが与えられる。
前記のように、第1、第2フックアップ領域13−1、13−2において、転送トランジスタTFX0、TF0がビット線方向に直列に接続されている。このため、ビット線BLの配線の周期性を崩すことがなく、フォトリソグラフィのマージンを削ることがないため、配線の短絡、断線等を防止できる点で有利である。
また、第1、第2フックアップ領域13−1、13−2に配置されるM1配線層であるビット線BL0〜BL3は、共通に同一ピッチで配列される。このため、ランダムパターンを低減して、フォトリソグフィのマージンを増大することができる。
なお、本実施形態の第1フックアップ領域13−1では、センス回路12から近い位置に転送トランジスタを有するビット線BL0に、転送トランジスタTFX0を配置した例を示した。これは、センス回路12−1から近い第2フックアップ領域13−2のトランジスタ群のM0配線層が込み合うため、配線間距離を確保し、耐圧の信頼性を向上するためである。しかし、これに限らず、第1フックアップ領域13−1には、ビット線BL1〜BL3に転送トランジスタをさらに配置しても良い。
[2−2]ビット線フックアップ回路の変形例
次に、第2実施形態の変形例について説明する。この変形例では、ビット線フックアップ回路の構成のみが第2実施形態と異なり、その他の構成は第2実施形態と同様である。
次に、第2実施形態の変形例について説明する。この変形例では、ビット線フックアップ回路の構成のみが第2実施形態と異なり、その他の構成は第2実施形態と同様である。
第2実施形態は第1フックアップ領域と第2フックアップ領域を有していたが、この変形例は、第2フックアップ領域を2つの領域に分けて、3つのフックアップ領域を備えている。
図15は、第2実施形態の変形例のNAND型フラッシュメモリにおけるメモリセルアレイ、センス回路、及びビット線フックアップ回路のレイアウトを示す概略図である。図16は、第2実施形態の変形例におけるビット線フックアップ回路の構成を示す回路図である。
ビット線フックアップ回路13は、第1フックアップ領域13−1、第2フックアップ領域13−2、第3フックアップ領域13−3、第1転送制御回路22−1、第2転送制御回路22−2、及び第3転送制御回路22−3から構成されている。ここでも、ビット線BL0〜BL3のレイアウト及び回路構成を述べる。ビット線BL4以降のレイアウト及び回路構成は、ビット線BL0〜BL3の繰り返しである。
第1フックアップ領域13−1は転送トランジスタTFX0を有し、第2フックアップ領域13−2は2つの転送トランジスタTF0,TF1を有し、第3フックアップ領域13−3は2つの転送トランジスタTF2,TF3を有している。
M1配線層のビット線BL0は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTFX0のドレインに接続される。転送トランジスタTFX0のソースは、コンタクトプラグCS2、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。
このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTF0のドレインに接続される。転送トランジスタTF0のソースは、コンタクトプラグCS2、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。
このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してまたM1配線層に接続され、さらにこのM1配線層はコンタクトプラグV1を介してM0配線層の内部ビット線BLI0に接続される。さらに、内部ビット線BLI0は、センス回路12−1内のセンスアンプSA0に接続されている。
M1配線層のビット線BL1は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTF1のドレインに接続される。転送トランジスタTF1のソースは、コンタクトプラグCS2、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。
このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してまたM1配線層に接続され、さらにこのM1配線層はコンタクトプラグV1を介してM0配線層の内部ビット線BLI1に接続される。さらに、内部ビット線BLI1は、センス回路12−1内のセンスアンプSA1に接続されている。
M1配線層のビット線BL2,BL3は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグV1を介してM1配線層に接続される。さらに、このM1配線層は、コンタクトプラグV1、M0配線層、コンタクトプラグCS1を介して転送トランジスタTF2,TF3のドレインにそれぞれ接続される。転送トランジスタTF2,TF3のソースは、コンタクトプラグCS2を介して、M0配線層の内部ビット線BLI2,BLI3にそれぞれ接続される。さらに、内部ビット線BLI2,BLI3は、センス回路12−1内のセンスアンプSA2,SA3にそれぞれ接続されている。
[2−3]データ消去動作
第2実施形態及びその変形例における消去動作は以下のようになる。
第2実施形態及びその変形例における消去動作は以下のようになる。
まず、消去動作に入るため、メモリセルアレイ11のウェル電位CPWELLが、接地電圧Vssから消去電圧Vera(25V程度)まで昇圧する。
この際、ビット線BL0〜BL3は、ウェル電位CPWLLに追随して、消去電圧程度〜Veraのレベルまで充電される。一方、センス回路12−1側の内部ビット線BLI0〜BLI3は、制御線BLSが接地電圧Vssのため、メモリセルアレイ11側のビット線BL0〜BL3と電気的に切り離されている。
この際、制御線BLSXに消去電圧Veraの半分の電圧と閾値電圧Vthとの和((Vera/2)+Vth)程度の電圧が印加されている。このため、第2,第3フックアップ領域13−2,13−3の転送ノードである配線BLX0は、ビット線配線BL0と接続され、消去電圧Veraの半分程度(〜Vera/2)の電圧レベルまでは充電される。
しかし、続いてビット線BL0〜BL3が、消去電圧Veraの半分の電圧と閾値電圧Vthとの和((Vera/2)+Vth)程度の電圧レベルを超えた時に、転送トランジスタTFX0がカットオフする。このため、配線BLX0は、消去電圧Veraの半分程度(〜Vera/2)の電圧レベルで充電終了する。
このように制御線BLSXを、消去電圧Veraの半分の電圧と閾値電圧Vthとの和((Vera/2)+Vth)程度の電圧で制御することにより、転送出力線BLX0を、消去電圧Veraの半分程度(〜Vera/2)の電圧レベルに設定することができる。これにより、ワード線方向に隣接するビット線BLI間の電位差を低減でき、耐圧を緩和することができる。
[2−4]効果
第2実施形態及びその変形例では、ビット線フックアップ回路にビット線電圧を降圧させる転送トランジスタを配置し、中間電位のノードを設けて、配線間に高電位ノードと低電位ノードが最小加工寸法で対向しないレイアウトを形成できる。さらに、配線レイアウトの周期性を保つことにより、フォトリソグラフィのマージンを確保することができる。
第2実施形態及びその変形例では、ビット線フックアップ回路にビット線電圧を降圧させる転送トランジスタを配置し、中間電位のノードを設けて、配線間に高電位ノードと低電位ノードが最小加工寸法で対向しないレイアウトを形成できる。さらに、配線レイアウトの周期性を保つことにより、フォトリソグラフィのマージンを確保することができる。
換言すると、ビット線フックアップ領域内のビット線の一部に転送出力を中間電位で出力する転送トランジスタを直列に接続することにより、高電位と低電位のビット線が最小加工寸法で対向しない配線レイアウトを形成できる。さらに、直列に転送トランジスタを設けることにより、配線の配列周期性を崩すことなく、配線の短絡、断線が発生するのを防止できる。これにより、記憶素子の大容量化と高信頼性を両立する半導体記憶装置を実現できる。
以上説明したように本実施形態によれば、ビット線フックアップ回路における配線層間の耐圧を保障でき、さらにフォトリソグラフィのマージンを確保することができる半導体集積回路を提供できる。
[比較例]
次に、前記実施形態のNAND型フラッシュメモリと比較するために、比較例に係るNAND型フラッシュメモリについて、図17乃至図20を用いて説明する。この説明において、前記実施形態と重複する部分の詳細な説明は省略する。
次に、前記実施形態のNAND型フラッシュメモリと比較するために、比較例に係るNAND型フラッシュメモリについて、図17乃至図20を用いて説明する。この説明において、前記実施形態と重複する部分の詳細な説明は省略する。
<等価回路構成例>
図17に示すように、セルアレイ111の上下に、それぞれセンス回路112−1、112−2、ビット線フックアップ領域110−1、110−2が配置されている。このように、比較例に係る構成は、ビット線1本置きに上下のフックアップ領域が接続される一例である。
図17に示すように、セルアレイ111の上下に、それぞれセンス回路112−1、112−2、ビット線フックアップ領域110−1、110−2が配置されている。このように、比較例に係る構成は、ビット線1本置きに上下のフックアップ領域が接続される一例である。
図18に示すように、ビット線BL0〜BL8は、例えば、メタル配線で形成されている。この配線層を、上記と同様に仮にM1配線層と称する。コンタクトプラグV1は、M1配線層と下層のM0配線層を接続する。
下部フックアップ領域110−1は、M1配線層であるビット線を、下層のM0配線層に繋ぐ領域である。ソースコンタクトCSは、ビット線のM0配線層をソース拡散層に接続する。ドレインコンタクトCDはドレイン側の拡散層をM0配線層と接続する。
下部フックアップ領域110−1には、ビット線とセンス回路112−1のスイッチングをコントロールする転送トランジスタN0、N1、…、N7が存在する。
<平面レイアウト構成例>
次に、比較例に係る平面レイアウト構成例について、図19、図20を用いて説明する。
次に、比較例に係る平面レイアウト構成例について、図19、図20を用いて説明する。
図19に示すように、M1配線層は、ラインとスペースが同じ間隔で配置される。この単位を仮に“F”(Fは最小加工寸法)とすると、ピッチは2Fとなる。但し、ここでは、トランジスタ群等の図示を省略している。
M0配線層は、上下にビット線を引き出しているので、ワード線方向に隣接する距離は“4F”となる。コンタクトプラグV1は、隣接するビット線との合わせズレを考えれば、“1F”幅で形成されることが望ましい。M0配線層であるダミー配線DM0は、M0配線層の周期性を保つために配置されるものであるが、このレイアウトはシミュレーションや実験で決められる。
図20では、M1配線層は省略しており、破線で示すように、第1段目〜第4段目の転送トランジスタ群が配置されている。ここでは、4本ビット線を繰り返し単位としている例である。ここで、第4段目の転送トランジスタ群(N3,N7)がメモリセルアレイ111に一番近く、第1段目の転送トランジスタ群(N0,N4)がセンス回路112に一番近い構成となる。
このようなレイアウト構成において、大容量化による微細化が進むと、M1配線層であるビット線のラインとスペースの“F”は限界の値に近づく。そのため、前世代では許されていたM0配線層のランダムパターンであっても、ピッチが縮小されリソグラフィのマージンを確保するためには“F”の周期性が求められる。
また、微細化が進んだ前記世代では、配線間距離が縮小されるが、配線の電圧関係は前世代と同じであるために、配線間耐圧による配線間リーク電流も悪化してメモリチップの信頼性を確保できなくなる。NAND型フラッシュメモリの場合、メモリセルの消去動作時に、ビット線BLnと内部ビット線BLInの電位差が20V以上になり、配線間リークでメモリチップとしての消費電力スペックを満たせず信頼性が保証できなくなる。
例えば、消去動作時に電位差が20V以上になる配線間は、第1段目のトランジスタ群(N0,N4)においては、コンタクトプラグV1で接続されるビット線BL0のM0配線層とビット線BLI1のM0配線層との間である。または、第2段目のトランジスタ群(N1,N5,…)においては、コンタクトプラグV1で接続されるビット線BL1のM0配線層とビット線BLI2のM0配線層との間である。
一方、第3、第4段目のトランジスタ群(N2、N6)、(N3、N7)においては、第1、第2段目の上記トランジスタ群のM0配線層がなくなるため、“F”の周期性を崩さない範囲においてM0配線を曲げる等の配置により、配線間距離を確保することは可能である。
すなわち、フォトリソグラフィのマージンを確保するようなレイアウトでは、センス回路112に近くなるほど、M0配線層は混みあって耐圧スペックを満たす距離を確保できない。
以上、本発明は上記実施形態および比較例に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態および比較例には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、各実施形態および比較例に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
11…メモリセルアレイ、12…センス回路、12−1…第1センス回路、12−2…第2センス回路、13…ビット線フックアップ回路、13−1…第1フックアップ領域、13−2…第2フックアップ領域、13−3…第3フックアップ領域、13−4…第4フックアップ領域、 14…入出力(I/O)回路、15…カラムデコーダ、16…アドレスバッファ、17…ローデコーダ、18…ドライバ回路、19…電圧制御回路、20…基板電位制御回路、21…電圧発生回路、22−1…第1転送制御回路、22−2…第2転送制御回路、22−3…第3転送制御回路。
Claims (5)
- 隣接して順次配置された第1、第2、第3、第4のビット線を含む複数のビット線と複数のワード線との交点にマトリクス状に配置された複数のメモリセルを有するメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイの一端側に配置され、前記第1、第3のビット線に電気的に接続され、前記メモリセルのデータを読み出す第1センス回路と、
前記メモリセルアレイの他端側に配置され、前記第2、第4のビット線に電気的に接続され、前記メモリセルのデータを読み出す第2センス回路と、
前記メモリセルアレイと前記第1センス回路との間に配置され、電流通路の一端が前記第1のビット線に接続され、前記電流通路の他端が前記第1センス回路に電気的に接続される第1転送トランジスタが配置される第1フックアップ領域と、
第1フックアップ領域と前記第1センス回路との間に配置され、電流通路の一端が前記第3のビット線に接続され、前記電流通路の他端が前記第1センス回路に電気的に接続される第2転送トランジスタが配置される第2フックアップ領域と、
を具備することを特徴とする半導体集積回路。 - 前記第1フックアップ領域内及び前記第2フックアップ領域内に形成される前記第1のビット線は、前記第1、第2転送トランジスタのゲート電極層と同一の層及び材料により形成された電極配線層を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
- 前記第1転送トランジスタの前記電流通路の他端に接続された前記第1のビット線は、前記電極配線層上に形成された第1配線層を含み、前記第1配線層と対向するように配置された前記第2のビット線は、前記第1配線層上に形成された第2配線層を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路。
- 最小加工寸法を“F”としたとき、前記第1のビット線と前記第3のビット線は、4Fの間隔で配置され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半導体集積回路。
- 前記複数のビット線のうち、偶数番目のビット線は前記第1センス回路に電気的に接続され、奇数番目のビット線は前記第2センス回路に電気的に接続され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半導体集積回路。
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