JP3971196B2 - Semiconductor nonvolatile memory device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリとトランジスタで構成する半導体不揮発性記憶装置において、不揮発性メモリの書き込みと消去と読み出しをするための回路構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
[背景技術の説明]
近年、フラッシュメモリ(浮遊ゲート型エレクトリカリー・イレイザブル・プログラマブル・リードオンリーメモリ:EEPROM)に代表される不揮発性メモリは、携帯機器の発展と爆発的な浸透によって需要が高まっている。
この不揮発性メモリの重要な課題として大容量化がある。この大容量化には、素子を小さくして高集積化する方法と、1つの素子にいくつかの異なる記憶状態でデータを保持する多値技術化の方法とがある。また携帯機器に半導体不揮発性記憶装置を搭載する場合には、さらに低消費電力化が課題として加わる。
【0003】
携帯機器はほとんどがバッテリーで動いている。従って、このバッテリーの電力をできるだけ消費しないで機器を稼動することが重要になる。
現在、バッテリーの長寿命化や、搭載する半導体集積回路装置(IC)の低消費電力化も含めて開発が盛んに行われている。不揮発性メモリも、データの書き込み、消去、及び読み出しで頻繁にアクセスし、電力を消費している。
【0004】
不揮発性メモリへの書き込み、消去、及び読み出しの際に重要になるのは、いかに少ない消費電力でこれらの書き込み、消去、及び読み出し動作を行うかである。書き込みと消去においては、書き込みや消去が正常に行われなかった時は、再書き込みや再消去を行う必要があり、これらの再書き込みや再消去が行われることは無駄に電力を消費するので問題である。
また読み出しの際にも、できるだけ電力を消費しないで、データを取り出すことが重要になる。
【0005】
このようなことから再書き込みや再消去がないように、書き込みや消去時に必要充分な電圧を不揮発性メモリに供給することが必要である。また読み出しの際には、できるだけ消費電力が少なくなるように行うことが必要となる。
【0006】
本発明における半導体不揮発性記憶装置は、この問題点に着目してなされた。以下に従来技術における半導体不揮発性記憶装置について説明する。
【0007】
[従来技術の半導体不揮発性記憶装置の構造と動作説明:図2]
まず従来技術の半導体不揮発性記憶装置の構造について、図2の回路図を用いて以下に説明する。
半導体不揮発性装置は、データを記憶する不揮発性メモリ18と、この不揮発性メモリ18の選択用のトランジスタ74とからなる。トランジスタ74のグランド電位となるソース端子74Sと、不揮発性メモリ18のプログラム電圧印加用のドレイン端子18Dとの間に、ビット選択用のトランジスタ74と、データを記憶する不揮発性メモリ18とを配置する。トランジスタ74と不揮発性メモリ18とは直列に接続し、トランジスタ74と不揮発性メモリ18との接続点を出力端子6とする。
【0008】
トランジスタ74のゲート端子74Gには選択信号を入力する。トランジスタ74のゲート端子74Gに選択信号を入力することで、トランジスタ74が導通状態又は非導通状態となり、不揮発性メモリ18への書き込み、消去、及び読み出しの際に必要な電圧を制御することが可能となる。
不揮発性メモリ18のゲート端子18Gにも選択信号を入力する。不揮発性メモリ18のゲート端子18Gに選択信号を入力することにより、不揮発性メモリ18が導通状態又は非導通状態となり、書き込み、消去、及び読み出しが可能となる。
このように従来技術の半導体不揮発性記憶装置では、ビット選択用のトランジスタ74が1つで書き込み、消去、及び読み出しの動作を行っていた。
【0009】
つぎに図2に示す従来技術における半導体不揮発性記憶装置の動作について説明する。まず書き込み動作について説明する。
トランジスタ74のゲート端子74Gと不揮発性メモリ18のゲート端子18Gとに選択信号を入力し、トランジスタ74と不揮発性メモリ18とを導通状態にする。
この導通状態で不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dにプログラム電圧を印加すると、トランジスタ74のソース端子74Sはグランド電位になっているため、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dからトランジスタ74のソース端子74Sに向かって電流が流れる。このときに、不揮発性メモリ18のゲート端子18Gに印加している電圧によって、電荷が不揮発性メモリ18に蓄積し、書き込み状態となる。ここで、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dに印加するプログラム電圧が正電圧であれば蓄積する電荷は電子であり、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dに印加するプログラム電圧が負電圧であれば蓄積する電荷は正孔である。
【0010】
ここで選択信号について説明する。トランジスタ74がN型MOSトランジスタで、不揮発性メモリ18がN型不揮発性メモリの場合、書き込みの時の選択信号はプログラム電圧である。また読み出し時の選択信号は、読み出し電圧(正電圧)である。
非選択信号は、書き込み、消去、及び読み出し時のいずれもグランド電位である。
ここで、プログラム電圧と読み出し電圧の大小関係は、プログラム電圧が読み出し電圧より大である。
【0011】
続いて読み出し動作について説明する。トランジスタ74のゲート端子74Gと不揮発性メモリ18のゲート端子18Gとに選択信号を入力し、トランジスタ74と不揮発性メモリ18とを導通状態にする。
この導通状態で不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dに読み出し電圧を印加すると、トランジスタ74のソース端子74Sはグランド電位になっているため、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dからトランジスタ74のソース端子74Sに向かって電流が流れる。このとき、出力端子6の電圧を測定することで、不揮発性メモリ18の記憶状態が判断できる。
つまり不揮発性メモリ18が書き込み状態であれば、不揮発性メモリ18のゲート端子18Gに選択信号を入力しても電荷が蓄積していることから導通状態にはならず非導通状態になり、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dからトランジスタ74のソース端子74Sに向かって流れる電流はほとんど無い。従って出力端子6の電圧はグランド電位と同程度になる。
【0012】
不揮発性メモリ18が書き込みされていない状態であれば、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dから読み出し電圧を印加すると、トランジスタ74のソース端子74Sはグランド電位になっていることから、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dからトランジスタ74のソース端子74Sに向かって電流が流れる。
このときの出力端子6の電圧は、トランジスタ74と不揮発性メモリ18の導通状態を抵抗で表した導通時の抵抗(以下オン抵抗と記載する)によって読み出し電圧を抵抗分割した値になる。
【0013】
次に消去動作について説明する。トランジスタ74のゲート端子74Gには選択信号を入力し、不揮発性メモリ18のゲート端子18Gには非選択信号を入力する。これによりトランジスタ74は導通状態になり、不揮発性メモリ18は非導通状態になる。
このときに不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dに消去電圧(プログラム電圧と同程度か若干高い電圧)を印加することで、不揮発性メモリ18に蓄積している電荷を引き抜いて消去が行われる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
この図2に示す従来技術における半導体不揮発性記憶装置の問題点を図3、及び図4のグラフを用いて説明する。図3のグラフは、縦軸が不揮発性メモリ18の書き込み後の閾値電圧を示し、横軸がチャネル幅とチャネル長をパターンレイアウトによって変えたときのトランジスタ74のオン抵抗を示している。
【0015】
図3から明らかなように、トランジスタ74のオン抵抗が小さい場合には、トランジスタ74における電圧降下が少なくなり、不揮発性メモリ18に書き込みに必要な電圧が供給されることと、供給される電圧が大きいので大きな電流が流れる。このために、トランジスタ74のオン抵抗が100Ωのとき、不揮発性メモリ18の書き込み後の閾値電圧は7.0V程度までシフトしている。
逆にトランジスタ74のオン抵抗が大きい場合には、トランジスタ74における電圧降下が大きくなり、不揮発性メモリ18に書き込みに必要な電圧が供給されないことと、供給される電圧が小さいので小さな電流しか流れない。このために、トランジスタ74のオン抵抗が10kΩのとき、不揮発性メモリ18の書き込み後の閾値電圧は1.0V程度にしかシフトしていない。
このように電圧と電流を必要とする書き込みの場合には、トランジスタ74のサイズ(チャネル幅及びチャネル長)を最適化してオン抵抗を小さくして、不揮発性メモリ18に書き込みに必要な電圧と電流を供給できるように設計する必要がある。
【0016】
図4のグラフは、縦軸が読み出し時に不揮発性メモリ18に流れる電流値を示し、横軸がチャネル幅とチャネル長をパターンレイアウトによって変えたときのトランジスタ74のオン抵抗を示している。
【0017】
図4から明らかように、トランジスタ74のオン抵抗が大きい場合には、トランジスタ74により流すことができる電流が制限される。このため、トランジスタ74のオン抵抗が10kΩのとき、読み出し時に不揮発性メモリ18に流れる電流は10nA程度であり、消費する電力が少ない状態で読み出し動作が可能になっている。
逆にトランジスタ74のオン抵抗が100Ωのとき、読み出し時に不揮発性メモリ18に流れる電流は10μA程度と大きく、消費電力が大きくなっている。このように消費電力を少なくして読み出し動作を行いたい場合には、トランジスタ74のサイズ(チャネル幅及びチャネル長)を最適化してオン抵抗を大きくして電流ができるだけ流れないように設計する必要がある。
【0018】
図3及び図4を用いて説明したように、トランジスタ74のオン抵抗を小さくすれば不揮発性メモリ18の書き込み後の閾値電圧は大きくシフトして書き込みがなされるが読み出し時の消費電力は大きくなり、トランジスタ74のオン抵抗を大きくすれば読み出し時の消費電力は小さくなるが不揮発性メモリ18の書き込み後の閾値電圧のシフトは小さく正常な書き込みができない。
【0019】
このように書き込み時と読み出し時においてトランジスタ74に要求される特性は全く逆になる。そのため従来技術の半導体不揮発性記憶装置においては、書き込み時に必要な電圧と電流を供給し、且つ読み出し時にはできるだけ消費電力を少なくする、という2つの特性を両立させることはできない。
【0020】
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記のような従来の半導体不揮発性記憶装置の問題を解決して、不揮発性メモリの再書き込みという不具合がなく、読み出しの際も消費電力をできるだけ少なくして動作できる半導体不揮発性記憶装置を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の半導体不揮発性記憶装置においては、下記記載の手段を採用する。
【0022】
本発明の半導体不揮発性記憶装置は、データを記憶する不揮発性メモリと、不揮発性メモリに直列接続し不揮発性メモリを選択するトランジスタとを備え、不揮発性メモリとトランジスタとの接続点を出力端子とする半導体不揮発性記憶装置であって、
トランジスタは、並列接続した第1のトランジスタと第2のトランジスタとからなり、
第1のトランジスタはデータの書き込み及び消去時に導通状態となり、第2のトランジスタはデータの読み出し時に導通状態となり、第1のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗は、第2のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗より小さいことを特
徴とする。
【0023】
本発明の半導体不揮発性記憶装置では、第1のトランジスタのチャネル幅を、第2のトランジスタのチャネル幅よりも大きくすることによって、第1のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗が第2のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗より小さくなることを特徴とする。
【0024】
本発明の半導体不揮発性記憶装置では、第1のトランジスタのチャネル長を、第2のトランジスタのチャネル長よりも小さくすることによって、第1のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗が第2のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗より小さくなることを特徴とする。
【0025】
〔作用〕
本発明における半導体不揮発性記憶装置は、並列に接続した2つのトランジスタを不揮発性メモリと直列に接続する構成とする。そして、2つのトランジスタを、書き込み消去用と、読み出し用とに役割分担させる。
書き込み消去用のトランジスタは、再書き込みが無いように不揮発性メモリに書き込みに必要な電圧と電流が充分供給できるように、チャネル幅とチャネル長とを最適化する。読み出し用のトランジスタは、読み出し時に消費電力をできるだけ小さくなるようにチャネル幅とチャネル長とを最適化する。
【0026】
この並列に接続した2つのトランジスタを、書き込み消去時と、読み出し時とで使い分けることにより、半導体不揮発性記憶装置は再書き込みが生じない書き込みを行うことが可能となると共に、読み出し時の消費電力を極めて小さくすることが可能となる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の半導体不揮発性記憶装置を実施するための最適な実施形態を説明する。
【0028】
[構造説明:図1]
はじめに本発明の実施形態における半導体不揮発性記憶装置の構造を、図1の回路図を用いて説明する。
データを記憶する不揮発性メモリ18と、この不揮発性メモリ18の選択用で不揮発性メモリ18に直列接続する2つのトランジスタ14,16とからなり、第1のトランジスタ14と第2のトランジスタ16とは並列に接続する。第1のトランジスタ14のグランド電位となるソース端子14Sと、不揮発性メモリ18のプログラム電圧印加用のドレイン端子18Dとの間に、書き込み及び消去時において用いるビット選択用の第1のトランジスタ14と、読み出し時において用いるビット選択用の第2のトランジスタ16と、データを記憶する不揮発性メモリ18とを配置する。並列接続した第1のトランジスタ14及び第2のトランジスタ16と、この第1のトランジスタ14及び第2のトランジスタ16と直列接続した不揮発性メモリ18との接続点を出力端子6とする。
第1のトランジスタ14のゲート端子14Gには、書き込みと消去の選択信号を入力する。第2のトランジスタ16のゲート端子16Gには、読み出しの選択信号を入力する。不揮発性メモリ18のゲート端子18Gには、書き込みと読み出しの選択信号を入力する。
【0029】
[動作説明]
つぎに図1に示す本発明の実施形態における半導体不揮発性記憶装置の動作について説明する。はじめに書き込み動作を説明する。
書き込みを行う場合、第1のトランジスタ14のゲート端子14Gに書き込みの選択信号を入力し、第2のトランジスタ16のゲート端子16Gには非選択信号を入力する。ゲート端子14Gに書き込みの選択信号が入力されると、第1のトランジスタ14が導通状態になり、一方ゲート端子16Gに非選択信号が入力された第2のトランジスタ16は非導通状態になる。
第1のトランジスタ14が導通状態、第2のトランジスタ16が非導通状態
で、不揮発性メモリ18のゲート端子18Gに選択信号を入力することで書き込みが可能となり、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dにプログラム電圧を印加すると、不揮発性メモリ18の電荷畜積層に電荷が注入され、その電荷が電荷畜積層に蓄積し書き込みが行われる。
【0030】
つぎに読み出し動作を説明する。読み出しを行う場合、第1のトランジスタ14のゲート端子14Gに非選択信号を入力し、第2のトランジスタ16のゲート端子16Gに読み出しの選択信号を入力する。ゲート端子14Gに非選択信号が入力された第1のトランジスタ14は非導通状態になり、ゲート端子16Gに読み出しの選択信号が入力された第2のトランジスタ16が導通状態になる。
第1のトランジスタ14が非導通、第2のトランジスタ16が導通状態で、不揮発性メモリ18のゲート端子18Gに選択信号を入力することで読み出しが可能になり、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dに読み出し電圧を印加すると、不揮発性メモリ18からのデータの読み出しが行われる。
【0031】
不揮発性メモリ18の書き込み及び非書き込み記憶状態は、第1のトランジスタ14のゲート端子14Gに非選択信号、第2のトランジスタ16のゲート端子16Gに選択信号をそれぞれ印加した状態で、出力端子6の電圧を測定することで得られる。
不揮発性メモリ18が書き込み状態の場合には、不揮発性メモリ18の閾値電圧が高くなっていることから、出力端子6からはグランド電位に近い電圧値が得られる。
【0032】
また、不揮発性メモリ18が書き込まれていない状態の場合には、不揮発性メモリ18の閾値電圧は読み出し電圧以下であることから、不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dとソース端子14S間で電流が流れる。従って、第2のトランジスタ16のオン抵抗と不揮発性メモリ18のオン抵抗によって読み出し電圧を抵抗分割した値が出力端子6から得られる。
第2のトランジスタ16のオン抵抗が不揮発性メモリ18のオン抵抗よりも高い場合には、出力端子6からは読み出し電圧に近い電圧値が得られる。
【0033】
つぎに消去動作を説明する。消去を行う場合、第1のトランジスタ14のゲート端子14Gには選択信号を入力し、第2のトランジスタ16のゲート端子16Gには非選択信号を入力し、不揮発性メモリ18のゲート端子18Gには非選択信号を入力する。これによって第1のトランジスタ14は導通状態になり、第2のトランジスタ16は非導通状態になり、不揮発性メモリ18は非導通状態になる。
このときに不揮発性メモリ18のドレイン端子18Dから消去電圧(プログラム電圧と極性は同じで、電圧は同程度か若干高い電圧)を印加することで、不揮発性メモリ18の電荷蓄積層に蓄積された電荷を引き抜くことにより消去が行われる。
【0034】
ここで本発明によりフラッシュメモリ(浮遊ゲートEEPROM)に代表される不揮発性メモリへの書き込みと読み出しについて、図5〜図7の断面図を用いて詳細に説明する。まず図5を用いて不揮発性メモリの電荷蓄積状態による記憶状態の違いについて説明する。
【0035】
不揮発性メモリ18はNチャネルのトランジスタ構造とする。書き込み時の蓄積電荷36は電子とする。
P型半導体基板32の表面に、第1の絶縁膜35と、電荷蓄積層34と、第2の絶縁膜37と、N型ゲート電極26とを順次形成する。第1の絶縁膜35は膜厚が10nm程度の酸化シリコン膜からなり、電荷蓄積層34は膜厚が300〜500nmの多結晶シリコン膜からなり、第2の絶縁膜37は合計膜厚が10nm程度の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層膜からなる。
N型ゲート電極26と整合した領域のP型半導体基板32の表面にN型ソース電極28とN型ドレイン電極30を設ける。
【0036】
電荷蓄積層34に電子からなる蓄積電荷36が存在すれば、不揮発性メモリ18は書き込まれている状態であり、電荷蓄積層34に蓄積電荷36が存在しなければ、不揮発性メモリ18は書き込まれていない状態である。
【0037】
次に不揮発性メモリ18の書き込み動作について図6を用いて説明する。なお図6においては、図5と同一箇所には同一符号を付けている。
不揮発性メモリ18への書き込みは、N型ソース電極28に0V、N型ゲート電極26に12V、N型ドレイン電極30に10V、P型半導体基板32に0Vをそれぞれに印加する。この電圧印加状態において、不揮発性メモリ18の閾値電圧を1.0Vとした場合、この不揮発性メモリ18は導通してN型ソース電極28とN型ドレイン電極30の間で電流が流れる。
【0038】
N型ソース領域28とN型ドレイン電極30間に電流が流れると、破線で示すN型チャネル38内で第1の絶縁膜35の電位障壁を越えられるエネルギーを持った電子が発生する。このとき、電子と同時に正孔も発生する。
このN型チャネル38に発生した電子が、N型ゲート電極26の電界に引かれて電荷蓄積層34中に捕獲される。電荷蓄積層34に電子からなる蓄積電荷36が捕獲されたことによりデータの書き込みが行われる。
【0039】
次に図7の断面図と図8のグラフを用いて不揮発性メモリ18の読み出し動作について説明する。図7においても、図5と同一箇所には同一符号を付けている。読み出し電圧は3Vとする。
不揮発性メモリ18の読み出しは、N型ソース電極28を0V、N型ゲート電極26に3V、N型ドレイン電極30に3V、P型半導体基板32に0Vをそれぞれ印加する。
図6を用いて説明した書き込みがなされると、電荷蓄積層34は電子の蓄積電荷36が蓄積するためマイナスに帯電することになり、不揮発性メモリ18の閾値電圧は高くなる。
【0040】
書き込み前後の不揮発性メモリ18の閾値電圧を図8を用いて説明する。図8のグラフは図7に示す不揮発性メモリ18の単体特性を示すものである。図8のグラフにおいては、縦軸が不揮発性メモリ18のN型ソース電極28とN型ドレイン電極30間に流れる電流(Ids)を示し、横軸がN型ゲート電極26に印加する電圧(Vgs)を示している。このN型ゲート電極26に印加する電圧とN型ソース電極28とN型ドレイン電極30間に流れる電流との特性をVgs−Ids特性と称する。この図8のグラフには不揮発性メモリ18の書き込み前のVgs−Ids特性44(閾値電圧1.0V)と、書き込み後のVgs−Ids特性46(閾値電圧7.0V)を示してある。
読み出しのときは、読み出し電圧(3V)をN型ゲート電極26に印加してN型ソース電極28とN型ドレイン電極30間に流れる電流Idsを評価する。
【0041】
この図8のグラフから、書き込み後のVgs−Ids特性46では、N型ゲート電極26に3Vの電圧(Vgs)を印加したときに、N型ソース電極28とN型ドレイン電極30間に流れる電流(Ids)の電流値が10-12A以下であり電流はほとんど流れない。
また書き込み前のVgs−Ids特性44では、N型ゲート電極26に3Vの電圧(Vgs)を印加したときに、N型ソース電極28とN型ドレイン電極30間に流れる電流(Ids)の電流値が10-3A以上であり、不揮発性メモリ18は導通状態である。
【0042】
読み出し電圧を3Vで読み出した場合、書き込み後と書き込み前で電流(Ids)の差が約109倍近くあるので、書き込まれている場合と書き込まれていない場合の電流差が大きく記憶状態の判断がしやすくなる。
書き込み前と書き込み後の不揮発性メモリ18の閾値電圧の差が小さいと、電流(Ids)の差も小さくなる。書き込み前後で電流差が小さい状態では、不揮発性メモリ18の記憶状態の判断がしにくくなり、データの再書き込みを行う必要が出てくる。
【0043】
【実施例】
次に第1のトランジスタと第2のトランジスタとをN型MOSトランジスタとし、不揮発性メモリをN型浮遊ゲート不揮発性メモリとして、より具体的な本発明の実施例を以下説明する。
はじめに図9と図11とを用いて本発明の半導体不揮発性記憶装置の構造と動作について説明する。
【0044】
図9に示すように、第1のN型MOSトランジスタ20と第2のN型MOSトランジスタ24を並列に接続し、並列接続した第1のN型MOSトランジスタ20と第2のN型MOSトランジスタ24にN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22を直列に接続する。並列接続した第1のN型MOSトランジスタ20及び第2のN型MOSトランジスタ24と、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22とを直列に接続した接続点を出力端子6とする。
【0045】
第1のN型MOSトランジスタ20のソースと第2のN型MOSトランジスタ24のソースを接続しソース端子20Sとし、このソース端子20Sはグランド電位にする。このように第2のN型MOSトランジスタ24のソースは、第1のN型MOSトランジスタ20のソースと共通になっているので、図9においてはソース端子20Sとして図示している。
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dは、書き込み時にはプログラム電圧(Vprog)が印加され、読み出し時には読み出し電圧(Vdd)が印加される。
【0046】
第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20Gに、書き込み及び消去時には選択信号を入力し第1のN型MOSトランジスタ20を導通状態とする。読み出し時にはゲート端子20Gに非選択信号を入力し第1のN型MOSトランジスタ20を非導通状態とする。
第2のN型MOSトランジスタ24のゲート端子24Gに、読み出し時には選択信号を入力し、第2のN型MOSトランジスタ24を導通状態とする。書き込み及び消去時にはゲート端子24Gに非選択信号を入力し、第2のN型MOSトランジスタ24を非導通状態とする。
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gに、書き込み及び読み出し時には選択信号を入力し、消去時には非選択信号を入力する。
【0047】
書き込み及び消去時には第1のN型MOSトランジスタ20を導通状態とし、第2のN型MOSトランジスタ24を非導通状態とし、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22に書き込みを行い、読み出しの時には第2のN型MOSトランジスタ24を導通状態とし、第1のN型MOSトランジスタ20を非導通状態として、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の記憶状態を読み出す。
【0048】
つぎに、第1のN型MOSトランジスタ20と第2のN型MOSトランジスタ22との構造について説明する。
第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅をW1とし、チャネル長をL1とする。第2のN型MOSトランジスタ24のチャネル幅をW2とし、チャネル長をL2とする。
【0049】
第1のN型MOSトランジスタ20は書き込みと消去時に使用するため、トランジスタのオン抵抗が小さくなるようにチャネル長及びチャネル幅を設計する。第2のN型MOSトランジスタ24は読み出しの時に使用するため、トランジスタのオン抵抗が大きくなるようにチャネル長及びチャネル幅を設計する。
すなわち第1のN型MOSトランジスタ20と第2のN型MOSトランジスタ24とは、チャネル幅はW1>W2とし、チャネル長はL1<L2となるように設計する。つまり第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅W1は第2のN型MOSトランジスタ24のチャネル幅W2よりも大きくし、第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル長L1は第2のN型MOSトランジスタ24のチャネル長L2よりも小さくする。
【0050】
チャネル長及びチャネル幅の具体的な数値の実施例を示すとW1=50μm、W2=2μm、L1=0.6μm、L2=20μmのように設計した。
上記のようなチャネル長及びチャネル幅とした場合、第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20Gとドレインに12Vの電圧を印加したときのオン抵抗は120Ωとなり、第2のN型MOSトランジスタ24のゲート端子24Gとドレインに3Vの電圧を印加したときのオン抵抗は3MΩとなる。
【0051】
第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅とチャネル長を前述の数値にすることで、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソース−ドレイン間に現れる電圧がどのように変化するかを、図9、図10、及び図13を用いて説明する。はじめに図10のグラフを説明する。図10のグラフは、縦軸が書き込み時におけるプログラム電圧(Vprog)と出力端子6の電圧(Vout)との電位差(Vprog−Vout)を示し、横軸が第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅を示している。
このVprog−Voutの電位差が、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間に実際に印加される電圧である。
【0052】
この図10グラフから明らかなように、第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅が大きくなるほど、電位差(Vprog−Vout)は大きくなる。これは第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅W1を大きくすると、ソースとドレイン間の電圧降下が小さくなり、プログラム電圧の電圧低下が小さく、プログラム電圧に近い電圧がN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間に印加できることになる。
【0053】
次に図13のグラフを説明する。図13は、縦軸が書き込み時におけるプログラム電圧(Vprog)と出力端子6の電圧(Vout)との電位差(Vprog−Vout)を示し、横軸が第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル長を示している。
このVprog−Voutの電位差が、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間に実際に印加される電圧である。
【0054】
この図13グラフから明らかなように、第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル長が小さくなるほど、電位差(Vprog−Vout)は大きくなる。これは第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル長L1を大きくすると、におけるソースとドレイン間の電圧降下が小さくなり、プログラム電圧の電圧低下が小さく、プログラム電圧に近い電圧がN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間に印加できることになる。
【0055】
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の構造について、図12の断面図を用いて説明する。
P型半導体基板32の表面にトンネル酸化膜52と、N型浮遊ゲート50と、ポリシリ間絶縁膜54と、N型制御ゲート48とを順次設ける。N型制御ゲート48と整合した領域のP型半導体基板32の表面にN型ソース電極28とN型ドレイン電極30を設ける。
【0056】
トンネル酸化膜52は、書き込み時には電荷を通過させると共に、N型浮遊ゲート50に蓄積した電荷に対しては電位障壁となる役目がある。
トンネル酸化膜52は6〜10nm程度の膜厚の酸化シリコン膜が使用されている。
【0057】
ポリシリ間絶縁膜54は、N型浮遊ゲート50とN型制御ゲート48との間の静電結合比率を大きくして、N型制御ゲート48に印加された電圧をできるだけ減衰しないように、N型浮遊ゲート50に伝達する役割をもつ。
そのため、ポリシリ間絶縁膜54は、酸化シリコン膜よりも比誘電率の大きなシリコン窒化膜の上下を酸化シリコン膜で挟んだ3層の積層構造の被膜を使用する。
【0058】
またN型浮遊ゲート50は膜厚が300〜500nmの多結晶シリコン膜からなり、このN型浮遊ゲート50に電荷が蓄積している状態であれば、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22は書き込み状態であり、N型浮遊ゲート50に電荷が蓄積されていない状態であれば、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22は書き込まれていない状態となる。
【0059】
次に図9と図12を用いてN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の書き込み動作を説明する。プログラム電圧は12Vとする。
第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20Gに書き込みの選択信号(12V)を入力することにより第1のN型MOSトランジスタ20は導通状態となり、第2のN型MOSトランジスタ24のゲート端子24Gに非選択信号
(0V)を入力することにより第2のN型MOSトランジスタ24は非導通状態となる。
【0060】
この第1のN型MOSトランジスタ20を導通状態、第2のN型MOSトランジスタ24を非導通状態で、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gに選択信号(12V)を入力すると、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22は書き込みが可能となり、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dにプログラム電圧(12V)を印加すると、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の書き込みが行われる。
第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20GとN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gにはプログラム電圧を印加するため、ゲート端子24Gとゲート端子22Gとに読み出し電圧(3V)を印加したときに比べて、第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル領域とN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のチャネル領域は強い反転状態になる。従って、第1のN型MOSトランジスタ20とN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のオン抵抗は、読み出し電圧印加時の導通状態に比較すると非常に小さくなる。
【0061】
このときN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dから第1のN型MOSトランジスタ20のソース端子20Sに向かってプログラム電流40が流れる。第1のN型MOSトランジスタ20と第2のN型MOSトランジスタ24の構造の違いをさきに説明したように、第1のN型MOSトランジスタ20のチャネル幅は50μmと大きく、チャネル長は0.6μmと小さく設計している。第2のN型MOSトランジスタ24は、チャネル幅を2μm、チャネル長を20μmとしている。
このようにオン抵抗を小さくするパターン形状になっていることに加えて、第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20Gにはプログラム電圧が印加されているので、第1のN型MOSトランジスタ20のオン抵抗はさらに小さくなっている。
【0062】
つまり第1のN型MOSトランジスタ20におけるソースとドレイン間の電圧降下が小さくなり、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間に充分な電位差が発生し、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のチャネルに流れる電子を充分に加速させることができる。
充分に加速されてトンネル酸化膜52の電位障壁を越えるエネルギーを持った電荷(電子)が、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gに印加されているプログラム電圧(12V)による電界に引かれて、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のN型浮遊ゲート50に注入されて書き込みが行われる。
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の書き込み前の閾値電圧が1.0Vであったものが、書き込み後では閾値電圧が7.0Vと大きくシフトしており、正常な書き込みがなされている。
【0063】
次に図8と図11と図12を用いて読み出し動作を説明する。図11は図9と同一箇所には同一符号を付けている。読み出し電圧(Vdd)は3Vとする。
図11の読み出し電圧(Vdd)と出力端子6の電圧(Vout)との電位差(Vdd−Vout)が、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間にかかる実際の電圧を表している。
【0064】
第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20Gに非選択信号(0V)を入力することで第1のN型MOSトランジスタ20は非導通状態となり、第2のN型MOSトランジスタ24のゲート端子24Gに選択信号(3V)を入力することで第2のN型MOSトランジスタ24は導通状態となる。
【0065】
第1のN型MOSトランジスタ20を非導通状態、第2のN型MOSトランジスタ24を導通状態で、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gに選択信号(3V)を入力すると、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22は読み出しが可能になり、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dに読み出し電圧(3V)を印加すると、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の読み出しが行われる。
【0066】
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の書き込み及び非書き込み記憶状態は、第1のN型MOSトランジスタ20を非導通状態で、第2のN型MOSトランジスタ24を導通状態で、出力端子6の電圧を測定することで得られる。
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22が書き込み状態の場合には、図12に示した浮遊ゲート50に電荷36として電子が蓄積しているため、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の閾値電圧が高くなっていることから、図8の曲線46に示したように、読み出し電流42は10-12A程度と少なく、出力端子6からはグランド電位に近い値が得られる。
【0067】
N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22が書き込まれていない場合には、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の閾値電圧は読み出し電圧(3.0V)以下の1.0Vであるので、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dからソース端子20Sに向かって読み出し電流42が10-6A程度流れる。
これはN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22だけに流れる電流は10-3A程度であるが、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22に第2のN型MOSトランジスタ24を直列に接続しているので電流値は、前述のように10-6A程度まで下がる。
【0068】
第2のN型MOSトランジスタ24は、さきの説明のように、チャネル幅を2μm、チャネル長を20μmとしていることから、第2のN型MOSトランジスタ24のオン抵抗は高くなり、読み出し時の消費電力を少なくすることができ
る。
従って、第2のN型MOSトランジスタ24のオン抵抗と、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のオン抵抗によって読み出し電圧を抵抗分割した値が出力端子6から得られる。つまり第2のN型MOSトランジスタ24のオン抵抗で、読み出しの時に流れる電流値を決定することができる。N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の読み出し時に、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22に流れる電流は、1nA程度と極めて低くなっていた。
【0069】
出力端子6の出力は、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のオン抵抗に読み出し時に流れる電流値を掛けた電圧降下分を読み出し電圧から引いた電圧になる。この出力端子6の出力電圧値は、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22が書き込みされていない場合、読み出し電圧にほぼ等しい。
【0070】
消去動作の場合、第1のN型MOSトランジスタ20のゲート端子20Gには選択信号を入力し、第2のN型MOSトランジスタ24のゲート端子24Gには非選択信号を入力し、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gには非選択信号を入力する。
【0071】
これにより第1のN型MOSトランジスタ20は導通状態になり、第2のN型MOSトランジスタ24は非導通状態になり、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22は非導通状態になる。このときにN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dから消去電圧(プログラム電圧と極性は同じで、電圧は同程度か若干高い電圧)を印加することで、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のN型浮遊ゲート50の蓄積電荷36を引き抜いて消去が行われる。
【0072】
本発明の半導体不揮発性記憶装置によれば、書き込み消去用のトランジスタと読み出し用のトランジスタとを並列に接続し、この並列接続した2つのトランジスタに不揮発性メモリを直列に接続して構成している。2つのトランジスタを書き込み消去用と読み出し用とに使い分けることで、書き込み消去時には不揮発性メモリのソースとドレイン間に書き込み消去に必要な電位差と電流を与えることができ、読み出しのときには消費電力を少なくして不揮発性メモリの蓄積電荷出力を読み出すことが可能となる。
【0073】
なお上記の説明において、不揮発性メモリとして浮遊ゲート型不揮発性メモリを用いた例で説明したが、不揮発性メモリとしてはこれ以外にも窒化シリコン膜のトラップに電荷を保持するMNOS型不揮発性メモリに用いても以上の説明と同様な効果がある。
【0074】
ここでMNOS型の不揮発性メモリを説明する。以下の説明ではN型ゲートのN型MNOS不揮発性メモリ56の構造について、図14の断面図を用いて説明する。
P型半導体基板32の表面に、トンネル酸化膜35と、メモリ窒化膜58と、N型ゲート26とを順次形成する。N型ゲート26と整合する領域のP型半導体基板32の表面にN型ソース電極28とN型ドレイン電極30とを設ける。
【0075】
トンネル酸化膜35は書き込み時には電荷を通過させると共に、メモリ窒化膜58に蓄積した電荷に対しては電位障壁となる役目がある。
トンネル酸化膜35は、3〜5nm程度の酸化シリコン膜が使用されている。
【0076】
メモリ窒化膜58は電荷を捕獲する役目があり、書き込みによって捕獲準位に電荷を捕獲することで書き込み状態となる。
メモリ窒化膜58は、窒化シリコン膜からなり、窒化シリコン膜の膜質は窒素に対してシリコンを多くして化学量論比率を変え、シリコン未結合手を多くした膜厚9〜14nm程度の窒化シリコン膜が使用されている。このようにシリコン未結合手が多くなることで、メモリ窒化膜58に蓄積できる電荷量を多くすることができる。また浮遊ゲート型不揮発性メモリのトンネル酸化膜に比べて、このMNOS不揮発性メモリのトンネル酸化膜35の膜厚は3〜5nm程度と薄いことから、低電圧で書き込みができる。
【0077】
メモリ窒化膜58に電荷が蓄積している状態であれば、N型MNOS不揮発性メモリ56は書き込み状態であり、メモリ窒化膜58に電荷が蓄積されていない状態であれば、N型MNOS不揮発性メモリ56は書き込まれていない状態となる。
【0078】
図14には図示していないが、N型MNOS型不揮発性メモリ56のメモリ窒化膜58と、N型ゲート26との間に、膜厚が3〜5nmの酸化シリコン膜を設け、メモリ窒化膜58の電荷保持特性を向上させた半導体不揮発性記憶装置構造においても、並列接続した2つのトランジスタに不揮発性メモリを直列接続する本発明の構造を採用すれば、以上の説明と同様な効果が得られる。
【0079】
また以上の説明において、第1のトランジスタ14と第2のトランジスタ16としてN型MOSトランジスタを用いた例で説明したが、本発明はN型MOSトランジスタに限定したものではなく、第1のトランジスタと第2のトランジスタをP型MOSトランジスタで構成しても同様の効果が得られる。
さらに本発明の半導体不揮発性記憶装置では、第1のトランジスタ14と第2のトランジスタ16として、N型MOSトランジスタとP型MOSトランジスタの両方を用いて構成しても同様な効果が得られる。
【0080】
第1のN型MOSトランジスタ20と第2のN型MOSトランジスタ24とをP型MOSトランジスタとし、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22を用いた場合を、以下に説明する。まず書き込み動作を図15の回路図を用いて説明する。
プログラム電圧(Vprog)は−12Vとし、読み出し電圧は−3Vとす
る。
【0081】
第1のP型MOSトランジスタ60のゲート端子60Gに書き込みの選択信号(−12V)を入力することで第1のP型MOSトランジスタ60が導通状態になり、第2のP型MOSトランジスタ62のゲート端子62Gに非選択信号
(0V)を入力することで第2のP型MOSトランジスタ62は非導通状態になる。
この第1のP型MOSトランジスタ60が導通状態で、第2のP型MOSトランジスタ62が非導通状態で、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gに選択信号(0V)を入力することで、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22は書き込みが可能となり、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dにプログラム電圧(−12V)を印加すると、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22の書き込みが行われる。
【0082】
第1のP型MOSトランジスタ60のゲート端子60Gにプログラム電圧(−12V)を印加し、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のゲート端子22Gがグランド電位であることから、ゲート端子62Gとゲート端子22Gに読み出し電圧(−3V)を印加した時に比べて、第1のP型MOSトランジスタ60のチャネル領域とN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のチャネル領域とは強い反転状態になる。
従って、第1のP型MOSトランジスタ60とN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のオン抵抗は、読み出し電圧印加時の導通状態に比較すると非常に小さくなる。
【0083】
このとき第1のP型MOSトランジスタ60のソース端子60SからN型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のドレイン端子22Dに向かってプログラム電流40が流れる。
第1のP型MOSトランジスタ60と第2のP型MOSトランジスタ62のチャネル長及びチャネル幅は、さきの説明と同じように、W1=50μm、W2=2μm、L1=0.6μm、L2=20μmであり、第1のP型MOSトランジスタ60のチャネル長(L1)は第2のP型MOSトランジスタ62のチャネル長(L2)よりも小さく、第1のP型MOSトランジスタ60のチャネル幅(W1)は第2のP型MOSトランジスタ62のチャネル幅(W2)よりも大きくしている。
【0084】
第1のP型MOSトランジスタ60のチャネル幅は50μmと大きく、チャネル長は0.6μmと小さい。従って、オン抵抗を小さくしていることに加えて、第1のP型MOSトランジスタ60のゲート端子60Gにはプログラム電圧(−12V)が印加されているので、第1のP型MOSトランジスタ60のオン抵抗はさらに小さくなっている。
【0085】
つまり第1のP型MOSトランジスタ60におけるソースとドレイン間の電圧降下が小さくなり、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のソースとドレイン間に充分な電位差が発生し、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のチャネルを流れる電子を充分に加速させることができる。
そして図12に示すように、充分に加速されてトンネル酸化膜52の電位障壁を越えるエネルギーを持った電荷36(電子)が、N型浮遊ゲート不揮発性メモリ22のN型浮遊ゲート50に注入されて書き込みが行われる。
【0086】
以上の説明においては、選択用の2つのトランジスタのオン抵抗を異ならせる手段としてチャネル長及びチャネル幅とを共に変えた例で説明したが、2つのトランジスタのチャネル長のみを変えてオン抵抗を異ならせても良いし、2つのトランジスタのチャネル幅のみを変えてオン抵抗を異ならせても良い。
【0087】
さらに以上の説明においては、不揮発性メモリの閾値電圧をエンハンスメント側にシフトさせて書き込み状態を得ている例で説明したが、これとは逆に不揮発性メモリの閾値電圧をデプレッション側にシフトさせて書き込み状態としても良い。さらに消去も電荷蓄積層から電荷を引き抜いて行う例で説明したが、これとは逆に電荷蓄積層に電荷を注入して行っても良い。
【0088】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明による半導体不揮発性記憶装置は、並列に接続した2つのトランジスタを不揮発性メモリと直列に接続する構成とする。そして、2つのトランジスタを、書き込み消去用と、読み出し用とに役割分担させる。
書き込み消去用のトランジスタは、再書き込みが無いように不揮発性メモリに書き込みに必要な電圧と電流が充分供給できるように、チャネル幅とチャネル長とを最適化する。読み出し用のトランジスタは、読み出し時に消費電力をできるだけ小さくなるようにチャネル幅とチャネル長とを最適化する。
【0089】
この並列に接続した2つのトランジスタを、書き込み消去時と、読み出し時とで使い分けることにより、半導体不揮発性記憶装置は再書き込みが生じない書き込みを行うことが可能となると共に、読み出し時の消費電力を極めて小さくすることが可能となる効果を本発明の半導体不揮発性記憶装置は具備する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の構成を示す回路図である。
【図2】従来技術における半導体不揮発性記憶装置の構成を示す回路図である。
【図3】選択用のトランジスタのオン抵抗と不揮発性メモリの書き込み後の閾値電圧との関係を示すグラフである。
【図4】選択用のトランジスタのオン抵抗と不揮発性メモリの読み出し時の電流値との関係を示すグラフである。
【図5】本発明の実施の形態の不揮発性メモリにおける電荷蓄積状態を説明するための断面図である。
【図6】本発明の実施の形態の不揮発性メモリにおける書き込みを説明するための断面図である。
【図7】本発明の実施の形態の不揮発性メモリにおける読み出しを説明するための断面図である。
【図8】本発明の実施の形態における不揮発性メモリの書き込み前後の閾値電圧変化を示すVgs−Ids特性のグラフである。
【図9】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の書き込みを説明するための回路図である。
【図10】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の選択用のトランジスタのチャネル幅と不揮発性メモリのソースとドレイン間に発生する電位差との関係を示すグラフである。
【図11】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の読み出しを説明するための回路図である。
【図12】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置のN型浮遊ゲート不揮発性メモリの構造を説明するための断面図である。
【図13】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の選択用のトランジスタのチャネル長と不揮発性メモリのソースとドレイン間に発生する電位差との関係示すグラフある。
【図14】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の異なる構造の不揮発性メモリを示す断面図である。
【図15】本発明の実施の形態における半導体不揮発性記憶装置の異なる構造の半導体不揮発性記憶装置の書き込みを説明するための回路図である。
【符号の説明】
6:出力端子 14:第1のトランジスタ 14S:ソース端子
14G:ゲート端子 16:第2のトランジスタ
16G:ゲート端子 18:不揮発性メモリ 18G:ゲート端子
18D:ドレイン端子 20:第1のN型MOSトランジスタ
21:N型MOSトランジスタ 22:N型浮遊ゲート不揮発性メモリ
24:第2のN型MOSトランジスタ 26:N型ゲート電極
28:N型ソース電極 30:N型ドレイン電極
32:P型半導体基板 34:電荷蓄積層 35:第1の絶縁膜
36:蓄積電荷 37:第2の絶縁膜 38:N型チャネル
48:N型制御ゲート 50:N型浮遊ゲート
52:トンネル酸化膜 54:ポリシリ間絶縁膜
56:N型MNOS不揮発性メモリ 58:メモリ窒化膜
60:第1のP型MOSトランジスタ
62:第2のP型MOSトランジスタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit configuration for writing, erasing and reading data in a nonvolatile memory in a semiconductor nonvolatile memory device including a nonvolatile memory and a transistor.
[0002]
[Prior art]
[Description of background art]
In recent years, a demand for a nonvolatile memory represented by a flash memory (floating gate type electrically erasable programmable read only memory (EEPROM)) has increased due to the development and explosive penetration of portable devices.
An important problem of this nonvolatile memory is an increase in capacity. There are two methods for increasing the capacity: a method in which elements are made smaller and highly integrated, and a method in which data is held in several different storage states in one element. Further, when a semiconductor nonvolatile memory device is mounted on a portable device, further reduction in power consumption is an issue.
[0003]
Most portable devices are powered by batteries. Therefore, it is important to operate the apparatus while consuming as little power as possible from the battery.
At present, development is actively carried out, including the extension of battery life and the reduction of power consumption of semiconductor integrated circuit devices (ICs) to be mounted. Nonvolatile memories are also frequently accessed for data writing, erasing, and reading, and consume power.
[0004]
What is important in writing, erasing, and reading data in the nonvolatile memory is how to perform these writing, erasing, and reading operations with low power consumption. In writing and erasing, when writing or erasing is not performed normally, it is necessary to rewrite or erasing, and this rewriting or erasing consumes power wastefully. It is.
In reading, it is important to extract data while consuming as little power as possible.
[0005]
For this reason, it is necessary to supply the nonvolatile memory with a necessary and sufficient voltage at the time of writing and erasing so that rewriting and erasing are not performed. In reading, it is necessary to reduce power consumption as much as possible.
[0006]
The semiconductor nonvolatile memory device according to the present invention has been made paying attention to this problem. A conventional semiconductor nonvolatile memory device will be described below.
[0007]
[Description of Structure and Operation of Conventional Semiconductor Nonvolatile Memory Device: FIG. 2]
First, the structure of a conventional semiconductor nonvolatile memory device will be described with reference to the circuit diagram of FIG.
The semiconductor nonvolatile device includes a
[0008]
A selection signal is input to the
A selection signal is also input to the
As described above, in the conventional semiconductor nonvolatile memory device, one bit selection transistor 74 performs writing, erasing, and reading operations.
[0009]
Next, the operation of the conventional semiconductor nonvolatile memory device shown in FIG. 2 will be described. First, the write operation will be described.
A selection signal is input to the
When a program voltage is applied to the
[0010]
Here, the selection signal will be described. When the transistor 74 is an N-type MOS transistor and the
The non-selection signal is a ground potential at the time of writing, erasing, and reading.
Here, the magnitude relationship between the program voltage and the read voltage is that the program voltage is larger than the read voltage.
[0011]
Next, the reading operation will be described. A selection signal is input to the
When a read voltage is applied to the
In other words, if the
[0012]
If the
The voltage at the
[0013]
Next, the erase operation will be described. A selection signal is input to the
At this time, by applying an erasing voltage (a voltage equal to or slightly higher than the program voltage) to the
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Problems of the conventional semiconductor nonvolatile memory device shown in FIG. 2 will be described with reference to the graphs of FIGS. In the graph of FIG. 3, the vertical axis represents the threshold voltage after writing in the
[0015]
As is clear from FIG. 3, when the on-resistance of the transistor 74 is small, the voltage drop in the transistor 74 is reduced, and the voltage necessary for writing is supplied to the
On the other hand, when the on-resistance of the transistor 74 is large, the voltage drop in the transistor 74 is large, the voltage necessary for writing is not supplied to the
In the case of writing that requires voltage and current in this way, the size (channel width and channel length) of the transistor 74 is optimized to reduce the on-resistance, and the voltage and current required for writing to the
[0016]
In the graph of FIG. 4, the vertical axis indicates the current value that flows through the
[0017]
As can be seen from FIG. 4, when the on-resistance of the transistor 74 is large, the current that can be passed by the transistor 74 is limited. For this reason, when the on-resistance of the transistor 74 is 10 kΩ, the current flowing in the
Conversely, when the on-resistance of the transistor 74 is 100Ω, the current flowing through the
[0018]
As described with reference to FIGS. 3 and 4, if the on-resistance of the transistor 74 is reduced, the threshold voltage after writing in the
[0019]
In this way, the characteristics required for the transistor 74 at the time of writing and reading are completely reversed. Therefore, in the conventional semiconductor nonvolatile memory device, it is impossible to achieve both of the characteristics of supplying a voltage and a current necessary for writing and reducing power consumption as much as possible during reading.
[0020]
(Object of invention)
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the problems of the conventional semiconductor nonvolatile memory device as described above, there is no problem of rewriting the nonvolatile memory, and the semiconductor nonvolatile memory that can operate with as little power consumption as possible during reading. It is to provide a sex memory device.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the following means are employed in the semiconductor nonvolatile memory device of the present invention.
[0022]
The semiconductor nonvolatile memory device of the present invention includes a nonvolatile memory for storing data,BadSeries connection to volatile memoryUnsatisfactoryA transistor for selecting a volatile memory, NoVolatile memoryAndA semiconductor non-volatile memory device having a connection point with a transistor as an output terminal,
GThe transistor is composed of a first transistor and a second transistor connected in parallel.,
First1 transistor becomes conductive when data is written or erasedThe second2 transistor becomes conductive when reading dataThe on-resistance when the first transistor becomes conductive is smaller than the on-resistance when the second transistor becomes conductive.Specially
It is a sign.
[0023]
In the semiconductor nonvolatile memory device of the present invention,The second1 transistor channel widthThe secondLarger than the channel width of two transistorsAs a result, the on-resistance when the first transistor becomes conductive becomes smaller than the on-resistance when the second transistor becomes conductive.It is characterized by that.
[0024]
In the semiconductor nonvolatile memory device of the present invention,The second1 transistor channel lengthThe secondSmaller than the channel length of 2 transistorsAs a result, the on-resistance when the first transistor becomes conductive becomes smaller than the on-resistance when the second transistor becomes conductive.It is characterized by that.
[0025]
[Action]
The semiconductor nonvolatile memory device of the present invention has a configuration in which two transistors connected in parallel are connected in series with a nonvolatile memory. The two transistors are divided into roles for writing and erasing and for reading.
The transistor for writing and erasing optimizes the channel width and the channel length so that a voltage and current necessary for writing can be sufficiently supplied to the nonvolatile memory so as not to be rewritten. The transistor for reading optimizes the channel width and the channel length so that power consumption becomes as small as possible during reading.
[0026]
By using these two transistors connected in parallel for writing and erasing and for reading, the semiconductor nonvolatile memory device can perform writing without causing rewriting, and can reduce power consumption during reading. It becomes possible to make it extremely small.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments for implementing a semiconductor nonvolatile memory device of the invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
[Description of structure: Fig. 1]
First, the structure of the semiconductor nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the circuit diagram of FIG.
A
A write / erase selection signal is input to the gate terminal 14G of the
[0029]
[Description of operation]
Next, the operation of the semiconductor nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described. First, the write operation will be described.
When writing is performed, a write selection signal is input to the gate terminal 14G of the
The
Thus, writing is enabled by inputting a selection signal to the
[0030]
Next, the reading operation will be described. When reading is performed, a non-selection signal is input to the gate terminal 14G of the
When the
[0031]
The write and non-write storage states of the
When the
[0032]
Further, when the
When the on-resistance of the
[0033]
Next, the erase operation will be described. When erasing is performed, a selection signal is input to the gate terminal 14G of the
At this time, by applying an erasing voltage (the voltage is the same as the program voltage and having the same or slightly higher voltage) from the
[0034]
Here, writing to and reading from a nonvolatile memory represented by a flash memory (floating gate EEPROM) according to the present invention will be described in detail with reference to cross-sectional views of FIGS. First, the difference in the storage state depending on the charge storage state of the nonvolatile memory will be described with reference to FIG.
[0035]
The
On the surface of the P-
An N-
[0036]
If there is an accumulated
[0037]
Next, the writing operation of the
In writing to the
[0038]
When a current flows between the N-
The electrons generated in the N-
[0039]
Next, the read operation of the
For reading from the
When the writing described with reference to FIG. 6 is performed, the
[0040]
The threshold voltage of the
At the time of reading, a read voltage (3 V) is applied to the N-
[0041]
From the graph of FIG. 8, in the Vgs-Ids characteristic 46 after writing, when a voltage of 3 V (Vgs) is applied to the N-
In addition, in the Vgs-Ids characteristic 44 before writing, the current value of the current (Ids) flowing between the N-
[0042]
When the read voltage is read at 3 V, the difference in current (Ids) after writing and before writing is about 109Since it is nearly double, the current difference between the case where data is written and the case where data is not written is large, and it becomes easy to judge the storage state.
If the difference between the threshold voltages of the
[0043]
【Example】
Next, a more specific embodiment of the present invention will be described below in which the first transistor and the second transistor are N-type MOS transistors, and the nonvolatile memory is an N-type floating gate nonvolatile memory.
First, the structure and operation of the semiconductor nonvolatile memory device of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0044]
As shown in FIG. 9, the first N-
[0045]
The source of the first N-
The
[0046]
A selection signal is inputted to the
A selection signal is input to the
A selection signal is input to the
[0047]
At the time of writing and erasing, the first N-
[0048]
Next, the structure of the first N-
The channel width of the first N-
[0049]
Since the first N-
That is, the first N-
[0050]
Specific examples of the channel length and channel width are shown as follows: W1 = 50 μm, W2 = 2 μm, L1 = 0.6 μm, L2 = 20 μm.
When the channel length and channel width are as described above, the on-resistance when a voltage of 12 V is applied to the
[0051]
FIG. 9 shows how the voltage appearing between the source and drain of the N-type floating gate
The potential difference of Vprog−Vout is a voltage actually applied between the source and drain of the N-type floating gate
[0052]
As is apparent from the graph of FIG. 10, the potential difference (Vprog−Vout) increases as the channel width of the first N-
[0053]
Next, the graph of FIG. 13 will be described. In FIG. 13, the vertical axis represents the potential difference (Vprog−Vout) between the program voltage (Vprog) at the time of writing and the voltage (Vout) of the
The potential difference of Vprog−Vout is a voltage actually applied between the source and drain of the N-type floating gate
[0054]
As is apparent from the graph of FIG. 13, the potential difference (Vprog−Vout) increases as the channel length of the first N-
[0055]
The structure of the N-type floating gate
A
[0056]
The
The
[0057]
The inter-polysilicon
For this reason, the inter-polysilicon insulating
[0058]
The N-
[0059]
Next, the write operation of the N-type floating gate
By inputting a write selection signal (12V) to the
By inputting (0 V), the second N-
[0060]
When the selection signal (12V) is input to the
In order to apply a program voltage to the
[0061]
At this time, a program current 40 flows from the
In addition to the pattern shape for reducing the on-resistance in this way, since the program voltage is applied to the
[0062]
That is, the voltage drop between the source and the drain in the first N-
Charges (electrons) that are sufficiently accelerated and have energy exceeding the potential barrier of the
Although the threshold voltage before writing of the N-type floating gate
[0063]
Next, the read operation will be described with reference to FIG. 8, FIG. 11, and FIG. In FIG. 11, the same parts as those in FIG. The read voltage (Vdd) is 3V.
The potential difference (Vdd−Vout) between the read voltage (Vdd) and the voltage (Vout) of the
[0064]
By inputting a non-selection signal (0 V) to the
[0065]
When a selection signal (3V) is input to the
[0066]
In the write and non-write storage states of the N-type floating gate
When the N-type floating gate
[0067]
When the N-type floating gate
This is because the current flowing only in the N-type floating gate
[0068]
As described above, since the second N-
The
Therefore, a value obtained by dividing the read voltage by the on-resistance of the second N-
[0069]
The output of the
[0070]
In the erase operation, a selection signal is input to the
[0071]
As a result, the first N-
[0072]
According to the semiconductor nonvolatile memory device of the present invention, the write / erase transistor and the read transistor are connected in parallel, and the nonvolatile memory is connected in series to the two transistors connected in parallel. . By using two transistors separately for writing and erasing, the potential difference and current necessary for writing and erasing can be applied between the source and drain of the nonvolatile memory during writing and erasing, and power consumption is reduced during reading. Thus, the stored charge output of the nonvolatile memory can be read out.
[0073]
In the above description, the floating gate type nonvolatile memory is used as the nonvolatile memory. However, the nonvolatile memory is not limited to the MNOS type nonvolatile memory that holds charges in the trap of the silicon nitride film. Even if used, the same effects as described above can be obtained.
[0074]
Here, the MNOS type nonvolatile memory will be described. In the following description, the structure of the N-type MNOS
A
[0075]
The
As the
[0076]
The
The
[0077]
If the charge is stored in the
[0078]
Although not shown in FIG. 14, a silicon oxide film having a thickness of 3 to 5 nm is provided between the
[0079]
In the above description, an example in which N-type MOS transistors are used as the
Further, in the semiconductor nonvolatile memory device of the present invention, the same effect can be obtained even if both the N-type MOS transistor and the P-type MOS transistor are used as the
[0080]
The case where the first N-
The program voltage (Vprog) is -12V and the read voltage is -3V.
The
[0081]
By inputting a write selection signal (−12V) to the
By inputting (0V), the second P-
When the first P-
[0082]
Since a program voltage (−12V) is applied to the
Therefore, the on-resistances of the first P-
[0083]
At this time, a program current 40 flows from the
The channel length and channel width of the first P-
[0084]
The first P-
[0085]
That is, the voltage drop between the source and the drain in the first P-
As shown in FIG. 12, charges 36 (electrons) that are sufficiently accelerated and have energy exceeding the potential barrier of the
[0086]
In the above description, an example in which both the channel length and the channel width are changed as means for making the on-resistances of the two transistors for selection different is described. However, if only the channel lengths of the two transistors are changed, Alternatively, the on-resistance may be varied by changing only the channel widths of the two transistors.
[0087]
Further, in the above description, the example has been described in which the threshold voltage of the nonvolatile memory is shifted to the enhancement side to obtain the write state. Conversely, the threshold voltage of the nonvolatile memory is shifted to the depletion side. It may be in a writing state. Further, although the example of performing erasing by extracting the charge from the charge storage layer has been described, it may be performed by injecting the charge into the charge storage layer.
[0088]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, the semiconductor nonvolatile memory device according to the present invention has a configuration in which two transistors connected in parallel are connected in series with a nonvolatile memory. The two transistors are divided into roles for writing and erasing and for reading.
The transistor for writing and erasing optimizes the channel width and the channel length so that a voltage and current necessary for writing can be sufficiently supplied to the nonvolatile memory so as not to be rewritten. The transistor for reading optimizes the channel width and the channel length so that power consumption becomes as small as possible during reading.
[0089]
By using these two transistors connected in parallel for writing and erasing and for reading, the semiconductor nonvolatile memory device can perform writing without causing rewriting, and can reduce power consumption during reading. The semiconductor nonvolatile memory device of the present invention has an effect that can be made extremely small.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a semiconductor nonvolatile memory device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional semiconductor nonvolatile memory device.
FIG. 3 is a graph showing a relationship between on-resistance of a transistor for selection and a threshold voltage after writing in a nonvolatile memory.
FIG. 4 is a graph showing a relationship between an on-resistance of a selection transistor and a current value at the time of reading from a nonvolatile memory.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a charge accumulation state in the nonvolatile memory according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining writing in the nonvolatile memory according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining reading in the nonvolatile memory according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph of Vgs-Ids characteristics showing a threshold voltage change before and after writing in the nonvolatile memory according to the embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a circuit diagram for explaining writing in the semiconductor nonvolatile memory device in the embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the channel width of a selection transistor of the semiconductor nonvolatile memory device and the potential difference generated between the source and drain of the nonvolatile memory in the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a circuit diagram for explaining reading of the semiconductor nonvolatile memory device in the embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining the structure of an N-type floating gate nonvolatile memory of the semiconductor nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the channel length of a selection transistor of the semiconductor nonvolatile memory device and the potential difference generated between the source and drain of the nonvolatile memory in the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a nonvolatile memory having a different structure of the semiconductor nonvolatile memory device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a circuit diagram for explaining writing in a semiconductor nonvolatile memory device having a different structure of the semiconductor nonvolatile memory device in the embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
6: output terminal 14:
14G: Gate terminal 16: Second transistor
16G: Gate terminal 18:
18D: Drain terminal 20: First N-type MOS transistor
21: N-type MOS transistor 22: N-type floating gate nonvolatile memory
24: Second N-type MOS transistor 26: N-type gate electrode
28: N-type source electrode 30: N-type drain electrode
32: P-type semiconductor substrate 34: Charge storage layer 35: First insulating film
36: Accumulated charge 37: Second insulating film 38: N-type channel
48: N-type control gate 50: N-type floating gate
52: Tunnel oxide film 54: Insulating film between polysilicon
56: N-type MNOS nonvolatile memory 58: Memory nitride film
60: First P-type MOS transistor
62: Second P-type MOS transistor
Claims (3)
前記トランジスタは、並列接続した第1のトランジスタと第2のトランジスタとからなり、
前記第1のトランジスタはデータの書き込み及び消去時に導通状態となり、
前記第2のトランジスタはデータの読み出し時に導通状態となり、
前記第1のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗は、前記第2のトランジスタが導通状態となるときのオン抵抗より小さいことを特徴とする半導体不揮発性記憶装置。Semiconductor non-volatile memory device comprising: a non-volatile memory for storing data; and a transistor connected in series to the non-volatile memory to select the non-volatile memory, and having a connection point between the non-volatile memory and the transistor as an output terminal Because
The transistor comprises a first transistor and a second transistor connected in parallel,
The first transistor becomes conductive when data is written and erased,
The second transistor becomes conductive when reading data ,
2. The semiconductor nonvolatile memory device according to claim 1, wherein an on-resistance when the first transistor is turned on is smaller than an on-resistance when the second transistor is turned on .
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