特許第5714094号(P5714094)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許5714094PMOS・NMOS・PMOS・NMOS構造を備えた4トランジスタ不揮発性メモリセル
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5714094
(24)【登録日】2015年3月20日
(45)【発行日】2015年5月7日
(54)【発明の名称】PMOS・NMOS・PMOS・NMOS構造を備えた4トランジスタ不揮発性メモリセル
(51)【国際特許分類】
   G11C 16/04 20060101AFI20150416BHJP
   G11C 16/02 20060101ALI20150416BHJP
   H01L 21/8247 20060101ALI20150416BHJP
   H01L 27/115 20060101ALI20150416BHJP
   H01L 21/336 20060101ALI20150416BHJP
   H01L 29/788 20060101ALI20150416BHJP
   H01L 29/792 20060101ALI20150416BHJP
【FI】
   G11C17/00 623Z
   G11C17/00 625
   G11C17/00 611E
   H01L27/10 434
   H01L29/78 371
【請求項の数】7
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2013-502581(P2013-502581)
(86)(22)【出願日】2011年2月25日
(65)【公表番号】特表2013-524395(P2013-524395A)
(43)【公表日】2013年6月17日
(86)【国際出願番号】US2011026200
(87)【国際公開番号】WO2011126618
(87)【国際公開日】20111013
【審査請求日】2014年2月13日
(31)【優先権主張番号】12/751,012
(32)【優先日】2010年3月31日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】591150672
【氏名又は名称】ナショナル セミコンダクター コーポレーション
【氏名又は名称原語表記】NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION
(74)【代理人】
【識別番号】100098497
【弁理士】
【氏名又は名称】片寄 恭三
(72)【発明者】
【氏名】パーベル ポプレバイン
(72)【発明者】
【氏名】アーネス ホウ
(72)【発明者】
【氏名】ヘニャン ジェームズ リン
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー ジェイ フランクリン
【審査官】 滝谷 亮一
(56)【参考文献】
【文献】 特開2007−123830(JP,A)
【文献】 米国特許第07471572(US,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G11C 16/04
G11C 16/02
H01L 21/336
H01L 21/8247
H01L 27/115
H01L 29/788
H01L 29/792
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
不揮発性メモリ(NVM)セル構造であって、
ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOSプログラムトランジスタ、
制御電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS制御トランジスタ、
消去電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOS消去トランジスタ、及び
ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS読み出しトランジスタ、
を含み、
前記NMOS制御トランジスタのバルク領域が前記NMOS読み出しトランジスタのバルク領域から隔離されている、NVMセル構造。
【請求項2】
不揮発性メモリ(NVM)セルをプログラミングする方法であって、前記NVMセルが、
ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOSプログラムトランジスタ、
制御電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS制御トランジスタ、
消去電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOS消去トランジスタ、及び
ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS読み出しトランジスタ、
を含み、
前記NMOS制御トランジスタのバルク領域が前記NMOS読み出しトランジスタのバルク領域から隔離されており、
前記NVMセルをプログラミングする方法が、
全ての電極を0Vに設定すること、
前記NMOS読み出しトランジスタのソース及びドレイン電極を禁止電圧に設定すること、
前記PMOSプログラムトランジスタのソース及びドレイン電極を0Vに設定すること、
前記PMOSプログラムトランジスタの前記バルク領域電極を前記禁止電圧又は0Vのいずれかに設定すること、
前記NMOS読み出しトランジスタの前記バルク領域電極を0V又は前記禁止電圧のいずれかに設定すること、
予め定義されたプログラミング時間の間、前記制御電圧を0Vから予め定義された最大制御電圧まで及び前記消去電圧を0Vから予め定義された最大消去電圧までランプアップすること、
前記制御電圧を前記最大制御電圧から0Vまで及び前記消去電圧を前記最大消去電圧から0Vまでランプダウンすること、及び
前記禁止電圧を有する全ての電極を0Vに戻すこと、
を含む、方法。
【請求項3】
請求項2に記載の方法であって、
前記禁止電圧が約3.3Vである、方法。
【請求項4】
請求項2に記載の方法であって、
前記禁止電圧が約5.0Vである、方法。
【請求項5】
複数のNVMセルを含む不揮発性メモリ(NVM)セルアレイ行をプログラミングする方法であって、前記アレイ行内の各NVMセルが、
ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOSプログラムトランジスタ、
制御電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS制御トランジスタ、
消去電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及び前記データ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOS消去トランジスタ、及び
前記データ記憶ノードに接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極を有するNMOS読み出しトランジスタ、
を含み、
前記NMOS制御トランジスタのバルク領域が前記NMOS読み出しトランジスタのバルク領域から隔離されており、
前記NVMセルアレイ行をプログラミングする方法が、
前記アレイ行内の各NVMセルに対し、全ての電極を0Vに設定すること、
プログラムするよう選択される前記アレイ行内の各NVMセルに対し、前記NMOS読み出しトランジスタのソース及びドレイン電極を禁止電圧に、前記PMOSプログラムトランジスタのソース及びドレイン電極を0Vに、前記PMOSプログラムトランジスタの前記バルク領域電極を前記禁止電圧又は0Vのいずれかに、及び前記NMOS読み出しトランジスタの前記バルク領域電極を0V又は前記禁止電圧のいずれかに設定すること、
プログラムするよう選択されない前記アレイ行内の各NVMセルに対し、前記NMOS読み出しトランジスタのソース及びドレイン電極、及び前記PMOSプログラムトランジスタのソース、ドレイン、及びバルク領域電極を前記禁止電圧に、及び前記NMOS読み出しトランジスタの前記バルク領域電極を0V又は前記禁止電圧のいずれかに設定すること、
予め定義されたプログラミング時間の間、前記制御電圧を0Vから予め定義された最大制御電圧まで及び前記消去電圧を0Vから所定の最大消去電圧までランプアップすること、
前記制御電圧を前記最大制御電圧から0Vまで及び前記消去電圧を前記最大消去電圧から0Vまでランプダウンすること、及び
前記アレイ行内の各NVMセルに対し、前記禁止電圧を有する全ての電極を0Vに戻すこと、
を含む、方法。
【請求項6】
請求項5に記載の方法であって、
前記禁止電圧が約3.3Vである方法。
【請求項7】
請求項5に記載の方法であって、
前記禁止電圧が約5.0Vである方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、集積回路メモリデバイスに関し、特に、セル面積を著しく低減するため及び逆ファウラー・ノルドハイム・トンネルプログラミングの利用を介して非常に小さなプログラミング電流を提供するために、PMOS・NMOS・PMOS・NMOS構造を用いる4トランジスタ不揮発性メモリ(NVM)セルに関連する。
【背景技術】
【0002】
2007年1月16日にポプレバインらに登録された、米国特許番号第7,164,606号は、プログラミングのために逆ファウラー・ノルドハイム・トンネルを用いる全PMOS4トランジスタ不揮発性メモリ(NVM)セルを開示している。米国特許番号第7,164,606号は、本発明に関連する背景情報を提供するためその全体を本出願に組み込む。
【0003】
図1を参照すると、米国特許番号第7,164,606号に開示されるように、プログラムされるべきアレイ内の各セル100に対し、共通接続されるフローティングゲートを有する全PMOS4トランジスタNVMセルを含むNVMアレイをプログラミングする方法に従って、セルの全ての電極が接地される。その後、セルの読み出しトランジスタPのバルク接続されたソース領域Vに、セルの消去トランジスタPの共通接続されるドレイン、バルク及びソース領域Vに、及び読み出しトランジスタPのドレイン領域Dに禁止電圧Vが印加される。セルのプログラミングトランジスタPのソース領域V及びドレイン領域Dは接地される。プログラミングトランジスタPのバルクVnwは、任意選択で、接地されてもよく又は禁止電圧Vのままであってもよい。プログラミングのために選択されないNVMアレイの全てのセルに対し、禁止電圧Vが、V、V及びD電極に印加され、V、D及びVnw電極にも印加される。セルの制御トランジスタPの制御ゲート電圧Vがその後、プログラミング時間Tprogで0Vから最大プログラミング電圧Vcmaxまで掃引される。制御ゲート電圧Vはその後、最大プログラミング電圧Vcmaxから0Vまでランプダウンされる。セルの全ての電極及び禁止電圧Vはその後接地に戻る。
【0004】
米国特許番号第7,164,606号に開示された全PMOS4トランジスタNVMセルプログラミング手法は、高電流電源を必要とすることなく多数のセルを同時にプログラムする能力を可能にする低電流消費と、シンプルなプログラムシーケンスとの両方の利点を提供する。しかし、この4トランジスタ全PMOS NVMセルは比較的大きな領域を占有する。このため、低減された面積を有するが、低プログラミング電流の利点を維持する利用可能なNVMセルを有することが非常に望ましい。
【発明の概要】
【0005】
本発明の一実施例は、PMOS・NMOS・PMOS・NMOS構造を有する4トランジスタ不揮発性メモリ(NVM)セルを提供する。このPMOS・NMOS・PMOS・NMOS構造は、ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOSプログラムトランジスタと、制御電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS制御トランジスタと、消去電圧を受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するPMOS消去トランジスタと、ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS読み出しトランジスタとを含む。
【0006】
本発明の様々な態様の特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な説明及び本発明の概念を利用する例示の実施例を示す添付の図面を考慮すればよりよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1図1は、全PMOSの4トランジスタNVMセルを示す概略図である。
【0008】
図2図2は、本発明の概念に従ったPMOS・NMOS・PMOS・NMOS4トランジスタNVMセルの一実施例を示す概略図である。
【0009】
図3図3は、図1の全PMOSの4トランジスタNVMセルのレイアウトを図示する断面図である。
【0010】
図4図4は、図2のPMOS・NMOS・PMOS・NMOS4トランジスタNVMセルのレイアウトの一実施例を図示する断面図である。
【0011】
図5図5は、図2のPMOS・NMOS・PMOS・NMOS4トランジスタNVMセルのレイアウトの代替実施例を図示する断面図である。
【0012】
図6図6は、NVMセルアレイ行内の複数のNVMセル200を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
図2は、本発明の概念に従った不揮発性メモリ(NVM)セル構造200の一実施例を示す。NVMセル構造200は、ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードFGに接続されるゲート電極を有するPMOS制御トランジスタPと、制御電圧Vを受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードFGに接続されるゲート電極を有するNMOS制御トランジスタNと、消去電圧Vを受け取るよう共通接続されるソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードFGに接続されるゲート電極を有するPMOS消去トランジスタPと、ソース、ドレイン、及びバルク領域電極、及びデータ記憶ノードに接続されるゲート電極を有するNMOS読み出しトランジスタNとを含む。
【0014】
図1及び図2を参照すると、本発明は、図1の全PMOSの4トランジスタNVMセル100を図2のPMOS・NMOS・PMOS・NMOS4トランジスタNVMセルに変えるために提供され、全ての電極を同じに維持したまま制御トランジスタ及び読み出しトランジスタPMOSからNMOSに変更している。図4に示すように、ディープNウェルを用いることにより隔離されたPウェルを形成し、NMOS制御トランジスタNのV電極が、最大高電圧Vcmaxまでランプアップされ得、問題なく逆ファウラー・ノルドハイム・トンネルを行うことが可能となる。図3及び図4に示すように、全PMOS4トランジスタNVMセル100(図3)のレイアウトと比較すると、NVMセル構造200は、2つのNMOSトランジスタ、即ち、制御トランジスタN及び読み出しトランジスタNを、2つのPMOSトランジスタ、即ち、プログラムトランジスタP及び消去トランジスタPのNウェルの、必要とされる間隔の間に配置することにより非常にコンパクトなレイアウト面積(図4)になり、それにより、それらの間の必要とされる、大きいことが多い、間隔を低減する。また、NMOS・PMOS・NMOS・PMOS NVMセル構造200は、例えば、図5に示すような隔離トレンチ手法を用いることにより、4つのトランジスの各々に対し分離されたNウェル及びPウェルをつくる隔離の、異なる方法を用いて実現することもできる。また、プログラム、消去、及び読み出しの方法及びシーケンスは、図1の全PMOS NVMセル100のものと殆ど同一であり、そのため、逆ファウラー・ノルドハイム・トンネル・プログラミング方法の利点の全てを保持する。図6は、メモリアレイ行内の複数のNVMセル200の構造を示す。
【0015】
図2から図6を参照すると、アレイ行内の図2のNVMセル200のためのプログラム、消去、及び読み出しシーケンスの概要は次の通りである。
【0016】
プログラムシーケンス
全ての電極を0Vに設定する。プログラミングのために選択されたアレイ行内の全てのNVMセル200に対し、NMOS読み出しトランジスタNのソース電極電圧V及びドレイン電極電圧Dを禁止電圧Vに設定する。PMOSプログラムトランジスタPのソース電極電圧V及びドレイン電極電圧Dを0Vに設定する。PMOSプログラムトランジスタPのバルク領域電極電圧Vnwは、禁止電圧V又は0Vのいずれかに設定され得る。NMOS読み出しトランジスタNのバルク領域電極電圧Vpwは、図4に示す共通P−Sub NMOSを用いる場合0Vに設定されるか、或いは、図5に示す隔離トレンチ方式を用いる場合禁止電圧V又は0Vのいずれかに設定され得る。プログラミングのために選択されないアレイ行内の全てのNVMセル200に対し、V、D、V、D及びVnw電圧が禁止電圧Vに設定される。Vpw電圧は、図4のレイアウトを用いる場合0Vに設定され、又は、図5のレイアウトを用いて禁止電圧V又は0Vのいずれかに設定されてもよい。その後、制御電圧が0Vから予め定義された最大制御電圧Vcmaxまでランプアップされ、消去電圧が0Vから予め定義された最大消去電圧Vemaxまでランプアップされ、予め定義されたプログラム時間Tprogの期間の間両方のレベルが保たれる。消去電圧Vは、隔離されたPウェルとNウェルの間に形成されるPNダイオードを順方向バイアスすることを防ぐため、制御電圧Vと共にランプアップされる。プログラム時間Tprogの終わりに、制御電圧Vは、最大プログラム電圧Vcmaxから0Vまでランプダウンされ、消去電圧Vは、最大消去電圧Vemaxから0Vまでランプダウンされる。禁止電圧Vを有する全ての電極はその後0Vに戻り、プログラムシーケンスを終了する。
【0017】
消去コンディション
消去電圧Vを0Vから最大消去電圧Vemaxまでランプアップし、それを予め定義された消去時間Teraseの間保ち、消去電圧を最大消去電圧Vemaxから0Vまでランプダウンする。全ての他のセル電極は0Vに設定される。
【0018】
読み出しコンディション
NMOS読み出しトランジスタNのソース電極電圧Vを約1V(即ち、セル電流を読み出すことが可能となるのに充分であるが、プログラムされたセルを妨害しない、電圧)に設定する。セルの全ての他の電極は0Vに設定する。
【0019】
プログラム、消去、及び読み出しオペレーションに利用する電圧レベルは、NVMセル200のNMOS及びPMOSデバイス内に用いられるゲート酸化物の厚みに依存することが当業者には理解されよう。例えば、ゲート酸化物の厚みが60〜80Åの場合、V≒3.3V、Vcmax=Vemax≒10V、Tprog=Terase≒20〜50ミリ秒である。ゲート酸化物の厚みが120Åの場合、V≒5.0V、Vcmax=Vemax≒16V、Tprog=Terase≒20〜50ミリ秒である。
【0020】
ここで説明した本発明の特定の実施形態は例として提供されたものであり、当業者なら、添付の特許請求の範囲が示す本発明及びその均等物の範囲から逸脱することなく、他の改変も想起するであろうことを理解されたい。
図1
図2
図3
図4
図5
図6