JPH10294381A - Fnトンネル及び感知デバイスをもつ不揮発性の再プログラム可能な相互接続セル - Google Patents

Fnトンネル及び感知デバイスをもつ不揮発性の再プログラム可能な相互接続セル

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JPH10294381A
JPH10294381A JP10081327A JP8132798A JPH10294381A JP H10294381 A JPH10294381 A JP H10294381A JP 10081327 A JP10081327 A JP 10081327A JP 8132798 A JP8132798 A JP 8132798A JP H10294381 A JPH10294381 A JP H10294381A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プログラミング及び消去にFNトンネル作用
を使用するFPGAセル及びアレー構造体を提供する。 【解決手段】 各セルは、フローティングゲートが共通
で且つ制御ゲートが共通であるスイッチ用フローティン
グゲート電界効果トランジスタ及び感知用フローティン
グゲート電界効果トランジスタを備えている。セルのプ
ログラミングは、共通の制御ゲートラインと、感知トラ
ンジスタのソース/ドレインとをバイアスする電圧によ
り行われる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、現場でプログラム
できる集積回路、特に現場でプログラムできるゲートア
レー(FPGA)に係り、より詳細には、FPGAのス
イッチング素子として使用されるフローティングゲート
MOSトランジスタに係る。
【0002】
【従来の技術】一般に、FPGAは、論理素子と、数千
又は数万のプログラム可能な相互接続部を伴う配線相互
接続部とのアレーを有し、ユーザはFPGAを定められ
た機能をもつ集積回路へと構成することができる。各々
のプログラム可能な相互接続部即ちスイッチは、集積回
路の2つの回路ノードを接続して、配線相互接続をメー
ク(又はブレーク)したり、或いは論理素子の機能(1
つ又は複数)をセットしたりすることができる。
【0003】FPGAは、プログラム可能な相互接続部
としてメモリセル又はアンチフューズのいずれかを使用
する。メモリセルは再プログラム可能であり、そしてア
ンチフューズは1回しかプログラムできない。新規な不
揮発性メモリ型のプログラム可能な相互接続部が、本発
明の譲受人に譲渡されたロバートJ.リップ、リチャー
ドD.フリーマン、ロバートU.ブローズ、ジョンM.
ケイウッド及びジョセフG.ノーラン三世の1996年
11月21日出願の「汎用の不揮発性の再プログラム可
能なスイッチ(A GENERAL PURPOSE, NON-VOLATILE REPRO
GRAMMABLE SWITCH) 」と題する米国特許出願第08/7
54,116号に開示されている。この特許出願に開示
されたFPGAでは、不揮発性の再プログラム可能なト
ランジスタメモリ(NVM)セルを使用し、FPGAの
配線及び回路素子をランダムに相互接続するための汎用
のスイッチング素子が形成される。基本的に、NVMセ
ルは、充電及び/又は放電できるフローティングゲート
をもつMOSトランジスタを有している。フローティン
グゲートの充電及び/又は放電は、NVM技術の不揮発
性プログラミング特徴を与える。
【0004】FPGA、実際には、いかなる集積回路に
おいても、FPGAの素子は、回路を効率的にレイアウ
トするためにできるだけコンパクトであると共に、でき
るだけ容易に製造できることが重要である。本発明の譲
受人に譲渡されたロバートU.ブローズ氏の「FNトン
ネリング及びプログラミング式の不揮発性の再プログラ
ム可能な相互接続セル(Non-Volatile Reprogrammable I
nterconnect Cell With FN Tunneling and Programmin
g) 」と題する1995年7月28日出願の米国特許出
願第08/508,914号は、上記米国特許出願第0
8/754,116号に開示されたプログラム可能な相
互接続部の1つの非常にコンパクトなセルに向けられ
る。各々選択的にプログラムできるこのような相互接続
部の効率的なアレーが達成される。各プログラム可能な
相互接続セルは、第1のMOSトランジスタを有し、こ
のMOSトランジスタは、第1及び第2の回路ノードに
各々接続された第1及び第2のソース/ドレインと、第
1のMOSトランジスタをゲートの電荷量に応じてオフ
及びオンに切り換えるためのフローティングゲートとを
有する。又、セルは、第1のMOSトランジスタのフロ
ーティングゲートに接続されると共に、トンネル酸化物
層を経てプログラミング/消去ラインに接続されたトン
ネルデバイスと、上記フローティングゲートに容量性結
合された制御ゲートと、上記酸化物層のトンネル作用を
制御可能に禁止するための少なくとも1つのトンネル制
御ラインとを有する。このトンネル制御ライン及びプロ
グラミング/消去ラインは、トンネル酸化物層の下の領
域に接近しているがそこから横方向に変位されたPN接
合を形成する。逆バイアスのもとでは、接合の電荷空乏
領域がトンネル酸化物の下の領域を経て延び、トンネル
作用を阻止する。これは、各プログラム可能な相互接続
部を選択的にプログラムできるようにする。
【0005】
【発明の構成】本発明は、製造収率、信頼性、プログラ
ミング速度、スレッシュホールド限界及びコストを改善
したFPGAセル及びアレー構造体の改良に向けられ
る。セルは、共通のフローティングゲートを有するゲー
トスイッチトランジスタ及びゲート感知トランジスタを
備え、感知トランジスタは、トランジスタのドレイン及
びフローティングゲートへの及びそこからのファウラー
・ノルトハイム電子トンネル作用によりスイッチトラン
ジスタのプログラミング及び消去も与える。セル又はF
PGAタイルのアレーにおいては、2本の列ラインが各
列における感知トランジスタのソース及びドレイン領域
に各々接続され、これは、感知トランジスタ及びスイッ
チトランジスタのスレッシュホールド電圧を感知し、ひ
いては、スイッチトランジスタのプログラム状態又は消
去状態を測定するのに使用される。
【0006】本発明の特徴によれば、セルのプログラム
障害は、行選択/非選択電圧ウインドウを列選択/非選
択電圧ウインドウと電圧VUUD だけ重畳することにより
減少される。この電圧は、行及び列が両方とも非選択で
あるプログラムビットのストレスを増加するが、行又は
列のみ(両方ではない)が非選択である消去ビットのス
トレスを減少する。ここで使用する「ストレス」とは、
時間と共に障害を生じる可能性を有する電界を意味す
る。又、ここで使用する「障害」とは、特定の時間中に
外部から付与される1組のバイアス状態によりフローテ
ィングゲートから電荷が除去(又は追加)されるために
生じるFPGAセルのスレッシュホールド電圧の不所望
な変化を意味する。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明並びにその目的及び特徴
は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び特許請求
の範囲から容易に明らかとなろう。図1は、スイッチト
ランジスタ10と、ファウラー・ノルトハイムトンネル
デバイス及び感知トランジスタ12とを含む本発明によ
るFPGAセルを示す回路図である。スイッチトランジ
スタは、そのトランジスタのドレイン及びソース領域に
各々接続された接点14及び16を有し、そして感知ト
ランジスタ12は、そのトランジスタのドレイン及びソ
ース領域に各々接続された接点18及び20を有する。
感知トランジスタのドレインは、ドレインの列(メタ
ル)ライン22にも接続され、そしてそのソースは、ソ
ースの列(メタル)ライン24にも接続される。これら
列ライン22、24は、1つの列における感知トランジ
スタの全てのソース及びドレイン領域に接続される。ス
イッチトランジスタ10及び感知増幅器12は、共通の
フローティングゲート26を共用し、このフローティン
グゲートは、スイッチトランジスタ10の制御ゲート2
8と、感知トランジスタ12の制御ゲート30との間に
配置される。これら制御ゲートは、行(ポリ2)ライン
32に接続される。
【0008】図2の感知トランジスタの断面図に明確に
示されたように、感知トランジスタのフローティングゲ
ート26は、感知トランジスタのN+ドープされたドレ
イン34及び/又はソース35に密接当接又は重畳して
配置され、厚みが80Åないし120Å程度の特殊なト
ンネル酸化物36がフローティングゲート26とN+ド
レイン34とを分離し、矢印38で示すように、フロー
ティングゲートとドレイン領域との間に電子のトンネル
作用が容易に生じるようにしている。従って、FPGA
セルの消去は、ドレインソース及びチャンネル領域から
フローティングゲートへの電子のトンネル作用によって
生じる。FPGAセルのプログラミングは、フローティ
ングゲートからドレイン及び/又はソースへの電子のト
ンネル作用によって生じる。
【0009】図3は、図1のFPGAセルのレイアウト
の平面図である。スイッチトランジスタ10及び感知ト
ランジスタ12は、半導体ウェハにおいて離間水平整列
状態にあり、フローティングゲート26は、トランジス
タ10のソース及びドレインと感知トランジスタ12の
ソース及びドレインとの間のチャンネル領域に重畳する
第1のポリシリコンライン(ポリ1)を含む。ポリ1ラ
インは、セルの各側で終り、隣接セルへ続かない。2つ
のトランジスタの制御ゲート28、30は、第2のポリ
シリコンライン(ポリ2)32によって形成され、これ
は、ポリ1ラインの上に延び、そしてそれと自己整列さ
れる。ポリ2ラインは、その行に配列されたセルの全て
のトランジスタへと続く。ドレイン列ライン22は、ド
レインへの接点18に接続され、そしてその列の全ての
感知トランジスタのドレイン端子に接触するように垂直
方向に続く。同様に、ソース列メタルライン24は、ソ
ース接点20に係合し、そしてその列の感知トランジス
タの全てのソース領域に接触するように垂直方向に延び
る。従って、FPGAセルのある列において、全ての感
知トランジスタのソースは、ソース列と称する1つの列
ラインに接続され、そして全てのドレインは、ドレイン
列と称する第2の列ラインに接続される。図3に示すセ
ルは、これも又プログラム及び消去機能を遂行する隣接
感知デバイスに対し共用ソース接点の半分と共用ドレイ
ン接点の半分とを含む。上記したように、感知デバイス
は、スイッチトランジスタがFPGAアレーに配線され
アクセスできないので、各FPGAセルのプログラムさ
れた状態又は消去された状態をテストするために必要と
される。
【0010】FPGAタイルは、例えば、コアタイルの
場合に32行x5列のFPGAセルのアレーより成る。
図4及び5は、各々、このようなアレーにおける2列及
び4行の回路図及び平面図である。図1ないし3の参照
番号が、図4及び5において全てのポリ1フローティン
グゲート26、ポリ2行ライン32、ドレイン列ライン
22及びソースメタル列ライン24と共に使用される。
4つの行は、RowiないしRowi+3 で示され、ドレ
イン列は、DCOLj 及びDCOLj+1 で示され、そし
てソース列は、SCOLj 及びSCOLj+1 で指示され
ている。感知トランジスタのアレーにおいて各ビットの
プログラム及び消去された感知トランジスタのスレッシ
ュホールドの測定は、列の各非選択ビットの感知トラン
ジスタを「オフ」にバイアスしそして選択ビットを限界
処理(margining) することによりNOR ROMがアク
セスされるのと同様に実行される。この測定「限界処
理」は、選択されたセルの制御ゲート(行)電圧を変え
ながら、ドレイン電流がある基準レベルの上となるか下
となるかを検出することにより行われる。行バイアス
は、多数の動作モードをもつ列ドライバにより駆動され
る。それらは、「消去」中にはアレーに対して高い正の
電圧を供給しなければならず、「プログラム」及び「読
み取り」中には正及び負の電圧を行に供給しなければな
らず、そして「動作」モード中には一定の正のバイアス
を供給しなければならない。列バイアスは列ドライバに
より付与される。プログラムするためには、列が正の電
圧に対して対として駆動されねばならない。対の一方
は、その他方が接地レベルに保持される間に「読み取
り」中の電流を感知しながら低い正の電圧レベルに強制
される。他の全ての時間には、それらが両方とも接地又
は開路される。
【0011】テーブル1は、全ての動作モードに対しお
およその行及び列並びにピーク電圧レベルを示す。プロ
グラムの障害は、行選択/非選択ウインドウ電圧を列選
択/非選択ウインドウ電圧とVUUD だけ重畳することに
よって許容レベルに減少される。この電圧は、行及び列
の両方が非選択であるプログラムビットにはストレスを
及ぼすが、行又は列のみ(両方ではない)が非選択であ
る消去ビットのプログラミングストレスを減少する。こ
れらの方式は、理想的な例であり、周辺回路のブレーク
ダウン電圧や、行対列のプログラミング時間要素を考慮
して、電圧レベルを調整することができる。 テーブル1 消去 プログラム 読み取り/限界 動作 選択行 V ERASE -VP /(2*RR ) -V R から+VR 0VからVCC へ傾斜 へ傾斜 選択列対 両方=0V +VP /(2*(1-Rc )) ドレイン列≒1V 両方=0V へ両方傾斜 ソース列=0V 非選択行 - VUUP -(VR +Δ) - 非選択列 - 0V 0V -
【0012】図6は、「消去」中に行に印加される電圧
の波形を示す。これはバルク動作であるから、障害は生
じない。消去中に、感知トランジスタのドレイン/ソー
ス、及び表面を逆に有するチャンネルから、フローティ
ングポリシリコンゲートへと電子のトンネル作用が生じ
る。これは、スイッチ及び感知トランジスタのフローテ
ィングゲートに負の電荷を残し、行(制御ゲート)から
フローティングゲートに相補的な電圧が接続されない限
りそれらを「オフ」にする。
【0013】書き込み又は「プログラミング」動作は、
選択、消去されたスイッチ及び感知トランジスタを「オ
ン」状態に戻すのに使用される。これは、行に負の電圧
をそして列対に正の電圧を強制することにより行われ
る。フローティングゲートは、感知トランジスタのドレ
イン及びソースに対して負に駆動され、そしてフローテ
ィングゲートからドレイン接合へ電子のトンネル作用が
生じ、ドレイン接合は、図2に示すように、片側又は両
側においてフローティングゲート及びポリシリコンゲー
ト積層体の下に述べるように処理される。この動作は、
フローティングゲートに正の正味電荷を残し、これは、
スイッチ及び感知トランジスタを「オン」状態にする。
【0014】図7は、「プログラム」動作中の選択され
た行及び列に対する波形を示す。行(制御ゲート)は、
負に傾斜され、一方、列ラインは、正に傾斜されて、フ
ローティングゲートから電子を除去し、これは、プログ
ラミング後にフローティングゲートに正の正味電荷を残
す。
【0015】図8は、「プログラム」動作中に選択され
た行及び非選択の列に適用される波形を示す。図9は、
「プログラム」動作中に非選択の行及び選択された列に
対する電圧波形を示す。図10は、「プログラム」動作
中に行及び列の両方が非選択の場合の電圧波形を示す。
【0016】読み取り限界処理動作中に、選択されたタ
イル(図4)の感知トランジスタは「オン」にされ、そ
してアレーの残り部分における全ての非選択の行は負の
電圧にされて、それらを「オフ」にする。選択された行
の電圧は、「消去」ビットに対して高い傾斜にされる。
バイアスが低い電圧にセットされた状態で列がスレッシ
ュホールド電流に達すると、行電圧がそのビットの「消
去限界」として記録される。同様に、行電圧は、プログ
ラムされたビットに対して負に傾斜され、そしてスレッ
シュホールド電流の電圧が「プログラム限界」となる。
【0017】FPGAの動作モードでは、全ての行に正
のDCバイアスが印加される。これは、スイッチの動作
の電圧ウインドウを、消去されたセルに対する弱い「オ
フ」から、プログラムされたセルに対する強い「オン」
へシフトし、そして「オフ」のスイッチの電流を妨げず
に全振幅信号を「オン」のスイッチに通過できるように
する。プログラミング中に行及び列に印加される電圧の
選択/非選択ウインドウを重畳することにより書き込み
障害が最小にされる。これは、行又は列のいずれかが選
択された非選択のセルにおける障害領域を減少するが、
行も列も選択されないセルの障害バイアスを増加させ
る。行及び列の電圧ウインドウは、全ての場合のプログ
ラミング障害を最小にするように重畳される。
【0018】逆極性の時間的にリニアな電圧傾斜を選択
された行及び列に印加することにより、他の波形の作用
に対しその選択された行又は列における非選択のセルか
らの電荷除去が最小にされる。従来の行プログラミング
に代わって列プログラミングを使用して全体的な障害を
減少することができる。この解決策の効果は、行及び列
の結合比の相違により非選択の行の障害が非選択の列よ
りも大きくなることである。しかしながら、この解決策
の欠点は、回路の面積、テストの複雑さ及びテスト時間
に関して、列のプログラミングの実施にコストがかかる
ことである。
【0019】上記したFPGAセル及びアレーは、若干
のマスクと共に従来のEEPROM−CMOS処理を用
いて容易に製造される。プログラミング及び消去にトン
ネル酸化物を使用することにより、非自己整列のEPR
OMセル構造体及びそれに関連したマスキング処理段階
の使用が回避される。2デバイスのセル構造は、面積が
小さく、消去及びプログラミングの両方の状態に対して
各ビットの完全な限界処理が達成される。
【0020】特定の実施形態を参照して本発明を説明し
たが、これは、単に本発明を例示するものに過ぎず、本
発明をこれに限定するものではない。請求の範囲に規定
された本発明の真の精神及び範囲から逸脱せずに種々の
変更や応用がなされることが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるFPGAセルの回路図である。
【図2】図1の感知トランジスタの断面図である。
【図3】図1のFPGAセルのレイアウトを示す平面図
である。
【図4】2列及び4行のFPGAタイルの一部分を示す
回路図である。
【図5】図4のFPGAセルの平面図である。
【図6】本発明によるFPGAセルアレーの行に付与さ
れる消去電圧波形を示す図である。
【図7】選択されたセルに対するプログラミング電圧波
形を示す図である。
【図8】非選択のプログラミング波形(行選択、列非選
択)に対する電圧波形を示す図である。
【図9】非選択のプログラミング波形(行非選択、列選
択)を示す図である。
【図10】非選択のプログラミング波形(行非選択、列
非選択)を示す図である。
【符号の説明】
10 スイッチトランジスタ 12 感知トランジスタ 14、16、18、20 接点 26 共通のフローティングゲート 28、30 制御ゲート 34 ドレイン 35 ソース 36 トンネル酸化物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H03K 19/173 101 (72)発明者 キュン ヨーン ハン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95014 クーパーティノ コルビー アベ ニュー 10408 (72)発明者 ジャック ゼーゾング ペン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95129 サン ホセ エッディングトン プレイス 1539 (72)発明者 ヴィクター レヴチェンコ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94121 サン フランシスコ サーティナ インス アベニュー 519 (72)発明者 ロバート ユー ブローズ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95060 サンタ クルーズ ナーナ コー ト 126

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集積回路の回路ノードを選択的に接続す
    るためのプログラム可能な相互接続部において、 第1の電界効果トランジスタを備え、この電界効果トラ
    ンジスタは、第1及び第2の回路ノードに接続された第
    1及び第2のソース/ドレインと、電荷を蓄積するため
    のフローティングゲートと、このフローティングゲート
    の電荷に応答して第1の電界効果トランジスタをターン
    オン及びオフにするための制御ゲートとを有し、 更に、第2の電界効果トランジスタを備え、この第2の
    電界効果トランジスタは、第1及び第2のソース/ドレ
    インと、トンネル二酸化物によって少なくとも1つのソ
    ース/ドレインから分離されたフローティングゲート
    と、このフローティングゲートに容量性結合された制御
    ゲートとを有し、第1及び第2の電界効果トランジスタ
    のフローティングゲートは相互接続されており、そして
    更に、第2の電界効果トランジスタの第1及び第2のソ
    ース/ドレインに接続された第1の導電性ライン及び第
    2の導電性ラインを備え、これにより、上記相互接続部
    のプログラミングは、上記第1及び第2の導電性ライン
    と、上記第2の電界効果トランジスタの制御ゲートとに
    電圧を印加することにより行われ、そして上記ノードの
    導通及び非導通状態の感知は、上記第1の導電性ライン
    及び第2の導電性ラインを経ての上記第2の電界効果ト
    ランジスタの導通を選択的に監視することにより行われ
    ることを特徴とするプログラム可能な相互接続部。
  2. 【請求項2】 上記フローティングゲートは、上記第1
    の電界効果トランジスタのソース/ドレインから離間さ
    れてそれらの間に延びると共に、上記第2の電界効果ト
    ランジスタのソース/ドレインから離間されてそれらの
    間に延びる第1のポリシリコン層を備えた請求項1に記
    載のプログラム可能な相互接続部。
  3. 【請求項3】 上記制御ゲートは、プログラム可能な相
    互接続部のアレーにおける隣接するプログラム可能な相
    互接続部へと延びる第2のポリシリコン層を含む請求項
    2に記載のプログラム可能な相互接続部。
  4. 【請求項4】 上記第1及び第2の導電性ラインは、第
    1のポリシリコンライン及び第2のポリシリコンライン
    に垂直に延びるメタルラインを含む請求項3に記載のプ
    ログラム可能な相互接続部。
  5. 【請求項5】 上記第1のポリシリコンラインは、第1
    の電界効果トランジスタ及び第2の電界効果トランジス
    タに制限される請求項4に記載のプログラム可能な相互
    接続部。
  6. 【請求項6】 上記第1のポリシリコンライン及び第2
    のポリシリコンラインは、自己整列型である請求項5に
    記載のプログラム可能な相互接続部。
  7. 【請求項7】 上記第1の電界効果トランジスタは、半
    導体領域の第1領域に形成され、そして上記第2の電界
    効果トランジスタは、その第1領域に隣接する半導体領
    域の第2領域に形成される請求項6に記載のプログラム
    可能な相互接続部。
  8. 【請求項8】 集積回路の回路ノードを選択的に接続す
    るためのプログラム可能な相互接続部のアレーにおい
    て、 行及び列に配列され、そして回路ノードを接続及び切断
    するように各々プログラムすることのできる複数の相互
    接続セルを備え、 各セルは、同じ列のセルの第1の電界効果トランジスタ
    と整列された第1の電界効果トランジスタと、同じ列の
    セルの第2の電界効果トランジスタと整列された第2の
    電界効果トランジスタとを有し、あるセルの第1及び第
    2の電界効果トランジスタは、その同じ行のセルの第1
    及び第2の電界効果トランジスタと整列され、 各セルは、第1の電界効果トランジスタのソース/ドレ
    インから離間されてそれらの間に延びると共に、第2の
    電界効果トランジスタのソース/ドレインから離間され
    てそれらの間に延びる第1のポリシリコンラインであっ
    て、第1及び第2の電界効果トランジスタに対して共通
    のフローティングゲートとして機能する第1のポリシリ
    コンラインと、この第1のポリシリコンラインの上に横
    たわりそして第1及び第2の電界効果トランジスタに対
    して共通の制御ゲートとして機能する第2のポリシリコ
    ンラインであって、行の他のセルへと延びる第2のポリ
    シリコンラインと、第2の電界効果トランジスタのソー
    ス/ドレインに接触しそして列の他のセルへと延びる第
    1及び第2のメタルラインとを有し、これにより、セル
    のプログラミングは、第1及び第2の導電性ラインと第
    2のポリシリコンラインとに電圧を印加することにより
    行われ、そしてノードの導通及び非導通状態の感知は、
    第1及び第2の導電性ラインを経ての第2の電界効果ト
    ランジスタのコンダクタンスを選択的に監視することに
    より行われることを特徴とするプログラム可能な相互接
    続部のアレー。
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