JP2568340B2 - Writing method of MOS PROM - Google Patents
Writing method of MOS PROMInfo
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- Semiconductor Memories (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野)この発明は、高速動作速度を得る
ことができるようにした半導体集積回路装置およびその
製造方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device capable of obtaining a high operation speed and a method of manufacturing the same.
(従来の技術)従来MOS形構造の書き込み可能読み出
し専用記憶素子としては、第8図に示すように、ドレイ
ン端子1とソース端子2とコントロールゲート端子3と
フローティングゲート4で構成されるトランジスタがあ
る。このトランジスタはドレイン端子1に高圧をかけ、
ソース端子2を接地電位ないしその近傍の電圧にし、コ
ントロールゲート端子3を高圧にし、フローティングゲ
ート4を浮遊状態にして、フローティングゲート4に所
望の電圧を誘起させたとき、フローティングゲート4の
下に作られた反転電子流(チャネル)より、熱電子がフ
ローティングゲート4に注入、蓄積され、それにより、
コントロールゲート端子3からみたこのトランジスタの
しきい値電圧が高くなることを利用して、書き込み状態
と非書き込み状態を区別しているものである。この素子
構造では、光を照射して注入された熱電子をフローティ
ングゲート4より放出することができるため、消去可能
な構造となっている。この素子構造を用いて半導体集積
回路を実現したときに読み出し方法の多くはフローティ
ングゲート4に蓄積された電荷に応じてドレイン端子1
−ソース端子2間に流れる電流値の大小を検出すること
により記憶情報の「1」ないし「0」を読み出してい
る。なお、第8図における5はゲート絶縁膜、6は絶縁
膜、7は中間絶縁膜、8はメタル層、9は基板、10は
保護膜である。(Prior Art) As a conventional writable read-only memory element having a MOS type structure, there is a transistor composed of a drain terminal 1, a source terminal 2, a control gate terminal 3 and a floating gate 4, as shown in FIG. . This transistor applies a high voltage to the drain terminal 1,
When the source terminal 2 is set to a ground potential or a voltage near the same, the control gate terminal 3 is set to a high voltage, and the floating gate 4 is set in a floating state, a desired voltage is induced on the floating gate 4. The thermoelectrons are injected and accumulated in the floating gate 4 from the inverted inversion electron flow (channel), whereby
By utilizing the fact that the threshold voltage of this transistor as viewed from the control gate terminal 3 is increased, the written state and the non-written state are distinguished. In this element structure, the injected thermoelectrons can be emitted from the floating gate 4 by irradiating light, and thus have an erasable structure. When a semiconductor integrated circuit is realized by using this element structure, most of the readout methods use the drain terminal 1 according to the charge stored in the floating gate 4.
-Reading the stored information "1" to "0" by detecting the magnitude of the current flowing between the source terminals 2. In FIG. 8, 5 is a gate insulating film, 6 is an insulating film, 7 is an intermediate insulating film, 8 is a metal layer, 9 is a substrate, and 10 is a protective film.
(発明が解決しようとする問題点)しかし、この素子構
造では、読み出す際にコントロールゲート端子3を制御
端子として用いVcc+5Vを印加する。コントロール
ゲート端子3からみたドレイン端子1−ソース端子2間
の相互コンダクタンスgmがこのようなスタックゲート
構造のためあまり大きくならないという欠点がある。相
互コンダクタンスgmがあまり大きくとれないというこ
とは、ドレイン端子1−ソース端子2間に流れる電流値
を大きく取れないので、読み出す際にフローティングゲ
ート4をトランジスタの制御端子として用いているもの
より、検出に時間がかかり、高速にはならない。たとえ
ば、読み出しをフローティングゲート4で行う場合はリ
ードアウトに2ns程度であるのに対して、コントロー
ルゲート端子3を制御電極として行う場合は、3nsの
リードアウトの時間がかかってしまう。一方、SSD8
3−66「薄いシリコン熱酸化膜の絶縁耐圧」(電気通
信学会技術研究報告)に記載されているように、薄いシ
リコン熱酸化膜の絶縁耐圧は膜厚依存性が顕著であり、
膜質の改良により、耐圧分布が改良されることが知られ
ている。この発明の目的は、書き込み可能の半導体記憶
装置(MOS型PROM)としての高速な動作速度が得
ることのできる半導体集積回路装置およびその製造方法
を得ることにある。(Problems to be solved by the invention) However, in this element structure, V cc +5 V is applied using the control gate terminal 3 as a control terminal at the time of reading. There is a disadvantage that the transconductance g m between the control gate terminal 3 as viewed from the drain terminal 1 source terminal 2 is not so large for such a stacked gate structure. That the transconductance g m can not be obtained so large, it does not take a large value of current flowing between the drain terminal 1 source terminal 2, than those using a floating gate 4 as a control terminal of the transistor in reading, detection It takes time and it doesn't get faster. For example, when reading is performed with the floating gate 4, the readout time is about 2 ns, whereas when the control gate terminal 3 is used as the control electrode, the readout time is 3 ns. On the other hand, SSD8
As described in 3-66 “Dielectric strength of thin silicon thermal oxide film” (Technical Research Report of the Institute of Telecommunications Society of Japan), the dielectric strength of a thin silicon thermal oxide film is significantly dependent on film thickness.
It is known that the breakdown voltage distribution is improved by improving the film quality. An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device capable of obtaining a high operation speed as a writable semiconductor memory device (MOS PROM) and a method of manufacturing the same.
(問題点を解決するための手段)この発明の要点は、M
OSトランジスタにおいて、ゲートを制御線として用
い、ドレインないしはソースを形成する不純物領域上
に、MOSトランジスタの接合耐圧よりも低い電圧で電
気的に完全に破壊する絶縁膜を設け、この絶縁膜を介し
て、ゲートとは異なる導体を設けることにある。(Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is that M
In an OS transistor, an insulating film that completely breaks down electrically at a voltage lower than the junction withstand voltage of a MOS transistor is provided over an impurity region forming a drain or a source by using a gate as a control line, and via the insulating film , A conductor different from the gate.
(作 用)このようにすれば、書き込み可能読み出し専
用記憶素子となるとともに、動作速度が速くなり、低消
費電力で高集積化され、しかも紫外線や放射線によって
書き込み情報が変化することがない。(Operation) In this way, a writable read-only memory element is obtained, the operating speed is increased, the power consumption is increased and the integration is increased, and the written information is not changed by ultraviolet rays or radiation.
(実施例)以下、この発明の半導体集積回路装置および
その製造方法の実施例について図面に基づき説明する。
第1図はこの発明の半導体集積回路装置の一実施例の構
成を示す断面図である。この第1図において、数Ωcm
〜20Ωcm比抵抗のP形の基板11にドレイン12お
よびソース13がイオン注入などで、N形で作られてお
り、厚さ数百Åの第1ゲート絶縁膜14(SiO2膜を
熱成長により形成)と第2ゲート絶縁膜15(SiO2
膜を熱成長により形成)が形成されている。この第2ゲ
ート絶縁膜15の約半分以下の厚さ、すなわち、100
〜200Åの厚さの絶縁膜16(SiO2膜を熱成長に
より形成)がドレイン12上に形成されている。また、
第1ゲート絶縁膜14上に導電性多結晶シリコン17
(数千Å)が形成されている。また、第2ゲート絶縁膜
15と絶縁膜16上に、数千Åの厚さの導電性多結晶シ
リコン20が形成されている。導電性多結晶シリコン1
7と20上には、中間絶縁膜18が形成されている。こ
の中間絶縁膜18はPSGにより、8000〜1000
0Åの厚さに形成されている。この中間絶縁膜18上お
よび導電性多結晶シリコン20に接するように、アルミ
19が蒸着されており、このアルミ19上に保護膜21
が被着されており、かくして、エンハンスメント形のM
OS形トランジスタが構成されている。このMOS形ト
ランジスタの製造方法は、第2図(a)〜第2図(g)
に示されている。まず、第2図(a)に示すように、基
板11上に第1ゲート絶縁膜14(数百Å)の形成後、
導電性多結晶シリコン17を形成(数千Å)して、第1
ゲートを形成する。次いで、第2図(b)に示すよう
に、イオン注入により、ドレイン12とソース13の拡
散層を基板11に形成する。次に、第2図(c)に示す
ように、全面を熱酸化して、第2ゲート絶縁膜15を5
00〜800Åの厚さに形成する。次に、第2図(d)
に示すように、第1コンタクトマスク(図示せず)を用
いて、第2ゲート電極の形成予定領域の第2ゲート絶縁
膜15をエッチングにより開孔して、ドレイン12を一
部露出させる。次に、第2図(e)に示すように、エッ
チングにより開孔した部分に熱酸化により、薄い酸化膜
(100〜200Å)を形成して絶縁膜16とする。次
に、第2図(f)に示すように、導電性多結晶シリコン
20を気相成長により数千Åに成長させる。次に、第2
図(g)に示すように、第2ゲートマスクを用いて第2
ゲート絶縁膜15及び導電性多結晶シリコン20の不要
部分を除去する。これにより多結晶シリコン20による
電極が形成され、この導電性多結晶シリコン20の下に
絶縁膜16が形成されている。この後、従来と同様の工
程によって、第1図に示したように、中間絶縁膜18、
第2コンタクトメタル電極としてのアルミ19を形成
し、最後に保護膜21を形成することにより、第1図で
示した半導体集積回路装置が完成する。次に、第1図に
示す半導体集積回路装置において、第1の記憶方式を説
明する。ソース13を接地し電源電圧から後に述べる電
圧Vpp間の適当な電圧を第1ゲートとしての導電性多
結晶シリコン17に印加し、絶縁膜16を電気的に破壊
し得る電圧Vpp、たとえば10〜25Vをメタル電極
としてのアルミ19に印加すると、第1ゲート下のチャ
ンネルは強い反転状態となり、この電圧はアルミ19、
導電性多結晶シリコン20、薄い絶縁膜16、ドレイン
12、第1ゲートである導電性多結晶シリコン17下の
チャンネル、ソース13に印加される。そして、薄い絶
縁膜16は電気的に絶縁破壊され、ドレイン12と導電
性多結晶シリコン20が導通状態となる。一方、基板1
1とソース13を接地し、さらに、導電性多結晶シリコ
ン17を接地すると、ソース13とドレイン12間は非
導通となる。この状態でアルミ19に上記電圧Vppを
印加すると、ドレイン12は浮遊状態となり、このドレ
イン12の電位はドレイン12の接合容量Cjとドレイ
ン12の上にある絶縁膜15,16の全容量COXT となる。この全容量COXTを接合容量Cjの数倍から
数十倍になるように製造条件を選ぶと、ドレイン12−
導電性多結晶シリコン20間の電位差は数V以下にな
り、絶縁膜16は破壊されない。第3図はこの状態を示
すもので電圧Vppと接地間に全容量COXTと接合容
量Cjとを直列にして、この接合容量Cjの両端に電位
VOXTが生じることを示している。全容量COXTは
ドレイン12と導電性多結晶シリコン20との間の絶縁
膜15,16を誘電体とする静電容量である。また、接
合容量Cjはドレイン12と基板11の接合容量であ
る。全容量COXTは2PF、接合容量Cjは0.2P
Fとし、絶縁膜16は100Åの厚さの場合、10V程
度で絶縁破壊される。したがって、絶縁膜16の厚さを
200Åとすると、20V程度で絶縁破壊される。一
方、絶縁膜に印加される電圧は である。したがって、全容量COXTに印加される電圧
は、Vpp−VOXT=1V程度となり、薄い絶縁膜1
6の破壊は起こらない。上記からも明らかなように、導
電性多結晶シリコン17を接地ないし、導電性多結晶シ
リコン17に電源電圧からVppまでの適当な電圧を印
加すると同時に、アルミ19を接地またはアルミ19に
電圧Vppを印加することにより、絶縁膜16の破壊、
被破壊状態をつくることができるので、この素子に書き
込み機能をもたすことが可能となる。記憶情報の読み出
し時には第1のゲートとしての導電性多結晶シリコン1
7を電源電圧ないしはその近傍まで上昇させることによ
りアルミ19−ソース13間に薄い酸化膜16が破壊さ
れているか否かによって定常電流が流れるか否かで記憶
情報の「1」ないし「0」を検知することができる。こ
の構造では読み出し時に導電性多結晶シリコン17を制
御端子とすることができるため、導電性多結晶シリコン
17からみたドレイン12−ソース13間の相互コンダ
クタンスgmを大きくすることができる。また、絶縁膜
16の破壊の有無により、記憶情報の「1」ないし
「0」の状態が決定されるので、一旦絶縁膜が破壊され
れば記憶情報は変化しない。すなわち、紫外線や放射線
による記憶情報の変化を防ぐことができる。つまり、P
ROMとしての機能になる。したがって、記憶内容の書
き替えはできない。次に、第1図の構造において、第2
の記憶方式を説明する。第1の記憶方式と第2の記憶方
式の大きな違いは、記憶時にトランジスタに光を照射す
るか否かである。トランジスタに光を照射した状態で導
電性多結晶シリコン20を電位Vpp(10〜25V)
にし、ソース13をVpp−数V(5〜20V程度)の
電位にし、導電性多結晶シリコン17を接地電位にする
と、ドレイン12は浮遊状態となるが、光の照射によ
り、ドレイン12−基板11間のリーク電流が増大し、
基板11を接地しておくと、ドレイン12の電圧は接地
電位の近くになり、ドレイン12−導電性多結晶シリコ
ン20間の電位差は大きくなるので絶縁膜16は破壊さ
れる。一方、トランジスタに光を照射した状態で、アル
ミ19に電位Vppを印加し、ソース13を(Vpp−
数ボルト)の電位にし、導電性多結晶シリコン17も
(Vpp−数ボルト)の電位にする。これにより、ソー
ス13とドレイン12間はオンして導通状態となる。こ
のとき、ドレイン12はVpp−数ボルト−トランジス
タのしきい値電圧となり、ドレイン12−導電性多結晶
シリコン20間の電位差は小さくなるので、絶縁膜16
は破壊されない。記憶情報の読み出し時にはアルミ19
に適当な電圧を印加し、ソース13を接地し、導電性多
結晶シリコン17に電源電圧ないしはその近傍の電圧を
印加してアルミ19−ソース13間に定常電流が流れる
か否かを検知することにより、記憶情報を読み出す。第
4図はこの発明の第2の実施例の構成を示す断面図であ
る。第1図においてはドレイン12上に薄い絶縁膜16
と第2ゲートとしての導電性多結晶シリコン20を設け
たが、この第4図においてはソース13上に薄い絶縁膜
16と第2ゲートとしての導電性多結晶シリコン20を
設けている。さらに、第1図の実施例においては、導電
性多結晶シリコン20とアルミ19はスルーホールによ
って接続されているのに対し、第4図の実施例では、導
電性多結晶シリコン20とアルミ19を接続するスルー
ホールはない。なお、第4図と第1図において、同一部
分は同一符号を付し、同一意味をもっている。次に、第
4図の実施例における第1の記憶方式を説明する。導電
性多結晶シリコン20を接地し、導電性多結晶シリコン
17とアルミ19に電圧Vppを印加したときソース1
3の電圧はVpp−トランジスタのしきい値電圧(1〜
2V)VTEとなる。Vpp−VTEの電圧により絶縁
膜16が破壊され得るような電圧値にあらかじめVpp
(10−25V)を設定しておくと、ソース13−導電
性多結晶シリコン20間は、絶縁膜16の破壊により導
通状態となる。一方、基板11、導電性多結晶シリコン
20,17を接地電位にし、アルミ19に電位Vppを
印加した場合、ソース13は浮遊状態となるが、基板1
1および導電性多結晶シリコン20が接地電位であるの
で、ソース13も接地電位となり、絶縁膜16は破壊さ
れない。すなわち、導電性多結晶シリコン17を接地す
るか、アルミ19に電位Vppを印加することにより、
また、アルミ19を接地ないしアルミ19に電位Vpp
を印加することにより、絶縁膜16の破壊、非破壊状態
を作ることができるので、この素子に記憶機能をもたら
すことが可能となる。記憶情報の読み出しの際には基板
11と導電性多結晶シリコン20を接地し、アルミ19
に適当な電圧を印加し導電性多結晶シリコン17を電源
電圧ないしはその近傍の電圧にして、アルミ19−導電
性多結晶シリコン20間に定常的電流が流れるか否かを
検知すればよい。次に、第4図の素子の第2の記憶方式
を説明する。導電性多結晶シリコン20に電位Vppを
印加し、導電性多結晶シリコン17を電源電圧から電位
Vpp間の適当な電圧とし、ドレイン12を接地電位と
し、基板11を接地すると、ソース13−導電性多結晶
シリコン20間の電位差が電位Vppとなるため、絶縁
膜16は破壊される。この絶縁膜16を破壊しないとき
には、導電性多結晶シリコン20を電位Vppにし、導
電性多結晶シリコン17を接地電位にし、ドレイン12
を電位Vppから接地電位の間の任意の間にするか、あ
るいは、導電性多結晶シリコン20を電位Vppにし、
導電性多結晶シリコン17を電源電圧から電位Vpp間
の適当な電圧とし、ドレイン12にVpp−数ボルトの
電圧を印加する。読み出しの際には、基板11および導
電性多結晶シリコン20を接地し、アルミ19に適当な
電圧を印加し、導電性多結晶シリコン17を電源電圧な
いしはその近傍の電圧にしてアルミ19−導電性多結晶
シリコン20間に定常的電流が流れるか否かを検知す
る。以上いくつかの例を示したが、この素子構造を用い
て、集積回路を構成した一例として第5図について考察
する。この第5図の列選択線B1,B2……BNは第1
図、第4図のアルミ19に相当する。また、行選択線W
1,W2……WMは第1図、第4図の第1ゲートとして
の導電性多結晶シリコン17に相当する。さらに、Vは
接地電位であり、第1図のソース13、第4図の導電性
多結晶シリコン20に相当する。この第5図において、
前述したいくつかの記憶方式を適用することができる。
第5図における行選択線W1,W2……WMは同時に1
本しかハイ(「H」)レベルにならないものとする。
「H」レベルとはエンハンスメント型MOSトランジス
タT11,T12からTMNのしきい値電圧以上の電圧
とし、それ以下をロウ(L)レベルとする。また、列選
択線B1〜BNは行選択線と同様に一本しかHレベルに
ならないものとする。また、エンハンスメント型MOS
トランジスタT11は前述のトランジスタであり、Q
11は薄い絶縁膜である。一例として、第1図で述べた
第1の記憶方式を第5図に適用する。いま、行選択線W
1と列選択線B1を選択して、行選択線W1に電源電圧
からVppまでの間の適当な電圧を印加し、列選択線B
1にVpp(10〜25V)を印加すると、エンハンス
メント型MOSトランジスタT11はオン状態になるか
ら、絶縁膜Q11の電位差はVppとなり絶縁膜Q11
は破壊される。このとき、列選択線B2からBN、およ
び行選択線W2からWMは「L」レベルであるので、絶
縁膜Q21からQM1および絶縁膜Q12からQ1Nは
破壊されない。次に行選択線W1を「1」にし、行選択
線W2を「H」にすると、絶縁膜Q11は破壊されてい
るがエンハンスメント型MOSトランジスタT11がオ
フ状態であるため、このエンハンスメント型MOSトラ
ンジスタT11を通じての列選択線B1から接地Vへの
電流は流れない。したがって、絶縁膜Q21の両端にV
ppの電圧がかかり、絶縁膜Q21は破壊される。以
下、同様にして任意の行選択線および列選択線を選択し
て、その交点に存在する絶縁膜を破壊することができ
る。したがって、この素子を用いて書き込み可能な集積
回路を作ることができる。読み出す際には、任意の行選
択線および列選択線を「H」レベルにしたときに、絶縁
膜が破壊されている素子は列選択線B1からソース電源
電圧Vに向けて定常電流0.1mA程度に流れるが、絶
縁膜が破壊されていない素子は流れない(オーダとして
はnA)ので、その差異を検知して記憶情報を読みだす
ことができる。以上、この発明の半導体集積回路装置の
素子を用いて、記憶集積回路を構成した実施例をあげた
が他のいくつかの記憶方法においても、若干の修正でも
って同様に適用できることは容易に類推できるものであ
る。以上説明したように、MOS構造における書き込み
可能読み出し専用記憶素子およびその製造方法に使用す
ることができる。従来の素子に対する利点は第1ゲート
を制御、読み出しに使用できるため第2ゲートを制御読
み出しに使用している素子より相互コンダクタンスgm
を大きくすることができるので、高速化が可能であると
ともに、以下に列挙するような利点がある。(Embodiments) Embodiments of a semiconductor integrated circuit device and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. In FIG. 1, several Ωcm
In the substrate 11 of P-type ~20Ωcm resistivity drain 12 and source 13 are ion implantation, etc., is made of N-type, the first gate insulating film 14 (SiO 2 film having a thickness of several hundred Å thermally grown Formation) and the second gate insulating film 15 (SiO 2
The film is formed by thermal growth). The thickness of the second gate insulating film 15 is about half or less, that is, 100
An insulating film 16 (formed of a SiO 2 film by thermal growth) having a thickness of about 200 ° is formed on the drain 12. Also,
Conductive polycrystalline silicon 17 on first gate insulating film 14
(Thousands of square meters) are formed. On the second gate insulating film 15 and the insulating film 16, a conductive polycrystalline silicon 20 having a thickness of several thousand Å is formed. Conductive polycrystalline silicon 1
On the layers 7 and 20, an intermediate insulating film 18 is formed. This intermediate insulating film 18 is made 8000 to 1000 by PSG.
It is formed to a thickness of 0 °. Aluminum 19 is deposited so as to be in contact with intermediate insulating film 18 and conductive polycrystalline silicon 20.
And thus the enhancement type M
An OS type transistor is configured. FIGS. 2 (a) to 2 (g) show a method of manufacturing this MOS transistor.
Is shown in First, as shown in FIG. 2 (a), after forming a first gate insulating film 14 (several hundred Å) on a substrate 11,
The conductive polycrystalline silicon 17 is formed (several thousand Å) to form the first
Form a gate. Next, as shown in FIG. 2B, a diffusion layer of the drain 12 and the source 13 is formed on the substrate 11 by ion implantation. Next, as shown in FIG. 2 (c), the entire surface is thermally oxidized to form
It is formed to a thickness of 00 to 800 mm. Next, FIG. 2 (d)
As shown in (1), the second gate insulating film 15 in the region where the second gate electrode is to be formed is opened by etching using a first contact mask (not shown) to partially expose the drain 12. Next, as shown in FIG. 2 (e), a thin oxide film (100 to 200 °) is formed by thermal oxidation on the portion opened by etching to form an insulating film 16. Next, as shown in FIG. 2 (f), a conductive polycrystalline silicon 20 is grown to several thousand degrees by vapor phase growth. Next, the second
As shown in FIG. 2G, a second gate mask is used to form a second gate mask.
Unnecessary portions of the gate insulating film 15 and the conductive polycrystalline silicon 20 are removed. As a result, an electrode of polycrystalline silicon 20 is formed, and insulating film 16 is formed below conductive polycrystalline silicon 20. Thereafter, as shown in FIG. 1, the intermediate insulating film 18,
By forming aluminum 19 as a second contact metal electrode and finally forming a protective film 21, the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 1 is completed. Next, a first storage method in the semiconductor integrated circuit device shown in FIG. 1 will be described. Applying an appropriate voltage between the voltage V pp (later described) from the supply voltage and grounding the source 13 to the conductive polysilicon 17 serving as a first gate, the voltage V pp may electrically break the insulating film 16, for example 10 When 2525 V is applied to aluminum 19 as a metal electrode, the channel below the first gate is in a strong inversion state, and this voltage is
It is applied to the conductive polycrystalline silicon 20, the thin insulating film 16, the drain 12, the channel under the conductive polycrystalline silicon 17 which is the first gate, and the source 13. Then, the thin insulating film 16 is electrically broken down, and the drain 12 and the conductive polycrystalline silicon 20 are brought into conduction. On the other hand, substrate 1
When the first and source 13 are grounded and the conductive polycrystalline silicon 17 is grounded, the source 13 and the drain 12 become non-conductive. When the voltage Vpp is applied to the aluminum 19 in this state, the drain 12 is in a floating state, and the potential of the drain 12 is equal to the junction capacitance Cj of the drain 12 and the total capacitance C of the insulating films 15 and 16 on the drain 12. OXT Becomes If manufacturing conditions are selected such that the total capacitance C OXT is several times to several tens times the junction capacitance C j , the drain 12-
The potential difference between the conductive polycrystalline silicon 20 becomes several volts or less, and the insulating film 16 is not broken. FIG. 3 shows this state, in which the total capacitance C OXT and the junction capacitance C j are connected in series between the voltage V pp and the ground, and a potential V OXT is generated at both ends of the junction capacitance C j . . The total capacitance C OXT is a capacitance using the insulating films 15 and 16 between the drain 12 and the conductive polycrystalline silicon 20 as a dielectric. The junction capacitance Cj is the junction capacitance between the drain 12 and the substrate 11. The total capacitance C OXT is 2 PF, and the junction capacitance C j is 0.2 P
F, the insulating film 16 is broken down at about 10 V in the case of a thickness of 100 °. Therefore, if the thickness of the insulating film 16 is set to 200 °, dielectric breakdown occurs at about 20V. On the other hand, the voltage applied to the insulating film is It is. Therefore, the voltage applied to the total capacitance C OXT is about V pp −V OXT = 1V, and the thin insulating film 1
No destruction of 6. As is apparent from the above description, the conductive polycrystalline silicon 17 is grounded or an appropriate voltage from the power supply voltage to Vpp is applied to the conductive polycrystalline silicon 17 and the aluminum 19 is grounded or the voltage V is applied to the aluminum 19. By applying pp , the insulation film 16 is broken,
Since a destructible state can be created, this element can have a writing function. When reading stored information, conductive polycrystalline silicon 1 as a first gate
By raising the voltage 7 to the power supply voltage or its vicinity, "1" to "0" of the stored information is determined by whether the steady current flows depending on whether the thin oxide film 16 is broken between the aluminum 19 and the source 13. Can be detected. In this structure it is possible to the control terminal of the conductive polycrystalline silicon 17 at the time of reading, it is possible to increase the mutual conductance g m between conductive polycrystalline silicon 17 as viewed from the drain 12 and the source 13. Further, since the state of the stored information “1” to “0” is determined depending on whether or not the insulating film 16 is broken, once the insulating film is broken, the stored information does not change. That is, it is possible to prevent changes in stored information due to ultraviolet rays or radiation. That is, P
It functions as a ROM. Therefore, the stored contents cannot be rewritten. Next, in the structure of FIG.
Will be described. A major difference between the first storage method and the second storage method is whether or not the transistor is irradiated with light during storage. The conductive polycrystalline silicon 20 is applied with a potential V pp (10 to 25 V) in a state where the transistor is irradiated with light.
When the source 13 is set at a potential of V pp −several volts (about 5 to 20 V) and the conductive polycrystalline silicon 17 is set at the ground potential, the drain 12 is in a floating state. 11 increases the leakage current,
When the substrate 11 is grounded, the voltage of the drain 12 becomes close to the ground potential, and the potential difference between the drain 12 and the conductive polycrystalline silicon 20 increases, so that the insulating film 16 is broken. On the other hand, in a state where the transistor is irradiated with light, a potential Vpp is applied to the aluminum 19 and the source 13 is set to ( Vpp−
The potential of the conductive polycrystalline silicon 17 is also set to ( Vpp -several volts). As a result, the source 13 and the drain 12 are turned on and become conductive. At this time, the drain 12 has a threshold voltage of V pp -several volts-transistor, and the potential difference between the drain 12 and the conductive polycrystalline silicon 20 becomes small.
Is not destroyed. Aluminum 19 when reading stored information
And applying a power supply voltage or a voltage in the vicinity thereof to the conductive polycrystalline silicon 17 to detect whether or not a steady current flows between the aluminum 19 and the source 13. Reads the stored information. FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of the second embodiment of the present invention. In FIG. 1, a thin insulating film 16 is formed on the drain 12.
And a conductive polycrystalline silicon 20 as a second gate. In FIG. 4, a thin insulating film 16 and a conductive polycrystalline silicon 20 as a second gate are provided on the source 13. Further, in the embodiment of FIG. 1, conductive polycrystalline silicon 20 and aluminum 19 are connected by through holes, whereas in the embodiment of FIG. 4, conductive polycrystalline silicon 20 and aluminum 19 are connected. There are no through holes to connect. 4 and FIG. 1, the same portions are denoted by the same reference numerals and have the same meaning. Next, a first storage method in the embodiment of FIG. 4 will be described. When the conductive polycrystalline silicon 20 is grounded and a voltage Vpp is applied to the conductive polycrystalline silicon 17 and aluminum 19, the source 1
3 is Vpp- the threshold voltage of the transistor (1 to
The 2V) V TE. Pre V pp by voltage V pp -V TE to a voltage value such as the insulating film 16 may be destroyed
If (10-25 V) is set, the source 13 and the conductive polycrystalline silicon 20 enter a conductive state due to the breakdown of the insulating film 16. On the other hand, the substrate 11, a conductive polysilicon 20,17 and the ground potential, when a potential is applied V pp aluminum 19, the source 13 is in a floating state, the substrate 1
Since source 1 and conductive polycrystalline silicon 20 are at the ground potential, source 13 is also at the ground potential, and insulating film 16 is not destroyed. That is, by grounding conductive polycrystalline silicon 17 or applying potential Vpp to aluminum 19,
Also, the potential V pp is applied to the aluminum 19 from the ground or the aluminum 19.
By applying a voltage, a destruction or non-destruction state of the insulating film 16 can be created, so that this element can be provided with a storage function. When reading stored information, the substrate 11 and the conductive polycrystalline silicon 20 are grounded, and the aluminum 19
A suitable voltage may be applied to the conductive polycrystalline silicon 17 to make it a power supply voltage or a voltage close to the power supply voltage, and whether or not a steady current flows between the aluminum 19 and the conductive polycrystalline silicon 20 may be detected. Next, a second storage method of the element shown in FIG. 4 will be described. When a potential Vpp is applied to the conductive polycrystalline silicon 20, the conductive polycrystalline silicon 17 is set to an appropriate voltage between the power supply voltage and the potential Vpp , the drain 12 is set to the ground potential, and the substrate 11 is grounded. Since the potential difference between the conductive polycrystalline silicon 20 becomes the potential Vpp , the insulating film 16 is broken. When the insulating film 16 is not broken, the conductive polycrystalline silicon 20 is set at the potential Vpp , the conductive polycrystalline silicon 17 is set at the ground potential, and the drain
Between the potential Vpp and the ground potential, or the conductive polycrystalline silicon 20 is set to the potential Vpp ,
A conductive polycrystalline silicon 17 as a suitable voltage between the electric potential V pp from the power supply voltage, V pp to the drain 12 - applying a voltage of several volts. At the time of reading, the substrate 11 and the conductive polycrystalline silicon 20 are grounded, an appropriate voltage is applied to the aluminum 19, and the conductive polycrystalline silicon 17 is set to a power supply voltage or a voltage in the vicinity of the power supply. It is detected whether or not a steady current flows between the polysilicons 20. Several examples have been described above, and FIG. 5 will be considered as an example of an integrated circuit using this element structure. The column selection lines B1, B2,... BN in FIG.
FIG. 4 corresponds to the aluminum 19 in FIG. Also, the row selection line W
1, W2... WM correspond to the conductive polycrystalline silicon 17 as the first gate in FIG. 1 and FIG. Further, V is a ground potential, and corresponds to the source 13 in FIG. 1 and the conductive polycrystalline silicon 20 in FIG. In FIG. 5,
Some of the storage schemes described above can be applied.
The row selection lines W1, W2... WM in FIG.
It is assumed that only books have a high (“H”) level.
The “H” level is a voltage equal to or higher than the threshold voltage of the enhancement MOS transistors T 11 and T 12 to T MN , and the voltage lower than that is a low (L) level. Also, it is assumed that only one of the column selection lines B1 to BN is at the H level similarly to the row selection line. Also, enhancement type MOS
Transistor T 11 is the above-mentioned transistor, Q
11 is a thin insulating film. As an example, the first storage method described in FIG. 1 is applied to FIG. Now, the row selection line W
Select 1 and column select line B1, and applying a suitable voltage between the power supply voltage to the row select line W1 to V pp, the column select line B
Applying a V pp (10~25V) to 1, an enhancement-type MOS transistor T 11 is because the ON state, the potential difference of the insulating film Q 11 is V pp becomes insulating film Q 11
Is destroyed. At this time, since the BN from the column select line B2, and WM is the row selection line W2 is "L" level, Q 1N is not destroyed from the Q M1 and the insulating film Q 12 from the insulating film Q 21. Then the row selection lines W1 to "1", when the row select line W2 to "H", since the insulating film Q 11 but is destroyed enhancement type MOS transistor T 11 is turned off, the enhancement type MOS current from the column select line B1 through the transistor T 11 to the ground V does not flow. Therefore, V across the dielectric film Q 21
takes voltage pp, insulating film Q 21 is destroyed. Hereinafter, an arbitrary row selection line and column selection line can be selected in the same manner, and the insulating film existing at the intersection can be destroyed. Therefore, a writable integrated circuit can be manufactured using this element. At the time of reading, when an arbitrary row selection line and a column selection line are set to “H” level, the element whose insulating film has been destroyed has a steady current of 0.1 mA from the column selection line B1 toward the source power supply voltage V. Although the current flows to the extent, the element whose insulating film is not broken does not flow (in the order of nA), so that the difference can be detected and the stored information can be read. As described above, the embodiment in which the storage integrated circuit is constituted by using the elements of the semiconductor integrated circuit device of the present invention has been described. However, it is easily analogized that some other storage methods can be similarly applied with a slight modification. You can do it. As described above, the present invention can be used for a writable read-only memory element in a MOS structure and a method for manufacturing the same. An advantage over the conventional device is that the first gate can be used for controlling and reading, so that the second gate can be used for controlling and reading, and the transconductance g m is higher than that of the device using for controlling reading.
Can be increased, so that it is possible to increase the speed and to obtain the following advantages.
(1)非可性の破壊方式で書き込むので、光照射によ
り、記憶情報が変化する素子に比べて紫外線、放射線に
よって書き込み情報が変化することがない。(1) Since writing is performed by the impossible destruction method, the written information does not change due to ultraviolet rays or radiation as compared with an element whose stored information changes due to light irradiation.
(2)バイポーラ構造の接合破壊形書き込み可能読み出
し専用記憶素子より、低消費電力であり、より高集積化
できる。(2) Low power consumption and higher integration can be achieved than a junction-breakdown writable read-only memory element having a bipolar structure.
(3)MOS形構造において、抵抗性の素子を熱的に破
壊するか否かで情報を記憶する素子、いわゆるヒューズ
形書き込み可能読み出し専用記憶素子に比較して、より
高密度化できる。なぜならば、前記素子は1本の高抵抗
導体とトランジスタ1素子で書き込みと読み出しが可能
であるのに対し、この発明はトランジスタ1素子分の素
子面積で、同一機能を実現することができるからであ
る。また、第1図、第4図の構造における記憶方式のい
くつかを述べ、多少の変更をもって他の方式をも考える
ことができる。しかし、それらは前述した方式から容易
に類推できるものである。次に、第1図、第4図の素子
構造において、プロセス工程をより簡略化し、素子面積
をより小さくできる製造方法について、第6図(a)〜
第6図(e)の工程図を用いて説明する。この第6図
(a)〜第6図(e)の製造方法より製造された素子構
造が第7図に示されている。この第7図に示す符号は第
1図の符号と同一部分には同一符号が付されている。第
7図において、第6図(a)に示すように、P型の基板
11上に、第1ゲート絶縁膜14を数百Å、導電性多結
晶シリコン17を数千Å形成して第1ゲートを形成す
る。次に、第6図(b)に示すように、第2ゲート絶縁
膜15及び薄い絶縁膜16を同時に形成する。この第2
ゲート絶縁膜15及び薄い絶縁膜16の形成は酸化性の
雰囲気中で、全面を熱酸化する。この場合、P形基板上
の絶縁膜厚a(100Å)に対し、導電性多結晶シリコ
ン17上の第2ゲート絶縁膜15の膜厚b,cは300
Å程度の厚さに形成される。その理由は導電性多結晶シ
リコン17上と基板11上のシリコンの酸化速度の差に
よる。その後、第6図(c)に示すように、薄い絶縁膜
16を通して基板11にN型不純物をイオン注入し、ソ
ース13、ドレイン12を形成する。次に、第6図
(d)に示すように、導電性多結晶シリコン20を気相
成長により全面に厚さ数千Å形成する。次に、第6図
(e)に示すように、第2ゲートマスクを用いて第2ゲ
ート絶縁膜15,薄い絶縁膜16,導電性多結晶シリコ
ン20の不要部分をエッチングにより除去する。次に、
第7図に示すように、中間絶縁膜18を全面に形成し、
導電性多結晶シリコン20の個所にスルーホールを形成
し、その上にアルミ19を形成する。このアルミ19と
導電性多結晶シリコン20とはスルーホールを通してコ
ンタクトする。最後に、このアルミ19の上面に保護膜
21を蒸着する。この第6図(a)〜第6図(e)で述
べた製造方法が第2図(a)〜第2図(g)の製造方法
の異なる点は第2ゲート絶縁膜15の形成直後にイオン
注入してソース13,ドレイン12を形成することであ
る。シリコン酸化膜はP形の不純物基板の上に育成され
る場合と、多結晶シリコンの上に育成される場合、その
育成速度は後者の方が一般的に3倍程速い。したがっ
て、P形の基板上では、酸化膜厚100Åに対し、多結
晶シリコン上では酸化膜厚300Åとなる。この第6図
(a)〜第6図(e)に示すような工程を用いれば、こ
の現象を利用できるので、ドレイン12上の薄い絶縁膜
16と、導電性多結晶シリコン17−導電性多結晶シリ
コン20の第2ゲート絶縁膜15は同時育成した場合に
おいて、後者の方が3倍厚くすることができる。したが
って、絶縁膜の耐圧も異なり(3倍程度)、導電性多結
晶シリコン20とドレイン12間の薄い絶縁膜16のみ
を破壊することができる。しかも、従来の方法において
は、薄い絶縁膜を作るために、エッチングのマスクを必
要としたのに対して、ドレイン12上の第2ゲート絶縁
膜15と導電性多結晶シリコン17−導電性多結晶シリ
コン20間の第2ゲート絶縁膜15は同時に育成できる
ので、エッチングのマスクを必要としない。これによ
り、第2図(a)〜第2図(g)の工程における薄い絶
縁膜16を形成するためのマスクが不用になり、マスク
合わせのための余裕が必要なくなるので、素子面積を数
μ2〜20μ2程度より小さくすることが可能となる。
これは、第2図(a)〜第2図(g)における薄い絶縁
膜16を形成するためのマスク余裕を1〜2μ取ること
が不要となるためである。(3) In the MOS structure, the density can be further increased as compared with an element for storing information depending on whether or not a resistive element is thermally destroyed, that is, a so-called fuse-type writable read-only storage element. This is because the element can perform writing and reading with one high-resistance conductor and one transistor, whereas the present invention can realize the same function with the element area of one transistor. is there. In addition, some of the storage systems in the structures of FIGS. 1 and 4 will be described, and other systems can be considered with some modifications. However, they can be easily inferred from the above-mentioned method. Next, in the device structure shown in FIGS. 1 and 4, a manufacturing method that can further simplify the process steps and reduce the device area will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to the process diagram of FIG. FIG. 7 shows an element structure manufactured by the manufacturing method shown in FIGS. 6 (a) to 6 (e). The same reference numerals in FIG. 7 denote the same parts as those in FIG. In FIG. 7, as shown in FIG. 6 (a), a first gate insulating film 14 and a conductive polycrystalline silicon 17 are formed on a P-type substrate 11 in a thickness of several hundreds of .ANG. Form a gate. Next, as shown in FIG. 6B, a second gate insulating film 15 and a thin insulating film 16 are simultaneously formed. This second
The gate insulating film 15 and the thin insulating film 16 are formed by thermally oxidizing the entire surface in an oxidizing atmosphere. In this case, the thicknesses b and c of the second gate insulating film 15 on the conductive polycrystalline silicon 17 are 300 with respect to the insulating film thickness a (100 °) on the P-type substrate.
It is formed to a thickness of about Å. The reason is due to the difference in the oxidation rate of the silicon on the conductive polycrystalline silicon 17 and the silicon on the substrate 11. Thereafter, as shown in FIG. 6C, an N-type impurity is ion-implanted into the substrate 11 through the thin insulating film 16 to form the source 13 and the drain 12. Next, as shown in FIG. 6 (d), a conductive polycrystalline silicon 20 is formed to a thickness of several thousand 気 相 over the entire surface by vapor phase growth. Next, as shown in FIG. 6E, unnecessary portions of the second gate insulating film 15, the thin insulating film 16, and the conductive polycrystalline silicon 20 are removed by etching using a second gate mask. next,
As shown in FIG. 7, an intermediate insulating film 18 is formed on the entire surface,
A through hole is formed at a location of conductive polycrystalline silicon 20, and aluminum 19 is formed thereon. The aluminum 19 and the conductive polycrystalline silicon 20 are in contact through a through hole. Finally, a protective film 21 is deposited on the upper surface of the aluminum 19. The manufacturing method described in FIGS. 6A to 6E is different from the manufacturing method in FIGS. 2A to 2G immediately after the formation of the second gate insulating film 15. That is, the source 13 and the drain 12 are formed by ion implantation. When the silicon oxide film is grown on a P-type impurity substrate and when grown on polycrystalline silicon, the growth rate of the latter is generally about three times faster. Therefore, the oxide film thickness is 100 ° on a P-type substrate, while the oxide film thickness is 300 ° on polycrystalline silicon. By using the steps shown in FIGS. 6 (a) to 6 (e), this phenomenon can be utilized, so that the thin insulating film 16 on the drain 12 and the conductive polycrystalline silicon 17-conductive polycrystalline silicon 17 When the second gate insulating film 15 of crystalline silicon 20 is grown simultaneously, the latter can be three times thicker. Therefore, the withstand voltage of the insulating film is also different (about three times), and only the thin insulating film 16 between the conductive polycrystalline silicon 20 and the drain 12 can be broken. In addition, in the conventional method, an etching mask was required to form a thin insulating film, whereas the second gate insulating film 15 on the drain 12 and the conductive polycrystalline silicon 17-conductive polycrystalline Since the second gate insulating film 15 between the silicon 20 can be grown simultaneously, an etching mask is not required. As a result, a mask for forming the thin insulating film 16 in the steps of FIGS. 2A to 2G becomes unnecessary, and a margin for mask alignment is not required. It becomes possible to make it smaller than about 2 to 20 μ2.
This is because it is not necessary to provide a mask allowance of 1 to 2 μm for forming the thin insulating film 16 in FIGS. 2 (a) to 2 (g).
(発明の効果)この発明は以上説明したように、ゲート
を制御線として用い、ドレインまたはソースを形成する
不純物領域上にMOSトランジスタの接合耐圧よりも低
い電圧で電気的に完全に破壊される絶縁膜を設け、この
絶縁膜を介してゲートとは異なる導体を設けるようにし
たので、書き込み可能読み出し専用記憶素子とすること
ができるとともに、動作速度を速くでき、低消費電力で
高集積化ができ、しかも、紫外線、放射線によって書き
込み情報が変化することがないなどの利点を有する。(Effects of the Invention) As described above, the present invention uses a gate as a control line, and forms an insulating film which is completely destroyed on an impurity region forming a drain or a source at a voltage lower than the junction breakdown voltage of a MOS transistor. Since a film is provided and a conductor different from the gate is provided through this insulating film, a writable read-only memory element can be obtained, and the operation speed can be increased, and low power consumption and high integration can be achieved. In addition, there is an advantage that written information is not changed by ultraviolet rays and radiation.
第1図はこの発明の半導体集積回路装置の一実施例の断
面図、第2図(a)ないし第2図(g)は第1図の半導
体集積回路装置の製造方法を説明するための工程説明
図、第3図は第1図の半導体集積回路装置における薄い
絶縁膜が破壊される状態を説明するための図、第4図は
この発明の半導体集積回路装置の第2の実施例の断面
図、第5図は第1図および第4図の半導体集積回路装置
を用いて集積回路化して書き込み機能を説明するための
図、第6図(a)ないし第6図(e)はこの発明の半導
体集積回路装置の第3の実施例の製造方法を説明するた
めの工程説明図、第7図はこの発明の半導体集積回路装
置の第3の実施例の断面図、第8図は従来の半導体集積
回路装置の断面図である。 11…基板、12…ドレイン、13…ソース、14…第
1ゲート絶縁膜、15…第2ゲート絶縁膜、16…薄い
絶縁膜、17…導電性多結晶シリコン、18…中間絶縁
膜、19…アルミ、20…導電性多結晶シリコン、21
…保護膜。FIG. 1 is a sectional view of an embodiment of a semiconductor integrated circuit device according to the present invention, and FIGS. 2 (a) to 2 (g) are steps for explaining a method of manufacturing the semiconductor integrated circuit device of FIG. FIG. 3 is a view for explaining a state in which a thin insulating film in the semiconductor integrated circuit device of FIG. 1 is broken, and FIG. 4 is a cross section of a second embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining a writing function by forming an integrated circuit using the semiconductor integrated circuit devices of FIGS. 1 and 4, and FIGS. 6A to 6E show the present invention. FIG. 7 is a process explanatory view for explaining a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of the third embodiment of the semiconductor integrated circuit device of the present invention. It is sectional drawing of a semiconductor integrated circuit device. 11 ... substrate, 12 ... drain, 13 ... source, 14 ... first gate insulating film, 15 ... second gate insulating film, 16 ... thin insulating film, 17 ... conductive polycrystalline silicon, 18 ... intermediate insulating film, 19 ... Aluminum, 20 ... conductive polycrystalline silicon, 21
…Protective film.
Claims (1)
の不純物領域と該ドレインまたはソースの一方の不純物
領域上に絶縁膜を挾んで配置された第2の導体とを有す
るMOSトランジスタにおいて、前記第2の導体と前記
MOSトランジスタの基板間及び前記他方の不純物領域
と前記MOSトランジスタの基板間に前記ドレインまた
はソースの領域の接合耐圧より低い電圧を印加すると同
時に光を照射し前記絶縁膜を電気的に絶縁破壊させるこ
とより記憶情報を書き込むことを特徴とするMOS型P
ROMの書き込み方法。 1. The gate, drain and source of a first conductor
Impurity region and one of the drain and source impurities
A second conductor disposed on the region with an insulating film interposed therebetween.
MOS transistor, wherein the second conductor and the second conductor
Between MOS transistors and the other impurity region
Between the drain and the substrate of the MOS transistor.
Is the same as applying a voltage lower than the junction withstand voltage of the source region.
Sometimes, light is irradiated to cause electrical insulation breakdown of the insulating film.
MOS type P characterized by writing more stored information
ROM writing method.
Priority Applications (1)
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JP3339268A JP2568340B2 (en) | 1991-10-24 | 1991-10-24 | Writing method of MOS PROM |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP3339268A Expired - Lifetime JP2568340B2 (en) | 1991-10-24 | 1991-10-24 | Writing method of MOS PROM |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2568340B2 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5691466A (en) * | 1979-12-25 | 1981-07-24 | Fujitsu Ltd | Selective writing possible semiconductor element |
-
1991
- 1991-10-24 JP JP3339268A patent/JP2568340B2/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5691466A (en) * | 1979-12-25 | 1981-07-24 | Fujitsu Ltd | Selective writing possible semiconductor element |
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Legal Events
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A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
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