JP2014195075A - 不揮発性メモリセル構造及びこれをプログラミングし読み出す方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】アンチヒューズ型の不揮発性メモリセル構造及びその不揮発性メモリセル構造をプログラミングし読み出す方法を提案する。
【解決手段】不揮発性メモリセル構造は、基板内に配置されたドーピングウェル120と、該ドーピングウェル上に配置されたアンチヒューズゲート160と、前記基板内に配置されたドレイン151と、前記ドーピングウェル上に配置された任意的な選択ゲートと、前記ドーピングウェルの内部に配置された任意的なシャロートレンチアイソレーション140とを有する。
【選択図】図1B

Description

発明の相互参照
この出願は2013年3月28日に出願された米国特許出願シリアル番号61/806,393の利益を主張する。
本発明は、一般的には不揮発性メモリセル構造及び不揮発性メモリセル構造をプログラミングし読み出す方法に関する。特に、本発明は、アンチヒューズ型の不揮発性メモリセル構造及びその不揮発性メモリセル構造をプログラミングし読み出す方法に関する。
メモリデバイスは、揮発性メモリデバイスと不揮発性メモリデバイスとに分けられる。不揮発性メモリデバイスにおいては、電源がオフした時でさえデータ保存は持続する。この持続する性質は、携帯電話、デジタルカメラ、ビデオプレーヤー又は個人的デジタルアシスタンス(PDA、Personal Digital Assistance)のような用途におけるデータ蓄積(データ保存)に有用である。
現在のワンタイム(1回だけ書き込み可能)プログラムメモリ(OTP、One-time Program Memory)技術において、起りうるいくつかの障害があるかも知れない。例えば、プログラミング又は読み出しを実現するために、13.5V又は20Vといった超高電圧装置が必要とされる。プログラミング又は読み出しを達成するため、超高電圧、中電圧又は低電圧のような複数の電圧装置が必要とされる。プログラミング電圧が10Vよりも大きいとき、N+/pウェル接合のため接合破壊があるかも知れない。プログラミングモードにおいては、13.5V以上のような超高電圧が必要とされる。しかしながら、そのような超高電圧は、選択トランジスタの酸化物破壊の危険性を大幅に増加させる。
中間電圧デバイス(3.3V又は5V)がそのコスト及び構造を考慮すると現在のプラットホームでは利用できないという観点から、不揮発性メモリセル構造は、もっと簡素な構造及びもっと柔軟な動作要求を満足する不揮発性メモリセル構造の性能要求に適合することが必要とされている。
上述のように、本発明は、アンチヒューズ型の不揮発性メモリセル構造及びその不揮発性メモリセル構造をプログラミングし読み出す方法を提案する。不揮発性メモリセル構造は、異なる動作要求の需要を満たすため、非常に柔軟な構造的レイアウトを有する。更に、現在のプラットホームと両立させるため、プラグラミング又は読み出し工程において中間電圧(3.3V又は5V)は必要とされない。
本発明は、第1の実施形態において、選択ゲートを有しない不揮発性メモリセル構造を提供する。その不揮発性メモリセル構造は、基板、第1のドーピングウェル、第2のドーピングウェル、アンチヒューズゲート及びドレインドーピング領域を有する。前記基板は、第1の伝導性(導電型)を有する。前記第1のドーピングウェルは第2の導電型を有し、前記基板内に配置される。前記第2のドーピングウェルは前記第1の導電型を有し、前記基板内に配置される。前記アンチヒューズゲートは前記第1のドーピングウェル上に配置され、ゲート導電層及びゲート酸化物層を有する。前記ゲート導電層は前記第1のドーピングウェル上に配置され、前記ゲート酸化物層は前記ゲート導電層と前記第1のドーピング層との間に配置されて直接前記第1のドーピングウェルに接触し、破られる位十分薄い。前記ドレインドーピング領域は、前記アンチヒューズゲートから離間して配置される。前記アンチヒューズゲートから前記ドレインドーピング領域までの電流経路は、前記第1のドーピングウェル及び前記第2のドーピングウェルを貫通する。
本発明の一実施形態においては、前記第1のドーピングウェルは前記第2のドーピングウェルに直接接触する。
本発明の他の実施形態においては、前記第1のドーピングウェルは所定の長さ分前記第2のドーピングゲートから離間しており、前記電流経路は更に前記基板中を貫く。
本発明の他の実施形態においては、前記ドレインドーピング領域は前記第2のドーピングウェルの内部に配置される。
本発明の他の実施形態においては、前記アンチヒューズゲートは、プログラミング前はキャパシタとして働き、選択的なプログラミング後は抵抗として働く。
本発明の他の実施形態では、シャロートレンチアイソレーションが前記アンチヒューズゲートと前記第2のドーピングウェルとの間のみならず前記第1のドーピングウェルの内部に更に配置され、前記シャロートレンチアイソレーションの周りに更に電流経路が設けられる。
本発明の他の実施形態においては、前記不揮発性メモリセル構造は、前記不揮発性メモリセル構造の活性化を制御するため、前記第1のドーピングウェル及び前記第2のドーピングウェルの双方の上に配置された選択ゲートを更に有する。
本発明の他の実施形態においては、前記不揮発性メモリセル構造は、前記第2のドーピングウェル上に配置された選択ゲートと、前記第2のドーピングウェルの内部に配置された第1のドレインドーピング領域と、第2のドレインドーピング領域と、第3のドレインドーピング領域と、金属ルーティングとを更に有する。前記第2のドレインドーピング領域は、前記第2のドーピングウェルの内部であって、前記選択ゲートに隣接して配置される。前記第3のドーピング領域は、前記シャロートレンチアイソレーションが前記第2のドレインドーピング領域と前記第3のドレインドーピング領域との間に配置されるように、前記第1のドーピング領域の内部であって、前記アンチヒューズゲートに隣接して配置される。前記金属ルーティングは、前記第2のドレインドーピング領域と前記第3のドレインドーピング領域とを電気的に接続する。
本発明の他の実施形態においては、前記シャロートレンチアイソレーションは調整可能なトレンチ深さを有する。
本発明は、第2の実施形態において、対称性の不揮発性メモリセル構造を提供する。前記対称性の不揮発性メモリセル構造は、基板と、第1のドーピングウェルと、対称性のシャロートレンチアイソレーションセットと、対称性ドレインドーピング領域と、アンチヒューズゲートとを備える。前記基板は第1の導電型を有する。前記第1のドーピングウェルは前記基板内に配置される。前記対称性のシャロートレンチアイソレーションセットは、左部と右部とを備え、それらは両方とも前記ドーピングウェルの内部に配置される。前記対称性ドレインドーピング領域は、左側ドレインドーピング領域と右側ドレインドーピング領域とを備え、それらは両方とも前記ドーピングウェルの内部に配置される。前記左側ドレインドーピング領域は前記左部に隣接して配置される。前記右側ドレインドーピング領域は前記右部に隣接して配置される。前記アンチヒューズゲートは、前記ドーピングウェル上であって、前記対称性のシャロートレンチアイソレーションセットの間に配置される。前記アンチヒューズゲートは、ゲート導電層とゲート酸化物層とを備える。前記ゲート導電層は前記ドーピングウェル上に配置される。前記ゲート酸化物層は、前記ゲート導電層と前記ドーピングウェルとの間に配置され、前記第1のドーピングウェルに直接接触し、裂ける位十分に薄い。
本発明の一実施形態において、前記第1のドーピングウェルは前記第1の導電型の導電型と異なる第2の導電型を有する。
本発明の他の実施形態において、前記対称性の不揮発性メモリセル構造は、第2のドーピングウェルを更に含む。前記第2のドーピングウェルは第2の導電型を有し、前記第2のドーピングウェルが前記基板と前記第1のドーピングウェルとの間に配置されるように前記第1のドーピングウェルを完全に取り囲む。前記第1のドーピングウェルは前記第2の導電型の導電型と異なる前記第1の導電型を有する。
本発明は、第3の実施形態において、不揮発性メモリセル構造を提供する。前記不揮発性メモリセル構造は、第1の導電型の基板と、前記基板内に配置された第2の導電型の第1のドーピングウェルと、ドレインドーピング領域と、シャロートレンチアイソレーションと、アンチヒューズゲートとを有する。前記アンチヒューズゲートは前記第1のドーピングウェル上に配置され、ゲート導電層とゲート酸化物層とを含む。前記ゲート導電層は前記第1のドーピングウェル上に配置される。前記ゲート酸化物層は、前記第1のドーピングウェルに直接接触するとともに、前記ゲート導電層と前記第1のドーピングウェルとの間に配置される。前記ドレインドーピング領域は、前記第1のドーピングウェルの内部に、前記アンチヒューズゲートから離間して配置される。前記薄いトレンチ絶縁物は、前記ドレインドーピング領域と前記アンチヒューズゲートとの間に配置される。前記アンチヒューズゲートから前記ドレインドーピング領域への電流経路は、前記シャロートレンチアイソレーションの周囲を取り囲んで設けられる。
本発明の一実施形態において、前記薄いトレンチ絶縁物は調整可能なトレンチ深さを有する。
本発明は、第4の実施形態において、不揮発性メモリセルの読み出し方法を提供する。最初に、少なくとも1つの上述のような不揮発性メモリセルが設けられる。前記不揮発性メモリセル構造は、基板と、第1のドーピングウェルと、第2のドーピングウェルと、アンチヒューズゲートと、ドレインドーピング領域とを有する。前記基板は、第1の導電型を有する。前記第1のドーピングウェルは第2の導電型を有し、前記基板内に配置される。前記第2のドーピングウェルは前記第1の導電型を有し、前記基板内に配置される。前記アンチヒューズゲートは前記第1のドーピングウェル上に配置され、ゲート導電層及びゲート酸化物層を有する。前記ゲート導電層は前記第1のドーピングウェル上に配置され、前記ゲート酸化物層は、前記ゲート導電層と前記第1のドーピングウェルとの間に配置されて前記第1のドーピングウェルに直接接触するとともに、裂ける位十分薄い。前記ドレインドーピング領域は前記アンチヒューズゲートから離間して配置される。前記アンチヒューズゲートから前記ドレインドーピング領域への電流経路は、前記第1のドーピング領域及び前記第2のドーピング領域を貫通して設けられる。前記アンチヒューズゲートはアンチヒューズ線に電気的に接続され、前記ドレインドーピング領域はビット線に電気的に接続される。そして、前記アンチヒューズ線は接地され、前記ビット線は前記不揮発性メモリセルを読むための読み出し電圧を保持する。
本発明は、第5の実施形態において、不揮発性メモリセルの読み出し方法を提供する。最初に、少なくとも1つの上述の不揮発性メモリセルが設けられる。前記不揮発性メモリセル構造は、基板と、第1のドーピングウェルと、対称性のシャロートレンチアイソレーションセットと、対称性ドレインドーピング領域と、アンチヒューズゲートとを有する。前記基板は第1の導電型を有する。前記第1のドーピングウェルは前記基板内に設けられる。前記対称性のシャロートレンチアイソレーションセットは左部及び右部を備え、それらは両方とも前記ドーピングウェルの内部に配置される。前記対称性ドレインドーピング領域は左側ドレインドーピング領域及び右側ドレインドーピング領域を含み、それらは両方とも前記ドーピングウェルの内部に配置される。前記左側ドーピング領域は前記左部に隣接して配置される。前記右側ドーピング領域は前記右部に隣接して配置される。前記アンチヒューズゲートは前記ドーピングウェル上であって、前記対称性のシャロートレンチアイソレーションセットの間に配置される。前記アンチヒューズゲートはゲート導電層及びゲート酸化物層を含む。前記ゲート導電層は前記ドーピングウェル上に配置される。前記ゲート酸化物層は前記ゲート導電層と前記ドーピングウェルとの間に配置され、前記第1のドーピングウェルに直接接触し、裂ける程十分に薄い。前記アンチヒューズゲートはアンチヒューズ線に電気的に接続され、前記ドレインドーピング領域はビット線に電気的に接続される。そして、前記アンチヒューズ線は接地され、読み出し電圧を有するビット線が前記不揮発性メモリセルを読み出すために設けられる。
本発明は、第6の実施形態において、不揮発性メモリセルを読み出す方法を提供する。最初に、少なくとも1つの上述のような不揮発性メモリセルが設けられる。前記不揮発性メモリセル小僧は、第1の導電型の基板と、前記基板内に配置された第2の導電型の第1のドーピングウェルと、ドレインドーピング領域と、薄いトレンチ絶縁物と、アンチヒューズゲートとを有する。前記アンチヒューズゲートは前記第1のドーピングウェル上に配置され、ゲート導電層及びゲート酸化物層を含む。前記ゲート導電層は前記第1のドーピングウェル上に配置される。前記ゲート酸化物層は、前記第1のドーピングウェルに直接接触するとともに、前記ゲート導電層と前記第1のドーピングウェルとの間に配置される。前記ドレインドーピング領域は前記第1のドーピングウェルの内部に、前記アンチヒューズゲートから離間して配置される。前記シャロートレンチアイソレーションは前記ドレインドーピング領域と前記アンチヒューズゲートとの間に配置される。前記アンチヒューズゲートから前記ドレインドーピング領域への電流経路が前記シャロートレンチアイソレーションの周囲を取り囲んで設けられる。前記アンチヒューズゲートはアンチヒューズ線に電気的に接続され、前記ドレインドーピング領域はビット線に電気的に接続される。そして、前記アンチヒューズ線は接地され、読み出し電圧を有するビット線が前記不揮発性メモリセルを読み出すために設けられる。
本発明のこれらの及び他の目的は、様々な図表及び図に例示された好ましい実施形態の以下の詳細な説明を当業者が読むことにより疑い無く明らかになるであろう。
図1Aは、本発明の対称性構造の不揮発性メモリセルの2つの例を例示した図である。 図1Bは、本発明の対称性構造の不揮発性メモリセルの2つの例を例示した図である。 図2Aは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図2Bは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図2Cは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図2Dは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図3Aは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図3Bは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図3Cは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図3Dは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図4Aは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図4Bは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図4Cは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図4Dは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図4Eは、本発明の不揮発性メモリセル構造の例を例示した図である。 図5Aは、本発明の不揮発性メモリセルのプログラミング方法を例示した図である。 図5Bは、本発明の不揮発性メモリセルのプログラミング方法を例示した図である。 図6Aは、本発明の不揮発性メモリセルのプログラミング方法を例示した図である。 図6Bは、本発明の不揮発性メモリセルのプログラミング方法を例示した図である。 図7Aは、本発明の不揮発性メモリセルの読み出し方法を例示した図である。 図7Bは、本発明の不揮発性メモリセルの読み出し方法を例示した図である。 図8Aは、本発明の不揮発性メモリセルの読み出し方法を例示した図である。 図8Bは、本発明の不揮発性メモリセルの読み出し方法を例示した図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
本発明は、新規な不揮発性メモリセル構造を提供する。この新規な不揮発性メモリセル構造は、新規な不揮発性メモリセルにおける使用のためのプログラミング電圧及び読み出し電圧が、中間電圧を使用すること無く高電圧又は低電圧のみに簡素化されるような調整可能な電流経路を有する。
本発明の新規な不揮発性メモリセル構造は、任意の要素のため多くの構造的な変化を有してよい。図1A〜図4Eは、本発明の不揮発性メモリセル構造の様々な例を例示する。最初に、図1A又は図1Bを参照されたい。対称構造の不揮発性メモリセルの2つの例が例示されている。本発明のメモリセル構造101は、基板110と、第1のドーピングウェル120と、選択的な第2のドーピングウェルと130と、シャロートレンチアイソレーションセットと、ドレインドーピング領域151/152と、アンチヒューズゲート160とを備えてもよい。基板110は、シリコン(Si)のような半導体材料であってもよい。加えて、基板110は、N型又はP型のような、好ましくはP型の第1の導電型を有してもよい。
基板110内に配置された第1のドーピングウェル120が存在する。第1のドーピングウェル120を完全に取り囲む選択的な第2のドーピングウェル130がまた存在してもよい。第1のドーピングウェル120は、アンチヒューズゲート160からドレインドーピング領域151/152まで流れる電流の経路139のための領域を規定する。もし第2のドーピングウェル130が存在しない場合には、図1Aに示されるように、第1のドーピングウェル120は基板110に直接接触し、N型又はP型のような、第1の導電型の導電型とは異なった第2の導電型を有する。
あるいは、第2のドーピングウェル130が存在する場合には、図1Bに示されるように、第2のドーピングウェル130が直接基板110に接触し、N型又はP型のような、第1の導電型の導電型と異なる第2の導電型を有する。
シャロートレンチアイソレーション(STI, Shallow Trench Isolation)140は、対称性のシャロートレンチアイソレーションセット(シャロートレンチアイソレーションの一組)であってもよい。例えば、対称性のシャロートレンチアイソレーションは左部141及び右部142を含んでもよい。左部141及び右部142は、両方とも第1のドーピングウェル120の内部に配置される。特に、シャロートレンチアイソレーション140は、任意に調整可能なトレンチ深さDを有してもよい。例えば、トレンチ深さDは、3000Å〜4000Åであってもよい。
第1のドーピングウェル120の内部に配置されたドレインドーピング領域がまた備えられていてもよい。ドレインドーピング領域は対照的であってもよく、第1のドーピングウェル120のような導電型を有してもよい。例えば、対称性ドレインドーピング領域は、左側ドレインドーピング領域151と右側ドレインドーピング領域152とを有してもよい。左側ドレインドーピング領域151は左部141に隣接して配置される。右側ドレインドーピング領域152は、右部142に隣接して配置される。
第2のドーピングウェル130が無い場合には、図1Aに示されるように、左側ドレインドーピングウェル151は左部141と基板110との間に配置される。右側ドレインドーピング領域152は右部142と基板110との間に配置される。あるいは、第2のドーピングウェル130がある場合には、図1Bに示されるように、左側ドレインドーピング領域151は左部141と第2のドーピングウェル130との間に配置される。右側ドレインドーピング領域152は、右部142と第2のドーピングウェル130との間に配置される。第2のドーピングウェル130の内部にある第1のドーピングウェル120は、ドレイン降伏電圧(Drain Breakdown Voltage、BVD)を改善する構造を可能とする。
左側ドレインドーピング領域151及び右側ドレインドーピング領域152は、それぞれ第2のドーピングウェル130又は基板110に直接接触している。更に、左側ドレインドーピング領域151及び右側ドレインドーピング領域152は、それぞれ左部141又は右部142に直接接触している。
アンチヒューズゲート160は、1つの実施形態において第1のドーピングウェル120上に配置され、他の実施形態においてシャロートレンチアイソレーションセット間、即ち141/142間に配置される。一般的に、アンチヒューズゲート160はゲート導電層161及びゲート酸化物層162を含む。ゲート導電層161は、第1のドーピングウェル120上に配置され、ゲート酸化物層162上に直接配置される。ゲート導電層161は、N+ポリゲート又はP+ポリゲートであってもよい。
ゲート酸化物層162は、ゲート導電層161と第1のドーピングウェル120との間に挟まれる。換言すれば、ゲート酸化物層162は、第1のドーピングウェル120に直接接触する。プログラミングする前に、ゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル120はともに抵抗として働く。好ましくは、ゲート酸化物層162は、所定のプログラミング電圧により容易に裂かれる程十分に薄い。
プログラミング電圧は、不揮発性メモリセルにプログラミングする(プログラムを書き込む)ために用いられる。この発明において、適切なプログラミング電圧により、コンデンサを抵抗に変換することができる。本発明の不揮発性メモリセル構造の1つの特徴は、不揮発性メモリセル構造101をプログラミングするために用いられるプログラミング電圧は調整可能であるという点にある。例えば、プログラミング電圧は、13.5V〜20Vのような、高電圧よりもむしろ10Vと同じ位低い電圧であってもよい。
不揮発性メモリセル構造101にプログラミングする(プログラムを書き込む)際、電流はアンチヒューズゲート160から、左側ドレインドーピング領域151、及び/又は右側ドレインドーピング領域152に流れる。電流がとる経路139は、電流経路である。従って、本発明の不揮発性メモリセル構造101は、プログラミング電圧を調整する複数の方法を有してもよい。本発明の一実施形態では、ゲート酸化物層162の厚さは、ワンタイムプログラムメモリ(OTP、One-time Program Memory)技術の要求を満たす所定のプログラミング電圧により容易に裂かれる程十分に薄くなるように最適化される。本発明の他の実施形態では、調整可能なトレンチ深さDはまた、実施のための最適なプログラミング電圧を得るために最適化される。
第2に、1つの不揮発性メモリセル構造を例示する図2A、図2B、図2C、図2Dを参照されたい。本発明の不揮発性メモリセル構造102は、基板110と、第1のドーピングウェル121と、最適なドーピングウェルと、接点150と、ドレインドーピング領域151と、アンチヒューズゲート160とを有する。基板110は、Siのような半導体材料であってもよい。加えて、基板110は、N型又はP型のような、好ましくはP型の第1の導電型を有してもよい。
図2Aに示されるように、少なくとも1つのドーピングウェル、即ち、電流がとる経路129を規定する基板110内に配置された第1のドーピングウェル121がある。第1のドーピングウェル121は、基板110の導電型とは異なる第2の導電型を有する。基板110内に、第1のドーピングウェル121に隣接して配置された任意の他のドーピングウェルがあってもよい。例えば、その任意のドーピングウェルが無い場合には、第1のドーピングウェル121は基板110に囲まれてもよい。代わりに、図2Bに示されるように、その任意のドーピングウェルが存在する場合には、その任意のドーピングウェルは第1のドーピングウェル121の導電型と異なる導電型を有する第2のドーピングウェル131である。
本発明の他の実施形態では、図2Cに示されるように、第2のドーピングウェル131と第1のドーピングウェル121とが、電流がとる経路129を形成するために互いに直接接触する。本発明の更に他の実施形態では、図2Dに示されるように、第2のドーピングウェル131と第1のドーピングウェル121とは、基板11により分離されて互いに直接接触しておらず、そして第2のドーピングウェル131、第1のドーピングウェル121及び基板110はともに、電流がとる経路を形成する。
アンチヒューズゲート160は第1のドーピングウェル121上に配置され、ゲート導電層161及びゲート酸化物層162を含む。ゲート導電層161は、ゲート酸化物層162上及び第1のドーピングウェル121上に配置される。ゲート酸化物層162は、ゲート導電層161と第1のドーピングウェル121との間に配置される。換言すれば、ゲート酸化物層162は、第1のドーピングウェル121に直接接触する。プログラムを作る前に、ゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121は、ともにコンデンサとして働く。プログラムを作った後、ゲート酸化物層162は意図的に裂かれ、ゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121はともに抵抗として働く。ゲート酸化物層162は所定のプログラミング電圧により容易に裂かれる程十分に薄いことが好ましい。接点150は、アンチヒューズゲート160から離れている。本発明の一実施形態では、第1のドーピングウェル121内か又は第2のドーピングウェル131内のいずれか一方にドレインドーピング領域151があってもよく、図2B又は図2Cに示されるようにそれはアンチヒューズゲート160から離れている。ドレインドーピング領域151は、第1のドーピングウェル121と同じ導電型を有してもよい。アンチヒューズゲート160からドレインドーピング領域151への電流経路129は、第1のドーピングウェル121、又は更に第2のドーピングウェル131、又は更に基板110を通過して設けられてもよい。
本発明の不揮発性メモリセル構造102の1つの特徴は、1つだけのゲート、即ちアンチヒューズゲート160が、不揮発性メモリセル構造101において存在するという点にある。選択ゲートのような他のゲートは不揮発性メモリセル構造102内に存在しない。本発明の不揮発性メモリセル構造102の他の特徴は、第1のドーピングウェル121の内部又は第2のドーピングウェル131の内部には、経路129を妨げるシャロートレンチアイソレーションは存在しないという点にある。シャロートレンチアイソレーションは、第1のドーピングウェル121の内部に配置されることなく、第1のドーピングウェル121又は任意の第2のドーピングウェル131を単に取り囲む。
第3に、他の不揮発性メモリセル構造の例を例示する図3A、図3B、図3C、図3Dを参照されたい。本発明の不揮発性メモリセル構造103は、基板110と、第1のドーピングウェル121と、任意の第2のドーピングウェル131と、シャロートレンチアイソレーション140と、接点150と、ドレインドーピング領域151と、アンチヒューズゲート160とを備える。基板110は、Siのような半導体材料であってもよい。更に、基板110は、N型又はP型のような、好ましくはP型の第1の導電型を有してもよい。シャロートレンチアイソレーション140は、第1のドーピングウェル121又は任意の第2のドーピングウェル131を取り囲む。アンチヒューズゲート160と接点150、又はドレインドーピング領域151、又は第2のドーピングウェル131との間に配置されるとともに、第1のドーピングウェル121の内部に配置される他のシャロートレンチアイソレーション143がある。
図3Aに示されるように、少なくとも1つのドーピングウェル、即ち、基板110内に配置された第1のドーピングウェル121がある。第1のドーピングウェル121は、基板110の導電型と異なる第2の導電型を有する。基板110内に配置され、第1のドーピングウェル121に隣接した任意のドーピングウェルがあってもよい。例えば、その任意のドーピングウェルが無い場合、第1のドーピングウェル121は基板110に囲まれる。代わりに、図3Bに示されるように、その任意のドーピングウェルがある場合に、その任意のドーピングウェルは、第1のドーピングウェル121の導電型と異なる導電型を有し、第1のドーピングウェル121の隣に配置される第2のドーピングウェル131である。
本発明の他の実施形態では、図3Cに示されるように、第2のドーピングウェル131と第1のドーピングウェル121とは互いに直接接触する。また、接点150はドレインドーピング領域151と直接接触し、シャロートレンチアイソレーション143は第1のドーピングウェル121の内部であるが、第2のドーピングウェル131の外部に存在する。更に他の実施形態では、図3Dに示されるように、第2のドーピングウェル131と第1のドーピングウェル121とは互いに直接接触していない。更に、接点150はドレインドーピング領域151に直接接触し、同様にシャロートレンチアイソレーション143は第1のドーピングウェル121の内部であるが、第2のドーピングウェル131の外部に配置される。
いずれの実施形態でも、シャロートレンチアイソレーション143は、任意的に経路129の電気抵抗を調整するため、第1のドーピングウェル121の内部に配置される。例えば、シャロートレンチアイソレーション143は、不揮発性メモリセル構造103のプログラミング電圧を調整するため、3000Å〜4000Åのように調整可能なトレンチ深さDを有する。経路129は、図3Aに示されるように第1のドーピングウェル121のみを通過してもよく、図3Cに示されるように第1のドーピングウェル121及び第2のドーピングウェル131の両方を通過してもよく、図3Dに示されるように第1のドーピングウェル121、第2のドーピングウェル131及び基板110の総てをともに通過してもよく、アンチヒューズゲート160からドレインドーピング領域151までの経路129はシャロートレンチアイソレーション143を迂回して進んでもよい。
アンチヒューズゲート160は第1のドーピングウェル121上に配置され、ゲート導電層161及びゲート酸化物層162を含む。ゲート導電層161はゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121上に配置される。ゲート酸化物層162は、ゲート導電層161と第1のドーピングウェル121との間に配置される。換言すれば、ゲート酸化物層162は、第1のドーピングウェル121に直接接触する。プログラムを作成する前に、ゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121は一緒にコンデンサとして働く。プログラムを作成した後は、ゲート酸化物層162は意図的に裂かれてゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121は一緒に抵抗として働く。好ましくは、ゲート酸化物層162は、所定のプログラミング電圧により裂かれる程十分に薄い。接点150は、アンチヒューズゲート160から離れており、ドレインドーピング領域151と直接接触する。本発明の一実施形態では、図3A〜図3Dに示されるように、第1のドーピングウェル121内又は第2のドーピングウェル131内のいずれかに配置されたドレインドーピング領域151があり、アンチヒューズゲート160から離れている。ドレインドーピング領域151は、第1のドーピングウェル121と同じ導電型を有してもよい。
本発明の不揮発性メモリセル構造103の1つの特徴は、不揮発性メモリセル構造103内には、1つだけのゲート、即ち、アンチヒューズゲート160が存在する点にある。換言すれば、不揮発性メモリセル構造103内には、選択ゲートのような他のゲートは存在しない。
更に、本発明の複数の不揮発性メモリセル構造体は、一緒になってメモリセルアレイを形成する。そのような方法において、指定されたメモリセルをメモリセルアレイ内で動作させるために、選択ゲートが任意的に必要とされる。
次に、不揮発性メモリセル構造の例を例示する図4A〜図4Eを参照されたい。本発明の不揮発性メモリセル構造104は、基板110と、第1のドーピングウェル121と、任意的なドーピングウェルと、シャロートレンチアイソレーション140と、任意的なシャロートレンチアイソレーション143と、接点150と、任意的なドレインドーピング領域151と、セレクトゲート170に加えてアンチヒューズゲート160と、を有する。基板110は、Siのような半導体材料であってもよい。更に、基板110は、N型又はP型のような、好ましくはP型の第1の導電型を有してもよい。
シャロートレンチアイソレーション140は、少なくとも第1のドーピングウェル121又は更に任意的な第2のドーピングウェル131をも同じように囲む。接点150は任意的なドレインドーピング領域151に電気的に接続されてもよい。第1のドレインドーピング領域151は第1のドーピングウェル121と同じ導電型を有してもよく、第2のドーピングウェル131の内部に配置される。また、任意的なシャロートレンチアイソレーション143は第1のドーピングウェル121の内部又は第2のドーピングウェル131の内部のいずれかに配置されてもよい。
図4Aに示されるように、第2のドーピングウェル131及び第1のドーピングウェル121は互いに直接接触し、経路129は第1のドーピングウェル121及び第2のドーピングウェル131の両方を通過してもよい。図4A及び4Dはドレインドーピング領域151のみが存在することを例示している。図4B及び4Cは、更にドレインドーピング領域151及び任意的なシャロートレンチアイソレーション143の両方とも存在することを例示する。
本発明の他の実施形態では、図4C又は4Dに示されるように、第2のドーピングウェル131及び第1のドーピングウェル121が基板110により分離されて互いに直接接触しておらず、経路129が第1のドーピングウェル121、基板110及び第2のドーピングウェル131を通過してもよい。
本発明の更に他の実施形態では、複数のドレインドーピング領域があってもよい。例えば、図4Eに示されるように、第2のドレインドーピング領域152及び第3のドレインドーピング領域153がある。第2のドレインドーピング領域152は、第2のドーピングウェル131の内部に、選択ゲート170に隣接して配置される。第3のドレインドーピング領域153は、シャロートレンチアイソレーション143が第2のドレインドーピング領域152と第3のドレインドーピング領域153との間に挟まれるように、第1のドーピングウェル121の内部に、アンチヒューズゲート160に隣接して配置される。金属ルーティング180は、第2のドレインドーピング領域152と第3のドレインドーピング領域153とを電気的に接続するために用いられる。図4Eに示されるようにその構造は、例えば第1のドーピングウェル121、第2のドーピングウェル131、ドレインドーピング領域151、第2のドレインドーピング領域152、及び/又は第3のドレインドーピング領域153の寸法を調整することができるように、複数の寸法を調整することによりプログラミング電圧を調整することができる。
いくつかの実施形態においては、シャロートレンチアイソレーション143は経路129の抵抗を調整するために第1のドーピングウェル121の内部に配置される。図4Eに示されるように、シャロートレンチアイソレーション143は第1のドーピングウェル121/第2のドーピングウェル131間、又は第2のドレインドーピングウェル152/第3のドレインドーピング領域153間に同様に配置される。例えば、シャロートレンチアイソレーション143は、任意的に不揮発性メモリセル構造103のプログラミング電圧を調整するため、3000Å〜4000Åのように調整可能なトレンチ深さDを有してもよい。
アンチヒューズゲート160は第1のドーピングウェル121上に配置され、ゲート導電層161とゲート酸化物層162とを含む。ゲート導電層161は、ゲート酸化物層162上と第1のドーピングウェル121上に配置される。ゲート酸化物層162は、ゲート導電層161と第1のドーピングウェル121との間に配置される。換言すれば、ゲート酸化物層162は第1の直接ドーピングウェル121に直接接触する。接点150は、アンチヒューズゲート160から離れている。
プログラムを書き込む前に、ゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121はともにコンデンサとして働く。プログラムを書き込んだ後、ゲート酸化物層162は意図的に裂かれ、ゲート導電層161、ゲート酸化物層162及び第1のドーピングウェル121はともに抵抗として働く。ゲート酸化物層162は所定のプログラミング電圧で容易に裂かれるように十分薄いことが好ましい。
更に、不揮発性メモリセル構造104の動作を制御するために追加的な選択ゲート170がある。選択ゲート170は、図4Eに示されるように第2のドーピングウェル131上にのみ配置されてもよく、図4A又は4Bに示されるように第1のドーピングウェル121及び第2のドーピングウェル131上の両方に配置されてもよく、図4C又は4Dに示されるように第1のドーピングウェル121、第2のドーピングウェル131及び基板110上に配置される。選択トランジスタ172は選択ゲート170と対応するドーピングウェル又はドーピング領域とを含む。選択トランジスタ172は、例えば、横方向拡散金属酸化物半導体(LDMOS, Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)又は二重拡散MOS(DMOS, Double-diffused MOS)のようなMOSデバイスである。上述の種々の不揮発性メモリセルを踏まえると、本発明は、他の実施形態において不揮発性メモリセルのプログラミング方法もまた提供する。第1に、図5A又は図5Bに示されるように、少なくとも1つの不揮発性メモリセル100が提供される(設けられる)。少なくとも1つのメモリセル構造は、図5Aに示されるように単体の不揮発性メモリセルであってもよく、図5Bに示されるようにアレイ109の形態であってもよい。不揮発性メモリセルが単体の不揮発性メモリセルであるとき、アンチヒューズゲート160はアンチヒューズ線163に電気的に接続され、接点150はビット線152に電気的に接続される。不揮発性メモリセルがアレイ109を形成するとき、不揮発性メモリセル100の接点150は、アレイ109内で特定の不揮発性メモリセル100’を選択するためワード線171に接続された選択トランジスタ172に接続される。そして、選択トランジスタ172は更にビット線152に接続される。上述の不揮発性メモリセルの詳細な構造に対する説明を参照されたい。
次に、ビット線152は接地され、アンチヒューズ線163はコンデンサを抵抗に物理的に変換する(コンデンサを裂く)のに十分高いプログラミング電圧を有する。図6Aに示されるように、不揮発性メモリセルが単体の不揮発性メモリセルのとき、アンチヒューズ線163には、例えば10Vの低さのプログラミング電圧が与えられ、ビット線152は接地される。コンデンサは、従って、10Vバイアスにより引き裂かれる。不揮発性メモリセルがアレイを形成するとき、図6Bに示されるように、同様にアンチヒューズ線163に例えば10Vの低さのプログラミング電圧が与えられ、ビット線152の少なくとも1つが接地される。ワード線171の少なくとも1つには、アレイ109内で特定の不揮発性メモリセルの線(不揮発性メモリセル100’のような)を選択するための活性化電圧が与えられ、選択されていない他のワード線171は不活性なままである。活性化電圧は1.8Vと同じ程度に低くてもよい。アンチヒューズ線163が接地されることもまた可能であり、ビット線152に、10V程度の低さのプログラミング電圧が与えられてもよい。
上述の工程を考慮すると、アンチヒューズ線163には方法及び場所に関わらず常にプログラミング電圧が与えられてもよい。このことは、アンチヒューズ線163はデコードする必要が無いことを意味し、これは本発明の特徴の1つである。また、2つの異なる電圧のみがあり、即ちプログラミング電圧と活性化電圧、は回路の設計を簡素化させるための工程において要求されている。選択ゲートが無い場合、活性化電圧は必要とされない。これは本発明の方法の他の特徴である。更に、プログラミング電圧は10Vと同じ低さであってもよく、活性化電圧はエネルギー及び電力を節約するために1.8Vの低さであってもよく、このことは本発明の方法の更に他の特徴である。更に、ビット線152とワード線172は、より簡素な回路設計を達成するため、活性化電圧と接地電圧との間で容易に切り替えられてもよい。
他の実施形態において、本発明はまた不揮発性メモリセルの読み出し方法を提供する。最初に、図7A又は7Bに示されるように、少なくとも1つの不揮発性メモリセルが提供される。少なくとも1つの不揮発性メモリセル100は、不揮発性メモリセル100’のようにプログラムが作成されていてもよい。少なくとも1つの不揮発性メモリセル100は、図5Aに示されるように単体の不揮発性メモリセル100であってもよく、図5Bに示されるようにアレイ109の形態であってもよい。不揮発性メモリセルが単体の不揮発性メモリセルのときには、アンチヒューズ160がアンチヒューズ線163に電気的に接続され、接点150がビット線152に電気的に接続される。不揮発性メモリセルがアレイを形成するときには、同様にアンチヒューズゲート160はアンチヒューズ線163に電気的に接続され、不揮発性メモリセル100の接点150はビット線152に接続されている選択トランジスタ172に接続される。選択ゲート170は、特定の不揮発性メモリセルをアレイ109中で選択するためにワード線171に更に電気的に接続される。そして選択トランジスタ172はビット線152に更に接続される。上述の不揮発性メモリセルの詳細な構造の説明を参照されたい。
次に、アンチヒューズゲート163は任意的に接地され、ビット線152は、不揮発性メモリセル100又はアレイ109を読み出すため読み出し電圧を有し、それは活性化電圧と同じであってもよい。不揮発性メモリセルが単体の不揮発性メモリセルのときには、図8Aに示されるように、ビット線152には、例えば1.8Vの低さ程度の読み出し電圧が与えられ、アンチヒューズ線163が接地される。メモリセル100がコンデンサ又は抵抗の状態にあるかを判定するには、小さな読み出し電圧で十分である。
不揮発性メモリセルがアレイを形成するときには、図8Bに示されるように、同様にビット線152に例えば1.8V程度の低さの読み出し電圧が与えられ、少なくとも1つのアンチヒューズ線163が接地される。ワード線171にはアレイ109内で特定の不揮発性メモリセルの線を選択するための活性化電圧が与えられ、選択されない他のワード線171は不活性のままである。活性化電圧は読み出し電圧と同じでもよく、1.8Vの低さであってもよい。結果は、アレイ109内で唯一の特定の不揮発性メモリセル100’が読み出される。ビット線152が接地され、アンチヒューズ線163に例えば1.8Vの低さの読み出し電圧が供給されることもまた可能である。
上述の工程を考慮すれば、アンチヒューズ線163は方法及び場所に関わらず常に接地されてもよいことに注目されたい。このことは、アンチヒューズ線163がデコードする必要が無いことを意味し、このことは本発明の方法の特徴のうちの1つである。また、2つの異なる電圧のみがあり、即ち、読み出し電圧/活性化電圧及び接地電圧は、回路の設計を簡素化するために読み出し工程において要求され、これが本発明の方法の特徴のうちの他の1つである。更に、活性化電圧と同様読み出し電圧は、エネルギー及び電力を節約するため1.8Vの低さであってもよく、これもまた本発明の方法の特徴のうちの他の1つである。また、ビット線152及びワード線171は、より簡素な回路設計を達成するために読み出し電圧/活性化電圧と接地電圧との間で容易に切り替えられるよう設計されてもよい。例えば、ワード線とビット線とが同時に同じ電圧を有するとき、不揮発性メモリセルの少なくとも1つが読み出される。
本発明の教示を保ちつつ装置及び方法の多数の変形及び置換がなされてもよいことは、当業者は容易に気付くであろう。従って、上述の開示は添付のクレームの境界によってのみ限定されるものとして解釈されるべきである。

Claims (17)

  1. 不揮発性メモリセル構造であって、
    第1の導電型を有する基板と、
    前記基板内に配置され、第2の導電型を有する第1のドーピングウェルと、
    前記基板内に配置され、前記第1の導電型を有する第2のドーピングウェルと、
    前記第1のドーピングウェル上に配置されたアンチヒューズゲートであって、前記第1のドーピングウェル上に配置されたゲート導電層と、該ゲート導電層と前記第1のドーピングウェルとの間に配置されるとともに前記第1のドーピングウェルと直接接触するゲート酸化物層とを含むものと、
    前記アンチヒューズゲートから離れているドレインドーピング領域と、を有し、
    前記アンチヒューズゲートから前記ドレインドーピング領域までの電流経路は、前記第1のドーピングウェルと前記第2のドーピングウェルを通過する不揮発性メモリセル構造。
  2. 前記第1のドーピングウェルは前記第2のドーピングウェルに直接接触する請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  3. 前記第1のドーピングウェルは前記第2のドーピングウェルから所定距離離れており、前記電流経路は更に前記基板を通過する請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  4. 前記ドレインドーピング領域は、前記第2のドーピングウェルの内部に配置される請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  5. 前記アンチヒューズゲートはコンデンサ又は抵抗のいずれかとして働く請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  6. 前記アンチヒューズゲートと前記第2のドーピングウェルとの間とともに、前記第1のドーピングウェルの内部に配置されたシャロートレンチアイソレーションを更に有し、
    前記電流経路は更に前記シャロートレンチアイソレーションの周囲を通過する請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  7. 前記第1のドーピングウェル及び前記第2のドーピングウェルの双方の上に配置された選択ゲートを更に有する請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  8. 前記第2のドーピングウェル上に配置された選択ゲートと、
    前記第2のドーピングウェルの内部に配置された第1のドレインドーピング領域と、
    前記第2のドーピングウェルの内部に前記アンチヒューズゲートに隣接して配置された第3のドーピング領域であって、前記シャロートレンチアイソレーションが前記第2のドーピング領域と前記第3のドレインドーピング領域との間に配置されるように配置されたものと、
    前記第2のドレインドーピング領域と前記第3のドレインドーピング領域とに電気的に接続された金属ルーティングと、を更に有する請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  9. 前記シャロートレンチアイソレーションは、調整可能なトレンチ深さを有する請求項1に記載の不揮発性メモリセル構造。
  10. 対称性の不揮発性メモリセル構造であって、
    第1の導電型を有する基板と、
    前記基板内に配置された第1のドーピングウェルと、
    前記第1のドーピングウェル内の内部に配置された左側シャロートレンチアイソレーションと右側シャロートレンチアイソレーションとを含む対称性シャロートレンチアイソレーションセットと、
    左側ドレインドーピング領域と右側ドレインドーピング領域とを含む対称性ドレインドーピング領域であって、前記左側ドレインドーピング領域は前記左側シャロートレンチアイソレーションに隣接して配置され、前記右側ドレインドーピング領域は前記右側シャロートレンチアイソレーションに隣接して配置されているものと、
    前記第1のドーピングウェル上に、前記対称性シャロートレンチアイソレーションセットの間に配置されたアンチヒューズゲートであって、前記第1のドーピングウェル上に配置されたゲート導電層と、前記ゲート導電層と前記第1のドーピングウェルとの間に前記第1のドーピングウェルに直接接触して配置して配置されたゲート酸化物層とを含むものと、を有する対称性の不揮発メモリセル構造。
  11. 前記第1のドーピングウェルは、前記第1の導電型と異なる第2の導電型を有する請求項10に記載の対称性の不揮発性メモリセル構造。
  12. 前記第1のドーピングウェルを完全に囲み、前記基板と前記第1のドーピングウェルとの間に配置された第2の導電型を有する第2のドーピングウェルを更に有し、
    前記第1のドーピングウェルは前記第2の導電型と異なる前記第1の導電型を有する請求項10に記載の対称性の不揮発性メモリセル構造。
  13. 不揮発性メモリセル構造であって、
    第1の導電型を有する基板と、
    前記基板内に配置され、第2の導電型を有する第1のドーピングウェルと、
    前記第1のドーピングウェル上に配置されたゲート導電層と、該ゲート導電層と前記第1のドーピングウェルとの間に配置され前記第1のドーピングウェルに直接接触するゲート酸化物層とを含み、前記第1のドーピングウェル上に配置されたアンチヒューズゲートと、
    前記第1のドーピングウェルの内部に、前記アンチヒューズゲートから離間して配置されたドレインドーピング領域と、
    該ドレインドーピング領域と前記アンチヒューズゲートとの間に配置されたシャロートレンチアイソレーションと、を有し、
    前記アンチヒューズゲートから前記ドレインドーピング領域への電流経路は前記シャロートレンチアイソレーションの周囲を通過する不揮発性メモリセル構造。
  14. 前記シャロートレンチアイソレーションは調整可能なトレンチ深さを有する請求項13に記載の不揮発性メモリセル構造。
  15. 不揮発性メモリセルの読み出し方法であって、
    請求項1に記載の少なくとも1つの不揮発性メモリセルを、前記アンチヒューズゲートがアンチヒューズ線に電気的に接続され、前記ドレインドーピング領域がビット線に電気的に接続されるように設ける工程と、
    前記アンチヒューズ線を接地し、前記ビット線に前記不揮発性メモリセルを読み出すための読み出し電圧を供給する工程と、を有する不揮発性メモリセルの読み出し方法。
  16. 不揮発性メモリセルの読み出し方法であって、
    請求項10に記載の少なくとも1つの不揮発性メモリセルを、前記アンチヒューズゲートがアンチヒューズ線に電気的に接続され、前記ドレインドーピング領域がビット線に電気的に接続されるように設ける工程と、
    前記アンチヒューズ線を接地し、前記ビット線に前記不揮発性メモリセルを読み出すための読み出し電圧を供給する工程と、を有する不揮発性メモリセルの読み出し方法。
  17. 不揮発性メモリセルの読み出し方法であって、
    請求項13に記載の少なくとも1つの不揮発性メモリセルを、前記アンチヒューズゲートがアンチヒューズ線に電気的に接続され、前記ドレインドーピング領域がビット線に電気的に接続されるように設ける工程と、
    前記アンチヒューズ線を接地し、前記ビット線に前記不揮発性メモリセルを読み出すための読み出し電圧を供給する工程と、を有する不揮発性メモリセルの読み出し方法。
JP2014063580A 2013-03-28 2014-03-26 不揮発性メモリセル構造及びこれをプログラミングし読み出す方法 Active JP5893662B2 (ja)

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