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JPH07123145B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

半導体集積回路

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Publication number
JPH07123145B2
JPH07123145B2 JP2166913A JP16691390A JPH07123145B2 JP H07123145 B2 JPH07123145 B2 JP H07123145B2 JP 2166913 A JP2166913 A JP 2166913A JP 16691390 A JP16691390 A JP 16691390A JP H07123145 B2 JPH07123145 B2 JP H07123145B2
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JP
Japan
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drain
voltage
emitter
gate
source
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JP2166913A
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尚弘 松川
順一 宮本
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/30Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the memory core region
    • HELECTRICITY
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    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B41/00Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates
    • H10B41/10Electrically erasable-and-programmable ROM [EEPROM] devices comprising floating gates characterised by the top-view layout
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10D84/00Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/01Manufacture or treatment
    • H10D84/0107Integrating at least one component covered by H10D12/00 or H10D30/00 with at least one component covered by H10D8/00, H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integrating IGFETs with BJTs
    • H10D84/0109Integrating at least one component covered by H10D12/00 or H10D30/00 with at least one component covered by H10D8/00, H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integrating IGFETs with BJTs the at least one component covered by H10D12/00 or H10D30/00 being a MOS device

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  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Read Only Memory (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、不揮発性半導体メモリなどの半導体集積回路
に係り、特に高速読出し可能な不揮発性メモリセルおよ
びそれを駆動するための電圧供給回路に関する。
(従来の技術) 従来、浮遊ゲートおよび制御ゲートを有する積層ゲート
型不揮発性メモリセントランジスタを用いた不揮発性半
導体記憶装置としては、EEPROM(電気的消去・再書込み
可能な読み出し専用メモリ)やEPROM(紫外線消去・再
書込み可能な読み出し専用メモリ)が広く用いられてい
る。
しかし、従来の浮遊ゲートおよび制御ゲートを有する積
層ゲート型不揮発性メモリセルトランジスタは、通常の
MOS(絶縁ゲート型)トランジスタよりも閾値電圧が高
く、電流駆動能力に劣り、読出しを高速化するのが難し
いという問題がある。
(発明が解決しようとする課題) 上記したように従来の積層ゲート型不揮発性メモリセル
トランジスタは、電流駆動能力に劣り、読出しを高速化
するのが難しいという問題がある。
本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、そ
の目的は、電流駆動能力に優れ、高速読出しが可能な不
揮発性メモリセルを有する半導体集積回路を提供するも
のである。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の半導体集積回路は、第1導電型の半導体基板の
表面に選択的に半導体基板とは逆の2導電型の不純物領
域からなるドレインおよびソースが設けられ、このドレ
イン・ソース間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して
浮遊ゲートが設けられ、この浮遊ゲート上に層間絶縁膜
を介して制御ゲートが積層されてなる積層ゲート型不揮
発性メモリセルトランジスタと、前記半導体基板をコレ
クタ領域とし、上記メモリセルトランジスタのドレイン
をベース領域とし、このベース領域内の表面に第1導電
型のエミッタが形成された縦型バイポーラトランジスタ
と、前記制御ゲートに第1電圧、前記ソースに上記第1
電圧と同極性の第2電圧を印加し、前記エミッタには上
記第1電圧、第2電圧とは逆極性で前記エミッタとドレ
インの間の逆方向接合破壊電圧近傍の第3電圧を印加
し、チャネル電流を流すことにより発生するチャネルホ
ットキャリアを前記浮遊ゲートに注入することにより書
込みを行なう電圧供給回路とを具備したことを特徴とす
る。
さらに、本発明の半導体集積回路は、第1導電型の半導
体基板の表面に選択的に半導体基板とは逆の第2導電型
の不純物領域からなるドレインおよびソースが設けら
れ、このドレイン・ソース間の半導体基板上にゲート絶
縁膜を介して浮遊ゲートが設けられ、この浮遊ゲート上
に層間絶縁膜を介して制御ゲートが積層されてなる積層
ゲート型不揮発性メモリセルトランジスタと、前記半導
体基板をコレクタ領域とし、上記メモリセルトランジス
タのドレインをベース領域とし、このベース領域内の表
面に第1導電型のエミッタが形成された縦型バイポーラ
トランジスタと、前記制御ゲートに第1電圧、前記ソー
スに上記第1電圧と同極性の第2電圧を印加し、前記エ
ミッタを接地してチャネル電流を流すことにより発生す
るチャネルホットキャリアを前記浮遊ゲートに注入する
ことにより書込みを行なう電圧供給回路とを具備し、前
記バイポーラトランジスタのエミッタとメモリセルトラ
ンジスタのドレインとの間の逆方向接合破壊電圧がほぼ
6V以下になるように前記ドレインの不純物濃度を設定し
たことを特徴とする。
(作 用) 上記不揮発性メモリセルトランジスタからの読み出しに
際して、不揮発性メモリセルトランジスタのチャネル電
流が縦型バイポーラートランジスタのベース電流となっ
て縦型バイポーラートランジスタにより増幅され、この
増幅された電流により縦型バイポーラートランジスタの
エミッタに接続されるビット線などを駆動することが可
能になる。
従って、従来の浮遊ゲートおよび制御ゲートを有する積
層ゲート型不揮発性メモリセルトランジスタに比べて飛
躍的に電流駆動能力が向上し、高速読出しが可能にな
る。また、エミッタをメモリセルトランジスタのドレイ
ン中に作り込むので、セル面積の増大は小さく抑えられ
る。
上記不揮発性メモリセルトランジスタへの書込みに際し
て、半導体基板側から電荷を浮遊ゲートにトンネル注入
することにより行う場合は、基板、ソース、ドレインの
少なくとも1つと制御ゲートの間に高電圧を印加すれば
よい。
また、上記不揮発性メモリセルトランジスタへの書込み
に際して、チャネルホットキャリアを浮遊ゲートに注入
することにより行う場合は、制御ゲートに第1電圧、ソ
ースに第2電圧を印加し、エミッタには上記第1電圧・
第2電圧と逆極性でエミッタ・ドレイン間の逆方向接合
破壊電圧近傍の第3電圧を印加し、チャネル電流を流す
ことにより発生するチャネルホットキャリアを浮遊ゲー
トに注入する。この場合、前記ドレイン・エミッタ間の
逆方向接合破壊電圧がほぼ6V以下になるようにドレイン
の濃度を設定すれば、制御ゲートに第1電圧、ソースに
第2電圧を印加し、エミッタは接地して書込みを行うこ
とが可能になる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。
第1図は、不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイ
に用いられている不揮発性メモリセルの断面構造の第1
実施例を示している。第1図において、P+埋込み層11を
有する<100>面、5ΩのP型半導体基板12の表面に
は、1×1020/cm3の濃度で深さ0.2μmのN+型ソース13
および1×1017/cm3の濃度で深さ0.5μmの深いN-型ド
レイン14が選択的に形成されている。上記ソース13とド
レイン14とに挟まれた長さ0.6μm、幅0.9μmのチャネ
ル領域15上には、厚さ10nmの第1ゲート酸化膜16を介し
てポリシリコンからなる厚さ100nmの浮遊ゲート17、厚
さ20nmの第2ゲート酸化膜18、ポリシリコンからなる厚
さ400nmの制御ゲート19が積層されている。以上の構成
により、積層ゲート型不揮発性メモリセルトランジスタ
が形成されている。
さらに、上記メモリセルトランジスタのドレイン14領域
内の表面には、1×1020/cm3の濃度で深さ0.3μmのP+
型エミッタ20が形成されており、前記半導体基板12およ
びP+埋込み層11をコレクタ領域とし、上記メモリセルト
ランジスタのドレイン14をベース領域とし、上記エミッ
タ20領域を有する縦型バイポーラトランジスタが形成さ
れている。
第2図は、第1図の不揮発性メモリセルの等価回路を示
しており、その各部分には第1図中の対応する部分の番
号を付している。
さらに、上記不揮発性メモリセルを駆動するための電圧
供給回路が設けられており、以下、この電圧供給回路に
よる駆動方法を説明する。
まず、上記不揮発性メモリセルトランジスタからの読み
出し際して、ソース13に0V、エミッタ20に2V、制御ゲー
ト19に5Vを印加することによりドレイン14は1.4Vにな
り、チャネル電流100μAが流れる。このチャネル電流
が縦型バイポーラートランジスタのベース電流となって
縦型バイポーラートランジスタにより約10倍増幅され、
この増幅された1mAの電流により縦型バイポーラートラ
ンジスタのエミッタに接続されるビット線などを駆動す
ることが可能になる。
従って、従来の浮遊ゲートおよび制御ゲートを有する積
層ゲート型不揮発性メモリセルトランジスタに比べて飛
躍的に電流駆動能力が向上し、高速読出しが可能にな
る。また、エミッタ20をメモリセルトランジスタのドレ
イン14中に作り込みむので、セル面積の増大は小さく抑
えられる。
上記不揮発性メモリセルトランジスタへの書込みに際し
て、半導体基板12、ソース13、ドレイン14の少なくとも
1つと制御ゲート19の間に高電圧を印加し、半導体基板
側から電荷を浮遊ゲート17にトンネル注入することによ
り行う。例えば、半導体基板12、ソース13、エミッタ20
を接地し、制御ゲート19に20Vを印加することにより、
ソース13から第1ゲート酸化膜16をトンネルして浮遊ゲ
ート17に電子が注入される。なお、上記第1ゲート酸化
膜16のうち、ソース13と浮遊ゲート17とが対向する部分
以外を上記10nmより厚く形成する場合にも、ソース13か
ら第1ゲート酸化膜16をトンネルさせて浮遊ゲート17に
電子を注入する動作が可能である。
次に、本発明の第2実施例に係る不揮発性メモリセルを
説明する。この第2実施例の不揮発性メモリセルの等価
回路は第2図と同様であり、その断面構造は第1図と同
様であるが、第1実施例と比べて第1ゲート酸化膜の厚
さが2倍(20nm)に形成され、半導体基板12と浮遊ゲー
ト17の間の容量が半分になっているので、それに合わせ
て浮遊ゲート17と制御ゲート19の間の容量も半分にされ
ている点が異なり、その他は第1実施例と同様である。
この第2実施例に係る不揮発性メモリセルに対する電圧
供給回路による駆動方法は、読み出しについては前記第
1実施例と同様である。これに対して、書込みに際して
は、制御ゲート19に第1電圧、ソース13に上記第1電圧
と同極性の第2電圧を印加し、エミッタ20には上記第1
電圧・第2電圧と逆極性でエミッタ・ドレイン間の逆方
向接合破壊電圧近傍の第3電圧を印加し、チャネル電流
を流すことにより発生するチャネルホットキャリアを浮
遊ゲート19に注入することにより行う。例えば、制御ゲ
ート19に12V、ソース13に6V、エミッタ20に−7Vを印加
する。この場合、ドレイン14の濃度が前記したように1
×1017/cm3であるので、エミッタ・ドレイン間の逆方向
接合破壊電圧はほぼ7Vとなり、上記動作条件においてド
レイン14は0Vに固定され、エミッタ20から接合破壊電流
がドレイン14を通してチャネル電流としてソース13に流
れ、その際にソース近傍で発生したホットエレクトロン
が浮遊ゲート17に注入される。
次に、本発明の第3実施例に係る不揮発性メモリセルを
説明する。この第3実施例の不揮発性メモリセルの等価
回路は第2図と同様であり、その断面構造は第1図と同
様であるが、第2実施例と比べて、ドレイン14の濃度が
濃くされ(例えば3×1017/cm3になるように設定さ
れ)、エミッタ・ドレイン間の逆方向接合破壊電圧が6V
以下(例えば3V)に下げられている点が異なり、その他
は第2実施例と同様である。
この第3実施例に係る不揮発性メモリセルに対する電圧
供給回路による駆動方法は、読み出しについては前記第
1実施例、第2実施例と同様である。これに対して、書
込みに際しては、制御ゲート19に第4電圧、ソース13に
上記第4電圧と同極性の第5電圧を印加し、エミッタ20
は接地し、チャネル電流を流すことにより発生するチャ
ネルホットキャリアを浮遊ゲート19に注入することによ
り行う。例えば、制御ゲートト19に15V、ソース13に9
V、エミッタ20に0Vを印加する。この場合、エミッタ20
はエミッタ・ドレイン間の逆方向接合破壊電圧である3V
に固定され、エミッタ20から接合破壊電流がドレイン14
を通してチャネル電流としてソース13に流れ、その際に
ソース近傍で発生したホットエレクトロンが浮遊ゲート
17に注入される。
この第3実施例において、ドレイン14全体ではなく、ド
レイン14の一部の濃度を濃くして、エミッタ・ドレイン
間の一部分の逆方向接合破壊電圧を下げるだけでも有効
である。
また、上記した第1実施例乃至第3実施例の不揮発性メ
モリセルは、エミッタ20をエミッタ用コンタクトホール
と自己整合的に形成することにより、従来の不揮発性メ
モリセルトランジスタと殆んど同じ面積で作ることがで
きる。
[発明の効果] 上述したように本発明によれば、従来の不揮発性メモリ
セルトランジスタの面積と殆んど同じセル面積で、読出
し時のセル電流を従来の数十倍にすることができ、高速
読出しが可能になる不揮発性メモリセルを有する半導体
集積回路を提供でき、Bi(バイポーラ)・CMOS(相補正
絶縁ゲート型)の高速EPROM、高速EEPROMなどを実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る不揮発性半導体記憶装置における
不揮発性メモリセルの断面構造の一例を示す図、第2図
は第1図の不揮発性メモリセルの等価回路図である。 11……P+埋込み層、12……P型半導体基板、13……N+
ソース、14……N-型ドレイン、15……チャネル領域、16
……第1ゲート酸化膜、17……浮遊ゲート、18……第2
ゲート酸化膜、19……制御ゲート、20……P+型エミッ
タ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/792

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1導電型の半導体基板の表面に選択的に
    半導体基板とは逆の第2導電型の不純物領域からなるド
    レインおよびソースが設けられ、このドレイン・ソース
    間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して浮遊ゲートが
    設けられ、この浮遊ゲート上に層間絶縁膜を介して制御
    ゲートが積層されてなる積層ゲート型不揮発性メモリセ
    ルトランジスタと、 前記半導体基板をコレクタ領域とし、上記メモリセルト
    ランジスタのドレインをベース領域とし、このベース領
    域内の表面に第1導電型のエミッタが形成された縦型バ
    イポーラトランジスタと、 前記制御ゲートに第1電圧、前記ソースに上記第1電圧
    と同極性の第2電圧を印加し、前記エミッタには上記第
    1電圧、第2電圧とは逆極性で前記エミッタとドレイン
    の間の逆方向接合破壊電圧近傍の第3電圧を印加し、チ
    ャネル電流を流すことにより発生するチャネルホットキ
    ャリアを前記浮遊ゲートに注入することにより書込みを
    行なう電圧供給回路と を具備したことを特徴とする半導体集積回路。
  2. 【請求項2】第1導電型の半導体基板の表面に選択的に
    半導体基板とは逆の第2導電型の不純物領域からなるド
    レインおよびソースが設けられ、このドレイン・ソース
    間の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して浮遊ゲートが
    設けられ、この浮遊ゲート上に層間絶縁膜を介して制御
    ゲートが積層されてなる積層ゲート型不揮発性メモリセ
    ルトランジスタと、 前記半導体基板をコレクタ領域とし、上記メモリセルト
    ランジスタのドレインをベース領域とし、このベース領
    域内の表面に第1導電型のエミッタが形成された縦型バ
    イポーラトランジスタと、 前記制御ゲートに第1電圧、前記ソースに上記第1電圧
    と同極性の第2電圧を印加し、前記エミッタを接地して
    チャネル電流を流すことにより発生するチャネルホット
    キャリアを前記浮遊ゲートに注入することにより書込み
    を行なう電圧供給回路とを具備し、 前記バイポーラトランジスタのエミッタとメモリセルト
    ランジスタのドレインとの間の逆方向接合破壊電圧がほ
    ぼ6V以下になるように前記ドレインの不純物濃度を設定
    したことを特徴とする半導体集積回路。
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