JP2013519182A - 5トランジスタ不揮発性メモリセル - Google Patents

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Abstract

複数のNVMセルを含むNVMセルアレイをプログラムする方法。各NVMセルは、共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOS制御トランジスタ、共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するPMOS消去トランジスタ、ソース、ドレイン、及びバルク領域電極と記憶ノードに接続されるゲート電極とを有し、バルク領域電極が共通バルクノードに接続される、NMOSデータトランジスタ、NMOSデータトランジスタのドレイン電極に接続されるソース電極と第1のアレイビット線に接続されるドレイン電極と共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と第1のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第1のNMOSパスゲートトランジスタ、及びNMOSデータトランジスタのソース電極に接続されるドレイン電極と第2のアレイビット線に接続されるソース電極と共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と第2のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第2のNMOSパスゲートトランジスタを含む。この方法は、各NVMセルに対し、NVMセルのNMOS制御トランジスタ、PMOS消去トランジスタ、及びNMOSデータトランジスタのソース、ドレイン、バルク領域及びゲート電極を0Vに設定すること、プログラム用に選択される各セルに対し、第1のアレイワード線を正禁止電圧に且つ対応する第2のビット線を0Vに設定すること又は第2のアレイワード線を正禁止電圧に且つ対応する第2のビット線を0Vに設定すること又はその両方とする一方、共通バルクノードを0Vに設定すること、プログラム用に選択されない各セルに対し、第1及び第2のアレイワード線を0Vに設定する一方、第1の又は第2のアレイビット線のいずれか(又は両方)を正禁止電圧又は0Vに設定する一方で、共通バルクノードを0Vに設定すること、プログラム時間の間制御電圧を0Vから最大正制御電圧まで及び消去電圧を0Vから最大正制御電圧まで傾斜増加させること、制御電圧を最大正制御電圧から0Vまで及び消去電圧を最大正消去電圧から0Vまで傾斜減少させること、及び正禁止電圧に設定された全ての電極を0Vに戻すことを含む。

Description

本発明は、集積回路メモリデバイスに関し、特に、不揮発性メモリ(NVM)セルアレイ内のプログラムされたNVMセルのフローティングゲートとプログラムされていないNVMセルアレイ内のフローティングゲートとの間の電圧差の増加を促進する5トランジスタNVMセルに関連する。
2007年1月16日にポプレバインらに付与された米国特許第7,164,606号は、プログラミング用の逆ファウラー・ノルドハイム・トンネルリングを利用する全PMOS4トランジスタ不揮発性メモリ(NVM)セルを開示している。
図1を参照すると、米国特許第7,164,606号に開示されているように、共通接続されるフローティングゲート電極を有する全PMOS4トランジスタNVMセルを含むNVMアレイをプログラムする方法に従って、アレイ内のプログラムしようとする各NVMに対し、セルの全ての電極が接地される。次いで、禁止電圧Vnが、セルの読み出しトランジスタPrのバルク接続されるソース領域Vrに、セルの消去トランジスタPeの共通接続されるドレイン、バルク、及びソース領域Veに、及び読み出しトランジスタPrのドレイン領域Drに印加される。セルのプログラミングトランジスタPwのソース領域Vp及びドレイン領域Dpは接地される。プログラミングトランジスタPwのバルクVnwは任意選択であり、接地することもできるし、禁止電圧Vnのままとこともできる。アレイ内のプログラムするように選択されない全てのセルに対し、禁止電圧Vnが、電極Vr、Ve、及びDrに印加され、電極Vp、Dp、及びVnwにも印加される。次いで、セルの制御トランジスタPcの制御電圧Vcが、プログラミング時間Tprogに0Vから最大プログラミング電圧Vcmaxに掃引される。次いで、制御ゲート電圧Vcが、最大プログラミング電圧Vcmaxから0Vまで傾斜減少される。次いで、セルの全ての電極及び禁止電圧Vnが接地に戻される。
米国特許第7,164,606号に詳細に記載されているように、その中で開示された全PMOS4トランジスタNVMセルは、プログラミング用の逆ファウラー・ノルドハイム・トンネルリングに依存している。つまり、全PMOS NVMセルのプログラミングトランジスタのフローティングゲート電極と、プログラミングトランジスタのドレイン、ソース、及びバルク電極との間の電位差が、トンネルリング閾値電圧を超えるとき、ドレイン及びソース電極からフローティングゲートまで電子がトンネルして、フローティングゲートを負に帯電させる。
本発明に関する背景情報を提供するため、米国特許第7,164,606号を参照によりその全体を本明細書に組み込む。
米国特許第7,164,606号に開示された全PMOS4トランジスタNVMセルのプログラミング技術は、高電流電力源を必要とせずに多数のセルを同時にプログラムし得る低電流消費と、簡単なプログラムシーケンスという利点をともに提供するものである。しかし、上述のように、プログラミングシーケンスの間、アレイ内のプログラムされていないNVMセルの読み出しトランジスタPrの及びプログラミングトランジスタPwのドレイン及びソース領域が固定禁止電圧Vnに設定され、一方、消去トランジスタPeのVe電極が禁止電圧Vnに設定され、制御トランジスタPcのVc電極が0VからVcmaxまで傾斜増加される。その結果、トラップされるチャージの量がプログラムされたセルのフローティングゲートにトラップされる負のチャージより少ない場合でも、プログラムされていないセルのフローティングゲートに負のチャージがトラップされる。これにより、プログラムされていないセルのフローティングゲートの電圧レベルが、プログラムされたセルのフローティングゲートの電圧レベルを上回る、ほぼVnに設定される。これは、プログラムされたセルのフローティングゲートとプログラムされていないセルのフローティングゲートとの間の最大可能電圧差がVnであることを意味する。この状態のプログラムされていないセルは「ディスターブされたセル」と呼ばれる。
このため、プログラムされたNVMセルとプログラムされていないNVMセルのフローティングゲート間の電圧差を増加させるが、全PMOS4トランジスタNVMセルの利点を保持するNVMセル設計が必要とされている。
本発明は、複数の不揮発性メモリ(NVM)セルを含むNVMセルアレイをプログラミングする方法を提供する。アレイ内の各NVMセルは、共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOS制御トランジスタ、共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するPMOS消去トランジスタ、ソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOSデータトランジスタであって、バルク領域電極が共通バルクノードに接続されるNMOSデータトランジスタ、NMOSデータトランジスタのドレイン電極に接続されるソース電極と、第1のアレイビット線に接続されるドレイン電極と、共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、第1のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第1のNMOSパスゲートトランジスタ、及びNMOSデータトランジスタのソース電極に接続されるドレイン電極と、第2のアレイビット線に接続されるソース電極と、共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、第2のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第2のNMOSパスゲートトランジスタを含む。このNVMセルアレイをプログラミングする方法は、アレイ内の各NVMセルに対し、NVMセルのNMOS制御トランジスタ、PMOS消去トランジスタ、及びNMOSデータトランジスタの、ソース、ドレイン、バルク領域及びゲート電極を0Vに設定すること、プログラミングするよう選択されるアレイ内の各セルに対し、第1のアレイワード線を正の禁止電圧に且つ対応する第2のビット線を0Vに設定すること、又は第2のアレイワード線を正の禁止電圧に且つ対応する第2のビット線を0Vに設定すること、又はその両方とし、更に共通バルクノードを0Vに設定すること、プログラミングのために選択されないアレイ内の各セルに対し、第1及び第2のアレイワード線を0Vに設定する一方、第1の又は第2のアレイビット線のいずれか(又は両方)を正の禁止電圧又は0Vに設定すること、及び共通バルクノードを0Vに設定すること、予め定義されたプログラミング時間の間制御電圧を0Vから正の制御電圧まで及び消去電圧を0Vから正の制御電圧まで傾斜増加させること、制御電圧を正の制御電圧から0Vまで及び消去電圧を正の消去電圧から0Vまで傾斜減少させること、及び正の禁止電圧に設定された全ての電極を0Vに戻すことを含む。
本発明の特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な説明、及び本発明の概念を利用する例示の実施例を示す添付の図面を考慮すればよりよく理解されよう。
図1は、全PMOS4トランジスタNVMセルを図示する概略図である。
図2は、本発明の概念に従った、5トランジスタNVMセルの一実施例を図示する概略図である。
図3は、図1の全PMOS4トランジスタNVMセルを図示する断面図である。
図4は、本発明の概念に従った、図2の5トランジスタNVMセルの構造的実施例を図示する断面図である。
図5は、本発明の概念に従った、図2の5トランジスタNVMセルの代替の構造的実施例を図示する断面図である。
図6は、図2に示したタイプの複数の5トランジスタNVMセルを含むNVMセルアレイの一実施例を図示する概略図である。
図2は、図1に示す全PMOS4トランジスタ不揮発性メモリ(NVM)セル100を有利に改変する本発明の概念に従った5トランジスタNVMセル200の一実施例を示す。更に具体的には、5トランジスタNVMセル200は、全PMOSセル100のPMOS制御トランジスタPcを、制御電圧Vcを受け取る、共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極を有するNMOS制御トランジスタNcで置き換えており、NMOS制御トランジスタNcのゲート電極が、記憶ノードNsに接続される。NVMセル200は、消去電圧Veを受け取る、共通接続されるソース、ドレイン、バルク領域電極を有するPMOS消去トランジスタPeを更に含み、消去トランジスタPeのゲート電極が、記憶ノードNsに接続される。図2の5トランジスタNVMセル200は、図1の全PMOS NVMセル100のPMOS読み出しトランジスタPr及びPMOSプログラムトランジスタPwを、記憶ノードNsに接続されるゲート電極を有する単一のNMOSデータトランジスタNdで置き換える。5トランジスタNVMセル200は、第1のNMOSパスゲートトランジスタPGl及び第2のNMOSパスゲートトランジスタPG2を更に含む。第1のNMOSパスゲートトランジスタPGlは、データトランジスタNdのソース電極と第1のNVMセルアレイビット線Blとの間に接続され、第1のNMOSパスゲートトランジスタPGlのゲート電極は、第1のNVMセルアレイワード線Wlに接続される。第2のNMOSパスゲートトランジスタPG2が、データトランジスタNdのドレイン電極と第2のNVMセルアレイビット線B2との間に接続され、第2のNMOSパスゲートトランジスタPG2のゲート電極は、第2のNVMセルアレイワード線W2に接続される。データトランジスタNd、第1のNMOSパスゲートトランジスタPGl、及び第2のNMOSパスゲートトランジスタのバルク領域電極は、バルク領域プログラミング電圧Vpwを受信するよう共通接続される。
図3は、PMOSトランジスタ間の大型のNウェル間隔を備えた、図1の全PMOS4トランジスタNVMセル100の断面を示す。図4は、図2の5トランジスタNVMセル200の断面を示す。図3及び図4に垂直の破線で示すように、図2の5トランジスタNVMセル200は、図1の全PMOS NVMセル100よりコンパクトな設計を有する。図4は、図2のNVMセルのNMOS制御トランジスタNcが、アイソレートされるPウェル400に構築されることを更に示す。図4は、NVMセル200のNMOSデータトランジスタNd、第1のNMOSパスゲートトランジスタPGl、及び第2のNMOSパスゲートトランジスタPG2のバルク(基板)領域が、P基板402を介して共通接続されることを更に示す。図5は、NVMセル200の代替実施例の断面を示し、NMOSデータトランジスタNd、第1のNMOSパスゲートトランジスタPGl、及び第2のNMOSパスゲートトランジスタPG2の共通接続されるバルク領域が、アイソレートされるPウェル500内に形成される。図5の垂直の破線は、図4の実施例と同じ寸法であり、そのため、図3の全PMOSセルよりコンパクトである代替実施例を示す。
図6は、図2に関連して上述したタイプの複数の5トランジスタNVMセル200に組み込まれるNVMセルアレイ600を示す。
図2及び図6を参照して、アレイ600内の5トランジスタNVMセル200のプログラム、消去、及び読み出しシーケンスは、次の通りである。
プログラムシーケンス
セル200の全ての電極は0Vに設定される。プログラムされるよう選択されたアレイ600内の全てのセルに対し、第1のアレイワード線Wlを正の禁止電圧Vnに且つ対応する第1のアレイビット線Blを0Vに設定するか、或いは第2のアレイワード線W2を正の禁止電圧Vnに且つ対応する第2のビット線B2を0Vに設定するか、又はその両方とし、バルク領域電極Vpwも0Vに設定される。プログラムされるよう選択されないアレイ600内の全てのセル200に対し、第1のアレイワード線Wl及び第2のアレイワード線W2の両方を0Vに設定し、第1のアレイビット線Bl又は第2のアレイビット線B2のいずれか又はその両方を、正の禁止電圧Vn又は0Vに設定し、バルク領域電極Vpwは0Vに設定される。次に、制御電圧Vcを0Vから正の最大制御電圧Vcmaxまで、及び消去電圧を0Vから正の最大消去電圧Vemaxまで傾斜増加させ、予め定義されたプログラミング時間Tprogの間両方の電圧を保つ。(全PMOS NVMセル100のプログラミングシーケンスに比し、ここでは、消去電圧Veは、アイソレートされたPウェルとNウェルとの間に形成されるPNダイオード(図3及び図4参照)が順方向バイアスしないようにするため、制御電圧Vcと共に傾斜増加される。)次いで、制御電圧Vcが最大の正の制御電圧Vcmaxから0Vまで傾斜減少され、消去電圧Veが最大の正の消去電圧Vemaxから0Vまで傾斜減少される。その後、アレイ内の正の禁止電圧Vnに設定された全てのセル電極が0Vに戻される。
上述の工程の後、プログラミングシーケンスが、アレイのプログラムされていないセルのディスターブ状態なしに終了する。
消去シーケンス
アレイ600内の消去されるべき各NVMセル200に対し、消去電圧Veを0Vから最大の正の消去電圧Vemaxまで傾斜増加させ、予め定義された消去時間Teraseの間この電圧Vemaxを保ち、その後、消去電圧Veを最大の正の消去電圧Vemaxから0Vまで傾斜減少させる。このセルの全ての他の電極は0Vに設定される。
読み出しシーケンス
アレイ600内の読み出そうとする各NVMセル200に対し、第1のアレイワード線Wl及び第2のアレイワード線W2を正の禁止電圧Vnに設定し、第1のアレイビット線Bl及び第2のアレイビット線B2を約1V(例えば、プログラムされたセルのディスターブを防ぎつつ、セル電流を読み出すのに充分な電圧)の電圧差に設定する。このセルの全ての他の電極は0Vに設定される。
プログラミング、消去、及び読み出しシーケンスに用いられる電圧レベルは、NVMセルのトランジスタで使用するゲート酸化物の厚さに依存することが当業者には理解されよう。例えば、ゲート酸化物の厚さが60〜80オングストロームの場合、Tprog=Terase〜=20〜50ミリ秒で、Vn〜=3.3V、Vemax=Vemax〜=10Vである。ゲート酸化物の厚さが120オングストロームの場合、Tprog=Terase〜=20〜50ミリ秒で、Vn〜=5.0V、Vcmax=Vemax〜=16Vである。
図2を参照すると、NVMセル200に第1のNMOSパス トランジスタPG1及び第2のNMOSパス トランジスタPG2を付加することで、図1の全PMOS NVMセル100の場合に固定電圧Vnに設定されるのとは対照的に、上述のように、プログラミングシーケンスの間、プログラムされていないセルに対しNMOSデータトランジスタNdのドレイン及びソース領域がフローティングであることが可能となる。これにより、制御電圧Vc及び消去電圧Veが、プログラミングシーケンスの間、0VからそれぞれVcmax及びVemaxまで傾斜増加されるので、データトランジスタNdのドレイン及びソース領域を、Vnレベルを上回って上昇させることが可能である。その結果、極わずか又は全くない負のチャージが、プログラムされていないNVMセルのフローティングゲートにトラップされる。このため、プログラムされていないセルは、それらの初期電圧状態(通常、プログラミングシーケンスの前に実行される消去シーケンス後の状態)を保持し、これは通常、プログラムされたNVMセルのものを上回るVnより大きいレベルである。このことは、プログラムされたNVMセルのフローティングゲートとプログラムされていないNVMセルのフローティングゲートとの間の最大可能電圧差が、通常、Vnより大きいことを意味する。この状態のプログラムされていないセルは典型的に、ディスターブされていないセルと呼ばれる。5トランジスタNVMセル200の場合のプログラムされたNVMセルのフローティングゲートとプログラムされていないNVMセルのフローティングゲートとの間の電圧差が、全PMOS NVMセル100の場合の差より大きいため、NVMセル200は、NVMセル100に比べ優れたノイズマージン及びデータ保持時間を有する。同時に、5トランジスタNVMセル200は、図1の全PMOS NVMセル100の逆ファウラー・ノルドハイム・トンネルリング・プログラミング手法の利点を依然として保持している。
上述の本発明の特定の実施例は例として提供されたものであり、当業者であれば、添付の特許請求の範囲が示すような本発明及びその均等物の範囲から逸脱することなく、他の改変も想起するであろうことを理解されたい。

Claims (7)

  1. 不揮発性メモリ(NVM)セルであって、
    共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOS制御トランジスタ、
    共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、前記記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するPMOS消去トランジスタ、
    ソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、前記記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOSデータトランジスタであって、前記バルク領域電極が共通バルクノードに接続される、前記NMOSデータトランジスタ、
    前記NMOSデータトランジスタの前記ドレイン電極に接続されるソース電極と、ドレイン電極と、前記共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、ゲート電極とを有する第1のNMOSパスゲートトランジスタ、及び、
    前記NMOSデータトランジスタの前記ソース電極に接続されるドレイン電極と、ソース電極と、前記共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、ゲート電極とを有する第2のNMOSパスゲートトランジスタ、
    を含む、NVMセル。
  2. 不揮発性メモリ(NVM)セルをプログラミングする方法であって、前記NVMセルが、
    共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク電極と、記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOS制御トランジスタ、
    共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、前記記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するPMOS消去トランジスタ、
    ソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、前記記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOSデータトランジスタであって、前記バルク領域電極が共通バルクノードに接続される、前記NMOSデータトランジスタ、
    前記NMOSデータトランジスタの前記ドレイン電極に接続されるソース電極と、第1のアレイビット線に接続されるドレイン電極と、前記共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、第1のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第1のNMOSパスゲートトランジスタ、及び、
    前記NMOSデータトランジスタの前記ソース電極に接続されるドレイン電極と、第2のアレイビット線に接続されるソース電極と、前記共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、第2のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第2のNMOSパスゲートトランジスタ、
    を含み、前記NVMセルプログラミング方法が、
    前記NVMセルの前記NMOS制御トランジスタ、前記PMOS消去トランジスタ、及び前記NMOSデータトランジスタの、ソース、ドレイン、バルク領域、及びゲート電極を0Vに設定すること、
    前記第1のアレイワード線を正の禁止電圧に及び前記第1のアレイビット線を0Vに設定すること、或いは前記第2のアレイワード線を前記正の禁止電圧に及び前記第2のアレイビット線を0Vに設定することのいずれか、又はその両方をする一方で、前記共通バルクノードを0Vに設定すること、
    予め定義されたプログラミング時間の間、前記制御電圧を0Vから最大の正の制御電圧まで及び前記消去電圧を0Vから最大の正の消去電圧まで傾斜増加させること、
    前記制御電圧を前記最大の正の制御電圧から0Vまで及び前記消去電圧を前記最大の正の消去電圧から0Vまで傾斜減少させること、及び、
    前記正の禁止電圧に設定された全ての電極を0Vに戻すこと、
    を含む、方法。
  3. 請求項2の前記プログラミング方法であって、前記正の禁止電圧が約3.3Vである、方法。
  4. 請求項2の前記プログラミング方法であって、前記正の禁止電圧が約5.0Vである、方法。
  5. 複数の不揮発性メモリ(NVM)セルを含むNVMセルアレイをプログラミングする方法であって、前記アレイ内の各NVMセルが、
    共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク電極と、記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOS制御トランジスタ、
    共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、前記記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するPMOS消去トランジスタ、
    ソース、ドレイン、及びバルク領域電極と、前記記憶ノードに接続されるゲート電極とを有するNMOSデータトランジスタであって、前記バルク領域電極が共通バルクノードに接続される、前記NMOSデータトランジスタ、
    前記NMOSデータトランジスタの前記ドレイン電極に接続されるソース電極と、第1のアレイビット線に接続されるドレイン電極と、前記共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、第1のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第1のNMOSパスゲートトランジスタ、及び、
    前記NMOSデータトランジスタの前記ソース電極に接続されるドレイン電極と、第2のアレイビット線に接続されるソース電極と、前記共通バルクノードに接続されるバルク領域電極と、第2のアレイワード線に接続されるゲート電極とを有する第2のNMOSパスゲートトランジスタ、
    を含み、前記NVMセルアレイをプログラミングする方法が、
    前記NVMセルアレイ内の各NVMセルに対し、前記NMOS制御トランジスタ、前記PMOS消去トランジスタ、及び前記NMOSデータトランジスタの、ソース、ドレイン、バルク領域、及びゲート電極を0Vに設定すること、
    プログラミングするために選択される前記NVMセルアレイ内の各NVMセルに対し、前記第1のアレイワード線を正の禁止電圧に及び前記第1のアレイビット線を0Vに設定するか、或いは前記第2のアレイワード線を前記正の禁止電圧に及び前記第2のアレイビット線を0Vに設定すること、又はその両方とする一方で、前記共通バルクノードを0Vに設定すること、
    プログラミングのために選択されない前記NVMセルアレイ内の各NVMセルに対し、前記第1及び第2のアレイワード線を0Vに設定する一方で、前記第1の又は第2のアレイビット線のいずれか又はその両方を、前記正の禁止電圧又は0Vに設定する一方、前記共通バルクノードを0Vに設定すること、プログラミング時間の間、前記制御電圧を0Vから最大の正の制御電圧まで及び消去電圧を0Vから最大の正の消去電圧まで傾斜増加させること、
    前記制御電圧を前記最大の正の制御電圧から0Vまで及び前記消去電圧を前記最大の正の消去電圧から0Vまで傾斜減少させること、及び、
    前記正の禁止電圧に設定された前記NVMセルアレイ内の全ての電極を0Vに戻すこと、
    を含む、方法。
  6. 請求項5に記載のプログラミング方法であって、前記正の禁止電圧が約3.3Vである、方法。
  7. 請求項5に記載のプログラミング方法であって、前記正の禁止電圧が約5.0Vである、方法。
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