JP3565762B2 - Trimming method and semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、回路機能設定方法とそれを用いた半導体集積回路装置に関し、例えば、リードオンリーメモリセルを含むメモリマトリックスの欠陥救済技を含むプロービング工程及び封止後での回路機能の設定方法に利用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
マスクROMの欠陥救済や記憶データの変更にEPROM(イレーザブル&エレクトリカリ・リード・オンリー・メモリ)を用いる技術が公知である。そして、上記EPROMとして単層ポリシリコンゲート構造のものを用いる技術は、例えば1990年5月21日付『電子情報通信学会技術研究報告』Vol.90、No. 47、頁51〜頁53に記載がある。また、上記EPROMとして、2層ゲート構造のものを用いる技術は、例えば特開昭61−47671号公報に記載されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者においては、EPROMにおけるデータ保持特性の解析を行ったところ、次のような現象が在ることを発見した。図16には、異なる構造のEPROMのデータ保持特性がそれぞれ示されている。同図において、横軸は時間を示し、縦軸はしきい値電圧の変動率〔ΔVth÷ΔVth×100〕%を示している。ここで、ΔVthは、書き込み時のしきい値電圧を示し、ΔVthはt時間経過後のしきい値電圧を示している。また、温度300°Cの空気中に放置するという環境でのデータ保持特性を調べたものである。
【0004】
図16において、特性Bの素子構造は単層ポリシリコンゲート構造のEPROMであり、特性Dは2層ゲート構造のEPROMである。本願発明者においては、この両者のEPROMのデータ保持特性の違いから、2層ゲート構造におけるコントロールゲートがバリアー層として作用してフローティングゲートに蓄積された情報電荷の減少を防止しているのではないかと推測した。
【0005】
このことを確かめるために、上記単層ポリシリコンからなるフローティングゲートの上部全面にアルミニュウム層を設けた単層ポリシリコンゲート構造のEPROMを形成し、そのデータ保持特性を調べると特性Aのように大幅なデータ保持特性の改善が認められた。また、2層ゲート構造で素子の上部にプラズマ−CVD法により形成された酸化膜(P−SiO)を設けた場合には特性Cのような良好なデータ保持特性が得られることが判明した。上記酸化膜(P−SiO)は、2層アルミニュウム配線のための層間絶縁膜として形成されたものである。すなわち、第1層目のアルミュウム層はBPSG膜の上に形成され、その上に上記酸化膜(P−SiO)を介して第2層目のアルミニュウム層が形成される構造の2層ゲート構造のEPROMである。
【0006】
上記のような素子構造とデータ保持特性の関係を注意深く解析した結果から、データ保持特性の改善を図った単層ゲート構造の不揮発性記憶素子とそれを用いた半導体集積回路装置に関するこの発明が成されるに至った。
【0007】
この発明の目的は、製造が簡単で高い信頼性とされた回路機能設定方法とそれを用いた半導体集積回路装置を提供することにある。この発明の他の目的は、データ保持特性の改善を図った単層ゲート構造の不揮発性記憶素子を備えた半導体集積回路装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、機能ブロックと上記機能ブロックの回路機能を設定する機能設定回路とを用い、半導体ウェハに形成された上記集積回路の第1機能設定工程により上記機能ブロックの上記回路機能を設定し、封止工程で上記集積回路をパッケージに封止し、第2機能設定工程により、上記パッケージに封止された上記集積回路に対して上記機能ブロックの上記回路機能を設定し、かかる上記第2の機能設定工程において上記機能ブロックの上記回路機能の設定を電気的に行う。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1には、この発明に係る不揮発性記憶素子を説明するための製造工程断面図が、同時に形成されるNチャンネルMOSFETとPチャンネルMOSFETとともに示されている。なお、この明細書において、MOSFETは絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)の意味で用いている。
【0010】
図1の(A)ないし(D)において、左側から1層ポリシリコンゲート構造の不揮発性記憶素子QE、NチャンネルMOSFETQN、PチャンネルMOSFETQPが示されている。NチャンネルMOSFETQN及びPチャンネルMOSFETQPは、上記不揮発性記憶素子QEのアドレス選択回路等の周辺回路や、この発明に係るEPROMと同じ半導体基板上に形成される他のメモリ回路やディジタル回路を構成するために用いられる。また、不揮発性記憶素子QEは、ソースとドレインに対して左側が垂直方向、右側が平行方向の断面図を示している。
【0011】
図1(A)において、P型半導体基板1の一主面にP型ウェル2とN型ウェル102とが公知の手段により形成される。次いで、公知の手段により厚い厚さのフィールド絶縁膜3と、その下部に同図で点線で示されたPチャンネルストッパー4とが形成される。
【0012】
図1(B)において、不揮発性記憶素子QEのコントロールゲートとなるべきN型拡散層6が形成される。このN型拡散層6は、特に制限されないが、イオン注入法により絶縁膜5を介してリンが加速エネルギー80Kevで1×1014cm−2程度注入された後、窒素中に1%程度の酸素を含んだ雰囲気で950°Cの温度で30分程度の熱処理が行われることによって形成される。もちろん、不純物は砒素のみ、あるいは砒素とリンの両方を使用してもよい。また、基本的には熱処理を行う必要はないが、イオン注入によりダメージを受けた半導体基板1のダメージ回復には、上記熱処理を行った方がよい。
【0013】
次に、上記イオン注入によりダメージを受けた絶縁膜5が除去された後、熱酸化法により清浄なゲート絶縁膜7が形成される。このとき、N型拡散層6の上部のゲート絶縁膜7の膜厚は、N型拡散層6の無い領域に比べて、1ないし2割程度厚く形成される。
【0014】
そして、不揮発性記憶素子QEのフローティングゲート、NチャンネルMOSFETQNとPチャンネルMOSFETQPのゲート電極となる導体層8が形成される。この導体層8は、多結晶シリコン(ポリシリコン)膜あるいは多結晶シリコン膜の上部にシリサイド膜を積層したポリサイド膜により構成される。
【0015】
図1(C)に示すように、N型拡散層9と10、P型拡散層109が形成される。N型拡散層9はイオン注入法により、リンが加速エネルギー50Kevで2×1013cm−2程度注入されることにより形成される。N型拡散層10はイオン注入法により、リンが加速エネルギー50Kevで5×1015cm−2程度注入されることにより形成される。P型拡散層109はイオン注入法により、ボロンが加速エネルギー15Kevで1×1013cm−2程度注入されることにより形成される。
【0016】
次に、全面にCVD絶縁膜が形成された後に、異方性エッチングによりサイドウォール11が形成される。そして、N型拡散層12とP型拡散層112が形成される。N型拡散層12はイオン注入法により、砒素が加速エネルギー80Kevで5×1015cm−2程度注入されることにより形成される。P型拡散層112はイオン注入法により、ボロンが加速エネルギー15Kevで2×1015cm−2程度注入されることにより形成される。この実施例においては、N型拡散層10をサイドウォール11の形成前に形成するよう説明したが、サイドウォール11を形成した後に形成するようにしてもよい。また、P型拡散層109の製造工程を省略し、サイドウォール11の形成前にP型拡散層112が形成されるようにしてもよい。この場合には、N型拡散層9が、マクスを用いずに全面にイオン注入することよって形成できる。
【0017】
図1(D)において、不揮発性記憶素子QEは、コントロールゲートを拡散層6と10、フローティングゲート8、ゲート絶縁膜7、コントロールゲートとフローティングゲートの間の層間絶縁膜7、ソースとドレインをN型拡散層10により構成された1層ゲート構造にされる。ソースとドレインとをN型拡散層10により構成したのは、書き込み特性を向上するためのである。
【0018】
N型拡散層10は、入出力を構成するNチャンネルMOSFETQNのソースとドレインと同一構成である。NチャンネルMOSFETQNは、ゲート電極8、ゲート絶縁膜7、及びソースとドレインがN型拡散層9と12により構成された、いわゆるLDD構造にされる。PチャンネルMOSFETQPは、ゲート電極8、ゲート絶縁膜7、及びソースとドレインがP型拡散層109と112により構成された、いわゆるLDD構造にされる。
【0019】
それぞれの素子は、フィールド絶縁膜3とP型チャンネルストッパー4とにより分離されている。各素子は、絶縁膜13に開けられたコンタクトホールを介してアルミニュウムからなる配線15により接続される。上記不揮発性素子QEのコントロールゲートであるN型拡散層6と10は、配線15でシャントして寄生抵抗を減らしている。すなわち、配線15がワード線を構成し、各不揮発性記憶素子のコントロールゲートと接続される。N型拡散層10は、配線15とのオーミックコンタクトを良好にするために設けられる。
【0020】
この実施例では、このような1層ゲート構造の不揮発性記憶素子QEのデータ保持特性を改善するために、絶縁膜13を介して上記フローティングゲート8の全面を覆うアルミニュウム層15がバリアー層として形成される。絶縁膜13は、PSG膜又はBPSG膜により構成される。特に制限されないが、上記絶縁膜13を介してフローティングゲートの全面を覆うよう形成されるバリアー層としてのアルミニュウム層15は、上記不揮発性記憶素子QEのコントロールゲートが接続されるワード線と一体的に構成される。
【0021】
なお、この実施例の不揮発性記憶素子QEが、後述するようなマスクROMの欠陥救済に用いられる場合、上記NチャンネルMOSFETQNは記憶素子と類似の構造にされる。だだし、図1(A)において、マスクROMが形成される部分には、イオン注入法によりN型不純物が導入され、そこに形成されるNチャンネルMOSFETをディプレッション型にして置くものである。
【0022】
図4には、上記不揮発性記憶素子QEの一実施例の素子パターン図が示されている。コントロールゲートであるN型拡散層6は、コトタクトホール14を介して同図で点線により示されたアルミニュウム層15からなるワード線WLに接続される。このアルミニュウム層15は、フローティングゲート8のバリアー層としても用いるようにするため、同図に破線によりハッチングが行われたフローティングゲート8の全面を覆うように、フローティングゲート8に沿って右方向に延びるよう形成される。
【0023】
同図には、一点鎖線a−bに対して上下対称的に2つのメモリセルが示されている。すなわち、上側の不揮発性記憶素子QEのドレインは、コントクトホール14を介してアルミニュウム層15に接続される。このアルミニュウム層15は、コンタクトホール14を介して左右に延びるポリシリコン層からなるデータ線DLに接続される。また、不揮発性記憶素子QEのソースを構成するN型拡散層10は、下側の不揮発性記憶素子QEのソースと一体的に構成されて、上記バリアー層を構成するアルミニュウム層15やドレインをポリシリコン層からなるワード線に接続するアルミニュウム層と交差しない領域まで上記中心線a−bに沿って右方向に延び、そこに形成されたコンタクトホール14を介して縦方向に、言い換えるならば、ワード線と平行に延長されるアルミニュウム層からなるソース線SLに接続される。
【0024】
この実施例の単層ゲート構造の不揮発性記憶素子QEは、そのフローティングゲートの上部の全面を覆うように形成されたアルミュウム層からるバリアー層が設けられる。この実施例では、後述するようなラジカルな水素の拡散によるフローティングゲートへの注入を防ぐために、フローティングゲート8のサイズを越えるよう余裕を持った大きなサイズのバリアー層とされる。
【0025】
前記図16に示したデータ保持特性から、次のようなことが推測される。特性Bに比べて特性Dはデータ保持特性の改善が見られる。両者の後続的相違は、特性Bが単層ゲート構造なのに対して特性Dは2層ゲート構造である。本願発明者は、このことから、2層ゲート構造におけるコントロールゲートがフローティングゲートに浸入して保持電荷を消滅される要因を防止している作用を持つのではないかと推測した。このことを確かめるために、単層ゲート構造におけるフローティングゲート上に、バリアー層として図1(D)又は図4に示すようなアルミニュウム層を設けた素子を形成した。そして、そのデータ保持特性は特性Aに示すように大幅な保持特性の改善が認められる。
【0026】
上記フローティングゲートに蓄積された情報電荷を失わせる要因の一つが、ファイナルパッシベーション膜からのラジカルな水素であると推測したのは、次のような理由からである。すなわち、図16では省略されいてるが、ファイナルパッシベーション膜としてプラズマナイトライド(P−SiN)膜を用いた場合に、CVD酸化(PSG)膜を用いた場合に比べてデータ保持特性が悪いことが認められた。両者の相違は、ラジカルな水素量に大きな差がある。そして、バリアー層としてのアルミニュウム層は、それ自体が多量の水素を含みラジカルな水素をせき止めるダムの役割を果たして、フローティングゲートへの水素の拡散を防止するものとの結論を得た。
【0027】
また、バリアー層としてはポリシリコン層であってもよい。ポリシリコン層も水素を包含し易い性質を持ち、それがフローティングゲートとして用いられるときには、ファイナルパッシベーション膜から拡散してきた水素を捕獲し、情報電荷を失ってしまう。このことを逆に利用し、フローティングゲートの上に、バリアー層としてポリシリコン層を設ける。このバリアー層としてのポリシリコン層は、上記ファイナルパッシベーション膜から拡散されるラジカルな水素を先に捕獲して取り込むようになり、その下層に設けられるフローティングゲートへの拡散を防止するように作用する。この結果、前記アルミニュウム層の場合と同様に上記バリアー層としてのポリシリコン層がラジカルな水素に対していわばダムの役割を果たしてフローティングゲートへの浸入を防止するものとなる。
【0028】
以上の現象は、あくまでも推測であるが、前記図16に示したデータ保持特性から明らかなように上記のようなバリアー層を設けることにより単層ゲート構造の不揮発性記憶素子のデータ保持特性の明らかな改善が認められる。
【0029】
なお、上記ファイナルパッシベーション膜としてプラズマナイトライド(P−SiN)を用いた場合には、安価で紫外線を透過させないプラスチックパッケージを利用することができる。それ故、この実施例のようなバリアー層を設けることにより、データ保持特性の改善を図りつつ、安価なパッケージを用いた半導体集積回路装置を得ることができる。
【0030】
図2には、この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例の素子構造断面図が示されている。この実施例は、不揮発性記憶素子が設けられる半導体集積回路装置が2層のアルミュウム配線を用いる場合に向けられている。すなわち、図1(D)のように、第1層目のアルミニュウム層15をバリアー層として利用することに代え、このアルミニュウム層15の上に形成される層間絶縁膜16の上に形成される第2層目のアルミニュウム層17をポリシリコン層8からなるフローティングゲート上の全面を覆うように形成する。この場合、この第2層目のアルミニュウム層17をワード線として利用する場合、層間絶縁膜13、16に設けられたコンタクトホール14と第1層目のアルミニュウム層15とを用いて不揮発性記憶素子QEの拡散層6,10からなるコントロールゲートに接続される。
【0031】
図示しないが、第1層目のアルミニュウム層15をワード線として用いる場合、上記バリアー層として形成される第2層目のアルミニュウム層17は、電気的にはフローティング状態にして単にフローティングゲート8の上を覆うように形成される。
【0032】
また、上記のような2層のアルミニュウム層が形成される場合、上記第2層目のアルミニュウム層をワード線として用い、第1層目のアルミニュウム層をデータ線として用いる構成、あるいはこれとは逆に、第1層目のアルミニュウム層をワード線として用い、第2層目のアルミニュウム層をデータ線として用いるものであってもよい。あるいは、上記2つのアルミニュウム層により共通ソース線や後述するサブワード線として用いるものであってもよい。
【0033】
なお、同図にはNチャンネルMOSFETとPチャンネルMOSFETも合わせて描かれている。このNチャンネルMOSFET及びPチャンネルMOSFETは、前記図1(D)と同様であるので、その説明を省略する。
【0034】
図3には、この発明に係る不揮発性記憶素子の更に他の一実施例の素子構造断面図が示されている。図16の特性図において、特性Cは2層ゲート構造の不揮発性記憶素子で、かつ2層のアルミニュウム配線とするために、第1層目のアルミニュウム層と第2層目のアルミニュウム層の間に設けられる層間絶縁膜として、プラズマ−CVD法により形成された酸化膜(P−SiO)が配置されている。
【0035】
そして、同じ2層ゲート構造でも上記酸化膜(P−SiO)を持たない不揮発性記憶素子の特性Dに比べて格段に良好なデータ保持特性が得られることから、本願発明者にあっては上記酸化膜(P−SiO)そのものも前記ラジカルな水素の拡散を防ぐ作用を持つことに気付いた。すなわち、酸化膜(P−SiO)は、モノシラン(SiH)+酸化窒素(NO)を原料ガスとして、プラズマ反応室に導いて付着させるものであり、ラジカルな水素量そのものが少なく、拡散されたラジカルな水素を吸収してしまうという作用を持つものと推測される。
【0036】
このことから、同図の実施例では、第1層目の層間絶縁膜13をPSG膜又はBPSG膜により構成し、第2層目の層間絶縁膜16を上記酸化膜(P−SiO)で構成し、ファイナルパッシベーション膜18として、前記プラズマナイトライド膜(P−SiN)を用いるものである。
【0037】
このような層間絶縁膜の構成は、上記図3に示した2層アルミニュウム配線と同じである。それ故、層間絶縁膜(PSG又はBPSG)13の上には、第1層目のアルミニュウム層15がワード線等を構成し、図示しないが、層間絶縁膜(P−SiO)16の上には第2層目のアルミニュウム層がデータ線や共通ソース線或いは他の配線として形成されてもよい。
【0038】
また、図2の実施例において、層間絶縁膜16として、上記プラズマ−CVD法により形成された酸化膜(P−SiO)を用いれば、バリアー層が酸化膜(P−SiO)とアルミニュウム層の二重にできるから図16の特性Cに匹敵するような良好なデータ保持特性が得られるものと推測できる。
【0039】
以下、上記のような単層ゲート構造の不揮発性記憶素子が用いられたマスクROMの欠陥救済回路について説明する。
【0040】
図6には、この発明が適用されたマスクROMの一実施例のブロック図が示されている。メモリマットMR−MATは、マスクROM用メモリ素子がマトリックス配置されて構成される。メモリマットPR−MATは、前記のような単層ゲート構造の不揮発性記憶素子がマトリックス配置された構成され、上記欠陥データの救済用に用いられる。
【0041】
メモリマットMR−MATは、公知のマスクROMと同様にワード線とデータの各交点にメモリ素子が配置され、上記メモリ素子のゲートはワード線に、ドレインはデータ線に、ソースは回路の接地線に接続される。
【0042】
このメモリマットMR−MATのワード線は、Xデコーダ回路XDCにより選択される。Xデコーダ回路XDCは、X系のアドレス信号Ai+1 〜Aを受けるアドレスバッファADBにより形成された相補の内部アドレス信号を解読し、上記メモリマットMR−MATの1本のワード線を選択動作する。
【0043】
上記メモリマットMR−MATのデータ線は、カラムスイッチゲートMR−YGTによりコモンデータ線に接続される。カラムスイッチゲートMR−YGTは、Y系のアドレス信号A〜Aを受けるアドレスバッファADBにより形成された、相補の内部アドレス信号を解読するYデコーダ回路YDCにより形成されたデコード信号に従い、上記メモリマットMR−MAT内から各出力マット毎に1本のデータ線をコモンデータ線に接続動作する。
【0044】
上記コモンデータ線は、センスアンプ回路MR−SAMの入力端子に接続されている。センスアンプ回路MR−SAMは、選択されたワード線とデータ線の交点にあるメモリ素子から読み出された記憶情報の増幅を行う。
【0045】
メモリマットPR−MATは、前記のような単層ゲート構造の不揮発性記憶素子が、ワード線とデータ線との各交点に配置されてなり、メモリマットMR−MATにおける欠陥データに対する冗長回路として用いられる。不揮発性記憶素子のコントロールゲートは、ワード線に接続され、ドレインはデータ線に接続され、ソースは回路の接地線に接続される。この冗長メモリマットPR−MATのワード線は、後述する救済アドレス記憶回路PR−ADDにより形成される冗長ワード線選択信号が供給される。
【0046】
冗長メモリマットPR−MATのデータ線は、書き込みデータ入力回路PR−PGT及びカラムスイッチゲートPR−YGTに接続される。書き込みデータ入力回路PR−PGCは、Y系のアドレス信号A〜Aを受けるアドレスバッファADBにより形成された相補の内部アドレス信号と、書き込みデータ入力DIを受ける入力バッファDIBで形成されたデータ信号により、上記冗長メモリマットPR−MAT内の1本のデータ線に書き込み信号を伝える動作を行う。
【0047】
上記カラムスイッチゲートPR−YGTは、上記Y系のアドレス信号A〜Aを受けるアドレスバッファADBにより形成された相補の内部アドレス信号を解読するYデコーダPR−YDCの出力信号に従い、冗長メモリマットPR−MATの各出力マット毎に1本のデータ線をコモンデータ線に接続動作する。コモンデータ線は、センスアンプ回路PR−SAMの入力端子に接続される。センスアンプ回路PR−SAMは、読み出しモードのときに選択されたワード線とデータ線の交点にあるメモリセル(不揮発性記憶素子)から読み出された記憶情報の増幅を行う。
【0048】
このセンスアンプ回路PR−SAMの出力信号は、センスアンプ切り換えを行うマルチプレクサ回路MPXに入力される。このマルチプレクサ回路MPXは、マスクROM用のセンスアンプ回路MR−SAMの出力信号又は上記冗長用のメモリマットPR−MAT用のセンスアンプ回路PR−SAMの出力信号のいずれかを選択して出力バッファDOBに伝える。出力バッファDOBは、マルチプレクサ回路MPXを通して伝えられた読み出しデータを出力端子DO〜DOから送出する。
【0049】
特に制限されないが、この実施例では、救済アドレスを記憶するのに、上記不揮発性記憶素子を用いている。救済アドレスの記憶方法は、X系アドレス信号Ai+1 〜Aを受けるアドレスバッファ回路ADBで形成されたアドレス信号を救済アドレス選択回路RASにより、書き込みデータに変換し、救済アドレス記憶回路PR−ADDに配置された不揮発性記憶素子に記憶させる。特に制限されないが、救済アドレス記憶回路PR−ADDには、複数の救済ワード線の記憶が可能とされる。これら複数の救済ワード線は、救済アドレス記憶位置の変換をY系アドレス信号A〜Aを受けるアドレスバッファ回路ADBにより形成された相補アドレス信号を解読する冗長ワード線選択回路RASTにて割り当てられる。
【0050】
救済アドレス記憶回路PR−ADDは、救済アドレスの記憶とともに、書き込まれたアドレスのワード線選択信号/RWS〜/RWSを形成し、冗長メモリマットPR−MATのワード線選択動作を行う。また、マルチプレクサ回路MPXの出力切り換え相補信号RSDA、/RSDAを形成する。本明細書においては、ロウレベルをアクティブレベルとする論理記号のオーバーバーを/に置き換えて表している。
【0051】
制御回路CONTは、本半導体集積回路装置を活性化するためのチップイネーブル信号CEと、読み出し時の出力バッファ制御を行うアウトプットイネーブル信号/OEとを受け、各回路ブロック活性化信号/ce、センスアンプ回路MR−SAMの活性化信号/sac、出力バッファ回路DOBの活性化信号/docを形成するとともに、冗長用にに配置された不揮発性記憶素子(PR−MAT、PR−ADD)の書き込み用高電圧端子Vpp、特に制限されないが、書き込み制御を行うライトイネーブル信号/WEを受けて、内部書き込み制御信号/we、救済アドレス記憶用書き込み信号RS、RWNS等を形成する。
【0052】
図7には、上記冗長ワード線選択回路RASTの一実施例の回路図が示されている。Y系のアドレス信号A〜A(h≦i)を受けるアドレスバッファ回路ADBにより形成された相補アドレス信号a,/a〜a,/aを受け、救済アドレス記憶回路PR−ADDの記憶用素子への書き込み時に活性化される信号RWNSにより、記憶位置の割り当て信号AST〜ASTが形成される。例えば、3ビットのアドレス信号A〜Aを用いると、8通りの記憶位置の割り当て信号AST〜ASTを形成することができる。これにより、メモリマットMR−MATの最大8本までの欠陥ビットが存在するワード線を、冗長用メモリマットPR−MATの記憶セルに置き換えることができる。それ故、上記のような救済アドレス記憶回路PR−ADDを用いた場合には、冗長用メモリマットPR−MATには、上記8本分ワード線に対応した不揮発性記憶素子がマトリックス配置される。
【0053】
図8には、上記救済アドレス選択回路RASの一実施例の回路図が示されている。救済アドレス選択回路RASは、X系アドレス信号Ai+1 〜Aをそれぞれ受けるアドレスバッファ回路ADBにより形成された上記各アドレス信号ai+1 〜aを受け、救済アドレス記憶回路PR−ADDの不揮発性記憶素子への書き込み時に活性化される信号RWNSにより、入力されたアドレス信号ai+1 〜aが書き込みデータRAWai+1 〜RAWaとして、救済アドレス記憶回路PR−ADDに伝えられる。記憶された救済アドレスと、X系アドレス信号Ai+1 〜Aとの比較を行うためのアドレス信号Cai+1 〜Caが、先に割り当てられた救済アドレス記憶部にてそれぞれ形成される。
【0054】
図9には、救済アドレス記憶回路PR−ADDの一実施例の回路図が示されている。救済アドレス記憶用書き込み信号RSが、記憶素子として配置された前記のような単層ゲート構造の不揮発性記憶素子が結合されたワード線に伝えられるとともに、救済アドレス選択回路RASにて形成された記憶アドレスデータRAWai+1 〜RAWaがデータ線に伝えられることにより、メモリ素子への書き込みが行われる。
【0055】
救済アドレスを記憶したメモリ素子が接続されたデータ線は、センスアンプSAの入力端子に接続されおり、読み出し動作のときにはセンスアンプSAにより増幅される。この実施例では、特に制限されないが、救済アドレス記憶用のメモリ素子として上記救済アドレスの他に、1ビットのメモリ素子が余分に設けられる。この1ビットのメモリ素子に“1”情報又は“0”情報の任意のデータを記憶させることにより、救済アドレスの記憶が行われているか否かの確認と、上記センスアンプSAの活性化信号及び救済アドレス選択回路RASのアドレス比較信号Cai+1 〜Ca形成用の活性化信号/RS〜/RSが形成される。
【0056】
救済アドレスを記憶したメモリ素子の読み出しが行われると、上記センスアンプSAの各出力信号は、上記アドレス比較信号Cai+1 〜Caとの一致/不一致確認のために排他的論理和回路に入力される。この排他的論理和回路の出力は、上記センスアンプSAの出力と上記アドレス比較信号Cai+1 〜Caとが一致した場合に“0”となり、不一致の場合には“1”になる。救済アドレス記憶用のメモリ素子の全データが一致した場合、冗長ワード線選択信号RWS〜RWSのいずれかを選択信号として活性化する。さらに、上記冗長ワード線選択信号RWS〜RWSのいずれか1本が選択された場合、冗長用メモリマットPR−MATに設けられたセンスアンプ回路PR−SAMの活性化、及びマルチプレクサMPXに供給される切り換え信号RSAD,/RSADが形成される。
【0057】
図10には、書き込みデータ入力回路PR−PGCの一実施例の回路図が示されている。Y系のアドレス信号A〜Aを受けるアドレスバッファ回路ADBにて形成された相補の内部アドレス信号a,/a〜a,/aとデータData を解読し、書き込み信号weにより冗長用のメモリマットPR−MATの各データ線に書き込みデータDy〜Dyを供給する。
【0058】
図11には、冗長用のYデコーダ回路PR−YDCの一実施例の回路図が示されている。冗長用のYデコーダ回路PR−YDCは、Y系のアドレス信号A〜Aを受けるアドレスバッファ回路ADBにて形成された相補の内部アドレス信号a,/a〜a,/aを解読してカラムスイッチゲートPR−YGTに供給されるカラム選択信号y〜yを形成する。
【0059】
図12には、冗長用のメモリマットPR−MATとカラムスイッチゲートPR−YGT及びセンスアンプ回路PR−SAMの一実施例の回路図が示されている。
【0060】
図13には、上記マルチプレクサMPXの一実施例の回路図が示されている。この実施例では、3状態出力機能を持つクロックドインバータ回路が用いられる。反転の切り換え信号RSDAが活性化されると、マスクROMを構成するメモリマットMR−MATにより選択されたメモリ素子の読み出し信号を受けるクロックドインバータ回路が活性化されて、それを出力バッファ回路DOBに伝える。非反転の切り換え信号RSDAが活性化されると、冗長用のメモリマットPR−MATにより選択されたメモリ素子の読み出し信号を受けるクロックドインバータ回路が活性化されて、それを出力バッファ回路DOBに伝える。すなわち、メモリマットMR−MATに存在する欠陥ビットを含む読み出しデータに代えて、冗長用のメモリマットPR−MATに記憶された正しいデータが出力される。
【0061】
図14には、この発明が適用されたマスクROMの他の一実施例の回路図が示されている。この実施例のマスクROMは、Nチャンネル型の記憶用MOSFETの直列回路が複数から構成される。上記各記憶用MOSFETQmは、記憶情報に従ってディプレッション型かエンハンスメント型かに形成される。このようなメモリ素子への記憶情報の書き込みは、前記説明したようにイオン注入法により行われる。同図において、上記ディプレッション型のMOSFETは、そのチャンネル部分に直線が付加されることにより、エンハンスメント型のMOSFETと区別される。
【0062】
代表として例示的に示されている1つのデータ線D1に対応した直列回路は、カラム選択用のMOSFETT1,T2等とデータ記憶用の記憶MOSFETQ1〜Q3等から構成される。これと隣接し、代表として例示的に示されている他のデータ線D2に対応した直列回路は、カラム選択用のMOSFETT3,T4にはデータ記憶用の記憶MOSFETQ4〜Q6等が接続される。
【0063】
例えば、例示的に示されているカラム選択用のMOSFETT1とT4はディプレッション型MOSFETに、T2とT3はエンハンスメント型MOSFETによりそれぞれ構成され、同図では省略された他の直列MOSFETがオン状態のとき、カラムセレクタによりT1,T3のゲートに供給される選択信号がロウレベルで、T2とT4のゲートに供給される選択信号がハイレベルのときには、T1とT2が共にオン状態となってデータ線D1に直列形態の記憶MOSFETQ1〜Q3等が接続される。また、カラムセレクタによりT1,T3のゲートに供給される選択信号がハイレベルで、T2とT4のゲートに供給される選択信号がロウレベルのときには、T3とT4が共にオン状態となってデータ線D2に直列形態の記憶MOSFETQ4〜Q6等が接続される。それ故、図示しないが、同図の各データ線D1,D2等に対して、複数からなる直列回路を並列に設けることが可能になる。
【0064】
メモリアレイの各直列形態の記憶用MOSFETのうち、横方向に対応する記憶用MOSFETQmのゲートは、代表として例示的に示されているワード線W1、W2、W3等にそれぞれ共通に接続される。これらワード線W1〜W3は、Xデコーダの対応する各出力端子に接続される。
【0065】
上記データ線D1,D2等は、Yデコーダを介して共通データ線CDに接続される。同図のYデコーダは、Yデコーダそのものと、その選択信号によりスイッチ制御さるスイッチ素子からなるカラムスイッチ回路とを合わせて示している。
【0066】
共通データ線CDにはセンスアンプSAの入力端子に接続される。センスアンプSAは、基準電圧発生回路VRFにより形成された基準電圧を参照して、選択されたメモリセルの読み出し信号のハイレベルとロウレベルをセンス増幅する。
【0067】
特に制限されないが、上記センスアンプSAの基準電圧として、上記メモリアレイ部と同様な記憶回路からなるダミーアレイによりそれぞれ形成される基準電圧を参照してそのセンス動作を行せるようにしてもよい。ダミーアレイは、記憶用MOSFETQmが全てエンハスメント型MOSFETにより構成され、そのゲートには定常的に電源電圧Vccが供給されることによって定常的にオン状態にされたものを利用できる。
【0068】
この実施例における縦型ROMのアドレス選択動作を次に説明する。Xデコーダは、ロウアドレスバッファから供給される内部アドレス信号を解読して、選択レベルをロウレベルとし、非選択レベルをハイレベルとするデコード出力を形成する。例えば、ワード線の数が512本の場合、選択された1つのワード線をロウレベルに、他の残り511本のワード線を全てハイレベルにする。これによって、選択されたワード線に結合される記憶MOSFETがディプレッション型なら直列回路に電流パスが形成され、エンハンスメント型なら電流パスが形成されない。
【0069】
YデコーダYDCRは、アドレスバッファを通して供給される内部アドレス信号を解読して、例えば512本の1本のデータ線を選んで共通データ線CDに接続させる。これによって、選択された1つのデータ線に対応した1つの読み出し信号がセンスアンプSAにより増幅させる。読み出しデータとして、8ビット又は16ビットのような複数ビットの単位で読み出す場合、上記同様なメモリアレイを8又は16個設けるか、あるいはYデコーダにより8本又は16本のデータ線を同時に選択し、それぞれに対応してセンスアンプ及び出力回路を設けるようにすればよい。
【0070】
このような縦型ROMの欠陥救済のために、前記のような不揮発性記憶素子が用いられる。この不揮発性記憶素子を用いた救済アドレス記憶回路及び冗長用メモリマットは、前記図6等に示した回路を用いることができる。
【0071】
図15には、冗長用メモリマットとその周辺回路の他の一実施例の回路図が示されている。同図の各素子に付された回路記号が、前記図14に示した素子と一部重複しているが、それぞれは別個のものであると理解されたい。
【0072】
同図には、1本のワード線W1とそれに接続された複数の記憶素子Qmが代表として例示的に示されている。ワード線W1の選択回路は、レシオ型論理回路により構成される。すなわち、ナンドゲート回路Gにより形成された選択信号は、Nチャンネル駆動MOSFETQ1のゲートに供給される。このMOSFETQ1のソースは回路の接地電位に接続され、ドレイン側と電源電圧Vccとの間にはCMOSインバータ回路Nにより反転された選択信号を受けるNチャンネルMOSFETQ2が設けられる。上記駆動MOSFETQ1のドレイン出力は、ゲートに書き込み制御信号/WEが供給されたディプレッション型MOSFETQ3を介してワード線W1に接続される。ワード線W1にはディプレッション型の負荷MOSFETQ4が設けられる。このディプレッション型負荷MOSFETQ4が接続される電源端子には、書き込み動作のときには高電圧Vppが供給され、読み出し動作のときには5Vのような低い電源電圧Vccが供給される。
【0073】
この実施例では、記憶素子Qmの書き込み動作のとき、非選択のワード線に設けられる記憶素子において、データ線の書き込みハイレベルによりフローティングゲートの電位が高くされることに応じてチャンネルにリーク電流が流れることを防止するために、ワード線に対応した記憶MOSFETQmのソースは共通ソース線S1に接続され、このソース線にはスイッチMOSFETQ7を介して接地電位が与えられる。
【0074】
この実施例では、上記のようにレシオ型の論理回路により形成されるため、それに対応したワード線が非選択状態のときMOSFETQ1,Q3と負荷MOSFETQ4とのコンダクタンス比に従って接地電位より高いレベルにされ、上記MOSFETQ7を確実にオフ状態にさせることができない。すなわち、書き込み動作のときには、書き込み制御信号/WEがロウレベルになっており、ゲート回路Gの出力信号がハイレベルの非選択状態ときには、MOSFETQ1がオン状態になって、ワード線を回路の接地電位側のロウレベルにするが、そのレベルは上記負荷MOSFETQ4のコンダクタンスとMOSFETQ3とQ1の合成コンダクタンスとの比に従って接地電位より持ち上がってしまう。
【0075】
そこで、CMOSインバータ回路N1の出力信号が供給されるサブワード線SW1を設け、上記スイッチMOSFETQ7のゲートにワード線W1に対応した選択信号を供給するものである。この構成では、ワード線W1が非選択状態になるときにはCMOSインバータ回路Nの出力信号が接地電位のようなロウレベルになり、上記スイッチMOSFETQ7を確実にオフ状態にすることができる。
【0076】
これにより、ワード線W1がロウレベルのような非選択状態ときに、データ線D1〜D16等にハイレベルが供給されることによって、図示しない他のワード線に結合される記憶素子Qmへの書き込み動作のときに、書き込みが行われない非選択のワード線W1に設けられる記憶MOSFETQmにリーク電流が流れることを防止することができる。このように非選択の記憶素子Qmにチャンネル電流が流れないので、MOSFETの耐圧も向上する。これはチャンネル電流が流れる時のMOS耐圧はソースと基板とドレインで構成される寄生バイポーラ動作によるものであり、チャンネル電流が流れない時の表面ブレークダウンによるMOS耐圧よりも低いためである。
【0077】
なお、ワード線の選択信号を形成するワードドライバーをCMOS回路により構成した場合には、ワード線W1によりスイッチMOSFETQ7のスイッチ制御を行う構成としてもよい。この場合には、書き込み動作時のワード線の電位が高電圧Vppのように高くされるから、スイッチMOSFETQ7はそれに応じて高耐圧化する必要がある。
【0078】
この実施例では、書き込み時間の短縮化のために、代表として例示的に示されているデータ線D1のように、ラッチ回路FFを持つ書き込み回路WAが全てのデータ線D2〜D16・・・等に設けられる。記憶素子Qmは、前記図1(D)や図4に示したような単層ゲート構造の不揮発性記憶素子から構成される。それ故、そのサイズは2層ゲート構造の不揮発性記憶素子に比べてその占有面積が大きく形成される。それ故、データ線相互のピッチが比較的大きくなり、メモリマットのデータ線ピッチを犠牲にすることなく、上記のような書き込み回路WAを各データ線に設けることが可能になる。
【0079】
このように各データ線に書き込み回路WAを設ける構成では、2ステップからなる書き込み動作が行われる。すなわち、第1ステップの書き込み動作は、上記ラッチ回路FFに書き込みデータを記憶させる動作である。このときには、データ入力回路DIBを通し入力されたデータは、カラムスイッチCWを介して順次データ線を選択し、それに設けられるラッチ回路FFへのデータ転送が行われる。このようにして、1つのワード線に対応した全データ線又は所定の複数のデータ線に対応したラッチ回路FFへのデータ転送が終了すると、第2ステップの書き込み動作が開始される。この第2ステップの書き込み動作は、選択ワード線の電位をワード線を書き込み高電圧にしておいて、各書き込み回路WAのラッチ回路FFに取り込まれたデータにに従いデータ線D1に書き込み高電圧を供給するスイッチMOSFETQ6のスイッチ制御を行い、記憶素子Qmのフローティングゲートに電荷の注入を行う。
【0080】
この場合には、上記のように複数の記憶素子に対して一斉に書き込み電流が流れるため、書き込み電流が膨大になってしまうのを防ぐ意味でも上記のようなリーク電流の防止回路を設けることが必要になるものである。
【0081】
また、上記のように複数からなる記憶素子Qmに対して一斉に書き込み動作を行う場合には、フローティングゲートに電荷の注入が行われる記憶素子Qmには比較的大きな電流が流れるからソース線S1には大電流が流れてマイグレーションによる配線の断線を防止する必要が生じる。このようなマイグレーションによる断線を防ぐためにソース線の配線幅を太してもよい。しかし、高集積化のためには、配線幅を太くするのは得策ではない。そこで、ソース線S1の一定間隔毎にスイッチMOSFETQ7を複数個設け、書き込み電流を分散させることにより、上記ソース線をそれ程太く形成することなく上記のようなマイグレーションによる断線防止が可能になる。
【0082】
以上の書き込み動作は、特に制限されないが、半導体ウェハ上に回路が完成された時のプロービング工程により行われる。すなわち、プロービング工程において、マスクROMの読み出し試験を行い、その検査結果から不良ビットを検出して救済アドレスの書き込みと、救済アドレスに対応した記憶データの書き込みが行われる。欠陥救済を行う場合、このようにプロービング工程において書き込みを行うようにすることによって、マスクROMが完成された時点では、上記救済アドレスやそれに対応したデータの書き込みために特別の制御端子が不要になる。
【0083】
なお、ユーザーにおいてデータの変更や修正を行うようにする場合には、半導体集積回路装置が完成された後に書き込みを行う必要があるから、適当な外部端子を設けるか、あるいは高電圧入力を含む3値入力回路を設けて、1つの端子を多重化して使うようにすればよい。
【0084】
また、データ線に与えられる書き込み電圧は、電源電圧Vccから高電圧Vppに切り換えるのではなく、通常約5Vの電源電圧VccをMOSFETの耐圧の許容範囲で約7V〜8V程度に高くして同図に示すような電圧(Vcc’)にするものであってもよい。この場合には、書き込み系のMOSFETQ6,Q5を高耐圧化する必要がないから製造工程の簡略化が可能になる。そして、高電圧Vppをワード線の書き込み時の選択レベルとしてのみ用いる場合には、高電圧端子Vppから直流電流が流れなくできるから高電圧Vppを比較的簡単な内部昇圧回路により形成できる。
【0085】
なお、書き込み時にデータ線に与えられる書き込み電圧が上記のように7〜8V程度と比較的低いと、書き込み時間が比較的長くされる。しかし、この実施例のように1層ゲート構造の不揮発接続性記憶素子を欠陥救済や機能変更等に用いる場合には、その書き込みデータ数は比較的少なくてよいから、単位の書き込み時間が多少長くなっても大きな問題になることはない。
【0086】
上記のように1層ゲート構造の不揮発性記憶素子の書き込み動作において、そのドレインに与えられる高電圧を電源電圧VccをVcc’のように高くする方法は、上記図15の実施例のようにラッチ回路FFを用いた書き込み回路WAを利用するもの他、パッドや外部端子あるいはアドレス端子等のような他の端子と共用された外部端子からデータを入力する場合にも利用できることはいうまでもない。
【0087】
図5には、上記のようなサブワード線を設けた構成の記憶素子の一実施例のパターン図が示されている。この実施例では、ソース線SLに平行にソース線SLと同じアルミニュウム層からなるサブワード線SWを配置するものである。このようにサブワード線SWを配置する構成では、その分記憶セルのサイズが大きくなるから、それを防ぐためにソース拡散層が小さく形成され、それに延びるようにソース線配線が形成される。
【0088】
図17ないし図23には、この発明の他の一実施例が示されている。これらの実施例では、フローティングゲートの上部を覆うバリアー層からフローティングゲートの一部が露出した構成となっている。すなわち、バリアー層はフローティングゲート上の全面を覆うのではなく、その一部を覆う構造になっている。
【0089】
先に述べたように、データ保持特性を改善するにはフローティングゲート上の全面を覆うようにバリアー層を形成することが望ましい。しかし、フローティングゲート上の全面を覆うようにすると不揮発性記憶素子のサイズをそれだけ大きくしてしまう。このため、マスクROMの救済のように大容量の単層ゲート構造の不揮発性記憶素子が必要な場合には集積度の観点から不利となる。そこで、不揮発性記憶素子のサイズを小さくするために、バリアー層からフローティングゲートの一部が露出した構成にすること、言い換えるならば、バリアー層はフローティングゲート上の全面を覆うのではなく、ワード線、データ線又はソース線の形状を可能な範囲で意図的に一部変形させてフローティングゲートの上部に延在させる。このようにすることによって、フローティングゲートが部分的にでもバリアー層によって覆われるから、その分確実にデータ保持特性を改善させることができる。
【0090】
すなわち、データ保持特性を損なう原因は、ファイナルパッシベーション膜からのラジカルな水素がフローティングゲートに蓄積された電子と反応して結合する結果、蓄積された電子が減少することにあると推測される。この場合、蓄積された電子が単位時間に減少する割合は、フローティグゲートの表面の電子密度とラジカルな水素密度の積に比例すると考えられる。したがって、フローティングゲートがバリアー層から露出する面積割合が減少すれば、ラジカルな水素とフローティングゲートに蓄積された電子との反応が少なくなるので、蓄積された電子が減少する割合も減少する。この結果、上述のようにデータ保持特性の改善が図られるものとなる。
【0091】
図17には、この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例の素子構造断面図が示され、図18には、その平面図が示されている。図17及び図18において、ワード線WLを構成するアルミニュウム層15は、同図において右側(ソース線側)に意図的に延在させてフローティングゲート8のバリアー層として用いるものである。
【0092】
図19には、この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例の素子構造断面図が示され、図20には、その平面図が示されている。図19及び図20においては、ワード線WLを構成するアルミニュウム層15にスリットが設けられる結果、フローティングゲート8の一部が露出するようにされる。このスリットは、特に制限されないが、2つのフローティングゲートにまたがるようなワード線と平行となるような長方形にされる。上記のようにバリアー層を構成するためにワード線をフローティングゲート上の全面を覆うように延在させると、その分ワード線が太くなる。このようにワード線が太くなるとファイナルパッシベーション膜のストレスによってワード線としてのアルミニュウム層15及びアルミニュウム層15の下部絶縁膜13等にクラックが形成され、素子特性を損なう虞れがある。そこで、この実施例では上記バリアー層として作用するアルミニュウム層にスリットを設けて実質的な太さを細くして上記のようなクラックの発生を防止するものである。
【0093】
上記図17ないし図20において、ワード線WLを構成するアルミニュウム層15を延在させてフローティングゲート上の一部を覆うように構成したが、これに代えてデータ線DLあるいはソース線SLを構成するアルミニュウム層15を延在させてフローティングゲート上の一部又は全面を覆うバリアー層を構成するものであってもよい。上記同様にスリットを設けてクラックの防止を図るようにしてもよい。
【0094】
図21には、この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例の素子構造断面図が示され、図22には、その平面図が示されている。図21及び図22においては、ワード線WLとデータ線DLを構成するアルミニュウム層15がそれぞれ延在させられることによって、フローティングゲート8の一部をそれぞれが覆うようにされる。このように場合には、ワード線WLとデータ線DLを構成する個々のアルミニュウム層がフローティングゲートの上部を覆う割合は少ないが、ワード線WLとデータ線DLの両方をバリアー層として作用させることによって、フローティングゲート8の上部を覆う割合を実質的に大きくすることができる。このように2つに分けてバリアー層を構成すると、それぞれのアルミニウム層の太さを細くできるから、上記のようなスリットを設けることなくクラックの発生を防止できる。
【0095】
上記の実施例では、共にワード線WLがアルミニュウム層15、データ線DLがポリシリコンあるいはポリサイド等の導体層8により構成される。このような構成は、データ線DLに接続される不揮発性記憶素子の数がワード線WLに接続される不揮発性記憶素子の数よりも少ない場合に都合がよい。すなわち、ワード線WLが抵抗値の小さなアルミニュウム層15により構成されているので読み出し時のワード線WLの遅延時間を小さくできるからである。
【0096】
図23には、この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例の平面図が示されている。図23(A)の実施例では、ワード線WLがポリシリコンまたはポリサイド等からなる導体層8により構成される。このような構成は、ワード線WLに接続される不揮発性記憶素子の数がデータ線DLに接続される不揮発性記憶素子の数よりも少ない場合に都合がよい。データ線DLは、同図に点線で示されているようにアルミュウム層15から構成される。それ故、このデータ線DLを構成するアルミニュウム層15がフローティングゲート8の上部の一部に対して延在されるよう形成されることよってバリアー層が構成される。
【0097】
図23(B)の実施例では、ワード線WLがポリシリコンまたはポリサイド等からなる導体層8により構成される。このような構成は、ワード線WLに接続される不揮発性記憶素子の数がデータ線DLに接続される不揮発性記憶素子の数よりも少ない場合に都合がよい。データ線DLとソース線SLは、同図に点線で示されているようにアルミュウム層15から構成される。この実施例では、ソース線SLを構成するアルミニュウム層15がそれを挟んで構成される2つの不揮発性記憶素子を構成する2つのフローティングゲート8の上部の一部に対してそれぞれ延在されるよう形成されることよってバリアー層が構成される。
【0098】
なお、上記図21及び図22に示した実施例と同様に、データ線DLとソース線SLの両方のアルミニュウム層15がフローティングゲート8上の一部をそれぞれ分担して覆うように延在させてもよい。
【0099】
図24(A)ないし(D)には、この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を説明するための製造工程断面図が、同時に形成されるNチャンネルMOSFETとPチャンネルMOSFETとともに示されている。
【0100】
この実施例では、前記図1(A)ないし(D)によって示された不揮発性記憶素子とは異なり、N型拡散層6の形成工程が省略される。すなわち、この実施例の不揮発性記憶素子QEのコントロールゲートは、PチャンネルMOSFETQPを構成するN型ウェル領域102(n)で構成している。更に、上記不揮発性記憶素子QEは、前記図1(A)ないし(D)に示した不揮発性記憶素子QEと同様にフローティングゲートの下部に延在するようにN型拡散層10が形成される。つまり、フローティングゲートとコントロールゲートとの間の容量結合はN型ウェル領域102とフローティングゲートの間の容量とN型拡散層とフローティングゲートの間の容量とで決まり、N型ウェル領域102とフローティングゲートとの間の容量のみの場合よりも容量結合を大きくできるのでセルサイズを小さくすることができる。
【0101】
図25には、上記図24(A)ないし(D)に対応した不揮発性記憶素子の平面図が示されている。この場合、ディプレッション型のNチャンネルMOSFETが同一半導体基板上に形成されるときには、ディプレッション型にするのに使用するN型不純物を注入すればN型ウェル領域102とフローティングゲートの間の容量値を更に大きくする効果がある。勿論、N型ウェル領域102だけでコントロールゲートを構成してもよい。あるいはN型ウェル領域102を使用しないで、N型拡散層10のようなフローティングゲートの下部に延在する拡散層をコントロールゲートとして使用してもよい。
【0102】
本実施例では、P型半導体基板に形成したN型ウェル領域をコントロールゲートに使用したが、N型半導体基板を使用する場合にはP型ウェル領域をコントロールゲートに使用したPMOS構成の不揮発性記憶素子にしてもよく、種々の変形が可能である。
【0103】
本実施例によれば、製造工程を全く付加することなく、コントロールゲートを拡散層で構成した不揮発性記憶素子を得ることができるので、どのような半導体集積回路装置にも適用できる。
【0104】
本実施例の不揮発性記憶素子はN型ウェル領域とN型拡散層10などの他の拡散層を分離するための距離が長くなるので、そのセルサイズは図4あるいは図5等の前記の実施例のセルサイズよりも大きくなる。しかし、後述するように、RAMの救済の場合のようにアドレス変換のみの場合には必要な不揮発性記憶素子の数も少ないので、セルサイズが少々大きくても問題はない。
【0105】
図26(A)ないし(C)には、この発明に係る不揮発性記憶素子の更に他の一実施例を説明するための製造工程断面図が、同時に形成されるNチャンネルMOSFET及びPチャンネルMOSFET並びに2層ゲート構造のマスクROMを構成する記憶MOSFETQMとともに示されている。
【0106】
この実施例では、マスクROMの集積度を向上させるために、隣接ワード線が異なる導体層8と108により構成される。すなわち、直列形態にされる複数の記憶MOSFETのうち、第1層目のポリシリコン層8により奇数番目のMOSFETのワード線を構成し、第2層目のポリシリコン層108により偶数番目のMOSFETのワード線を構成する。このような隣接ワード線を2層ゲート構造とすることにより、実質的なワード線の間隔(記憶MOSFETのピッチ)が狭くなるので集積度を向上させることができる。
【0107】
この場合においても、欠陥救済のために使用する不揮発性記憶素子QEはコントロールゲートを拡散層により構成した1層ゲート構造としている。このようにポリシリコン層が2層構造にされるにもかかわらず、不揮発性記憶素子を1層ゲート構造とするは、次の理由によるものである。2層ゲート構造の不揮発性記憶素子は、第1層目と第2層目のポリシリコン層の間に設けられるゲート絶縁膜は、同じく2層ゲート構造のマスクROMのそれと本質的に異なる。
【0108】
すなわち、マスクROMにおける2層ゲート構造は、第1層目と第2層目のゲートを単に電気的に分離するだけの目的で絶縁膜を形成すればよいのに対して、2層ゲート構造の不揮発性記憶素子ではその膜質及び膜圧が所望の書き込み/及び読み出し特性を満足するように制御された薄い絶縁膜である必要がある。それ故、2層ゲート構造の不揮発性記憶素子においては、上記フローティングゲートとコントロールゲートとの間に形成されるべき絶縁膜を形成する特別な製造工程が付加することが必要である。したがって、上記のように1層ゲート構造の不揮発性記憶素子を用いることにより、実質的な製造工程を増加させることなく、欠陥救済等を行うことができる。
【0109】
図26(A)において、前記図1(A)ないし(D)に示した実施例と同様にコントロールゲートになるN型拡散層6、第1ゲート絶縁膜7と第1ゲート電極8からなるマスクROMの第1MOSFETを形成する。マスクROMの第2MOSFETとの絶縁のために、第1ゲート電極8の上部と側面には絶縁膜201と211が形成される。
【0110】
図26(B)において、第2ゲート絶縁膜107と第2ゲート電極108からなるマスクROMの第2MOSFETが形成される。本実施例では不揮発性記憶素子QEのフローティングゲートとマスクROMの周辺回路を構成するNチャンネルMOSFETQNとPチャンネルMOSFETQPのゲート電極は、第2層目の導体層108で形成されている。もちろん、これらのゲート電極は第1層目の導体層8により構成してもよい。
【0111】
図26(C)に示すように、前記の実施例と同様にしてこれらの各回路素子が完成される。ただし、同図においてはパッシベーション膜は省略されている。この実施例では、上述のように本来の半導体集積回路装置が2層ゲート構造であっても、不揮発性記憶素子を1層ゲート構造にすることよって製造工程が簡単となる。
【0112】
図27(A)と(B)には、ダイナミック型RAMの救済に1層ゲート構造の不揮発性記憶素子を使用した場合の半導体集積回路装置の一実施例の素子構造断面図が示されている。
【0113】
図27(A)のダイナミック型メモリセルは、情報記憶用キャパシタが導体層203、誘電体膜204、導体層205により構成された、いわゆるSTC構造とされる。図27(B)のダイナミック型メモリセルは、情報記憶用キャパシタがN型拡散層6、誘電体膜204、導体層205で構成された、いわゆるプレーナー構造とされる。同図においては、パッシべーション膜が省略して描かれている。
【0114】
上記図27(A)及び(B)のいずれの実施例においても、前記図24(A)なしい(E)に示した実施例と同様に、1層ゲート構造の不揮発性記憶素子はN型ウェル領域102によりコントロールゲートを構成しているので、製造工程の追加はない。ダイナミック型RAMにおける欠陥救済は、アドレス変換を行うだけなので、必要な不揮発性記憶素子の数が少なくてよいからセルサイズが大きくても実質的な問題はない。
【0115】
また、2層からなる配線層15と17を供えている場合には、図27(B)の断面図及び図28に示した平面図に示すように、不揮発性記憶素子のフローティングゲートの全面が、2つの層からなる配線層15と17との組み合わせによって覆われている。すなわち、この実施例では、ワード線WLが第1層目のアルミニュウム層15により構成され、データ線DLが第2層目のアルミニュウム層17から構成される。それ故、2層のアルミニュウム層15と17とが互いに重なりあってその下に設けられるフローティングゲートを覆うようにするものである。
【0116】
図29には、この発明に係る不揮発性記憶素子による欠陥救済回路を内蔵したダイナミック型RAMの一実施例のブロック図が示されている。ダイナミック型RAMのメモリ部は、メモリマットDR−MAT、Yゲート回路DR−YGT、センスアンプ回路DR−SAMから構成される。メモリマットDR−MATは、図27(A)又は(B)に示すような情報記憶用キャパシタと、アドレス選択用のトランスファーMOSFETからなるメモリセルがマトリックス状に配置されて構成されている。ダイナミック型RAMの場合には、マスクROMのように後でデータを記憶させる不揮発性記憶素子は必要ではなく、メモリマットDR−MATと同じメモリセルからなるマトリックス状に配置されて構成されている予備(冗長)のメモリマットdr−MAT、Yゲート回路dr−MAT、センスアンプ回路dr−SAMから構成されている。
【0117】
また、ダイナミック型RAMでは基板バイアス発生回路VBBGが内蔵される。すなわち、上記のように予備のメモリマットdr−MATがメモリマットDR−MATと同じ揮発性のメモリセルを用いること、予備のメモリマットdr−MATへの書き込み用回路がないこと、基板バイアス発生回路VBBGが搭載されている点を除けば、マスクROMのアドレス変換の場合と同じ方法によりダイナミック型RAMの欠陥救済ができる。
【0118】
特に制限されないが、不揮発性記憶素子への書き込み時には基板バイアス発生回路VBBGは非活性状態にされ、半導体基板は回路の接地電位(グランド電位)に設定されている。これは不揮発性記憶素子への書き込み時に半導体基板に形成された拡散層からなるコントロールゲートに高い電圧を加えるので、PN接合の電圧が高くなりすぎないようにするためである。すなわち、これにより、PN接合に対して格別な高耐圧化を施すことなく、上記拡散層をコントロールゲートとして用いる1層ゲート構造の不揮発性記憶素子への書き込みが可能になる。もちろん、本実施例のようなダイナミック型RAMの欠陥救済と同様な方法により、スタティック型RAMの欠陥救済も実現できる。
【0119】
図30には、この発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子をマイクロコンピュータの救済等に使用した場合の一実施例のブロック図が示されている。本実施例のマイクロコンピュータは、同一半導体基板上に構成されたCPU(マイクロプロセッサ)、ROM、RAM、I/O(入出力)ポートからなり、それぞれの回路ブロックはBUS(バス)により相互に接続されている。CPUには、μROM(マイクロプログラムROM)が備えられている。
【0120】
救済回路は、μROM、ROM、ROM及びI/Oポートにおいてそれぞれ斜線により示されている。これらの救済回路は、前記図6ないし図15により示された回路と類似の構成となっており、μROMとROMでは不揮発性記憶素子を用いてアドレス変換とともにデータ記憶を行い、RAMでは不揮発性記憶素子を用いてアドレス変換を行っている。これらの救済方法は前記実施例と同様であるので説明を省略する。また、I/Oポートでは、例えばTTLレベルの入出力と、CMOSレベルの入出力の変更等が行われる。本実施例のようにコントロールゲートを拡散層で構成した1層ゲート構造の不揮発性記憶素子により、マイクロプロセッサに搭載したそれぞれの論理ブロックの救済、あるいはI/Oポートのような論理変更が容易に行うことができる。更に、予備のBUSを用意しておき、不良となったBUSに接続されるそれぞれの論理ブロックのアドレスを変換することも可能である。
【0121】
図31には、この発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子を、従来の2層ゲート構造のEPROMに搭載した場合の一実施例の素子構造断面図が示されている。この発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子QEのコントロールゲートは、前記同様に製造工程を追加する必要のないN型ウェル領域102で構成されている。NチャンネルMOSFETQHNとPチャンネルMOSFETQHPとは、2層ゲート構造の不揮発性記憶素子(EPROM)QEPの書き込み時に使用する高耐圧MOSFETであり、第1ゲート絶縁膜7と第1ゲート電極8とから構成されている。NチャンネルMOSFETQNとPチャンネルMOSFETQPとは、通常の動作電圧で使用するMOSFETであり、第2ゲート絶縁膜107と第2ゲート電極108とから構成されている。2層ゲート構造の不揮発性記憶素子QEPは、第1ゲート電極8からなるフローティングゲートと、その上部に絶縁膜207を介して設けられる第2ゲート電極108からなるコントロールゲートとから構成されている。
【0122】
上記のような2層ゲート構造のEPROMの救済のみの場合には、救済用の不揮発性記憶素子としても2層ゲート構造のEPROMを使用するのが簡単である。しかし、前記第24図に示したマイクロコンピュータのような場合には、製品開発の初期にはデータの変更が容易なEPROMをデータROMとして使用するが、一時データが決定した後は機能が同じであっても安価なマスクROMを使用する。このとき、救済を2層ゲート構造のEPROMで行っていると、2層ゲート構造のEPROMを1層ゲート構造の不揮発性記憶素子に変更しなければならず、救済回路のデバッグあるいはチップ構成(レイアウト)の大幅な変更が生じてしまう。したがって、このような場合には本実施例のように、救済回路の部分は初めから1層ゲート構造の不揮発性記憶素子を含む回路で構成しておく。これにより、例えば、データROMを2層ゲート構造のEPROMからマスクROMに変更したマイクロコンピュータを容易に得ることができる。あるいは、マイクロコンピュータに搭載する不揮発性記憶素子の数が少なくてもよい場合に便利である。
【0123】
図32には、この発明に係る不揮発性記憶素子をアナログ回路を含む半導体集積回路装置のトリミングに使用する場合の一実施例の素子構造断面図が示され、図33にはトリミング回路の一実施例の回路図が示されている。アナログ回路を含む半導体集積回路装置は、図32に示すように、ディジタル部やアナログ部の演算増幅回路AMPを構成するNチャンネルMOSFETQNやPチャンネルMOSFETQPと、容量素子QC、抵抗素子QRとから構成される。
【0124】
図33に示したトリミング回路は、アナログ回路で使用される基準電圧のトリミングを行うものであり、内部で発生された電圧Vinを3ビットのデータにより所望の電圧Vout に設定するものである。電圧Vout と接地電位との間には直列抵抗回路R0が設けられ、それぞれの相互端子はデコーダDECを介してオペアンプAMPの一方の端子に接続されている。トリミング回路TRC1なしいTRC3で発生させられたデータによりデコーダDECを動作させて、この抵抗比をかえてトリミングを行う。
【0125】
まず、PC端子を接地電位にして、PD端子に所定データを入力してトリミングのデータを決める。次に、Vcc端子を接地電位にし、PC端子に書き込み電圧Vppを加えてPD端子に先に決めたデータを入力して不揮発性記憶素子QEの書き込みを行う。
【0126】
本実施例では、データは抵抗Rを介してPD端子から直接に入力したが、前記実施例のようにしてもよい。あるいはデータ入力用の端子を1つだけ設けて、シフトレジスタによりシリアルデータをパラレルデータに変更して書き込を行うようにしてもよい。
【0127】
また、アナログ回路を含む半導体集積回路装置では1V程度の電池で動作させる場合がよくある。不揮発性記憶素子QEの書き込み前のしきい値電圧は通常1V程度であり、このままでは書き込み前後の判定ができない。このような場合には、(1)不揮発性記憶素子QEのゲート電圧を書き込み前後の判定が可能な電圧、例えば3ないし5V程度に昇圧する。(2)書き込み前の状態がディプレッションモードとなるようにしておき、書き込み後にエンハンスメントモードにする。そして、ゲート電圧を接地電位にして読み出す。(3)後述する方法により、書き込み前の状態がエンハンスメントモードになるようにしておき、書き込み後にディプレッションモードにする。そして、ゲート電圧を接地電位にして読み出す。
【0128】
図34には、この発明に係る不揮発性記憶素子を用いた縦型(NAND)構成にしたメモリアレイの一実施例の回路図が示され、図35には、その一部平面図が示され、図36には書き込み方法の原理図が示されている。図34において、NAND構成のメモリアレイは、不揮発性記憶素子が直列形態に接続され、データ線(又はビット線)D0,D1側にはカラムスイッチを構成するMOSFETが設けられ、他端側と回路の接地電位点との間にはスイッチMOSFETが設けられる。この構成は、基本的には記憶MOSFETが不揮発性記憶素子である点とスイッチMOSFETが設けられる点を除けば縦型のマスクROMと同様な構成である。
【0129】
図35において、縦方向に延長されるアルミニュウム層からなるワード線WLが隣接する2つのデータ線DLに対応したコントロールゲートを構成する拡散層に共通にコンタクトされ、この拡散層にオーバーラップする斜線が付されたコントロールゲートが横方向に延長されるソース、ドレインを構成するデータ線DLを跨ぐように延長されることによって直列形態に接続される1層ゲート構造の不揮発性記憶素子が形成される。このようなレイアウトを採ることによって、従来の横型(NOR)構成のメモリアレイに比べて占有面積を約42%に低減できる。
【0130】
図36において、直列形態にされた不揮発性記憶素子のうちソース側から順に書き込みが行われる。このとき、書き込み時に直列回路において直流電流が流れないように制御信号SWが接地電位のようなロウレベルにされてスイッチMOSFETがオフ状態にされる。そして、初期状態では不揮発性記憶素子のしきい値電圧は正の電圧(エンハンスモード)を持つようにされている。
【0131】
この状態で、ワード線W7に接続された不揮発性記憶素子から書き込みが行われ、ワード線W7が接地電位のようなロウレベルに、他のワード線W6〜W1とカラムスイッチの制御電圧Y0,Y1は比較的高い電圧にされる。書き込みデータD0がロウレベルなら、コントロールゲートとドレインとの間に電界が作用しないから、フローティングゲートからドレインに向かってトンネル電流が流れず、上記しきい値電圧(Vth>0)のままである。これに対して、書き込みデータD0が比較的高い電圧にされたハイレベルなら、コントロールゲートとドレインとの間に高電界が作用してフローティングゲートからドレインに向かってトンネル電流が流れてしきい値電圧(Vth<0)に変化させる。
【0132】
以下、同様にしてW6〜W0の順序で選択ワード線をロウレベルにして書き込みを行う。このような書き込み動作においては、トンネル電流しか流れないから書き込み電流は小さくなり、NOR型構成の場合のような電流クランプ等が不要となり回路構成が簡単になる。
【0133】
なお、読み出し時には、制御信号SWをハイレベルにしてスイッチMOSFETをオン状態にする。この状態で、従来のメモリセルが上記のように記憶情報に従ってディプレッション型がエンハンスメント型かになっているので、従来の縦型ROMと同様にして読み出される。
【0134】
図37には、この発明に係る不揮発性記憶素子を用いて電気的にも消去可能にする場合の一実施例の回路図が示されている。この実施例では、データの書き込みを従来のEPROMと同様にホットキャリアを利用して行い、データの消去を前記図36に示したと同様にトンネル電流を利用する。すなわち、データの書き込みは、前記図15に示したと同様にして行う。データの消去の場合は、消去したい不揮発性記憶素子のワード線をロウレベルにする。これにより、PチャンネルMOSFETQ2がオン状態になって、ソース線にハイレベル(Vpp)を供給し、前記図36に示したのと類似のようにコントロールゲートとソース間に高電界を作用させてフローティングゲートとソース間にトンネル電流を流すようにするものである。MOSFETQ3は、制御信号RWによって書き込み時にはオフ状態、消去時にはオン状態にされる。MOSFETQ1はワード線の選択/選択に応じてオン状態にされる。
【0135】
読み出し時には非選択ワード線に接続された不揮発性記憶素子のソースはMOSFETQ1のオフ状態によってオープン状態になるので、不揮発性記憶素子が過消去されてディプレッション状態になっても、記憶素子にリーク電流が流れず読み出しには問題が生じない。
【0136】
図38(A)と(B)には、この発明に係る半導体集積回路装置の一実施例のレイアウト図が示されている。同図の実施例は、この発明に係る不揮発性記憶素子を用いた救済回路をマスクROMに搭載した場合に向けられている。
【0137】
図38(A)において、チップの中央部にパッドが設けられ、パッドとメモリマットMATの間に斜線を付したように救済回路が設けられる。
【0138】
図38(B)において、チップの中央部に設けられたジグザグ状に2列に配列されたパッドの間に斜線を付したように救済回路が設けられる。
【0139】
上記のような構成においては、
一)チップの中央部はパッケージに封止されたとの応力が小さいので、不揮発性記憶素子の特性変動が小さく、また、信頼性も高くできる。
二)マスクROMが大容量になると、電源線や接地線あるいは信号線が長くなる。この結果、信号遅延やノイズによる誤動作が問題になる。この対策として、パッドをチップの中央部に配置する必要がある。この場合に、救済回路を配置する位置は最もスペースを得やすいパッド周辺が望ましい。このようにすれば、チップサイズの増大を防止できる。
【0140】
図39(A)と(B)には、この発明に係る半導体集積回路装置の他の一実施例のレイアウト図が示されている。同図の実施例は、この発明に係る不揮発性記憶素子を用いた救済回路をマイクロコンピュータに搭載した場合に向けられている。
【0141】
図39(A)においては、斜線を付した救済回路は、チップの一つの個所にまとめられている。この構成においては、外部から救済回路へのデータ線の入力が容易に行える。
【0142】
図39(B)においては、救済回路は、各救済すべき機能ブロック毎、例えばμROM、ROM、RAM、あるいはADC(アナログ/ディジタル変換回路)に分散されて配置される。この構成においては、救済回路がそれと対応する回路に近接して設けられるから、救済時の遅延時間が短くできる。
【0143】
図40(A)と(B)には、不揮発性記憶素子への書き込み動作に使用するパッドの一実施例の回路図が示されている。図40(A)では、パッドを電源電圧Vccにプルアップする高抵抗値を持つようにされたPチャンネルMOSFETが設けられる。図40(B)では、パッドを回路の接地電位にプルダウンする高抵抗値を持つようにされたNチャンネルMOSFETが設けられる。
【0144】
このように救済時や機能変更時において1層ゲート構造の不揮発性記憶素子への書き込み動作に使用されるパッドに対してプルアップ又はプルダウン抵抗素子を設けて、これらのパッドは直接外部端子に接続しない。このような構成とすることにより、外部端子数が増加が防止できる。また、上記のような欠陥救済や機能変更が行われた半導体集積回路装置においては、それに用いられるパッドがプルアップ又はプルダウンされて固定レベルにされるから、パッドが不所望な電位を持つことによる誤動作を防止することができる。プルアップ又はプルダウンさせる抵抗素子は、上記のような高抵抗MOSFETに代えて、ポリシリコン等を利用するものであってもよい。
【0145】
図41には、トリミン方法の一実施例を説明するためのフローチャート図が示されている。図41(A)の実施例では、外部端子又は他の端子と共用する端子により、パッケージに封止された後にトリミングデータを決定する。
【0146】
図41(B)の実施例では、トリミングに使用される複数ビットのデータのうち、パッケージに封止する前、言い換えるならば、半導体ウェハ上にチップが完成された時のプロービング工程において上位ビットを決定して大まかなトリミングを行い、チップがパッケージに封止された後に残りの下位ビットを決定して微小なトリミングを行う。このようなトリミング方法を採ることによって、チップがパッケージに封止されるときの熱処理等によって発生する素子特性の微小な変動にも対応した精度のよいトリミングが可能となる。
【0147】
図42には、この発明に係る不揮発性記憶素子に対してパッケージ封止後に書き込みを行う場合の一実施例のフローチャート図が示されている。チップ形成工程では、前記説明したように半導体ウェハ上において所望の半導体集積回路を形成する。
【0148】
テスト工程では、不揮発性記憶素子を含む半導体集積回路のテストを行う。不揮発性記憶素子のテストは、データを書き込み前の状態とデータを書き込んだ後の状態との両方を行う。
【0149】
消去工程では、不揮発性記憶素子を初期状態に戻す。すなわち、データを書き込む前の状態にする。消去動作は、不揮発性記憶素子がEPROMのときには紫外線を照射させることにより行う。この実施例の1層ゲート構造の不揮発性記憶素子は、そのフローティングゲート上にアルミニュウム等からなるバリアー層が設けられている。このアルミニュウム層自体は紫外線を透過させないが、紫外線の回折や乱反射により消去が可能である。特に、前記実施例のようにバリアー層をフローティングゲート上の一部にしか設けない場合やスリットを設けた場合には効率よく消去が可能である。ファイナルパッシベーション膜からのラジカルな水素がフローティングゲートに到達するのを防ぐようにフローティングゲート上の全面をアルミニュウムで覆うようにした場合でも、バリアー層がフローティングゲートから延在する距離が短いから上記のような紫外線の回折や乱反射によって十分消去が可能である。
【0150】
なお、従来のように2層ゲート構造のEPROMにおいて、同じく欠陥救済のための2層ゲート構造のEPROMを用いてアドレス変換に用いた場合にはメモリアレイ部の消去動作によって上記アドレス変換部も消去されるのを防ぐためにアルミニュウム層をアドレス変換部の全面を覆うことが行われている。この場合には、メモリアレイ部の消去用の紫外線の回折や乱反射も考慮してアルミニュウムの遮蔽膜を大きなサイズにより形成する。したがって、同じアルミニュウム層でもこの発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子においては、ファイナルパッシベーション膜からラジカルな水素がフローティングゲートに浸入してまうのをを防ぐためのバリアー層としてのアルミニュウム層とは、その技術的思想において本質的に異なるものである。
【0151】
封止工程では、半導体ウェハから個々に分離されたチップのうちテスト結果が良品とされたものをパッケージに封止する。データ記憶工程では、所望のデータを不揮発性記憶素子に記憶する。上記テスト工程において、不揮発性記憶素子のテストが行われているので、データ記憶工程では不揮発性記憶素子に対してどのようなデータを記憶しても、良好な半導体集積回路装置を得ることができる。
【0152】
上記のテスト工程は、どのような不揮発性記憶素子にも有効であるが、特に、不揮発性記憶素子がEPROMであって、紫外線を透過させないプラスティック等のパッケージに封止した場合、言い換えるならば、紫外線による消去機能を不能にして不揮発性記憶素子を1回限りの書き込みに使用する場合に有効である。
【0153】
この発明に係る単層ゲート構造の不揮発性記憶素子をマスクROMの欠陥救済の他、他にマスクROMのデータ変更、あるいは修正に利用するものであってもよい。さらに、不揮発性記憶素子を論理決定素子として用いたPLDに適用し、回路機能の設定/変更を行うように用いるものであってもよい。このようなマスクROMやディジタル集積回路の機能設定や変更に単層ゲート構造の不揮発性記憶素子を用いる場合には、コントロールゲートを形成する拡散層を追加するだけでよし、CMOS回路にあってはウェル領域が利用できるからそれも不要となり、2層ゲート構造の不揮発性記憶素子を用いる場合に比べて製造工程の簡略化ができる。
【0154】
そして、上記1層ゲート構造の不揮発性記憶素子には、バリアー層が設けられているから、高い信頼性を得ることができる。この実施例の1層ゲート構造の不揮発性記憶素子は、それ自体で1つの半導体記憶装置を構成してもよい。しかし、2層ゲート構造の不揮発性記憶素子に比べてセルサイズが大幅に大きくなってしまう。それ故、この実施例の単層ゲート構造の不揮発性記憶素子は、上記のようなマスクROM等のメモリ回路の欠陥救済用やディジタル回路の機能設定/変更用の小容量の記憶回路に適している。
【0155】
上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りである。すなわち、
(1) 拡散層により構成されたコントロールゲートに対してその一部が薄い絶縁膜を介してオーバーラップするよう形成された導体層からなるフローティングゲートの上部全面を覆うようにバリアー層を形成することにより、データ保持特性の大幅な改善が可能になるという効果が得られる。
【0156】
(2) 半導体集積回路装置におけるファイナルパッシベーション膜として、プラズマCVD法により形成されたナイトライド膜により構成する場合には、安価なプラスティックパッケージを利用できるから、上記バリアー層によりデータ保持特性の改善を図りつつ、安価な半導体集積回路装置を得ることができるという効果が得られる。
【0157】
(3) 上記バリアー層は、導体層又はプラブマ−CVD法により形成された酸化膜を用いることにより格別な製造工程を追加することなく、単層ゲート構造の不揮発性記憶素子のデータ保持特性を改善できるという効果が得られる。
【0158】
(4) 上記バリアー層は、上記コントロールゲートが接続されるアルミニュウム層からなるワード線と一体的に構成することにより、簡単にバリアー層を形成できるという効果が得られる。
【0159】
(5) 上記バリアー層が設けられた単層ゲート構造の不揮発性記憶素子を用いてマスクROM又はディジタル回路の欠陥救済又は機能設定/変更に用いることにより、製造工程の増加を防ぎつつ高い信頼性のもとに上記欠陥救済及び機能設定/変更が可能になるという効果が得られる。
【0160】
(6) アナログ回路とROM又はRAMを含む半導体集積回路装置において、パッケージに封止前にROM又はRAMの救済を行い、パッケージ封止後にアナログ回路のトリミングを行うことができるという効果が得られる。
【0161】
(7) マスクROMの欠陥救済やデータ修正変更にバリアー層が設けられた単層ゲート構造の不揮発性記憶素子を用いることにより、製造工程や占有面積を増加させることなく、高い信頼性のもとにこれらの欠陥救済やデータ修正変更が可能になるという効果が得られる。
【0162】
(8) ワード線に対応した複数からなる単層ゲート構造の不揮発性記憶素子のソースを共通ソース線に接続し、対応するワード線の選択信号によりスイッチ制御されるスイッチ素子により回路の接地電位を与えるようにすることによって、非選択ワード線の記憶素子でのリーク電流の発生を防止でき、それに伴い耐圧の向上も可能になるという効果が得られる。
【0163】
(9) 上記マトリックス配置された不揮発性記憶素子は、それが結合されるデータ線に設けられたラッチ回路に保持された書き込みデータに基づいて1つのワード線に接続される複数からなるメモリセルに対して同時に書き込むようにすることよって、書き込み時間の短縮化が可能になるという効果が得られる。
【0164】
(10) 上記ワード線の選択信号は、負荷MOSFETと駆動MOSFETとのコンダクタンス比に従った出力レベルを形成する駆動回路を用いることにより回路の簡素化が可能になり、不揮発性記憶素子の共通化されたソースに接地電位を与えるスイッチ素子にはCMOS回路により形成された選択信号をサブワード線を介して伝えるようにすることによってリーク電流の発生を確実に防止することができるという効果が得られる。
【0165】
(11) 不揮発性記憶素子がEPROMのときのように、通常の動作を行う電圧Vccを通常状態では5Vのような比較的小さな電圧にし、書き込み動作のときには7V又は8Vのような高い電圧とする。これにより、書き込み系の回路として高耐圧MOSFETを用いる必要がなく、半導体集積回路の製造工程の簡略化が可能になるという効果が得られる。
【0166】
以上本発明者によりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、バリアー層は、フェイナルパッシベーション膜より下層であって、フローティングゲート層より上層に構成すればよい。1層ゲート構造の不揮発性記憶素子のパターンは、種々の実施形態を採ることができる。
【0167】
この発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子は、書き込みをホットキャリアで行い、消去はソース又はドレインに高電圧を印加してトンネル電流で行う、あるいは書き込みと消去をトンネル電流で行う電気的に書き込みと消去が可能な不揮発性記憶素子としても利用できる。
【0168】
この発明は、1層ゲート構造の不揮発性記憶素子それ自体及びそれを機能設定又は変更あるいは冗長回路等に用いる半導体集積回路装置に広く利用できる。
【0169】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、複数のリードオンリーメモリセルを含むメモリマトリックス及び上記メモリマトリックスからメモリセルを選択するデコーダとを備えたメモリ回路に対して、複数の電気的にプログラム可能なメモリセルを含む冗長メモリマトリックスと、上記冗長メモリマトリックスから電気的にプログラム可能なメモリセルを選択する冗長デコーダからなる冗長回路を設け、アドレス信号によって選択されたメモリセルが欠陥を有する時、その選択されたメモリセルに記憶されているデータの替わりに、電気的にプログラム可能なメモリセルに記憶されているデータを出力するとともに、上記電気的にプログラム可能なメモリセルのそれぞれを、不純物層によって形成されたコントロールゲートと、導電層を含み、絶縁層を介してオーバーラップした部分を有するフローティングゲートとを含むものを用いることにより、製造工程の増加を防ぎつつ欠陥救済が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る不揮発性記憶素子を説明するための一実施例の製造工程断面図である。
【図2】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図3】この発明に係る不揮発性記憶素子の更に他の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図4】この発明に係る不揮発性記憶素子の一実施例を示す素子パターン図である。
【図5】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を示す素子パターン図である。
【図6】この発明が適用されたマスクROMの一実施例を示すブロック図である。
【図7】図6のマスクROMにおける冗長ワード線選択回路RASTの一実施例を示す回路図である。
【図8】図6のマスクROMにおける救済アドレス選択回路RASの一実施例を示す回路図である。
【図9】図6のマスクROMにおける救済アドレス記憶回路PR−ADDの一実施例を示す回路図である。
【図10】図6のマスクROMにおける書き込みデータ入力回路PR−PGCの一実施例を示す回路図である。
【図11】図6のマスクROMにおける冗長用のYデコーダ回路PR−YDCの一実施例を示す回路図である。
【図12】図6のマスクROMにおける冗長用のメモリマットPR−MATとカラムスイッチゲートPR−YGT及びセンスアンプ回路PR−SAMの一実施例を示す回路図である。
【図13】図6のマスクROMにおけるマルチプレクサMPXの一実施例を示す回路図である。
【図14】この発明が適用されたマスクROMの他の一実施例を示す回路図である。
【図15】この発明に係る冗長用メモリマットとその周辺回路の他の一実施例を示す回路図である。
【図16】この発明を説明するための不揮発性記憶素子のデータ保持特性図である。
【図17】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図18】図17の不揮発性記憶素子の平面図である。
【図19】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図20】図19の不揮発性記憶素子の平面図である。
【図21】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図22】図21の不揮発性記憶素子の平面図である。
【図23】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を示す平面図である。
【図24】この発明に係る不揮発性記憶素子の他の一実施例を説明するための製造工程断面図である。
【図25】図24の不揮発性記憶素子の平面図である。
【図26】この発明に係る不揮発性記憶素子の更に他の一実施例を説明するための製造工程断面図である。
【図27】ダイナミック型RAMの救済に本願発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子を使用した場合の半導体集積回路装置の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図28】図27(B)に対応した平面図である。
【図29】この発明に係る不揮発性記憶素子による欠陥救済回路を内蔵したダイナミック型RAMの一実施例を示すブロック図である。
【図30】この発明に係る不揮発性記憶素子をマイクロコンピュータの救済等に使用した場合の一実施例を示すブロック図である。
【図31】この発明に係る1層ゲート構造の不揮発性記憶素子を、従来の2層ゲート構造のEPROMに搭載した場合の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図32】この発明に係る不揮発性記憶素子をアナログ回路を含む半導体集積回路装置のトリミングに使用する場合の一実施例を示す素子構造断面図である。
【図33】図32のトリミング回路の一実施例を示す回路図である。
【図34】この発明に係る不揮発性記憶素子を用いた縦型構成にしたメモリアレイの一実施例を示す回路図である。
【図35】図34のメモリセルの一実施例を示す平面図である。
【図36】図34の不揮発性記憶素子の書き込み方法の一実施例を示す原理図である。
【図37】この発明に係る不揮発性記憶素子を電気的にも消去可能にする場合の一実施例を示す回路図である。
【図38】この発明に係る半導体集積回路装置(マスクROM)の一実施例を示すレイアウト図である。
【図39】この発明に係る半導体集積回路装置(マイクロコンピュータ)の一実施例を示すレイアウト図である。
【図40】不揮発性記憶素子への書き込み動作に使用するパッドの一実施例を示す回路図である。
【図41】トリミング方法の一実施例を示すフローチャート図である。
【図42】この発明に係る不揮発性記憶素子に対してパッケージ封止後に書き込みを行う場合の一実施例を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
QE・・不揮発性記憶素子、QN・・NチャンネルMOSFET、QP・・PチャンネルMOSFET、QHN・・高耐圧NチャンネルMOSFET、QHP・・高耐圧PチャンネルMOSFET、QD・・ダイナミック型メモリセル、QM・・マスク型メモリセル、QEP・・2層ゲート構造のEPROM、QR・・抵抗素子、QC・・容量素子、
1・・半導体基板、2,102・・ウェル領域、3・・フィールド絶縁膜、4・・チャンネルストッパー、7,107・・ゲート絶縁膜、5,11,13,16,201,211・・絶縁膜(層間絶縁層)、8,108,204,205・・導電層、15,17・・配線層、6,9,10,109,112・・拡散層、14,114・・コンタクトホール、18・・ファイナルパッシベーション膜、204・・誘電体膜、
ADB・・アドレスバッファ、MR−MAT・・マスクROM、OR−MAT・・冗長用のメモリ回路、XDC・・Xデコーダ回路、MR−YGT,PR−YGT・・カラムスイッチゲート、YDC・・Yデコーダ回路、MR−SAM,PR−SAM・・センスアンプ回路、DIB・・入力バッファ回路、DOB・・出力バッファ回路、MPX・・マルチプレクサ、RAS・・救済アドレス選択回路、R−ADD・・救済アドレス記憶回路、RAST・・冗長ワード線選択回路、
CONT・・制御回路、PR−PGC・・書き込みデータ入力回路、WA・・書き込み回路、FF・・ラッチ回路、DEC・・デコーダ回路、TRC1〜TRC3・・トリミング回路、AMP・・オペアンプ、μROM・・マイクロプログラムROM、ROM・・リード・オンリー・メモリ、RAM・・ランダム・アクセス・メモリ、CPU・・マイクロプロセッサ、ADC・・アナログ/ディジタル変換回路、PORT・・入出力ポート。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit function setting method and a semiconductor integrated circuit device using the same, for example, used in a probing process including a defect remedy technique of a memory matrix including a read-only memory cell and a method of setting a circuit function after sealing. And effective technology.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A technique using an EPROM (erasable & electrical read only memory) for repairing a defect in a mask ROM and changing stored data is known. A technique using a single-layer polysilicon gate structure as the EPROM is described in, for example, "Technical Report of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers," Vol. 90, no. 47, pages 51-53. A technique using a two-layer gate structure as the EPROM is described in, for example, JP-A-61-47671.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The inventor of the present application has analyzed the data retention characteristics of the EPROM and found that the following phenomenon occurs. FIG. 16 shows data retention characteristics of EPROMs having different structures. In the figure, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the threshold voltage variation rate [ΔVth t ÷ ΔVth 0 × 100]%. Here, ΔVth 0 Indicates a threshold voltage at the time of writing, and ΔVth t Indicates the threshold voltage after elapse of the time t. In addition, data retention characteristics in an environment where the device is left in air at a temperature of 300 ° C. are examined.
[0004]
In FIG. 16, the element structure of the characteristic B is an EPROM having a single-layer polysilicon gate structure, and the characteristic D is an EPROM having a two-layer gate structure. The inventor of the present application does not mean that the control gate in the two-layer gate structure acts as a barrier layer to prevent a reduction in information charges accumulated in the floating gate due to the difference in data retention characteristics between the two EPROMs. I guessed.
[0005]
To confirm this, an EPROM having a single-layer polysilicon gate structure in which an aluminum layer is provided on the entire upper surface of the floating gate made of the single-layer polysilicon is formed. Data retention characteristics were improved. Further, it has been found that when an oxide film (P-SiO) formed by a plasma-CVD method is provided on the upper part of the device with a two-layer gate structure, good data retention characteristics such as characteristic C can be obtained. The oxide film (P-SiO) is formed as an interlayer insulating film for a two-layer aluminum wiring. That is, the first aluminum layer is formed on the BPSG film, and the second aluminum layer is formed thereon via the oxide film (P-SiO). EPROM.
[0006]
As a result of careful analysis of the relationship between the element structure and the data retention characteristics as described above, the present invention relates to a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure with improved data retention characteristics and a semiconductor integrated circuit device using the same. It came to be.
[0007]
An object of the present invention is to provide a circuit function setting method which is simple to manufacture and has high reliability, and a semiconductor integrated circuit device using the same. Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device provided with a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure for improving data retention characteristics. The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a representative one of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, using a function block and a function setting circuit for setting a circuit function of the function block, the circuit function of the function block is set in a first function setting step of the integrated circuit formed on the semiconductor wafer, and sealing is performed. In a step, the integrated circuit is sealed in a package, and in a second function setting step, the circuit function of the function block is set for the integrated circuit sealed in the package, and the second function setting is performed. In the process, the setting of the circuit function of the functional block is electrically performed.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process for explaining a nonvolatile memory element according to the present invention, together with an N-channel MOSFET and a P-channel MOSFET formed simultaneously. In this specification, MOSFET is used to mean an insulated gate field effect transistor (IGFET).
[0010]
1A to 1D, a nonvolatile memory element QE having a single-layer polysilicon gate structure, an N-channel MOSFET QN, and a P-channel MOSFET QP are shown from the left. The N-channel MOSFET QN and the P-channel MOSFET QP constitute a peripheral circuit such as an address selection circuit of the nonvolatile memory element QE, and other memory circuits and digital circuits formed on the same semiconductor substrate as the EPROM according to the present invention. Used for Further, the nonvolatile memory element QE is a cross-sectional view in which the left side is perpendicular to the source and the drain and the right side is parallel.
[0011]
1A, a P-type well 2 and an N-type well 102 are formed on one main surface of a P-type semiconductor substrate 1 by a known means. Next, a thick field insulating film 3 and a P-channel stopper 4 indicated by a dotted line in FIG.
[0012]
In FIG. 1B, an N-type diffusion layer 6 to be a control gate of the nonvolatile memory element QE is formed. Although the N-type diffusion layer 6 is not particularly limited, phosphorus is accelerated to 1 × 10 at an acceleration energy of 80 Kev through the insulating film 5 by an ion implantation method. 14 cm -2 After the implantation, a heat treatment is performed for about 30 minutes at a temperature of 950 ° C. in an atmosphere containing about 1% of oxygen in nitrogen. Of course, the impurities may be arsenic alone or both arsenic and phosphorus. Although it is basically unnecessary to perform the heat treatment, it is better to perform the heat treatment in order to recover the semiconductor substrate 1 damaged by the ion implantation.
[0013]
Next, after the insulating film 5 damaged by the ion implantation is removed, a clean gate insulating film 7 is formed by a thermal oxidation method. At this time, the thickness of the gate insulating film 7 on the N-type diffusion layer 6 is formed to be about 10 to 20% thicker than the region without the N-type diffusion layer 6.
[0014]
Then, a conductor layer 8 serving as a floating gate of the nonvolatile memory element QE and gate electrodes of the N-channel MOSFET QN and the P-channel MOSFET QP is formed. The conductor layer 8 is formed of a polycrystalline silicon (polysilicon) film or a polycide film in which a silicide film is stacked on the polycrystalline silicon film.
[0015]
As shown in FIG. 1C, N-type diffusion layers 9 and 10 and a P-type diffusion layer 109 are formed. The N-type diffusion layer 9 is ion-implanted with phosphorus at an acceleration energy of 50 Kev and 2 × 10 2. Thirteen cm -2 It is formed by being implanted to a certain degree. The N-type diffusion layer 10 is formed by ion implantation at a rate of 5 × 10 5 at an acceleration energy of 50 KeV. Fifteen cm -2 It is formed by being implanted to a certain degree. The P-type diffusion layer 109 is formed by boron ion implantation at an acceleration energy of 15 KeV and 1 × 10 Thirteen cm -2 It is formed by being implanted to a certain degree.
[0016]
Next, after the CVD insulating film is formed on the entire surface, the sidewalls 11 are formed by anisotropic etching. Then, an N-type diffusion layer 12 and a P-type diffusion layer 112 are formed. The N-type diffusion layer 12 is formed by arsenic by ion implantation at an acceleration energy of 80 Kev and 5 × 10 5. Fifteen cm -2 It is formed by being implanted to a certain degree. The P-type diffusion layer 112 is formed by ion implantation at a rate of 2 × 10 3 at an acceleration energy of 15 Kev. Fifteen cm -2 It is formed by being implanted to a certain degree. In this embodiment, the N-type diffusion layer 10 has been described as being formed before the formation of the sidewalls 11, but may be formed after the formation of the sidewalls 11. Further, the manufacturing process of the P-type diffusion layer 109 may be omitted, and the P-type diffusion layer 112 may be formed before the formation of the sidewall 11. In this case, the N-type diffusion layer 9 can be formed by ion-implanting the entire surface without using a mask.
[0017]
In FIG. 1D, in the nonvolatile memory element QE, the control gates are diffusion layers 6 and 10, the floating gate 8, the gate insulating film 7, the interlayer insulating film 7 between the control gate and the floating gate, and the source and the drain are N. It has a one-layer gate structure constituted by the mold diffusion layer 10. The reason why the source and the drain are formed by the N-type diffusion layer 10 is to improve the writing characteristics.
[0018]
The N-type diffusion layer 10 has the same configuration as the source and drain of the N-channel MOSFET QN constituting the input and output. The N-channel MOSFET QN has a so-called LDD structure in which a gate electrode 8, a gate insulating film 7, and sources and drains are formed by N-type diffusion layers 9 and 12. The P-channel MOSFET QP has a so-called LDD structure in which the gate electrode 8, the gate insulating film 7, and the source and the drain are constituted by the P-type diffusion layers 109 and 112.
[0019]
Each element is separated by a field insulating film 3 and a P-type channel stopper 4. Each element is connected by a wiring 15 made of aluminum through a contact hole formed in the insulating film 13. The N-type diffusion layers 6 and 10, which are control gates of the nonvolatile element QE, are shunted by the wiring 15 to reduce parasitic resistance. That is, the wiring 15 forms a word line and is connected to the control gate of each nonvolatile memory element. The N-type diffusion layer 10 is provided to improve ohmic contact with the wiring 15.
[0020]
In this embodiment, an aluminum layer 15 covering the entire surface of the floating gate 8 via an insulating film 13 is formed as a barrier layer in order to improve the data retention characteristics of such a nonvolatile memory element QE having a single-layer gate structure. Is done. The insulating film 13 is composed of a PSG film or a BPSG film. Although not particularly limited, the aluminum layer 15 as a barrier layer formed so as to cover the entire surface of the floating gate via the insulating film 13 is integrally formed with the word line to which the control gate of the nonvolatile memory element QE is connected. Be composed.
[0021]
When the nonvolatile memory element QE of this embodiment is used for relieving defects of a mask ROM as described later, the N-channel MOSFET QN has a structure similar to that of the memory element. However, in FIG. 1A, an N-type impurity is introduced by ion implantation into a portion where a mask ROM is formed, and an N-channel MOSFET formed there is placed in a depletion type.
[0022]
FIG. 4 shows an element pattern diagram of one embodiment of the nonvolatile memory element QE. The N-type diffusion layer 6 serving as a control gate is connected via a contact hole 14 to a word line WL composed of an aluminum layer 15 indicated by a dotted line in FIG. The aluminum layer 15 extends rightward along the floating gate 8 so as to cover the entire surface of the floating gate 8 hatched by a broken line in FIG. It is formed as follows.
[0023]
In the figure, two memory cells are shown symmetrically up and down with respect to the alternate long and short dash line ab. That is, the drain of the upper nonvolatile memory element QE is connected to the aluminum layer 15 via the contact hole 14. The aluminum layer 15 is connected to a data line DL made of a polysilicon layer extending to the left and right via a contact hole 14. Further, the N-type diffusion layer 10 constituting the source of the nonvolatile memory element QE is integrally formed with the source of the lower nonvolatile memory element QE, and the aluminum layer 15 and the drain constituting the barrier layer are made of poly-silicon. It extends rightward along the center line ab to a region that does not intersect with an aluminum layer connected to a word line made of a silicon layer, and extends vertically through a contact hole 14 formed therein, in other words, a word. It is connected to a source line SL made of an aluminum layer extending in parallel with the line.
[0024]
The nonvolatile memory element QE having the single-layer gate structure of this embodiment is provided with a barrier layer made of an aluminum layer formed so as to cover the entire upper surface of the floating gate. In this embodiment, a large-sized barrier layer having a margin so as to exceed the size of the floating gate 8 is used in order to prevent the diffusion of radical hydrogen into the floating gate as described later.
[0025]
From the data holding characteristics shown in FIG. 16, the following is presumed. As compared with the characteristic B, the characteristic D has an improved data retention characteristic. The subsequent difference between the two is that the characteristic B has a single-layer gate structure while the characteristic D has a two-layer gate structure. The inventor of the present application has presumed from this fact that the control gate in the two-layer gate structure has an effect of preventing a factor that penetrates into the floating gate to eliminate the retained charge. In order to confirm this, an element having an aluminum layer as a barrier layer shown in FIG. 1D or 4 was formed on a floating gate in a single-layer gate structure. As shown in the characteristic A, the data retention characteristic is greatly improved.
[0026]
The reason that one of the factors for losing the information charges stored in the floating gate is assumed to be radical hydrogen from the final passivation film is as follows. That is, although omitted in FIG. 16, it is recognized that the data retention characteristics are poorer when a plasma nitride (P-SiN) film is used as the final passivation film than when a CVD oxide (PSG) film is used. Was done. The difference between the two is large in the amount of radical hydrogen. And, it was concluded that the aluminum layer as a barrier layer itself plays a role of a dam for blocking radical hydrogen containing a large amount of hydrogen, thereby preventing diffusion of hydrogen to the floating gate.
[0027]
Further, the barrier layer may be a polysilicon layer. The polysilicon layer also has a property of easily containing hydrogen, and when used as a floating gate, captures hydrogen diffused from the final passivation film and loses information charges. Taking advantage of this fact, a polysilicon layer is provided as a barrier layer on the floating gate. The polysilicon layer serving as the barrier layer first captures and takes in radical hydrogen diffused from the final passivation film, and acts to prevent diffusion to a floating gate provided thereunder. As a result, as in the case of the aluminum layer, the polysilicon layer as the barrier layer functions as a dam for radical hydrogen, so as to prevent intrusion into the floating gate.
[0028]
Although the above phenomenon is merely speculation, as is apparent from the data retention characteristics shown in FIG. 16, the provision of the barrier layer as described above makes it clear that the data retention characteristics of the nonvolatile memory element having a single-layer gate structure are apparent. Significant improvement is observed.
[0029]
When plasma nitride (P-SiN) is used as the final passivation film, an inexpensive plastic package that does not transmit ultraviolet light can be used. Therefore, by providing the barrier layer as in this embodiment, it is possible to obtain a semiconductor integrated circuit device using an inexpensive package while improving data retention characteristics.
[0030]
FIG. 2 is a sectional view showing the element structure of another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention. This embodiment is directed to a case where a semiconductor integrated circuit device provided with a nonvolatile memory element uses two-layer aluminum wiring. That is, as shown in FIG. 1D, instead of using the first aluminum layer 15 as a barrier layer, a first aluminum layer 15 is formed on an interlayer insulating film 16 formed on the aluminum layer 15. A second aluminum layer 17 is formed to cover the entire surface of the floating gate made of polysilicon layer 8. In this case, when the second aluminum layer 17 is used as a word line, the nonvolatile storage element is formed by using the contact holes 14 provided in the interlayer insulating films 13 and 16 and the first aluminum layer 15. It is connected to a control gate composed of diffusion layers 6 and 10 of QE.
[0031]
Although not shown, in the case where the first aluminum layer 15 is used as a word line, the second aluminum layer 17 formed as the barrier layer is electrically placed in a floating state and is simply placed on the floating gate 8. Formed so as to cover
[0032]
When the two aluminum layers are formed as described above, the second aluminum layer is used as a word line, and the first aluminum layer is used as a data line, or vice versa. Alternatively, the first aluminum layer may be used as a word line, and the second aluminum layer may be used as a data line. Alternatively, the two aluminum layers may be used as a common source line or a sub-word line described later.
[0033]
It should be noted that FIG. 2 also shows an N-channel MOSFET and a P-channel MOSFET. Since the N-channel MOSFET and the P-channel MOSFET are the same as those in FIG. 1D, description thereof will be omitted.
[0034]
FIG. 3 is a sectional view showing the element structure of still another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention. In the characteristic diagram of FIG. 16, the characteristic C is between the first aluminum layer and the second aluminum layer in order to form a nonvolatile memory element having a two-layer gate structure and a two-layer aluminum wiring. An oxide film (P-SiO) formed by a plasma-CVD method is provided as an interlayer insulating film to be provided.
[0035]
Even with the same two-layer gate structure, a much better data retention characteristic can be obtained as compared with the characteristic D of the nonvolatile memory element having no oxide film (P-SiO). It has been noticed that the oxide film (P-SiO) itself has an action of preventing the diffusion of the radical hydrogen. That is, the oxide film (P-SiO) is made of monosilane (SiH). 4 ) + Nitric oxide (N 2 O) as a source gas is introduced into the plasma reaction chamber and adhered to the plasma reaction chamber. The amount of radical hydrogen itself is small, and it is presumed to have an effect of absorbing diffused radical hydrogen.
[0036]
For this reason, in the embodiment shown in the figure, the first interlayer insulating film 13 is formed of a PSG film or a BPSG film, and the second interlayer insulating film 16 is formed of the oxide film (P-SiO). Then, the plasma nitride film (P-SiN) is used as the final passivation film 18.
[0037]
The structure of such an interlayer insulating film is the same as that of the two-layer aluminum wiring shown in FIG. Therefore, on the interlayer insulating film (PSG or BPSG) 13, the first aluminum layer 15 constitutes a word line or the like, and although not shown, on the interlayer insulating film (P-SiO) 16. The second aluminum layer may be formed as a data line, a common source line, or another wiring.
[0038]
In the embodiment of FIG. 2, if an oxide film (P-SiO) formed by the above-mentioned plasma-CVD method is used as the interlayer insulating film 16, the barrier layer is composed of an oxide film (P-SiO) and an aluminum layer. It can be assumed that a good data retention characteristic comparable to the characteristic C of FIG.
[0039]
Hereinafter, a defect relief circuit of a mask ROM using a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure as described above will be described.
[0040]
FIG. 6 is a block diagram showing one embodiment of a mask ROM to which the present invention is applied. The memory mat MR-MAT is configured by arranging mask ROM memory elements in a matrix. The memory mat PR-MAT has a configuration in which the nonvolatile memory elements having the single-layer gate structure as described above are arranged in a matrix, and is used for repairing the above-described defect data.
[0041]
In the memory mat MR-MAT, a memory element is arranged at each intersection of a word line and data, similarly to a known mask ROM. The gate of the memory element is a word line, the drain is a data line, and the source is a circuit ground line. Connected to.
[0042]
The word line of the memory mat MR-MAT is selected by the X decoder circuit XDC. The X decoder circuit XDC has an X-system address signal A. i + 1 ~ A n It decodes the complementary internal address signal formed by the received address buffer ADB, and selects one word line of the memory mat MR-MAT.
[0043]
The data line of the memory mat MR-MAT is connected to a common data line by a column switch gate MR-YGT. The column switch gate MR-YGT is connected to the Y-system address signal A. 0 ~ A i In accordance with a decode signal formed by a Y decoder circuit YDC for decoding a complementary internal address signal formed by an address buffer ADB receiving the data, one data line is commonly used for each output mat from the memory mat MR-MAT in accordance with the decode signal. Connects to the data line.
[0044]
The common data line is connected to an input terminal of the sense amplifier circuit MR-SAM. The sense amplifier circuit MR-SAM amplifies storage information read from the memory element at the intersection of the selected word line and data line.
[0045]
The memory mat PR-MAT includes a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure as described above, arranged at each intersection of a word line and a data line, and is used as a redundant circuit for defective data in the memory mat MR-MAT. Can be The control gate of the nonvolatile memory element is connected to a word line, the drain is connected to a data line, and the source is connected to a ground line of the circuit. A word line of the redundant memory mat PR-MAT is supplied with a redundant word line selection signal formed by a relief address storage circuit PR-ADD described later.
[0046]
The data line of the redundant memory mat PR-MAT is connected to the write data input circuit PR-PGT and the column switch gate PR-YGT. The write data input circuit PR-PGC outputs the Y-system address signal A 0 ~ A i A write signal is applied to one data line in the redundant memory mat PR-MAT by a complementary internal address signal formed by an address buffer ADB receiving the write data input and a data signal formed by an input buffer DIB receiving the write data input DI. Is performed.
[0047]
The column switch gate PR-YGT is connected to the Y-system address signal A. 0 ~ A i One data line is connected to a common data line for each output mat of redundant memory mat PR-MAT in accordance with an output signal of Y decoder PR-YDC for decoding a complementary internal address signal formed by address buffer ADB receiving the data. Operate. The common data line is connected to an input terminal of the sense amplifier circuit PR-SAM. The sense amplifier circuit PR-SAM amplifies storage information read from a memory cell (nonvolatile storage element) at the intersection of a word line and a data line selected in the read mode.
[0048]
The output signal of the sense amplifier circuit PR-SAM is input to a multiplexer circuit MPX for switching the sense amplifier. This multiplexer circuit MPX selects either the output signal of the sense amplifier circuit MR-SAM for the mask ROM or the output signal of the sense amplifier circuit PR-SAM for the redundant memory mat PR-MAT, and outputs the output buffer DOB. Tell The output buffer DOB outputs the read data transmitted through the multiplexer circuit MPX to the output terminal DO. 0 ~ DO m Sent from.
[0049]
Although not particularly limited, in this embodiment, the nonvolatile storage element is used to store the relief address. The method of storing the rescue address is as follows. i + 1 ~ A n The address signal formed by the received address buffer circuit ADB is converted into write data by the relief address selection circuit RAS, and is stored in the nonvolatile memory element arranged in the relief address storage circuit PR-ADD. Although not particularly limited, the relief address storage circuit PR-ADD can store a plurality of relief word lines. The plurality of relief word lines are used to convert a relief address storage position into a Y-system address signal A. 0 ~ A i The address is assigned by a redundant word line selection circuit RAST which decodes a complementary address signal formed by an address buffer circuit ADB receiving the data.
[0050]
The rescue address storage circuit PR-ADD stores the rescue address and the word line selection signal / RWS of the written address. 1 ~ / RWS p Is formed, and a word line selecting operation of the redundant memory mat PR-MAT is performed. Further, it forms output switching complementary signals RSDA and / RSDA of the multiplexer circuit MPX. In the present specification, an overbar of a logic symbol having a low level as an active level is replaced with /.
[0051]
The control circuit CONT receives a chip enable signal CE for activating the present semiconductor integrated circuit device and an output enable signal / OE for controlling an output buffer at the time of reading, and receives each circuit block activation signal / ce and a sense signal. An activation signal / sac for the amplifier circuit MR-SAM and an activation signal / doc for the output buffer circuit DOB are formed and used for writing in nonvolatile memory elements (PR-MAT, PR-ADD) arranged for redundancy. The high voltage terminal Vpp receives, but is not limited to, a write enable signal / WE for performing write control, and forms an internal write control signal / we, a write signal RS for relief address storage, RWNS, and the like.
[0052]
FIG. 7 is a circuit diagram showing one embodiment of the redundant word line selection circuit RAST. Y-system address signal A 0 ~ A h (H ≦ i) Complementary address signal a formed by address buffer circuit ADB receiving 0 , / A 0 ~ A h , / A h Receiving signal RWNS activated at the time of writing into the storage element of the relief address storage circuit PR-ADD, the storage position allocation signal AST 1 ~ AST j Is formed. For example, a 3-bit address signal A 0 ~ A 2 Is used, an allocation signal AST of eight storage locations is obtained. 1 ~ AST 8 Can be formed. As a result, the word lines of the memory mat MR-MAT in which up to eight defective bits exist can be replaced with the memory cells of the redundant memory mat PR-MAT. Therefore, when the above-described relief address storage circuit PR-ADD is used, the nonvolatile memory elements corresponding to the eight word lines are arranged in a matrix in the redundant memory mat PR-MAT.
[0053]
FIG. 8 is a circuit diagram of an embodiment of the relief address selection circuit RAS. The relief address selection circuit RAS outputs the X-address signal A i + 1 ~ A n Address signals a formed by the address buffer circuits ADB respectively receiving i + 1 ~ A n Receiving the signal RWNS activated when the rescue address storage circuit PR-ADD is written to the nonvolatile storage element, the input address signal a i + 1 ~ A n Is the write data RAWa i + 1 ~ RAWa n To the relief address storage circuit PR-ADD. The stored rescue address and X-system address signal A i + 1 ~ A n Address signal Ca for comparison with i + 1 ~ Ca n Are formed in the previously assigned relief address storage unit.
[0054]
FIG. 9 is a circuit diagram of one embodiment of the relief address storage circuit PR-ADD. The rescue address storage write signal RS is transmitted to the word line to which the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure arranged as the storage element is coupled, and the memory formed by the rescue address selection circuit RAS. Address data RAWa i + 1 ~ RAWa n Is transmitted to the data line, whereby writing to the memory element is performed.
[0055]
The data line to which the memory element storing the relief address is connected is connected to the input terminal of the sense amplifier SA, and is amplified by the sense amplifier SA during a read operation. In this embodiment, although not particularly limited, an extra 1-bit memory element is provided as a memory element for storing the relief address in addition to the above-described relief address. By storing arbitrary data of “1” information or “0” information in the 1-bit memory element, it is determined whether or not the relief address is stored, and the activation signal of the sense amplifier SA and the The address comparison signal Ca of the relief address selection circuit RAS i + 1 ~ Ca n Activation signal / RS for formation 1 ~ / RS p Is formed.
[0056]
When reading of the memory element storing the relief address is performed, each output signal of the sense amplifier SA becomes the address comparison signal Ca. i + 1 ~ Ca n Is input to an exclusive-OR circuit to confirm the match / mismatch with The output of this exclusive OR circuit is the output of the sense amplifier SA and the address comparison signal Ca. i + 1 ~ Ca n Is "0" if the two match, and "1" otherwise. When all the data in the memory element for storing the relief address match, the redundant word line selection signal RWS is output. 1 ~ RWS p Is activated as a selection signal. Further, the redundant word line selection signal RWS 1 ~ RWS p Is selected, activation of the sense amplifier circuit PR-SAM provided in the redundant memory mat PR-MAT and switching signals RSAD and / RSAD supplied to the multiplexer MPX are formed.
[0057]
FIG. 10 is a circuit diagram of one embodiment of the write data input circuit PR-PGC. Y-system address signal A 0 ~ A i Complementary internal address signal a formed in the address buffer circuit ADB receiving the data. 0 , / A 0 ~ A i , / A i And the data Data, and write data Dy to each data line of the redundant memory mat PR-MAT by the write signal we. 0 ~ Dy k Supply.
[0058]
FIG. 11 shows a circuit diagram of one embodiment of the Y decoder circuit PR-YDC for redundancy. The Y decoder circuit PR-YDC for redundancy uses the Y address signal A 0 ~ A i Complementary internal address signal a formed in the address buffer circuit ADB receiving the data. 0 , / A 0 ~ A i , / A i And the column selection signal y supplied to the column switch gate PR-YGT 0 ~ Y k To form
[0059]
FIG. 12 is a circuit diagram showing one embodiment of the redundant memory mat PR-MAT, column switch gate PR-YGT, and sense amplifier circuit PR-SAM.
[0060]
FIG. 13 shows a circuit diagram of an embodiment of the multiplexer MPX. In this embodiment, a clocked inverter circuit having a three-state output function is used. When the inversion switching signal RSDA is activated, the clocked inverter circuit receiving the read signal of the memory element selected by the memory mat MR-MAT constituting the mask ROM is activated, and the clocked inverter circuit is supplied to the output buffer circuit DOB. Tell When the non-inverted switching signal RSDA is activated, the clocked inverter circuit receiving the read signal of the memory element selected by the redundant memory mat PR-MAT is activated and transmits it to the output buffer circuit DOB. . That is, the correct data stored in the redundant memory mat PR-MAT is output instead of the read data including the defective bit existing in the memory mat MR-MAT.
[0061]
FIG. 14 is a circuit diagram showing another embodiment of the mask ROM to which the present invention is applied. The mask ROM of this embodiment includes a plurality of series circuits of N-channel type storage MOSFETs. Each of the storage MOSFETs Qm is formed as a depletion type or an enhancement type according to stored information. Writing of storage information to such a memory element is performed by the ion implantation method as described above. In the figure, the depletion type MOSFET is distinguished from the enhancement type MOSFET by adding a straight line to the channel portion.
[0062]
A series circuit corresponding to one data line D1 exemplarily shown as a representative includes MOSFETs T1 and T2 for column selection and storage MOSFETs Q1 to Q3 for data storage. In the series circuit adjacent to this and corresponding to another data line D2 exemplarily shown as a representative, storage MOSFETs Q4 to Q6 for data storage are connected to MOSFETs T3 and T4 for column selection.
[0063]
For example, when the MOSFETs T1 and T4 for column selection shown by way of example are constituted by depletion type MOSFETs, and T2 and T3 are constituted by enhancement type MOSFETs, respectively, and when other series MOSFETs omitted in FIG. When the selection signal supplied to the gates of T1 and T3 by the column selector is at a low level and the selection signal supplied to the gates of T2 and T4 is at a high level, both T1 and T2 are turned on and serially connected to the data line D1. Storage MOSFETs Q1 to Q3 and the like are connected. When the selection signal supplied to the gates of T1 and T3 by the column selector is at a high level and the selection signal supplied to the gates of T2 and T4 is at a low level, both T3 and T4 are turned on and the data line D2 Are connected to storage MOSFETs Q4 to Q6 in series. Therefore, although not shown, a plurality of series circuits can be provided in parallel with respect to each of the data lines D1, D2, and the like in FIG.
[0064]
Of the storage MOSFETs in the serial form of the memory array, the gates of the storage MOSFETs Qm corresponding to the lateral direction are commonly connected to word lines W1, W2, W3, etc., which are exemplarily shown as representatives. These word lines W1 to W3 are connected to corresponding output terminals of the X decoder.
[0065]
The data lines D1, D2, etc. are connected to a common data line CD via a Y decoder. The Y decoder of FIG. 1 shows the Y decoder itself and a column switch circuit including a switch element that is switch-controlled by a selection signal thereof.
[0066]
The common data line CD is connected to the input terminal of the sense amplifier SA. The sense amplifier SA senses and amplifies the high level and the low level of the read signal of the selected memory cell with reference to the reference voltage generated by the reference voltage generation circuit VRF.
[0067]
Although not particularly limited, the sense operation may be performed with reference to a reference voltage formed by a dummy array including a memory circuit similar to the memory array unit as a reference voltage of the sense amplifier SA. As the dummy array, a memory array in which all of the storage MOSFETs Qm are constituted by enhancement MOSFETs and whose gate is constantly supplied with the power supply voltage Vcc to be constantly turned on can be used.
[0068]
Next, the address selection operation of the vertical ROM in this embodiment will be described. The X decoder decodes the internal address signal supplied from the row address buffer and forms a decode output in which the selected level is set to the low level and the non-selected level is set to the high level. For example, when the number of word lines is 512, one selected word line is set to low level, and all the other 511 word lines are set to high level. Thus, if the storage MOSFET coupled to the selected word line is a depletion type, a current path is formed in the series circuit, and if the storage MOSFET is an enhancement type, no current path is formed.
[0069]
The Y decoder YDCR decodes the internal address signal supplied through the address buffer and selects, for example, one of the 512 data lines and connects it to the common data line CD. Thus, one read signal corresponding to one selected data line is amplified by the sense amplifier SA. When the read data is read in units of a plurality of bits such as 8 bits or 16 bits, 8 or 16 memory arrays similar to the above are provided, or 8 or 16 data lines are simultaneously selected by a Y decoder, What is necessary is just to provide a sense amplifier and an output circuit corresponding to each.
[0070]
To remedy such a vertical ROM defect, the above-mentioned nonvolatile memory element is used. The circuit shown in FIG. 6 and the like can be used for the relief address storage circuit and the redundant memory mat using this nonvolatile storage element.
[0071]
FIG. 15 is a circuit diagram showing another embodiment of the redundant memory mat and its peripheral circuits. Although the circuit symbols given to the respective elements in FIG. 14 partially overlap with the elements shown in FIG. 14, it should be understood that they are different from each other.
[0072]
In the same drawing, one word line W1 and a plurality of storage elements Qm connected thereto are exemplarily shown. The selection circuit for the word line W1 is constituted by a ratio type logic circuit. That is, the selection signal formed by the NAND gate circuit G is supplied to the gate of the N-channel drive MOSFET Q1. The source of the MOSFET Q1 is connected to the ground potential of the circuit, and an N-channel MOSFET Q2 receiving a selection signal inverted by the CMOS inverter circuit N is provided between the drain side and the power supply voltage Vcc. The drain output of the drive MOSFET Q1 is connected to the word line W1 via the depletion type MOSFET Q3 whose gate is supplied with the write control signal / WE. The word line W1 is provided with a depression type load MOSFET Q4. The power supply terminal to which the depletion type load MOSFET Q4 is connected is supplied with a high voltage Vpp during a write operation and a low power supply voltage Vcc such as 5 V during a read operation.
[0073]
In this embodiment, at the time of the write operation of the storage element Qm, in the storage element provided on the non-selected word line, a leak current flows through the channel in response to the potential of the floating gate being raised by the write high level of the data line. In order to prevent this, the source of the storage MOSFET Qm corresponding to the word line is connected to the common source line S1, and a ground potential is applied to this source line via the switch MOSFET Q7.
[0074]
In this embodiment, since the logic circuit is formed by the ratio type logic circuit as described above, when the corresponding word line is in the non-selected state, the level is set to a level higher than the ground potential according to the conductance ratio between the MOSFETs Q1, Q3 and the load MOSFET Q4. The MOSFET Q7 cannot be reliably turned off. That is, at the time of the write operation, the write control signal / WE is at the low level, and when the output signal of the gate circuit G is at the non-selected state of the high level, the MOSFET Q1 is turned on and the word line is connected to the ground potential side of the circuit. However, the level rises above the ground potential in accordance with the ratio of the conductance of the load MOSFET Q4 to the combined conductance of the MOSFETs Q3 and Q1.
[0075]
Therefore, a sub-word line SW1 to which the output signal of the CMOS inverter circuit N1 is supplied is provided, and a selection signal corresponding to the word line W1 is supplied to the gate of the switch MOSFET Q7. With this configuration, when the word line W1 is in the non-selected state, the output signal of the CMOS inverter circuit N is at a low level such as the ground potential, and the switch MOSFET Q7 can be reliably turned off.
[0076]
Accordingly, when the word line W1 is in a non-selected state such as a low level, a high level is supplied to the data lines D1 to D16 and the like, whereby a write operation to the storage element Qm coupled to another word line (not shown) is performed. In this case, it is possible to prevent a leak current from flowing through the storage MOSFET Qm provided on the non-selected word line W1 where writing is not performed. Since the channel current does not flow through the non-selected storage element Qm, the breakdown voltage of the MOSFET is also improved. This is because the MOS breakdown voltage when a channel current flows is due to a parasitic bipolar operation composed of a source, a substrate, and a drain, and is lower than the MOS breakdown voltage due to surface breakdown when no channel current flows.
[0077]
When a word driver for forming a word line selection signal is formed by a CMOS circuit, the word line W1 may be used to control the switch of the switch MOSFET Q7. In this case, since the potential of the word line at the time of the write operation is increased to the high voltage Vpp, the switch MOSFET Q7 needs to have a higher breakdown voltage accordingly.
[0078]
In this embodiment, in order to shorten the writing time, the writing circuit WA having the latch circuit FF is connected to all the data lines D2 to D16... Like the data line D1 exemplarily shown as a representative. Is provided. The storage element Qm is composed of a non-volatile storage element having a single-layer gate structure as shown in FIG. 1D and FIG. Therefore, the size thereof is larger than that of the nonvolatile memory element having the two-layer gate structure. Therefore, the pitch between the data lines becomes relatively large, and the above-described write circuit WA can be provided for each data line without sacrificing the data line pitch of the memory mat.
[0079]
In the configuration in which the write circuit WA is provided for each data line, a write operation including two steps is performed. That is, the write operation of the first step is an operation of storing the write data in the latch circuit FF. At this time, the data input through the data input circuit DIB sequentially selects a data line via the column switch CW, and the data is transferred to the latch circuit FF provided therein. When the data transfer to all the data lines corresponding to one word line or to the latch circuits FF corresponding to a plurality of predetermined data lines is completed, the write operation in the second step is started. In the write operation of the second step, the potential of the selected word line is set to the high voltage for writing the word line, and the high voltage is supplied to the data line D1 in accordance with the data taken into the latch circuit FF of each write circuit WA. The switching of the switch MOSFET Q6 is performed, and charge is injected into the floating gate of the storage element Qm.
[0080]
In this case, since the write current flows simultaneously to a plurality of storage elements as described above, it is necessary to provide the above-described leakage current prevention circuit in order to prevent the write current from becoming enormous. It is necessary.
[0081]
In addition, when a write operation is performed simultaneously on a plurality of storage elements Qm as described above, a relatively large current flows through the storage element Qm in which charge is injected into the floating gate. In such a case, it is necessary to prevent disconnection of the wiring due to migration due to a large current. To prevent such disconnection due to migration, the width of the source line may be increased. However, for high integration, it is not advisable to increase the wiring width. Therefore, by providing a plurality of switch MOSFETs Q7 at regular intervals of the source line S1 and dispersing the write current, it is possible to prevent disconnection due to the above-described migration without forming the source line so thick.
[0082]
The above-mentioned writing operation is performed by, but not limited to, a probing process when a circuit is completed on a semiconductor wafer. That is, in the probing process, a read test of the mask ROM is performed, a defective bit is detected from the inspection result, and a rescue address is written and storage data corresponding to the rescue address is written. In the case of performing defect rescue, by performing writing in the probing process in this way, when the mask ROM is completed, a special control terminal is not required for writing the rescue address and data corresponding thereto. .
[0083]
When the user changes or corrects the data, it is necessary to perform writing after the semiconductor integrated circuit device is completed. Therefore, an appropriate external terminal is provided, or 3 A value input circuit may be provided to multiplex one terminal.
[0084]
Also, the write voltage applied to the data line is not switched from the power supply voltage Vcc to the high voltage Vpp, but the power supply voltage Vcc of about 5 V is raised to about 7 V to 8 V within the allowable range of the breakdown voltage of the MOSFET. The voltage (Vcc ') as shown in FIG. In this case, it is not necessary to increase the breakdown voltage of the write MOSFETs Q6 and Q5, so that the manufacturing process can be simplified. When the high voltage Vpp is used only as a selection level when writing a word line, no DC current flows from the high voltage terminal Vpp, so that the high voltage Vpp can be formed by a relatively simple internal booster circuit.
[0085]
When the write voltage applied to the data line at the time of writing is relatively low, such as about 7 to 8 V, the writing time is relatively long. However, when the non-volatile storage element having a single-layer gate structure is used for defect relief or function change as in this embodiment, the number of write data may be relatively small, so that the unit write time is slightly longer. It will not be a big problem.
[0086]
As described above, in the write operation of the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure, the method of increasing the high voltage applied to the drain to the power supply voltage Vcc as Vcc ′ as in the embodiment of FIG. It goes without saying that the present invention can be used not only in the case of using the write circuit WA using the circuit FF but also in the case of inputting data from an external terminal shared with other terminals such as a pad, an external terminal or an address terminal.
[0087]
FIG. 5 shows a pattern diagram of an embodiment of the storage element having the above-described sub-word line. In this embodiment, a sub-word line SW made of the same aluminum layer as the source line SL is arranged in parallel with the source line SL. In the configuration in which the sub-word lines SW are arranged as described above, the size of the memory cell is correspondingly increased. Therefore, in order to prevent this, the source diffusion layer is formed small, and the source line wiring is formed to extend therethrough.
[0088]
17 to 23 show another embodiment of the present invention. In these embodiments, a part of the floating gate is exposed from the barrier layer covering the upper part of the floating gate. That is, the barrier layer does not cover the entire surface of the floating gate but covers a part thereof.
[0089]
As described above, it is desirable to form a barrier layer so as to cover the entire surface on the floating gate in order to improve data retention characteristics. However, if the entire surface of the floating gate is covered, the size of the nonvolatile memory element is increased accordingly. For this reason, when a large-capacity nonvolatile memory element having a single-layer gate structure is required as in the case of relief of a mask ROM, it is disadvantageous in terms of the degree of integration. Therefore, in order to reduce the size of the nonvolatile memory element, a configuration in which a part of the floating gate is exposed from the barrier layer is used. In other words, the barrier layer does not cover the entire surface of the floating gate but a word line. The shape of the data line or the source line is intentionally partially deformed to the extent possible and extends above the floating gate. By doing so, the floating gate is partially covered with the barrier layer, so that the data retention characteristics can be surely improved.
[0090]
In other words, it is presumed that the cause of impairing the data retention characteristic is that radical hydrogen from the final passivation film reacts and combines with the electrons accumulated in the floating gate, resulting in a decrease in the accumulated electrons. In this case, the rate at which the accumulated electrons decrease per unit time is considered to be proportional to the product of the electron density on the surface of the floating gate and the radical hydrogen density. Therefore, if the area ratio of the floating gate exposed from the barrier layer is reduced, the reaction between radical hydrogen and the electrons stored in the floating gate is reduced, so that the stored electron reduction rate is also reduced. As a result, the data retention characteristics are improved as described above.
[0091]
FIG. 17 is a sectional view showing the element structure of another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention, and FIG. 18 is a plan view thereof. 17 and 18, the aluminum layer 15 forming the word line WL is intended to be used as a barrier layer of the floating gate 8 by being intentionally extended to the right side (source line side) in FIG.
[0092]
FIG. 19 is a sectional view of the element structure of another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention, and FIG. 20 is a plan view thereof. 19 and 20, a slit is provided in the aluminum layer 15 forming the word line WL, so that a part of the floating gate 8 is exposed. Although not particularly limited, the slit is formed in a rectangular shape so as to be parallel to a word line extending over two floating gates. When the word line is extended to cover the entire surface of the floating gate to form the barrier layer as described above, the word line becomes thicker. As described above, when the word line is thickened, cracks are formed in the aluminum layer 15 as the word line and the lower insulating film 13 of the aluminum layer 15 due to the stress of the final passivation film, which may impair the element characteristics. Therefore, in this embodiment, slits are provided in the aluminum layer acting as the barrier layer to reduce the substantial thickness, thereby preventing the above-mentioned cracks from occurring.
[0093]
In FIGS. 17 to 20, the aluminum layer 15 forming the word line WL is extended to cover a part of the floating gate. Instead, the data line DL or the source line SL is formed. The aluminum layer 15 may be extended to form a barrier layer that covers a part or the entire surface of the floating gate. Similar to the above, slits may be provided to prevent cracks.
[0094]
FIG. 21 is a sectional view showing the element structure of another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention, and FIG. 22 is a plan view thereof. 21 and 22, the aluminum layers 15 forming the word lines WL and the data lines DL are respectively extended so as to cover a part of the floating gate 8. In this case, although the ratio of the individual aluminum layers forming the word lines WL and the data lines DL to cover the upper part of the floating gate is small, by making both the word lines WL and the data lines DL function as barrier layers, , The ratio of covering the upper portion of the floating gate 8 can be substantially increased. When the barrier layer is divided into two layers as described above, the thickness of each aluminum layer can be reduced, so that the occurrence of cracks can be prevented without providing the slit as described above.
[0095]
In the above embodiments, the word line WL is constituted by the aluminum layer 15 and the data line DL is constituted by the conductor layer 8 such as polysilicon or polycide. Such a configuration is convenient when the number of nonvolatile memory elements connected to the data line DL is smaller than the number of nonvolatile memory elements connected to the word line WL. That is, since the word line WL is formed of the aluminum layer 15 having a small resistance value, the delay time of the word line WL at the time of reading can be reduced.
[0096]
FIG. 23 is a plan view of another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention. In the embodiment of FIG. 23A, the word line WL is constituted by a conductor layer 8 made of polysilicon or polycide. Such a configuration is convenient when the number of nonvolatile memory elements connected to the word line WL is smaller than the number of nonvolatile memory elements connected to the data line DL. The data line DL is composed of an aluminum layer 15 as shown by a dotted line in FIG. Therefore, barrier layer is formed by forming aluminum layer 15 constituting data line DL so as to extend to a part of the upper portion of floating gate 8.
[0097]
In the embodiment shown in FIG. 23B, the word line WL is constituted by a conductor layer 8 made of polysilicon or polycide. Such a configuration is convenient when the number of nonvolatile memory elements connected to the word line WL is smaller than the number of nonvolatile memory elements connected to the data line DL. The data line DL and the source line SL are composed of an aluminum layer 15 as shown by a dotted line in FIG. In this embodiment, the aluminum layer 15 forming the source line SL is extended to a part of the upper part of the two floating gates 8 forming the two nonvolatile memory elements sandwiching the source line SL. The barrier layer is constituted by being formed.
[0098]
As in the embodiment shown in FIGS. 21 and 22, the aluminum layers 15 of both the data line DL and the source line SL are extended so as to cover and partially cover the floating gate 8, respectively. Is also good.
[0099]
24A to 24D are cross-sectional views showing a manufacturing process for explaining another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention, together with an N-channel MOSFET and a P-channel MOSFET formed simultaneously. Have been.
[0100]
In this embodiment, unlike the nonvolatile memory element shown in FIGS. 1A to 1D, the step of forming the N-type diffusion layer 6 is omitted. That is, the control gate of the nonvolatile memory element QE of this embodiment is connected to the N-type well region 102 (n ). Further, in the nonvolatile memory element QE, similarly to the nonvolatile memory element QE shown in FIGS. 1A to 1D, an N-type diffusion layer 10 is formed so as to extend below the floating gate. . That is, the capacitive coupling between the floating gate and the control gate is determined by the capacitance between the N-type well region 102 and the floating gate and the capacitance between the N-type diffusion layer and the floating gate. Since the capacitance coupling can be increased as compared with the case where only the capacitance between the cells is used, the cell size can be reduced.
[0101]
FIG. 25 is a plan view of the nonvolatile memory element corresponding to FIGS. 24A to 24D. In this case, when a depletion-type N-channel MOSFET is formed on the same semiconductor substrate, the capacitance between the N-type well region 102 and the floating gate can be further increased by implanting an N-type impurity used for depletion type. It has the effect of increasing it. Of course, the control gate may be constituted only by the N-type well region 102. Alternatively, a diffusion layer extending below the floating gate, such as the N-type diffusion layer 10, may be used as the control gate without using the N-type well region 102.
[0102]
In this embodiment, the N-type well region formed on the P-type semiconductor substrate is used for the control gate. However, when the N-type semiconductor substrate is used, the nonvolatile memory having the PMOS structure using the P-type well region for the control gate is used. It may be an element, and various modifications are possible.
[0103]
According to the present embodiment, it is possible to obtain a nonvolatile memory element in which a control gate is formed of a diffusion layer without adding any manufacturing process, and therefore, it can be applied to any semiconductor integrated circuit device.
[0104]
Since the distance for separating the N-type well region from another diffusion layer such as the N-type diffusion layer 10 is long in the nonvolatile memory element of the present embodiment, the cell size is as shown in FIG. 4 or FIG. It will be larger than the example cell size. However, as will be described later, the number of nonvolatile storage elements required is small in the case of only address conversion, such as in the case of repairing a RAM, so that there is no problem even if the cell size is slightly large.
[0105]
26A to 26C are cross-sectional views showing a manufacturing process for explaining still another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention. It is shown together with a storage MOSFET QM constituting a mask ROM having a two-layer gate structure.
[0106]
In this embodiment, adjacent word lines are constituted by different conductor layers 8 and 108 in order to improve the integration degree of the mask ROM. That is, of the plurality of storage MOSFETs arranged in series, the word line of the odd-numbered MOSFET is formed by the first polysilicon layer 8, and the even-numbered MOSFET is formed by the second polysilicon layer 108. Configure a word line. When such an adjacent word line has a two-layer gate structure, a substantial interval between word lines (pitch of storage MOSFET) is reduced, so that the degree of integration can be improved.
[0107]
Also in this case, the nonvolatile memory element QE used for defect relief has a one-layer gate structure in which the control gate is formed of a diffusion layer. The non-volatile memory element has a single-layer gate structure despite the fact that the polysilicon layer has a two-layer structure for the following reasons. In a nonvolatile memory element having a two-layer gate structure, a gate insulating film provided between the first and second polysilicon layers is essentially different from that of a mask ROM having a two-layer gate structure.
[0108]
That is, the two-layer gate structure in the mask ROM is different from the two-layer gate structure in that an insulating film may be formed merely for the purpose of simply electrically separating the first and second gates. The nonvolatile memory element needs to be a thin insulating film whose film quality and film pressure are controlled to satisfy desired write / read characteristics. Therefore, in a nonvolatile memory element having a two-layer gate structure, it is necessary to add a special manufacturing process for forming an insulating film to be formed between the floating gate and the control gate. Therefore, by using the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure as described above, defect relief or the like can be performed without substantially increasing the number of manufacturing steps.
[0109]
In FIG. 26A, as in the embodiment shown in FIGS. 1A to 1D, an N-type diffusion layer 6 serving as a control gate, a mask including a first gate insulating film 7 and a first gate electrode 8 are provided. The first MOSFET of the ROM is formed. Insulating films 201 and 211 are formed on the upper and side surfaces of the first gate electrode 8 for insulation from the second MOSFET of the mask ROM.
[0110]
In FIG. 26B, a second MOSFET of a mask ROM including the second gate insulating film 107 and the second gate electrode 108 is formed. In the present embodiment, the floating gate of the nonvolatile memory element QE and the gate electrodes of the N-channel MOSFET QN and the P-channel MOSFET QP constituting the peripheral circuit of the mask ROM are formed by the second-layer conductor layer 108. Of course, these gate electrodes may be constituted by the first conductor layer 8.
[0111]
As shown in FIG. 26C, each of these circuit elements is completed in the same manner as in the above embodiment. However, the passivation film is omitted in FIG. In this embodiment, even if the original semiconductor integrated circuit device has a two-layer gate structure as described above, the manufacturing process is simplified by forming the nonvolatile memory element into a one-layer gate structure.
[0112]
FIGS. 27A and 27B are cross-sectional views of an element structure of an embodiment of a semiconductor integrated circuit device when a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure is used for rescue of a dynamic RAM. .
[0113]
The dynamic memory cell in FIG. 27A has a so-called STC structure in which an information storage capacitor includes a conductor layer 203, a dielectric film 204, and a conductor layer 205. The dynamic memory cell in FIG. 27B has a so-called planar structure in which an information storage capacitor includes an N-type diffusion layer 6, a dielectric film 204, and a conductor layer 205. In the figure, the passivation film is omitted.
[0114]
In each of the embodiments shown in FIGS. 27A and 27B, similarly to the embodiment shown in FIGS. 24A to 24E, the nonvolatile memory element having a single-layer gate structure is an N-type. Since the control gate is constituted by the well region 102, there is no additional manufacturing process. Since the defect relief in the dynamic RAM is performed only by address conversion, the number of necessary nonvolatile storage elements may be small, so that there is no substantial problem even if the cell size is large.
[0115]
In the case where two wiring layers 15 and 17 are provided, as shown in the cross-sectional view of FIG. 27B and the plan view of FIG. Are covered by a combination of two layers of wiring layers 15 and 17. That is, in this embodiment, the word line WL is formed of the first aluminum layer 15, and the data line DL is formed of the second aluminum layer 17. Therefore, the two aluminum layers 15 and 17 overlap each other and cover the floating gate provided thereunder.
[0116]
FIG. 29 is a block diagram showing one embodiment of a dynamic RAM incorporating a defect relief circuit using a nonvolatile memory element according to the present invention. The memory section of the dynamic RAM includes a memory mat DR-MAT, a Y gate circuit DR-YGT, and a sense amplifier circuit DR-SAM. The memory mat DR-MAT is configured by arranging a memory cell including an information storage capacitor as shown in FIG. 27A or 27B and a transfer MOSFET for address selection in a matrix. In the case of a dynamic RAM, a non-volatile memory element for storing data later like a mask ROM is not necessary, and a spare memory arranged in a matrix of the same memory cells as the memory mat DR-MAT is used. It comprises a (redundant) memory mat dr-MAT, a Y gate circuit dr-MAT, and a sense amplifier circuit dr-SAM.
[0117]
Further, the dynamic RAM incorporates a substrate bias generation circuit VBBG. That is, as described above, the spare memory mat dr-MAT uses the same volatile memory cells as the memory mat DR-MAT, there is no circuit for writing to the spare memory mat dr-MAT, Except for the fact that a VBBG is mounted, the defect of the dynamic RAM can be remedied in the same manner as in the address conversion of the mask ROM.
[0118]
Although not particularly limited, at the time of writing to the nonvolatile memory element, the substrate bias generation circuit VBBG is inactivated, and the semiconductor substrate is set to the circuit ground potential (ground potential). This is because a high voltage is applied to the control gate formed of the diffusion layer formed on the semiconductor substrate when writing to the nonvolatile memory element, so that the voltage of the PN junction does not become too high. In other words, this makes it possible to write to a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure using the diffusion layer as a control gate without particularly increasing the breakdown voltage of the PN junction. Needless to say, defect relief for a static RAM can also be realized by the same method as that for defect relief for a dynamic RAM as in this embodiment.
[0119]
FIG. 30 is a block diagram showing an embodiment in which a nonvolatile memory element having a one-layer gate structure according to the present invention is used for a microcomputer or the like. The microcomputer of the present embodiment includes a CPU (microprocessor), ROM, RAM, and I / O (input / output) ports configured on the same semiconductor substrate, and the respective circuit blocks are interconnected by a BUS (bus). Have been. The CPU is provided with a μROM (microprogram ROM).
[0120]
The rescue circuit is indicated by hatching in the μROM, ROM, ROM, and I / O port. These rescue circuits have a configuration similar to the circuits shown in FIGS. 6 to 15. The μROM and the ROM use nonvolatile storage elements to perform address conversion and data storage, and the RAMs use nonvolatile storage. Address conversion is performed using elements. Since these rescue methods are the same as those in the above-described embodiment, description thereof will be omitted. In the I / O port, for example, input / output at TTL level and input / output at CMOS level are changed. By using a nonvolatile memory element having a one-layer gate structure in which a control gate is formed of a diffusion layer as in this embodiment, it is easy to rescue each logic block mounted on a microprocessor or to change a logic such as an I / O port. It can be carried out. Further, it is also possible to prepare a spare BUS and convert the address of each logical block connected to the failed BUS.
[0121]
FIG. 31 is a sectional view of an element structure of an embodiment in which the nonvolatile memory element having a single-layer gate structure according to the present invention is mounted on a conventional EPROM having a two-layer gate structure. The control gate of the nonvolatile memory element QE having the single-layer gate structure according to the present invention is constituted by the N-type well region 102 which does not require any additional manufacturing steps as described above. The N-channel MOSFET QHN and the P-channel MOSFET QHP are high-breakdown-voltage MOSFETs used when writing a nonvolatile memory element (EPROM) QEP having a two-layer gate structure, and include a first gate insulating film 7 and a first gate electrode 8. ing. The N-channel MOSFET QN and the P-channel MOSFET QP are MOSFETs used at a normal operating voltage, and include a second gate insulating film 107 and a second gate electrode. The nonvolatile memory element QEP having a two-layer gate structure includes a floating gate formed of a first gate electrode 8 and a control gate formed of a second gate electrode 108 provided thereon with an insulating film 207 interposed therebetween.
[0122]
In the case where only the EPROM having the two-layer gate structure is relieved as described above, it is easy to use the EPROM having the two-layer gate structure also as the nonvolatile memory element for rescue. However, in the case of the microcomputer shown in FIG. 24, an EPROM whose data can be easily changed is used as a data ROM in the early stage of product development, but the function is the same after temporary data is determined. Even if inexpensive mask ROM is used. At this time, if the repair is performed by the EPROM having the two-layer gate structure, the EPROM having the two-layer gate structure must be changed to the nonvolatile memory element having the one-layer gate structure. ). Therefore, in such a case, as in the present embodiment, the part of the relief circuit is constituted by a circuit including a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure from the beginning. Thus, for example, a microcomputer in which the data ROM is changed from an EPROM having a two-layer gate structure to a mask ROM can be easily obtained. Alternatively, this is convenient when the number of nonvolatile storage elements mounted on the microcomputer may be small.
[0123]
FIG. 32 is a sectional view showing an element structure of an embodiment in which the nonvolatile memory element according to the present invention is used for trimming of a semiconductor integrated circuit device including an analog circuit. FIG. An example circuit diagram is shown. As shown in FIG. 32, a semiconductor integrated circuit device including an analog circuit includes an N-channel MOSFET QN and a P-channel MOSFET QP constituting an operational amplifier AMP of a digital section and an analog section, a capacitive element QC, and a resistive element QR. You.
[0124]
The trimming circuit shown in FIG. 33 performs trimming of a reference voltage used in an analog circuit, and sets an internally generated voltage Vin to a desired voltage Vout using 3-bit data. A series resistor circuit R0 is provided between the voltage Vout and the ground potential, and each mutual terminal is connected to one terminal of an operational amplifier AMP via a decoder DEC. The decoder DEC is operated by data generated by the trimming circuits TRC1 and TRC3, and trimming is performed by changing the resistance ratio.
[0125]
First, the PC terminal is set to the ground potential, predetermined data is input to the PD terminal, and trimming data is determined. Next, the Vcc terminal is set to the ground potential, the write voltage Vpp is applied to the PC terminal, the predetermined data is input to the PD terminal, and the nonvolatile memory element QE is written.
[0126]
In the present embodiment, the data is directly input from the PD terminal via the resistor R, but may be as in the above embodiment. Alternatively, only one data input terminal may be provided, and serial data may be changed to parallel data by a shift register to perform writing.
[0127]
Further, a semiconductor integrated circuit device including an analog circuit is often operated with a battery of about 1 V. The threshold voltage of the nonvolatile memory element QE before writing is usually about 1 V, and it is impossible to judge before and after writing. In such a case, (1) the gate voltage of the nonvolatile memory element QE is boosted to a voltage that allows determination before and after writing, for example, about 3 to 5 V. (2) The state before writing is set to the depletion mode, and the mode is set to the enhancement mode after writing. Then, the gate voltage is set to the ground potential and read. (3) The state before writing is set to the enhancement mode by the method described later, and the mode is set to the depletion mode after writing. Then, the gate voltage is set to the ground potential and read.
[0128]
FIG. 34 is a circuit diagram of one embodiment of a memory array having a vertical (NAND) configuration using a nonvolatile memory element according to the present invention, and FIG. 35 is a partial plan view thereof. FIG. 36 shows a principle diagram of the writing method. In FIG. 34, in a memory array having a NAND configuration, nonvolatile storage elements are connected in series, a MOSFET constituting a column switch is provided on the data lines (or bit lines) D0 and D1, and the other end is connected to a circuit. A switch MOSFET is provided between the switch MOSFET and the ground potential point. This configuration is basically the same as the vertical mask ROM except that the storage MOSFET is a nonvolatile storage element and a switch MOSFET is provided.
[0129]
In FIG. 35, a word line WL made of an aluminum layer extending in the vertical direction is commonly contacted with a diffusion layer forming a control gate corresponding to two adjacent data lines DL, and a hatched line overlapping this diffusion layer is shown. The attached control gate is extended so as to straddle the data line DL constituting the source and drain extending in the lateral direction, thereby forming a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure connected in series. By adopting such a layout, the occupied area can be reduced to about 42% as compared with a conventional horizontal (NOR) configuration memory array.
[0130]
In FIG. 36, writing is performed sequentially from the source side in the nonvolatile memory element in the serial form. At this time, the control signal SW is set to a low level such as the ground potential so that no DC current flows in the series circuit at the time of writing, and the switch MOSFET is turned off. In the initial state, the threshold voltage of the nonvolatile memory element has a positive voltage (enhancement mode).
[0131]
In this state, writing is performed from the nonvolatile memory element connected to the word line W7, the word line W7 is set to a low level such as the ground potential, and the other word lines W6 to W1 and the control voltages Y0 and Y1 of the column switches are changed to the low level. A relatively high voltage is applied. If the write data D0 is at a low level, no electric field acts between the control gate and the drain. Therefore, no tunnel current flows from the floating gate to the drain, and the threshold voltage (Vth> 0) is maintained. On the other hand, if the write data D0 is at a high level at a relatively high voltage, a high electric field acts between the control gate and the drain, causing a tunnel current to flow from the floating gate to the drain, and the threshold voltage (Vth <0).
[0132]
Hereinafter, similarly, writing is performed by setting the selected word line to the low level in the order of W6 to W0. In such a write operation, since only a tunnel current flows, the write current is small, and a current clamp or the like as in the case of the NOR type configuration is not required, thereby simplifying the circuit configuration.
[0133]
At the time of reading, the control signal SW is set to the high level to turn on the switch MOSFET. In this state, the conventional memory cells are read out in the same manner as the conventional vertical ROM because the depletion type is the enhancement type according to the stored information as described above.
[0134]
FIG. 37 is a circuit diagram of an embodiment in which the nonvolatile storage element according to the present invention is used to enable erasing electrically. In this embodiment, data is written using hot carriers as in a conventional EPROM, and data is erased using a tunnel current as shown in FIG. That is, data writing is performed in the same manner as shown in FIG. In the case of erasing data, the word line of the nonvolatile storage element to be erased is set to low level. As a result, the P-channel MOSFET Q2 is turned on, and a high level (Vpp) is supplied to the source line, and a high electric field is applied between the control gate and the source as shown in FIG. A tunnel current is caused to flow between the gate and the source. The MOSFET Q3 is turned off by the control signal RW at the time of writing and turned on by the control signal RW. MOSFET Q1 is turned on according to the selection / selection of the word line.
[0135]
At the time of reading, the source of the nonvolatile memory element connected to the non-selected word line is opened due to the off state of the MOSFET Q1, so that even if the nonvolatile memory element is overerased and becomes in the depletion state, a leak current flows through the memory element. There is no flow and no problem occurs in reading.
[0136]
FIGS. 38A and 38B are layout diagrams of an embodiment of the semiconductor integrated circuit device according to the present invention. The embodiment shown in the figure is directed to a case where a relief circuit using a nonvolatile memory element according to the present invention is mounted on a mask ROM.
[0137]
In FIG. 38A, a pad is provided at the center of the chip, and a relief circuit is provided as indicated by hatching between the pad and the memory mat MAT.
[0138]
In FIG. 38B, a relief circuit is provided as shaded between pads arranged in two rows in a zigzag pattern provided at the center of the chip.
[0139]
In the above configuration,
1) Since the stress at the center of the chip when it is sealed in the package is small, the characteristic fluctuation of the nonvolatile memory element is small and the reliability can be increased.
2) When the capacity of the mask ROM becomes large, the power supply line, the ground line, or the signal line becomes long. As a result, a malfunction due to signal delay or noise becomes a problem. As a countermeasure, it is necessary to arrange a pad at the center of the chip. In this case, the position where the relief circuit is arranged is desirably around the pad where space can be obtained most easily. This can prevent an increase in chip size.
[0140]
FIGS. 39A and 39B are layout diagrams of another embodiment of the semiconductor integrated circuit device according to the present invention. The embodiment shown in the figure is directed to a case where a relief circuit using the nonvolatile memory element according to the present invention is mounted on a microcomputer.
[0141]
In FIG. 39A, the relief circuits with diagonal lines are combined in one place of the chip. In this configuration, data lines can be easily input from the outside to the relief circuit.
[0142]
In FIG. 39B, the rescue circuits are dispersedly arranged for each functional block to be rescued, for example, μROM, ROM, RAM, or ADC (analog / digital conversion circuit). In this configuration, the relief circuit is provided close to the corresponding circuit, so that the delay time at the time of relief can be shortened.
[0143]
FIGS. 40A and 40B are circuit diagrams of an embodiment of a pad used for a write operation to a nonvolatile memory element. In FIG. 40A, a P-channel MOSFET having a high resistance value for pulling up a pad to a power supply voltage Vcc is provided. In FIG. 40B, an N-channel MOSFET having a high resistance value for pulling down the pad to the ground potential of the circuit is provided.
[0144]
In this way, a pull-up or pull-down resistor element is provided for a pad used for a write operation to a nonvolatile memory element having a one-layer gate structure at the time of repair or a function change, and these pads are directly connected to external terminals. do not do. With such a configuration, an increase in the number of external terminals can be prevented. Further, in the semiconductor integrated circuit device in which the defect relief or the function change has been performed as described above, the pad used therein is pulled up or pulled down to a fixed level, so that the pad has an undesired potential. Malfunction can be prevented. The resistance element to be pulled up or pulled down may use polysilicon or the like instead of the high resistance MOSFET as described above.
[0145]
FIG. The A flowchart for explaining an embodiment of the method is shown. In the embodiment of FIG. 41A, trimming data is determined after being sealed in a package by a terminal shared with an external terminal or another terminal.
[0146]
In the embodiment of FIG. 41 (B), of the plurality of bits of data used for trimming, the upper bits are removed in a probing step before a chip is completed on a semiconductor wafer before sealing in a package. After the determination, rough trimming is performed. After the chip is sealed in the package, the remaining lower bits are determined, and minute trimming is performed. By employing such a trimming method, it is possible to perform accurate trimming that can cope with minute fluctuations in element characteristics caused by heat treatment or the like when a chip is sealed in a package.
[0147]
FIG. 42 is a flowchart of an embodiment in which writing is performed on the nonvolatile memory element according to the present invention after the package is sealed. In the chip forming step, a desired semiconductor integrated circuit is formed on a semiconductor wafer as described above.
[0148]
In the test step, a test of the semiconductor integrated circuit including the nonvolatile memory element is performed. The test of the nonvolatile memory element is performed both in a state before writing data and in a state after writing data.
[0149]
In the erasing step, the nonvolatile memory element is returned to the initial state. That is, the state before writing data is set. The erasing operation is performed by irradiating ultraviolet rays when the nonvolatile memory element is an EPROM. In the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure of this embodiment, a barrier layer made of aluminum or the like is provided on the floating gate. The aluminum layer itself does not transmit ultraviolet rays, but can be erased by diffracting or irregularly reflecting ultraviolet rays. In particular, when the barrier layer is provided only on a part of the floating gate as in the above embodiment or when the slit is provided, the erasing can be efficiently performed. Even if the entire surface of the floating gate is covered with aluminum to prevent radical hydrogen from the final passivation film from reaching the floating gate, the distance that the barrier layer extends from the floating gate is short, as described above. It can be sufficiently erased by diffraction and irregular reflection of ultraviolet rays.
[0150]
In a conventional EPROM having a two-layer gate structure, when the EPROM having a two-layer gate structure for relieving defects is used for address conversion, the address conversion section is also erased by the erasing operation of the memory array section. In order to prevent this, an aluminum layer covers the entire surface of the address conversion unit. In this case, a large aluminum shielding film is formed in consideration of diffraction and irregular reflection of erasing ultraviolet rays in the memory array section. Therefore, even in the same aluminum layer, in the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure according to the present invention, an aluminum layer as a barrier layer for preventing radical hydrogen from entering the floating gate from the final passivation film is provided. Are fundamentally different in their technical ideas.
[0151]
In the encapsulation step, chips that have been determined to be non-defective among the chips individually separated from the semiconductor wafer are encapsulated in a package. In the data storage step, desired data is stored in the nonvolatile storage element. In the test step, a test of the nonvolatile memory element is performed, so that a good semiconductor integrated circuit device can be obtained regardless of what data is stored in the nonvolatile memory element in the data storage step. .
[0152]
The above-described test process is effective for any nonvolatile storage element. In particular, when the nonvolatile storage element is an EPROM and is sealed in a package such as a plastic that does not transmit ultraviolet rays, in other words, This is effective when the non-volatile storage element is used for one-time writing by disabling the erasing function by ultraviolet rays.
[0153]
The nonvolatile memory element having the single-layer gate structure according to the present invention may be used for changing or correcting data in the mask ROM in addition to repairing the defect in the mask ROM. Furthermore, the present invention may be applied to a PLD using a non-volatile memory element as a logic determining element and used to set / change a circuit function. When a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure is used for setting or changing the functions of such a mask ROM or digital integrated circuit, it is only necessary to add a diffusion layer for forming a control gate. Since the well region can be used, it is unnecessary, and the manufacturing process can be simplified as compared with the case where a nonvolatile memory element having a two-layer gate structure is used.
[0154]
Since the barrier layer is provided in the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure, high reliability can be obtained. The nonvolatile memory element having the single-layer gate structure of this embodiment may constitute one semiconductor memory device by itself. However, the cell size is significantly larger than that of a nonvolatile memory element having a two-layer gate structure. Therefore, the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure of this embodiment is suitable for a small-capacity memory circuit for relieving defects of a memory circuit such as a mask ROM as described above and for setting / changing a function of a digital circuit. I have.
[0155]
The operational effects obtained from the above embodiment are as follows. That is,
(1) Forming a barrier layer so as to cover the entire upper surface of a floating gate formed of a conductor layer formed so that a part thereof overlaps a control gate formed of a diffusion layer with a thin insulating film interposed therebetween. As a result, it is possible to obtain an effect that data retention characteristics can be significantly improved.
[0156]
(2) When a final passivation film in a semiconductor integrated circuit device is constituted by a nitride film formed by a plasma CVD method, an inexpensive plastic package can be used. Therefore, the barrier layer improves data retention characteristics. In addition, there is an effect that an inexpensive semiconductor integrated circuit device can be obtained.
[0157]
(3) The barrier layer uses a conductor layer or an oxide film formed by a plasma-CVD method to improve the data retention characteristics of the nonvolatile memory element having a single-layer gate structure without adding a special manufacturing process. The effect that can be obtained is obtained.
[0158]
(4) By forming the barrier layer integrally with a word line made of an aluminum layer to which the control gate is connected, an effect that the barrier layer can be easily formed can be obtained.
[0159]
(5) By using a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure provided with the barrier layer for relieving defects or setting / changing functions of a mask ROM or a digital circuit, high reliability can be prevented while preventing an increase in the number of manufacturing steps. Therefore, it is possible to obtain the effect that the defect can be remedied and the function can be set / changed.
[0160]
(6) In a semiconductor integrated circuit device including an analog circuit and a ROM or a RAM, the effect is obtained that the ROM or the RAM can be relieved before the package is sealed and the analog circuit can be trimmed after the package is sealed.
[0161]
(7) By using a non-volatile memory element having a single-layer gate structure provided with a barrier layer for defect repair and data correction change of a mask ROM, it is possible to achieve high reliability without increasing a manufacturing process and an occupied area. Thus, it is possible to obtain the effect that the defect can be repaired and the data can be corrected and changed.
[0162]
(8) The source of the nonvolatile memory element having a single-layer gate structure composed of a plurality of single layers corresponding to the word lines is connected to the common source line, and the ground potential of the circuit is changed by the switch element controlled by the selection signal of the corresponding word line. By providing such an effect, it is possible to prevent the occurrence of a leak current in the storage element of the unselected word line, and to obtain an effect that the withstand voltage can be improved accordingly.
[0163]
(9) The nonvolatile memory elements arranged in a matrix form a plurality of memory cells connected to one word line based on write data held in a latch circuit provided in a data line to which the nonvolatile memory elements are coupled. On the other hand, writing at the same time has an effect that the writing time can be reduced.
[0164]
(10) The word line selection signal can be simplified by using a drive circuit that forms an output level in accordance with the conductance ratio between the load MOSFET and the drive MOSFET, and the nonvolatile memory element can be shared. By transmitting a selection signal formed by a CMOS circuit through a sub-word line to a switch element that applies a ground potential to the source, an effect that leakage current can be reliably prevented can be obtained.
[0165]
(11) As in the case where the nonvolatile memory element is an EPROM, the voltage Vcc for performing a normal operation is set to a relatively small voltage such as 5 V in a normal state, and to a high voltage such as 7 V or 8 V in a write operation. . Thus, there is no need to use a high breakdown voltage MOSFET as a write-related circuit, and an advantage is obtained in that the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit can be simplified.
[0166]
Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment, the invention of the present application is not limited to the embodiment, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the invention. Nor. For example, the barrier layer may be formed below the final passivation film and above the floating gate layer. Various embodiments can be adopted for the pattern of the nonvolatile memory element having the single-layer gate structure.
[0167]
In the nonvolatile memory element having a single-layer gate structure according to the present invention, writing is performed by hot carriers and erasing is performed by applying a high voltage to a source or a drain by a tunnel current, or writing and erasing are performed by a tunnel current. It can also be used as a nonvolatile storage element that can be written and erased.
[0168]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely used for a non-volatile memory element having a single-layer gate structure itself and a semiconductor integrated circuit device using the same for function setting or change, a redundant circuit, or the like.
[0169]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative inventions among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, for a memory circuit including a memory matrix including a plurality of read-only memory cells and a decoder for selecting a memory cell from the memory matrix, a redundant memory matrix including a plurality of electrically programmable memory cells; A redundant circuit comprising a redundant decoder for selecting an electrically programmable memory cell from the redundant memory matrix is provided. When a memory cell selected by an address signal has a defect, the data is stored in the selected memory cell. In place of the data, the data stored in the electrically programmable memory cell is output, and each of the electrically programmable memory cells is connected to a control gate formed by an impurity layer and a conductive layer. Included, and The use of those containing a floating gate having a portion, it is possible to defect remedy while preventing an increase in manufacturing steps.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of an embodiment for explaining a nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 2 is an element structure sectional view showing another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of an element structure showing still another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 4 is an element pattern diagram showing one embodiment of a nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 5 is an element pattern diagram showing another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing an embodiment of a mask ROM to which the present invention is applied.
FIG. 7 is a circuit diagram showing one embodiment of a redundant word line selection circuit RAST in the mask ROM of FIG. 6;
8 is a circuit diagram showing one embodiment of a relief address selection circuit RAS in the mask ROM of FIG.
9 is a circuit diagram showing one embodiment of a relief address storage circuit PR-ADD in the mask ROM of FIG.
FIG. 10 is a circuit diagram showing one embodiment of a write data input circuit PR-PGC in the mask ROM of FIG. 6;
11 is a circuit diagram showing one embodiment of a redundant Y decoder circuit PR-YDC in the mask ROM of FIG. 6;
12 is a circuit diagram showing one embodiment of a redundant memory mat PR-MAT, a column switch gate PR-YGT, and a sense amplifier circuit PR-SAM in the mask ROM of FIG. 6;
FIG. 13 is a circuit diagram showing one embodiment of a multiplexer MPX in the mask ROM of FIG. 6;
FIG. 14 is a circuit diagram showing another embodiment of the mask ROM to which the present invention is applied.
FIG. 15 is a circuit diagram showing another embodiment of the redundant memory mat and its peripheral circuits according to the present invention.
FIG. 16 is a data retention characteristic diagram of a nonvolatile memory element for explaining the present invention.
FIG. 17 is a sectional view of an element structure showing another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
18 is a plan view of the nonvolatile memory element in FIG.
FIG. 19 is a sectional view of an element structure showing another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
20 is a plan view of the nonvolatile memory element in FIG.
FIG. 21 is a sectional view of an element structure showing another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 22 is a plan view of the nonvolatile memory element in FIG. 21;
FIG. 23 is a plan view showing another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 24 is a manufacturing process sectional view for explaining another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention;
FIG. 25 is a plan view of the nonvolatile memory element in FIG. 24;
FIG. 26 is a manufacturing process sectional view for explaining still another embodiment of the nonvolatile memory element according to the present invention;
FIG. 27 is a sectional view of an element structure showing one embodiment of a semiconductor integrated circuit device in the case where a nonvolatile memory element having a single-layer gate structure according to the present invention is used for relief of a dynamic RAM.
FIG. 28 is a plan view corresponding to FIG. 27 (B).
FIG. 29 is a block diagram showing one embodiment of a dynamic RAM incorporating a defect rescue circuit using a nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 30 is a block diagram showing one embodiment in which the nonvolatile memory element according to the present invention is used for rescue of a microcomputer or the like.
FIG. 31 is a sectional view of an element structure showing an embodiment in which a nonvolatile memory element having a one-layer gate structure according to the present invention is mounted on a conventional EPROM having a two-layer gate structure.
FIG. 32 is a sectional view of an element structure showing one embodiment in which the nonvolatile memory element according to the present invention is used for trimming of a semiconductor integrated circuit device including an analog circuit.
FIG. 33 is a circuit diagram showing one embodiment of the trimming circuit of FIG. 32;
FIG. 34 is a circuit diagram showing one embodiment of a memory array having a vertical configuration using a nonvolatile memory element according to the present invention.
FIG. 35 is a plan view showing one embodiment of the memory cell of FIG. 34;
FIG. 36 is a principle view showing one embodiment of a writing method of the nonvolatile memory element of FIG. 34;
FIG. 37 is a circuit diagram showing one embodiment in a case where the nonvolatile memory element according to the present invention can be electrically erased.
FIG. 38 is a layout diagram showing one embodiment of a semiconductor integrated circuit device (mask ROM) according to the present invention.
FIG. 39 is a layout diagram showing one embodiment of a semiconductor integrated circuit device (microcomputer) according to the present invention.
FIG. 40 is a circuit diagram showing one embodiment of a pad used for a write operation to a nonvolatile memory element.
FIG. 41 is a flowchart illustrating an embodiment of a trimming method.
FIG. 42 is a flowchart showing one embodiment in which writing is performed on the nonvolatile memory element according to the present invention after the package is sealed;
[Explanation of symbols]
QE..Non-volatile memory element, QN..N channel MOSFET, QP..P channel MOSFET, QHN..High voltage N channel MOSFET, QHP..High voltage P channel MOSFET, QD. Dynamic memory cell, QM.・ Mask type memory cell, QEP ... EPROM with two-layer gate structure, QR ... Resistor element, QC ... Capacitance element,
1. semiconductor substrate, 2,102 well region, 3. field insulating film, 4. channel stopper, 7,107 gate insulating film, 5, 11, 13, 16, 201, 211 insulating Film (interlayer insulating layer), 8, 108, 204, 205 conductive layer, 15, 17, wiring layer, 6, 9, 10, 109, 112 diffusion layer, 14, 114 contact hole, 18 ..Final passivation film, 204..Dielectric film,
ADB address buffer, MR-MAT mask ROM, OR-MAT redundancy memory circuit, XDC X decoder circuit, MR-YGT, PR-YGT column switch gate, YDC Y decoder Circuit, MR-SAM, PR-SAM sense amplifier circuit, DIB input buffer circuit, DOB output buffer circuit, MPX multiplexer, RAS relief address selection circuit, R-ADD relief address storage Circuit, RAST... Redundant word line selection circuit,
CONT control circuit, PR-PGC write data input circuit, WA write circuit, FF latch circuit, DEC decoder circuit, TRC1 to TRC3 trimming circuit, AMP operational amplifier, μROM Microprogram ROM, ROM read only memory, RAM random access memory, CPU microprocessor, ADC analog / digital conversion circuit, PORT input / output port.

Claims (7)

アナログ回路不揮発性記憶素子を含み上記アナログ回路をトリミングするトリミング回路とを有する集積回路のトリミング方法であって、
半導体ウェハに形成された上記集積回路の上記アナログ回路の第1のトリミングデータを上記不揮発性記憶素子に記憶する第1のトリミング工程と、
上記集積回路をパッケージに封止する封止工程と、
上記パッケージに封止された上記集積回路に対して上記アナログ回路の上記第1のトリミングデータよりも微小な調整にかかる第2のトリミングデータ上記不揮発性記憶素子に記憶する第2のトリミング工程とを含み、
上記第2のトリミング工程において、上記第2のトリミングデータの上記不揮発性記憶素子への記憶は電気的に行われることを特徴とするトリミング方法。
A trimming method for an integrated circuit having a trimming circuit for trimming the analog circuit includes an analog circuit and a nonvolatile memory element,
A first trimming step of storing first trimming data of the analog circuit of the integrated circuit formed on a semiconductor wafer in the nonvolatile storage element ;
A sealing step of sealing the integrated circuit in a package,
A second trimming step of storing, in the nonvolatile memory element, second trimming data for finer adjustment of the analog circuit than the first trimming data for the integrated circuit sealed in the package; Including
In the second trimming step, the storage of the second trimming data in the nonvolatile memory element is performed electrically .
上記第2のトリミング工程において、上記パッケージに封止された上記集積回路の外部端子から電圧を印加して上記不揮発性記憶素子の状態を変化させて上記第2のトリミングデータを記憶させることにより、上記第2のトリミングデータの上記不揮発性記憶素子への記憶を電気的に行うことを特徴とする請求項1のトリミング方法。In the second trimming step, by applying a voltage from an external terminal of the integrated circuit sealed in the package to change a state of the nonvolatile memory element and storing the second trimming data, 2. The trimming method according to claim 1, wherein the storage of the second trimming data in the nonvolatile memory element is performed electrically. 上記不揮発性記憶素子は、半導体基板の半導体領域に形成されたコントロールゲートと、絶縁層を介して上記コントロールゲートとオーバーラップした部分を有するフローテイングゲートとを含むことを特徴とする請求項1のトリミング方法。2. The nonvolatile memory element according to claim 1, wherein the nonvolatile memory element includes a control gate formed in a semiconductor region of a semiconductor substrate, and a floating gate having a portion overlapping the control gate via an insulating layer. Trimming method. 上記第1のトリミングデータは、トリミングデータの上位ビットであり、上記第2のトリミングデータは、トリミングデータの下位ビットであることを特徴とする請求項1のトリミング方法。 2. The trimming method according to claim 1, wherein the first trimming data is upper bits of the trimming data, and the second trimming data is lower bits of the trimming data . アナログ回路及び上記アナログ回路のトリミングを行うトリミング回路を含む半導体集積回路と外部端子とを有する半導体集積回路装置であって、
上記トリミング回路は、上記半導体集積回路において決定される上記アナログ回路をトリミングする第1のトリミング情報と、上記半導体集積回路がパッケージに封止された後に決定される上記アナログ回路をトリミングし、上記第1のトリミング情報よりも微小な調整にかかる第2のトリミング情報とを記憶可能に構成され、
上記トリミング回路は、上記第1及び第2のトリミング情報を記憶するための不揮発性記憶素子を有し、
上記不揮発性記憶素子に対して上記外部端子から電圧が印加されて上記不揮発性記憶素子の状態が変化することにより上記第2のトリミング情報が記憶されることを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit device having a semiconductor integrated circuit and the external terminals including a trimming circuit for trimming the analog circuit and the analog circuit,
The trimming circuit includes first trimming information for trimming the analog circuit determined in the semiconductor integrated circuit, and trimming the analog circuit determined after the semiconductor integrated circuit is sealed in a package . A second trimming information for finer adjustment than the first trimming information can be stored;
The trimming circuit has a nonvolatile storage element for storing the first and second trimming information ,
A semiconductor integrated circuit device wherein the second trimming information is stored by applying a voltage to the nonvolatile storage element from the external terminal and changing the state of the nonvolatile storage element.
記不揮発性記憶素子は、半導体基板の半導体領域に形成されたコントロールゲートと、絶縁層を介して上記コントロールゲートとオーバーラップした部分を有するフローティングゲートとを含むことを特徴とする請求項5の半導体集積回路装置。 Upper Symbol nonvolatile memory element, a control gate formed on the semiconductor region of the semiconductor substrate, according to claim 5, characterized in that it comprises a floating gate having the control gate and the overlapped portion through the insulating layer Semiconductor integrated circuit device. 上記第1のトリミング情報は、トリミング情報の上位ビットであり、上記第2のトリミング情報は、トリミング情報の下位ビットであることを特徴とする請求項5の半導体集積回路装置。 6. The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the first trimming information is upper bits of the trimming information, and the second trimming information is lower bits of the trimming information .
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