説明

半導体記憶装置

【課題】メモリセルの面積を増大させたり、CMOSプロセスを追加させることなく、信頼性の高い不揮発性メモリを実現すること。
【解決手段】6個のMOSトランジスタP1、P2、N1、N2、T1、T2よりなるSRAMセルと、第1トランスファMOSトランジスタT1のゲートと電気的に接続される第1ワード線と、第2トランスファMOSトランジスタT2のゲートと電気的に接続される第2ワード線と、を備える。駆動回路は、第1PMOSトランジスタP1に係る書き込み動作の際、N型ウェル2、第1、第2PMOSトランジスタP1、P2のソースに絶対値が接合耐圧以下の正電圧を印加するとともに、第1ワード線W1に正電圧を印加し、第2ワード線W2の接地電圧を印加し、かつ、第1データ線D1に接地電圧を印加する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、SRAMセルを有する半導体記憶装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の半導体記憶装置において、2つのPMOSトランジスタをシリーズに接続し、一方のPMOSトランジスタを電圧制御される選択ゲートを有する選択トランジスタとし、他方のPMOSトランジスタを電圧制御されない浮遊ゲートを有する記憶ノードとしたメモリセルを備えるものがある(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。このようなメモリセルの書き込みは、記憶ノードにおける浮遊ゲートにドレインアバランチェホットエレクトロン注入して行う。特許文献1、特許文献2のメモリセルは、浮遊ゲートを有する構成であるため、電荷抜けによる保持劣化を防止するためには、浮遊ゲート下のゲート絶縁膜を通常8〜9nm以上にする必要がある。ゲート絶縁膜が薄くなると、浮遊ゲートに蓄積された電子が抜ける通路となる絶縁膜欠陥が増大するため、電子の保持の劣化や信頼性の低下が著しくなるといった問題がある。
【0003】
そこで、上記問題を解決するために、浮遊ゲートを有さず、チャネルホットエレクトロン注入や基板ホット電荷注入の原理を使って、MOSのVt変動を誘起させて書き込みを行うものがある(例えば、特許文献3、特許文献4参照)。この場合、通常、浮遊ゲートのトランジスタほどにVtシフトが起こらないため、メモリセルとしてはSRAMセルの構成がとられ、微小なトランジスタのVt変動でもセンス可能な構成がとられている。
【0004】
特許文献3では、6つのMISトランジスタから構成されるスタティック型半導体メモリセル(SRAM)の2つの記憶ノードに、2つのnチャンネル型MISFET(MNM1、MNM2)が接続され、2つのnチャンネル型MISFET(MNM1、MNM2)のドレイン間を接続するpチャンネル型MISFET(MPEQ)をもつものが開示されている(図4参照)。スタティック型半導体メモリセル(SRAM)内の2つのトランスファトランジスタT1、T2のゲートは、同じワード線WLに接続されている。このメモリセルの読み出し動作は、チャネルホットエレクトロン注入の原理でMNM1、MNM2の一方のしきい値電圧Vtを変動させ、トランスファトランジスタT1、T2をONにすることで、MNM1、MNM2のドレイン電流の差が読み出され、記憶データが判定される。
【0005】
特許文献4では、MOSトランジスタのソース、ウエル、基板もしくは深いウエルから構成される縦型バイポーラトランジスタにおいて、ソース近傍のゲート酸化膜465乃至酸化膜サイドスペーサ468に電荷(トラップホール473)を蓄積して、Vt、Ionを変化させている(図5参照)。ゲート酸化膜465乃至酸化膜サイドスペーサ468への電荷注入方法(書き込み動作)は、例えば、P型シリコン基板461にVsub=0Vを印加し、N型ウエル463に順バイアスになるように例えばVN=−1V(VN<−Vbe;バイアス電圧Vbe)を印加し、ソース469にVS=0Vを印加することで、P型シリコン基板461からN型ウエル463に注入されたホットホール472が、ソース469近傍に向かって加速され、基板ホットホールの原理を用いて、ソース近傍のゲート酸化膜465乃至酸化膜サイドスペーサ468にトラップホール473を注入させることで行うことができる(図7参照)。メモリセルは、動作を行うPMOSを負荷トランジスタとするSRAMとして構成される(図6参照)。
【0006】
【特許文献1】特開2004−281971号公報
【特許文献2】特開2005−252267号公報
【特許文献3】特開2005−353106号公報
【特許文献4】特開2005−191506号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献3の場合、スタティック型半導体メモリセル(SRAM)とは別に、メモリセルごとにnチャンネル型MISFET(MNM1、MNM2)やpチャンネル型MISFET(MPEQ)を追加しているので、トランジスタの数が増え、メモリセルの面積が増大するという問題がある。
【0008】
特許文献4の場合、書き込み動作の際、ソース近傍のゲート酸化膜465乃至酸化膜サイドスペーサ468に電荷(トラップホール473)を蓄積するのに負電圧(VN<−Vbe)が必要になるので、周辺回路が煩雑になるという問題がある。また、ホットホール472は、酸化膜サイドスペーサ468に対する障壁が電子に比べ高く、実際には酸化膜サイドスペーサ468中への注入効率は低く、書き込みによるVt変動が小さく、書き込み時間も遅いという問題もある。
【0009】
また、特許文献4の例は、PMOSトランジスタに適用した例であるが、NMOSトランジスタでも原理的には適用可能で、深いN型ウェルとP型ウェル内に形成したNMOSトランジスタのゲート酸化膜乃至酸化膜サイドスペーサに基板ホットエレクトロン注入の原理で書き込みを行うことができる。しかしながら、この場合、深いN型ウェルが必要になるため、深いN型ウェルを有さないCMOSプロセスには深いNウェルを形成する工程の追加が必要になり、追加コストがかかる。
【0010】
本発明の主な課題は、メモリセルの面積を増大させたり、CMOSプロセスを追加させることなく、信頼性の高い不揮発性メモリを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の視点においては、SRAMセルを有する半導体記憶装置において、N型ウェル上に形成された第1、第2PMOSトランジスタと、P型ウェル上に形成された第1、第2NMOSトランジスタと、ソースが第1データ線と電気的に接続されるとともに、ドレインが前記第1PMOSトランジスタのドレイン、前記第1NMOSトランジスタのソース、前記第2PMOSトランジスタのゲート、及び、前記第2NMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第1トランスファMOSトランジスタと、ソースが第2データ線と電気的に接続されるとともに、ドレインが前記第2PMOSトランジスタのドレイン、前記第2NMOSトランジスタのソース、前記第1PMOSトランジスタのゲート、及び、前記第1NMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第2トランスファMOSトランジスタと、前記第1トランスファMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第1ワード線と、前記第2トランスファMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第2ワード線と、少なくとも、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソース、前記第1、第2NMOSトランジスタのドレイン、前記第1ワード線、前記第2ワード線、前記第1データ線、及び、前記第2データ線に印加される電圧を制御する駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、前記第1PMOSトランジスタに係る書き込み動作の際、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソースに絶対値が接合耐圧以下の正電圧を印加するとともに、前記第1ワード線に正電圧を印加し、前記第2ワード線に接地電圧を印加し、かつ、前記第1データ線に接地電圧を印加することを特徴とする。
【0012】
本発明の前記半導体記憶装置において、前記駆動回路は、前記第2PMOSトランジスタに係る書き込み動作の際、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソースに絶対値が接合耐圧以下の正電圧を印加するとともに、前記第2ワード線に正電圧を印加し、前記第1ワード線に接地電圧を印加し、かつ、前記第2データ線に接地電圧を印加することが好ましい。
【0013】
本発明の前記半導体記憶装置において、前記駆動回路は、読み出し動作の際、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソースに正電圧を印加するとともに、前記第1、第2NMOSトランジスタのドレインに接地電圧を印加し、かつ、前記第1ワード線及び前記第2ワード線の両方に正電圧を印加することが好ましい。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、トンネル酸化膜を有する浮遊ゲート型ではなく、第1、第2PMOSトランジスタのゲート絶縁膜に電子を蓄積させて書き込みを行うため、薄いゲート絶縁膜のCMOSプロセスでもそのままで高い保持特性を有する高い信頼性の半導体記憶装置を提供することができる。また、書き込み動作では、第1、第2PMOSトランジスタのゲート絶縁膜に電子を蓄積させて行うため、ゲート絶縁膜中にトラップされた電子は動くことができず固定されてしまうため、ゲート絶縁膜に欠陥があっても漏れるのは欠陥近傍の一部の電子のみで、トラップされた電子の大半は影響なく、ゲート絶縁膜が薄いプロセスでも保持の信頼性の高い不揮発性メモリを実現できる。さらに、書き込み動作において負電圧を使うことがないので、周辺回路は簡略化される。また、第1、第2PMOSトランジスタにドレインアバランチェホットエレクトロン注入の原理で書き込みを行うので、注入効率が高く、書き込み時間を速くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
(実施形態1)
本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置について図面を用いて説明する。図1は、本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの構成を模式的に示した回路図である。図2は、本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの第1PMOSトランジスタの構成を模式的に示した部分断面図である。図3は、本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの動作電圧条件を示した一覧表である。
【0016】
半導体記憶装置は、蓄積しているデータを保持するための操作(リフレッシュ操作)がいらないSRAM(Static Random Access Memory)メモリセルを有する(図1参照)。SRAMセルは、PMOSトランジスタP1、P2と、NMOSトランジスタN1、N2と、トランスファMOSトランジスタT1、T2と、を有する。
【0017】
P1、P2は、N型ウェル配線NWに電気的に接続されたN型ウェル2内に形成され、フリップフロップを構成している。P1のゲートは、N1のゲート、P2のドレイン、N2のソース、及び、T2のドレインと電気的に接続されている。P1のソースは、第1電源配線VDDと電気的に接続されている。P1のドレインは、N1のソース、P2のゲート、N2のゲート、及び、T1のドレインと電気的に接続されている。P2のゲートは、N2のゲート、P1のドレイン、N1のソース、及び、T1のドレインと電気的に接続されている。P2のソースは、第1電源配線VDDと電気的に接続されている。P2のドレインは、N2のソース、P1のゲート、N1のゲート、及び、T2のドレインと電気的に接続されている。
【0018】
N1、N2は、P型ウェル内に形成されている。N1のゲートは、P1のゲート、P2のドレイン、N2のソース、及び、T2のドレインと電気的に接続されている。N1のソースは、P1のドレイン、P2のゲート、N2のゲート、及び、T1のドレインと電気的に接続されている。N1のドレインは、第2電源配線VSSと電気的に接続されている。N2のゲートは、P2のゲート、P1のドレイン、N1のソース、及び、T1のドレインと電気的に接続されている。N2のソースは、P2のドレイン、P1のゲート、N1のゲート、及び、T2のドレインと電気的に接続されている。N2のドレインは、第2電源配線VSSと電気的に接続されている。
【0019】
T1、T2は、P1とN1よりなる第1記憶ノードか、P2とN2よりなる第2記憶ノードかを選択するための選択トランジスタである。T1のゲートは、第1ワード線W1と電気的に接続されている。T1のソースは第1データ線D1と電気的に接続されている。T1のドレインは、P1のドレイン、N1のソース、P2のゲート、及び、N2のゲートと電気的に接続されている。T2のゲートは、第2ワード線W2と電気的に接続されている。T2のソースは第2データ線D2と電気的に接続されている。T2のドレインは、P1のゲート、N1のゲート、P2のドレイン、及び、N2のソースと電気的に接続されている。なお、実施形態1において、T1のゲートとT2のゲートは従来例3(図4参照)のように電気的に接続されておらず、第1ワード線W1と第2ワード線W2も電気的に接続されていない。
【0020】
図示していないが、SRAMセルの周辺領域には、周辺回路となる駆動回路を有する。駆動回路は、第1データ線D1、第2データ線D2、第1ワード線W1、第2ワード線W2、第1電源配線VDD、第2電源配線VSS、N型ウェル配線NW、基板配線Vsubに印加される電圧を制御する。なお、駆動回路の電圧制御については、後述する。
【0021】
次に、本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置の動作について説明する。
【0022】
P1にデータを書き込む場合、駆動回路は、N型ウェル配線NWと第1電源配線VDDに絶対値が接合耐圧以下の正電圧となる書き込み電圧VPPを印加し、第2電源配線VSSをフロート(FROAT、オープン)とし、第1ワード線W1に正電圧VPPを印加し、第1データ線D1に接地電位GNDを印加し、第2ワード線W2に接地電位GNDを印加し、第2データ線D2をフロート(FROAT、オープン)とし、かつ、基板配線Vsubに接地電位GNDを印加する(図1〜3参照)。これにより、N型ウェル2及びP1のソースに書き込み電圧VPPが印加され、T1がONとなりP1のドレインに接地電位GNDが印加される(図2参照)。これにより、P1のソースとなるP+拡散層3aからP1のドレインとなるP+拡散層3bに電子が流れる際に、P1のゲート電極5下のドレイン寄りのゲート絶縁膜4に電子6の一部がトラップされる。これにより、P1にデータが書き込まれた状態となる。
【0023】
P2にデータを書き込む場合、駆動回路は、N型ウェル配線NWと第1電源配線VDDに絶対値が接合耐圧以下の正電圧となる書き込み電圧VPPを印加し、第2電源配線VSSをフロート(FROAT、オープン)とし、第1ワード線W1に接地電位GNDを印加し、第1データ線D1をフロート(FROAT、オープン)とし、第2ワード線W2に正電圧VPPを印加し、第2データ線D2に接地電位GNDを印加し、かつ、基板配線Vsubに接地電位GNDを印加する(図1、図3参照)。これにより、N型ウェル2及びP2のソースに書き込み電圧VPPが印加され、T2がONとなりP2のドレインに接地電位GNDが印加される。これにより、P1の場合(図2参照)と同様に、P2のソースとなるP+拡散層からP2のドレインとなるP+拡散層に電子が流れる際に、P2のゲート電極下のドレイン寄りのゲート絶縁膜に電子の一部がトラップされる。これにより、P2にデータが書き込まれた状態となる。
【0024】
SRAMセルのデータを読み出す場合、駆動回路は、N型ウェル配線NWと第1電源配線VDDに正の電源電圧VCCを印加し、第2電源配線VSSに接地電位GNDを印加し、第1ワード線W1に正の電源電圧VCCを印加し、かつ、第2ワード線W2に正の電源電圧VCCを印加し、かつ、基板配線Vsubに接地電位GNDを印加する(図1、図3参照)。これにより、N型ウェル2、P1のソース、及びP2のソースに電源電圧VCCが印加され、T1、T2がONとなることで、ラッチが固定され、P1のドレインとN1のソースの電位状態(Data)をT1を介して第1データ線D1に出力され、P2のドレインとN2のソースの電位状態(Bar Data)をT2を介して第2データ線D2に出力され、SRAMセルのデータが読み出される。
【0025】
実施形態1によれば、トンネル酸化膜を有する浮遊ゲート型ではなく、ゲート絶縁膜5に電子を蓄積させて書き込みを行うため、薄いゲート絶縁膜のCMOSプロセスでもそのままで高い保持特性を有する高い信頼性の半導体記憶装置を提供することができる。また、書き込み動作では、ゲート絶縁膜5に電子6を蓄積させて行うため、ゲート絶縁膜5中にトラップされた電子6は動くことができず固定されてしまうため、ゲート絶縁膜5に欠陥があっても漏れるのは欠陥近傍の一部の電子のみで、トラップされた電子6の大半は影響なく、ゲート絶縁膜5が薄いプロセスでも保持の信頼性の高い不揮発性メモリを実現できる。さらに、書き込み動作において負電圧を使うことがないので、周辺回路は簡略化される。また、P1、P2にドレインアバランチェホットエレクトロン注入の原理で書き込みを行うので、注入効率が高く、書き込み時間を速くできる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの構成を模式的に示した回路図である。
【図2】本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの第1PMOSトランジスタの構成を模式的に示した部分断面図である。
【図3】本発明の実施形態1に係る半導体記憶装置におけるメモリセルの動作電圧条件を示した一覧表である。
【図4】従来例3に係るSRAM融合型基本回路の構成を模式的に示した回路図である。
【図5】従来例4に係る半導体装置が有するPチャンネル型の不揮発性メモリセルの断面構造図を概略的に示す説明図である。
【図6】従来例4に係る半導体装置が有するソース線分割Pチャンネル型の不揮発性メモリセルの等価回路である。
【図7】従来例4に係る半導体装置が有するソース線分割Pチャンネル型の不揮発性メモリセルの動作電圧条件の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【0027】
1 P型半導体基板
2 N型ウェル
3a、3b P+拡散層
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 電子
7 P型ウェル
P1、P2 PMOSトランジスタ
N1、N2 NMOSトランジスタ
T1、T2 トランスファMOSトランジスタ
D1 第1データ線
D2 第2データ線
W1 第1ワード線
W2 第2ワード線
VDD 第1電源配線
VSS 第2電源配線
NW N型ウェル配線
Vsub 基板配線
461 P型シリコン基板
462 素子分離
463 N型ウエル
464 P型ウエル
465 ゲート酸化膜
466 ゲート
467 ソース・ドレインイクステンション
468 酸化膜サイドスペーサ
469 ソース・ドレイン
470 P型拡散層
471 N型拡散層
472 ホットホール
473 トラップホール
WL、WLW ワード線
BL、BL_ ビット線
EQ_ EQ_信号線
RESTORE RESTORE信号線
VG ゲート信号線
VD N型ウエル線
VS 共通ソース線
VN N型ウエル線
Vsub P型ウエル線

【特許請求の範囲】
【請求項1】
N型ウェル上に形成された第1、第2PMOSトランジスタと、
P型ウェル上に形成された第1、第2NMOSトランジスタと、
ソースが第1データ線と電気的に接続されるとともに、ドレインが前記第1PMOSトランジスタのドレイン、前記第1NMOSトランジスタのソース、前記第2PMOSトランジスタのゲート、及び、前記第2NMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第1トランスファMOSトランジスタと、
ソースが第2データ線と電気的に接続されるとともに、ドレインが前記第2PMOSトランジスタのドレイン、前記第2NMOSトランジスタのソース、前記第1PMOSトランジスタのゲート、及び、前記第1NMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第2トランスファMOSトランジスタと、
前記第1トランスファMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第1ワード線と、
前記第2トランスファMOSトランジスタのゲートと電気的に接続される第2ワード線と、
少なくとも、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソース、前記第1、第2NMOSトランジスタのドレイン、前記第1ワード線、前記第2ワード線、前記第1データ線、及び、前記第2データ線に印加される電圧を制御する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路は、前記第1PMOSトランジスタに係る書き込み動作の際、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソースに絶対値が接合耐圧以下の正電圧を印加するとともに、前記第1ワード線に正電圧を印加し、前記第2ワード線に接地電圧を印加し、かつ、前記第1データ線に接地電圧を印加することを特徴とする半導体記憶装置。
【請求項2】
前記駆動回路は、前記第2PMOSトランジスタに係る書き込み動作の際、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソースに絶対値が接合耐圧以下の正電圧を印加するとともに、前記第2ワード線に正電圧を印加し、前記第1ワード線に接地電圧を印加し、かつ、前記第2データ線に接地電圧を印加することを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
【請求項3】
前記駆動回路は、読み出し動作の際、前記N型ウェル、前記第1、第2PMOSトランジスタのソースに正電圧を印加するとともに、前記第1、第2NMOSトランジスタのドレインに接地電圧を印加し、かつ、前記第1ワード線及び前記第2ワード線の両方に正電圧を印加することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体記憶装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2008−53269(P2008−53269A)
【公開日】平成20年3月6日(2008.3.6)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−225169(P2006−225169)
【出願日】平成18年8月22日(2006.8.22)
【出願人】(302062931)NECエレクトロニクス株式会社 (8,021)
【Fターム(参考)】