JPS61287272A - 半導体集積回路装置 - Google Patents

半導体集積回路装置

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JPS61287272A
JPS61287272A JP60128156A JP12815685A JPS61287272A JP S61287272 A JPS61287272 A JP S61287272A JP 60128156 A JP60128156 A JP 60128156A JP 12815685 A JP12815685 A JP 12815685A JP S61287272 A JPS61287272 A JP S61287272A
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JP
Japan
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region
parasitic
semiconductor
voltage
insulating film
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Application number
JP60128156A
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English (en)
Inventor
Ken Uchida
憲 内田
Kazunori Furusawa
和則 古沢
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [技術分野] 本発明は、半導体集積回路装置に関するものであり、特
に、電気的に情報の書替えが可能な不揮発性記憶機能を
有する半導体集積回路装置(以下、EEPROMという
)に適用して有効な技術に関するものである。
[背景技術] E E P ROMを構成するメモリセルは、MNOS
(Metal N1tride 0xide Sem1
conductor)構造の電界効果トランジスタ(F
ET)で構成されている。このメモリセルは、ゲート絶
縁膜となる酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との界面部
に、情報となるキャリアをトラップさせるように構成さ
れている。これにより、電界効果トランジスタのしきい
値電圧(Vt、h)を変化させ、′l″ It Q I
Iの情報を構成するようになっている。
選択されたメモリセルへの情報の書込動作は。
電界効果トランジスタのソース領域及びドレイン領域と
ウェル領域とに高い書込電圧vpp (例えば、−10
[V]程度)を印加し、そのゲート電極に電源電圧vC
C(例えば、5[v]程度)を印加することでなされる
このように、ゲート電極とチャネル領域との間に高電圧
(例えば、15[V]程度)を印加して書込動作をする
EEPROMにおいて1本発明者は、次のような問題点
を生じることを見出した。すなわち、ゲート電極は所定
の方向に延在してワード線を構成しているので1分離用
絶縁膜(フィールド絶縁膜)上で寄生MISFETを構
成する。つまり、分離用絶縁膜をゲート絶縁膜とし、そ
の上部に延在するワード線をゲート電極とし、ゲート電
極の両側部の選択されたメモリセルと隣接する非選択の
メモリセルの一方の半導体領域とをソース領域又はドレ
イン領域とする寄生MISFETが構成される0本発明
者の実験によれば、この寄生MISFETは、5〜7[
v]程度の低いしきい値電圧でしかないことを確認して
いる。特に。
寄生MISFETのゲート絶縁膜は、メモリセルと同一
の工程で製造されるため誘電率が高い窒化シリコン膜を
有しているので、そのしきい値電圧が極めて低くなる。
このため、情報の書込動作に際して、寄生チャネルによ
る選択及び非選択のメモリセル間でのリークを生じるの
で、誤動作により電気的信頼性を低下する。
また、寄生MISFETのゲート電極下部に。
しきい値電圧に達しないそれより低い電圧(例えば、−
10[V]程度)が印加される導電層を設け。
寄生MISFETによる前記問題点を防止することが考
えられる。しかしながら、この導電層よりも大きな寸法
の分離用絶縁膜を必要とするので、メモリセルアレイ面
積が増大し、高集積化の妨げになるという新たなる問題
点を生じる。
なお、EEPROMについては1例えば、特願[60−
34331号に記載されている。
[発明の目的コ 本発明の目的は、情報の書替えが可能な不揮発性記憶機
能を有する半導体集積回路装置において、寄生M I 
S FETによる誤動作を防止し、電気的信頼性を向上
することが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、情報の書替えが可能な不揮発性記
憶機能を有する半導体集積回路装置において、高集積化
を図ることが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。
[発明の概要] 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、ウェル領域に複数のメモリセルが設けられた
情報の書替えが可能な不揮発性記憶機能を有する半導体
集積回路装置において、隣接するメモリセルのそれぞれ
一方の半導体領域をソース領域及びドレイン領域とする
寄生MISFETの前記ソース領域と前記ウェル領域と
を、情報の書込動作時に逆バイアスになるように構成す
る。
これにより、寄生MISFETのしきい値電圧を高め、
寄生チャネルの発生を防止してメモリセル間のリークを
防止することができるので、誤動作を防止し、電気的信
頼性を向上することができる。また、寄生MISFET
のゲート電極下部に、寄生M、l5FETのしきい値電
圧に達しない低い電圧が印加される導電層を設ける必要
がなくなるので、メモリセル間の分離用絶縁膜の寸法を
縮小し、高集積化を図ることができる。
以下、本発明の構成について、本発明を、EEP RO
Mに適用した一実施例とともに説明する。
[実施例] 第1図乃至第3図は、本発明の一実施例を説明するため
のEEPROMを示す図であり、第1図は、概略構成を
示す等価回路図、第2図は、第1図におけるメモリセル
部と周辺回路部との具体的な構成を示す要部平面図、第
3図は、第2図の■−■切断線における断面図である。
なお、第2図は、本実施例の構成をわかり易くするため
に、各導電層間に設けられるフィールド絶縁膜以外の絶
縁膜は図示しない。
また、実施例の全回において、同一機能を有するものは
同一符号を付け、そのくり返しの説明は省略する。
第1図において、1はEEPROM、2A乃至2Dは周
辺回路であり、EEPROMIの周辺部に設けられてい
る。周辺回路2Aは、書込み禁止回路及び入出力回路に
よって構成されている0周辺回路2Bは、センス回路、
入出力回路及びデコーダ回路によって構成されている6
周辺回路2Cは、入出力回路及びデコーダ回路によって
構成されている。周辺回路2Dは、入出力回路及びデコ
ーダ回路によって構成されている。
QnはnチャネルMISFET、QpはPチャネルMI
SFETである。Vssは電源電圧端子(例えば、0[
V])、Vccは電源電圧端子(例えば、 5 [V]
 )、VPPは書込み電圧端子(例えば、−10[V]
 )である。
Mはメモリセルであり、EEPROMIの中央部に、行
列状に複数配置されて所定のバイト構成のメモリマット
MMを構成している。メモリマットMMは、バイト数に
応じて複数配置されて設けられている。
メモリセルMは、スイッチ用M I S F E T 
Q sと、情報となる電荷を蓄積するMNO8構造の電
界効果トランジスタQmとの直列回路で構成されされて
いる。
このメモリセルMは、同一方向に延在する一対のワード
線WLs = WL2と、それと交差して同一方向に延
在する一対のデータl1lDLt 、DL2との交差部
に設けられている。ワード線WL1及びデータ線D L
 2は、M I S F E T Q sに接続され、
ワード線WL2及びデータ線D L tは、電界効果1
ヘランジスタQmに接続されるようになっている。
2Eはバックバイアス発生回路であり、スイッチ素子S
Wを介してメモリマットMMを構成する複数のウェル領
域W e 11にそれぞれ接続されている。このバック
バイアス発生回路2Eは、周知の種々の昇圧回路によっ
て構成することができる。
回路2Eは、書込み電圧VPPを受けて、これにより絶
対値が大きい負電圧(Vpp’)を出力する。これによ
って、情報書込動作時に、選択されたメモリセルMと接
続されるデータ線D L Iに印加される書込電圧Vp
p(例えば、−1(DVI程度)に比べて、より低い書
込電圧Vpp’(例えば、 −12〜−13[V]程度
)がウェル領域W e 11に印加される6すなわち1
選択されたメモリセルMにおいて、データ線D L r
と接続される電界効果トランジスタQmの一方の半導体
領域と、ウェル領域W e 11とを、逆バイアスにな
るように構成されている。後述するが、このように逆バ
イアスにすることにより、前記一方の半導体領域をソー
ス領域とし、書込禁止状態にある隣接するメモリセルの
電界効果トランジスタQmの他の一方の半導体領域をド
レイン領域とする寄生MISFETのしきい値電圧を高
めることができる。
次に、第2図及び第3図を用い、本実施例の具体的な構
成について説明する。
3は単結晶シリコンからなるi型の半導体基板、4はP
−型のウェル領域W e 11であり、半導体基板3の
所定の主面部に複数設けられている。ウェル領域4は、
その領域内にM I S F E TQ s 、 Qm
Qnを形成するようになっている。また、メモリマット
MMを構成するウェル領域4は、情報書込動作、書込禁
止動作、情報消去動作及び情報読出動作の各モードに対
応して、バックバイアス回路2E等で所定の電圧が印加
されるように構成されている。
5はフィールド絶縁膜であり、半導体基′Fi3又はウ
ェル領域4の主面上部に設けられている。フィールド絶
縁膜5は、半導体素子間を電気的に分離するように構成
されている。また、特に、メモリセルM間に設けられた
フィールド絶縁膜5は、不要な寄生M I S FET
のゲート絶縁膜を構成するようになっている。
6は絶縁膜であり、半導体基板3又はウェル領域4の主
面上部・に設けられている。絶縁膜6は、主として、M
ISFETのゲート絶縁膜を構成するようになっている
7A乃至7Cは導電層であり、フィールド絶縁膜5又は
絶縁膜6の所定の上部に設けられている。
導電層7Aは、M I S F E T Q sのゲー
ト電極を構成するようになっている。
導電層7Bは、所定の方向に設けられた導電層7Aと一
体化して構成され、ワード線W L lを構成するよう
になっている。
導電層7Cは、MISFETQP、Qn等のゲート電極
を構成するようになっている。
導電層7A乃至7Cは、製造工程における第1層目の導
電層形成工程によって形成され、例えば、多結晶シリコ
ン膜、高融点金属膜(Mo、 Ti、 Ta。
W)、高融点金属のシリサイド膜(M o S i21
 T lSi2.TaSi2.WSi2)又はそれらの
組合せ膜で形成する。
8A乃至8Cは絶縁膜である。絶縁膜8Aは、導電層7
A乃至7Cを覆うように設けられ、絶縁膜8Bは、50
0[λ]程度の膜厚を有し、所定のウェル領域4の主面
部に設けられている。絶縁膜8Cは、電界効果トランジ
スタQmのゲート絶縁膜を構成する例えば20[λ]程
度と薄い酸化シリコン膜(SiO2膜)であり、1〜ン
ネル絶縁膜を構成するようになっている。なお、図中、
絶縁膜8Bと8Cとは同一膜厚として示している。
9は絶縁膜例えば窒化シリコン膜であり、絶縁膜8Cの
所定の上部に設けられている。絶縁膜9は、電界効果ト
ランジスタQmのゲート絶縁膜を構成するようになって
いる。
前記絶縁膜8A、8B、8Cは、例えば、熱酸化技術に
よって形成した酸化シリコン膜を用い、絶縁膜9は、例
えば、CVD技術で形成した窒化シリコン膜を用いる。
10A、IOBは導電層であり、絶縁膜9の上部に設け
られている。
導電層10Aは、電界効果トランジスタQmのゲート電
極を構成するようになっている。
導電層10Bは、所定の方向に設けられた導電層10A
と一体化して設けられ、ワードIJ W L 2と不要
な寄生MISFETQのゲート電極を構成するようにな
っている。
導電層10A、IOBは、製造工程における第2層目の
導電層形成工程によって形成され、例えば、前記導電層
7A乃至7Cと同様な導電性材料で構成すればよい。ま
た、導を層10A、IOBも例えばSiO2膜からなる
絶縁膜でその表面が覆われている。
11はn′″型の半導体領域であり、導電層7A。
7C及び導電層10Aの両側部のウェル領域4の主面部
に設けられている。半導体領域11は1MI 5FET
Qs、Qn及び電界効果トランジスタQmのソース領域
又はドレイン領域を構成するようになっている。
12はp3型の半導体領域であり、導電層7cの両側部
となる半導体基板3の主面部に設けられている。半導体
領域12は、MISFETQPのソース領域又はドレイ
ン領域を構成するようになっている。
MISFETQsは、主として、ウェル領域4、絶縁膜
6、導電層7A及び一対の半導体領域11によって構成
されている。
電界効果トランジスタQmは、主として、ウェル領域4
、絶縁膜8C99、導電層10A及び一対の半導体領域
11によって構成されている。
メモリセルMは、MI 5FETQsとMISFE T
 Q mとの直列接続によって構成されている。
M I S F E T Q nは、主として、ウェル
領域4゜絶縁膜6、導電層7C及び一対の半導体領域1
1によって構成されている。
MISFETQpは、主として、半導体基板3、絶縁膜
6、導電層7C及び一対の半導体領域工2によって構成
されている。
そして、特に、書込動作時において問題となる寄生MI
SFETQは、ウェル領域4.絶縁膜5゜9、導電層(
WL2 ) 10 B及びデータ、aDL。
に接続される半導体領域11によって構成される。
この寄生MISFETQは、書込動作時に選択された電
界効果トランジスタQmの一方の半導体領域11をソー
ス領域とし、書込禁止状態どなる隣接する非選択の電界
効果トランジスタQmの一方の半導体領域11をドレイ
ン領域として構成される。
このように構成される寄生MISFETは、書込動作時
にソース領域となる半導体領域11.ウェル領域4に高
い電圧が印加される。そして、書込動作時に半導体領域
11とウェル領域4とを逆バイアスになるように構成す
ることにより、寄生MI 5FETQは、しきい値電圧
を高めて寄生チャネルの発生を防止することができるの
で、メモリセルM間のリークを防止し、誤動作(誤書込
動作)を防止することができる。
第4図に、半導体領域11に印加される書込電圧を一定
として、半導体領域11とウェル領域4との逆バイアス
による寄生MI 5FETQのしきい値電圧の変化を示
す。
第4図において、横軸は、逆バイアスの度合(d下71
■τ−に17:Φ1・・・フェルミレベル。
VB・・・ウェル領域のソース領域から見た電位)、縦
軸は、寄生MISFETQのしきい値電圧を示す、符号
10Bは、寄生MI 5FETQのゲート電極を導電層
10Bで構成したときのしきい値電 ・圧、符号7Bは
、寄生MISFETQのゲート電極を導電層7Bで構成
したときのしきい値電圧を示す。
第4図かられかるように、寄生MISFETQは、′J
l!バイアスの度合を高めることにより、しきい値電圧
を高めることができる。本発明者の実験によれば、例え
ば、半導体領域11に−10[Vl、ウェル領域4に−
12〜−13[:Vlとを印加したときに、寄生MIS
FETQ (ゲート電極は導電層10Bの場合)は、1
1〜18EVコ程度にしきい値電圧を高めることができ
ることを確認している。
なお、書込動作、書込禁止状態、消去動作及び読出動作
の各モードにおける電圧値の一例を明細書の末尾に「第
1表」として記載する。
また、本実施例では、ウェル領域4は、バックバイアス
発生回路2Eを通した低い書込電圧(Vpp+α:本実
施例ではα=−2〜−3)が印加されているが、逆に、
ウェル領域4をスイッチ素子等を介して書込電圧VPP
に接続し、かつ半導体領域11に所定の回路を通した高
い書込電圧(Vpp−α:α=−2〜−3)を印加して
もよい。
なお、図示されていないが、ウェル領域4は、書込電圧
(Vpp十α)以外の電圧端子とスイッチ素子を介して
接続され、種々の電位を構成できるようになっている。
また1本発明の一実施例は、半導体領域11とウェル領
域4との電圧が等しくかつ導電層10Bとウェル領域4
とで高い電圧差を生じる書込動作において、一つのウェ
ル領域4内に設けられた隣接するメモリセルMrllf
fの寄生MISFETQによるリークを防止したもので
あるが、複数のメモリセルマットMMの所定部分の情報
消去動作時に本発明を適用してもよい。すなわち、隣接
するウェル領域4をソース領域又はドレイン領域とする
寄生MISFETのしきい値電圧を高めるように構成す
る。
13は半導体素子を覆うように設けられた絶縁膜、14
は半導体領域11.12又は導電層7A乃至7C,IO
A、IOBの上部の絶縁膜13を除去して設けられた接
続孔である。
15は導電層であり、接続孔14を通して所定の半導体
領域11.12又は導電層7A乃至7G。
10A、IOBと電気的に接続し、その一部が絶縁膜1
3の上部を延在するように設けられている。
導電層15は、半導体素子間を接続する配線、データ線
DL1.DL2等を構成するようになっている。
導電層15は、Wi造工程における第3層目の導電層形
成工程によって形成され、例えば、アルミニウム膜を用
いる。
以上の説明かられかるように1本実施例によれば、寄生
MISFETQのソース領域となる半導体領域11とウ
ェル領域4とを、書込動作時に逆バイアスになるように
構成したことにより、寄生M I S FETのしきい
値電圧を高め、寄生チャネルの発生を防止してメモリセ
ル間のリークを防止できるので、書込動作における誤動
作を防止することができる。
また、寄生M I S FETのゲート電極となる導電
層10Bの下部に、そのしきい値電圧に達しない低い電
圧が印加される導電層(例えば、導電層7B)を設ける
必要がなくなるので、フィード絶縁膜5の寸法を縮小す
ることができる。
なお、本実施例は、本発明を、P型のウェル領域とnチ
ャネル電界効果トランジスタとで構成されたEEPRO
Mに適用した例について説明したが、それらの導電型を
反対にしてもよい。
[効果コ 以上説明したように、本願において開示された新規な技
術によれば、以下に述べるような効果を得ることができ
る。
(1)ウェル領域に複数のメモリセルが設けられた情報
の書替えが可能な記憶機能を有する半導体集積回路装置
において、隣接するメモリセルのそれぞれ一方の半導体
領域をソース領域及びドレイン領域とする寄生MISF
ETの前記ソース領域と前記ウェル領域とを、情報の書
込動作時に逆バイアスになるように構成することにより
、寄生MISFETのしきい値電圧を高め、寄生チャネ
ルの発生を防止することができるので、メモリセル間の
リークを防止できる。
(2)前記(1)により、書込動作の誤動作を防止する
ことができるので、1!気的信頼性を向上するこができ
る。
(3)前記(2)により、寄生MISFETのゲート電
極の下部に、そのしきい値電圧に達しない低い電圧が印
加される導電層を設ける必要がなくなるので、メモリセ
ル間の分離用絶縁膜の寸法を縮小することができる。
(4)前記(3)により、集積度を向上することができ
る。
以上1本発明者によってなされた発明を、前記実施例に
もとずき具体的に説明したが、本発明は。
前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱
しない範囲において、種々変形し得ることは勿論である
例えば、前記実施例は1本発明を、EEPROMに適用
した例について説明したが、EPROMのように1通常
動作時の電源電圧Vcc(=5[Vコ)、 V s s
  (= O[V] )以外に他のVccより高い電圧
を使用する装置であって、逆バイアス電圧をウェル領域
に印加する半導体集積回路装置であればすべて適用でき
る。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第4図は、本発明の一実施例を説明するため
のEEPROMを示す図であり、第1図は、概略構成を
示す等価回路図、第2図は、第1図におけるメモリセル
部と周辺回路部との具体的な構成を示す要部平面図、第
3図は、第2図のm −m切断線における断面図。 第4図は、ウェル領域に印加される電圧と寄生M I 
S FETのしきい値電圧との関係を示す図である。 図中、1−E E P ROM、 2 A−2D・・・
周辺回路、2E・・・バックバイアス回路、Q・・・M
ISFET、Vss、Vcc・・・電源電圧端子、Vp
p・・・書込電圧端子1M・・・メモリセル、WL・・
・ワード線。 D L・・・データ線、3・・・半導体基板、4・・・
ウェル領域、5・・・フィールド絶縁膜、6,8.9・
・・絶縁膜、7A〜7C,IOA、IOB、15・・・
導電層、11・・・半導体領域である。 第  1  図 第  3  図 第  4  図 (□−節)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、所定導電型のウェル領域に、それと反対導電型の半
    導体領域で構成される電界効果トランジスタからなるメ
    モリセルを複数設けた情報の書替えが可能な不揮発性記
    憶機能を有する半導体集積回路装置であって、前記第1
    のメモリセルの第1の半導体領域と隣接する第2のメモ
    リセルの第2の半導体領域とをソース領域又はドレイン
    領域として構成される寄生MISFETのソース領域と
    なる前記第1の半導体領域と、前記ウェル領域とが前記
    第1のメモリセルへの情報の書込動作時に逆バイアスに
    なるように、それらに印加される電圧を制御する手段を
    備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。 2、前記電圧を制御する手段は、メモリセルの情報消去
    動作時にも適用されてなることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項に記載の半導体集積回路装置。 3、前記寄生MISFETのゲート電極は、メモリセル
    を構成する電界効果トランジスタのゲート電極と一体化
    されたワード線で構成され、同等の電圧が印加されてな
    ることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の半導
    体集積回路装置。
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