(57)【要約】【課題】  ＭＯＮＯＳ型トランジスタを集積した電気的に書き換え可能なフラッシュメモリにおいて、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動を抑制し、安定した基準電流を得る。【解決手段】  リファレンスセルはＯＮＯ膜（下部酸化シリコン膜７、窒化シリコン膜６、上部酸化シリコン膜５の積層膜）をゲート絶縁膜として有する。リファレンスセルとメモリセルとはチャネル９のチャネル長が異なることによってしきい値電圧が異なっている。リファレンスセルの窒化シリコン膜６中には固定負電荷８が注入されていない。これにより、所望のしきい値電圧を得つつ、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動を抑制できる。【選択図】  図１
2006303047.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部酸化シリコン膜と上部酸化シリコン膜の間に窒化シリコン膜を積層したゲート絶縁膜を有するＭＯＮＯＳ型トランジスタで構成され、前記窒化シリコン膜中に局所的に電荷を蓄積するメモリセルの電流を判定するためのリファレンスセルであって、
前記リファレンスセルは前記ＭＯＮＯＳ型トランジスタと同構成のトランジスタにより構成され、
前記リファレンスセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長が、前記メモリセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長と異なることによって、前記リファレンスセルは前記メモリセルとしきい値電圧が異なっており、
前記リファレンスセルの窒化シリコン膜中には電荷が注入されていないことを特徴とするリファレンスセル。
【請求項２】
前記リファレンスセルは複数のリファレンスセルから構成され、
前記複数のリファレンスセルは、チャネル長が互いに異なることによってしきい値電圧が互いに異なる請求項１記載のリファレンスセル。
【請求項３】
下部酸化シリコン膜と上部酸化シリコン膜の間に窒化シリコン膜を積層したゲート絶縁膜を有するＭＯＮＯＳ型トランジスタで構成され、前記窒化シリコン膜中に局所的に電荷を蓄積するメモリセルの電流を判定するためのリファレンスセルであって、
前記リファレンスセルは前記ＭＯＮＯＳ型トランジスタと同構成のトランジスタにより構成され、
前記リファレンスセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長が、前記メモリセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長と異なることによって、前記リファレンスセルは前記メモリセルとしきい値電圧が異なっており、
前記リファレンスセルの窒化シリコン膜中には電荷が注入されていることを特徴とするリファレンスセル。
【請求項４】
前記電荷は、前記リファレンスセルを構成するトランジスタの窒化シリコン膜に均一に分布している請求項３記載のリファレンスセル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関し、特に、酸化シリコン膜にはさまれた窒化シリコン膜に電荷を蓄積するＭＯＮＯＳ型トランジスタを集積した、ＭＯＮＯＳ型不揮発性半導体記憶装置例えば電気的に書き換え可能なフラッシュメモリにおいて、メモリセルの記憶状態を判定するためのリファレンスセルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＯＮＯ膜（下部酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、上部酸化シリコン膜の積層膜）をゲート絶縁膜とし、窒化シリコン膜に電荷を蓄積するＭＯＮＯＳ型のトランジスタを集積したフラッシュメモリが開発されている。
【０００３】
このフラッシュメモリの動作においてはリファレンスセルが使用される。ここで、リファレンスセルはその目的に応じたしきい値になるように書き込みを行い、その後は、参照のみに使用されるＥＰＲＯＭである。リファレンスセルは、メモリセルと同じサイズのＭＯＮＯＳ型のトランジスタからなり、ある一定の基準電流を得るための装置であって、メモリセルの電流と、リファレンスセルの電流を比較することで、メモリセルの状態を判定するために使用される。
【０００４】
図１０は、従来のリファレンスセルである（例えば、特許文献１参照）。従来のリファレンスセルは、半導体基板１にドレイン（Ｄ）２とソース（Ｓ）３が形成され、少なくともソース３とドレイン２の間のチャネル９上にわたって、上部酸化シリコン膜５と下部酸化シリコン膜７の間に挟まれた窒化シリコン膜６と、さらにその上にゲート４が形成された、ＭＯＮＯＳ型トランジスタであって、窒化シリコン膜６の一部に局所的に固定負電荷８が導入されている。固定負電荷８は、電気的に電子を窒化シリコン膜の一部に注入することで導入される。
【特許文献１】特開2002-319289
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のリファレンスセルでは、窒化シリコン膜６に注入された電子によって固定負電荷８を形成し、あるべきしきい値に設定されているが、時間の経過とともに固定負電荷８が拡散することによって、リファレンスセルのしきい値が変動するという課題があった。
【０００６】
リファレンスセルはある一定の基準電流を得るための装置であって、メモリセルの電流とリファレンスセルの電流を比較することでメモリセルの記憶状態を判定するために使用されるため、リファレンスセルのしきい値が時間とともに変動するとリファレンスセルのしきい値である基準電流を出力するために必要な電圧が変動することになり、誤動作の原因となる。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動を抑制し、安定した基準電流を得ることができるリファレンスセルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１のリファレンスセルは、下部酸化シリコン膜と上部酸化シリコン膜の間に窒化シリコン膜を積層したゲート絶縁膜を有するＭＯＮＯＳ型トランジスタで構成され、窒化シリコン膜中に局所的に電荷を蓄積するメモリセルの電流を判定するためのリファレンスセルであって、リファレンスセルはＭＯＮＯＳ型トランジスタと同構成のトランジスタにより構成され、リファレンスセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長が、メモリセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長と異なることによって、リファレンスセルはメモリセルとしきい値電圧が異なっており、リファレンスセルの窒化シリコン膜中には電荷が注入されていない。
【０００９】
また、本発明の第１のリファレンスセルにおいて、リファレンスセルは複数のリファレンスセルから構成され、複数のリファレンスセルは、チャネル長が互いに異なることによってしきい値電圧が互いに異なることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の第２のリファレンスセルは、下部酸化シリコン膜と上部酸化シリコン膜の間に窒化シリコン膜を積層したゲート絶縁膜を有するＭＯＮＯＳ型トランジスタで構成され、窒化シリコン膜中に局所的に電荷を蓄積するメモリセルの電流を判定するためのリファレンスセルであって、リファレンスセルはＭＯＮＯＳ型トランジスタと同構成のトランジスタにより構成され、リファレンスセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長が、メモリセルを構成するトランジスタのソースおよびドレイン間のチャンネル長と異なることによって、リファレンスセルはメモリセルとしきい値電圧が異なっており、リファレンスセルの窒化シリコン膜中には電荷が注入されている。
【００１１】
また、本発明の第２のリファレンスセルにおいて、電荷はリファレンスセルを構成するトランジスタの窒化シリコン膜に均一に分布していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のリファレンスセルによれば、リファレンスセルのチャネル長の調整で所望のしきい値を確保できるため、窒化シリコン膜の内部に固定負電荷を注入不要もしくはしきい値の微調整程度の注入で済み、放置による窒化シリコン膜内部の電子の拡散ひろがりが抑制され、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動が抑制される。その結果、リファレンスセルの出力する基準電流は長期にわたって安定に保持され、高信頼性のフラッシュメモリを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、窒化シリコン膜に電荷を蓄積するＭＯＮＯＳ型のトランジスタを集積したフラッシュメモリであって、メモリセルとリファレンスセルは、どちらもＭＯＮＯＳ型のトランジスタである。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るリファレンスセルについて、図１から図３を参照しながら説明する。
【００１４】
図１に示すように、本発明のリファレンスセルは、半導体基板１にドレイン２とソース３が形成され、少なくともソース（Ｓ）３とドレイン（Ｄ）２の間のチャネル９の上部にわたって、上部酸化シリコン膜５と下部酸化シリコン膜7の間に挟まれた窒化シリコン膜６と、さらにその上にゲート４が形成された、ＭＯＮＯＳ型トランジスタであって、リファレンスセルのチャネル長Lrfは、メモリセルのチャネル長よりも大きい。
【００１５】
図２は、リファレンスセルとメモリセルのゲート電圧―ドレイン電流の関係を示しており、基準電流Irefを流すのに必要なゲート電圧をしきい値と定義した際に、メモリセルの初期状態のしきい値Vtm0とリファレンスセルに設定されるべきしきい値Vtrとの関係がVtm0<Vtrである場合について、以下に説明する。
【００１６】
図３は、チャネル長としきい値の相関を示しており、しきい値はゲート長の大小によって変動する。ゲート長が大きければ、チャネル長が大きくなるので、チャネル抵抗が増大するため、基準電流を得るためのゲート電圧はより大きくなる。図３の関係より、リファレンスセルに必要なチャネル長が決定される。
【００１７】
この場合、リファレンスセルのチャネル長Lrfと、メモリセルのチャネル長Lmの関係は、Lm<Lrfとすることでリファレンスセルのチャネル長が決定される。
【００１８】
このようにすれば、リファレンスセルのチャネル長の調整で所望のしきい値を確保できるため、窒化シリコン膜６の内部に固定負電荷を注入してしきい値電圧を制御する必要がなくなる。したがって、窒化シリコン膜６へ電子を注入して固定電荷を形成することによってしきい値を決定する従来のリファレンスセルに比較して、窒化シリコン膜中の固定電荷の拡散によるしきい値変動がなくなり、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動が抑制される。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るリファレンスセルについて、図４から図６を参照しながら説明する。
【００１９】
図４に示すように、本発明のリファレンスセルは、半導体基板１にドレイン２とソース３が形成され、少なくともソース３とドレイン２の間のチャネル９の上部にわたって、上部酸化シリコン膜５と下部酸化シリコン膜７の間に挟まれた窒化シリコン膜６と、さらにその上にゲート４が形成された、ＭＯＮＯＳ型トランジスタであって、複数のチャネル長の異なるリファレンスセルＡ、リファレンスセルＢ、リファレンスセルＣを備えている。
【００２０】
ここで、リファレンスセルＡ、リファレンスセルＢ、リファレンスセルＣのそれぞれのリファレンスセルのチャネル長L1,L2,L3の間には、L1＜L2<L3の関係があり、それぞれのしきい値Vt1、Vt2、Vt3の間には、Vt1<Vt2<Vt3の関係が生じる。
【００２１】
図５は、リファレンスセルＡ〜Ｃのゲート電圧―ドレイン電流の関係を示しており、上記したリファレンスセルＡ〜Ｃのしきい値の間にVt1<Vt2<Vt3の関係がある場合について、以下に説明する。
【００２２】
図６は、チャネル長としきい値の相関を示しており、しきい値はゲート長の大小によって変動する。ゲート長が大きければ、チャネル長が大きくなるので、チャネル抵抗が増大するため、基準電流を得るためのゲート電圧はより大きくなる。図６の関係より、リファレンスセルに必要なチャネル長が決定される。
【００２３】
上記したリファレンスセルＡ〜Ｃの場合、それぞれのリファレンスセルのチャネル長L1,L2,L3をL1＜L2<L3とすることでリファレンスセルのチャネル長が決定される。
【００２４】
このようにすれば、リファレンスセルのチャネル長の調整で所望のしきい値を確保できるため、窒化シリコン膜の内部に固定負電荷を注入してしきい値電圧を制御する必要がなくなる。したがって、窒化シリコン膜へ電子を注入して固定電荷を形成することによってしきい値を決定する従来のリファレンスセルに比較して、窒化シリコン膜中の固定電荷の拡散によるしきい値変動がなくなり、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動が抑制される。
【００２５】
なお、上記のように互いにしきい値電圧の異なる複数のリファレンスセルを用いることで、書き込み時の参照用、消去時の参照用、読み出し時の参照用、さらに多値メモリとして動作させる場合の参照用など、用途に応じた所望のしきい値に対応する複数のリファレンスセルにも対応することができる。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るリファレンスセルについて、図７および図８を参照しながら説明する。
【００２６】
図７に示すように、本発明のリファレンスセルは、半導体基板１にドレイン２とソース３が形成され、少なくともソース３とドレイン２の間のチャネル９の上部にわたって、上部酸化シリコン膜５と下部酸化シリコン膜７の間に挟まれた窒化シリコン膜６と、さらにその上にゲート４が形成された、ＭＯＮＯＳ型トランジスタであって、リファレンスセルのチャネル長Lrf’は、メモリセルのチャネル長よりも大きく、さらに窒化シリコン膜６の一部に局所的に固定負電荷９が導入されている。固定負電荷９は、電気的に電子を窒化シリコン膜の一部に注入することで導入される。
【００２７】
図８はチャネル長としきい値の関係を示すグラフであり、チャネル長が有意にばらついた場合でも、少なくともしきい値がVtrf以下であるように、リファレンスセルのチャネル長をLrf’に荒く設定する。さらに、窒化シリコン膜６にたとえばチャネルホットエレクトロン注入などによって、電子を窒化シリコン膜６に注入することにより、固定負電荷８を導入する。この注入する固定負電荷は、リファレンスセルのしきい値を正確にVtrfになるように調整する。
【００２８】
このようにすれば、チャネル長に有意なばらつきが発生した場合でも、その後に適当量の固定負電荷８を窒化シリコン膜６に注入することによって、しきい値を所望の値に調整できる。したがって、窒化シリコン膜６へ大量の電子を注入して固定負電荷８を形成することのみによってしきい値を決定する従来のリファレンスセルに比較して、窒化シリコン膜６中の固定電荷量を小さく抑えることができるため、窒化シリコン膜６中の固定電荷の拡散によるしきい値の変動を小さく抑制することができ、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動が抑制される。
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るリファレンスセルについて、図９を参照しながら説明する。
【００２９】
図９に示すように、本発明のリファレンスセルは、半導体基板１にドレイン２とソース３が形成され、少なくともソース３とドレイン２の間のチャネル９の上部にわたって、上部酸化シリコン膜５と下部酸化シリコン膜７の間に挟まれた窒化シリコン膜６と、さらにその上にゲート４が形成された、ＭＯＮＯＳ型トランジスタであって、リファレンスセルのチャネル長Lrf’は、メモリセルのチャネル長よりも大きく、窒化シリコン膜６の一部に固定負電荷８が導入されている。固定負電荷８は、電子を窒化シリコン膜６のチャネル９上方の領域に均一に注入することで導入される。
【００３０】
図８はチャネル長としきい値の関係を示すグラフであり、チャネル長が有意にばらついた場合でも、少なくともしきい値がVtrf以下であるように、リファレンスセルのチャネル長をLrf’に荒く設定する。さらに、窒化シリコン膜６にたとえば基板ホットエレクトロン注入やファウラー・ノルドハイム電流注入や、基板ホットエレクトロン注入などによって、電子を窒化シリコン膜６のチャネル上方の領域に均一に注入することにより、固定負電荷を導入する。この固定負電荷８は、リファレンスセルのしきい値を正確にVtrfになるように調整する。
【００３１】
このようにすれば、チャネル長に有意なばらつきが発生した場合でも、その後に適当量の固定負電荷８を窒化シリコン膜６に注入することによって、しきい値を所望の値に調整できる。さらに、窒化シリコン膜６のチャネル９の上方の領域に固定負電荷８を均一に注入することによって、第３の実施形態に比較して窒化シリコン膜６中の固定負電荷８の拡散が起こりにくい。そのため、窒化シリコン膜６へ大量の電子を注入して固定負電荷８を形成することのみによってしきい値を決定する従来のリファレンスセルに比較して、窒化シリコン膜６中の固定電荷量を極めて小さく抑えることができる。この結果、窒化シリコン膜６中の固定負電荷８の拡散によるしきい値の変動を極めて小さく抑制することができ、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動が抑制される。
【００３２】
なお、リフェレンスセルとして、抵抗素子などを用いて安定した基準電流を得る方法もあるが、抵抗素子の仕上がりばらつきと、メモリセルの仕上がりバラつきは連動せず、使用時の電圧ばらつきに対する応答性も抵抗素子とメモリセルでは異なるため、余分な動作マージンが必要になることがある。メモリセルとの比較参照をするデバイスとしてのリファレンスセルは、メモリセルとできるだけ相似な電流特性であるほうが好ましい。
【００３３】
本発明によれば、リファレンスセルとしてメモリセルと同構成のトランジスタを用いることで、できるだけメモリセルと相似な特性を維持しつつ、経時的な電流特性の安定化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明のリファレンスセルは、リファレンスセルの経時的なしきい値の変動を効果的に抑制できるものであり、ＭＯＮＯＳ型トランジスタを集積した電気的に書き換え可能なフラッシュメモリにおいて、メモリセルの記憶状態を判定するためのリファレンスセル等において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るリファレンスセルを示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るメモリセルおよびリファレンスセルにおけるゲート電圧−ドレイン電流の関係を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るチャネル長としきい値電圧との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るチャネル長の異なる複数のリファレンスセルを示す概略断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るチャネル長の異なる複数のリファレンスセルにおけるゲート電圧−ドレイン電流の関係を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るチャネル長としきい値電圧との関係を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るリファレンスセルを示す概略断面図である。
【図８】本発明の第３および第４の実施形態に係るチャネル長としきい値電圧との関係を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るリファレンスセルを示す概略断面図である。
【図１０】従来のリファレンスセルを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
1  半導体基板
2  ドレイン
3  ソース
4  ゲート
5  上部酸化シリコン膜
6  窒化シリコン膜
7  下部酸化シリコン膜
8  固定負電荷
9  チャネル
【図１】
2006303047.tif 000003
【図２】
2006303047.tif 000004
【図３】
2006303047.tif 000005
【図４】
2006303047.tif 000006
【図５】
2006303047.tif 000007
【図６】
2006303047.tif 000008
【図７】
2006303047.tif 000009
【図８】
2006303047.tif 000010
【図９】
2006303047.tif 000011
【図１０】
2006303047.tif 000012