JPS63500908A - 不揮発性メモリ−・セル - Google Patents

不揮発性メモリ−・セル

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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】 不揮発性メモリー・セル 技術分野 この発明は、半導体基板上に設けられたフローティング・°ゲート電極と、前記 フローティング・ダート電極の第1の領域の下にあり、第1の誘電体材料層に工 っそ分離され、第1の容量結合を形成する基板の第1の導電性ドープド領域と、 前記フローティング・ダート電極の第2の領域の下にあシ、前記第1の容量より 小さい材料の第2の容量によって分離され、第2の誘電体材料層を通す電荷転送 領域を規定する前記基板の第2の導電性ドープド領域とを含む種類の不揮発性メ モリー・セルに関する。
背景技術 この種の不揮発性メモリー・セルはCuppensほかの論文6マイクロプロセ ツサ及び注文ロジック用EEPROM ”(IEEE Journal 5ol id−8tate C1rcuits 、 Vol、 sc −20、A2,1 985年4月、603〜608頁)と、1984IEEEInternatio nal 5olid 5tate C1rcuits Conference( 268〜269頁)のDigest of Technical Papera で発表した同人回頭の論文とによって知ることができる。
これら論文に開示している複合セル構造は第1図に模式的に描いである。そこに 示すように、長い点線で規定した左セル1と、短い点線で規定した右セル2と、 書込線4から分かれたアクセス・トランジスタ3と、導通路7を接地するに適し たトランジスタ6とを含む。
左セル1は更にアクセス・トランジスタ3,9を同時に可能化する行線8を含む 。トランジスタ9は、可能化されると、ビット線11を導通路12に接続し、こ の導通路は、好ましくはアクセス・トランジスタ9をセンス・トランジスタ13 に接続するソース/ドレイン型拡散である。拡散12に近いが、電荷転送誘電体 14によってそこから分離されている導電性フローティング・ダート電極17の セグメント16が設けられる。フローティング・ダート電極17それ自体は類似 の拡散導電性通路18に隣り合う位置に対して反対側端に延び、拡散18に適し た寸法及び接近により、電極セグメント16が拡散12に接近することによって 生じたものより相当大きい有効な容量結合を誘電体19によって与えるようにす る。ここで説明している構造によると、18はトランジスタ3のためのソース/ ドレイン拡散の延長部である。左側セル1の残りの要素は、線21にエネーブル 信号を受信したときに、拡散形溝電性通路7を接地電位に接続する接地トランジ スタ6がある。
第1図に示したセル対の1つの欠点はどちらのセルをも直接書込む能力はなく、 又は他の言方によると、事前に消去せずにセルの状態をバイナリ“0″又は11 にプログラムする能力がないということである。
これは両カップリング・キャパシタ23.24が線18を共有して同じ線18の 電位を両フローティング・ダートに接続するからである。これは書込/プログラ ム動作中、不選択セルのデータをそのまま維持するようにするため、線18の電 位を固定しておくことが要求される。電圧V 及びVB、は畳込サイクル中可変 でありO す、書込動作は一方向に電荷を転送することができるだけである。故に、この構 造は2つのセルのどちらかに新データを書込む前に両セルを消去することが要求 される。当然、セルに対するデータのエントリを行うために消去及び書込みの両 サイクルを必要とすることは、単一の書込サイクルのみに比べ、チップに対する 動作の作用的複雑性金増却し、その結果、タイミング及び制御回路に要するチッ プ領域及び時間消費が増大することになる。
第1図の2セル構造は、読出サイクルのビット線、例えばVB、及び書込線電圧 が同一でないと、読出サイクル中、不揮発性に記憶されているデータを乱す電位 を受けるという欠点がある。例えば、vBl及びvwのような異なる電圧の使用 はメモリー・ウィンドウ内で基準レベルの中心設定を可能にするため、フローテ ィング・ダート装置ではまれではない。それが最少の読出 −妨害であっても、 循環サイクルで動作する高速クロック・マイクロプロセッサに於いて共通に考え られるセルの反復読出アドレシングを可能とするためには、非常に好捷しく力い ものである。他方、読出サイクル中に電圧、例えばVBl、vwを選択的にセッ トする能力は、不揮発性データが記憶され、メモリー・ウィンドウが短縮したの を延長して回復し、信頼性を維持するためには望ましい特徴である。
この発明の目的は、上記の欠点を除去した不揮発性メモリー・セルを提供するこ とである。
従って、この発明によると、第1及び第2の導電性ドープド領域から電気的に分 離され、その間にフローティング・ダート電極の第3の領域の下に置かれたチャ ンネルを規定し、そこから第3の誘電体材料層によって分離され、前記フローテ ィング・ダート電極に存在する電荷に応答する電界効果トランジスタを形成する ようにした基板の第3及び第4の導電性ドープド領域と、前記第3の導電性ドー プド領域をビット線に選択的に接続し、前記第1の導電性ドープド領域を第1の 書込線に選択的に接続し、第2の導電性ドープド領域を第2の書込線に選択的に 接続するアクセス手段と、第2の誘電材料層を通して一方向に電荷を転送させる に適した第1及び第2の書込線間に第1の相対的極性の電位を選択的に供給し、 又は第2の誘電体材料層を通して反対方向に電荷を転送させるために第1及び第 2の書込線間に第2の相対的極性の電位を選択的に供給する手段とを含む不揮発 性揮発性メモリー・セルを提供する。
この発明による不揮発性メモリー・セルは直接書込能力があり、読出妨害がなく 、単一のフローティング・ダート構造ではあるが従来の集積回路の製造処理と互 換性がある。
図面の簡単な説明 次に、下記の添付図面を参照してその例によりこの発明の2つの実施例を説明す る。
第1図は、個々にアドレスすることはできるが、構造的には関連性のある2つの 従来技術の単一ポリ・フローティング・ダート・セルの70−ティング・ダート 不揮発性メモリー装置の回路図である。
第2図は、単一ポリ・フローティング・ダート構造の直接書込能力がちり、読出 妨害のないこの発明による好ましい不揮発性メモリー・セルの回路図である。
第3図は、第2図のセルの回路のレイアウト・パターンである。
第4図は、この発明によるセルの代替実施例の回路図である。
第5図は、第4図の実施例のレイアウト・z4ターンである。
第6図乃至第8図は、この発明による不揮発性メモリー・セルのプログラミング 特性、持久特性及び保持特性を示す図である。
発明を実施するための最良の形態 第2図には、縦に配置されているビット線101〔電圧VBに応答する〕と、電 圧VW、に応答する第1の書込線102と、電圧vw2に応答する第2の書込線 103を有し、それら縦方向の線は夫々行線にある電界効果タイプのアクセス・ トランジスタ104,106゜107に接続されている不揮発性メモリー・セル 100を示す。これら3つのアクセス・トランジスタは行線108を通して各・ アクセス・トランジスタのダート電極に電圧vRヲ供給することによって同時に 可能化される。セルは更にアクセス・トランジスタ104と接地電位の電界効果 型センス・トランジスタ109との間に直列路を含む。センス・トランジスタ1 09の導通状態はフローティング電極111の電荷の極性と大きさとによって規 定される。故に、フローティング・ゲート電極111に特定極性の電荷があるか ないかは、ビット線101と接地との間の導通路をセンスすることによって検出 することができる。
フローティング・ダート電極111に対する又はそこからの選択的電荷転送は誘 電体層112間の電界の大きさ及び極性に応答する。それはアクセス・トランジ スタ106,107が可能化されたときに、書込線102.103の電圧vw1 .vw2によりて発生する。
111の延長部114から導電的にドープされた領域113を分離した薄い誘電 体領域112の高度な非線形特性によるものである。誘電体層112は薄い熱成 長二酸化シリコンから成るのが好ましく、初歩的な電荷転送機構としてファウラ ーノルドハイム・トンネルを利用するが、窒化シリコン、シリコン・オキシナイ トライド、又は上記の各誘電体材料の組合わせを使用してもよい。窒化物ペース の材料はPoole−Frenkel導通による電荷転送を与え、そのため、電 荷転送速度が高速となることによってセルの舊込/プログラミング・サイクル時 間が短くなる。誘電体112は、又導体113と114との間に誘電体1120 面積と厚さによって定まる比較的小さな値のキャパシタ110’を発生する。
畳込電圧vw1.VW□の供給による誘電体112における電界の発生とトラン ジスタ106.107の導通とが、キャパシタ110の容量と誘電体117で形 成されるキャノクシタ115の容量との間の相対的差異から生ずる分圧効果を生 じさせる。ここに実施例として示すように、キャパシタ115はフローティング ・ダート電極111の延長部116と導電性にドープされた領域118との間に ある誘電体117の厚さ及び面積によって定められる。誘電体117の材料及び 厚さは112のそれと同一であることが処理の効率から好ましいものであるが、 装置110,115の容量値を個々に調節するために、異なる誘電体材料及び( 又は)厚さを使用することもできる。しかし、持久性及び保持力の二次的効果は 見逃がしてはならない。
不揮発性メモリー・セル100の動作を理解し、その有益な特徴を十分知るため にテーブルAを考グしよう。
テーブルAに示す動作電圧は、3ミクロン設計規則、層112.117のために 熱成長した二酸化シリコンの約7〜10+1メートルの誘電体、約10m秒の書 込/プログラム・サイクル、及び約8:1のキャパシタ115及び110間の相 対的容量などの条件の下にシリコン・ウェハ上において、nチャンネル電界効果 トランジスタで構成されたセルに使用することができるものの例示である。
曹 込 0 15ボルト 0 15?ルト ×曹 込 1 15がルト 15ボ ルト OXa 出 5ボルト 1ボルト 1ゴルト 1?ルト×は不問; メモリー・マージニングはNCRコーポレーションの商標である。
特に前述したように、第1図の配列2有する不揮発性メモリー・セルは書込/プ ログラム・サイクルの前に消去サイクルを必要とするのに対し、第2図のこの発 明によるセルは前のデータの状態に関係なく、どちらのデータ状態にも直接書込 むことができる。例えば、テーブルAにおいて、セル100をII O#データ 状態にプログラムするべき場合、電圧vRがvw、又はvw□のうちどちらか大 きい方に等しくセットされ(この特定ケースでは15ボルト)、vw、は0ポル トに固定され、7w2は15ゴルトに駆動される。書込/プログラム時間が経過 すると、拡散113,118の電圧はVW□又はviミグ0に減少することによ って0″に戻す。
反対のデータ状態″1#は書込/プログラム・サイクル中、電圧VW1.vw2 ヲ反転することによって、メモリー・セル100に書込まれる。
両省込/プログラム状態中、70−ティング・ダート電極111は110及び1 15の相対的容量によって線118の電位に容量的に結合され、相対的電圧に比 例した電界及び書込電圧VW1.vw□によって定まる極性を薄い誘電体層11 2に印荷する。
書込電圧の極性が誘電体112全通して転送される電荷の性質及び方向を規定す る。例えば、セル100に対する0”バイナリ状態の書込/プログラミング中、 電子がファウラーノルドハイム・トンネルによって、フローティング・ダート電 極111の領域114から導電性にドープされた領域113に対し、誘電体11 2′!i−通して移動する。これは書込電圧が終了したときにフローティング・ ゲート111に保持される正味の正電荷を発生する。ゲート111の正電荷はそ の後センス・トランジスタ109を導電状態にバイアスする。“1″の書込/プ ログラムのためには、電圧V 、V は反転され、残留負電荷をフローティング ・y 1 w 2 f−)111K)ラップし、センス・トランジスタ109をディセーブルする。
更に、テーブルAにおいて、メモリー・セル100にプログラムされた状態はV Ri S コルトにバイアスし、”wl 1 ”w2 + vB k 1 zル トにセットすることによって読出すことができる。それが、又vB線のプリチャ ージ技術を利用することを可能にする。線101に接続されている従来のセンス 増幅器が使用され、センス・トランジスタ109がフローティング・ゲート11 1の電荷によって導電性にバイアスされているかどうかを検出する。
テーブルAは、又不揮発性メモリー・セルのしきい値ウィンドウが個々にテスト され、O又は1のしきい値レベルの大きさを検出するというメモリー・マージニ ング1テストを不揮発性メモリー・セルが行うことができるということを開示し ている。例えば、テーブルAに示すように、vRは5ボルトにセットすることが でき、■、はlがルトか又は他の適当なテスト電圧にセットされるのに対し、■ Wl及び7w2はセンス・トランジスタ109が導通を行うか止めるようなバイ アス電圧を検出するために変化される。フローティング・グー)111に対する 線113,118の比較的大きな容量結合はフローティング・ゲート111の電 位を残った電荷により前に書込まれたフローティング・ダート電位とバイアス電 位との算術和に等しい量だけ変化させることができる。
その上、この不揮発性メモリー・セル100は読出妨害がないとbう高く望まし い状態を示すということを理解するべきである。第2図の構造によると、薄い誘 電体112.117は読出電圧VBによって生じる電界ヲ受けず、センス・トラ ンジスタ109及びアクセス・トランジスタ104は別の導通路におかれるとい うことに注目しよう。例えば、第1図の先行技術では、vBoが1ボルトにセッ トされ、vwが0がルトにセットされた場合、誘電体14は相対的電界を受ける のに対し、第2図のこの発明によると、センス電圧VBは決して電荷転送誘電体 、又は相対的に大きなキャノヤシタ誘電体のどちらかに対して共通の電極又は導 電性にドープされた領域に供給されない。故に、フローティング・ダート電極1 11の電荷の量はセル100の読出動作によって減少しない。前述したように、 これはセル・データの高速反復アドレスを可能にするために非常に重要である。
この発明によるメモリー・セル構造の特に重要な特徴に加え、このセルは先行技 術にはない直接書込構造(単一のプログラミング・サイクル)であり、メモリー ・マージニング能力を保持し、フローティング・ダート構造に作られ、製造サイ クルにおける変化が最少の単一ポリ・プロセスで製造することができるというこ とを思い出そう。
第3図は、メモリー・セル】00の構造及びセルの製造に関すものを更に十分示 すもので、第2図のメモリー・セルで説明した特徴を実施する代表的なセルのレ イアウトである。対応する作用に関する部分は同一番号で示す。そのビット線1 01は点線で示す上部金属層にあり、コンタクト202によって拡散領域201 に接続される。拡散201はその上にある第1の導電性にドープされたポリシリ コン層ダート電極108(行線)によって形成される電界効果トランジスタ10 4のドレイン電極を構成する。トランジスタ104のソース電極は領域203に 拡散される。センス電界効果トランジスタ109のドレイン電極としても作用す る拡散203と拡散領域でもある接地電極204との間には、トランジスタ10 9のダート電極として動作する第1のポリシリコン・フローティング・ゲート電 極111の上部延長部がある。
不揮発性メモリー・セル100の中間列は同様に配置され、コンタクト206に よって拡散領域207に接続されている上部レベル金属電極102から始まる。
その拡散領域207は上部の共通ポリシリコン・ダート電極108によって形成 された電界効果トランジスタ106のドレイン電極として作用する。実施例にお いて、導電性にドープされた領域118は電界効果トランジスタ106のソース 電極として作用(拡散領域として存在する)し、誘電体117と同一の広がりを 持つ電気的に共通の導電性にドープされた領域(注入領域として存在する)とし て作用する。第3図に示すように、導電性領域11°8は横に延びる部分を有し 、キャパシタ115の表面積を増加する。導電性領域118は点線で示す薄い誘 電体117によって70−ティング・ダート111から分離される。
3つの列の最後は、コンタクト211によって電界効果トランジスタ107の拡 散ドレイン領域212に接続されている上レベルの金属導体103を含み、その トランジスタ107はその上にある共通のポリシリコン・ダート電極108によ って形成される。実施例では、導電性にドープされた領域113が電界効果トラ ンジスタ107のソース電極として作用しく拡散領域として存在する)、誘電体 112と同一の広がりを持つ電気的に共通の導電性にドープされた領域(注入領 域とじて存在する)として作用する。ポリシリコン・フローティング・ダート電 極111の延長部114は113と114との交点において薄い誘電体112に より導電性にドーグされた領域113から電気的に分離されてキャパシタ110 を形成する。前に行ったキャノクシタ110と115との寸法の比較を思い出す と、110においては、導電性にドープされた領域113とフローティング・ダ ート電極111との間に電荷の転送が発生する。
第3図のレイアウトはnチャンネル電界効果トランジスタを有するp形単結晶シ リコン基板209で形成されるのが好ましい。しかし、この発明はそれに限定さ れず、n4戸、pす戸又は二種構造を含むCMO3処理を使用するに十分適して いる。同様に、ドーグされた第1のポリシリコン層及び上部金属層が示されてい るが、それら電極はいかなる導電性材料で形成してもよく、耐火性金属、シリサ イド及びポリサイドなどの代替的使用も十分可能である。
このセルを構成する構成要素のレイアウトはそれ自体、拡散及び金属のピッチが 整合する密度配置が刃口えられるということに注目するべきである。その上、回 路パターンの対称性はセル面積の効率的配置をマトリックス配置にするのに容易 である。
薄い誘電体112.117は単結晶シリコン基板209から熱成長させた約7〜 10+1メートルの二酸化シリコンで構成することができるが、二酸化シリコン をデポジットすることもでき、又は二酸化シリコンから直接デポジット又は変換 した窒化物ベース誘電体を使用することもできるが、二酸化シリコン、窒化シリ コン、及びシリコン・オキシナイトライドの薄い複合層に限定されない。
第4図には、作用は類似するが構造止具なる不揮発性メモリー・セル300を示 し、第5図にはそのレイアウトを示す。この場合、センス・トランジスタ301 は3つの列の中央の列内におかれる。この構造配列の効果は第5図のレイアウト に見ることができる。第5図の実施例は、異なる要素として、そこを通して電荷 がポリルベルのフローティング・ダート電極303に対し転送され及び除去され る薄い誘電体領域302のためにより小さい領域を使用する。再び、第2図及び 第3図のセルにするように、アクセス・トランジスタ30’4,306,307 を可能化する行線電極308はポリルベルの電極である。しかし、第2図及び第 3図の実施例とは異なり、第5図の実施例は比較的厚い誘電体309を使用して 、70−ティング・ダート電極303と電界効果トランジスタ307のソース電 極から延びる拡散311との間にカップリング・キャパシタを形成する。この実 施例によると、309の誘電体組成及び厚さは電界効果トランジスタ304゜3 06.307のチャンネル領域からグー)[極308を分離するために使用され るものに匹敵する。薄い誘電体302全通して電荷を転送する領域はほぼ類似す る容量比を維持するためにカップリング・キャノ々シタ312の面積に対して減 少し、それによって、薄い電荷転送誘電体302の両端に現われる書込/プログ ラム電圧が必要な程度の電荷トンネル又は導通を与えるに適当となるということ 全保証する。
再び、第2図及び第3図の実施例でもそうであるように、薄い誘電体302の組 成は熱成長又はデポジットされた二酸化シリコン又は窒化物ベース誘電体でよい 。
第6図、第7図、第8図は第2図及び第3図の形の不揮発性メモリー・セルの実 行特性を表わす。一般に、そのような特性を有するセルは誘電体112,117 のために、7〜10+1メ一トル厚の二酸化シリコン層を使用し、それは、例え ば、大気圧における02十3 % HC1気中において、温度800〜850℃ で約5〜10分間、基板シリコンを熱酸化することによって形成することができ る。その気体は酸化速度をよV稍蟹に制御するために、アルゴンで稀釈すること ができる。メモリー・ウィンドウを設定するに使用するセンス・トランジスタの しきい値電圧は、その図では、20マイクロアンペアの電流で測定された。
第6図はメモリー・ウィンドウの書込/プログラム分析すると、そのセルは10 ミリ秒より十分短い時間でプログラムすることができ、普通のロジック回路製造 技術と一致する書込/プログラム電圧を使用することができることがわかる。
第7図の持久特性のプロットはこの発明によるセルは作用的に類似の市販品が示 したものに匹敵する芙行性能を有するということがわかる。セルの長期間データ 記憶能力が第8図の最少傾斜によって明示され、そこで繰返し書込/プログラム 及び記憶時間の複合効釆を“0″及び“1″の両データ状態について、そこに示 した。
FIG、1 FIG、 4 FIG、5 → 524 i? やパ≦;− 国際調査報告 ANNEX To ’11(E INTERNATIONAL 5EARCHR EPORTON

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.半導体基板上に設けられたフローティング・ゲート電極(111)と、前記 フローティング・ダート電極(111)の第1の領域の下にあり、第1の誘電体 材料層(117)によってそれから分離されて第1の容量結合を形成する前記基 板の第1の導電性ドープド領域(118)と、前記フローティング・ダート電極 (111)の第2の領域の下にあり、第2の誘電体材料層(112)によってそ れから分離され、前記第1の容量より材料的に小さい第2の容量結合を形成し、 前記第2の誘電体材料層を通す電荷転送領域を規定する前記基板の第2の導電性 ドープド領域(113)とを含む半導体基板上に形成された不揮発メモリー・セ ルであって、前記第1及び第2の導電性ドープド領域(118,113)から電 気的に分離され、その間に前記フローティング・ダート電極(111)の第3の 領域の下に存在し、そこから第3の誘電体材料層によって分離されたチャンネル を規定し、前記フローティング・ダート電極(111)に存在する電荷に応答す る電界効果トランジスタ(109)を形成する前記基板の第3及び第4の導電性 ドープド領域と、前記基板の第3の導電性ドープド領域をビット線(101)に 選択的に接続し、前記基板の第1の導電性ドープド領域(118)を第1の書込 線(102)に選択的に接続し、前記基板の第2の導電性ドープド領域(113 )を第2の書込線(103)に選択的に接続するようにしたアクセス手段(10 4,106,107)と、前記第2の誘電体材料層(112)を通して一方向に 電荷を転送させるに適した前記第1と第2の書込線(102,103)間の第1 の相対的極性の電位を選択的に供給し、前記第2の誘電体材料層(112)を通 して他の方向に電荷を転送させるに適した前記第1と第2の書込線(102,1 03)間の第2の相対的極性の電位を選択的に供給する手段とを含むことを特徴 とする不揮発性メモリー・セル。 2.前記アクセス手段の3選択接続(104,106,107)は同時に可能化 される請求の範囲1項記載の不揮発性メモリー・セル。 3.前記第1及び第2の誘電体材料層(117,112)は同一組成及びほぼ同 一厚さてある請求の範囲2項記載の不揮発性メモリー・セル。 4.前記電位を選択的に供給する手段によって発生した第1及び第2の相対的極 性は前記アクセス手段の可能化と同時に発生し、前記アクセス手段は3つの個々 の電界効果トランジスタ(104,106,107)を含む請求の範囲3項記載 の不揮発性メモリー・セル。 5.ビット線(101)に電位を供給し、第3の領域を通して電荷導通の存否を 検出する手段を含む請求の範囲4項記載の不揮発性メモリー・セル。 6.前記アクセス手段の電界効果トランジスタ(104,106,107)のゲ ート電極は共通に接続されて第1の行線(108)を形成し、前記基板の第4の 導電性ドープド領域は接地電位であり、前記第1の容量は約8:1の比で前記第 2の容量を越える請求の範囲5項記載の不揮発性メモリー・セル。 7.前記フローティング・ゲート電極(111)はドープド・ポリシリコンの第 1の導電性層である請求の範囲6項記載の不揮発性メモリー・セル。 8.前記フローティング・ダート電極(111)は耐火性金属シリサイドを含む 第1の導電性層である請求の範囲6項記載の不揮発性メモリー・セル。 9.前記第1及び第2の誘電体材料層(117,112)は約7〜10+1メー トル範囲の厚さを有する熱成長二酸化シリコンで形成される請求の範囲7項又は 8項記載の不揮発性メモリー・セル。 10.複数の前記セルは行線として第1の行線(108)と接地電位の線とを有 し、列線としてビット線(101)と第1及び第2の書込線(102,103) とを有するマトリックス・アレイに構成される請求の範囲6項記載の不揮発性メ モリー・セル。
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