JP4761646B2 - Non-volatile memory - Google Patents

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【0001】
【発明が属する技術分野】
本願発明は半導体不揮発性メモリに関する。特に、電気的書き込み及び消去可能な半導体不揮発性メモリ(EEPROMまたはElectrically Erasable and Programmable Read Only Memory)に関する。また、本願発明はSOI(Silicon On Insulator)技術を用いて形成される薄膜トランジスタ(以下TFTという)で構成された半導体装置に関する。特に、半導体不揮発性メモリ、画素部および画素部の駆動回路が、絶縁表面を有する基板上に一体形成された半導体装置に関する。
【0002】
なお、本明細書において、電気的書き込み及び消去可能な半導体不揮発性メモリ(EEPROM)とは、文字通り、電気的な書き込みおよび電気的な消去が可能な半導体不揮発性メモリの全体を指し、例えばフル機能EEPROM、フラッシュメモリをその範疇に含む。また、以下特に断りのない場合、不揮発性メモリおよび半導体不揮発性メモリはEEPROMと同義で用いる。また、本明細書において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能する装置全般を指し、例えば、液晶表示装置およびEL表示装置に代表される電気光学装置、および電気光学装置を搭載した電子機器をその範疇に含む。
【0003】
【従来の技術】
近年、携帯型コンピュータ、携帯電話といった携帯機器に代表される、多機能かつ高機能な小型の半導体装置が急速に普及している。そしてこれに伴い、半導体装置を構成するメモリとして半導体不揮発性メモリが注目されている。半導体不揮発性メモリは磁気ディスクと比べて、記憶容量の大きさに劣るものの、集積密度、耐衝撃性、消費電力、書き込み/読み出し速度、等の点において優れた特徴を有する。最近では、半導体不揮発性メモリの問題点であった書き換え回数やデータ保持時間において十分な性能を有するものが開発されるようになり、半導体不揮発性メモリを磁気ディスクの代替品として用いる動きが高まってきた。
【0004】
半導体不揮発性メモリは、大別するとフル機能EEPROMとフラッシュメモリの2つに分類される。フル機能EEPROMは、1ビット毎の消去が可能な半導体不揮発性メモリであり、書き込み、読みだし及び消去の動作を全て1ビット毎に行うことができる。フラッシュメモリと比して高い機能を有するが、集積度とコストにおいて劣る。一方、フラッシュメモリは、メモリ全体の一括消去またはメモリのブロック単位の消去を行う半導体不揮発性メモリであり、1ビット毎の消去動作を犠牲にして、高い集積密度と低コストを実現している。
【0005】
ここでは従来の半導体不揮発性メモリとして、より高い機能を有するフル機能EEPROMを取り上げ、回路図、メモリセルの断面図および駆動方法について説明を行う。
【0006】
図4に従来のフル機能EEPROMの回路図を示す。図4においてフル機能EEPROMは、複数のメモリセル(1、1)〜(n、m)が縦m個×横n個のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ405、Xアドレスデコーダ401、Yアドレスデコーダ402、および他の周辺回路403、404によって構成されている。他の周辺回路としては、アドレスバッファ回路、コントロールロジック回路、センスアンプ、昇圧回路等が含まれ、必要に応じて設けられる。
【0007】
各メモリセル(代表として、メモリセル(i、j)を考える)(iは1以上n以下の整数、jは1以上m以下の整数)は、nチャネル型のメモリトランジスタTr1とnチャネル型の選択トランジスタTr2を有しており、これら2つのトランジスタは直列に接続されている。そして、メモリトランジスタTr1のソース電極とコントロールゲート電極は、ソース線Siとワード線Wjにそれぞれ接続され、選択トランジスタTr2のドレイン電極とゲート電極は、ビット線Biと選択線Vjにそれぞれ接続されている。また、ビット線B1〜BnはYアドレスデコーダ402に、ワード線W1〜Wmおよび選択線V1〜VmはXアドレスデコーダ401にそれぞれ接続され、ソース線S1〜Snには所定の電位Vsが全て共通に与えられている。
【0008】
各メモリセルが有するメモリトランジスタが1ビットのデータを記録する場合、図4に示すフル機能EEPROMはm×nビットの記憶容量を有する。
【0009】
データの書き込み、読み出しおよび消去は、Xアドレスデコーダ401およびYアドレスデコーダ402によって選択された1つのメモリセルにおいて行われる。メモリセル(1、1)を例にとって、書き込み、読み出しおよび消去動作についての説明を行う。なお、本明細書において、書き込み動作はメモリトランジスタのフローティングゲート電極に電子を注入する操作を、消去動作はフローティングゲート電極から電子を放出する操作を表す。従って、書き込み動作によってメモリトランジスタのしきい値電圧は増加し、消去動作によってしきい値電圧は減少する。
【0010】
まず、メモリトランジスタTr1にデータを書き込む場合は、ソース線S1〜SnをGNDに落し、ビット線B1およびワード線W1に、それぞれ正の高電圧(例えば20V)を印加する。また、選択線V1には選択トランジスタTr2がオンの状態となるような正の電圧(例えば20V)を印加する。このような条件下では、メモリトランジスタTr1のドレイン近傍で高電界が発生し、インパクトイオン化が起こる。さらにゲート方向にも高電界が生じるために、発生したホットエレクトロンはフローティングゲート電極に注入され、その結果、書き込みが行われる。メモリトランジスタTr1のしきい値電圧は、フローティングゲート電極に蓄積された電荷量に依存して変化する。
【0011】
メモリトランジスタTr1に記憶されたデータを読み出す場合は、ソース線S1〜SnをGNDに落し、ワード線W1に所定の電圧(後述)を印加する。また、選択線V1には選択トランジスタがオンの状態となるような電圧を印加する(例えば5V)。そして、メモリトランジスタTr1のフローティングゲート電極に電荷が蓄積されている場合と蓄積されていない場合のしきい値電圧に応じて、メモリセルに記憶されているデータをビット線B1から読み出す。
【0012】
なお、所定の電圧は、消去された状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積されていない状態)におけるしきい値電圧と書き込まれた状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積された状態)におけるしきい値電圧の間に設定すればよい。例えば、消去された状態のメモリトランジスタが2V以下のしきい値電圧を有し、書き込まれた状態のメモリトランジスタが、4V以上のしきい値電圧を有する場合には、所定の電圧として例えば3Vを用いることができる。
【0013】
メモリトランジスタTr1に記憶されたデータの消去を行う場合には、ソース線S1およびワード線W1をGNDに落し、ビット線B1に正の高電圧(例えば20V)を印加する。また、選択線V1に正の高電圧(例えば20V)を印加し、選択トランジスタTr2をオンの状態とする。この時、メモリトランジスタTr1のゲート−ドレイン間に高い電位差が生じるため、フローティングゲート電極に蓄積されている電子がトンネル電流によってドレイン領域へ放出され、消去が行われる。
【0014】
なお、書き込み、読み出しおよび消去時において選択されていない信号線B2〜Bn、W2〜Wmの電位は全て0Vであるとする。また、上述した動作電圧の値は一例であって、その値に限られるわけではない。
【0015】
1ビット毎の動作を行うためには、選択したメモリセル(1、1)への書き込み、読み出しおよび消去時に、非選択のメモリセル(この場合、メモリセル(1、1)以外の全てのメモリセル)に書き込み、読み出しまたは消去が行われてはならない。実際に、1行目以外のメモリセルでは、選択線V2〜Vnが0Vであるため選択トランジスタがオフの状態となり、メモリトランジスタへの書き込み、消去は行われず、読み出し時の影響もない。また、1列目以外のメモリセルにおいても、ソース線−ビット線間に電位差は生じないため、メモリセルへの書き込みは行われず、読み出し時の影響もない。ワード線−ビット線間に電位差が生じないため消去も行われない。
【0016】
以上のようにして、非選択のメモリセルを誤動作させることなく、選択したメモリセル(1、1)への書き込み、読み出しおよび消去動作が行われる。
【0017】
最後に、従来のフル機能EEPROMを構成するメモリセルの代表的な断面構造を図5に示す。図5において、メモリトランジスタTr1(nチャネル型)および選択トランジスタTr2(nチャネル型)が、p型のシリコン基板500上に形成されている。メモリトランジスタTr1は、シリコン基板500の表面付近に形成されたソース/ドレイン領域(高濃度n型不純物領域)501、502とチャネル形成領域504、および第1のゲート絶縁膜506、フローティングゲート電極508、第2のゲート絶縁膜510、コントロールゲート電極511によって構成されている。選択トランジスタTr2は、シリコン基板500の表面付近に形成されたソース/ドレイン領域(高濃度n型不純物領域)502、503とチャネル形成領域505、および第1のゲート絶縁膜507、ゲート電極509によって構成されている。また、層間膜512上に、コンタクトホールを通して、ソース配線513及びドレイン配線514が引き出されている。
【0018】
なお、図5において、メモリトランジスタTr1のドレイン領域502とフローティングゲート電極508は第1のゲート絶縁膜506を介して一部重なっている。この重なった領域は消去動作においてトンネル電流を流すための領域である。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
半導体不揮発性メモリがフル機能EEPROMとフラッシュメモリの2つに分類されることはすでに述べた。フル機能EEPROMは、1ビット毎の動作が可能であり、機能的に優れたメモリである。しかしながらフル機能EEPROMは、1ビットのデータを格納するメモリセルがメモリトランジスタと選択トランジスタの2つのトランジスタによって構成されるため、メモリセル面積が大きく、集積密度が低いという問題がある。そしてこのことは、フル機能EEPROMの小型化と低コスト化の妨げとなっている。
【0020】
フラッシュメモリは、半導体不揮発性メモリにおいて、高い集積密度を実現した形態の一つということができる。フラッシュメモリを構成するメモリセルは1つのメモリトランジスタで構成されており、1ビット毎の消去動作を犠牲にして、高い集積密度を実現している。フラッシュメモリでは、一ビットのデータの書き換えを行うために全てのデータを消去しなければならない。そのため、フル機能EEPROMと比べて消費電力が大きく、また書き換え不要なメモリセルにおいても書き換えを行うために信頼性が低下する。もちろん1ビットの消去動作が必要な用途に対してフラッシュメモリを用いることはできない。
【0021】
このように見てみると、半導体不揮発性メモリにおける最も重要な課題の1つは、集積密度の高いフル機能EEPROMを実現することである、と言うことができる。そのようなEEPROMは、小型化と低コスト化によって、従来のフル機能EEPROMの置き換えはもちろん、フラッシュメモリの置き換えや、高機能が必要とされる様々な用途に対しても不可欠なメモリとなることが予想される。
【0022】
本願発明は、上記の事情を鑑みてなされたものである。本願発明では、高い集積密度とそれに伴う小型化および低コスト化を可能とするフル機能EEPROMを提供することを課題とする。また、そのような半導体不揮発性メモリを、TFTによって構成される他の半導体装置の部品と絶縁表面を有する基板上に一体形成することにより、多機能あるいは高機能であり、小型の半導体装置を提供することを課題とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
従来のフル機能EEPROMは、メモリセルがメモリトランジスタと選択トランジスタの2つのトランジスタによって構成されるため、高い集積密度を実現することが困難である。この場合、集積密度の向上を妨げる原因は明白であり、メモリ機能を果たさない選択トランジスタが1ビットあたりの面積に加えられているためである。
【0024】
フラッシュメモリは、単にこの選択トランジスタを取り除くことで高集積化を実現した。しかし、メモリセルを選択する機能を果たす選択トランジスタを取り除いたために、その代償として1ビット毎の動作が完全ではなくなっている。本願発明の基本となる考え方は、高集積化を実現するために、選択トランジスタにメモリ機能を付加することにある。選択トランジスタとしての機能を残すことにより、1ビット毎の動作が可能な半導体不揮発性メモリを実現する。
【0025】
本願発明では、半導体不揮発性メモリを2つのメモリトランジスタからなるメモリセルによって構成する。メモリセルの回路構造は、従来のフル機能EEPROMにおいて、選択トランジスタをメモリトランジスタに置きかえたものである。
【0026】
本願発明の半導体不揮発性メモリは1ビット毎の動作が可能なフル機能EEPROMである。また、メモリセルを構成する2つのトランジスタが共にメモリ機能を有するため、1つのメモリセルは従来のフル機能EEPROMと比して2倍のデータを記憶することができる。従って、本願発明の半導体不揮発性メモリは、従来のフル機能EEPROMと同じメモリセル面積で2倍のメモリ容量を有し、また、1ビットあたりのメモリセル面積は半分となる。その結果、本願発明によって、高い集積密度とそれに伴う小型化および低コスト化を可能とするフル機能EEPROMを提供することが可能となる。
【0027】
また、本願発明の半導体不揮発性メモリは、特に新しい工程を必要とせず、マスク枚数も従来のフル機能EEPROMと同じである。従って、従来のフル機能EEPROMから本願発明の不揮発性メモリへの変更は、技術的にもコスト的にも容易である。
【0028】
なお、本願発明では、半導体不揮発性メモリをシリコン基板上に形成しても、SOI基板上に形成しても、また、絶縁表面を有する基板上に形成しても構わない。
【0029】
特に、絶縁表面を有する基板上に形成されるメモリトランジスタ(以下、メモリTFTと呼ぶ)によって構成する場合には、TFTによって構成される任意の回路(代表的には、画素部、画素部の駆動回路)を有する半導体装置において、新たにメモリ部として本願発明の半導体不揮発性メモリを一体形成し、そのシステムに組み込むことにより、多機能または高機能、かつ小型の半導体装置を提供することが可能となる。
【0030】
以下に、本願発明の構成を示す。
【0031】
メモリセルがマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、メモリセルの駆動回路と、を少なくとも備えた不揮発性メモリであって、
前記メモリセルは2つのメモリトランジスタを有することを特徴とする不揮発性メモリが提供される。
【0032】
メモリセルがマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、メモリセルの駆動回路と、複数の第1のワード線と、複数の第2のワード線と、複数のビット線と、複数のソース線と、を少なくとも備えた不揮発性メモリであって、
前記メモリセルは第1のメモリトランジスタと第2のメモリトランジスタとを有し、
前記第1のメモリトランジスタと前記第2のメモリトランジスタとは直列に接続されており、
前記第1のメモリトランジスタのゲート電極は前記第1のワード線に接続されており、
前記第2のメモリトランジスタのゲート電極は前記第2のワード線に接続されており、
前記第1のメモリトランジスタのソース電極またはドレイン電極の残る一方は前記ビット線に接続されており、
前記第2のメモリトランジスタのソース電極またはドレイン電極の残る一方は前記ソース線に接続されていることを特徴とする不揮発性メモリが提供される。
【0033】
前記不揮発性メモリは1ビット毎の書き込み及び1ビット毎の消去が可能であることが好ましい。
【0034】
前記メモリセルへの書き込み及び消去はトンネル電流によって行われることが好ましい。
【0035】
書き込みを行うメモリセルに接続されるソース線とビット線とは、書き込み時において同電位であってもよい。
【0036】
前記第1及び前期第2のメモリトランジスタはそれぞれ、ソース領域と、ドレイン領域と、チャネル形成領域と、第1のゲート絶縁膜と、フローティングゲート電極と、第2のゲート絶縁膜と、コントロールゲート電極と、を少なくとも備えており、
前記第1及び前期第2のメモリトランジスタにおいてそれぞれ、前記ソース領域または前記ドレイン領域のいずれか一方または両方と前記フローティングゲート電極とは、前記第1のゲート絶縁膜を介して一部重なっていることが好ましい。
【0037】
前記メモリセルを構成する2つのメモリトランジスタはいずれもnチャネル型トランジスタであってもよい。
【0038】
前記メモリセルを構成する2つのメモリトランジスタはいずれもpチャネル型トランジスタであってもよい。
【0039】
前記メモリセルアレイと前記メモリセルの駆動回路は絶縁表面を有する基板上に一体形成することができる。
【0040】
絶縁表面を有する基板上に複数の画素がマトリクス状に配置された画素部と、前記複数の画素を駆動するTFTで構成された画素駆動回路と、請求項9に記載の不揮発性メモリと、を少なくとも備えた半導体装置であって、
前記画素部と前記画素駆動回路と前記不揮発性メモリとは、前記絶縁表面を有する基板上に一体形成されることを特徴とする半導体装置が提供される。
【0041】
前記半導体装置として、液晶表示装置、或いはEL表示装置が提供される。
【0042】
前記半導体装置として、ディスプレイ、ビデオカメラ、DVDプレーヤー、ヘッドマウントディスプレイ、パーソナルコンピュータ、携帯電話、カーオーディオが提供される。
【0043】
【発明の実施の形態】
本願発明の不揮発性メモリの回路図、駆動方法及びメモリセルの断面構造について説明する。
【0044】
図1に本願発明のm×nビット不揮発性メモリの回路図を示す(m、nはそれぞれ1以上の整数)。本実施の形態の不揮発性メモリは、m×n個のメモリセル(1、1)〜(n、m)が縦m個×横n個のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ105、メモリセルアレイ105の駆動回路であるXアドレスデコーダ101とYアドレスデコーダ102、および他の周辺回路103、104によって構成される。また、各メモリセルは2つのメモリトランジスタTr1及びTr2によって構成される。それぞれのメモリトランジスタが1ビットのデータを記憶する場合には、本実施の形態の不揮発性メモリはm×n×2ビットの記憶容量を有する。また、他の周辺回路には、アドレスバッファ回路、コントロールロジック回路、センスアンプ、昇圧回路等が含まれ、必要に応じて設けられる。
【0045】
メモリトランジスタTr1及びTr2はnチャネル型またはpチャネル型のいずれの導電型トランジスタでも良いが、本実施の形態では、nチャネル型トランジスタとする(pチャネル型トランジスタについては実施例3を参照)。また、本実施の形態では1つのメモリトランジスタが1ビットのデータを記憶する場合を考えるが、多値技術により、1つのメモリトランジスタが2ビット以上のデータを記憶することも可能である。1つのメモリトランジスタがkビット(kは1以上の整数)のデータを記憶する場合、本実施の形態の不揮発性メモリの記憶容量は、m×n×2×kビットとなる。
【0046】
本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリトランジスタは、バルクシリコン基板、SOI基板及び絶縁表面を有する基板のいずれの基板上に形成されても構わない。また、メモリセルの駆動回路(本実施の形態では、Xアドレスデコーダ101とYアドレスデコーダ102)、および他の周辺回路103、104を同じ基板上に形成することにより、小型の不揮発性メモリを実現することができる。
【0047】
特に、本願発明の不揮発性メモリを、絶縁表面を有する基板上に形成されるメモリTFTによって構成する場合、TFTによって構成されるいかなる半導体装置の部品とも一体形成することが可能であり、多機能または高機能であり、小型の半導体装置を提供することができる(実施例5、6及び9参照)。
【0048】
図1において、各メモリセル(代表としてメモリセル(i、j)を考える)(iは1以上n以下の整数、jは1以上m以下の整数)は、それぞれ2つのメモリトランジスタTr1及びTr2を有しており、これら2つのメモリトランジスタTr1及びTr2は直列に接続されている。メモリトランジスタTr1のソース電極とコントロールゲート電極は、ソース線Siと第1のワード線Wajにそれぞれ接続され、メモリトランジスタTr2のドレイン電極とコントロールゲート電極は、ビット線Biと第2のワード線Wbjにそれぞれ接続されている。また、ビット線B1〜Bnおよびソース線S1〜SnはYアドレスデコーダ102に、第1のワード線Wa1〜Wamおよび第2のワード線Wb1〜WbmはXアドレスデコーダ101にそれぞれ接続されている。
【0049】
次に、本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの断面構造について説明する。図3に絶縁表面を有する基板上に形成されたメモリセルの断面構造の一例を示す。
【0050】
図3において、メモリセルを構成する2つのメモリTFT316及び317が絶縁表面を有する基板300上に形成されている。メモリTFT316は、ソース・ドレイン領域301、302およびチャネル形成領域304からなる半導体活性層、第1のゲート絶縁膜306、フローティングゲート電極308、第2のゲート絶縁膜310、およびコントロールゲート電極311によって構成されている。メモリTFT317も同様に、ソース・ドレイン領域302、303およびチャネル形成領域305からなる半導体活性層、第1のゲート絶縁膜307、フローティングゲート電極309、第2のゲート絶縁膜310、およびコントロールゲート電極312によって構成されている。また、層間膜313上に、コンタクトホールを通して、ソース電極314、ドレイン電極315が引き出されている。
【0051】
また、メモリTFT316は、ソース領域301とフローティングゲート電極308が第1のゲート絶縁膜306を介して一部重なる領域を有しており、メモリTFT317は、ドレイン領域303とフローティングゲート電極309が第1のゲート絶縁膜307を介して一部重なる領域を有している。この領域(以下、オーバーラップ領域という)は、フローティングゲート電極−ソース・ドレイン領域間にトンネル電流を流すための領域である。後述するように、オーバーラップ領域の位置は不揮発性メモリの動作方法と関係する。
【0052】
本願発明の不揮発性メモリの特徴は、従来のフル機能EEPROMと比較して、選択トランジスタにメモリ機能を有するメモリトランジスタを用いることにある。その結果、本願発明の不揮発性メモリは、1つのメモリセルについて2ビットのデータを記憶することが可能であると共に、データの書き込み、読み出しおよび消去は完全に1ビット単位で行うことができる。
【0053】
この場合、特に書き込み動作において、従来のフル機能EEPROMとは異なる駆動方法を用いる。具体的には、ホットエレクトロン注入を行う代わりに、トンネル電流による書き込みを行う。その際、ソース線は、共通の電位を与えるのではなく、ビット線と同様にYアドレスでコーダへ接続し、選択的に電位を与えられる構造とすることが望ましい。以下に、メモリセル(1、1)を例にとって、メモリトランジスタTr1及びTr2のそれぞれにおける書き込み、読み出し及び消去の動作方法の説明を行う。
【0054】
まず、メモリトランジスタTr1にデータを書き込む場合は、例えば、ソース線S1及びビット線B1を−10V、第1のワード線Wa1を10V、第2のワード線Wb1を0Vとする。その結果、メモリトランジスタTr1はオンの状態となり、コントロールゲート電極−チャネル領域間に高い電位差が生じる。そして、トンネル電流によってチャネル領域からフローティングゲートへ電子が注入され、書き込みが行われる。また、第2のワード線Wb1は、メモリトランジスタTr2のコントロールゲート電極、ソース電極及びドレイン電極の間の電位差(ストレスともいう)を小さく抑え、メモリトランジスタTr2において誤った書き込みが行われない値とすることが必要である。
【0055】
メモリトランジスタTr2への書き込みは、メモリトランジスタTr1への書き込みと同様に行うことができる。例えば、ソース線S1及びビット線B1を−10V、第1のワード線Wa1を0V、第2のワード線Wb1を10Vとすればよい。その結果、メモリトランジスタTr2のコントロールゲート電極−ドレイン電極間に高い電位差が生じ、トンネル電流によるフローティングゲートへの電子の注入(書き込み)が起こる。一方、メモリトランジスタTr1には、高々10V程度のストレスが加わるだけであり、書き込みは行われない。
【0056】
また、メモリセル(1、1)以外のメモリセル(非選択のメモリセルともいう)におけるストレスについても、高々10V程度であり、書き込みは行われない。
【0057】
次に、読み出し動作について述べる。メモリトランジスタTr1に記憶されたデータを読み出す場合には、例えば、ソース線S1に0V、第1のワード線Wa1に所定の電圧(後述)、第2のワード線Wb1にはメモリトランジスタTr2がオンの状態(例えば8V)となるような電圧を印加する。その結果、メモリトランジスタTr1の状態(オンまたはオフ)がしきい値電圧に応じて決まり、ソース線S1−ビット線B1間の導通状態(導通または非導通)が決まるため、メモリトランジスタTr1に記憶されているデータをビット線B1から読み出すことができる。
【0058】
なお、所定の電圧は、消去された状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積されていない状態)におけるしきい値電圧と書き込まれた状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積された状態)におけるしきい値電圧の間に設定すればよい。例えば、消去された状態のメモリトランジスタが−1V以上2V以下のしきい値電圧を有し、書き込まれた状態のメモリトランジスタが、4V以上7V以下のしきい値電圧を有する場合には、所定の電圧として例えば3Vを用いることができる。
【0059】
メモリトランジスタTr2に記憶されたデータを読み出す場合も同様である。例えば、ソース線S1を0V、第1のワード線Wa1にメモリトランジスタTr2がオンの状態(例えば8V)となるような電圧、第2のワード線Wb1には上述した所定の電圧(例えば3V)を印加するとよい。
【0060】
なお、選択するメモリセル(1、1)と同列の非選択のメモリセル(1、2)〜(1,m)は、全て非導通状態であることが必要である。言い換えると、メモリセル(1、2)〜(1,m)において、メモリトランジスタTr1またはTr2はオフの状態であることが必要である。特に、しきい値の分布が0V以下まで広がる場合には、上述した動作電圧によって誤動作を引き起こす可能性がある。この問題は幾つかの方法によって取り除くことができる。例えば、消去状態のメモリトランジスタのしきい値電圧の分布が−5V以上である場合には、読み出すメモリトランジスタをTr1として、ソース線S1を5V、第1のワード線Wa1に8V、第2のワード線Wb1に13Vとすることで、非選択のメモリトランジスタは全てオフの状態となり、誤動作は起こらない。この他、周辺回路としてベリファイ回路を設けることによって消去状態のしきい値電圧の分布を0V以上に制御する、メモリ素子をスプリットゲート構造とする、等の方法によっても読み出し時の誤動作を無くすことができる。
【0061】
最後にデータ消去について述べる。消去動作は、書き込み動作とは逆方向のトンネル電流を用いる。メモリトランジスタTr1において消去を行う場合、例えば、ソース線S1およびビット線B1を10V、第1のワード線Wa1を−10V、第2のワード線Wb1を0Vとする。この時、メモリトランジスタTr1はオフの状態となり、コントロールゲート電極−ソース電極間に高い電位差が生じる。その結果、コントロールゲート電極とソース電極間のオーバーラップ領域にトンネル電流が流れ、フローティングゲートからソース領域へ電子が放出される。つまり消去が行われる。
【0062】
メモリトランジスタTr2において消去を行う場合も同様である。例えば、ソース線S1及びビット線B1を10V、第1のワード線Wa1を0V、第2のワード線Wb1を−10Vとすればよい。
【0063】
また、非選択のメモリセルにおいて、ストレスは高々10V程度であり、誤った消去は行われない。
【0064】
なお、上述した動作方法において、書き込み時および読み出し時において選択されていないビット線B2〜Bn、ソース線S2〜Sn、第1のワード線Wa2〜Wam及び第2のワード線Wb2〜Wbmの電位は全て0Vであるとする。
【0065】
このように、本願発明の不揮発性メモリは1つのメモリセルについて2ビットのデータを記憶することが可能であると共に、データの書き込み、読み出しおよび消去は完全に1ビット単位で行うことができる。本願発明の不揮発性メモリは、フル機能EEPROMである。そして、1つのメモリトランジスタと1つの選択トランジスタとからなるメモリセルを有する従来のフル機能EEPROMと比較して、2倍の集積密度を実現している。
【0066】
勿論、上述した動作電圧の値は、一例であって、その値に限られるわけではない。実際に、メモリトランジスタに印加される電圧は、メモリトランジスタの第1のゲート絶縁膜、第2のゲート絶縁膜、コントロールゲート電極とフローティングゲート電極との間の容量、オーバーラップ領域の大きさ、等に依存する。そしてメモリトランジスタの動作電圧もそれに従って変化する。
【0067】
動作電圧の値は、選択するメモリセルにおいて書き込み、読みだし及び消去動作を行うのに必要な電位差を保ちつつ、非選択のメモリセルにおいて、誤動作を引き起こさない範囲であれば、どのような値であっても構わない。
【0068】
なお、本実施の形態の動作方法では、ソース線に共通の電位を与えるのではなく、ソース線を駆動回路(本実施の形態では、Yアドレスデコーダ)に接続することで、ビット線と同様、選択的に電位を与えられる回路構造としている。このような回路構造とすることにより、周辺回路面積が多少増加する欠点はあるが、動作のマージンを広く確保することが可能となる。また、従来のフル機能EEPROMでは、消去時にソース・ドレイン間に大きな電位差が生じるために、消費電力が増加したり、回路への負荷が増大するといった問題があった。本実施の形態の駆動方法によると、消去時にソース線とビット線が同電位であるため、ソース・ドレイン間の電位差に起因する電流は流れることはなく、このような問題は起こらない。
【0069】
本願発明の不揮発性メモリは、複数のメモリトランジスタの消去及び書き込みを同時に行うこともできる。特に、1つのメモリセル(2つのメモリトランジスタ)、縦1列、横1行、縦複数列、横複数行、全メモリセル、等の単位で、消去及び書き込みを同時に行うことができる。例えば、1つのメモリセル(1、1)において、2つのメモリトランジスタTr1及びTr2への書き込みを同時に行う場合は、ソース線S1及びビット線B1を−10V、第1のワード線Wa1及び第2のワード線Wb1を10Vとすればよい。また、消去を同時に行う場合は、ソース線S1およびビット線B1を10V、第1のワード線Wa1及び第2のワード線Wb1を−10Vとすればよい。
【0070】
(実施例1)
本実施例では、本願発明の不揮発性メモリの例として、pチャネル型メモリトランジスタによって構成される、2048ビットの不揮発性メモリを取り上げ、回路図及び駆動方法について説明を行う。
【0071】
図6に本実施例の不揮発性メモリの回路図を示す。図6に示した不揮発性メモリは、1024個のメモリセル(1、1)〜(32、32)が縦32個×横32個のマトリクス状に配置されたメモリセルアレイ605、Xアドレスデコーダ601、Yアドレスデコーダ602、および他の周辺回路603、604によって構成される。各メモリセルは2つのpチャネル型メモリトランジスタTr1及びTr2によって構成される。各メモリトランジスタが1ビットのデータを記憶する場合、本実施例の不揮発性メモリは2048ビットの記憶容量を有する。また、 他の周辺回路には、アドレスバッファ回路、コントロールロジック回路、センスアンプ、昇圧回路等が含まれ、必要に応じて設けられる。
【0072】
各メモリセル(代表としてメモリセル(i、j)を考える)(i、jは1以上32以下の整数)は、それぞれ2つのメモリトランジスタTr1及びTr2を有しており、これら2つのメモリトランジスタTr1及びTr2は直列に接続されている。メモリトランジスタTr1のソース電極とコントロールゲート電極は、ソース線Siと第1のワード線Wajにそれぞれ接続され、メモリトランジスタTr2のドレイン電極とコントロールゲート電極は、ビット線Biと第2のワード線Wbjにそれぞれ接続されている。また、ビット線B1〜B32およびソース線S1〜S32はYアドレスデコーダ602に、第1のワード線Wa1〜Wa32および第2のワード線Wb1〜Wb32はXアドレスデコーダ601にそれぞれ接続されている。
【0073】
本実施例の不揮発性メモリは、1つのメモリセルについて2ビットのデータを記憶することが可能であると共に、データの書き込み、読み出しおよび消去は完全に1ビット単位で行うことができる。その動作方法は、実施の形態で述べたnチャネル型不揮発性メモリの動作方法と同様、トンネル電流による書き込み及び消去を行う。以下に、pチャネル型不揮発性メモリの動作方法について簡単に述べる。
【0074】
書き込み動作及び消去動作は、実施の形態と同じ動作電圧を用いることができる。例えば、メモリセル(1、1)におけるメモリトランジスタTr1についての消去を行う場合、ソース線S1およびビット線B1を10V、第1のワード線Wa1を−10V、第2のワード線Wb1を0Vとするとよい。また、メモリセル(1、1)におけるメモリトランジスタTr1についての書き込みを行う場合、ソース線S1及びビット線B1を−10V、第1のワード線Wa1を10V、第2のワード線Wb1を0Vとするとよい。メモリトランジスタTr2について書き込みおよび消去を行う場合は、第1のワード線の電位と第2のワード線の電位を入れ換えるとよい。また、非選択のメモリセルにおけるストレスは、書き込み及び消去時において高々10V程度であり、誤った書き込み及び消去は行われない。
【0075】
書き込みおよび消去時において、pチャネル型メモリトランジスタは、nチャネル型メモリトランジスタとは逆の状態(オンまたはオフ)となる。つまり、pチャネル型では書き込みを行うメモリトランジスタはオフの状態となり、消去を行うメモリトランジスタはオンの状態となる。その結果、消去動作はチャネル領域を流れるトンネル電流によって行われ、書き込み動作はコントロールゲート電極とソース・ドレイン電極とのオーバーラップ領域を流れるトンネル電流によって行われる。上述した動作電圧を用いる場合、書き込み時のトンネル電流は、メモリトランジスタTr1のフローティングゲート電極−ソース領域間またはメモリトランジスタTr2のフローティングゲート電極−ドレイン領域間を流れる。従って、オーバーラップ領域はメモリトランジスタTr1のフローティングゲート電極−ソース領域間、およびメモリトランジスタTr2のフローティングゲート電極−ドレイン領域間に形成することが必要である。
【0076】
次に、読み出し動作について、メモリセル(1、1)を例にとって説明する。メモリトランジスタTr1に記憶されたデータを読み出す場合には、例えば、ソース線S1に0V、第1のワード線Wa1に所定の電圧(後述)、第2のワード線Wb1にはメモリトランジスタTr2がオンの状態(例えば−5V)となるような電圧を印加する。その結果、メモリトランジスタTr1のしきい値電圧に応じてメモリトランジスタTr1の状態(オンまたはオフ)が決まり、ソース線S1−ビット線B1間の導通状態(導通または非導通)が決まるため、メモリトランジスタTr1に記憶されているデータをビット線B1から読み出すことができる。
【0077】
なお、所定の電圧は、消去された状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積されていない状態)におけるしきい値電圧と書き込まれた状態(フローティングゲート電極に電子が蓄積された状態)におけるしきい値電圧の間に設定すればよい。例えば、消去された状態のメモリトランジスタが−4V以上−1V以下のしきい値電圧を有し、書き込まれた状態のメモリトランジスタが、1V以上4V以下のしきい値電圧を有する場合には、所定の電圧として例えば0Vを用いることができる。
【0078】
メモリトランジスタTr2に記憶されたデータを読み出す場合も同様である。例えば、ソース線S1を0V、第1のワード線Wa1にメモリトランジスタTr2がオンの状態(例えば−5V)となるような電圧、第2のワード線Wb1には上述した所定の電圧(例えば0V)を印加するとよい。
【0079】
なお、選択するメモリセル(1、1)と同列の非選択のメモリセル(1、2)〜(1,32)は、全て非導通状態であることが必要である。上述したしきい値電圧の分布を仮定すると、書き込まれた状態のメモリトランジスタのしきい値電圧は0V以上であるため、書き込まれた状態のメモリトランジスタを有するメモリセルは導通状態となり、誤動作の原因となる。このような誤動作を抑える方法としては、読み出すメモリトランジスタをTr1とした場合に、例えば、ソース線S1を−5V、第1のワード線Wa1を−5V、第2のワード線Wb1を−10Vとするとよい。この場合、メモリトランジスタTr1またはTr2のしきい値電圧が5V以下であれば誤動作は起こらない。この他、周辺回路としてベリファイ回路を設けたり、メモリ素子をスプリットゲート構造とする、等の方法によっても読み出し時の誤動作を抑えることができる。
【0080】
なお、上述した動作方法において選択されていないビット線B2〜B32、ソース線S2〜Sn、第1のワード線Wa2〜Wa32及び第2のワード線Wb2〜Wb32の電位は全て0Vであるとする。
【0081】
勿論、上述した動作電圧の値は、一例であって、その値に限られるわけではない。動作電圧の値は、選択するメモリセルにおいて書き込み、読みだし及び消去動作を行うのに必要な電位差を保ちつつ、非選択のメモリセルにおいて、誤動作を引き起こさない範囲であれば、どのような値であっても構わない。
【0082】
また、本実施例の不揮発性メモリは、複数のメモリトランジスタの消去または書き込みを同時に行うこともできる。例えば、1つのメモリセル(2つのメモリトランジスタを有する)、縦1列、横1行、縦複数列、横複数行、全メモリセル、等の単位で、消去または書き込みを同時に行うことができる。例えば、1つのメモリセル(1、1)において、2つのメモリトランジスタTr1及びTr2への書き込みを同時に行う場合は、ソース線S1及びビット線B1を−10V、第1のワード線Wa1及び第2のワード線Wb1を10Vとすればよい。また、消去を同時に行う場合は、ソース線S1およびビット線B1を10V、第1のワード線Wa1及び第2のワード線Wb1を−10Vとすればよい。
【0083】
(実施例2)
本実施例では、本願発明の不揮発性メモリとして、実施の形態及び実施例1とは異なるメモリセル回路図と駆動方法の例を説明する。
【0084】
図7は、本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの回路図である。図7において、フローティングゲート電極の窪みはオーバーラップ領域を表す。例えば、図7(A)において、メモリトランジスタTr1のオーバーラップ領域はフローティングゲート電極−ソース領域間に、メモリトランジスタTr2のオーバーラップ領域はフローティングゲート電極−ドレイン領域間に設けられている。また、図7(B)では、メモリトランジスタTr1のオーバーラップ領域はフローティングゲート電極−ドレイン領域間に、メモリトランジスタTr2のオーバーラップ領域はフローティングゲート電極−ソース領域間に設けられている。同様に、図7(C)では、メモリトランジスタTr1のオーバーラップ領域もメモリトランジスタTr2のオーバーラップ領域もフローティングゲート電極−ドレイン領域間に設けられている。なお、実施の形態及び実施例1で説明した不揮発性メモリを構成するメモリセルは、図7(A)の構造を有する。
【0085】
本実施例では、図7(B)及び(C)のメモリセル構造を有する不揮発性メモリとその駆動方法についての説明を行う。図7に示した3つのメモリセルの違いはオーバーラップ領域の位置だけであるから、読み出し動作、nチャネル型不揮発性メモリの書き込み動作、pチャネル型不揮発性メモリの消去動作は、実施の形態及び実施例1と同じ動作方法を用いることができる。nチャネル型不揮発性メモリの消去動作、pチャネル型不揮発性メモリの書き込み動作については、オーバーラップ領域の位置に応じて、例えば以下に述べる動作電圧を用いることができる。
【0086】
まず、図7(B)に示したメモリセルの回路図について述べる。nチャネル型不揮発性メモリにおける、メモリトランジスタTr2の消去動作としては、例えば、ソース線Sを5V、ビット線Bを0V、第1のワード線Waを13V、第2のワード線Wbを−15Vとするとよい。その結果、メモリトランジスタTr2のオーバーラップ領域にトンネル電流が流れ、フローティングゲート電極に蓄積された電子がソース領域へ放出される。また、メモリトランジスタTr1の消去を行う場合は、ソース線Sを0V、ビット線Bを5V、第1のワード線Waを−15V、第2のワード線Wbを13Vとすればよい。
【0087】
この時、選択したメモリセルと同列の非選択メモリセルは、ソース線−ビット線間に電位差が生じているため、非導通状態であることが必要である。上述した動作電圧を用いる場合には、メモリトランジスタTr1またはTr2のしきい値電圧が0V以上であることが必要となる。非選択のメモリセルの導通を抑えるためには、メモリトランジスタTr2の書き込みを行うとして、例えば、ソース線Sを7V、ビット線Bを2V、第1のワード線Waを15V、第2のワード線Wbを−13Vとすればよい。この場合、メモリトランジスタTr1またはTr2のしきい値電圧が−2V以上であれば、非選択のメモリセルが導通することはない。なお、周辺回路としてベリファイ回路を設ける、メモリ素子をスプリットゲート構造とする、等の方法によっても、非選択メモリセルの導通を抑えることができる。
【0088】
pチャネル型不揮発性メモリにおける、メモリトランジスタTr2の書き込み動作としては、例えば、ソース線Sを−5V、ビット線Bを0V、第1のワード線Waを−10V、第2のワード線Wbを15Vとするとよい。その結果、メモリトランジスタTr2のオーバーラップ領域にトンネル電流が流れ、ソース領域からフローティングゲート電極へ電子が注入される。また、メモリトランジスタTr1の書き込みを行う場合は、ソース線Sを0V、ビット線Bを−5V、第1のワード線Waを15V、第2のワード線Wbを−10Vとすればよい。
【0089】
なお、選択したメモリセルと同列の非選択メモリセルは、ソース線−ビット線間に電位差が生じているため、非導通状態であることが必要であり、上述した動作電圧を用いる場合には、メモリトランジスタTr1またはTr2のしきい値電圧が0V以下であることが必要となる。非選択のメモリセルの導通を抑えるためには、メモリトランジスタTr2の書き込みを行うとして、例えば、ソース線Sを−10V、ビット線Bを−5V、第1のワード線Waを−15V、第2のワード線Wbを10Vとすればよい。この場合、メモリトランジスタTr1またはTr2のしきい値電圧が5V以下であれば、非選択のメモリセルが導通することはない。なお、周辺回路としてベリファイ回路を設ける、メモリ素子をスプリットゲート構造とする、等の方法によっても、非選択メモリセルの導通を抑えることができる。
【0090】
次に、図7(C)のメモリセルの回路図について述べる。図7(C)のメモリセルの回路図は、メモリトランジスタTr1及びTr2の両方において、オーバーラップ領域がフローティングゲート電極−ドレイン領域間に設けられている。
【0091】
図7(C)のメモリセルの回路図を有する不揮発性メモリの書き込み及び消去動作は、図7(A)のメモリセルにおけるメモリトランジスタTr2の動作方法と、図7(B)のメモリセルにおけるメモリトランジスタTr1の動作方法を組み合わせればよい。つまり、nチャネル型不揮発性メモリにおいて、メモリトランジスタTr1の消去を行う場合は、図7(B)と同様に、ソース線Sを0V、ビット線Bを5V、第1のワード線Waを−15V、第2のワード線Wbを13Vとし、また、メモリトランジスタTr2の消去を行う場合は、図7(A)と同様に、ソース線S及びビット線Bを10V、第1のワード線Waを0V、第2のワード線Wbを−10Vとするとよい。また、pチャネル型不揮発性メモリにおいて、メモリトランジスタTr1の書き込みを行う場合は、図7(B)と同様に、ソース線Sを0V、ビット線Bを−5V、第1のワード線Waを15V、第2のワード線Wbを−10Vとし、また、メモリトランジスタTr2の書き込みを行う場合は、図7(A)と同様に、ソース線S及びビット線Bを−10V、第1のワード線Waを0V、第2のワード線Wbを10Vとするとよい。
【0092】
図7(C)のようなメモリセルの回路構成とすることによって、アライメントずれによるオーバーラップ領域の大きさのバラツキを抑えることができる。図7(A)や(B)のメモリセルの回路構成では、オーバーラップ領域の製造工程においてアライメントずれが生じると、メモリトランジスタTr1のオーバーラップ領域とメモリトランジスタTr2のオーバーラップ領域が異なった大きさになってしまう。その結果、書き込み速度と消去速度にばらつきが生じるといった問題が生じる。図7(C)のようなメモリセルの回路構成では、そのような問題は起こらない。
【0093】
なお、図示していないが、メモリトランジスタTr1およびTr2の両方において、オーバーラップ領域がフローティングゲート電極−ソース領域間に設けられているメモリセルについても、図7(A)と(B)のメモリセルの動作方法を組み合わせることによって、書き込み及び消去動作を行うことができる。
【0094】
また、オーバーラップ領域は、ソース領域側及びドレイン領域側の両側に設けられていても構わない。この場合、図7(A)及び(B)の動作方法を自由に組み合わせることができる。オーバーラップ領域を両側に設けることによって、一つのオーバーラップ領域に流れるトンネル電流を低減し、トンネル電流によるメモリトランジスタの劣化を抑えることができる。
【0095】
また、オーバーラップ領域は、特に設けなくてもよい。この場合、オーバーラップ領域にトンネル電流を流す場合と比較して、より高電圧の書き込み動作と消去動作が必要となる。
【0096】
勿論、上述した動作電圧の値は、一例であって、その値に限られるわけではない。動作電圧の値は、選択するメモリセルにおいて書き込み、読みだし及び消去動作を行うのに必要な電位差を保ちつつ、非選択のメモリセルにおいて、誤動作を引き起こさない範囲であれば、どのような値であっても構わない。
【0097】
(実施例3)
本実施例では、本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの上面構造について説明する。図2は4つのメモリセルの上面図の一例であり、例えば、実施の形態や実施例1及び2で説明した不揮発性メモリを構成するメモリセルアレイの一部分を図示したものと考えることができる。
【0098】
説明は左上のメモリセルについてのみ行う。まず、領域201は半導体活性領域である。半導体活性領域とは、シリコン基板上に形成される半導体活性領域、および絶縁表面を有する基板上またはSOI基板上に形成される半導体活性層を指す。領域204及び205はフローティングゲート電極であり、配線206と207はそれぞれソース線とビット線である。図中において、黒く塗りつぶされている部分は、その下部の配線あるいは半導体層とコンタクトをとっていることを示している。また、第1のワード線202と第2のワード線203は、それぞれフローティングゲート電極204及び205を覆うように配線されており、コントロールゲート電極を兼ねている。
【0099】
なお、図2では、ソース線206及びビット線207を半導体活性領域と重ならないように設けているが、ソース線206及びビット線207と半導体活性領域を重ねても構わない。そうすることによって、ソース線及びビット線の間隔をさらに小さくし、メモリセル面積を縮小することが可能である。
【0100】
勿論、本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの上面構造は図2に限られるわけではない。実施の形態、実施例1および2に示した回路図であれば、他のどのような上面図であっても構わない。
【0101】
なお、実施の形態に示した断面構造(図3)は、例えば、図2に示したメモリセルの上面図の線分ABに関する断面構造と考えることができる。
【0102】
【実施例】
(実施例4)
本実施例では、本願発明の不揮発性メモリを絶縁表面を有する基板上に作製する方法について、図8〜図10を用いて説明する。不揮発性メモリを構成するTFTとして、メモリセルを構成する2つのメモリTFT(nチャネル型TFT)、ならびにメモリセルの駆動回路やその他の周辺回路として代表的なCMOS回路を構成する2つのTFT(pチャネル型TFTおよびnチャネル型TFT)を例にとって説明する。
【0103】
以下に示す作製方法によると、本願発明の不揮発性メモリは、薄膜技術を用いて作製され得るいかなる半導体装置の部品とも、一体形成され得ることが理解される。
【0104】
また、本願発明の不揮発性メモリおよび不揮発性メモリを具備する半導体装置は、結晶性の優れた半導体活性層を備えたTFTによって構成されることが望ましく、非晶質の半導体活性膜を備えたTFTでは不十分である場合が多い。これは、不揮発性メモリの信頼性の点から良好なゲート絶縁膜が必要となること、良好なゲート絶縁膜は結晶性の優れた半導体活性層上に形成されること、また、周辺回路および他の半導体部品を構成するTFTには、移動度、しきい値電圧等において好特性が要求されること、等の理由による。本実施例の作製方法によって得られるTFTは、結晶性の優れた半導体活性層を有し、本願発明の不揮発性メモリおよび半導体装置を構成するのに十分な性能を備えている。
【0105】
まず、絶縁表面を有する基板として石英基板801を準備する(図8(A))。石英基板の代わりに絶縁膜として窒化珪素膜を形成した石英基板、熱酸化膜を形成したシリコン基板、セラミックス基板等を用いても良い。
【0106】
次に、厚さ55nmの非晶質珪素膜802を公知の成膜法で形成する(図8(A))。なお、非晶質珪素膜に限定する必要はなく、非晶質半導体膜(微結晶半導体膜、および非晶質シリコンゲルマニウム膜などの非晶質構造を含む化合物半導体膜を含む)であれば良い。
【0107】
次に、非晶質珪素膜802の結晶化工程を行う。ここから図8(C)までの工程は本出願人による特開平10−247735号公報を引用することができる。同公報ではNi等の元素を触媒として用いた半導体膜の結晶化方法に関する技術を開示している。
【0108】
まず、開口部815、816を有する保護膜811〜813(本実施例では150nm厚の酸化珪素膜)を形成する。そして、保護膜811〜813の上にスピンコート法によりニッケル(Ni)を含有する層(Ni含有層という)814を形成する。なお、レジストマスクを利用したイオン注入法、プラズマドーピング法またはスパッタ法を用いてもよい。
【0109】
また、触媒元素としてはニッケル以外にも、コバルト(Co)、鉄(Fe)、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、銅(Cu)、金(Au)、ゲルマニウム(Ge)、鉛(Pb)、インジウム(In)等を用いることができる。
【0110】
次に、図8(C)に示すように、不活性雰囲気中で570℃、14時間の加熱処理を加え、非晶質珪素膜802の結晶化を行う。この際、結晶化はNiが接した領域(Ni添加領域という)821、822を起点として、基板と概略平行に進行する。このようにして形成された結晶性珪素膜823は、個々の結晶が比較的揃った状態で集合しているため、全体的な結晶性に優れるという利点がある。なお、加熱処理温度は、好ましくは500〜700℃(代表的には550〜650℃)とし、処理時間は、好ましくは4〜24時間とすればよい。
【0111】
次に、図8(D)に示すように、保護膜811〜813をそのままマスクとして15族に属する元素(好ましくはリン)をNi添加領域821、822に添加する。こうして高濃度にリンが添加された領域(リン添加領域という)831、832が形成される。
【0112】
そして図8(D)に示すように、不活性雰囲気中で600℃、12時間の加熱処理を加える。この熱処理は、リンによる金属元素(本実施例ではNi)のゲッタリング工程であり、最終的には殆ど全てのNiは矢印が示すようにリン添加領域831、832に捕獲されてしまう。この工程により結晶性珪素膜833中に残るNiの濃度はSIMS(質量二次イオン分析)による測定値で少なくとも2×1017atoms/cm3にまで低減される。
【0113】
こうして触媒を用いて結晶化され、且つ、その触媒がTFTの動作に支障を与えないレベルにまで低減された結晶性珪素膜833が得られる。その後、保護膜811〜813を除去し、リン添加領域831、832を含まない、結晶性珪素膜833のみを用いた島状半導体層(以下、半導体活性層という)901〜903をパターニング工程により形成する(図9(A))。
【0114】
次に、図9(B)に示すように、半導体活性層901のうち、後にメモリTFTのオーバーラップ領域となる領域と、ソース・ドレイン領域となる領域の一部と、を除く領域をレジストマスク911〜913で覆い、n型を付与する不純物元素(n型不純物元素ともいう)の添加を行う(図9(B))。この工程により形成されるn型不純物領域914、915には、n型不純物元素が1×1020〜1×1021atoms/cm3(代表的には2×1020〜5×1020atoms /cm3)の濃度で含まれるようにドーズ量を調節する。n型不純物元素としては、リン(P)や砒素(As)を用いればよく、本実施例ではリン(P)を用いる。
【0115】
その後、レジストマスク911〜913を除去し、珪素を含む絶縁膜でなる第1のゲート絶縁膜921を形成する(図9(C))。第1のゲート絶縁膜921の膜厚は後の熱酸化工程による増加分も考慮して10〜250nmの範囲で調節すれば良い。なお、メモリTFTを構成する第1のゲート絶縁膜の厚さを10〜50nmとし、その他の素子を形成する第1のゲート絶縁膜の厚さを50〜250nmとしてもよい。また、成膜方法は公知の気相法(プラズマCVD法、スパッタ法等)を用いれば良い。本実施例では、40nm厚の窒化酸化シリコン膜をプラズマCVD法により形成する。
【0116】
次に、酸化雰囲気中で950℃、1時間の加熱処理を加え、熱酸化工程を行う。この熱酸化工程では活性層と上記窒化酸化シリコン膜との界面で酸化が進行し、半導体活性層の膜厚は、最終的に40nmとなる。なお、酸化雰囲気は酸素雰囲気でも良いし、ハロゲン元素を添加した酸素雰囲気でも良い。この様にして熱酸化膜を形成すると、非常に界面準位の少ない半導体/絶縁膜界面を得ることができる。また、活性層端部における熱酸化膜の形成不良(エッジシニング)を防ぐ効果もある。
【0117】
次に、200〜400nmの導電膜を形成し、パターニングを行いゲート電極922〜925を形成する(図9(C))。この時、メモリTFTのゲート電極922、923(後にフローティングゲート電極となる)は、n型不純物領域914、915とゲート絶縁膜921を介して一部重なるように形成する。この重なった領域は、メモリTFTのオーバーラップ領域となる。
【0118】
なお、ゲート電極は単層の導電膜で形成しても良いが、必要に応じて二層、三層といった積層膜とすることが好ましい。ゲート電極の材料としては公知の導電膜を用いることができる。具体的には、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、クロム(Cr)、シリコン(Si)から選ばれた元素でなる膜、または前記元素の窒化物でなる膜(代表的には窒化タンタル膜、窒化タングステン膜、窒化チタン膜)、または前記元素を組み合わせた合金膜(代表的にはMo−W合金、Mo−Ta合金)、または前記元素のシリサイド膜(代表的にはタングステンシリサイド膜、チタンシリサイド膜)を用いることができる。
【0119】
本実施例では、50nm厚の窒化タングステン(WN)膜と、350nm厚のタングステン(W)膜とでなる積層膜をスパッタ法により形成する。なお、スパッタガスとしてキセノン(Xe)、ネオン(Ne)等の不活性ガスを添加すると応力による膜はがれを防止することができる。
【0120】
次に、一導電性を付与する不純物元素の添加工程を行う。不純物元素としてはn型ならばリン(P)または砒素(As)、p型ならばボロン(B)、ガリウム(Ga)またはインジウム(In)等を用いれば良い。
【0121】
まず、図9(D)に示すように、ゲート電極922〜925をマスクとして自己整合的にn型不純物元素(本実施例ではリン)を添加し、低濃度不純物領域(n−領域)931〜935を形成する。この低濃度不純物領域は、リンの濃度が1×1017atoms/cm3〜1×1019atoms/cm3となるように調節する。
【0122】
次に、図10(A)に示すように、pチャネル型TFTの全体、およびnチャネル型TFTの一部を覆う形でレジストマスク1005、1006を形成し、n型不純物元素(本実施例ではリン)を添加して高濃度にリンを含む不純物領域1007〜1011を形成する。この時、n型不純物元素の濃度は1×1020〜1×1021atoms/cm3(代表的には2×1020〜5×1020atoms /cm3)となるように調節する。
【0123】
この工程によってメモリTFTのソース・ドレイン領域1007、1009、CMOSを構成するnチャネル型TFTのソース・ドレイン領域1010、1011および、LDD領域1012が形成される。
【0124】
次に、図10(B)に示すように、レジストマスク1005、1006を除去し、新たにレジストマスク1013、1014を形成する。そして、p型不純物元素(本実施例ではボロン)を添加し、高濃度にボロンを含む不純物領域1015、1016を形成する。ここではジボラン(B26)を用いたイオンドープ法により1×1020〜1×1021atoms/cm3(代表的には2×1020〜5×1020atoms/cm3)の濃度となるようにボロンを添加する。こうしてpチャネル型TFTのソース・ドレイン領域1015、1016が形成される(図10(B))。
【0125】
次に、レジストマスク1013、1014を除去し、ゲート電極922〜924をマスクとしてゲート絶縁膜921をドライエッチング法によりエッチングした後に、珪素を含む絶縁膜1021を形成する(図10(C))。絶縁膜1021は、メモリTFTにおいて、フローティングゲート電極とコントロールゲート電極の間の第2のゲート絶縁膜となる。絶縁膜1021の膜厚は10〜250nmとすれば良い。また、成膜方法は公知の気相法(プラズマCVD法、スパッタ法等)を用いれば良い。なお、本実施例では、70nm厚の窒化酸化珪素膜をプラズマCVD法により形成する。
【0126】
その後、それぞれの濃度で添加されたn型またはp型不純物元素を活性化する。活性化手段としては、ファーネスアニール、レーザーアニール、ランプアニール、またはこれらを組み合わせた方法を用いるとよい。本実施例では電熱炉において窒素雰囲気中、550℃、4時間の熱処理を行う。またこの時、添加工程で受けた活性層の損傷も修復される。
【0127】
次に、200〜400nmの導電膜を形成し、パターニングを行いコントロールゲート電極1022、1023を形成する(図10(C))。コントロールゲート電極1022、1023は、絶縁膜1021を介してフローティングゲート電極の一部または全体と重なるように形成する。
【0128】
なお、コントロールゲート電極1022、1023は単層の導電膜で形成しても良いが、必要に応じて二層、三層といった積層膜とすることが好ましい。ゲート電極の材料としては公知の導電膜を用いることができる。本実施例では、50nm厚の窒化タングステン(WN)膜と、350nm厚のタングステン(W)膜とでなる積層膜をスパッタ法で形成する。スパッタガスとしてキセノン(Xe)、ネオン(Ne)等の不活性ガスを添加すると応力による膜はがれを防止することができる。
【0129】
次に、層間絶縁膜1031を形成する(図10(D))。層間絶縁膜1031としては珪素を含む絶縁膜、有機性樹脂膜、或いはその組み合わせによる積層膜を用いれば良い。また、膜厚は400nm〜1500nmとすれば良い。本実施例では、500nm厚の窒化酸化珪素膜とする。
【0130】
次に、図10(D)に示すように、層間絶縁膜1031、及び絶縁膜1021に対してコンタクトホールを形成し、ソース・ドレイン配線1032〜1036を形成する。なお、本実施例では、Ti膜を100nm、Tiを含むアルミニウム膜を300nm、Ti膜150nmをスパッタ法で連続形成した3層構造の積層膜とする。勿論、他の公知の導電膜でも良い。
【0131】
最後に、3〜100%の水素を含む雰囲気中で、300〜450℃、1〜12時間の熱処理を行い水素化処理を行う。この工程は熱的に励起された水素により半導体膜の不対結合手を水素終端する工程である。本実施例では、350℃の水素雰囲気で2時間の熱処理を行い水素化処理を行う。また、水素化の他の手段として、プラズマ水素化(プラズマにより励起された水素を用いる)を行っても良い。
【0132】
以上の工程によって、図10(D)に示す様な断面構造を有するTFTを作製することができる。また、本実施例は、オーバーラップ領域を形成する位置を必要に応じて変えることで、実施例1〜3のいずれの構成とも組み合わせることが可能である。
【0133】
(実施例5)
本願発明の不揮発性メモリは、絶縁表面を有する基板上に形成されたTFTによって構成された半導体装置の部品と一体形成することにより、多機能、高機能、および小型の半導体装置を提供することができる。本実施例では、そのような例として、本願発明の不揮発性メモリ、画素部、画素部の駆動回路、γ(ガンマ)補正回路を備えた電気光学装置(代表的には、液晶表示装置およびEL表示装置)を示す。
【0134】
γ補正回路とはγ補正を行うための回路である。γ補正とは画像信号に適切な電圧を付加することによって、画素電極に印加される電圧とその上の液晶又はEL層の透過光強度との間に線形関係を作るための補正である。
【0135】
図11は、上記電気光学装置のブロック図であり、本願発明の不揮発性メモリ1102と、画素部1105と、画素部の駆動回路であるゲート信号側駆動回路1103およびソース信号側駆動回路1104と、γ(ガンマ)補正回路1101と、が設けられている。また、画像信号、クロック信号若しくは同期信号等は、FPC(フレキシブルプリントサーキット)1106経由して送られてくる。
【0136】
また、本実施例の電気光学装置は、例えば実施例4の作製方法によって絶縁表面を有する基板上に一体形成することができる。なお、液晶またはEL層の形成を含むTFT形成後の工程については公知の方法を用いればよい。
【0137】
また、画素部1105、画素部の駆動回路1103、1104、およびγ(ガンマ)補正回路1101については、公知の回路構造を用いれば良い。
【0138】
本実施例の電気光学装置において、不揮発性メモリ1102には、パソコン本体やテレビ受信アンテナ等から送られてきた画像信号にγ補正をかけるための補正データが格納(記憶)されている。γ補正回路1101は、その補正データを参照して画像信号に対するγ補正を行う。
【0139】
γ補正のためのデータは電気光学装置を出荷する前に一度格納しておけば良いが、定期的に補正データを書き換えることも可能である。また、同じように作製した電気光学装置であっても、微妙に液晶の光学応答特性(先の透過光強度と印加電圧の関係など)が異なる場合がある。その場合も、本実施例では電気光学装置毎に異なるγ補正データを格納しておくことが可能なので、常に同じ画質を得ることが可能である。
【0140】
さらに、不揮発性メモリに複数の補正データを格納して、新たに制御回路を加えることにより、補正データに基づく複数の色調を自由に選択することも可能である。
【0141】
なお、不揮発性メモリ1102にγ補正の補正データを格納する際、本出願人による特願平11−143379号に記載された手段を用いることは好ましい。また、γ補正に関する説明も同出願になされている。また、不揮発性メモリに格納する補正データはデジタル信号であるので、必要に応じてD/Aコンバータ若しくはA/Dコンバータを同一基板上に形成することが望ましい。
【0142】
なお、本実施例の構成は、実施例1〜4のいずれの構成とも自由に組み合わせて実施することができる。
【0143】
(実施例6)
本願発明の不揮発性メモリを具備する半導体装置であって、実施例5に示した半導体装置とは異なる例を、図12を用いて説明する。
【0144】
図12に、本実施例の電気光学装置(代表的には、液晶表示装置およびEL表示装置)のブロック図を示す。本実施例の電気光学装置には、本願発明の不揮発性メモリ1203と、SRAM1202と、画素部1206と、画素部の駆動回路であるゲート信号側駆動回路1204およびソース信号側駆動回路1205と、メモリコントローラ回路1201と、が設けられている。また、画像信号、クロック信号若しくは同期信号等は、FPC(フレキシブルプリントサーキット)1207経由して送られてくる。
【0145】
本実施例におけるメモリコントローラ回路1201とは、SRAM1202および不揮発性メモリ1203に画像データを格納したり読み出したりという動作を制御するための制御回路である。
【0146】
SRAM1202は高速なデータの書き込みを行うために設けられている。SRAMの代わりにDRAMを設けてもよく、また、高速な書き込みが可能な不揮発性メモリであれば、SRAMを設けなくてもよい。
【0147】
本実施例の電気光学装置は、例えば実施例4の作製方法によって絶縁表面を有する基板上に一体形成することができる。なお、液晶またはEL層の形成を含むTFT形成後の工程については公知の方法を用いて作製すれば良い。また、SRAM1202、画素部1206、ゲート信号側駆動回路1204、ソース信号側駆動回路1205、およびメモリコントローラ回路1201については、公知の回路構造を用いれば良い。
【0148】
本実施例の電気光学装置において、パソコン本体やテレビ受信アンテナ等から送られてきた画像信号は、1フレーム毎にSRAM1202に格納(記憶)され、その画像信号はメモリコントローラ回路1201によって順次画素部1206に入力され表示される。SRAM1202には少なくとも画素部1206に表示される画像1フレーム分の画像情報が記憶される。例えば、6ビットのデジタル信号が画像信号として送られてくる場合、少なくとも画素数×6ビットに相当するメモリ容量を必要とする。また、メモリコントローラ回路1201により、必要に応じて、SRAM1202に格納された画像信号を不揮発性メモリ1203へ格納したり、不揮発性メモリ1203に格納された画像信号を画素部1206へ入力し表示したりすることができる。
【0149】
なお、SRAM1202および不揮発性メモリ1203に格納する画像データはデジタル信号であるので、必要に応じてD/Aコンバータ若しくはA/Dコンバータを同一基板上に形成することが望ましい。
【0150】
本実施例の構成では、画素部1206に表示された画像を常にSRAM1202に記憶しており、画像の一時停止を容易に行うことができる。さらにSRAM1202に記憶された画像信号を不揮発性メモリ1203へ格納したり、不揮発性メモリ1203に記憶された画像信号を画素部へ入力することによって、画像の録画および再生といった動作を容易に行うことができる。そして、ビデオデッキ等に録画することなくテレビ放送を自由に一時停止することや、録画、再生を行うことが可能となる。
【0151】
録画および再生可能な画像の情報量は、SRAM1202と不揮発性メモリ1203の記憶容量に依存する。少なくとも1フレーム分の画像信号を格納することにより、静止画の録画と再生が可能となる。さらに、数百フレーム、数千フレーム分といった画像情報を格納しうる程度まで不揮発性メモリ1203のメモリ容量を増やすことができれば、数秒若しくは数分前の画像を再生(リプレイ)することも可能となる。
【0152】
なお、本実施例の構成は、実施例1〜5のいずれの構成とも自由に組み合わせて実施することができる。
【0153】
(実施例7)
本願発明の不揮発性メモリは、TFTで構成された半導体装置の部品と一体形成するによって、実施例5、6に示したような多機能、高機能および小型の電気光学装置を提供することが可能となる。本願発明の不揮発性メモリと一体形成を行う半導体装置の例としては、アクティブマトリクス型またはパッシブマトリクス型の液晶表示装置、アクティブマトリクス型またはパッシブマトリクス型のEL表示装置等が挙げられる。本実施例ではアクティブマトリクス型液晶表示装置について述べる。
【0154】
図13(A)はアクティブマトリクス型液晶表示装置の回路図である。図13(A)において、アクティブマトリクス型液晶表示装置は、画素1304がマトリクス状に配置された画素部1301と、ソース信号側駆動回路1302と、ゲート信号側駆動回路1303とを有する。
【0155】
また、画素部1301を構成する画素1304の拡大図を図13(B)に示す。画素1304は、スイッチング用TFT1311、液晶素子1314およびコンデンサ1315を有し、スイッチング用TFT1311のゲート電極はゲート信号線1312に、ソース電極とドレイン電極のいずれか一方がソース信号線1313に接続されている。スイッチング用TFT1311のソース電極とドレイン電極の残る一方は、液晶1314およびコンデンサ1315に接続されている。また、液晶素子1314およびコンデンサ1315の残る一方の電極には所定の電位が与えられる。
【0156】
なお、コンデンサ1315の電極の一方は、配線1316に接続せずに、専用の電源供給線に接続しても構わない。さらに、コンデンサ1315を設けなくても良い。また、スイッチング用TFT1311はnチャネル型TFTでもpチャネル型TFTでもよい。
【0157】
なお、本願発明の不揮発性メモリを本実施例のアクティブマトリクス型液晶表示装置に一体形成する場合、実施例1〜6のいずれの構成を組み合わせても良い。
【0158】
(実施例8)
本実施例では、本願発明の不揮発性メモリと一体形成を行う半導体装置の例として、アクティブマトリクス型EL表示装置について述べる。
【0159】
図14(A)はアクティブマトリクス型EL表示装置の回路図である。図14(A)において、アクティブマトリクス型EL表示装置は、画素1404がマトリクス状に配置された画素部1401と、ソース信号側駆動回路1402と、ゲート信号側駆動回路1403とを有する。
【0160】
また、画素部1401を構成する画素1404の拡大図を図14(B)に示す。画素1404は、スイッチング用TFT1411、EL駆動用TFT1414、EL素子1416を有し、スイッチング用TFT1411のゲート電極はゲート信号線1412に、ソース電極とドレイン電極のいずれか一方がソース信号線1413に接続されている。スイッチング用TFT1411のソース電極とドレイン電極の残る一方は、EL駆動用TFT1414のゲート電極に接続されている。また、EL駆動用TFT1414のソース電極が電源供給線1415に、ドレイン電極がEL素子1416に接続されている。EL素子1416のもう一方の電極には所定の電位が与えられる。
【0161】
なお、EL駆動用TFT1414のゲート電極と電源供給線1415の間にコンデンサを設けてもよい。また、EL駆動用TFTとしてnチャネル型TFTを用いる。スイッチング用TFT1411はnチャネル型TFTでもpチャネル型TFTでもよい。
【0162】
なお、本願発明の不揮発性メモリを本実施例のアクティブマトリクス型EL表示装置に一体形成する場合、実施例1〜6のいずれの構成を組み合わせても良い。
【0163】
(実施例9)
本願発明の不揮発性メモリには、様々な用途がある。本実施例では、本願発明の不揮発性メモリを用いた電子機器について説明する。
【0164】
その様な電子機器としては、ビデオカメラ、デジタルカメラ、プロジェクター(リア型またはフロント型)、ヘッドマウントディスプレイ、ゴーグル型ディスプレイ、ゲーム機、カーナビゲーション、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末(モバイルコンピュータ、携帯電話または電子書籍等)などが挙げられる。それらの一例を図15、16に示す。
【0165】
図15(A)はディスプレイであり、筐体2001、支持台2002、表示部2003等を含む。本願発明の不揮発性メモリは、表示部2003やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0166】
図15(B)はビデオカメラであり、本体2101、表示部2102、音声入力部2103、操作スイッチ2104、バッテリー2105、受像部2106で構成される。本願発明の不揮発性メモリは、表示部2102やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0167】
図15(C)はヘッドマウントディスプレイの一部(右片側)であり、本体2201、信号ケーブル2202、頭部固定バンド2203、表示部2204、光学系2205、表示装置2206等を含む。本願発明の不揮発性メモリは表示装置2206やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0168】
図15(D)は記録媒体を備えた画像再生装置(具体的にはDVD再生装置)であり、本体2301、記録媒体2302、操作スイッチ2303、表示部2304、2305等で構成される。なお、この装置は記録媒体としてDVD(Digital Versatile Disc)、CD等を用い、音楽鑑賞や映画鑑賞やゲームやインターネットを行うことができる。本願発明の不揮発性メモリは表示部2304やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0169】
図15(E)はゴーグル型ディスプレイであり、本体2401、表示部2402、アーム部2403を含む。本願発明の不揮発性メモリは表示部2402やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0170】
図15(F)はパーソナルコンピュータであり、本体2501、筐体2502、表示部2503、キーボード2504等で構成される。本願発明の不揮発性メモリは、表示部2503やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0171】
図16(A)は携帯電話であり、本体2601、音声出力部2602、音声入力部2603、表示部2604、操作スイッチ2605、アンテナ2606等を含む。本願発明の不揮発性メモリは表示部2604やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。
【0172】
図16(B)は音響再生装置、具体的にはカーオーディオであり、本体2701、表示部2702、操作スイッチ2703、2704等を含む。本願発明の不揮発性メモリは表示部2702やその他の信号制御回路と一体形成されてもよい。また、本実施例では車載用オーディオを示すが、携帯型や家庭用の音響再生装置に用いても良い。
【0173】
以上の様に、本願発明の適用範囲は極めて広く、あらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。また、本実施例の電子機器は実施例1〜8のどのような組み合わせからなる構成を用いても実現することができる。
【0174】
【発明の効果】
本願発明の不揮発性メモリは、メモリセルを2つのメモリトランジスタによって構成することにより、メモリセルを1つのメモリトランジスタと1つの選択トランジスタによって構成する従来のフル機能EEPROM同様の機能を保ちつつ、同じメモリセル面積で2倍のメモリ容量を実現することが可能となる。
【0175】
その結果、集積密度が高く、従って小型で低コストなフル機能EEPROMを提供することが可能となる。
【0176】
また、本願発明の不揮発性メモリをTFTで構成された他の半導体部品と絶縁表面を有する基板上に一体形成することにより、高機能または多機能であり、小型の半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本願発明の不揮発性メモリの回路構成を示す図。
【図2】 本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの上面図。
【図3】 本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの断面図。
【図4】 従来の不揮発性メモリの回路構成を示す図。
【図5】 従来の不揮発性メモリを構成するメモリセルの断面図。
【図6】 本願発明の不揮発性メモリの回路構成を示す図。
【図7】 本願発明の不揮発性メモリを構成するメモリセルの回路図。
【図8】 本願発明の不揮発性メモリの作製行程を示す図。
【図9】 本願発明の不揮発性メモリの作製行程を示す図。
【図10】 本願発明の不揮発性メモリの作製行程を示す図。
【図11】 本願発明の不揮発性メモリを用いた電気光学装置のブロック図。
【図12】 本願発明の不揮発性メモリを用いた電気光学装置のブロック図。
【図13】 アクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す図。
【図14】 アクティブマトリクス型EL表示装置の構成を示す図。
【図15】 本願発明の不揮発性メモリを用いた電子機器。
【図16】 本願発明の不揮発性メモリを用いた電子機器。
【符号の説明】
101 Xアドレスデコーダ
102 Yアドレスデコーダ
103、104 周辺回路
105 メモリセルアレイ
201 半導体活性層
202 第1のワード線
203 第2のワード線
204、205 フローティングゲート電極
206 ソース線
207 ビット線
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a semiconductor nonvolatile memory. In particular, the present invention relates to an electrically writable and erasable semiconductor nonvolatile memory (EEPROM or Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory). The present invention also relates to a semiconductor device composed of a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT) formed using SOI (Silicon On Insulator) technology. In particular, the present invention relates to a semiconductor device in which a semiconductor nonvolatile memory, a pixel portion, and a driver circuit for the pixel portion are integrally formed on a substrate having an insulating surface.
[0002]
In this specification, an electrically writable and erasable semiconductor non-volatile memory (EEPROM) literally indicates an entire semiconductor non-volatile memory capable of electrical writing and erasing, for example, full function. EEPROM and flash memory are included in the category. In addition, unless otherwise specified, nonvolatile memory and semiconductor nonvolatile memory are used synonymously with EEPROM. In this specification, a semiconductor device refers to all devices that function by utilizing semiconductor characteristics. For example, an electro-optical device typified by a liquid crystal display device and an EL display device, and an electronic device on which the electro-optical device is mounted. Includes equipment in its category.
[0003]
[Prior art]
In recent years, multi-function and high-performance small semiconductor devices typified by portable devices such as portable computers and mobile phones are rapidly spreading. Along with this, a semiconductor nonvolatile memory has been attracting attention as a memory constituting a semiconductor device. Although the semiconductor nonvolatile memory is inferior in storage capacity as compared with a magnetic disk, it has excellent characteristics in terms of integration density, impact resistance, power consumption, writing / reading speed, and the like. Recently, those having sufficient performance in the number of rewrites and data retention time, which have been problems of the semiconductor nonvolatile memory, have been developed, and the movement to use the semiconductor nonvolatile memory as a substitute for the magnetic disk has increased. It was.
[0004]
Semiconductor nonvolatile memories are roughly classified into two types: full-function EEPROMs and flash memories. The full function EEPROM is a semiconductor non-volatile memory capable of erasing bit by bit, and can perform writing, reading and erasing operations every bit. Although it has a higher function than a flash memory, it is inferior in integration and cost. On the other hand, a flash memory is a semiconductor nonvolatile memory that performs batch erase of the entire memory or erase in units of blocks of the memory, and realizes high integration density and low cost at the expense of erase operation for each bit.
[0005]
Here, a full-function EEPROM having a higher function is taken up as a conventional semiconductor nonvolatile memory, and a circuit diagram, a sectional view of a memory cell, and a driving method will be described.
[0006]
FIG. 4 shows a circuit diagram of a conventional full-function EEPROM. In FIG. 4, a full-function EEPROM includes a memory cell array 405 in which a plurality of memory cells (1, 1) to (n, m) are arranged in a matrix of vertical m × horizontal n, an X address decoder 401, and a Y address decoder. 402, and other peripheral circuits 403 and 404. Other peripheral circuits include an address buffer circuit, a control logic circuit, a sense amplifier, a booster circuit, and the like, and are provided as necessary.
[0007]
Each memory cell (considering memory cell (i, j) as a representative) (where i is an integer of 1 to n and j is an integer of 1 to m) includes an n-channel memory transistor Tr1 and an n-channel memory transistor Tr1. A selection transistor Tr2 is included, and these two transistors are connected in series. The source electrode and control gate electrode of the memory transistor Tr1 are connected to the source line Si and the word line Wj, respectively, and the drain electrode and gate electrode of the selection transistor Tr2 are connected to the bit line Bi and the selection line Vj, respectively. . The bit lines B1 to Bn are connected to the Y address decoder 402, the word lines W1 to Wm and the selection lines V1 to Vm are connected to the X address decoder 401, respectively, and the source lines S1 to Sn all share a predetermined potential Vs. Is given.
[0008]
When the memory transistor included in each memory cell records 1-bit data, the full-function EEPROM shown in FIG. 4 has a storage capacity of m × n bits.
[0009]
Data writing, reading and erasing are performed in one memory cell selected by the X address decoder 401 and the Y address decoder 402. Taking the memory cell (1, 1) as an example, the write, read and erase operations will be described. Note that in this specification, a writing operation represents an operation of injecting electrons into the floating gate electrode of the memory transistor, and an erasing operation represents an operation of emitting electrons from the floating gate electrode. Accordingly, the threshold voltage of the memory transistor is increased by the write operation, and the threshold voltage is decreased by the erase operation.
[0010]
First, when writing data into the memory transistor Tr1, the source lines S1 to Sn are dropped to GND, and a positive high voltage (for example, 20 V) is applied to the bit line B1 and the word line W1, respectively. Further, a positive voltage (for example, 20 V) is applied to the selection line V1 so that the selection transistor Tr2 is turned on. Under such conditions, a high electric field is generated near the drain of the memory transistor Tr1, and impact ionization occurs. Further, since a high electric field is generated in the gate direction, the generated hot electrons are injected into the floating gate electrode, and as a result, writing is performed. The threshold voltage of the memory transistor Tr1 changes depending on the amount of charge accumulated in the floating gate electrode.
[0011]
When reading data stored in the memory transistor Tr1, the source lines S1 to Sn are dropped to GND and a predetermined voltage (described later) is applied to the word line W1. Further, a voltage that turns on the selection transistor is applied to the selection line V1 (for example, 5 V). Then, the data stored in the memory cell is read from the bit line B1 according to the threshold voltage when the charge is accumulated in the floating gate electrode of the memory transistor Tr1 and when the charge is not accumulated.
[0012]
The predetermined voltage is a threshold voltage in an erased state (a state in which electrons are not accumulated in the floating gate electrode) and a threshold voltage in a written state (a state in which electrons are accumulated in the floating gate electrode). What is necessary is just to set between voltages. For example, if the memory transistor in the erased state has a threshold voltage of 2V or less and the memory transistor in the written state has a threshold voltage of 4V or more, 3V is set as the predetermined voltage, for example. Can be used.
[0013]
When erasing data stored in the memory transistor Tr1, the source line S1 and the word line W1 are dropped to GND, and a positive high voltage (for example, 20 V) is applied to the bit line B1. Further, a positive high voltage (for example, 20 V) is applied to the selection line V1, and the selection transistor Tr2 is turned on. At this time, since a high potential difference is generated between the gate and the drain of the memory transistor Tr1, electrons accumulated in the floating gate electrode are emitted to the drain region by a tunnel current, and erasing is performed.
[0014]
Note that the potentials of the signal lines B2 to Bn and W2 to Wm which are not selected at the time of writing, reading and erasing are all 0V. Moreover, the value of the operating voltage described above is an example, and the value is not limited to that value.
[0015]
In order to perform the operation for each bit, at the time of writing, reading and erasing to the selected memory cell (1, 1), all the memory cells other than the non-selected memory cell (in this case, the memory cell (1, 1)) The cell must not be written, read or erased. Actually, in the memory cells other than the first row, since the selection lines V2 to Vn are 0 V, the selection transistor is turned off, and writing and erasing to the memory transistor are not performed, and there is no influence at the time of reading. Further, in the memory cells other than the first column, no potential difference is generated between the source line and the bit line, so that writing to the memory cell is not performed and there is no influence at the time of reading. Since no potential difference occurs between the word line and the bit line, erasing is not performed.
[0016]
As described above, the write, read, and erase operations to the selected memory cell (1, 1) are performed without causing the non-selected memory cell to malfunction.
[0017]
Finally, FIG. 5 shows a typical cross-sectional structure of a memory cell constituting a conventional full-function EEPROM. In FIG. 5, a memory transistor Tr 1 (n-channel type) and a selection transistor Tr 2 (n-channel type) are formed on a p-type silicon substrate 500. The memory transistor Tr1 includes source / drain regions (high-concentration n-type impurity regions) 501 and 502 and a channel formation region 504 formed near the surface of the silicon substrate 500, a first gate insulating film 506, a floating gate electrode 508, A second gate insulating film 510 and a control gate electrode 511 are included. The selection transistor Tr2 includes source / drain regions (high-concentration n-type impurity regions) 502 and 503, a channel formation region 505, a first gate insulating film 507, and a gate electrode 509 formed near the surface of the silicon substrate 500. Has been. Further, a source wiring 513 and a drain wiring 514 are drawn out over the interlayer film 512 through contact holes.
[0018]
In FIG. 5, the drain region 502 and the floating gate electrode 508 of the memory transistor Tr1 partially overlap with each other with the first gate insulating film 506 interposed therebetween. This overlapped region is a region for flowing a tunnel current in the erase operation.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
It has already been mentioned that semiconductor non-volatile memory is classified into two types: full-function EEPROM and flash memory. A full-function EEPROM is a memory that can be operated bit by bit and is excellent in function. However, the full-function EEPROM has a problem that the memory cell storing 1-bit data is composed of two transistors, that is, a memory transistor and a selection transistor, so that the memory cell area is large and the integration density is low. This hinders miniaturization and cost reduction of the full-function EEPROM.
[0020]
The flash memory can be said to be one of the forms realizing high integration density in the semiconductor nonvolatile memory. A memory cell constituting the flash memory is composed of one memory transistor, and realizes a high integration density at the expense of an erase operation for each bit. In a flash memory, all data must be erased in order to rewrite one bit of data. Therefore, the power consumption is larger than that of a full-function EEPROM, and the reliability is lowered because rewriting is performed even in a memory cell that does not require rewriting. Of course, the flash memory cannot be used for applications that require a 1-bit erase operation.
[0021]
In view of this, it can be said that one of the most important problems in the semiconductor nonvolatile memory is to realize a full-function EEPROM having a high integration density. Such an EEPROM will become an indispensable memory not only for the replacement of the conventional full-function EEPROM, but also for a flash memory and various applications that require high functionality due to the miniaturization and cost reduction. Is expected.
[0022]
The present invention has been made in view of the above circumstances. It is an object of the present invention to provide a full-function EEPROM capable of high integration density and the reduction in size and cost associated therewith. In addition, by forming such a semiconductor nonvolatile memory integrally on a substrate having an insulating surface with components of other semiconductor devices constituted by TFTs, a multifunctional or high-functional and small-sized semiconductor device is provided. The task is to do.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
In the conventional full-function EEPROM, since the memory cell is composed of two transistors, a memory transistor and a selection transistor, it is difficult to realize a high integration density. In this case, the cause that hinders the improvement of the integration density is obvious, because the selection transistor that does not perform the memory function is added to the area per bit.
[0024]
The flash memory achieves high integration simply by removing this selection transistor. However, since the selection transistor that performs the function of selecting the memory cell is removed, the operation for each bit is not perfect as a price. The basic idea of the present invention is to add a memory function to the selection transistor in order to realize high integration. By leaving the function as the selection transistor, a semiconductor nonvolatile memory capable of operating for each bit is realized.
[0025]
In the present invention, the semiconductor nonvolatile memory is constituted by a memory cell composed of two memory transistors. The circuit structure of the memory cell is such that a selection transistor is replaced with a memory transistor in a conventional full function EEPROM.
[0026]
The semiconductor non-volatile memory of the present invention is a full-function EEPROM capable of operating for each bit. Further, since two transistors constituting the memory cell both have a memory function, one memory cell can store twice as much data as a conventional full-function EEPROM. Therefore, the semiconductor nonvolatile memory of the present invention has a memory capacity that is twice as large as the conventional full-function EEPROM, and the memory cell area per bit is halved. As a result, according to the present invention, it is possible to provide a full-function EEPROM capable of high integration density and the accompanying reduction in size and cost.
[0027]
Further, the semiconductor nonvolatile memory of the present invention does not require any new process, and the number of masks is the same as that of a conventional full function EEPROM. Therefore, the change from the conventional full-function EEPROM to the nonvolatile memory of the present invention is easy in terms of technology and cost.
[0028]
In the present invention, the semiconductor nonvolatile memory may be formed on a silicon substrate, an SOI substrate, or a substrate having an insulating surface.
[0029]
In particular, in the case of a memory transistor formed on a substrate having an insulating surface (hereinafter referred to as a memory TFT), an arbitrary circuit (typically, a pixel portion, driving of the pixel portion) constituted by a TFT. In the semiconductor device having a circuit), the semiconductor nonvolatile memory of the present invention is newly formed as a memory portion and is incorporated into the system, whereby a multifunctional, high-functional and small-sized semiconductor device can be provided. Become.
[0030]
The configuration of the present invention is shown below.
[0031]
A non-volatile memory comprising at least a memory cell array in which memory cells are arranged in a matrix and a drive circuit for the memory cells,
A non-volatile memory is provided in which the memory cell includes two memory transistors.
[0032]
A memory cell array in which memory cells are arranged in a matrix, a memory cell driving circuit, a plurality of first word lines, a plurality of second word lines, a plurality of bit lines, and a plurality of source lines; A non-volatile memory comprising at least
The memory cell has a first memory transistor and a second memory transistor;
The first memory transistor and the second memory transistor are connected in series,
A gate electrode of the first memory transistor is connected to the first word line;
A gate electrode of the second memory transistor is connected to the second word line;
The remaining one of the source electrode or drain electrode of the first memory transistor is connected to the bit line;
A non-volatile memory is provided in which the remaining one of the source electrode and the drain electrode of the second memory transistor is connected to the source line.
[0033]
The non-volatile memory is preferably capable of writing for each bit and erasing for each bit.
[0034]
The memory cell is preferably written and erased by a tunnel current.
[0035]
The source line and the bit line connected to the memory cell to be written may have the same potential at the time of writing.
[0036]
The first and second memory transistors respectively include a source region, a drain region, a channel formation region, a first gate insulating film, a floating gate electrode, a second gate insulating film, and a control gate electrode. And at least
In each of the first and second memory transistors, one or both of the source region and the drain region and the floating gate electrode partially overlap with each other through the first gate insulating film. Is preferred.
[0037]
Both of the two memory transistors constituting the memory cell may be n-channel transistors.
[0038]
Both of the two memory transistors constituting the memory cell may be p-channel transistors.
[0039]
The memory cell array and the drive circuit for the memory cell can be integrally formed on a substrate having an insulating surface.
[0040]
A pixel portion in which a plurality of pixels are arranged in a matrix on a substrate having an insulating surface, a pixel driving circuit including TFTs for driving the plurality of pixels, and the nonvolatile memory according to claim 9. A semiconductor device comprising at least
The pixel portion, the pixel driver circuit, and the nonvolatile memory are integrally formed on a substrate having the insulating surface.
[0041]
A liquid crystal display device or an EL display device is provided as the semiconductor device.
[0042]
As the semiconductor device, a display, a video camera, a DVD player, a head mounted display, a personal computer, a mobile phone, and a car audio are provided.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A circuit diagram, a driving method, and a cross-sectional structure of a memory cell of the nonvolatile memory of the present invention will be described.
[0044]
FIG. 1 shows a circuit diagram of an m × n-bit nonvolatile memory of the present invention (m and n are integers of 1 or more, respectively). The nonvolatile memory according to the present embodiment includes a memory cell array 105 in which m × n memory cells (1, 1) to (n, m) are arranged in a matrix of m vertical × n horizontal, memory cell array 105 The driving circuit includes an X address decoder 101, a Y address decoder 102, and other peripheral circuits 103 and 104. Each memory cell includes two memory transistors Tr1 and Tr2. When each memory transistor stores 1-bit data, the nonvolatile memory of this embodiment has a storage capacity of m × n × 2 bits. Other peripheral circuits include an address buffer circuit, a control logic circuit, a sense amplifier, a booster circuit, and the like, and are provided as necessary.
[0045]
The memory transistors Tr1 and Tr2 may be either n-channel or p-channel conductive transistors, but in the present embodiment, they are n-channel transistors (see Example 3 for p-channel transistors). In this embodiment, a case where one memory transistor stores 1-bit data is considered. However, one memory transistor can store data of 2 bits or more by a multi-value technique. When one memory transistor stores k bits (k is an integer equal to or greater than 1), the storage capacity of the nonvolatile memory according to the present embodiment is m × n × 2 × k bits.
[0046]
The memory transistor constituting the nonvolatile memory of the present invention may be formed on any of a bulk silicon substrate, an SOI substrate, and a substrate having an insulating surface. In addition, a small nonvolatile memory is realized by forming a memory cell driving circuit (in this embodiment, the X address decoder 101 and the Y address decoder 102) and other peripheral circuits 103 and 104 over the same substrate. can do.
[0047]
In particular, when the nonvolatile memory of the present invention is constituted by a memory TFT formed on a substrate having an insulating surface, it can be integrally formed with any part of a semiconductor device constituted by the TFT. A highly functional and small semiconductor device can be provided (see Examples 5, 6 and 9).
[0048]
In FIG. 1, each memory cell (considering memory cell (i, j) as a representative) (i is an integer between 1 and n and j is an integer between 1 and m) is divided into two memory transistors Tr1 and Tr2, respectively. These two memory transistors Tr1 and Tr2 are connected in series. The source electrode and control gate electrode of the memory transistor Tr1 are connected to the source line Si and the first word line Waj, respectively, and the drain electrode and control gate electrode of the memory transistor Tr2 are connected to the bit line Bi and the second word line Wbj, respectively. Each is connected. The bit lines B1 to Bn and the source lines S1 to Sn are connected to the Y address decoder 102, and the first word lines Wa1 to Wam and the second word lines Wb1 to Wbm are connected to the X address decoder 101, respectively.
[0049]
Next, the cross-sectional structure of the memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention will be described. FIG. 3 shows an example of a cross-sectional structure of a memory cell formed over a substrate having an insulating surface.
[0050]
In FIG. 3, two memory TFTs 316 and 317 constituting a memory cell are formed on a substrate 300 having an insulating surface. The memory TFT 316 includes a semiconductor active layer including source / drain regions 301 and 302 and a channel formation region 304, a first gate insulating film 306, a floating gate electrode 308, a second gate insulating film 310, and a control gate electrode 311. Has been. Similarly, the memory TFT 317 includes a semiconductor active layer including source / drain regions 302 and 303 and a channel formation region 305, a first gate insulating film 307, a floating gate electrode 309, a second gate insulating film 310, and a control gate electrode 312. It is constituted by. On the interlayer film 313, a source electrode 314 and a drain electrode 315 are drawn out through contact holes.
[0051]
In addition, the memory TFT 316 has a region where the source region 301 and the floating gate electrode 308 partially overlap with each other through the first gate insulating film 306, and the memory TFT 317 includes the drain region 303 and the floating gate electrode 309 in the first region. A region partially overlapping with the gate insulating film 307 is provided. This region (hereinafter referred to as an overlap region) is a region for allowing a tunnel current to flow between the floating gate electrode and the source / drain region. As will be described later, the position of the overlap region is related to the operation method of the nonvolatile memory.
[0052]
The non-volatile memory of the present invention is characterized in that a memory transistor having a memory function is used as a selection transistor as compared with a conventional full-function EEPROM. As a result, the nonvolatile memory of the present invention can store 2-bit data for one memory cell, and data can be written, read and erased completely in 1-bit units.
[0053]
In this case, a driving method different from that of the conventional full function EEPROM is used particularly in the writing operation. Specifically, instead of performing hot electron injection, writing by tunneling current is performed. At that time, it is desirable that the source lines are not applied with a common potential, but are connected to a coder with a Y address in the same manner as the bit lines so that a potential can be selectively applied. Hereinafter, taking the memory cell (1, 1) as an example, the writing, reading and erasing operation methods in the memory transistors Tr1 and Tr2 will be described.
[0054]
First, when data is written to the memory transistor Tr1, for example, the source line S1 and the bit line B1 are set to −10V, the first word line Wa1 is set to 10V, and the second word line Wb1 is set to 0V. As a result, the memory transistor Tr1 is turned on, and a high potential difference is generated between the control gate electrode and the channel region. Then, electrons are injected from the channel region into the floating gate by the tunnel current, and writing is performed. In addition, the second word line Wb1 has a value that prevents a potential difference (also referred to as stress) between the control gate electrode, the source electrode, and the drain electrode of the memory transistor Tr2 from being small, and prevents erroneous writing in the memory transistor Tr2. It is necessary.
[0055]
Writing to the memory transistor Tr2 can be performed in the same manner as writing to the memory transistor Tr1. For example, the source line S1 and the bit line B1 may be −10V, the first word line Wa1 may be 0V, and the second word line Wb1 may be 10V. As a result, a high potential difference is generated between the control gate electrode and the drain electrode of the memory transistor Tr2, and electrons are injected (written) into the floating gate due to a tunnel current. On the other hand, only a stress of about 10 V is applied to the memory transistor Tr1, and writing is not performed.
[0056]
Further, the stress in memory cells (also referred to as non-selected memory cells) other than the memory cells (1, 1) is about 10 V at most, and writing is not performed.
[0057]
Next, a read operation will be described. When reading the data stored in the memory transistor Tr1, for example, 0V is applied to the source line S1, a predetermined voltage (described later) is applied to the first word line Wa1, and the memory transistor Tr2 is turned on to the second word line Wb1. A voltage is applied to achieve a state (for example, 8V). As a result, the state (ON or OFF) of the memory transistor Tr1 is determined according to the threshold voltage, and the conduction state (conduction or non-conduction) between the source line S1 and the bit line B1 is determined. Data can be read from the bit line B1.
[0058]
The predetermined voltage is a threshold voltage in an erased state (a state in which electrons are not accumulated in the floating gate electrode) and a threshold voltage in a written state (a state in which electrons are accumulated in the floating gate electrode). What is necessary is just to set between voltages. For example, when the erased memory transistor has a threshold voltage of −1 V or more and 2 V or less, and the written memory transistor has a threshold voltage of 4 V or more and 7 V or less, For example, 3V can be used as the voltage.
[0059]
The same applies to the case of reading data stored in the memory transistor Tr2. For example, the source line S1 is set to 0V, the first word line Wa1 is set to a voltage such that the memory transistor Tr2 is turned on (for example, 8V), and the second word line Wb1 is set to the predetermined voltage (for example, 3V). It is good to apply.
[0060]
Note that all the non-selected memory cells (1, 2) to (1, m) in the same column as the memory cell (1, 1) to be selected need to be non-conductive. In other words, in the memory cells (1, 2) to (1, m), the memory transistor Tr1 or Tr2 needs to be in an off state. In particular, when the threshold distribution is expanded to 0 V or less, there is a possibility of causing a malfunction due to the above-described operating voltage. This problem can be eliminated in several ways. For example, when the threshold voltage distribution of the erased memory transistor is −5 V or more, the memory transistor to be read is Tr1, the source line S1 is 5 V, the first word line Wa1 is 8 V, the second word By setting the line Wb1 to 13 V, all the non-selected memory transistors are turned off and no malfunction occurs. In addition, by providing a verify circuit as a peripheral circuit, it is possible to eliminate a malfunction during reading by a method such as controlling the distribution of the threshold voltage in the erased state to 0 V or more, or using a split gate structure as the memory element. it can.
[0061]
Finally, data erasure will be described. The erase operation uses a tunnel current in the opposite direction to the write operation. When erasing is performed in the memory transistor Tr1, for example, the source line S1 and the bit line B1 are set to 10V, the first word line Wa1 is set to −10V, and the second word line Wb1 is set to 0V. At this time, the memory transistor Tr1 is turned off, and a high potential difference is generated between the control gate electrode and the source electrode. As a result, a tunnel current flows in the overlap region between the control gate electrode and the source electrode, and electrons are emitted from the floating gate to the source region. That is, erasure is performed.
[0062]
The same applies when erasing is performed in the memory transistor Tr2. For example, the source line S1 and the bit line B1 may be 10V, the first word line Wa1 may be 0V, and the second word line Wb1 may be −10V.
[0063]
Further, in the non-selected memory cell, the stress is about 10 V at most, and erroneous erasure is not performed.
[0064]
In the above-described operation method, the potentials of the bit lines B2 to Bn, the source lines S2 to Sn, the first word lines Wa2 to Wam, and the second word lines Wb2 to Wbm that are not selected at the time of writing and reading are All are 0V.
[0065]
As described above, the nonvolatile memory of the present invention can store 2-bit data for one memory cell, and data can be written, read and erased completely in 1-bit units. The nonvolatile memory of the present invention is a full function EEPROM. Compared with a conventional full-function EEPROM having a memory cell composed of one memory transistor and one selection transistor, the integration density is doubled.
[0066]
Of course, the value of the operating voltage described above is an example, and is not limited to that value. Actually, the voltage applied to the memory transistor includes the first gate insulating film, the second gate insulating film, the capacitance between the control gate electrode and the floating gate electrode, the size of the overlap region, etc. Depends on. The operating voltage of the memory transistor changes accordingly.
[0067]
The value of the operating voltage may be any value within a range that does not cause malfunction in the non-selected memory cell while maintaining the potential difference necessary for performing the write, read and erase operations in the selected memory cell. It does not matter.
[0068]
Note that in the operation method of this embodiment, a common potential is not applied to the source line, but the source line is connected to a driver circuit (in this embodiment, a Y address decoder), so that The circuit structure is such that a potential can be selectively applied. With such a circuit structure, there is a disadvantage that the peripheral circuit area increases somewhat, but it is possible to ensure a wide margin of operation. Further, the conventional full-function EEPROM has a problem that a large potential difference is generated between the source and the drain at the time of erasing, so that power consumption increases and a load on the circuit increases. According to the driving method of the present embodiment, since the source line and the bit line have the same potential at the time of erasing, current due to the potential difference between the source and drain does not flow, and such a problem does not occur.
[0069]
The nonvolatile memory of the present invention can simultaneously perform erasing and writing of a plurality of memory transistors. In particular, erasing and writing can be performed simultaneously in units of one memory cell (two memory transistors), one vertical column, one horizontal row, a plurality of vertical columns, a plurality of horizontal rows, all memory cells, and the like. For example, in the case where writing to two memory transistors Tr1 and Tr2 is performed simultaneously in one memory cell (1, 1), the source line S1 and the bit line B1 are set to −10 V, the first word line Wa1 and the second The word line Wb1 may be set to 10V. When erasing is simultaneously performed, the source line S1 and the bit line B1 may be set to 10V, and the first word line Wa1 and the second word line Wb1 may be set to −10V.
[0070]
Example 1
In this embodiment, as an example of the nonvolatile memory of the present invention, a 2048-bit nonvolatile memory composed of p-channel memory transistors is taken up, and a circuit diagram and a driving method will be described.
[0071]
FIG. 6 shows a circuit diagram of the nonvolatile memory of the present embodiment. The nonvolatile memory shown in FIG. 6 includes a memory cell array 605 in which 1024 memory cells (1, 1) to (32, 32) are arranged in a matrix of 32 vertical × 32 horizontal, an X address decoder 601, A Y address decoder 602 and other peripheral circuits 603 and 604 are included. Each memory cell is composed of two p-channel type memory transistors Tr1 and Tr2. When each memory transistor stores 1-bit data, the nonvolatile memory of this embodiment has a storage capacity of 2048 bits. Other peripheral circuits include an address buffer circuit, a control logic circuit, a sense amplifier, a booster circuit, and the like, and are provided as necessary.
[0072]
Each memory cell (considering memory cell (i, j) as a representative) (i and j are integers of 1 to 32) each have two memory transistors Tr1 and Tr2, and these two memory transistors Tr1 And Tr2 are connected in series. The source electrode and control gate electrode of the memory transistor Tr1 are connected to the source line Si and the first word line Waj, respectively, and the drain electrode and control gate electrode of the memory transistor Tr2 are connected to the bit line Bi and the second word line Wbj, respectively. Each is connected. The bit lines B1 to B32 and the source lines S1 to S32 are connected to the Y address decoder 602, and the first word lines Wa1 to Wa32 and the second word lines Wb1 to Wb32 are connected to the X address decoder 601.
[0073]
The nonvolatile memory of this embodiment can store 2-bit data for one memory cell, and data can be written, read and erased completely in 1-bit units. The operation method is similar to the operation method of the n-channel nonvolatile memory described in the embodiment mode, in which writing and erasing are performed with a tunnel current. The operation method of the p-channel type nonvolatile memory will be briefly described below.
[0074]
For the write operation and the erase operation, the same operation voltage as that in the embodiment can be used. For example, when erasing the memory transistor Tr1 in the memory cell (1, 1), the source line S1 and the bit line B1 are 10V, the first word line Wa1 is −10V, and the second word line Wb1 is 0V. Good. Further, when writing to the memory transistor Tr1 in the memory cell (1, 1), when the source line S1 and the bit line B1 are −10V, the first word line Wa1 is 10V, and the second word line Wb1 is 0V. Good. When writing and erasing are performed on the memory transistor Tr2, the potential of the first word line and the potential of the second word line may be interchanged. The stress in the non-selected memory cell is about 10 V at the time of writing and erasing, and erroneous writing and erasing are not performed.
[0075]
At the time of writing and erasing, the p-channel memory transistor is in the opposite state (on or off) to the n-channel memory transistor. That is, in the p-channel type, the memory transistor that performs writing is turned off, and the memory transistor that performs erasing is turned on. As a result, the erase operation is performed by a tunnel current flowing through the channel region, and the write operation is performed by a tunnel current flowing through an overlap region between the control gate electrode and the source / drain electrodes. When the operation voltage described above is used, a tunnel current at the time of writing flows between the floating gate electrode and the source region of the memory transistor Tr1 or between the floating gate electrode and the drain region of the memory transistor Tr2. Therefore, it is necessary to form the overlap region between the floating gate electrode and the source region of the memory transistor Tr1 and between the floating gate electrode and the drain region of the memory transistor Tr2.
[0076]
Next, the read operation will be described by taking the memory cell (1, 1) as an example. When reading the data stored in the memory transistor Tr1, for example, 0V is applied to the source line S1, a predetermined voltage (described later) is applied to the first word line Wa1, and the memory transistor Tr2 is turned on to the second word line Wb1. A voltage that is in a state (for example, −5 V) is applied. As a result, the state (ON or OFF) of the memory transistor Tr1 is determined according to the threshold voltage of the memory transistor Tr1, and the conductive state (conductive or nonconductive) between the source line S1 and the bit line B1 is determined. Data stored in Tr1 can be read from bit line B1.
[0077]
The predetermined voltage is a threshold voltage in an erased state (a state in which electrons are not accumulated in the floating gate electrode) and a threshold voltage in a written state (a state in which electrons are accumulated in the floating gate electrode). What is necessary is just to set between voltages. For example, when the memory transistor in the erased state has a threshold voltage of −4V to −1V and the memory transistor in the written state has a threshold voltage of 1V to 4V, For example, 0V can be used as the voltage.
[0078]
The same applies to the case of reading data stored in the memory transistor Tr2. For example, the source line S1 is set to 0V, the first word line Wa1 is set to a voltage at which the memory transistor Tr2 is turned on (for example, −5V), and the second word line Wb1 is set to the predetermined voltage (for example, 0V). May be applied.
[0079]
Note that all the non-selected memory cells (1, 2) to (1, 32) in the same column as the memory cell (1, 1) to be selected need to be non-conductive. Assuming the above-described threshold voltage distribution, the threshold voltage of the memory transistor in the written state is 0 V or higher, so that the memory cell having the memory transistor in the written state becomes conductive, causing a malfunction. It becomes. As a method for suppressing such malfunction, when the memory transistor to be read is set to Tr1, for example, the source line S1 is set to -5V, the first word line Wa1 is set to -5V, and the second word line Wb1 is set to -10V. Good. In this case, if the threshold voltage of the memory transistor Tr1 or Tr2 is 5 V or less, no malfunction occurs. In addition, malfunctions at the time of reading can also be suppressed by a method such as providing a verify circuit as a peripheral circuit or a memory element having a split gate structure.
[0080]
Note that the potentials of the bit lines B2 to B32, the source lines S2 to Sn, the first word lines Wa2 to Wa32, and the second word lines Wb2 to Wb32 that are not selected in the above-described operation method are all 0V.
[0081]
Of course, the value of the operating voltage described above is an example, and is not limited to that value. The value of the operating voltage may be any value within a range that does not cause malfunction in the non-selected memory cell while maintaining the potential difference necessary for performing the write, read and erase operations in the selected memory cell. It does not matter.
[0082]
In addition, the nonvolatile memory of this embodiment can simultaneously erase or write a plurality of memory transistors. For example, erasing or writing can be performed simultaneously in units of one memory cell (having two memory transistors), one vertical column, one horizontal row, multiple vertical columns, multiple horizontal rows, all memory cells, and the like. For example, in the case where writing to two memory transistors Tr1 and Tr2 is performed simultaneously in one memory cell (1, 1), the source line S1 and the bit line B1 are set to −10 V, the first word line Wa1 and the second The word line Wb1 may be set to 10V. When erasing is simultaneously performed, the source line S1 and the bit line B1 may be set to 10V, and the first word line Wa1 and the second word line Wb1 may be set to −10V.
[0083]
(Example 2)
In this embodiment, as a nonvolatile memory according to the present invention, an example of a memory cell circuit diagram and a driving method different from those in Embodiment Mode and Embodiment 1 will be described.
[0084]
FIG. 7 is a circuit diagram of a memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention. In FIG. 7, the depression of the floating gate electrode represents an overlap region. For example, in FIG. 7A, the overlap region of the memory transistor Tr1 is provided between the floating gate electrode and the source region, and the overlap region of the memory transistor Tr2 is provided between the floating gate electrode and the drain region. In FIG. 7B, the overlap region of the memory transistor Tr1 is provided between the floating gate electrode and the drain region, and the overlap region of the memory transistor Tr2 is provided between the floating gate electrode and the source region. Similarly, in FIG. 7C, the overlap region of the memory transistor Tr1 and the overlap region of the memory transistor Tr2 are provided between the floating gate electrode and the drain region. Note that the memory cell included in the nonvolatile memory described in Embodiment Mode and Example 1 has the structure illustrated in FIG.
[0085]
In this embodiment, a nonvolatile memory having the memory cell structure shown in FIGS. 7B and 7C and a driving method thereof will be described. Since the difference between the three memory cells shown in FIG. 7 is only the position of the overlap region, the read operation, the write operation of the n-channel nonvolatile memory, and the erase operation of the p-channel nonvolatile memory are the same as in the embodiment and The same operation method as in Embodiment 1 can be used. For the erase operation of the n-channel non-volatile memory and the write operation of the p-channel non-volatile memory, for example, the operating voltage described below can be used according to the position of the overlap region.
[0086]
First, a circuit diagram of the memory cell illustrated in FIG. 7B is described. As an erase operation of the memory transistor Tr2 in the n-channel nonvolatile memory, for example, the source line S is 5V, the bit line B is 0V, the first word line Wa is 13V, and the second word line Wb is −15V. Good. As a result, a tunnel current flows in the overlap region of the memory transistor Tr2, and electrons accumulated in the floating gate electrode are emitted to the source region. When erasing the memory transistor Tr1, the source line S may be 0V, the bit line B may be 5V, the first word line Wa may be -15V, and the second word line Wb may be 13V.
[0087]
At this time, a non-selected memory cell in the same column as the selected memory cell needs to be in a non-conductive state because a potential difference is generated between the source line and the bit line. When the operation voltage described above is used, the threshold voltage of the memory transistor Tr1 or Tr2 needs to be 0 V or higher. In order to suppress the conduction of the non-selected memory cell, the memory transistor Tr2 is written. For example, the source line S is 7V, the bit line B is 2V, the first word line Wa is 15V, and the second word line Wb may be set to -13V. In this case, if the threshold voltage of the memory transistor Tr1 or Tr2 is −2 V or higher, the non-selected memory cell will not be conducted. Note that conduction of unselected memory cells can also be suppressed by a method such as providing a verify circuit as a peripheral circuit or a memory element having a split gate structure.
[0088]
As a write operation of the memory transistor Tr2 in the p-channel nonvolatile memory, for example, the source line S is −5V, the bit line B is 0V, the first word line Wa is −10V, and the second word line Wb is 15V. It is good to do. As a result, a tunnel current flows in the overlap region of the memory transistor Tr2, and electrons are injected from the source region to the floating gate electrode. When writing to the memory transistor Tr1, the source line S may be set to 0V, the bit line B may be set to -5V, the first word line Wa may be set to 15V, and the second word line Wb may be set to -10V.
[0089]
Note that a non-selected memory cell in the same column as the selected memory cell has a potential difference between the source line and the bit line, and thus needs to be in a non-conductive state. The threshold voltage of the memory transistor Tr1 or Tr2 needs to be 0V or less. In order to suppress the conduction of the non-selected memory cell, the memory transistor Tr2 is written. For example, the source line S is −10V, the bit line B is −5V, the first word line Wa is −15V, The word line Wb may be set to 10V. In this case, if the threshold voltage of the memory transistor Tr1 or Tr2 is 5 V or less, the non-selected memory cell will not be conducted. Note that conduction of unselected memory cells can also be suppressed by a method such as providing a verify circuit as a peripheral circuit or a memory element having a split gate structure.
[0090]
Next, a circuit diagram of the memory cell in FIG. In the circuit diagram of the memory cell in FIG. 7C, an overlap region is provided between the floating gate electrode and the drain region in both the memory transistors Tr1 and Tr2.
[0091]
The writing and erasing operations of the nonvolatile memory having the circuit diagram of the memory cell in FIG. 7C are the operation method of the memory transistor Tr2 in the memory cell in FIG. 7A and the memory in the memory cell in FIG. The operation method of the transistor Tr1 may be combined. That is, in the n-channel nonvolatile memory, when erasing the memory transistor Tr1, as in FIG. 7B, the source line S is 0V, the bit line B is 5V, and the first word line Wa is -15V. When the second word line Wb is set to 13V and the memory transistor Tr2 is erased, the source line S and the bit line B are set to 10V, and the first word line Wa is set to 0V, as in FIG. The second word line Wb is preferably set to −10V. In the p-channel nonvolatile memory, when writing to the memory transistor Tr1, the source line S is 0V, the bit line B is -5V, and the first word line Wa is 15V, as in FIG. 7B. When the second word line Wb is set to −10V and the memory transistor Tr2 is written, the source line S and the bit line B are set to −10V and the first word line Wa is written as in FIG. May be set to 0V, and the second word line Wb may be set to 10V.
[0092]
With the circuit configuration of the memory cell as shown in FIG. 7C, variation in the size of the overlap region due to misalignment can be suppressed. In the circuit configuration of the memory cell in FIGS. 7A and 7B, when an alignment shift occurs in the manufacturing process of the overlap region, the overlap region of the memory transistor Tr1 and the overlap region of the memory transistor Tr2 have different sizes. Become. As a result, there arises a problem that the writing speed and the erasing speed vary. Such a problem does not occur in the circuit configuration of the memory cell as shown in FIG.
[0093]
Although not shown, the memory cells shown in FIGS. 7A and 7B are the memory cells in which the overlap region is provided between the floating gate electrode and the source region in both the memory transistors Tr1 and Tr2. Writing and erasing operations can be performed by combining the above operating methods.
[0094]
Further, the overlap region may be provided on both sides of the source region side and the drain region side. In this case, the operation methods in FIGS. 7A and 7B can be freely combined. By providing the overlap regions on both sides, the tunnel current flowing in one overlap region can be reduced, and deterioration of the memory transistor due to the tunnel current can be suppressed.
[0095]
Further, the overlap region need not be provided. In this case, a higher voltage write operation and erase operation are required as compared with the case where a tunnel current is passed through the overlap region.
[0096]
Of course, the value of the operating voltage described above is an example, and is not limited to that value. The value of the operating voltage may be any value within a range that does not cause malfunction in the non-selected memory cell while maintaining the potential difference necessary for performing the write, read and erase operations in the selected memory cell. It does not matter.
[0097]
(Example 3)
In this embodiment, a top structure of a memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention will be described. FIG. 2 is an example of a top view of four memory cells. For example, it can be considered that a part of the memory cell array constituting the nonvolatile memory described in the embodiment and Examples 1 and 2 is illustrated.
[0098]
The description will be made only for the upper left memory cell. First, the region 201 is a semiconductor active region. The semiconductor active region refers to a semiconductor active region formed on a silicon substrate and a semiconductor active layer formed on a substrate having an insulating surface or an SOI substrate. Regions 204 and 205 are floating gate electrodes, and wirings 206 and 207 are a source line and a bit line, respectively. In the drawing, the blacked-out portion indicates that the lower wiring or the semiconductor layer is in contact. The first word line 202 and the second word line 203 are wired so as to cover the floating gate electrodes 204 and 205, respectively, and also serve as control gate electrodes.
[0099]
In FIG. 2, the source line 206 and the bit line 207 are provided so as not to overlap with the semiconductor active region, but the source line 206 and the bit line 207 may overlap with the semiconductor active region. By doing so, the distance between the source line and the bit line can be further reduced, and the memory cell area can be reduced.
[0100]
Of course, the upper surface structure of the memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention is not limited to FIG. Any other top view may be used as long as it is a circuit diagram shown in the embodiment and Examples 1 and 2.
[0101]
Note that the cross-sectional structure shown in the embodiment (FIG. 3) can be considered as the cross-sectional structure related to the line segment AB in the top view of the memory cell shown in FIG. 2, for example.
[0102]
【Example】
Example 4
In this example, a method for manufacturing a nonvolatile memory of the present invention over a substrate having an insulating surface will be described with reference to FIGS. As TFTs constituting a non-volatile memory, two memory TFTs (n-channel TFTs) constituting a memory cell, and two TFTs constituting a typical CMOS circuit as a memory cell driving circuit and other peripheral circuits (p A channel type TFT and an n channel type TFT) will be described as an example.
[0103]
According to the manufacturing method described below, it is understood that the nonvolatile memory of the present invention can be integrally formed with any part of a semiconductor device that can be manufactured using thin film technology.
[0104]
In addition, the nonvolatile memory and the semiconductor device including the nonvolatile memory of the present invention are preferably constituted by a TFT having a semiconductor active layer having excellent crystallinity, and a TFT having an amorphous semiconductor active film Is often insufficient. This is because a good gate insulating film is required from the viewpoint of the reliability of the nonvolatile memory, the good gate insulating film is formed on a semiconductor active layer having excellent crystallinity, and peripheral circuits and others. This is because the TFTs constituting these semiconductor parts are required to have good characteristics in mobility, threshold voltage and the like. The TFT obtained by the manufacturing method of this example has a semiconductor active layer with excellent crystallinity and has sufficient performance to constitute the nonvolatile memory and the semiconductor device of the present invention.
[0105]
First, a quartz substrate 801 is prepared as a substrate having an insulating surface (FIG. 8A). Instead of the quartz substrate, a quartz substrate formed with a silicon nitride film as an insulating film, a silicon substrate formed with a thermal oxide film, a ceramic substrate, or the like may be used.
[0106]
Next, an amorphous silicon film 802 having a thickness of 55 nm is formed by a known film formation method (FIG. 8A). Note that it is not necessary to limit the amorphous silicon film, and any amorphous semiconductor film (including a microcrystalline semiconductor film and a compound semiconductor film including an amorphous structure such as an amorphous silicon germanium film) may be used. .
[0107]
Next, a crystallization process of the amorphous silicon film 802 is performed. JP-A-10-247735 filed by the present applicant can be referred to for the process from here to FIG. 8C. This publication discloses a technique related to a method for crystallizing a semiconductor film using an element such as Ni as a catalyst.
[0108]
First, protective films 811 to 813 having openings 815 and 816 (a silicon oxide film having a thickness of 150 nm in this embodiment) are formed. Then, a layer (referred to as a Ni-containing layer) 814 containing nickel (Ni) is formed on the protective films 811 to 813 by spin coating. Note that an ion implantation method using a resist mask, a plasma doping method, or a sputtering method may be used.
[0109]
In addition to nickel as catalyst elements, cobalt (Co), iron (Fe), palladium (Pd), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), germanium (Ge), lead (Pb) Indium (In) or the like can be used.
[0110]
Next, as shown in FIG. 8C, a heat treatment is performed at 570 ° C. for 14 hours in an inert atmosphere to crystallize the amorphous silicon film 802. At this time, the crystallization proceeds approximately in parallel with the substrate starting from regions where Ni is in contact (referred to as Ni-added regions) 821 and 822. The crystalline silicon film 823 formed in this manner has an advantage of excellent overall crystallinity because individual crystals are gathered in a relatively uniform state. Note that the heat treatment temperature is preferably 500 to 700 ° C. (typically 550 to 650 ° C.), and the treatment time is preferably 4 to 24 hours.
[0111]
Next, as shown in FIG. 8D, an element belonging to Group 15 (preferably phosphorus) is added to the Ni-added regions 821 and 822 using the protective films 811 to 813 as masks. Thus, regions (referred to as phosphorus-added regions) 831 and 832 to which phosphorus is added at a high concentration are formed.
[0112]
Then, as shown in FIG. 8D, heat treatment is performed at 600 ° C. for 12 hours in an inert atmosphere. This heat treatment is a gettering step of a metal element (Ni in this embodiment) by phosphorus. Finally, almost all Ni is trapped in the phosphorus-added regions 831 and 832 as indicated by arrows. The concentration of Ni remaining in the crystalline silicon film 833 by this step is at least 2 × 10 as measured by SIMS (mass secondary ion analysis). 17 atoms / cm Three Reduced to
[0113]
Thus, a crystalline silicon film 833 that is crystallized using a catalyst and reduced to a level at which the catalyst does not hinder the operation of the TFT is obtained. Thereafter, the protective films 811 to 813 are removed, and island-like semiconductor layers (hereinafter referred to as semiconductor active layers) 901 to 903 using only the crystalline silicon film 833 that do not include the phosphorus-added regions 831 and 832 are formed by a patterning process. (FIG. 9A).
[0114]
Next, as shown in FIG. 9B, a region of the semiconductor active layer 901 excluding a region that later becomes an overlap region of the memory TFT and a part of a region that becomes a source / drain region is a resist mask. An impurity element which is covered with 911 to 913 and imparts n-type conductivity (also referred to as an n-type impurity element) is added (FIG. 9B). In the n-type impurity regions 914 and 915 formed by this process, an n-type impurity element is 1 × 10 6. 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three (Typically 2 × 10 20 ~ 5x10 20 atoms / cm Three ) Adjust the dose so that it is included at the concentration of As the n-type impurity element, phosphorus (P) or arsenic (As) may be used, and phosphorus (P) is used in this embodiment.
[0115]
After that, the resist masks 911 to 913 are removed, and a first gate insulating film 921 made of an insulating film containing silicon is formed (FIG. 9C). The thickness of the first gate insulating film 921 may be adjusted within a range of 10 to 250 nm in consideration of an increase due to a later thermal oxidation process. Note that the thickness of the first gate insulating film forming the memory TFT may be 10 to 50 nm, and the thickness of the first gate insulating film forming other elements may be 50 to 250 nm. As a film formation method, a known vapor phase method (plasma CVD method, sputtering method, or the like) may be used. In this embodiment, a silicon nitride oxide film having a thickness of 40 nm is formed by a plasma CVD method.
[0116]
Next, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere at 950 ° C. for 1 hour to perform a thermal oxidation process. In this thermal oxidation process, oxidation proceeds at the interface between the active layer and the silicon nitride oxide film, and the film thickness of the semiconductor active layer is finally 40 nm. Note that the oxidizing atmosphere may be an oxygen atmosphere or an oxygen atmosphere to which a halogen element is added. When the thermal oxide film is formed in this way, a semiconductor / insulating film interface with very few interface states can be obtained. In addition, there is an effect of preventing formation defects (edge thinning) of the thermal oxide film at the end portion of the active layer.
[0117]
Next, a conductive film with a thickness of 200 to 400 nm is formed and patterned to form gate electrodes 922 to 925 (FIG. 9C). At this time, the gate electrodes 922 and 923 (which will become floating gate electrodes later) of the memory TFT are formed so as to partially overlap the n-type impurity regions 914 and 915 with the gate insulating film 921 interposed therebetween. This overlapped area becomes an overlap area of the memory TFT.
[0118]
Note that although the gate electrode may be formed of a single-layer conductive film, it is preferably a stacked film of two layers or three layers as necessary. A known conductive film can be used as the material of the gate electrode. Specifically, a film made of an element selected from tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten (W), chromium (Cr), and silicon (Si), or a nitride of the element. A film (typically a tantalum nitride film, a tungsten nitride film, a titanium nitride film), an alloy film (typically a Mo—W alloy or a Mo—Ta alloy), or a silicide film of the element. (Typically, a tungsten silicide film or a titanium silicide film) can be used.
[0119]
In this embodiment, a stacked film including a tungsten nitride (WN) film having a thickness of 50 nm and a tungsten (W) film having a thickness of 350 nm is formed by a sputtering method. Note that when an inert gas such as xenon (Xe) or neon (Ne) is added as a sputtering gas, film peeling due to stress can be prevented.
[0120]
Next, an impurity element adding step for imparting one conductivity is performed. As the impurity element, phosphorus (P) or arsenic (As) may be used for n-type, and boron (B), gallium (Ga), indium (In), or the like may be used for p-type.
[0121]
First, as shown in FIG. 9D, an n-type impurity element (phosphorus in this embodiment) is added in a self-aligning manner using the gate electrodes 922 to 925 as masks, and a low-concentration impurity region (n− region) 931-1 is added. 935 is formed. This low concentration impurity region has a phosphorus concentration of 1 × 10 17 atoms / cm Three ~ 1x10 19 atoms / cm Three Adjust so that
[0122]
Next, as shown in FIG. 10A, resist masks 1005 and 1006 are formed so as to cover the entire p-channel TFT and a part of the n-channel TFT, and an n-type impurity element (in this embodiment, Impurity regions 1007 to 1011 containing phosphorus at a high concentration are formed by adding phosphorus. At this time, the concentration of the n-type impurity element is 1 × 10. 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three (Typically 2 × 10 20 ~ 5x10 20 atoms / cm Three ).
[0123]
By this step, source / drain regions 1007 and 1009 of the memory TFT, source / drain regions 1010 and 1011 of the n-channel TFT constituting the CMOS, and an LDD region 1012 are formed.
[0124]
Next, as shown in FIG. 10B, the resist masks 1005 and 1006 are removed, and new resist masks 1013 and 1014 are formed. Then, a p-type impurity element (boron in this embodiment) is added to form impurity regions 1015 and 1016 containing boron at a high concentration. Here, diborane (B 2 H 6 1 × 10 by ion doping method using 20 ~ 1x10 twenty one atoms / cm Three (Typically 2 × 10 20 ~ 5x10 20 atoms / cm Three Boron is added so that the concentration of In this way, source / drain regions 1015 and 1016 of the p-channel TFT are formed (FIG. 10B).
[0125]
Next, after removing the resist masks 1013 and 1014 and etching the gate insulating film 921 by a dry etching method using the gate electrodes 922 to 924 as masks, an insulating film 1021 containing silicon is formed (FIG. 10C). The insulating film 1021 becomes a second gate insulating film between the floating gate electrode and the control gate electrode in the memory TFT. The thickness of the insulating film 1021 may be 10 to 250 nm. As a film formation method, a known vapor phase method (plasma CVD method, sputtering method, or the like) may be used. In this embodiment, a silicon nitride oxide film having a thickness of 70 nm is formed by a plasma CVD method.
[0126]
Thereafter, the n-type or p-type impurity element added at each concentration is activated. As the activation means, furnace annealing, laser annealing, lamp annealing, or a combination thereof may be used. In this embodiment, heat treatment is performed in an electric furnace in a nitrogen atmosphere at 550 ° C. for 4 hours. At this time, damage to the active layer received in the addition process is also repaired.
[0127]
Next, a conductive film having a thickness of 200 to 400 nm is formed and patterned to form control gate electrodes 1022 and 1023 (FIG. 10C). The control gate electrodes 1022 and 1023 are formed so as to overlap a part or the whole of the floating gate electrode with the insulating film 1021 interposed therebetween.
[0128]
Note that the control gate electrodes 1022 and 1023 may be formed of a single-layer conductive film, but it is preferable that the control gate electrodes 1022 and 1023 be a stacked film of two layers or three layers as necessary. A known conductive film can be used as the material of the gate electrode. In this embodiment, a laminated film including a tungsten nitride (WN) film having a thickness of 50 nm and a tungsten (W) film having a thickness of 350 nm is formed by a sputtering method. When an inert gas such as xenon (Xe) or neon (Ne) is added as a sputtering gas, film peeling due to stress can be prevented.
[0129]
Next, an interlayer insulating film 1031 is formed (FIG. 10D). As the interlayer insulating film 1031, an insulating film containing silicon, an organic resin film, or a stacked film including a combination thereof may be used. The film thickness may be 400 nm to 1500 nm. In this embodiment, a silicon nitride oxide film having a thickness of 500 nm is used.
[0130]
Next, as shown in FIG. 10D, contact holes are formed in the interlayer insulating film 1031 and the insulating film 1021, and source / drain wirings 1032 to 1036 are formed. In this embodiment, the Ti film is a laminated film having a three-layer structure in which the Ti film is 100 nm, the aluminum film containing Ti is 300 nm, and the Ti film 150 nm is continuously formed by sputtering. Of course, other known conductive films may be used.
[0131]
Finally, hydrogenation is performed by heat treatment at 300 to 450 ° C. for 1 to 12 hours in an atmosphere containing 3 to 100% hydrogen. This step is a step in which the dangling bonds of the semiconductor film are terminated with hydrogen by thermally excited hydrogen. In this embodiment, hydrogenation is performed by performing heat treatment for 2 hours in a hydrogen atmosphere at 350 ° C. Further, plasma hydrogenation (using hydrogen excited by plasma) may be performed as another means of hydrogenation.
[0132]
Through the above steps, a TFT having a cross-sectional structure as shown in FIG. 10D can be manufactured. In addition, this embodiment can be combined with any of the configurations of Embodiments 1 to 3 by changing the position where the overlap region is formed as necessary.
[0133]
(Example 5)
The non-volatile memory of the present invention can provide a multifunctional, high-functional and small-sized semiconductor device by being integrally formed with a component of a semiconductor device including a TFT formed over a substrate having an insulating surface. it can. In this embodiment, as such an example, an electro-optical device (typically, a liquid crystal display device and an EL) including the nonvolatile memory of the present invention, a pixel portion, a driving circuit for the pixel portion, and a γ (gamma) correction circuit. Display device).
[0134]
The γ correction circuit is a circuit for performing γ correction. The γ correction is a correction for creating a linear relationship between the voltage applied to the pixel electrode and the transmitted light intensity of the liquid crystal or EL layer thereon by applying an appropriate voltage to the image signal.
[0135]
FIG. 11 is a block diagram of the electro-optical device. The nonvolatile memory 1102 of the present invention, the pixel portion 1105, the gate signal side drive circuit 1103 and the source signal side drive circuit 1104 which are drive circuits for the pixel portion, and a γ (gamma) correction circuit 1101. In addition, an image signal, a clock signal, a synchronization signal, or the like is sent via an FPC (flexible printed circuit) 1106.
[0136]
In addition, the electro-optical device according to the present embodiment can be integrally formed on a substrate having an insulating surface by the manufacturing method according to Embodiment 4, for example. Note that a known method may be used for the steps after the TFT formation including the formation of the liquid crystal or the EL layer.
[0137]
In addition, a known circuit structure may be used for the pixel portion 1105, the driver circuits 1103 and 1104 for the pixel portion, and the γ (gamma) correction circuit 1101.
[0138]
In the electro-optical device of this embodiment, the nonvolatile memory 1102 stores (stores) correction data for applying γ correction to an image signal transmitted from a personal computer main body, a television receiving antenna, or the like. The γ correction circuit 1101 performs γ correction on the image signal with reference to the correction data.
[0139]
Data for γ correction may be stored once before the electro-optical device is shipped, but the correction data can be rewritten periodically. In addition, even an electro-optical device manufactured in the same manner may have slightly different optical response characteristics (such as the relationship between the transmitted light intensity and the applied voltage). Also in this case, in this embodiment, different γ correction data can be stored for each electro-optical device, so that the same image quality can always be obtained.
[0140]
Furthermore, by storing a plurality of correction data in the nonvolatile memory and adding a new control circuit, it is possible to freely select a plurality of color tones based on the correction data.
[0141]
When storing correction data for γ correction in the nonvolatile memory 1102, it is preferable to use the means described in Japanese Patent Application No. 11-143379 by the present applicant. Further, the application regarding the γ correction is also made in the same application. Since the correction data stored in the nonvolatile memory is a digital signal, it is desirable to form a D / A converter or an A / D converter on the same substrate as necessary.
[0142]
In addition, the structure of a present Example can be implemented in combination freely with any structure of Examples 1-4.
[0143]
(Example 6)
An example of a semiconductor device including the nonvolatile memory of the present invention, which is different from the semiconductor device shown in Embodiment 5, will be described with reference to FIG.
[0144]
FIG. 12 is a block diagram of the electro-optical device (typically, a liquid crystal display device and an EL display device) of this embodiment. The electro-optical device of this embodiment includes a nonvolatile memory 1203, an SRAM 1202, a pixel portion 1206, a gate signal side driving circuit 1204 and a source signal side driving circuit 1205, which are driving circuits for the pixel portion, and a memory. A controller circuit 1201 is provided. Further, an image signal, a clock signal, a synchronization signal, or the like is sent via an FPC (flexible printed circuit) 1207.
[0145]
The memory controller circuit 1201 in this embodiment is a control circuit for controlling operations such as storing and reading image data in the SRAM 1202 and the nonvolatile memory 1203.
[0146]
The SRAM 1202 is provided for writing data at high speed. A DRAM may be provided instead of the SRAM, and the SRAM may not be provided as long as it is a non-volatile memory capable of high-speed writing.
[0147]
The electro-optical device of the present embodiment can be integrally formed on a substrate having an insulating surface by the manufacturing method of Embodiment 4, for example. In addition, what is necessary is just to produce using the well-known method about the process after TFT formation including formation of a liquid crystal or EL layer. The SRAM 1202, the pixel portion 1206, the gate signal side driver circuit 1204, the source signal side driver circuit 1205, and the memory controller circuit 1201 may have a known circuit structure.
[0148]
In the electro-optical device of this embodiment, an image signal sent from a personal computer main body, a television receiving antenna, or the like is stored (stored) in the SRAM 1202 for each frame, and the image signal is sequentially applied to the pixel unit 1206 by the memory controller circuit 1201. Is input and displayed. The SRAM 1202 stores image information for at least one frame displayed on the pixel portion 1206. For example, when a 6-bit digital signal is sent as an image signal, a memory capacity corresponding to at least the number of pixels × 6 bits is required. Further, the memory controller circuit 1201 stores the image signal stored in the SRAM 1202 in the nonvolatile memory 1203 or inputs the image signal stored in the nonvolatile memory 1203 to the pixel unit 1206 for display as necessary. can do.
[0149]
Note that since the image data stored in the SRAM 1202 and the nonvolatile memory 1203 is a digital signal, it is desirable to form a D / A converter or an A / D converter on the same substrate as necessary.
[0150]
In the configuration of this embodiment, the image displayed on the pixel portion 1206 is always stored in the SRAM 1202, and the image can be easily paused. Further, by storing the image signal stored in the SRAM 1202 in the nonvolatile memory 1203 or inputting the image signal stored in the nonvolatile memory 1203 to the pixel portion, operations such as image recording and reproduction can be easily performed. it can. The television broadcast can be freely paused, recorded and played back without being recorded on a video deck or the like.
[0151]
The amount of information of images that can be recorded and reproduced depends on the storage capacity of the SRAM 1202 and the nonvolatile memory 1203. By storing an image signal for at least one frame, a still image can be recorded and reproduced. Furthermore, if the memory capacity of the non-volatile memory 1203 can be increased to such an extent that image information such as several hundred frames or thousands of frames can be stored, it is possible to reproduce (replay) images several seconds or minutes ago. .
[0152]
In addition, the structure of a present Example can be implemented in combination with any structure of Examples 1-5 freely.
[0153]
(Example 7)
The non-volatile memory of the present invention can provide a multi-function, high-function and small-sized electro-optical device as shown in the fifth and sixth embodiments by being integrally formed with the components of the semiconductor device composed of TFTs. It becomes. Examples of the semiconductor device which is integrally formed with the nonvolatile memory of the present invention include an active matrix type or passive matrix type liquid crystal display device, an active matrix type or passive matrix type EL display device, and the like. In this embodiment, an active matrix liquid crystal display device will be described.
[0154]
FIG. 13A is a circuit diagram of an active matrix liquid crystal display device. In FIG. 13A, an active matrix liquid crystal display device includes a pixel portion 1301 in which pixels 1304 are arranged in a matrix, a source signal side driver circuit 1302, and a gate signal side driver circuit 1303.
[0155]
An enlarged view of the pixel 1304 included in the pixel portion 1301 is shown in FIG. The pixel 1304 includes a switching TFT 1311, a liquid crystal element 1314, and a capacitor 1315. The gate electrode of the switching TFT 1311 is connected to the gate signal line 1312 and either the source electrode or the drain electrode is connected to the source signal line 1313. . The other one of the source electrode and the drain electrode of the switching TFT 1311 is connected to the liquid crystal 1314 and the capacitor 1315. A predetermined potential is applied to the remaining electrode of the liquid crystal element 1314 and the capacitor 1315.
[0156]
Note that one of the electrodes of the capacitor 1315 may be connected not to the wiring 1316 but to a dedicated power supply line. Further, the capacitor 1315 is not necessarily provided. The switching TFT 1311 may be an n-channel TFT or a p-channel TFT.
[0157]
When the nonvolatile memory of the present invention is formed integrally with the active matrix liquid crystal display device of this embodiment, any of the configurations of Embodiments 1 to 6 may be combined.
[0158]
(Example 8)
In this embodiment, an active matrix EL display device will be described as an example of a semiconductor device which is integrally formed with the nonvolatile memory of the present invention.
[0159]
FIG. 14A is a circuit diagram of an active matrix EL display device. 14A, the active matrix EL display device includes a pixel portion 1401 in which pixels 1404 are arranged in a matrix, a source signal driver circuit 1402, and a gate signal driver circuit 1403.
[0160]
An enlarged view of the pixel 1404 included in the pixel portion 1401 is shown in FIG. The pixel 1404 includes a switching TFT 1411, an EL driving TFT 1414, and an EL element 1416. The gate electrode of the switching TFT 1411 is connected to the gate signal line 1412, and either the source electrode or the drain electrode is connected to the source signal line 1413. ing. The other one of the source electrode and the drain electrode of the switching TFT 1411 is connected to the gate electrode of the EL driving TFT 1414. In addition, a source electrode of the EL driving TFT 1414 is connected to the power supply line 1415 and a drain electrode is connected to the EL element 1416. A predetermined potential is applied to the other electrode of the EL element 1416.
[0161]
Note that a capacitor may be provided between the gate electrode of the EL driving TFT 1414 and the power supply line 1415. An n-channel TFT is used as the EL driving TFT. The switching TFT 1411 may be an n-channel TFT or a p-channel TFT.
[0162]
When the nonvolatile memory according to the present invention is integrally formed in the active matrix EL display device of this embodiment, any configuration of Embodiments 1 to 6 may be combined.
[0163]
Example 9
The nonvolatile memory of the present invention has various uses. In this embodiment, an electronic device using the nonvolatile memory of the present invention will be described.
[0164]
Such electronic devices include video cameras, digital cameras, projectors (rear type or front type), head mounted displays, goggles type displays, game consoles, car navigation systems, personal computers, personal digital assistants (mobile computers, mobile phones or Electronic books, etc.). Examples of these are shown in FIGS.
[0165]
FIG. 15A illustrates a display, which includes a housing 2001, a support base 2002, a display portion 2003, and the like. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2003 and other signal control circuits.
[0166]
FIG. 15B illustrates a video camera, which includes a main body 2101, a display portion 2102, an audio input portion 2103, operation switches 2104, a battery 2105, and an image receiving portion 2106. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2102 and other signal control circuits.
[0167]
FIG. 15C shows a part (right side) of the head mounted display, which includes a main body 2201, a signal cable 2202, a head fixing band 2203, a display portion 2204, an optical system 2205, a display device 2206, and the like. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display device 2206 and other signal control circuits.
[0168]
FIG. 15D shows an image reproduction device (specifically, a DVD reproduction device) provided with a recording medium, which includes a main body 2301, a recording medium 2302, operation switches 2303, display portions 2304 and 2305, and the like. This apparatus uses a DVD (Digital Versatile Disc), CD, or the like as a recording medium, and can perform music appreciation, movie appreciation, games, and the Internet. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2304 and other signal control circuits.
[0169]
FIG. 15E illustrates a goggle type display, which includes a main body 2401, a display portion 2402, and an arm portion 2403. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2402 and other signal control circuits.
[0170]
FIG. 15F illustrates a personal computer which includes a main body 2501, a housing 2502, a display portion 2503, a keyboard 2504, and the like. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2503 and other signal control circuits.
[0171]
FIG. 16A illustrates a mobile phone, which includes a main body 2601, an audio output portion 2602, an audio input portion 2603, a display portion 2604, operation switches 2605, an antenna 2606, and the like. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2604 and other signal control circuits.
[0172]
FIG. 16B shows a sound reproducing device, specifically a car audio, which includes a main body 2701, a display portion 2702, operation switches 2703, 2704, and the like. The nonvolatile memory of the present invention may be integrally formed with the display portion 2702 and other signal control circuits. Moreover, although the vehicle-mounted audio is shown in the present embodiment, it may be used for a portable or household sound reproducing device.
[0173]
As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to electronic devices in various fields. Moreover, the electronic apparatus of a present Example is realizable even if it uses the structure which consists of what combination of Examples 1-8.
[0174]
【The invention's effect】
The nonvolatile memory according to the present invention has the same memory while maintaining the same function as a conventional full-function EEPROM in which the memory cell is configured by one memory transistor and one selection transistor by configuring the memory cell by two memory transistors. It is possible to realize twice the memory capacity in terms of cell area.
[0175]
As a result, it is possible to provide a full-function EEPROM that has a high integration density and is therefore small and low-cost.
[0176]
In addition, by forming the nonvolatile memory of the present invention integrally with another semiconductor component composed of TFTs on a substrate having an insulating surface, it is possible to provide a highly functional or multi-functional and small semiconductor device. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 2 is a top view of a memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a circuit configuration of a conventional nonvolatile memory.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a memory cell constituting a conventional nonvolatile memory.
FIG. 6 is a diagram showing a circuit configuration of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of a memory cell constituting the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a manufacturing process of a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process of the nonvolatile memory of the present invention.
10 is a diagram showing a manufacturing process of a nonvolatile memory according to the present invention; FIG.
FIG. 11 is a block diagram of an electro-optical device using a nonvolatile memory according to the present invention.
FIG. 12 is a block diagram of an electro-optical device using the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 13 illustrates a structure of an active matrix liquid crystal display device.
FIG 14 illustrates a structure of an active matrix EL display device.
FIG. 15 shows an electronic device using the nonvolatile memory of the present invention.
FIG. 16 shows an electronic device using the nonvolatile memory of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 X address decoder
102 Y address decoder
103, 104 peripheral circuit
105 Memory cell array
201 Semiconductor active layer
202 first word line
203 second word line
204, 205 Floating gate electrode
206 Source line
207 bit line

Claims (5)

第1のメモリトランジスタと第2のメモリトランジスタを含むメモリセルを複数有し、
前記第1のメモリトランジスタの第1のコントロールゲートは、第1の配線に電気的に接続され、
前記第2のメモリトランジスタの第2のコントロールゲートは、第2の配線に電気的に接続され、
前記第1のメモリトランジスタのソース又はドレインの一方は、第3の配線に電気的に接続され、
前記第1のメモリトランジスタのソース又はドレインの他方は、前記第2のメモリトランジスタのソース又はドレインの一方に電気的に接続され、
前記第2のメモリトランジスタのソース又はドレインの他方は、第4の配線に電気的に接続され、
前記第1のメモリトランジスタは、第1のフローティングゲートと前記第1のメモリトランジスタのソース又はドレインの他方が重なる位置に、消去動作において第1のトンネル電流を流すための第1のオーバーラップ領域を有し、
前記第2のメモリトランジスタは、第2のフローティングゲートと前記第2のメモリトランジスタのソース又はドレインの他方が重なる位置に、消去動作において第2のトンネル電流を流すための第2のオーバーラップ領域を有することを特徴とする不揮発性メモリ。
A plurality of memory cells including a first memory transistor and a second memory transistor;
A first control gate of the first memory transistor is electrically connected to a first wiring;
A second control gate of the second memory transistor is electrically connected to a second wiring;
One of a source and a drain of the first memory transistor is electrically connected to a third wiring;
The other of the source and drain of the first memory transistor is electrically connected to one of the source and drain of the second memory transistor;
The other of the source and the drain of the second memory transistor is electrically connected to a fourth wiring;
The first memory transistor has a first overlap region for flowing a first tunnel current in an erasing operation at a position where the first floating gate and the other of the source or drain of the first memory transistor overlap. Have
The second memory transistor has a second overlap region for flowing a second tunnel current in an erasing operation at a position where the second floating gate and the other of the source or drain of the second memory transistor overlap. A non-volatile memory comprising:
請求項1において、
前記第1のメモリトランジスタと前記第2のメモリトランジスタはそれぞれ、SOI基板を用いて形成されていることを特徴とする不揮発性メモリ。
In claim 1,
The first memory transistor and the second memory transistor are each formed by using an SOI substrate.
請求項1または請求項2において、
前記第1のメモリトランジスタと前記第2のメモリトランジスタはそれぞれ、2ビット以上のデータを記憶することを特徴とする不揮発性メモリ。
In claim 1 or claim 2,
The nonvolatile memory, wherein each of the first memory transistor and the second memory transistor stores data of 2 bits or more.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項において、
前記第1のメモリトランジスタと前記第2のメモリトランジスタはそれぞれ、2つ以上のしきい値電圧を有することを特徴とする不揮発性メモリ。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The nonvolatile memory, wherein each of the first memory transistor and the second memory transistor has two or more threshold voltages.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記メモリセルを駆動する駆動回路を有し、
前記メモリセルと前記駆動回路は一体形成されることを特徴とする不揮発性メモリ。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
A drive circuit for driving the memory cell;
The nonvolatile memory, wherein the memory cell and the driving circuit are integrally formed.
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