JP2018067143A - 電流源 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、回路規模の増大を抑制し、製造バラツキや温度変動に対して極めて安定で高精度な定電流を得ることができる電流源を提供することを目的とする。【解決手段】電流源回路１は、コントロールゲート領域ＣＧおよびソース領域Ｓを有し電界効果型トランジスタとして動作する不揮発性記憶素子Ｍを備え、コントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態で電流を出力する。【選択図】図１３

Description

本発明は、不揮発性記憶素子を備える電流源に関する。
図２１は、従来の電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いた定電流源発生回路１００の構成を示す回路図である。定電流源発生回路１００は、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ１０１ａのゲートおよびソース間をショートして飽和領域で動作する電流源１０１を備えている。また、定電流源発生回路１００は、同じ電気的特性を有する２つのエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ１０２ａ，１０２ｂの互いのゲート間、互いのソース間をショートさせた、いわゆるカレントミラー回路１０２を備えている。定電流源発生回路１００は、電流源１０１に流れるリファレンス電流Ｉｒｅｆをカレントミラー回路１０２で定数倍（ｎ）して、出力電流である定電流Ｉｃｃを発生させる。定電流源発生回路１００の場合、定電流Ｉｃｃの電流値は、以下の式（１）で示すように、電流源１０１に設けられたディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ１０１ａに流れるリファレンス電流Ｉｒｅｆの二乗特性になっている。
Figure 2018067143
式（１）において、Ｖｔｎｄ、Ｋｄ、、ＷｄおよびＬｄは、それぞれ、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴ１０１ａの閾値電圧、導電係数、チャネル幅実効値およびチャネル長実効値を表している。
一般に、ウェハ製造プロセスのバラツキが大きいため、ディプレッション型ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧Ｖｔｎｄのバラツキは大きく、それに由来して定電流Ｉｃｃの電流値と、以下の式（２）で示す定電流Ｉｃｃの温度特性∂Ｉｃｃ／∂Ｔのバラツキも大きくなる。
Figure 2018067143
特許文献１には、製造プロセスでのバラツキや温度依存性を抑制した定電流源が開示されている。図２２に示すように、特許文献１に開示された定電流源３００は、製造プロセスでの電流値のバラツキや温度依存性が大きくても、定電流回路３０２が出力する出力電流の電流値を補正する電流設定コード生成回路３０１を備えている。これにより、定電流回路３０２は、高精度な電流値を得ることを可能としている。
特許４４７３６２７号公報
従来の定電流源は、高精度な一定電流を得るためには、製造バラつきや温度に対して変動する電流値を補正する補正回路を備えなければならず、求められる精度によって補正回路の規模が大きくなり、消費電流の増大やチップ面積が大きくなるといった不利な点がある。
本発明の目的は、回路規模の増大を抑制し、製造バラツキや温度変動に対して極めて安定で高精度な定電流を得ることができる電流源を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の一態様による電流源は、コントロールゲート領域およびソース領域を有し電界効果型トランジスタとして動作する不揮発性記憶素子を備え、前記コントロールゲート領域と前記ソース領域との間にバイアスを印加した状態で電流を出力することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、回路規模の増大を抑制し、製造バラツキや温度変化に対して極めて安定した出力電流を得ることができる。
本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍの概略構成を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍの電荷注入および電荷放出の様子を説明するための図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、電界効果型トランジスタのドレインソース間電圧Ｖｄｓに対するドレインソース間電流Ｉｄｓの特性を示す概念図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、電界効果型トランジスタのゲートソース間電圧Ｖｇｓに対するドレインソース間電流Ｉｄｓの特性を示す概念図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、電界効果型トランジスタのドレインソース間電流Ｉｄｓの温度依存性を示す概念図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、電界効果型トランジスタの動作点αにおけるゲート電圧値Ｖｏｎとドレイン電流値Ｉαを確認した結果を示す図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧに印加されるコントロールゲート電圧Ｖｃｇおよび温度に対するドレイン電流特性の電流特性を示す図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、各温度の不揮発性記憶素子Ｍのドレイン電流特性を２５℃の時のドレイン電流量からの変化量を示す図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、各温度のドレイン電流特性を２５℃の時のドレイン電流量からの変化率を示す図である。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、コントロールゲート電圧Ｖｃｇの代表値におけるドレイン電流変化率を温度に対して示すグラフである。 本発明の第１実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍを説明する図であって、コントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流の温度係数を示すグラフである。 本発明の第１実施形態による電流源回路１を説明するための回路構成図である。 本発明の第１実施形態による電流源回路３を説明するための回路構成図（その１）である。 本発明の第１実施形態による電流源回路３を説明するための回路構成図（その１）である。 本発明の第１実施形態による電流源回路３を説明するための回路構成図（その１）である。 本発明の第２実施形態による不揮発性記憶素子Ｍを説明するための図であって、電荷注入口を持たない不揮発性記憶素子Ｍｒの概略構成を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による不揮発性記憶素子Ｍの回路構成図である。 本発明の第２実施形態による電流源回路５を説明するための回路構成図（その１）である。 本発明の第２実施形態による電流源回路５を説明するための回路構成図（その１）である。 本発明の第２実施形態による電流源回路５を説明するための回路構成図（その１）である。 従来の定電流源発生回路１００の構成を示す回路図である。 従来の定電流源３００の構成を示す回路図である。
本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下、定電流源として使用する不揮発性記憶素子として、フローティングゲート領域とコントロールゲート領域とを備えたＮ型電界効果型トランジスタを用いて説明するが、不揮発性記憶素子は、電荷蓄積領域を持つトランジスタであれば、この構造に限るものではなく、またＮ型に限るものではない。
本願発明者らは、不揮発性記憶素子を用いた高精度な電流源を実現する際に、電界効果型トランジスタとして作用する不揮発性記憶素子の電流特性に対して、温度に対する変化率が重要であることを見出し、後述する図９に示す温度特性を見出した。
＜第１実施形態＞
図１に示すように、本実施形態による電流源に備えられる不揮発性記憶素子Ｍは、半導体基板に形成されたＰウェル領域１０と、Ｐウェル領域１０上に形成されたフローティングゲート領域ＦＧと、フローティングゲート領域ＦＧ上に形成されたコントロールゲート領域ＣＧとを備えている。また、不揮発性記憶素子Ｍは、フローティングゲート領域ＦＧの下方の両側の一方に形成されたドレイン領域Ｄと、フローティングゲート領域ＦＧの下方の両側の他方に形成されたソース領域Ｓとを備えている。ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓは、Ｐウェル領域１０に形成されている。不揮発性記憶素子Ｍは、素子分離領域４１，４２によって、同一の半導体基板に形成された他の素子と素子分離されている。
フローティングゲート領域ＦＧは、電荷保持領域２１および絶縁体２０で構成されている。すなわち、不揮発性記憶素子Ｍは、電荷保持領域２１と、電荷保持領域２１を取り囲んで配置された絶縁体２０とを備えている。絶縁体２０は、電荷保持領域２１の下方に形成されたゲート絶縁膜２２と、電荷保持領域２１の側壁を酸化させて形成された側壁酸化膜２３と、電荷保持領域２１の上方に形成された上部絶縁膜２４とで構成されている。ゲート絶縁膜２２および側壁酸化膜２３の周りにはサイドウォール２５が形成されている。
ゲート絶縁膜２２には、トンネル絶縁膜２２１が形成されている。トンネル絶縁膜２２１は、ゲート絶縁膜２２において相対的に膜厚が薄く形成された部分である。トンネル絶縁膜２２１が形成された領域が、電荷保持領域２１に電荷を注入したり電荷保持領域２１から電荷を放出したりする電荷注入口２１１となる。つまり、電荷保持領域２１は、電荷を注入したり電荷を放出したりするための電荷注入口２１１を有している。
コントロールゲート領域ＣＧは、上部絶縁膜２４上に形成されたポリシリコン膜３１を有している。ポリシリコン膜３１の周りには、上部絶縁膜２４上に形成されたサイドウォール３２が形成されている。
ドレイン領域Ｄは、Ｎ型領域１１と、Ｎ型領域１１よりも不純物の濃度が高濃度のＮ型のＮ＋領域１２とを有している。Ｎ＋領域１２は、ドレイン領域Ｄと後述するコンタクトプラグ５２とのオーミック接触を取るために設けられている。
ソース領域Ｓは、Ｎ型領域１３と、Ｎ型領域１３よりも不純物の濃度が高濃度のＮ型のＮ＋領域１４とを有している。Ｎ＋領域１４は、ソース領域Ｓと後述するコンタクトプラグ５３とのオーミック接触を取るために設けられている。なお、ドレイン領域Ｄとソース領域Ｓは電流の流れる方向によって定義される。このため、図１に示す不揮発性記憶素子Ｍにおいて想定されている電流に対して電流を流す方向を逆にした場合は、図１中に示すドレイン領域Ｄがソース領域Ｓとなり、ソース領域Ｓがドレイン領域Ｄとなる。
不揮発性記憶素子Ｍは、コントロールゲート領域ＣＧ、フローティングゲート領域ＦＧ、ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓ上に形成された保護膜６１を備えている。保護膜６１には、コントロールゲート領域ＣＧのポリシリコン膜３１の一部を底面に露出する開口部が形成されている。この開口部には、コンタクトプラグ５１が埋め込まれて形成されている。これにより、コンタクトプラグ５１とコントロールゲート領域ＣＧのポリシリコン膜３１とが電気的に接続される。
保護膜６１には、ドレイン領域ＤのＮ＋領域１２の一部を底面に露出する開口部が形成されている。この開口部には、コンタクトプラグ５２が埋め込まれている。これにより、コンタクトプラグ５２とＮ＋領域１２とが電気的に接続される。また、保護膜６１には、ソース領域ＳのＮ＋領域１４の一部を底面に露出する開口部が形成されている。この開口部には、コンタクトプラグ５３が埋め込まれている。これにより、コンタクトプラグ５３とＮ＋領域１４とが電気的に接続される。
図示は省略するが、コンタクトプラグ５１，５２，５３にはそれぞれ、保護膜６１上に形成された配線が接続されている。コントロールゲート領域ＣＧ、ドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓは、コンタクトプラグ５１，５２，５３によって配線と接続され、この配線から所定レベルの電圧が印加されるようになっている。
不揮発性記憶素子Ｍの閾値電圧Ｖｔｈはフローティングゲート領域ＦＧに注入した電荷量で制御される。図２（ａ）に示すように、不揮発性記憶素子Ｍのフローティングゲート領域ＦＧには、電荷注入口２１１を介して電荷としての電子が注入される。なお、図２（ａ）では、理解を容易にするため、不揮発性記憶素子Ｍの各構成要素の断面に対してハッチングの図示が省略されている。図２（ｂ）に示すように、フローティングゲート領域ＦＧに電子を注入する場合には、例えばＰウェル領域１０（すなわちバックゲートＢ）およびドレイン領域Ｄを０Ｖに固定し、コントロールゲート領域ＣＧに１０Ｖ以上のパルス電圧Ｖｐｐを印加する。これにより、図２（ａ）中の上向き直線矢印で示すように、ドレイン領域Ｄから電荷注入口２１１を通って電荷保持領域２１に電子が注入される。一方、図２（ｃ）に示すように、フローティングゲート領域ＦＧから電子を放出する場合には、例えばコントロールゲート領域ＣＧおよびＰウェル領域１０（すなわちバックゲートＢ）を０Ｖに固定し、ドレイン領域Ｄに１０Ｖ以上のパルス電圧Ｖｐｐを印加する。これにより、図２（ａ）中の下向き直線矢印で示すように、電荷保持領域２１から電荷注入口２１１を通ってドレイン領域Ｄに電子が放出される。このように、不揮発性記憶素子Ｍは、コントロールゲート領域ＣＧ、Ｐウェル領域１０およびドレイン領域Ｄに印加する電圧を制御することにより、電荷注入口２１１を介して電荷の出し入れを行うことができる。不揮発性記憶素子Ｍは、電荷の出し入れにソース領域Ｓを使用しないため、ソース領域Ｓは所定の電圧に固定（例えば０Ｖ）してもよいし、フローティング状態としてもよい。
次に、不揮発性記憶素子Ｍを用いた超高精度定電流源の電気特性について図３から図１１を用いて説明する。図３中に示すグラフの横軸は、電界効果型トランジスタのゲートソース間電圧Ｖｄｓを表し、縦軸は、電界効果型トランジスタのドレインソース間電流Ｉｄｓを表している。図４中から図６中に示すグラフの横軸は、電界効果型トランジスタのゲートソース間電圧Ｖｇｓを表し、縦軸は、電界効果型トランジスタのドレインソース間電流Ｉｄｓを表している。
不揮発性記憶素子Ｍは、電界効果型トランジスタであるので、飽和領域と呼ばれるドレイン電圧の大きい領域では、図３の概念図に示すように、不揮発性記憶素子Ｍに流れるドレインソース間電流Ｉｄｓがドレイン電圧（すなわちドレインソース間電圧Ｖｄｓ）に依存しない「定電流特性」を示す。一方、図４の概念図に示すように、不揮発性記憶素子Ｍに流れるドレインソース間電流Ｉｄｓは、飽和領域であっても閾値電圧Ｖｔｈよりもゲート電圧（すなわちゲートソース間電圧Ｖｇｓ）を大きくすると、ゲート電圧の電圧値の２乗に比例して不揮発性記憶素子Ｍに流れるドレインソース間電流Ｉｄｓの電流量が増えていく（図４では√ＩｄｓがＶｇｓに比例する様に表記している）。すなわち、不揮発性記憶素子Ｍに流れるドレインソース間電流Ｉｄｓの電流量は、飽和領域ではゲート電圧にのみ依存し、閾値電圧Ｖｔｈに対するゲートソース間電圧Ｖｇｓの大きさ（すなわちＶｇｓ−Ｖｔｈ）によって変わる。飽和領域におけるドレインソース間電流Ｉｄｓは、以下の式（３）で表すことができる。
Figure 2018067143
式（３）において、Ｗはゲート幅、Ｌはゲート長、μはキャリア移動度、Ｃｏｘはゲート絶縁膜容量を表している。
トランジスタは、同じ条件で製造しても電気的特性などに製造でのバラツキが生じる。通常、トランジスタは、閾値電圧に±０．１Ｖ程度のバラツキをもって生産される。そのため、同条件で製造されたトランジスタに外部から一定のゲート電圧を印加した場合でも、トランジスタ毎に閾値電圧がばらついているため、各トランジスタに流れるドレイン電流はばらついてしまう。したがって、電界効果型トランジスタの電流飽和特性を単純に使っただけの定電流源は、精度を十分に向上させることが困難である。しかしながら、本実施形態による電流源は、電界効果型トランジスタとして動作する不揮発性記憶素子Ｍを備えている。このため、本実施形態による電流源は、製造後にフローティングゲート領域ＦＧに注入する電荷量で閾値電圧のトリミングが可能である。そのため、本実施形態による電流源には、閾値電圧バラツキによるドレイン電流の電流量のばらつきはほぼ発生しない。
次に、電界効果型トランジスタのドレイン電流の温度特性について説明する。式（３）で表わされる電界効果型トランジスタの閾値電圧Ｖｔｈやキャリア移動度μは、温度Ｔの関数として、以下の式（４）および式（５）で表すことができる。
Figure 2018067143
Figure 2018067143
式（４）および式（５）において、Ｔｒは室温、αは一般的には１．２〜２．０の無次元の定数、βは一般的には０．５〜３［ｍＶ／Ｋ］の定数である。
すなわち、電界効果型トランジスタの閾値電圧およびキャリア移動度はいずれも、温度が上がるほど下がっていく。電界効果型トランジスタの閾値電圧およびキャリア移動度にこのような温度依存性があることで、電界効果型トランジスタのドレイン電流は、図５の概念図に示すような温度依存性を示す。ここで、電界効果型トランジスタの閾値電圧およびキャリア移動度が共に温度に対して同じ方向に変化することで、電界効果型トランジスタのドレイン電流が温度に対して依存しないゲートソース間電圧Ｖｄｓのゲート電圧値Ｖαが存在する。すなわち、この温度依存性を示さないゲートソース間電圧Ｖｄｓのゲート電圧値Ｖαによって作られるドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流値Ｉαには温度依存性が発生しない。以下、電界効果型トランジスタが温度依存性を示さずに動作するゲートソース間電圧Ｖｇｓおよびドレインソース間電流Ｉｄｓを動作点αとする。
さらに、製造バラツキによって電界効果型トランジスタのサンプル間の閾値電圧にバラツキがあったとしても、動作点αでのゲート電圧値Ｖαは、閾値電圧を基準とした相対的なゲート電圧値Ｖｏｎとして読み取った場合は、製造バラツキの影響をほとんど受けない。また、動作点αでのドレイン電流値Ｉαもまた、製造バラツキの影響をほとんど受けない。
参考として、基板濃度の変更によって故意に閾値電圧を大幅に変えたＮ型電界効果型トランジスタで、動作点αにおけるゲート電圧値Ｖｏｎとドレイン電流値Ｉαを確認した結果を図６に示す。図６中に示すサンプルＡのうち、特性Ａ２５は２５℃での特性を示し、特性Ａ７５は７５℃での特性を示し、特性Ａ１２５は１２５℃での特性を示している。また、図６中に示すサンプルＢのうち、特性Ｂ２５は２５℃での特性を示し、特性Ｂ７５は７５℃での特性を示し、特性Ｂ１２５は１２５℃での特性を示している。
図６に示すように、サンプルＡの動作点αにおけるゲート電圧値Ｖｏｎは０．２（＝０．５３−０．３３）Ｖであり、ドレイン電流値Ｉαは２．０μＡである。一方、サンプルＡよりも閾値電圧が０．３Ｖ高いサンプルＢの動作点αにおけるゲート電圧値Ｖｏｎは０．２２（＝０．８５−０．６３）Ｖであり、ドレイン電流値Ｉαは２．１μＡである。このように、閾値電圧を敢えて０．３Ｖも変動させたサンプルＡおよびサンプルＢであっても動作点αを実現するゲート電圧値Ｖｏｎの差ΔＶｏｎは０．０２Ｖであり、ドレイン電流値Ｉαの差ΔＩαは０．１μＡである。つまり、閾値電圧を０．３Ｖずらしたとしても、Ｎ型電界効果型トランジスタの動作点αのゲート電圧値Ｖｏｎは１０％しか変化せず、ドレイン電流値Ｉαは５％しか変化しない。電界効果型トランジスタの製造における現実的な閾値バラツキは±０．１Ｖ程度なので、ゲートソース間電圧Ｖｄｓのゲート電圧値Ｖｏｎとドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流値Ｉαは、製造バラツキの影響をほとんど受けない。したがって、製造バラツキによって変動した閾値電圧を適正な値にトリミングしてしまえば、動作点αでのドレインソース間電流Ｉｄｓを供給する電流源は、温度特性を持たないだけでなく、製造バラツキによる電流量バラツキもほとんど発生しない。なお、図６に示すグラフは閾値電圧が見やすいようにドレイン電圧が小さい線形領域の特性を示しているが、飽和領域であっても同様の結果が得られる。
したがって、ドレイン電流バラツキの主原因である閾値電圧変動をフローティングゲート領域ＦＧへの電荷注入によりトリミングし、さらにトリミングで調整する閾値電圧は、回路（電流源が駆動する負荷）が要求する電流の電流量を温度特性のない動作点αでのゲートソース間電圧Ｖｇｓで駆動させるような電圧値に調整する。このように調整された不揮発性記憶素子Ｍは、製造バラツキと温度特性をほとんど持たない超高精度の定電流特性を実現する。具体的には、例えば不揮発性記憶素子Ｍの製造後に、動作点αでのゲート電圧値Ｖαが０Ｖとなるようにフローティングゲート領域ＦＧ中に電荷を注入し、アナログ回路の定電流源として動作させるときには、コントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとをショートすることで超高精度な定電流源を非常に単純な回路で実現できる。なお、ドレインソース間電流Ｉｄｓの調整はトランジスタのサイズで行い、また、不揮発性記憶素子Ｍの動作点αを実現するゲート電圧値Ｖｏｎおよびドレイン電流値Ｉαは事前にパラメータとして取得しておく必要がある。
図６では、ドレイン電流が温度に対して依存しない動作点αは一点に過ぎないが、動作点α付近のゲートソース間電圧Ｖｇｓで不揮発性記憶素子Ｍを使用した場合でも十分に超高精度な定電流源となる。不揮発性記憶素子Ｍにおけるゲートソース間電圧は、コントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間の電圧（以下、「コントロールゲート電圧」と称する場合がある）に相当する。図７は、図１に示す不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧに印加されるコントロールゲート電圧Ｖｃｇおよび温度に対するドレイン電流特性である。横軸は、コントロールゲート電圧Ｖｃｇを表し、縦軸はドレインソース間電流Ｉｄｓを表している。特性Ｃ−４０は−４０℃でのドレイン電流特性を示し、特性Ｃ０は０℃でのドレイン電流特性を示し、特性Ｃ２５は２５℃でのドレイン電流特性を示し、特性Ｃ８５は８５℃でのドレイン電流特性を示し、特性Ｃ１２５は１２５℃でのドレイン電流特性を示している。なお、図７に示すドレイン電流特性は、コントロールゲート電圧Ｖｃｇが十分大きい飽和領域での特性である。
図８は、図７に示す各温度のドレイン電流特性を２５℃の時のドレイン電流量からの変化量で示している。横軸はコントロールゲート電圧Ｖｃｇを表し、縦軸はドレイン電流の変化量ΔＩｄｓを表している。特性Ｃ−４０は−４０℃でのドレイン電流の変化量の特性を示し、特性Ｃ０は０℃でのドレイン電流の変化量の特性を示し、特性Ｃ２５は２５℃でのドレイン電流の変化量の特性を示し、特性Ｃ８５は８５℃でのドレイン電流の変化量の特性を示し、特性Ｃ１２５は１２５℃でのドレイン電流の変化量の特性を示している。
図９は、図７に示す各温度のドレイン電流特性を２５℃の時のドレイン電流量からの変化率で示している。横軸はコントロールゲート電圧Ｖｃｇを表し、縦軸はドレイン電流変化率ΔＩｄｓ／Ｉｄｓ＠２５℃をパーセントで表している。なお、「Ｉｄｓ＠２５℃」は２５℃でのドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流量を表している。特性Ｃ−４０は−４０℃でのドレイン電流の変化率の特性を示し、特性Ｃ０は０℃でのドレイン電流の変化率の特性を示し、特性Ｃ２５は２５℃でのドレイン電流の変化率の特性を示し、特性Ｃ８５は８５℃でのドレイン電流の変化率の特性を示し、特性Ｃ１２５は１２５℃でのドレイン電流の変化率の特性を示している。電流源としての用途を想定する場合、温度に対する電流変化率が重要になり、図９に示すように、動作点αでは温度に対する電流変化率がゼロとなる。動作点αよりもコントロールゲート電圧Ｖｃｇが低い側は、徐々に弱反転領域での駆動となっていくため、電流変化率が急激に増加していく。したがって、不揮発性記憶素子を用いて温度特性の小さい定電流源を実現する場合、動作点αよりもコントロールゲート電圧Ｖｃｇが大きく低い領域では駆動してはならない。
図１０は、図９に示すコントロールゲート電圧Ｖｃｇの代表値（−０．５Ｖ、−０．２Ｖ、０Ｖ、０．５Ｖおよび２Ｖ）におけるドレイン電流変化率（図９の縦軸値）を温度に対して示したグラフである。横軸は温度を表し、縦軸はドレイン電流変化率ΔＩｄｓ／Ｉｄｓ＠２５℃をパーセントで表している。図１０中に示す◇印を結ぶ直線は−０．５Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流変化率の特性を示し、□印を結ぶ直線は−０．２Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流変化率の特性を示し、△印を結ぶ直線は０Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流変化率の特性を示し、×印を結ぶ直線は０．５Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流変化率の特性を示し、＊印を結ぶ直線は２．０Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流変化率の特性を示している。また、図１０中の右側に示す数式は、各特性の近似直線の数式であり、数式中の「ｘ」は横軸の温度を示し、「ｙ」は縦軸のドレイン電流変化率を示している。
図１０から分かるように、−４０℃から１２５℃までの領域では、ドレイン電流変化率ΔＩｄｓ／Ｉｄｓ＠２５℃は、温度に対して１次関数的に変化するとみなせる。以下、温度に対するドレイン電流変化率ΔＩｄｓ／Ｉｄｓ＠２５℃の変化を１次関数で表したときの傾きを温度係数（単位：％／℃）と呼ぶ。図１０に示す各特性を例にとると、−０．５Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇでの温度係数は０．７３（％／℃）であり、−０．２Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇでの温度係数は０．１６（％／℃）であり、０Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇでの温度係数は０．００（％／℃）であり、０．５Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇでの温度係数は０．２０（％／℃）であり、２．０Ｖのコントロールゲート電圧Ｖｃｇでの温度係数は０．３７（％／℃）である。
図１１は、各コントロールゲート電圧Ｖｃｇにおけるドレイン電流の温度係数を示すグラフである。不揮発性記憶素子Ｍの動作点αにおけるゲート電圧値Ｖαは０Ｖである。コントロールゲート電圧Ｖｃｇのゲート電圧値Ｖαが０Ｖでの動作点αにおける不揮発性記憶素子Ｍのドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流値Ｉαは、約３３ｎＡ（図７参照）であり、１００ｎＡ未満である。ここで、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間に印加されるバイアス（すなわちコントロールゲート電圧Ｖｃｇ）が動作点αでのゲート電圧値Ｖαではなくても、不揮発性記憶素子Ｍのドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流値の−４０℃から１２５℃における温度計数（すなわち温度変化率）が所定値未満（所定範囲内）となればよい。図１１に示すように、温度係数が±０．２％／℃未満の領域であれば、コントロールゲート電圧Ｖｃｇの変動分はΔＶ１となってドレインソース間電流Ｉｄｓの変動も小さくなる。不揮発性記憶素子Ｍを備えた電流源は、不揮発性記憶素子Ｍのドレインソース間電流Ｉｄｓを出力電流として用いる。このため、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間に印加されるバイアスは、不揮発性記憶素子Ｍのドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流値の−４０℃から１２５℃における温度係数が±０．２％／℃未満となるように設定されることで、十分に温度特性が小さい高精度な電流源を実現できる。
また、このバイアスは、当該ドレイン電流値の−４０℃から１２５℃における温度係数が±０．１％／℃未満となるように設定されてもよい。この場合、コントロールゲート電圧Ｖｃｇの変動分はΔＶ２（＜ΔＶ１）となってドレインソース間電流Ｉｄｓの変動がより小さくなる。さらに、このバイアスは、当該ドレイン電流値の−４０℃から１２５℃における温度係数が±０．０５％／℃未満となるように設定されてもよい。この場合、コントロールゲート電圧Ｖｃｇの変動分はΔＶ３（＜ΔＶ２）となってドレインソース間電流Ｉｄｓの変動がより小さくなる。不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート電圧Ｖｃｇをこれら領域で駆動することで超高精度な電流源を実現できる。なお、例えば温度係数が０．２％／℃、０．１％／℃、０．０５％／℃の電流源の場合、−４０℃〜＋１２５℃の温度範囲における電流変化率は、２５℃を基準にした場合にそれぞれ、−１３％〜＋２０％、−６．５％〜＋１０％、−３．２５％〜＋５％となる。
次に、本実施形態による電流源における出力電流の電流量の調整方法について説明する。まず、事前に不揮発性記憶素子Ｍを動作点αで動作させた時のドレインソース間電流Ｉｄｓのドレイン電流値Ｉαを設計パラメータとして取得しておく。不揮発性記憶素子Ｍは、電流源として得たい出力電流の電流量とドレイン電流値Ｉαとが一致、または近い値となるようなサイズ（ゲート長、ゲート幅）で設計される。図６を用いて説明した通り、ドレイン電流値Ｉαは閾値電圧変動などの製造バラツキの影響をほとんど受けない。このため、ドレイン電流値Ｉαのドレインソース間電流Ｉｄｓを出力電流として出力する電流源は、温度や製造バラツキの影響をほとんど受けない超高精度な電流源となる。以降、不揮発性記憶素子Ｍをコントロールゲート電圧Ｖｃｇ＝０Ｖで（コントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓをショートして）駆動する電流源を例に取って、電流調整方法を図１２から図１５を用いて説明する。
図１２に示すように、本実施形態における電流源回路（電流源の一例）１は、少なくとも１つ以上の不揮発性記憶素子Ｍを備えている。不揮発性記憶素子Ｍは、高電圧が供給される高電圧供給端子Ｖｄｄと低電圧が供給される低電圧供給端子Ｖｓｓとの間に配置される。以下、符号「Ｖｄｄ」は、高電圧供給端子Ｖｄｄから出力される高電圧の符号としても使用し、符号「Ｖｓｓ」は、低電圧供給端子Ｖｓｓから出力される低電圧の符号としても使用する。不揮発性記憶素子Ｍのドレイン領域Ｄは高電圧供給端子Ｖｄｄに接続され、ソース領域Ｓは電流の供給先である負荷２側に接続されている。不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓおよびコントロールゲート領域ＣＧは互いに接続されている。
電流源回路１は、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとをショートすることによって、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態を形成できる。このため、バイアスは、０Ｖである。電流源回路１は、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態で電流を負荷２に出力する。
負荷２は不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓと低電圧供給端子Ｖｓｓとの間に設けられている。つまり、不揮発性記憶素子Ｍおよび負荷２は、高電圧供給端子Ｖｄｄと低電圧供給端子Ｖｓｓとの間で直列接続されている。
電流源回路１では、不揮発性記憶素子Ｍがディプレッション状態（閾値電圧が負の状態）になるように調整されている。不揮発性記憶素子Ｍは、コントロールゲート領域ＣＧおよびフローティングゲート領域ＦＧを有しており、不揮発性記憶素子Ｍは、書き込み消去ができ、書き込み状態を長期間にわたって保持できる。
図１３に示すように、本実施形態による電流源回路（電流源の一例）３であって不揮発性記憶素子Ｍへの書き込みが可能な形態は、不揮発性記憶素子Ｍのドレイン領域Ｄに一端子が接続されたスイッチＳＷ１を備えている。スイッチＳＷ１の他端子の１つは高電圧供給端子Ｖｄｄに接続され、スイッチＳＷ１の他端子の他の１つは低電圧供給端子Ｖｓｓに接続され、スイッチＳＷ１の他端子のさらに他の１つはパルス電圧Ｖｐｐの印加端子に接続されている。スイッチＳＷ１を適宜切り替えることにより、高電圧Ｖｄｄ、低電圧Ｖｓｓおよびパルス電圧Ｖｐｐのいずれか１つを不揮発性記憶素子Ｍのドレイン領域Ｄに印加できるようになっている。
電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓと負荷２との間に直列接続されたスイッチＳＷ２を備えている。スイッチＳＷ２の一端子は不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓに接続され、スイッチＳＷ２の他端子は負荷２に接続されている。
電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧと不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓとの間に直列接続されたスイッチＳＷ３を備えている。スイッチＳＷ３の一端子は不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧに接続され、スイッチＳＷ３の他端子はスイッチＳＷ２の一端子および不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓに接続されている。電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域ＳとをスイッチＳＷ３でショートしてバイアスを印加する。このため、バイアスは、０Ｖである。詳細は後述するが、電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態で電流を負荷２に出力する。
電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧに接続された一端子を有するスイッチＳＷ４と、スイッチＳＷ４の他端子に一端子が接続されたスイッチＳＷ５とを備えている。スイッチＳＷ４の一端子はスイッチＳＷ３の一端子にも接続されている。スイッチＳＷ５の他端子の１つはパルス電圧Ｖｐｐの印加端子に接続され、スイッチＳＷ５の他端子の他の１つは低電圧供給端子Ｖｓｓに接続されている。電流源回路３は、スイッチＳＷ４が接続状態（ショート状態）のときにスイッチＳＷ５を適宜切り替えることにより、パルス電圧Ｖｐｐおよび低電圧Ｖｓｓのいずれか一方を不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧに印加できるようになっている。
図１３に示すように、電流源回路３が負荷２に電流を供給する場合には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を次のような状態に切り替える。
スイッチＳＷ１：高電圧供給端子Ｖｄｄ側
スイッチＳＷ２：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ３：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ４：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ５：任意（図１３では低電圧Ｖｓｓ側）
本実施形態では、不揮発性記憶素子Ｍがディプレッション状態のときにスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を図１３に示す切り替え状態とすると、電流源回路３から負荷２側に高精度な電流を供給する。つまり、電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍの各端子を所望の電位に設定するスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を含むスイッチ部を備えている。
図１４に示すように、電流源回路３は、不揮発性記憶素子Ｍをディプレッション状態にするための書き換え時には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を次のような状態に切り替える。ここでは、不揮発性記憶素子Ｍの調整前の閾値電圧が調整後の閾値電圧よりも高い場合を例に取っている。
スイッチＳＷ１：パルス電圧Ｖｐｐ側
スイッチＳＷ２：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ３：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ４：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ５：低電圧供給端子Ｖｓｓ側
このため、不揮発性記憶素子Ｍのドレイン領域Ｄにパルス電圧Ｖｐｐが印加され、コントロールゲート領域ＣＧに低電圧Ｖｓｓが印加されるので、電荷注入口２１１を介してフローティングゲート領域ＦＧ（電荷保持領域）からドレイン領域Ｄに電子が放出される。これにより、不揮発性記憶素子Ｍの閾値電圧が低くなる。逆に、不揮発性記憶素子Ｍのドレイン領域Ｄに低電圧Ｖｓｓが印加され、コントロールゲート領域ＣＧにパルス電圧Ｖｐｐが印加された場合は、電荷注入口２１１を介してドレイン領域Ｄからフローティングゲート領域ＦＧ（電荷保持領域）に電子が注入される。これにより、不揮発性記憶素子Ｍの閾値電圧が高くなる。
図１５は、図１３に示す電流源回路３の実際の出力電流を確認する状態（以下、「確認状態」と称する場合がある）を示す図である。確認状態ではスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を次のような状態に切り替え、ソース領域Ｓと低電圧供給端子Ｖｓｓとの間に電流計４を直列接続させて電流源回路３の出力電流を確認する。
スイッチＳＷ１：高電圧供給端子Ｖｄｄ側
スイッチＳＷ２：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ３：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ４：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ５：任意（図１５では低電圧Ｖｓｓ側）
図１４に示す書き込み状態と、図１５に示す確認状態とを繰り返し実施し、所望の出力電流が得られたところで止める。これにより電流源回路３の出力電流の調整が完了し、その後、図１３に示す状態にスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を切り替えることで、電流源回路３は、所望の電流を負荷２へ供給することが出来る。
図１３から図１５に示すように、電流源回路３は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を適切に切り替えることにより、所望の電流量が得られる値に不揮発性記憶素子Ｍの閾値電圧Ｖｔｈを書き換え、最終的に図１３に示す不揮発性記憶素子Ｍのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態で所望の電流量のドレインソース間電流Ｉｄｓを出力電流として負荷２側へ出力することができる。
以上説明したように、本実施形態による電流源回路１によれば、回路規模の増大を抑制し、製造バラツキや温度変動に対して極めて安定で高精度な定電流を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、製造バラツキの影響が極めて小さく、温度特性を持たない高精度な定電流源を実現できる。
また、本実施形態による電流源回路１によれば、製造バラつきや温度に対して変動する電流値を補正する補正回路が不要となり、補正回路内での電流消費が生じ得ないため、チップ面積を小さくでき、かつ消費電流を低減できる。
また、本実施形態による電流源回路１によれば、電流源回路１を構成する半導体素子を不揮発性記憶素子Ｍで作製することにより、微小な電流値の出力電流を生成することが可能になる。
＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態による電流源回路について図１６から図２０を用いて説明する。本実施形態における不揮発性記憶素子は、図１に示す不揮発性記憶素子Ｍと同一の構造を有する不揮発性記憶素子Ｍｗと、図１６に示す不揮発性記憶素子Ｍｒとを一組とし、不揮発性記憶素子Ｍｗおよび不揮発性記憶素子Ｍｒのそれぞれのフローティングゲート領域同士が接続され、不揮発性記憶素子Ｍｗおよび不揮発性記憶素子Ｍｒのそれぞれのコントロールゲート領域同士が接続された構成を有している。
図１６に示すように、不揮発性記憶素子Ｍｒは、電荷注入口を有していない点を除いて、不揮発性記憶素子Ｍｗと同様の構成を有している。不揮発性記憶素子Ｍｒは、電荷保持領域７１と、電荷保持領域７１を取り囲んで配置された絶縁体７０とを備えている。絶縁体７０は、電荷保持領域７１の上方に形成された上部絶縁膜７４と、電荷保持領域７１の側壁に形成された側壁酸化膜７３と、電荷保持領域７１の下方に形成されたゲート絶縁膜７２とを有している。ゲート絶縁膜７２には、トンネル絶縁膜が形成されておらず、膜厚が略一定である。すなわち、ゲート絶縁膜７２には、上記第１実施形態におけるゲート絶縁膜２２のように意図的に形成されたトンネル絶縁膜２２１のような膜厚が異なる領域が形成されていない。不揮発性記憶素子Ｍｒは、絶縁体７０の構成が絶縁体２０の構成と異なる点を除いて、不揮発性記憶素子Ｍと同様の構成を有しているため、同一の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
図１７に示すように、本実施形態における不揮発性記憶素子Ｍは、図１に示す不揮発性記憶素子Ｍと同一の構造を有する不揮発性記憶素子Ｍｗと、図１６に示す不揮発性記憶素子Ｍｒとを備えている。不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧと、不揮発性記憶素子Ｍｒのコントロールゲート領域ＣＧとは接続されている。不揮発性記憶素子Ｍｗのフローティングゲート領域ＦＧと、不揮発性記憶素子Ｍｒのフローティングゲート領域ＦＧとは接続されている。
図１８に示すように、本実施形態による電流源回路（電流源の一例）５は、少なくとも１つ以上の不揮発性記憶素子Ｍを備えている。不揮発性記憶素子Ｍは、図１７に示す不揮発性記憶素子Ｍと同一の構成を有している。不揮発性記憶素子Ｍは、不揮発性記憶素子Ｍｗ，Ｍｒを備えている。不揮発性記憶素子Ｍｗは、図１に示す不揮発性記憶素子Ｍと同一の構成を有し、不揮発性記憶素子Ｍｒは、図１６に示す不揮発性記憶素子Ｍｒと同一の構成を有している。したがって、以下、必要に応じて、不揮発性記憶素子Ｍｗの構成の説明において図１を参照し、不揮発性記憶素子Ｍｒの構成の説明において図１６を参照する。
電流源回路５は、不揮発性記憶素子（第一不揮発性記憶素子の一例）Ｍｗと、不揮発性記憶素子（第二不揮発性記憶素子の一例）Ｍｒを備えている。不揮発性記憶素子Ｍｒは、不揮発性記憶素子Ｍｗのゲート領域に設けられたコントロールゲート領域（第一コントロールゲート領域の一例）ＣＧと電気的に接続されたコントロールゲート領域（第二コントロールゲート領域の一例）ＣＧを有している。また、不揮発性記憶素子Ｍｒは、不揮発性記憶素子Ｍｗの電荷保持領域（第一電荷保持領域の一例、図１参照）と電気的に接続された電荷保持領域（第二電荷保持領域の一例、図１６参照）と、電荷保持領域に接触して形成されたゲート絶縁膜（図１６参照）とを有している。不揮発性記憶素子Ｍｗに設けられた電荷注入口２１１（図１参照）は、不揮発性記憶素子Ｍｒに形成される電流経路に接していない領域に形成されている。不揮発性記憶素子Ｍｗに設けられた電荷注入口２１１は、不揮発性記憶素子Ｍｒのドレイン領域Ｄおよびソース領域Ｓを含む電流パスと、その電流パスとは接していない領域に形成されている。
不揮発性記憶素子Ｍｒに形成される電流経路は、不揮発性記憶素子Ｍｒのドレインソース間電流Ｉｄｓが流れる経路である。不揮発性記憶素子Ｍｒのドレインソース間電流Ｉｄｓは電流源回路５の出力電流となる。このため、不揮発性記憶素子Ｍｗの電荷注入口２１１は、電流源回路５が出力する出力電流の経路とは接しない領域に形成される。
不揮発性記憶素子Ｍに備えられた不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧと、不揮発性記憶素子Ｍｒのコントロールゲート領域ＣＧとは接続されている。不揮発性記憶素子Ｍｗのフローティングゲート領域ＦＧと、不揮発性記憶素子Ｍｒのフローティングゲート領域ＦＧとは接続されている。
不揮発性記憶素子Ｍｒは、高電圧が供給される高電圧供給端子Ｖｄｄと低電圧が供給される低電圧供給端子Ｖｓｓとの間に配置する。より具体的には、不揮発性記憶素子Ｍｒのドレイン領域Ｄは高電圧供給端子Ｖｄｄに接続され、ソース領域ＳはスイッチＳＷ２（詳細は後述する）を介して電流の供給先である負荷２側に接続されている。不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域Ｓおよびコントロールゲート領域ＣＧは互いに接続されている。
不揮発性記憶素子Ｍｗは、フローティングゲート領域ＦＧの下方の両側の一方に設けられた第一領域Ａ１と、この両側の他方に設けられた第二領域Ａ２とを有している。本実施例における電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｗの第一領域Ａ１に一端子が接続されたスイッチＳＷ１を備えている。スイッチＳＷ１の他端子の１つは低電圧供給端子Ｖｓｓに接続され、スイッチＳＷ１の他端子の他の１つはパルス電圧Ｖｐｐの印加端子に接続されている。電流源回路５は、スイッチＳＷ１を適宜切り替えることにより、低電圧供給端子Ｖｓｓおよびパルス電圧Ｖｐｐのいずれか一方を不揮発性記憶素子Ｍｗの第一領域Ａ１に印加できるようになっている。
電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域Ｓと負荷との間に直列接続されたスイッチＳＷ２を備えている。スイッチＳＷ２の一端子は不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域Ｓに接続され、スイッチＳＷ２の他端子は負荷２に接続されている。
電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧと不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域Ｓとの間に直列接続されたスイッチＳＷ３を備えている。スイッチＳＷ３の一端子は不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧに接続され、スイッチＳＷ３の他端子はスイッチＳＷ２の一端子および不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域Ｓに接続されている。
不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧと、不揮発性記憶素子Ｍｒのコントロールゲート領域ＣＧとは接続されている。また、電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧと不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域ＳとをスイッチＳＷ３でショートできるように構成されている。このため、電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧと不揮発性記憶素子Ｍｒのソース領域ＳとをスイッチＳＷ３でショートすることによって、不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧを介して不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態を形成できる。電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｒのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域ＳとをスイッチＳＷ１でショートしてバイアスを印加する。このため、バイアスは、０Ｖである。詳細は後述するが、電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｒのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態で電流を負荷２に出力する。
電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧに接続された一端子を有するスイッチＳＷ４と、スイッチＳＷ４の他端子に一端子が接続されたスイッチＳＷ５とを備えている。スイッチＳＷ４の一端子はスイッチＳＷ３の一端子にも接続されている。スイッチＳＷ５の他端子の１つはパルス電圧Ｖｐｐの印加端子に接続され、スイッチＳＷ５の他端子の他の１つは低電圧供給端子Ｖｓｓに接続されている。電流源回路５は、スイッチＳＷ４が接続状態（ショート状態）のときにスイッチＳＷ５を適宜切り替えることにより、パルス電圧Ｖｐｐおよび低電圧Ｖｓｓのいずれか一方を不揮発性記憶素子Ｍｗのコントロールゲート領域ＣＧに印加できるようになっている。
不揮発性記憶素子Ｍｗの第二領域Ａ２は、電流源回路５における不揮発性記憶素子Ｍのソース領域Ｓのように接続されておらず、フローティング状態となっている。なお、不揮発性記憶素子Ｍｗは不揮発性記憶素子Ｍｒのフローティングゲート領域ＦＧへの電荷注入のために存在する領域であり、トランジスタとして電流を流さない。そのため、不揮発性記憶素子Ｍｗは、ソース領域Ｓやドレイン領域Ｄを有している必要はなく、電荷注入口をもった構造であればその形態は問わない。
図１８に示すように、電流源回路５では、電荷注入時には、不揮発性記憶素子Ｍｗを通ってフローティングゲート領域ＦＧに電荷が注入される。電流源回路５を動作させる時には不揮発性記憶素子Ｍｒを通って電流が流れる。電流源回路５では、不揮発性記憶素子Ｍ（すわなち不揮発性記憶素子Ｍｗ，Ｍｒ）はディプレッション状態である。
図１８に示すように、電流源回路５が負荷２に電流を供給する場合には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を次のような状態に切り替える。
スイッチＳＷ１：低電圧供給端子Ｖｓｓ側
スイッチＳＷ２：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ３：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ４：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ５：任意（図１８では低電圧Ｖｓｓ側）
本実施形態では、不揮発性記憶素子Ｍがディプレッション状態のときにスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を図１８に示す切り替え状態とすると、電流源回路５から負荷２側に高精度な電流を供給する。つまり、電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍの各端子を所望の電位に設定するスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を含むスイッチ部を備えている。
図１９に示すように、電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍをディプレッション状態にするための書き換え時には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を次のような状態に切り替える。ここでは、不揮発性記憶素子Ｍの調整前の閾値電圧が調整後の閾値電圧よりも高い場合を例に取っている。
スイッチＳＷ１：パルス電圧Ｖｐｐ側
スイッチＳＷ２：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ３：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ４：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ５：低電圧供給端子Ｖｓｓ側
このため、不揮発性記憶素子Ｍｗの第一領域Ａ１にパルス電圧Ｖｐｐが印加され、コントロールゲート領域ＣＧに低電圧Ｖｓｓが印加されるので、電荷注入口２１１を介してフローティングゲート領域ＦＧ（電荷保持領域）から第一領域Ａ１に電子が放出される。これにより、不揮発性記憶素子Ｍｗの閾値電圧が低くなる。逆に、不揮発性記憶素子Ｍｗの第一領域Ａ１に低電圧Ｖｓｓが印加され、コントロールゲート領域ＣＧにパルス電圧Ｖｐｐが印加された場合は、電荷注入口２１１を介して第一領域Ａ１からフローティングゲート領域ＦＧ（電荷保持領域）に電子が注入される。これにより、不揮発性記憶素子Ｍｗの閾値電圧が高くなる。
図２０は、図１８に示す電流源回路５の実際の出力電流を確認する状態を示す図である。確認状態ではスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を次のような状態に切り替え、ソース領域Ｓと低電圧供給端子Ｖｓｓとの間に電流計４を直列接続させて電流源回路５の出力電流を確認する。
スイッチＳＷ１：低電圧供給端子Ｖｓｓ側
スイッチＳＷ２：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ３：接続状態（ショート状態）
スイッチＳＷ４：開放状態（オープン状態）
スイッチＳＷ５：任意（図２０では低電圧Ｖｓｓ側）
図１９に示す書き込み状態と、図２０に示す確認状態とを繰り返し実施し、所望の出力電流が得られたところで止める。これにより電流源回路５の出力電流の調整が完了し、その後、図１８に示す状態にスイッチＳＷ１〜ＳＷ５を切り替えることで電流源回路５は、所望の電流を負荷２へ供給することが出来る。
図１８から図２０に示すように、電流源回路５は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５を適切に切り替えることにより、所望の電流量が得られる値に不揮発性記憶素子Ｍｗの閾値電圧Ｖｔｈを書き換え、最終的に図１８に示す不揮発性記憶素子Ｍｒのコントロールゲート領域ＣＧとソース領域Ｓとの間にバイアスを印加した状態で所望の電流量のドレインソース間電流Ｉｄｓを出力電流として負荷２側へ出力することができる。
以上説明したように、本実施形態による電流源回路５によれば、回路規模の増大を抑制し、製造バラツキや温度変動に対して極めて安定で高精度な定電流を得ることができる。すなわち、本実施形態によれば、製造バラツキの影響が極めて小さく、温度特性を持たない高精度な定電流源を実現できる。
また、本実施形態による電流源回路５は、不揮発性記憶素子Ｍｗのフローティングゲート領域ＦＧの電荷量を調整して閾値電圧を調整できるので、上記第１実施形態による電流源回路３と同様の効果が得られる。
また、本実施形態における電流源回路５は、図１７に示す構成の不揮発性記憶素子Ｍを備えることにより、電荷注入時および電荷放出時の電流経路と、電流源回路５の動作時の電流経路とを分離できる。これにより、電流源回路５は、不揮発性記憶素子の予期せぬ書き換えを防止し、信頼性の向上を図ることができる。
１，３，５ 電流源回路
２ 負荷
４ 電流計
１０ ウェル領域
１１，１３ Ｎ型領域
１２，１４ Ｎ＋領域
２０，７０ 絶縁体
２１，７１ 電荷保持領域
２２，７２ ゲート絶縁膜
２３、７３ 側壁酸化膜
２４、７４ 上部絶縁膜
２５，３２ サイドウォール
４１，４２ 素子分離領域
５１，５２，５３ コンタクトプラグ
６１ 保護膜
２１１ 電荷注入口
２２１ トンネル絶縁膜
Ａ１ 第一領域
Ａ２ 第二領域
Ｂ バックゲート
ＣＧ コントロールゲート領域
Ｄ ドレイン領域
ＦＧ フローティングゲート領域
Ｇ ゲート領域
Ｍ，Ｍｒ，Ｍｗ 不揮発性記憶素子
Ｓ ソース領域

Claims (8)

  1. コントロールゲート領域およびソース領域を有し電界効果型トランジスタとして動作する不揮発性記憶素子を備え、
    前記コントロールゲート領域と前記ソース領域との間にバイアスを印加した状態で電流を出力する
    電流源。
  2. 前記バイアスは、０Ｖである
    請求項１に記載の電流源。
  3. 前記バイアスは、前記電流の電流値の−４０℃から１２５℃における温度変化率が±０．２％／℃未満となるように設定されている
    請求項１または２に記載の電流源。
  4. 前記バイアスは、前記電流の電流値の−４０℃から１２５℃における温度変化率が±０．１％／℃未満となるように設定されている
    請求項１から３までのいずれか一項に記載の電流源。
  5. 前記バイアスは、前記電流の電流値の−４０℃〜１２５℃における温度変化率が±０．０５％／℃未満となるように設定されている
    請求項１から４までのいずれか一項に記載の電流源。
  6. 前記バイアスは、前記電流の電流値の−４０℃〜１２５℃における温度変化率が０％／℃未満となるように設定されている
    請求項１から５までのいずれか一項に記載の電流源。
  7. 前記電流の電流値は、１００ｎＡ未満である
    請求項１から６までのいずれか一項に記載の電流源。
  8. 前記不揮発性記憶素子は、電荷注入口を有し、
    前記電荷注入口は、前記電流の経路とは接していない領域に形成されている
    請求項１から７までのいずれか一項に記載の電流源。
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