JP2023144706A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、半導体装置に関し、より特定的には不揮発メモリを備える半導体装置に関する。 The present disclosure relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device including a nonvolatile memory.
たとえば、不揮発メモリを備える半導体装置を開示する文献として、特開2021-190464号公報(特許文献1)がある。特許文献1に開示された半導体装置に備えられたメモリセルでは、pウェル領域上に、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極が形成されている。ゲート電極の側方には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、およびシリコン酸化膜がpウェル領域の表面部に形成された抵抗変化部上に順次積層されている。このメモリセルでは、ドレイン領域近傍で発生したホットエレクトロンをシリコン窒化膜に注入することで書き込みが行なわれ、ゲートに負バイアス、ソースに正バイアスを印加してホットホールをシリコン窒化膜に引き込むことで消去が行なわれる。 For example, as a document disclosing a semiconductor device including a nonvolatile memory, there is Japanese Patent Application Publication No. 2021-190464 (Patent Document 1). In the memory cell included in the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, a gate electrode is formed on a p-well region with a gate insulating film interposed therebetween. On the sides of the gate electrode, a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxide film are sequentially stacked on a variable resistance portion formed on the surface of the p-well region. In this memory cell, writing is performed by injecting hot electrons generated near the drain region into the silicon nitride film, and by applying a negative bias to the gate and positive bias to the source, hot holes are drawn into the silicon nitride film. Erasure is performed.
上記のように、特許文献1に開示された半導体装置に備えられたメモリセルでは、消去動作時には書き込み時とは逆バイアスをソースとウェル間に印加することによってバンド間トンネリングを起こし、そのとき発生するホットホールをシリコン窒化膜に引き込む。そのため、ソースとウェル間に印加する逆バイアスを高くする方がより効率良く消去することが可能となる。 As mentioned above, in the memory cell included in the semiconductor device disclosed in Patent Document 1, during an erase operation, a bias opposite to that during writing is applied between the source and the well, thereby causing band-to-band tunneling. hot holes are drawn into the silicon nitride film. Therefore, it is possible to erase more efficiently by increasing the reverse bias applied between the source and the well.
書き込み時には高電流を流す必要がある一方で、消去時は高電流を流す必要がない。代わりに消去時には高電圧を印加する必要がある。高電流を流す必要がないので、チャージポンプなどの昇圧回路で高電圧を消去時に印加することも可能である。 While it is necessary to flow a high current during writing, there is no need to flow a high current during erasing. Instead, it is necessary to apply a high voltage during erasing. Since there is no need to flow a high current, it is also possible to apply a high voltage during erasing using a booster circuit such as a charge pump.
しかし、消去時に使用する昇圧回路を書き込み時にも使用する場合には、高電流を流す必要があるために昇圧回路の回路面積を大きくする必要がある。 However, if the booster circuit used for erasing is also used for writing, a high current needs to flow, so the circuit area of the booster circuit needs to be increased.
逆に昇圧回路を使用せずに、書き込み時に使用する外部電源電圧を消去時に使用する場合、電圧が足らず、十分にメモリセルを消去できない可能性がある。 Conversely, if the external power supply voltage used for writing is used for erasing without using a booster circuit, the voltage may not be sufficient and the memory cells may not be able to be erased sufficiently.
すなわち、書き込み時と消去時において効率良く電圧を印加することと、回路面積を減らすこととの両立が困難であった。 In other words, it has been difficult to apply voltage efficiently during writing and erasing, and to reduce the circuit area at the same time.
本開示の1つの目的は、回路面積の増加を抑制しつつ、書き込み時と消去時に効率良く電圧を印加することが可能な不揮発メモリを備える半導体装置を提供することである。 One object of the present disclosure is to provide a semiconductor device including a nonvolatile memory that can efficiently apply voltage during writing and erasing while suppressing an increase in circuit area.
本開示の一実施形態は、半導体装置に関する。半導体装置は、不揮発メモリを備える。不揮発メモリは、データを不揮発的に記憶するように構成された第1電界効果トランジスタと、第1電界効果トランジスタのゲートと第1電界効果トランジスタのバックゲートとの間に接続されたダイオードとを含む。 One embodiment of the present disclosure relates to a semiconductor device. The semiconductor device includes a nonvolatile memory. The nonvolatile memory includes a first field effect transistor configured to nonvolatilely store data, and a diode connected between a gate of the first field effect transistor and a back gate of the first field effect transistor. .
本開示によれば、回路面積の増加を抑制しつつ、不揮発メモリの書き込み時および消去時に電圧を効率良く印加することができる。 According to the present disclosure, voltage can be efficiently applied during writing and erasing of a nonvolatile memory while suppressing an increase in circuit area.
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Embodiments of the present disclosure will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, the same reference numerals are attached to the same or corresponding parts in the drawings, and the description thereof will not be repeated.
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に係る半導体装置に搭載される不揮発メモリ1の構成を示す回路図である。不揮発メモリ1は、半導体装置に搭載され、種々の情報、設定値などを不揮発的に記憶することができる。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit diagram showing the configuration of a nonvolatile memory 1 mounted on a semiconductor device according to the first embodiment. The nonvolatile memory 1 is mounted on a semiconductor device and can store various information, setting values, etc. in a nonvolatile manner.
不揮発メモリ1は、電界効果トランジスタ101と、ダイオードD1とを含む。電界効果トランジスタは一般にMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)で構成される。以下、「電界効果トランジスタ」を単に「トランジスタ」と称する。トランジスタ101は、データを不揮発的に記憶するように構成される。ダイオードD1は、トランジスタ101のゲートとトランジスタ101のバックゲートとの間に接続される。
Nonvolatile memory 1 includes a
ダイオードD1は、トランジスタ101のバックゲートからゲートに向かう方向が順方向となるように接続されている。ダイオードD1は、ダイオード接続されたトランジスタによって構成される。
The diode D1 is connected so that the direction from the back gate to the gate of the
すなわち、ダイオードD1は、トランジスタ102を含む。トランジスタ102のゲート、ソースおよびバックゲートとトランジスタ101のバックゲートとは、配線L1によって接続されている。トランジスタ101のゲートとトランジスタ102のドレインとは配線L2によって接続されている。
That is, diode D1 includes
不揮発メモリ1は、グランド電位選択用のトランジスタ104をさらに備える。トランジスタ104のドレインとトランジスタ101のバックゲートとは配線L3によって接続される。
The nonvolatile memory 1 further includes a
端子TG1は、トランジスタ101のゲートに接続される。端子TP1は、トランジスタ101のドレインに接続される。端子TP2は、トランジスタ101のソースに接続される。端子TG2は、トランジスタ104のゲートに接続される。端子TP3は、トランジスタ104のソースに接続される。端子TG1,TG2,TP1~TP3に種々の電圧が設定されることによって、不揮発メモリ1に対するデータの書き込み(プログラム)、消去、読み出しを行なうことができる。
Terminal TG1 is connected to the gate of
なお、端子TG1,TG2,TP1~TP3は、半導体装置の内部ノードであっても良く、メモリセルの選択回路に接続され、印加電位が制御されてもよい。トランジスタ104は、このような選択回路の一部であっても良い。
Note that the terminals TG1, TG2, TP1 to TP3 may be internal nodes of the semiconductor device, or may be connected to a memory cell selection circuit, and the applied potential may be controlled.
ダイオードとして動作するトランジスタ102は、図1に例示するように、データを記憶するトランジスタ101と1対1に設けられてもよいが、消去の単位となる複数のトランジスタ101に対して1つのトランジスタ102を設けても良い。
The
図2は、実施の形態1に係る半導体装置の断面図である。なお、図2では、構成を分かりやすく説明するため、図3で後述するサイドウォール構造40の詳細構造、被覆絶縁膜51および層間絶縁膜65等を省略して図示している。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment. In FIG. 2, the detailed structure of the
半導体装置は、MOSFETを用いた不揮発メモリ1を含む。半導体装置は、Si単結晶からなる半導体層2を含む。半導体層2は、第1主面(表面)と第2主面(裏面)とを有する。
The semiconductor device includes a nonvolatile memory 1 using MOSFETs. The semiconductor device includes a
半導体装置は、半導体層2の第1主面に形成されたn型(第1導電型)のエピタキシャル層20を含む。エピタキシャル層20は、半導体層2の全体に形成されている。
The semiconductor device includes an n-type (first conductivity type)
半導体装置には、MOSFETが形成されるデバイス領域を区画するためトレンチ絶縁構造10が設けられている。具体的に、図2に示す不揮発メモリ1を備える半導体装置では、トレンチ絶縁構造10としてトレンチ11および絶縁埋設物12が設けられている。トレンチ11は、第1主面を第2主面に向けて掘り下げることにより形成されている。トレンチ11は、第1主面および第2主面の法線方向Zから見た平面視(以下、単に「平面視」という。)において四角環状に形成され、四角形状のデバイス領域を区画している。なお、平面視におけるデバイス領域の一辺が延びる方向を方向Xとする。方向Xおよび法線方向Zの両方と直交する方向(図示せず)を方向Yとする。図2には、主面に平行な方向Xおよび主面の法線方向Zが図示されている。
A semiconductor device is provided with a
本実施形態では、トレンチ11は、底壁に向かって開口幅が狭まる先細り形状に形成されている。トレンチ11のテーパ角は、90°を超えて125°以下であってもよい。テーパ角は、90°を超えて100°以下であることが好ましい。トレンチ11のテーパ角は、半導体層2内においてトレンチ11の内側壁が第1主面との間で成す角度である。むろん、トレンチ11は、第1主面に対して垂直に形成されていてもよい。
In this embodiment, the
トレンチ11の深さは、0.1μm以上1μm以下であってもよい。トレンチ11の幅は、任意である。トレンチ11の幅は、0.1μm以上10μm以下であってもよい。トレンチ11の幅は、平面視においてトレンチ11が延びる方向に直交する方向の幅によって定義される。
The depth of the
絶縁埋設物12は、トレンチ11に埋設されている。当該絶縁埋設物12を構成する絶縁体は任意である。絶縁埋設物12は、酸化シリコン(SiO2)および窒化シリコン(SiN)のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。本実施形態では、たとえば、絶縁埋設物12を酸化シリコンで形成する。絶縁埋設物12は、半導体層2から突出している部分を有していてもよい。
The insulating buried
半導体装置は、デバイス領域において第1主面の表面部に形成されたp型(第2導電型)のウェル領域21,71を含む。ウェル領域21,71のp型不純物濃度は、エピタキシャル層20のn型不純物濃度を超えている。ウェル領域21,71のp型不純物濃度は、たとえば、10×1012cm-3以上10×1016cm-3以下である。
The semiconductor device includes p-type (second conductivity type) well
ウェル領域21,71の底部は、エピタキシャル層20に電気的に接続されている。本実施形態では、ウェル領域21,71がトレンチ11よりも深く形成され、当該トレンチ11の底壁を部分的に被覆している。もちろん、ウェル領域21,71は、本実施形態とは異なり、ウェル領域21,71とエピタキシャル層20との境界が、トレンチ11の底壁と同じ位置にあってもよい。
The bottoms of
トランジスタ101は、ウェル領域71の表面部に形成されたn型(第1導電型)のソース領域22S(第1領域)と、ソース領域22Sから間隔を空けてウェル領域71の表面部に形成されたn型(第1導電型)ドレイン領域22D(第2領域)とを含む。ソース領域22Sおよびドレイン領域22Dのn型不純物濃度は、たとえば、10×1016cm-3以上10×1020cm-3以下である。
The
ドレイン領域22Dとソース領域22Sとの間には、トランジスタ101のチャネル領域24が形成されている。チャネル領域24は、ソース領域22Sとドレイン領域22Dとの間において、方向Xに沿う電流経路を形成する。
A
なお、本明細書において、トランジスタ101のソース領域22Sおよびドレイン領域22Dは、メモリ素子からのデータを読み出し時のMOSFETのソース、ドレインとなる領域をそれぞれ示している。書き込み時および消去時には、ソース領域22S、ドレイン領域22Dは、必ずしも名称が示す動作をするとは限らない。なお、本実施形態では、第1領域がソース領域であり、第2領域がドレイン領域であると説明するが、第1領域がドレイン領域で、第2領域がソース領域であるとしてもよい。
Note that in this specification, the
さらに、トランジスタ102,104に示すような通常素子の場合には、ソース領域22Sを含む側およびドレイン領域22Dを含む側には、ソース領域22Sおよびドレイン領域22Dよりも不純物濃度が低いn型(第1導電型)のLDD(Lightly Doped Drain)領域(N-LDD領域)23S,23Dが重ねて設けられる。しかし、メモリ素子として使用する場合には、図2に示すようにN-LDD領域は設けられない。
Furthermore, in the case of normal elements such as the
トランジスタ101は、チャネル領域24に対向するように、第1主面の上に形成されたプレーナゲート構造30を含む。プレーナゲート構造30は、平面視において、ソース領域22Sおよびドレイン領域22Dの間に位置している。
トランジスタ102,104の各々も、チャネル領域24に対向するように、第1主面の上に形成されたプレーナゲート構造30を含む。プレーナゲート構造30は、平面視において、トランジスタ102,104の各々に対応するソース領域22Sおよびドレイン領域22Dの間に位置している。
Each of
各プレーナゲート構造30は、半導体層2上に形成されたゲート絶縁膜31と、ゲート絶縁膜31上に形成されたゲート電極32とを含む。ゲート絶縁膜31は、半導体層2の酸化物からなる。ゲート絶縁膜31は、具体的には、第1主面の表面部が酸化されることによって膜状に形成された酸化物からなる。つまり、ゲート絶縁膜31は、第1主面に沿って形成されたシリコン酸化膜(SiO2膜)からなる。ゲート絶縁膜31は、さらに具体的には、半導体層2の第1主面の表面部が熱酸化されることによって膜状に形成された半導体層2の熱酸化物からなる。つまり、ゲート絶縁膜31は、第1主面に沿って形成されたシリコン熱酸化膜(熱酸化膜)からなる。ゲート絶縁膜31は、7nm以上13nm以下の厚さを有していてもよい。
Each
ゲート電極32は、導電性ポリシリコンからなる。ゲート電極32は、ゲート絶縁膜31の上に形成されている。方向Xにおけるゲート電極32の幅(ゲート長)は、0.13μm以上0.5μm以下であってもよい。
図3は、不揮発メモリの電荷蓄積膜を含むサイドウォール構造を示す拡大断面図である。図2、図3に示すように、トランジスタ101には、プレーナゲート構造30の側方に、窒化シリコン(SiN)の電荷蓄積膜42を含むサイドウォール構造40が形成されている。サイドウォール構造40は、ゲート電極32の側壁を被覆するようにプレーナゲート構造30の側方に隣接配置されている。具体的には、サイドウォール構造40は、ゲート電極32の側壁を被覆している。本実施形態では、図4~図6を参照して後述するようにサイドウォール構造40を利用してデータの消去、書き込み、および読み出しを行なうことができる。そのため、サイドウォール構造40は、不揮発メモリ1において電荷蓄積膜を含むメモリ構造として機能する。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a sidewall structure including a charge storage film of a nonvolatile memory. As shown in FIGS. 2 and 3, in the
サイドウォール構造40は、平面視において、プレーナゲート構造30を取り囲む四角環状である。具体的に、サイドウォール構造40は、ソース領域22Sとプレーナゲート構造30との間に位置する部分と、ドレイン領域22Dとプレーナゲート構造30との間に位置する部分と、図2には示されないが絶縁埋設物12上に位置する部分とに形成される。サイドウォール構造40は、絶縁膜41と、電荷蓄積膜42と絶縁膜43(絶縁スペーサ)とを含んで構成される。
The
半導体装置は、プレーナゲート構造30およびサイドウォール構造40を被覆する被覆絶縁膜51をさらに含む。被覆絶縁膜51は、ソース領域22Sおよびドレイン領域22Dを被覆し、さらに絶縁埋設物12を被覆している。
The semiconductor device further includes a covering insulating
半導体装置は、第1主面を被覆する層間絶縁膜65を含む。層間絶縁膜65は、酸化膜(SiO2膜)および窒化膜(SiN膜)のうちの少なくとも1つを含む。層間絶縁膜65は、酸化膜または窒化膜からなる単層構造を有していてもよい。層間絶縁膜65は、1つまたは複数の酸化膜、および、1つまたは複数の窒化膜が任意の順序で積層された積層構造を有していてもよい。図2では図示省略されている層間絶縁膜65は、第1主面の上においてトレンチ絶縁構造10、ソース領域22S、ドレイン領域22D、プレーナゲート構造30、およびサイドウォール構造40を被覆している。
The semiconductor device includes an
半導体装置は、層間絶縁膜65の上に形成された配線L1~L3を含む。各配線は、Al膜、AlSiCu合金膜、AlSi合金膜およびAlCu合金膜のうちの少なくとも1つを含んでいてもよい。
The semiconductor device includes wiring lines L1 to L3 formed on an
各配線と層間絶縁膜65との間には、バリア配線膜が設けられていてもよい。バリア配線膜は、Ti膜またはTiN膜からなる単層構造を有していてもよい。バリア配線膜は、任意の順序で積層されたTi膜およびTiN膜を含む積層構造を有していてもよい。バリア配線膜は、各配線上にも設けられていてもよい。
A barrier wiring film may be provided between each wiring and the
以上、トランジスタ101について主に説明した。トランジスタ102,104は、Pウェル領域71に代えてPウェル領域21を有する点、N-LDD領域23S,23Dが設けられる点がトランジスタ101とは異なるが、他の構成は同様であるので説明は繰り返さない。
The
(半導体装置の動作)
次に、図を用いて、不揮発メモリ1の各動作(消去動作、書き込み動作、および読み出し動作)について具体的に説明する。
(Operation of semiconductor device)
Next, each operation (erase operation, write operation, and read operation) of the nonvolatile memory 1 will be specifically explained using the drawings.
図4は、不揮発メモリ1に対する消去動作を説明するための模式断面図である。消去時には、端子TG1に-5Vが印加され、端子TP1には4Vが印加され、端子TP2はOPEN状態とされ、端子TG2,TP3,TP4には0Vが印加される。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining an erase operation on the nonvolatile memory 1. As shown in FIG. At the time of erasing, -5V is applied to the terminal TG1, 4V is applied to the terminal TP1, the terminal TP2 is set in the OPEN state, and 0V is applied to the terminals TG2, TP3, and TP4.
図4に示すように、端子TP1に電源電圧相当の電圧(4V)を印加し、端子TG1に負バイアス(-5V)程度の電圧を印加することで、サイドウォール構造40の電荷蓄積膜に注入された電子を引き抜くことで消去動作を実現している。
As shown in FIG. 4, by applying a voltage (4V) equivalent to the power supply voltage to the terminal TP1 and applying a voltage of approximately negative bias (-5V) to the terminal TG1, charge storage is injected into the charge storage film of the
トランジスタ101の保持情報を消去するために必要なソースとウェル間に印加する高電圧は、ダイオードD1を通してゲートに印加した負バイアスをPウェル領域71に印加することによって得られる。
The high voltage required to be applied between the source and the well to erase the information held in the
n型拡散層20内(もしくは濃度の低いn型基板)にPウェル領域71を形成することによってPウェル領域71は電気的にフローティングにすることができる。Pウェル領域71にトランジスタ104によるスイッチとトランジスタ102によるダイオードとを接続することによって、Pウェル領域71の電位を0V(=GND)か負バイアス(-3V)かを選択可能としている。
By forming the P-
すなわち、本実施の形態の不揮発メモリ1では、トランジスタ101のゲートとPウェル間にダイオード接続されたトランジスタ102を接続することにより、消去時にゲートに印加した負バイアスをPウェル領域71にも印加することが可能となる。Pウェル領域71の電圧は、ダイオードD1の順方向ON電圧を2Vとすると、図4に記載したように-3Vとなる。
That is, in the nonvolatile memory 1 of this embodiment, by connecting the diode-connected
Pウェル領域71に負バイアスを印加することで、ソースとウェル間に印加される逆バイアスが従来よりも3V高くなり7Vとなる。これによりホットホールの発生率が増加するため、不揮発メモリ1を消去する効率が改善される。消去動作の効率を上げることで、低い電源電圧でもメモリ動作が可能となる。
By applying a negative bias to the P-
また、消去時には電源電圧相当の従来よりも低い電圧(4V)を端子TP1に使用できるため、書き込み時に使用する外部電源(4V)を消去時にも使用することができる。これにより、従来高電圧(7V以上)が必要であったために搭載していたチャージポンプ回路を削減することができ、半導体基板に占める回路面積の縮小が可能となる。 Furthermore, since a lower voltage (4V) than the conventional one, which is equivalent to the power supply voltage, can be used at the terminal TP1 during erasing, the external power supply (4V) used during writing can also be used during erasing. As a result, it is possible to eliminate the charge pump circuit that is conventionally mounted because it requires a high voltage (7V or more), and it is possible to reduce the circuit area occupied on the semiconductor substrate.
図5は、不揮発メモリ1に対する書き込み動作を説明するための模式断面図である。書き込み時には、端子TG1に+5Vが印加され、端子TP1には4Vが印加され、端子TP2には0Vが印加され、端子TG2には5Vが印加され、端子TP3,TP4には0Vが印加される。端子TP1には、たとえば、外部電源の電圧が供給される。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a write operation to the nonvolatile memory 1. During writing, +5V is applied to the terminal TG1, 4V is applied to the terminal TP1, 0V is applied to the terminal TP2, 5V is applied to the terminal TG2, and 0V is applied to the terminals TP3 and TP4. For example, a voltage from an external power supply is supplied to the terminal TP1.
図5の模式図に示すように、不揮発メモリ1の書き込み動作は、トランジスタ101のソース領域22Sに流れる電子(ホットエレクトロンHE)をサイドウォール構造40の電荷蓄積膜に注入することによって達成される。
As shown in the schematic diagram of FIG. 5, the write operation of the nonvolatile memory 1 is achieved by injecting electrons (hot electrons HE) flowing into the
詳しくは、書き込み動作の際、端子TG1および端子TP1に正電位(たとえば、+4~5V)が印加され、端子TP2に基準電位(Vss=0V)が印加される。これにより、トランジスタ101のソースとドレインとの間に高電流を流すことで、ホットエレクトロンが発生し、ゲートの正電位に引き込まれて、電荷がサイドウォールの電荷蓄積膜にトラップされる。書き込み時間は、たとえば0.1ms~100msである。
Specifically, during a write operation, a positive potential (for example, +4 to 5 V) is applied to the terminal TG1 and the terminal TP1, and a reference potential (Vss=0 V) is applied to the terminal TP2. As a result, hot electrons are generated by flowing a high current between the source and drain of the
書き込み動作における端子TG1、TP1の電位は、Vpp=+4~5Vに限られず、たとえば、3V以上8V以下の範囲から選択された任意の電位であってもよい。なお、電位量(絶対値)が大きいほど不揮発メモリ1の書き込み動作は早くなる。 The potentials of the terminals TG1 and TP1 in the write operation are not limited to Vpp=+4 to 5V, and may be any potential selected from the range of 3V or more and 8V or less, for example. Note that the larger the potential amount (absolute value) is, the faster the write operation of the nonvolatile memory 1 is.
書き込み動作によって電荷蓄積膜に注入された電子の負電荷により、チャネル領域24のチャネルの一部が消失し、トランジスタ101のソース領域22Sとドレイン領域22Dとの間に電流が流れにくくなる。つまり、注入された電子の負電荷により、ゲート閾値電圧Vthが増加する。
Due to the negative charges of electrons injected into the charge storage film by the write operation, part of the channel of the
書き込み動作時は高電流を流す必要があるため、端子TP1に印加する電圧はチャージポンプなどの昇圧回路を使用せずに、直接外部の電源電圧から印加することが望ましい。これに対して、本開示の不揮発メモリ1では、回路の構成上、図5に示した書き込み動作時と図4に示した消去動作時で、端子TP1(ドレイン)に印加する電圧を同じ4Vにすることができる。これにより、昇圧回路等を減らし、半導体基板上に占める回路面積を削減することが可能となる。 Since it is necessary to flow a high current during a write operation, it is desirable that the voltage applied to the terminal TP1 be applied directly from an external power supply voltage without using a booster circuit such as a charge pump. In contrast, in the nonvolatile memory 1 of the present disclosure, due to the circuit configuration, the voltage applied to the terminal TP1 (drain) is the same 4V during the write operation shown in FIG. 5 and during the erase operation shown in FIG. can do. This makes it possible to reduce the number of booster circuits and the like, thereby reducing the circuit area occupied on the semiconductor substrate.
次に、不揮発メモリ1の読み出し動作について説明する。図6は、不揮発メモリ1に対する読み出し動作を説明するための模式断面図である。 Next, a read operation of the nonvolatile memory 1 will be explained. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a read operation for the nonvolatile memory 1.
読み出し時には、端子TG1に+2Vが印加され、端子TP1には1Vが印加され、端子TP2には0Vが印加され、端子TG2には5Vが印加され、端子TP3,TP4には0Vが印加される。 During reading, +2V is applied to the terminal TG1, 1V is applied to the terminal TP1, 0V is applied to the terminal TP2, 5V is applied to the terminal TG2, and 0V is applied to the terminals TP3 and TP4.
書き込みされたトランジスタの場合は、サイドウォールの電荷蓄積膜42(窒化膜)に注入された電荷の影響により、ゲート電位(Vg=2V)によって発生する電界がチャネル領域に届かないため、チャネルが途切れる。このため、書き込みされたトランジスタ101には、ゲート電位Vgを2Vに設定し、ドレイン・ソース間電圧Vgsを1Vに設定しても電流が流れない。
In the case of a written transistor, the electric field generated by the gate potential (Vg = 2V) does not reach the channel region due to the influence of the charge injected into the sidewall charge storage film 42 (nitride film), so the channel is interrupted. . Therefore, no current flows through the written
一方、未書き込みのトランジスタ101の場合は、ゲート電位Vgを2Vに設定するとチャネルが形成されオン状態となるので、ドレイン・ソース間電圧Vgsを1Vに設定すると電流が流れる。
On the other hand, in the case of the
そのため、読み出し動作時には、ゲート電極32に電位を印加した状態で、ドレイン・ソース間電流Idsの有無によってメモリ構造にデータが書き込まれているか否かを判別できる。したがって、読み出し時には、端子TP1またはTP3に電流を検出するセンスアンプを接続することにより、トランジスタ101のサイドウォールに書き込まれた情報を読み出すことができる。
Therefore, during a read operation, with a potential applied to the
[実施の形態2]
実施の形態1では、ダイオード接続されたトランジスタ102をトランジスタ101のゲートとバックゲートとの間に接続した。この場合、トランジスタ102の順方向オン電圧分の電圧降下があり、トランジスタ101のバックゲートの電圧とゲート電圧との電位差は、電圧降下分となる。したがって、消去時のウェル領域71の電位は、ウェル領域21の不純物濃度などのパラメータによって調節することになる。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, diode-connected
実施の形態2では、消去時のウェル領域71の電位の調節がより簡単となる。図7は、実施の形態2に係る半導体装置に搭載される不揮発メモリ1Aの構成を示す回路図である。図8は、実施の形態2に係る半導体装置の断面図である。
In the second embodiment, it is easier to adjust the potential of the
不揮発メモリ1Aは、電界効果トランジスタ101と、ダイオードD1とを含む。トランジスタ101は、データを不揮発的に記憶するように構成される。ダイオードD1は、トランジスタ101のゲートとトランジスタ101のバックゲートとの間に接続される。
ダイオードD1は、トランジスタ101のバックゲートからゲートに向かう方向が順方向となるように接続されている。実施の形態2では、ダイオードD1は、ダイオード接続された2つのトランジスタによって構成される。
The diode D1 is connected so that the direction from the back gate to the gate of the
すなわち、ダイオードD1は、トランジスタ102A、102Bを含む。トランジスタ102Aのゲート、ソースおよびバックゲートとトランジスタ101のバックゲートとは、配線L1によって接続されている。
That is, diode D1 includes
トランジスタ102Bのゲート、ソースおよびバックゲートとトランジスタ102Aのドレインとは、配線L2Bによって接続されている。トランジスタ101のゲートとトランジスタ102Bのドレインとは配線L2Aによって接続されている。
The gate, source, and back gate of the
不揮発メモリ1Aの他の構成は、図1に示した不揮発メモリ1の構成と同じであるので、説明は繰り返さない。
The other configuration of the
なお、図7,図8では、ダイオード接続されたトランジスタを2つ直列接続した例を示したが、3つ以上のダイオード接続されたトランジスタによってダイオードD1を構成しても良い。このようにすれば、不純物濃度を決める注入量などの製造条件を変更しなくてもトランジスタの直列接続する個数によって、ウェル領域71の消去時の電位を調節することができる。
Although FIGS. 7 and 8 show an example in which two diode-connected transistors are connected in series, the diode D1 may be configured by three or more diode-connected transistors. In this way, the potential of the
以上説明した実施の形態1,2の不揮発メモリは、マイコン、ゲートドライバー、その他メモリ機能が必要なLSIに内蔵され使用される。 The nonvolatile memories of the first and second embodiments described above are used built into microcomputers, gate drivers, and other LSIs that require memory functions.
(まとめ)
以下に、再び図面を参照して本実施の形態について総括する。
(summary)
The present embodiment will be summarized below with reference to the drawings again.
本開示は、不揮発メモリ1を備える半導体装置に関する。図1、図2に示すように不揮発メモリ1は、データを不揮発的に記憶するように構成されたトランジスタ101と、トランジスタ101のゲートとトランジスタ101のバックゲートとの間に接続されたダイオードD1とを含む。
The present disclosure relates to a semiconductor device including a nonvolatile memory 1. As shown in FIGS. 1 and 2, the nonvolatile memory 1 includes a
好ましくは、ダイオードD1は、トランジスタ102を含む。トランジスタ102のゲートとトランジスタ102のソースとは接続されている。すなわち、トランジスタ102は、トランジスタ101のゲートとバックゲートとの間にダイオード接続されている。
Preferably, diode D1 includes
より好ましくは、図7および図8に示すように、ダイオードが直列接続されていてもよい。すなわちダイオードD1は、トランジスタ102A,102Bを含む。トランジスタ102Aのゲートとトランジスタ102Aのソースとは接続されている。トランジスタ102Bのゲートとトランジスタ102Bのソースとトランジスタ102Aのドレインとは接続されている。
More preferably, diodes may be connected in series as shown in FIGS. 7 and 8. That is, diode D1 includes
図2に示すように、好ましくは、半導体装置は、主面を有する半導体層2を備える。トランジスタ101は、半導体層2の主面の表面部に形成された第1ウェル領域71と、第1ウェル領域71の表面部に互いに第1方向(X方向)に間隔を空けて形成された第1領域(ソース領域22S)および第2領域(ドレイン領域22D)とを備える。第1領域および第2領域の導電型は第1導電型(n型)であり、第1ウェル領域71の導電型は第2導電型(p型)である。
As shown in FIG. 2, the semiconductor device preferably includes a
トランジスタ101は、第1領域(ソース領域22S)と第2領域(ドレイン領域22D)との間のチャネル領域24に対向するように半導体層2の主面上に第2方向(Z方向)に積層形成された第1ゲート絶縁膜31および第1ゲート電極32を含む第1プレーナゲート構造30と、第1領域(ソース領域22S)側の第1プレーナゲート構造30の第1方向(X方向)の側方に隣接配置されたサイドウォール構造40とをさらに備える。図3に示すように、サイドウォール構造40は、第1絶縁膜41および第2絶縁膜43と、第1絶縁膜41と第2絶縁膜43との間に配置された電荷蓄積膜42とを含む。
The
第1領域は、トランジスタ101のソース電極であり、第2領域は、トランジスタ101のドレイン電極であり、第1ゲート電極32は、トランジスタ101のゲート電極である。
The first region is the source electrode of the
より好ましくは、図2に示すように、ダイオードD1は、半導体層2の主面の表面部に形成された第2ウェル領域21と、第2ウェル領域21の表面部に互いに間隔を空けて形成された第3領域(ソース領域22S)および第4領域(ドレイン領域22D)とをさらに備える。第3領域および第4領域の導電型は第1導電型(n型)であり、第2ウェル領域21の導電型は第2導電型(p型)である。ダイオードD1は、第3領域(ソース領域22S)と第4領域(ドレイン領域22D)との間のチャネル領域24に対向するように半導体層2の主面上に第2方向(Z方向)に積層形成された第2ゲート絶縁膜31および第2ゲート電極32を含む第2プレーナゲート構造30と、第2ウェル領域21、第3領域(ソース領域22S)および第2ゲート電極32を接続する第1配線L1とをさらに備える。第1配線L1は、第1ウェル領域71にさらに接続される。半導体装置は、第1ゲート電極32と第4領域(ドレイン領域22D)とを接続する第2配線L2をさらに備える。
More preferably, as shown in FIG. 2, the diode D1 is formed in the
より好ましくは、不揮発メモリ1が、図5に示した書き込み動作時に、ホットエレクトロンを電荷蓄積膜42に注入し、図4に示した消去動作時に、ホットホールを電荷蓄積膜42に引き込むように構成されている。
More preferably, the nonvolatile memory 1 is configured to inject hot electrons into the
より好ましくは、図3に示されるように、第1絶縁膜41の厚さは第2絶縁膜43の厚さよりも薄い。
More preferably, as shown in FIG. 3, the thickness of the first insulating
より好ましくは、電荷蓄積膜42がSiNからなり、第1絶縁膜41および第2絶縁膜43の各々は、SiO2からなる。
More preferably, the
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than the description of the embodiments described above, and it is intended that all changes within the meaning and range equivalent to the claims are included.
1,1A 不揮発メモリ、2 半導体層、10 トレンチ絶縁構造、11 トレンチ、12 絶縁埋設物、20 エピタキシャル層、21,71 ウェル領域、22D ドレイン領域、22S ソース領域、23D,23S LDD領域、24 チャネル領域、30 プレーナゲート構造、31 ゲート絶縁膜、32 ゲート電極、40 サイドウォール構造、41,43 絶縁膜、42 電荷蓄積膜、51 被覆絶縁膜、65 層間絶縁膜、101,102,102A,102B,104 トランジスタ、D1 ダイオード、L1,L2A,L2,L2B,L3 配線、TG1,TG2,TP1~TP4 端子。 1, 1A non-volatile memory, 2 semiconductor layer, 10 trench insulation structure, 11 trench, 12 insulating buried material, 20 epitaxial layer, 21, 71 well region, 22D drain region, 22S source region, 23D, 23S LDD region, 24 channel region , 30 planar gate structure, 31 gate insulating film, 32 gate electrode, 40 sidewall structure, 41, 43 insulating film, 42 charge storage film, 51 covering insulating film, 65 interlayer insulating film, 101, 102, 102A, 102B, 104 Transistor, D1 diode, L1, L2A, L2, L2B, L3 wiring, TG1, TG2, TP1 to TP4 terminals.
Claims (8)
前記不揮発メモリは、
データを不揮発的に記憶するように構成された第1電界効果トランジスタと、
前記第1電界効果トランジスタのゲートと前記第1電界効果トランジスタのバックゲートとの間に接続されたダイオードとを含む、半導体装置。 A semiconductor device, comprising a nonvolatile memory,
The nonvolatile memory is
a first field effect transistor configured to non-volatilely store data;
A semiconductor device including a diode connected between a gate of the first field effect transistor and a back gate of the first field effect transistor.
前記第2電界効果トランジスタのゲートと前記第2電界効果トランジスタのソースとは接続されている、請求項1に記載の半導体装置。 the diode includes a second field effect transistor;
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate of the second field effect transistor and the source of the second field effect transistor are connected.
前記第3電界効果トランジスタのゲートと前記第3電界効果トランジスタのソースと前記第2電界効果トランジスタのドレインとは接続されている、請求項2に記載の半導体装置。 The diode further includes a third field effect transistor,
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein a gate of the third field effect transistor, a source of the third field effect transistor, and a drain of the second field effect transistor are connected.
前記第1電界効果トランジスタは、
前記半導体層の前記主面の表面部に形成された第1ウェル領域と、
前記第1ウェル領域の表面部に互いに第1方向に間隔を空けて形成された第1領域および第2領域とを備え、
前記第1領域および前記第2領域の導電型は第1導電型であり、
前記第1ウェル領域の導電型は第2導電型であり、
前記第1電界効果トランジスタは、
前記第1領域と前記第2領域との間のチャネル領域に対向するように前記半導体層の前記主面上に第2方向に積層形成された第1ゲート絶縁膜および第1ゲート電極を含む第1プレーナゲート構造と、
前記第1領域側の前記第1プレーナゲート構造の前記第1方向の側方に隣接配置されたサイドウォール構造とをさらに備え、
前記サイドウォール構造は、
第1絶縁膜および第2絶縁膜と、
前記第1絶縁膜と前記第2絶縁膜との間に配置された電荷蓄積膜とを含み、
前記第1領域は、前記第1電界効果トランジスタのソース電極であり、
前記第2領域は、前記第1電界効果トランジスタのドレイン電極であり、
前記第1ゲート電極は、前記第1電界効果トランジスタのゲート電極である、請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device includes a semiconductor layer having a main surface,
The first field effect transistor is
a first well region formed in a surface portion of the main surface of the semiconductor layer;
comprising a first region and a second region formed at a distance in a first direction on a surface portion of the first well region;
The conductivity type of the first region and the second region is a first conductivity type,
The conductivity type of the first well region is a second conductivity type,
The first field effect transistor is
A first gate insulating film and a first gate electrode stacked in a second direction on the main surface of the semiconductor layer so as to face a channel region between the first region and the second region. 1 planar gate structure,
further comprising a sidewall structure disposed adjacent to a side in the first direction of the first planar gate structure on the first region side,
The sidewall structure is
a first insulating film and a second insulating film;
a charge storage film disposed between the first insulating film and the second insulating film,
The first region is a source electrode of the first field effect transistor,
The second region is a drain electrode of the first field effect transistor,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate electrode is a gate electrode of the first field effect transistor.
前記半導体層の前記主面の表面部に形成された第2ウェル領域と、
前記第2ウェル領域の表面部に互いに間隔を空けて形成された第3領域および第4領域とをさらに備え、
前記第3領域および前記第4領域の導電型は前記第1導電型であり、
前記第2ウェル領域の導電型は前記第2導電型であり、
前記ダイオードは、
前記第3領域と前記第4領域との間のチャネル領域に対向するように前記半導体層の前記主面上に前記第2方向に積層形成された第2ゲート絶縁膜および第2ゲート電極を含む第2プレーナゲート構造と、
前記第2ウェル領域、前記第3領域および前記第2ゲート電極を接続する第1配線とをさらに備え、
前記第1配線は、前記第1ウェル領域にさらに接続され、
前記半導体装置は、
前記第1ゲート電極と前記第4領域とを接続する第2配線をさらに備える、請求項4に記載の半導体装置。 The diode is
a second well region formed in a surface portion of the main surface of the semiconductor layer;
further comprising a third region and a fourth region formed at a distance from each other on the surface of the second well region,
The conductivity type of the third region and the fourth region is the first conductivity type,
The conductivity type of the second well region is the second conductivity type,
The diode is
a second gate insulating film and a second gate electrode stacked in the second direction on the main surface of the semiconductor layer so as to face a channel region between the third region and the fourth region; a second planar gate structure;
further comprising a first wiring connecting the second well region, the third region and the second gate electrode,
The first wiring is further connected to the first well region,
The semiconductor device includes:
5. The semiconductor device according to claim 4, further comprising a second wiring connecting the first gate electrode and the fourth region.
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