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JP2017153057A - Reconfigurable semiconductor logic circuit - Google Patents

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JP2017153057A
JP2017153057A JP2016048940A JP2016048940A JP2017153057A JP 2017153057 A JP2017153057 A JP 2017153057A JP 2016048940 A JP2016048940 A JP 2016048940A JP 2016048940 A JP2016048940 A JP 2016048940A JP 2017153057 A JP2017153057 A JP 2017153057A
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Japan
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nand
logic circuit
logic
realized
transistors
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JP2016048940A
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重佳 渡辺
Shigeyoshi Watanabe
重佳 渡辺
智広 横田
Tomohiro Yokota
智広 横田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To deal with a current situation in which there is no means for continuing to realize a large capacity, a low cost, and a high speed of an existing logic LSI formed on a plane pattern after the limit of the Moore's Law due to the short channel effects, for example.SOLUTION: The above object is achieved by realizing a desired reconfigurable combination circuit by combining two lamination-type Fe-FET NAND arrays using a multi-stage lamination vertical transistor structure used for a large-capacity lamination-type NAND memory. This can attain a desired combination circuit necessary for a logic LSI. Compared to the case of an existing logic LSI all realized on a plane pattern, a logic circuit can be realized on a much smaller area. In addition, since the multi-stage lamination vertical transistor structure can be used for manufacturing the logic circuit, the manufacturing cost can be reduced significantly than when an existing plane structure is used.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

プログラム情報によって実現されるディジタル論理を変更できる再構成可能半導体論理回路に関する。The present invention relates to a reconfigurable semiconductor logic circuit capable of changing digital logic realized by program information.

LSIは過去ムーアの法則にしたがって平面型トランジスタの微細化が進み、大容量化、低コスト化、高速化、低消費電力化が着実に進められてきた。In LSIs, planar transistors have been miniaturized according to Moore's Law, and large capacity, low cost, high speed, and low power consumption have been steadily advanced.

その結果ロジックLSIの代表であるMPUでは10億個以上の平面型トランジスタを用いたGHz動作が実現され、メモリLSIの中で最も大容量化が進んだ平面型トランジスタを用いたNAND型フラッシュメモリでは64Gbitまで大容量化が進められている(文献1)。As a result, the MPU, which is a representative of logic LSI, realizes GHz operation using 1 billion or more planar transistors, and the NAND flash memory using planar transistors with the largest capacity among memory LSIs. The capacity has been increased up to 64 Gbit (Reference 1).

しかしながらこの平面型トランジスタの微細化もショートチャネル効果等のため近年限界に近付いている。However, the miniaturization of the planar transistor has recently approached its limit due to the short channel effect and the like.

この問題を解決するため、ショートチャネル効果に強い3次元型トランジスタが開発された。その代表例がSGT(Surrounding Gate Transistor)である(文献2)。In order to solve this problem, a three-dimensional transistor resistant to the short channel effect has been developed. A typical example is SGT (Surrounding Gate Transistor) (Reference 2).

SGTは1層のロジックLSIに適用することが検討されているが、縦方向に積層すると容易に大容量化できるためNANDフラッシュメモリの積層化に関する提案がなされた(文献3)。Although application of SGT to a single-layer logic LSI is being studied, a proposal for stacking NAND flash memories has been made because the capacity can be easily increased when stacked in the vertical direction (Reference 3).

当初提案された積層型NANDフラッシュメモリでは、1層ずつ独立したプロセスでメモリセルを製造する方式になっていたため、積層することにより大容量化できる半面、1ビット当たりのコストであるビットコストは安くならなかった。The originally proposed stacked NAND flash memory has a method of manufacturing memory cells by an independent process for each layer, so that the capacity can be increased by stacking, but the bit cost, which is the cost per bit, is low. did not become.

その問題を解決するために提案されたのが多段積層縦型トランジスタ構造である(文献4、特許文献1)。In order to solve this problem, a multi-stage stacked vertical transistor structure has been proposed (Reference 4, Patent Document 1).

これはゲート電極とゲート電極間の層間絶縁膜の積層をひとつの製造工程のセットとして、このセットを積層する層数だけ繰り返した後に、一括して基板の一番下までトレンチを形成し、積層数分だけまとめて同一の工程でメモリセルを形成する製造技術である。In this method, the gate electrode and the interlayer insulating film between the gate electrodes are stacked as a set of manufacturing steps, and after repeating this set for the number of layers to be stacked, a trench is formed all the way down to the bottom of the substrate. This is a manufacturing technique in which memory cells are formed in the same process all together for several minutes.

多段積層縦型トランジスタ構造を導入することにより、積層することにより大容量化できるだけでなく、ビットコストを積層しない1層構造と比較して大幅に低減することが初めて可能になった。By introducing a multi-stage stacked vertical transistor structure, it has become possible for the first time not only to increase the capacity by stacking but also to significantly reduce the bit cost compared to a single layer structure without stacking.

この多段積層縦型トランジスタ構造はその後現在最も大容量化されているNAND型フラッシュメモリで本格的に導入された(文献5)。This multi-stage stacked vertical transistor structure was subsequently introduced in earnest in NAND flash memories with the largest capacity (Reference 5).

現在までに32〜48層積層した積層型NANDフラッシュメモリが開発され、東芝、サムスン、Intel/Micronが開発、製品化を進めている。To date, a stacked NAND flash memory having 32 to 48 layers has been developed, and Toshiba, Samsung, and Intel / Micron are developing and commercializing.

多段積層縦型トランジスタ構造を用いると積層数を増やすとともに大容量化されるだけでなくビットコストも安くなり低コスト化できる特徴がある。The use of a multistage stacked vertical transistor structure has the characteristics that not only the number of stacked layers can be increased, the capacity can be increased, but also the bit cost can be reduced and the cost can be reduced.

つまり大容量メモリはムーアの法則による平面型トランジスタの微細化が限界に達した後も、多段積層縦型トランジスタ構造を用いて積層化を進めることにより、従来同様大容量化、低コスト化が実現できる可能性が高い。In other words, even after the miniaturization of planar transistors according to Moore's Law has reached the limit, large capacity memories can be stacked with a multistage stacked vertical transistor structure to achieve higher capacity and lower costs as before. It is highly possible.

今後製造技術等の進展により、数年単位で積層数を倍増させ、その結果従来同様に大容量化、低コスト化が推進できる。With the progress of manufacturing technology, the number of stacks can be doubled every few years. As a result, the capacity and cost can be reduced as before.

それに対し大容量メモリと比較して複雑な回路構成を平面型のトランジスタと配線で形成している現在のロジックLSIでは、トランジスタの微細化の限界後の大容量化、低コスト化、高速化を推進できる有力な候補はまだ提案されていない。
今後も継続してロジックLSIの大容量化、低コスト化、高速化を実現する手段の提案が望まれている。
On the other hand, the current logic LSI, which has a complicated circuit configuration with planar transistors and wiring compared to large-capacity memories, has increased capacity, reduced cost, and increased speed after the limit of transistor miniaturization. Promising candidates that can be promoted have not yet been proposed.
In the future, it is desired to propose means for continuously increasing the capacity, cost and speed of logic LSIs.

特開2009−4517、田中啓安、青地英明、勝又竜太、鬼頭傑、福住嘉晃、木頭大、佐藤充、松岡泰之“不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法”JP 2009-4517, Keiyasu Tanaka, Hideaki Aoji, Ryuta Katsumata, Jie Kito, Yoshiaki Fukuzumi, Daigo Kito, Mitsuru Sato, Yasuyuki Matsuoka “Nonvolatile Semiconductor Memory Device and Manufacturing Method Thereof”

文献1Reference 1

M.Sako et al,”A Low−Power 64Gb MLC NAND−Flash Memory in 15nm CMOS Technology”,ISSCC Dig.Tech.Papers,2015.M.M. Sako et al, “A Low-Power 64 Gb MLC NAND-Flash Memory in 15 nm CMOS Technology”, ISSCC Dig. Tech. Papers, 2015.

文献2Reference 2

H.Takato et al.,”Impact of SGT for ultra−high density LSIs”,IEEE Trans.Electron Devices,vol.38,pp.573−578,1991.H. Takato et al. "Impact of SGT for ultra-high density LSIs", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 38, pp. 573-578, 1991.

文献3Reference 3

T.Endoh et.al.,“Novel Ultrahigh−Density Flash MemoryWith a Stacked−Surrounding GateTransistor(S−SGT)Structured Cell”,IEEE Trans.Electron Devices,vol.50,nc.4,pp.945−951,2003.T. T. Endoh et. al. , “Novel Ultra-Density Flash Memory With a Stacked-Surrounding Gate Transistor (S-SGT) Structured Cell”, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 50, nc. 4, pp. 945-951, 2003.

文献4Reference 4

H.Tanaka et al.,:“Bit Cost scalable Technology with Punch and Plug Process for Ultra High Density Flash Memory”,Symp.on VLSI Technology,2007.H. Tanaka et al. ,: “Bit Costable Technology with Punch and Plug Process for Ultra High Density Flash Memory”, Symp. on VLSI Technology, 2007.

文献5Reference 5

R.Katsumata et al.,“Pipe−shaped BiCS flash memory with 16 stacked layers and multi−level−cell operation for ultra high density storage devices”,Symp.on VLSI Technology,pp.136−137,2009.R. Katsumata et al. , “Pipe-shaped BiCS flash memory with 16 stacked layers and multi-level-cell operation for ultra high density storage devices”, Symp. on VLSI Technology, pp. 136-137, 2009.

発明が解決しようとしている課題Problems to be solved by the invention

ショートチャネル効果等によるムーアの法則の限界後も継続してロジックLSIの大容量化、低コスト化、高速化を実現する手段は現状では存在しない。At present, there is no means to continuously increase the capacity, cost, and speed of logic LSI even after Moore's Law is limited by the short channel effect.

課題を解決するための手段Means for solving the problem

大容量積層型NANDメモリに使用されている多段積層縦型トランジスタ構造を用いた積層型Fe−FET NANDアレイを2組組み合わせて、任意の再構成可能な組み合わせ回路を実現することにより実現した。これによりロジックLSIに必要な任意の組み合わせ回路が実現できる。This was realized by combining two pairs of stacked Fe-FET NAND arrays using a multi-stage stacked vertical transistor structure used in a large capacity stacked NAND memory to realize any reconfigurable combinational circuit. As a result, any combinational circuit necessary for the logic LSI can be realized.

発明の効果Effect of the invention

本発明によれば、大容量積層型NANDメモリに用いられている製造技術を用いることによりショートチャネル効果等によるムーアの法則の限界後も、継続してロジックLSIの大容量化、低コスト化、高速化を実現する手段を提供することが可能になる。According to the present invention, by using the manufacturing technology used in the large-capacity stacked NAND memory, even after the limit of Moore's law due to the short channel effect or the like, the capacity of the logic LSI is continuously increased, the cost is reduced, It is possible to provide means for realizing high speed.

全てを平面パターン上で実現していた従来のロジックLSIと比較して非常に小さな面積に論理回路を実現することができる。しかもその製造には多段積層縦型トランジスタ構造が使用できるため、その製造コストは従来の平面構造と比較して大幅に低減できる特徴がある。A logic circuit can be realized in a very small area as compared with a conventional logic LSI that has realized all on a plane pattern. In addition, since the multistage stacked vertical transistor structure can be used for the manufacture, the manufacturing cost is significantly reduced as compared with the conventional planar structure.

以下、図面を参照して、本発明に係る再構成可能半導体論理回路の一実施形態について説明する。
[第1実施形態]
(第1実施形態の構成)
Hereinafter, an embodiment of a reconfigurable semiconductor logic circuit according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
(Configuration of the first embodiment)

以下本発明の1実施形態を図面を用いて説明する。図1は本発明の1実施形態の積層型Fe−FET NAND/NANDアレイである。2種類のNANDアレイ201,202はドライバトランジスタ部分はFe−FETを用いた積層型NAND FeRAMで構成されている。  Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a stacked Fe-FET NAND / NAND array according to an embodiment of the present invention. The two types of NAND arrays 201 and 202 are composed of stacked NAND FeRAMs using Fe-FETs as driver transistor portions.

この例では8個の直列接続されたFe−FETは縦方向に8層積層することによって実現される。Fe−FETのゲートには8種類の入力信号(8層に積層されている)が入力される。またFe−FETのゲート絶縁膜はプログラム機能を有している。つまりFe−FETは通常のトランジスタとして動作するだけでなくプログラム機能も内蔵されている。その結果上から見てわずか1素子分の面積に配線とFe−FETを8層積層出来る。  In this example, eight Fe-FETs connected in series are realized by stacking eight layers in the vertical direction. Eight types of input signals (stacked in eight layers) are input to the gate of the Fe-FET. The gate insulating film of the Fe-FET has a program function. That is, the Fe-FET not only operates as a normal transistor but also has a built-in program function. As a result, eight layers of wiring and Fe-FET can be stacked in an area of only one element as viewed from above.

このNANDアレイ201,202内には入力信号を用いた任意の論理を実現できる。全ての信号が使用された場合はその出力は8種類の信号の積の反転信号で表わされる。積層したトランジスタすべてを使う必要がない場合には、通過ゲートには常に導通させるプログラムを行うことにより実現する。Arbitrary logic using input signals can be realized in the NAND arrays 201 and 202. When all the signals are used, the output is expressed as an inverted signal of the product of eight kinds of signals. When it is not necessary to use all the stacked transistors, it is realized by performing a program that always makes the passage gate conductive.

例えば図1の201(NANDアレイ1)の左端のNANDで出力203に(ABCD)の反転信号を

Figure 2017153057
めプログラムを行う。For example, in the leftmost NAND of 201 (NAND array 1) in FIG.
Figure 2017153057
Program.

また図1に示すようにプリチャージ信号ΦPがゲートの入力されるSGTトランジスタを用いてNAND論理を実現している。また201(NANDアレイ1)と202(NANDアレイ2)の間の信号の流れを制御(プログラム時は両者を分離、読み出し時は両者を接続)するため、ゲートに転送制御信号210(ΦT)が接続されるSGTを接続する。202(NANDアレイ2)では201(NANDアレイ1)の出力203,204,205,206を入力信号として必要な論理を演算し出力している。Further, as shown in FIG. 1, NAND logic is realized by using an SGT transistor to which a precharge signal ΦP is input. Further, in order to control the signal flow between 201 (NAND array 1) and 202 (NAND array 2) (separate both at the time of programming and connect them at the time of reading), the transfer control signal 210 (ΦT) is applied to the gate. Connect the connected SGTs. 202 (NAND array 2) calculates and outputs necessary logic using the outputs 203, 204, 205, and 206 of 201 (NAND array 1) as input signals.

図1の例では202(NANDアレイ2)の入力数は201(NANDアレイ1)の入力数より少なくなっている。その場合には図1に示すように入力数の少ないNANDアレイ(この場合には202)の下段部に通過用のFe−FETを接続することにより(図1では4個直列接続し、そのゲートに高電圧VPPを印加して常に導通状態にする)201(NANDアレイ1)と202(NANDアレイ2)の接続段数を常に同じにする。In the example of FIG. 1, the number of inputs of 202 (NAND array 2) is smaller than the number of inputs of 201 (NAND array 1). In that case, as shown in FIG. 1, by connecting a passing Fe-FET to the lower part of the NAND array (202 in this case) with a small number of inputs (in FIG. 1, four are connected in series and their gates are connected). The high voltage VPP is always applied to make it conductive) 201 (NAND array 1) and 202 (NAND array 2) always have the same number of connection stages.

これは201(NANDアレイ1)と202(NANDアレイ2)を同一プロセス工程で製造し、出来るだけ製造コストを低減するために必要不可欠である。また202(NANDアレイ2)に書き込みを行う際にはWL1−WL4に202(NANDアレイ2)の外部から電圧を印加する。This is indispensable for manufacturing 201 (NAND array 1) and 202 (NAND array 2) in the same process step and reducing the manufacturing cost as much as possible. When writing to 202 (NAND array 2), a voltage is applied to WL1-WL4 from the outside of 202 (NAND array 2).

図2に新たに提案した図1の積層型Fe−FET NAND/NANDアレイを実現するために使用する積層型NAND FeRAMの基本構成を示す。これは過去に高速、低コスト不揮発性メモリを実現するために提案されたものである[文献6][文献7]。FIG. 2 shows a basic configuration of a stacked NAND FeRAM used for realizing the newly proposed stacked Fe-FET NAND / NAND array of FIG. This has been proposed in the past to realize a high-speed, low-cost nonvolatile memory [Reference 6] [Reference 7].

現在製品化が進められている積層型NANDフラッシュメモリ同様に、縦方向にNAND構成が作られている(図2では簡単にするために4層積層した場合を示している)。Like the stacked NAND flash memory that is currently being commercialized, a NAND configuration is formed in the vertical direction (FIG. 2 shows a case where four layers are stacked for simplicity).

この積層構造を実現するためには、積層型NANDフラッシュメモリ同様に多段積層縦型トランジスタ構造を用いている。つまり4回WL間絶縁膜306とWL材301の積層を繰り返した後一括して基板の底に達するトレンチを形成して4層分まとめて1度にトランジスタを形成する。この製造技術は別名BiCS(Bit−cost−Scalable)技術とも呼ばれている。このため積層型NANDフラッシュメモリ同様に低コスト(低ビットコスト)が実現される。In order to realize this stacked structure, a multi-stage stacked vertical transistor structure is used like the stacked NAND flash memory. That is, after repeating the lamination of the inter-WL insulating film 306 and the WL material 301 four times, trenches reaching the bottom of the substrate are formed all at once, and the transistors are formed at once for the four layers. This manufacturing technique is also called a BiCS (Bit-cost-Scalable) technique. For this reason, the low cost (low bit cost) is realized like the stacked NAND flash memory.

メモリセルの書き込みは、選択されたWL(例えばWL1)と、選択されたデコートされた基板(例えばVsub1)の間に高電圧(10V)を印加して行う。どちらが高電圧かによって書き込んだメモリセル(Fe−FET)のしきい値電圧をプラスもしくはマイナスにすることができる。The memory cell is written by applying a high voltage (10 V) between the selected WL (for example, WL1) and the selected coated substrate (for example, Vsub1). The threshold voltage of the written memory cell (Fe-FET) can be made positive or negative depending on which is the higher voltage.

読み出し時には、選択したWLに0V、同一NAND内の通過メモリセルのゲートには書き込み時の半分程度の電圧を印加して行う。メモリセルに用いるFe−FETは高速動作に適している為、積層型NANDフラッシュメモリ以上の高速動作が期待できる。At the time of reading, 0 V is applied to the selected WL, and about half of the voltage at the time of writing is applied to the gate of the passing memory cell in the same NAND. Since the Fe-FET used for the memory cell is suitable for high-speed operation, high-speed operation higher than that of the stacked NAND flash memory can be expected.

次に図1の積層型Fe−FETNAND/NANDアレイを実現するために必要なFe−FETへのプログラム及び消去について説明する。Next, programming and erasing of the Fe-FET necessary for realizing the stacked Fe-FET NAND / NAND array of FIG. 1 will be described.

図3にプログラムと消去法を示す。初期状態をしきい値電圧が0.2VとするEタイプFe−FET(401)とする。この状態でFe−FETのゲートにロウレベルの0Vを印加するとFe−FETはオフ状態になる。これをプログラムする場合にはFe−FETのゲートに0V、基板に高電圧(+10V)を印加して、しきい値電圧−1VのDタイプFe−FET(402)とする。FIG. 3 shows the program and erase method. The initial state is an E-type Fe-FET (401) with a threshold voltage of 0.2V. In this state, when a low level of 0 V is applied to the gate of the Fe-FET, the Fe-FET is turned off. When this is programmed, 0V is applied to the gate of the Fe-FET and a high voltage (+ 10V) is applied to the substrate to form a D-type Fe-FET (402) having a threshold voltage of -1V.

DタイプのFe−FET(402)では、ゲート電圧がロウレベルの0Vでもオン状態になり、論理を実現する場合はいわゆる通過トランジスタとなり論理に無関係に導通状態になる。この状態から元のEタイプFe−FET状態(401)に戻すには、プログラム時と逆の電圧をFe−FETのゲートと基板間に印加する消去動作を行う。The D-type Fe-FET (402) is turned on even when the gate voltage is 0 V, which is a low level. When a logic is realized, the D-type Fe-FET (402) becomes a so-called pass transistor and becomes conductive regardless of the logic. To return from this state to the original E-type Fe-FET state (401), an erase operation is performed in which a voltage opposite to that at the time of programming is applied between the gate of the Fe-FET and the substrate.

次に図1の積層型Fe−FET NAND/NANDアレイのプログラム動作について述べる。図4に201(NANDアレイ1)の左端のNAND構造で実現されるABCDの反転信号のプログラム法に関して述べる。Next, the program operation of the stacked Fe-FET NAND / NAND array of FIG. 1 will be described. FIG. 4 shows a method of programming an inverted signal of ABCD realized by the leftmost NAND structure of 201 (NAND array 1).

プログラム時には図3で示したようにプログラムするFe−FETのゲートに0V、選択したNAND構造の基板に高電圧を印加する必要がある。ABCDの反転信号をプログラムする場合に

Figure 2017153057
415,417にプログラムするためにそのゲートに0Vを印加し、選択したNAND構造の基板に高電圧(+10V)を印加する。At the time of programming, it is necessary to apply 0 V to the gate of the Fe-FET to be programmed and a high voltage to the selected NAND structure substrate as shown in FIG. When programming the reverse signal of ABCD
Figure 2017153057
In order to program 415, 417, 0V is applied to its gate, and a high voltage (+ 10V) is applied to the substrate of the selected NAND structure.

ゲートにA,B,C,Dが入力する4個のFe−FET410,412,414,416にはプログラムされないようにゲートに中間電圧(+5V)を印加する。この動作により同一NAND構造内のFe−FETには同時にプログラムすることが可能である。An intermediate voltage (+5 V) is applied to the gate so that the four Fe-FETs 410, 412, 414, and 416 to which A, B, C, and D are input are not programmed. By this operation, it is possible to simultaneously program the Fe-FETs in the same NAND structure.

一方実現する論理を変更したい場合には今のプログラム動作と逆の電圧を通過Fe−FETに印加する。プログラム中はNAND構造と電源電圧VDDを分離するためΦPは0Vにする。またプログラム中に201(NANDアレイ1)と202(NANDアレイ2)を分離するために210(ΦT)を0Vにする。On the other hand, when it is desired to change the realized logic, a voltage opposite to the current program operation is applied to the passing Fe-FET. During programming, ΦP is set to 0 V in order to separate the NAND structure and the power supply voltage VDD. Further, 210 (ΦT) is set to 0 V in order to separate 201 (NAND array 1) and 202 (NAND array 2) during programming.

Figure 2017153057
ラム法に関して述べる。通過Fe−FETにプログラムするためにWL1とWL4に0Vを印加し、選択したNANDの基板には高電圧(+10V)を印加する。WL2とWL3がゲートに接続されているFe−FET502,503はプログラムされないように中間電圧(+5V)を印加する。
Figure 2017153057
Describe the Lamb method. In order to program the passing Fe-FET, 0V is applied to WL1 and WL4, and a high voltage (+ 10V) is applied to the substrate of the selected NAND. An intermediate voltage (+5 V) is applied so that the Fe-FETs 502 and 503 whose WL2 and WL3 are connected to the gate are not programmed.

その他ΦPや210(ΦT)の印加電圧は201(NANDアレイ1)の書き込み時と同じである。プログラム時に201(NANDアレイ1)と202(NANDアレイ2)を分離しておけば、両NANDアレイ201,202を同時にプロッグラムもしくは消去することができる。あるいは一方をプログラム、残りを消去することも可能である。The other applied voltages of ΦP and 210 (ΦT) are the same as those at the time of writing 201 (NAND array 1). If 201 (NAND array 1) and 202 (NAND array 2) are separated during programming, both NAND arrays 201 and 202 can be programmed or erased simultaneously. Alternatively, it is possible to program one and erase the rest.

次に図1の積層型Fe−FET NAND/NANDアレイの読み出し動作について述べる。図6に201(NANDアレイ1)の左端のNAND構造で実現されるABCDの反転信号の読み出し法に関して述べる。あらかじめプリチャージ期間にΦP=1Vとして、NANDの出力部分203をプリチャージしておく。この時210(ΦT)=0Vとして201(NANDアレイ1)と202(NANDアレイ2)は分離しておく。Next, the read operation of the stacked Fe-FET NAND / NAND array of FIG. 1 will be described. FIG. 6 describes a method of reading an inverted signal of ABCD realized by the leftmost NAND structure of 201 (NAND array 1). The output portion 203 of the NAND is precharged in advance by setting ΦP = 1V during the precharge period. At this time, 210 (ΦT) = 0V and 201 (NAND array 1) and 202 (NAND array 2) are separated.

次にアクティブ時間(評価時間)に201(NANDアレイ1)に入力信号を入力する。例え

Figure 2017153057
608はあらかじめプログラムされしきい値は−1Vになっている為、ゲート電圧が0Vでも通過Fe−FETになり電流が流れる。その結果このNANDは選択され出力203からABCDの反転信号が出力される(出力が0Vになる)。201(NANDアレイ1)の残りのNAND構造でも同様な読み出し動作が行われる。Next, an input signal is input to 201 (NAND array 1) during active time (evaluation time). example
Figure 2017153057
Since 608 is programmed in advance and the threshold value is −1V, even if the gate voltage is 0V, it becomes a passing Fe-FET and current flows. As a result, this NAND is selected and an inverted signal of ABCD is output from the output 203 (output becomes 0V). A similar read operation is performed in the remaining NAND structure 201 (NAND array 1).

その後210(ΦT)=2Vとして201(NANDアレイ1)の出力を202(NANDアレイ2)(WL1−WL4)に転送する。Thereafter, 210 (ΦT) = 2V and the output of 201 (NAND array 1) is transferred to 202 (NAND array 2) (WL1-WL4).

Figure 2017153057
法に関して述べる。201(NANDアレイ1)からは203(WL1=0V),204(WL2=1V),205(WL3=1V),206(WL4=0V)の信号が転送されてくる。
Figure 2017153057
State the law. Signals 203 (WL1 = 0V), 204 (WL2 = 1V), 205 (WL3 = 1V), and 206 (WL4 = 0V) are transferred from 201 (NAND array 1).

WL1とWL4が入力するFe−FE T701,704はあらかじめプログラムされているので読

Figure 2017153057
される(このNAND構造の出力208が0Vになる)。Since Fe-FE T701 and 704 input by WL1 and WL4 are programmed in advance, read
Figure 2017153057
(The output 208 of this NAND structure becomes 0V).

以上の手順により任意の組み合わせ回路を積層型Fe−FET NAND/NANDアレイに書き込み、読み出しできる。組み合わせ回路の論理を変更する場合には、消去、プログラムの順に書き込み動作を行う。Any combinational circuit can be written to and read from the stacked Fe-FET NAND / NAND array by the above procedure. When changing the logic of the combinational circuit, the write operation is performed in the order of erase and program.

実施形態の効果Effects of the embodiment

以上の方式を用いることにより従来の平面型トランジスタを用いてロジックLSIの組み合わせ回路を実現して場合(図8)と比較して非常に小さいパターン面積、製造コストでロジックLSIを実現できる。図1の例では、従来の一層型のパターン面積は32F*48F=1536F2(Fはデザインルール)と比較的大きいのに対し、本発明を用いると、8F*14F=112F2と約7.3%に大幅に縮小できる(図9は面積の比較結果)By using the above method, a logic LSI can be realized with a very small pattern area and manufacturing cost as compared with the case (FIG. 8) in which a logic LSI combination circuit is realized using a conventional planar transistor. In the example of FIG. 1, the pattern area of the conventional single layer type is relatively large as 32F * 48F = 1536F2 (F is a design rule), but when using the present invention, 8F * 14F = 112F2 is about 7.3%. (Figure 9 shows the comparison results of areas)

文献6Reference 6

]菅野孝一、渡辺重佳“積層型NAND構造1トランジスタ型FeRAMの読出し方式の検討”電子情報通信学会C,Vol.J91−C,No11,pp.668−669,2008.] Koichi Kanno and Shigeyoshi Watanabe "Study on readout method of stacked NAND structure 1-transistor type FeRAM", IEICE C, Vol. J91-C, No11, pp. 668-669, 2008.

文献7Reference 7

菅野孝一,渡辺重佳,“積層方式NAND構造1トランジスタ型FeRAMの設計法.”電学論(C),Vol.13C,no.2,pp.226−234,2010.Koichi Konno and Shigeyoshi Watanabe, “Design Method of Stacked NAND Structure One-Transistor FeRAM.” Electron Theory (C), Vol. 13C, no. 2, pp. 226-234, 2010.

他の実施例Other examples

本発明はこの実施例に限られるものではない。NANDアレイを実現するトランジスタとして強誘電体を用いたFe−FETの代わりに積層型の3Dフラッシュメモリに用いられるフローティングゲート型トランジスタやチャージトラップ型トランジスタを用いても良い。あるいはガラス材料の相転移を用いた1トランジスタ型相変化メモリ(PRAM)を用いても良い。1素子で情報を記憶する機能があるトランジスタなら本発明の構成要素として使用することができる。
第一の実施例では多段接続縦型トランジスを用いて縦方向にNAND論理を実現しているが(現在製品化が進められている3D NANDフラッシュメモリの基本的な方式)、広義のBiCS技術を用いて縦方向に積層するがNAND論理を横方向に実現しても良い。その他本発明の趣旨を逸脱しない限り各種の変形が可能である。
The present invention is not limited to this embodiment. A floating gate transistor or a charge trap transistor used in a stacked 3D flash memory may be used instead of the Fe-FET using a ferroelectric as a transistor for realizing the NAND array. Alternatively, a one-transistor phase change memory (PRAM) using a phase transition of a glass material may be used. Any transistor having a function of storing information with one element can be used as a component of the present invention.
In the first embodiment, NAND logic is realized in the vertical direction by using a multi-stage vertical transistor (basic method of 3D NAND flash memory that is currently being commercialized), but the BiCS technology in a broad sense is used. However, NAND logic may be realized in the horizontal direction. Other various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

産業用の利用可能性Industrial applicability

システムLSI,ロジックLSI、FPGA等の現在商品化されているディジタル論理で動作する全ての論理LSIに適用可能である。The present invention can be applied to all logic LSIs that operate with digital logic currently commercialized, such as system LSIs, logic LSIs, and FPGAs.

本発明にかかる再構成可能半導体論理回路の構成図である。It is a block diagram of the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 本発明にかかる再構成可能半導体論理回路に用いる積層型FeRAMの構成図である。It is a block diagram of the laminated type FeRAM used for the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 本発明にかかる再構成可能半導体論理回路の構成要素であるFe−FETのプログラム動作の説明図である。It is explanatory drawing of the program operation | movement of Fe-FET which is a component of the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 本発明にかかる再構成可能半導体論理回路の1段目のNANDアレイのプログラム動作の説明図である。It is explanatory drawing of the program operation | movement of the 1st stage NAND array of the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 本発明にかかる再構成可能半導体論理回路の2段目のNANDアレイのプログラム動作の説明図である。It is explanatory drawing of the program operation | movement of the 2nd-stage NAND array of the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 本発明にかかる再構成可能半導体論理回路の1段目のNANDアレイの読み出し動作の説明図である。It is explanatory drawing of the read-out operation | movement of the 1st NAND array of the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 本発明にかかる再構成可能半導体論理回路の2段目のNANDアレイの読み出し動作の説明図である。It is explanatory drawing of the read-out operation | movement of the 2nd-stage NAND array of the reconfigurable semiconductor logic circuit concerning this invention. 従来の再構成可能半導体論理回路の構成図である。It is a block diagram of the conventional reconfigurable semiconductor logic circuit. 従来と本発明の再構成可能半導体論理回路のパターン面積の比較図である。It is a comparison figure of the pattern area of the reconfigurable semiconductor logic circuit of the past and this invention.

201・・・NANDアレイ1、202・・・NANDアレイ2、203−206・・・NANDアレイ1の4個の出力信号、207−209・・・NANDアレイ2の3個の出力信号、210・・・NANDアレイ1とNANDアレイ2の接続信号、211・・・Dタイプトランジスタの識別子、301・・・ワード線、302・・・・ビット線、303・・・p型シリコン、304・・・強誘電体膜、305・・・酸化膜、306・・・層間絶縁膜、307・・・N型拡散層、308・・・ソースライン、309・・・SOI基板、310・・・Vsub電圧、311・・・上面図、312・・・等価回路図、313・・・断面図、
401・・・EタイプFeFET、402・・・DタイプFeFET、
410−417・・・NANDアレイ1の1個目のNANDを構成する8個のFeFET(プログラム時)、501−508・・・NANDアレイ2の2個目のNANDを構成する8個のFeFET(プログラム時)、
601−608・・・NANDアレイ1の1個目のNANDを構成する8個のFeFET(読み出し時)、701−708・・・NANDアレイ2の2個目のNANDを構成する8個のFeFET(読み出し時)
201... NAND array 1, 202... NAND array 2, 203-206... 4 output signals of NAND array 1, 207-209... 3 output signals of NAND array 2, 210. ..Connection signal between NAND array 1 and NAND array 2, 211... D type transistor identifier, 301... Word line, 302... Bit line, 303. Ferroelectric film, 305 ... oxide film, 306 ... interlayer insulating film, 307 ... N-type diffusion layer, 308 ... source line, 309 ... SOI substrate, 310 ... Vsub voltage, 311 ... top view, 312 ... equivalent circuit diagram, 313 ... sectional view,
401 ... E type FeFET, 402 ... D type FeFET,
410-417 ... 8 FeFETs constituting the first NAND of the NAND array 1 (when programming), 501-508 ... 8 FeFETs constituting the second NAND of the NAND array 2 ( At the time of programming),
601-608 ... 8 FeFETs constituting the first NAND of the NAND array 1 (when reading), 701-708 ... 8 FeFETs constituting the second NAND of the NAND array 2 ( When reading)

Claims (6)

ディジタル情報をプログラム及び記憶する機能を有するトランジスタを直列に接続して実現した複数個のNAND論理を有し、前記NAND論理1の出力が異なるNAND論理2に入力され、NAND論理2の出力にディジタルの組み合わせ論理が実現できることを特徴とする半導体基板上に形成された再構成可能半導体論理回路。It has a plurality of NAND logics realized by serially connecting transistors having functions to program and store digital information, and the output of the NAND logic 1 is input to a different NAND logic 2, and the output of the NAND logic 2 is digital A reconfigurable semiconductor logic circuit formed on a semiconductor substrate, wherein the combinational logic can be realized. 前記請求項1記載の再構成可能半導体論理回路において、前記トランジスタを直列に接続して実現したNAND論理は、前記半導体基板に対して垂直方向に出力信号を伝達し、製造時に前記トランジスタのゲート電極及び層間絶縁膜を直列に接続した回数積層して形成後、前記半導体基板まで達する一括したエッチング技術で隣接トランジスタ間分離、トランジスタ形成を行うことを特徴とする再構成可能半導体論理回路。2. The reconfigurable semiconductor logic circuit according to claim 1, wherein the NAND logic realized by connecting the transistors in series transmits an output signal in a direction perpendicular to the semiconductor substrate, and the gate electrode of the transistor at the time of manufacture. A reconfigurable semiconductor logic circuit comprising: a plurality of inter-layer insulating films stacked in series and formed; then, adjacent transistors are separated and transistors are formed by a batch etching technique reaching the semiconductor substrate. 前記請求項1ないし2記載の再構成可能半導体論理回路において、前記トランジスタは強誘電体膜にディジタル情報を記憶するFe−FETを用いることを特徴とする再構成可能半導体論理回路。3. The reconfigurable semiconductor logic circuit according to claim 1, wherein the transistor uses an Fe-FET that stores digital information in a ferroelectric film. 前記請求項1ないし2記載の再構成可能半導体論理回路において、前記トランジスタは浮遊ゲートもしくはゲート絶縁膜中のトラップ準位にディジタル情報を記憶するフラッシュメモリを用いることを特徴とする再構成可能半導体論理回路。3. The reconfigurable semiconductor logic circuit according to claim 1, wherein the transistor uses a flash memory that stores digital information in a trap level in a floating gate or a gate insulating film. circuit. 前記請求項1ないし2記載の再構成可能半導体論理回路において、前記トランジスタはカルコゲナイト材料にディジタル情報を記憶する相変化メモリを用いることを特徴とする再構成可能半導体論理回路。3. The reconfigurable semiconductor logic circuit according to claim 1, wherein the transistor uses a phase change memory for storing digital information in a chalcogenite material. 前記請求項1,3,4,5記載の再構成可能半導体論理回路において、前記トランジスタを直列に接続して実現したNAND論理は、前記半導体基板に対して水平方向に出力信号を伝達し、製造時に前記トランジスタのゲート電極及び層間絶縁膜を積層して形成後、前記半導体基板まで達する一括したエッチング技術で隣接トランジスタ間分離、トランジスタ形成を行うことを特徴とする再構成可能半導体論理回路。7. The reconfigurable semiconductor logic circuit according to claim 1, wherein the NAND logic realized by connecting the transistors in series transmits an output signal in a horizontal direction to the semiconductor substrate, and is manufactured. A reconfigurable semiconductor logic circuit characterized in that a transistor gate electrode and an interlayer insulating film are sometimes stacked and formed, and then adjacent transistors are separated and transistors are formed by a batch etching technique reaching the semiconductor substrate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111684594A (en) * 2020-04-17 2020-09-18 长江存储科技有限责任公司 storage device
WO2022064318A1 (en) * 2020-09-25 2022-03-31 株式会社半導体エネルギー研究所 Semiconductor device, method for driving semiconductor device, and electronic apparatus

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