(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路の回路ノードを選択的に接続するためのプログラム可能な相互接続部において、
第１の電界効果トランジスタを備え、この電界効果トランジスタは、第１及び第２の回路ノードに接続された第１及び第２のソース／ドレインと、電荷を蓄積するためのフローティングゲートと、このフローティングゲートの電荷に応答して第１の電界効果トランジスタをターンオン及びオフにするための制御ゲートとを有し、
更に、第２の電界効果トランジスタを備え、この第２の電界効果トランジスタは、第１及び第２のソース／ドレインと、トンネル二酸化物によって少なくとも１つのソース／ドレインから分離されたフローティングゲートと、このフローティングゲートに容量性結合された制御ゲートとを有し、第１及び第２の電界効果トランジスタのフローティングゲートは相互接続されており、そして
更に、第２の電界効果トランジスタの第１及び第２のソース／ドレインに接続された第１の導電性ライン及び第２の導電性ラインを備え、これにより、上記相互接続部のプログラミングは、上記第１及び第２の導電性ラインの両方に第１の電圧を、上記第２の電界効果トランジスタの制御ゲートに第２の電圧を印加することにより行われ、そして上記ノードの導通及び非導通状態の感知は、上記第１の導電性ライン及び第２の導電性ラインを経ての上記第２の電界効果トランジスタの導通を選択的に監視することにより行われることを特徴とするプログラム可能な相互接続部。
【請求項２】
上記フローティングゲートは、上記第１の電界効果トランジスタのソース／ドレインから離間されてそれらの間に延びると共に、上記第２の電界効果トランジスタのソース／ドレインから離間されてそれらの間に延びる第１のポリシリコン層を備えた請求項１に記載のプログラム可能な相互接続部。
【請求項３】
上記制御ゲートは、プログラム可能な相互接続部のアレーにおける隣接するプログラム可能な相互接続部へと延びる第２のポリシリコン層を含む請求項２に記載のプログラム可能な相互接続部。
【請求項４】
上記第１及び第２の導電性ラインは、第１のポリシリコンライン及び第２のポリシリコンラインに垂直に延びるメタルラインを含む請求項３に記載のプログラム可能な相互接続部。
【請求項５】
上記第１のポリシリコンラインは、第１の電界効果トランジスタ及び第２の電界効果トランジスタに限定されている請求項４に記載のプログラム可能な相互接続部。
【請求項６】
上記第１のポリシリコンライン及び第２のポリシリコンラインは、自己整列型である請求項５に記載のプログラム可能な相互接続部。
【請求項７】
上記第１の電界効果トランジスタは、半導体領域の第１領域に形成され、そして上記第２の電界効果トランジスタは、その第１領域に隣接する半導体領域の第２領域に形成される請求項６に記載のプログラム可能な相互接続部。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、現場でプログラムできる集積回路、特に現場でプログラムできるゲートアレー（ＦＰＧＡ）に係り、より詳細には、ＦＰＧＡのスイッチング素子として使用されるフローティングゲートＭＯＳトランジスタに係る。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＦＰＧＡは、論理素子と、数千又は数万のプログラム可能な相互接続部を伴う配線相互接続部とのアレーを有し、ユーザはＦＰＧＡを定められた機能をもつ集積回路へと構成することができる。各々のプログラム可能な相互接続部即ちスイッチは、集積回路の２つの回路ノードを接続して、配線相互接続をメーク（又はブレーク）したり、或いは論理素子の機能（１つ又は複数）をセットしたりすることができる。
【０００３】
ＦＰＧＡは、プログラム可能な相互接続部としてメモリセル又はアンチフューズのいずれかを使用する。メモリセルは再プログラム可能であり、そしてアンチフューズは１回しかプログラムできない。新規な不揮発性メモリ型のプログラム可能な相互接続部が、本発明の譲受人に譲渡されたロバートＪ．リップ、リチャードＤ．フリーマン、ロバートＵ．ブローズ、ジョンＭ．ケイウッド及びジョセフＧ．ノーラン三世の１９９６年１１月２１日出願の「汎用の不揮発性の再プログラム可能なスイッチ(A GENERAL PURPOSE, NON-VOLATILE REPROGRAMMABLE SWITCH) 」と題する米国特許出願第０８／７５４，１１６号に開示されている。この特許出願に開示されたＦＰＧＡでは、不揮発性の再プログラム可能なトランジスタメモリ（ＮＶＭ）セルを使用し、ＦＰＧＡの配線及び回路素子をランダムに相互接続するための汎用のスイッチング素子が形成される。基本的に、ＮＶＭセルは、充電及び／又は放電できるフローティングゲートをもつＭＯＳトランジスタを有している。フローティングゲートの充電及び／又は放電は、ＮＶＭ技術の不揮発性プログラミング特徴を与える。
【０００４】
ＦＰＧＡ、実際には、いかなる集積回路においても、ＦＰＧＡの素子は、回路を効率的にレイアウトするためにできるだけコンパクトであると共に、できるだけ容易に製造できることが重要である。本発明の譲受人に譲渡されたロバートＵ．ブローズ氏の「ＦＮトンネリング及びプログラミング式の不揮発性の再プログラム可能な相互接続セル(Non-Volatile Reprogrammable Interconnect Cell With FN Tunneling and Programming) 」と題する１９９５年７月２８日出願の米国特許出願第０８／５０８，９１４号は、上記米国特許出願第０８／７５４，１１６号に開示されたプログラム可能な相互接続部の１つの非常にコンパクトなセルに向けられる。各々選択的にプログラムできるこのような相互接続部の効率的なアレーが達成される。各プログラム可能な相互接続セルは、第１のＭＯＳトランジスタを有し、このＭＯＳトランジスタは、第１及び第２の回路ノードに各々接続された第１及び第２のソース／ドレインと、第１のＭＯＳトランジスタをゲートの電荷量に応じてオフ及びオンに切り換えるためのフローティングゲートとを有する。又、セルは、第１のＭＯＳトランジスタのフローティングゲートに接続されると共に、トンネル酸化物層を経てプログラミング／消去ラインに接続されたトンネルデバイスと、上記フローティングゲートに容量性結合された制御ゲートと、上記酸化物層のトンネル作用を制御可能に禁止するための少なくとも１つのトンネル制御ラインとを有する。このトンネル制御ライン及びプログラミング／消去ラインは、トンネル酸化物層の下の領域に接近しているがそこから横方向に変位されたＰＮ接合を形成する。逆バイアスのもとでは、接合の電荷空乏領域がトンネル酸化物の下の領域を経て延び、トンネル作用を阻止する。これは、各プログラム可能な相互接続部を選択的にプログラムできるようにする。
【０００５】
【発明の構成】
本発明は、製造収率、信頼性、プログラミング速度、スレッシュホールド限界及びコストを改善したＦＰＧＡセル及びアレー構造体の改良に向けられる。セルは、共通のフローティングゲートを有するゲートスイッチトランジスタ及びゲート感知トランジスタを備え、感知トランジスタは、トランジスタのドレイン及びフローティングゲートへの及びそこからのファウラー・ノルトハイム電子トンネル作用によりスイッチトランジスタのプログラミング及び消去も与える。セル又はＦＰＧＡタイルのアレーにおいては、２本の列ラインが各列における感知トランジスタのソース及びドレイン領域に各々接続され、これは、感知トランジスタ及びスイッチトランジスタのスレッシュホールド電圧を感知し、ひいては、スイッチトランジスタのプログラム状態又は消去状態を測定するのに使用される。
【０００６】
本発明の特徴によれば、セルのプログラム障害は、行選択／非選択電圧ウインドウを列選択／非選択電圧ウインドウと電圧ＶUUD だけ重畳することにより減少される。この電圧は、行及び列が両方とも非選択であるプログラムビットのストレスを増加するが、行又は列のみ（両方ではない）が非選択である消去ビットのストレスを減少する。ここで使用する「ストレス」とは、時間と共に障害を生じる可能性を有する電界を意味する。又、ここで使用する「障害」とは、特定の時間中に外部から付与される１組のバイアス状態によりフローティングゲートから電荷が除去（又は追加）されるために生じるＦＰＧＡセルのスレッシュホールド電圧の不所望な変化を意味する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明並びにその目的及び特徴は、添付図面を参照した以下の詳細な説明及び特許請求の範囲から容易に明らかとなろう。
図１は、スイッチトランジスタ１０と、ファウラー・ノルトハイムトンネルデバイス及び感知トランジスタ１２とを含む本発明によるＦＰＧＡセルを示す回路図である。スイッチトランジスタは、そのトランジスタのドレイン及びソース領域に各々接続された接点１４及び１６を有し、そして感知トランジスタ１２は、そのトランジスタのドレイン及びソース領域に各々接続された接点１８及び２０を有する。感知トランジスタのドレインは、ドレインの列（メタル）ライン２２にも接続され、そしてそのソースは、ソースの列（メタル）ライン２４にも接続される。これら列ライン２２、２４は、１つの列における感知トランジスタの全てのソース及びドレイン領域に接続される。スイッチトランジスタ１０及び感知増幅器１２は、共通のフローティングゲート２６を共用し、このフローティングゲートは、スイッチトランジスタ１０の制御ゲート２８と、感知トランジスタ１２の制御ゲート３０との間に配置される。これら制御ゲートは、行（ポリ２）ライン３２に接続される。
【０００８】
図２の感知トランジスタの断面図に明確に示されたように、感知トランジスタのフローティングゲート２６は、感知トランジスタのＮ＋ドープされたドレイン３４及び／又はソース３５に密接当接又は重畳して配置され、厚みが８０Åないし１２０Å程度の特殊なトンネル酸化物３６がフローティングゲート２６とＮ＋ドレイン３４とを分離し、矢印３８で示すように、フローティングゲートとドレイン領域との間に電子のトンネル作用が容易に生じるようにしている。従って、ＦＰＧＡセルの消去は、ドレインソース及びチャンネル領域からフローティングゲートへの電子のトンネル作用によって生じる。ＦＰＧＡセルのプログラミングは、フローティングゲートからドレイン及び／又はソースへの電子のトンネル作用によって生じる。
【０００９】
図３は、図１のＦＰＧＡセルのレイアウトの平面図である。スイッチトランジスタ１０及び感知トランジスタ１２は、半導体ウェハにおいて離間水平整列状態にあり、フローティングゲート２６は、トランジスタ１０のソース及びドレインと感知トランジスタ１２のソース及びドレインとの間のチャンネル領域に重畳する第１のポリシリコンライン（ポリ１）を含む。ポリ１ラインは、セルの各側で終り、隣接セルへ続かない。２つのトランジスタの制御ゲート２８、３０は、第２のポリシリコンライン（ポリ２）３２によって形成され、これは、ポリ１ラインの上に延び、そしてそれと自己整列される。ポリ２ラインは、その行に配列されたセルの全てのトランジスタへと続く。ドレイン列ライン２２は、ドレインへの接点１８に接続され、そしてその列の全ての感知トランジスタのドレイン端子に接触するように垂直方向に続く。同様に、ソース列メタルライン２４は、ソース接点２０に係合し、そしてその列の感知トランジスタの全てのソース領域に接触するように垂直方向に延びる。従って、ＦＰＧＡセルのある列において、全ての感知トランジスタのソースは、ソース列と称する１つの列ラインに接続され、そして全てのドレインは、ドレイン列と称する第２の列ラインに接続される。図３に示すセルは、これも又プログラム及び消去機能を遂行する隣接感知デバイスに対し共用ソース接点の半分と共用ドレイン接点の半分とを含む。上記したように、感知デバイスは、スイッチトランジスタがＦＰＧＡアレーに配線されアクセスできないので、各ＦＰＧＡセルのプログラムされた状態又は消去された状態をテストするために必要とされる。
【００１０】
ＦＰＧＡタイルは、例えば、コアタイルの場合に３２行ｘ５列のＦＰＧＡセルのアレーより成る。図４及び５は、各々、このようなアレーにおける２列及び４行の回路図及び平面図である。図１ないし３の参照番号が、図４及び５において全てのポリ１フローティングゲート２６、ポリ２行ライン３２、ドレイン列ライン２２及びソースメタル列ライン２４と共に使用される。４つの行は、Ｒｏｗi ないしＲｏｗi+3 で示され、ドレイン列は、ＤＣＯＬj 及びＤＣＯＬj+1 で示され、そしてソース列は、ＳＣＯＬj 及びＳＣＯＬj+1 で指示されている。感知トランジスタのアレーにおいて各ビットのプログラム及び消去された感知トランジスタのスレッシュホールドの測定は、列の各非選択ビットの感知トランジスタを「オフ」にバイアスしそして選択ビットを限界処理(margining) することによりＮＯＲ  ＲＯＭがアクセスされるのと同様に実行される。この測定「限界処理」は、選択されたセルの制御ゲート（行）電圧を変えながら、ドレイン電流がある基準レベルの上となるか下となるかを検出することにより行われる。行バイアスは、多数の動作モードをもつ列ドライバにより駆動される。それらは、「消去」中にはアレーに対して高い正の電圧を供給しなければならず、「プログラム」及び「読み取り」中には正及び負の電圧を行に供給しなければならず、そして「動作」モード中には一定の正のバイアスを供給しなければならない。列バイアスは列ドライバにより付与される。プログラムするためには、列が正の電圧に対して対として駆動されねばならない。対の一方は、その他方が接地レベルに保持される間に「読み取り」中の電流を感知しながら低い正の電圧レベルに強制される。他の全ての時間には、それらが両方とも接地又は開路される。
【００１１】
テーブル１は、全ての動作モードに対しおおよその行及び列並びにピーク電圧レベルを示す。プログラムの障害は、行選択／非選択ウインドウ電圧を列選択／非選択ウインドウ電圧とＶUUD だけ重畳することによって許容レベルに減少される。この電圧は、行及び列の両方が非選択であるプログラムビットにはストレスを及ぼすが、行又は列のみ（両方ではない）が非選択である消去ビットのプログラミングストレスを減少する。これらの方式は、理想的な例であり、周辺回路のブレークダウン電圧や、行対列のプログラミング時間要素を考慮して、電圧レベルを調整することができる。
0004347922.tif 000002
【００１２】
図６は、「消去」中に行に印加される電圧の波形を示す。これはバルク動作であるから、障害は生じない。消去中に、感知トランジスタのドレイン／ソース、及び表面を逆に有するチャンネルから、フローティングポリシリコンゲートへと電子のトンネル作用が生じる。これは、スイッチ及び感知トランジスタのフローティングゲートに負の電荷を残し、行（制御ゲート）からフローティングゲートに相補的な電圧が接続されない限りそれらを「オフ」にする。
【００１３】
書き込み又は「プログラミング」動作は、選択、消去されたスイッチ及び感知トランジスタを「オン」状態に戻すのに使用される。これは、行に負の電圧をそして列対に正の電圧を強制することにより行われる。フローティングゲートは、感知トランジスタのドレイン及びソースに対して負に駆動され、そしてフローティングゲートからドレイン接合へ電子のトンネル作用が生じ、ドレイン接合は、図２に示すように、片側又は両側においてフローティングゲート及びポリシリコンゲート積層体の下に述べるように処理される。この動作は、フローティングゲートに正の正味電荷を残し、これは、スイッチ及び感知トランジスタを「オン」状態にする。
【００１４】
図７は、「プログラム」動作中の選択された行及び列に対する波形を示す。行（制御ゲート）は、負に傾斜され、一方、列ラインは、正に傾斜されて、フローティングゲートから電子を除去し、これは、プログラミング後にフローティングゲートに正の正味電荷を残す。
【００１５】
図８は、「プログラム」動作中に選択された行及び非選択の列に適用される波形を示す。
図９は、「プログラム」動作中に非選択の行及び選択された列に対する電圧波形を示す。
図１０は、「プログラム」動作中に行及び列の両方が非選択の場合の電圧波形を示す。
【００１６】
読み取り限界処理動作中に、選択されたタイル（図４）の感知トランジスタは「オン」にされ、そしてアレーの残り部分における全ての非選択の行は負の電圧にされて、それらを「オフ」にする。選択された行の電圧は、「消去」ビットに対して高い傾斜にされる。バイアスが低い電圧にセットされた状態で列がスレッシュホールド電流に達すると、行電圧がそのビットの「消去限界」として記録される。同様に、行電圧は、プログラムされたビットに対して負に傾斜され、そしてスレッシュホールド電流の電圧が「プログラム限界」となる。
【００１７】
ＦＰＧＡの動作モードでは、全ての行に正のＤＣバイアスが印加される。これは、スイッチの動作の電圧ウインドウを、消去されたセルに対する弱い「オフ」から、プログラムされたセルに対する強い「オン」へシフトし、そして「オフ」のスイッチの電流を妨げずに全振幅信号を「オン」のスイッチに通過できるようにする。
プログラミング中に行及び列に印加される電圧の選択／非選択ウインドウを重畳することにより書き込み障害が最小にされる。これは、行又は列のいずれかが選択された非選択のセルにおける障害領域を減少するが、行も列も選択されないセルの障害バイアスを増加させる。行及び列の電圧ウインドウは、全ての場合のプログラミング障害を最小にするように重畳される。
【００１８】
逆極性の時間的にリニアな電圧傾斜を選択された行及び列に印加することにより、他の波形の作用に対しその選択された行又は列における非選択のセルからの電荷除去が最小にされる。
従来の行プログラミングに代わって列プログラミングを使用して全体的な障害を減少することができる。この解決策の効果は、行及び列の結合比の相違により非選択の行の障害が非選択の列よりも大きくなることである。しかしながら、この解決策の欠点は、回路の面積、テストの複雑さ及びテスト時間に関して、列のプログラミングの実施にコストがかかることである。
【００１９】
上記したＦＰＧＡセル及びアレーは、若干のマスクと共に従来のＥＥＰＲＯＭ−ＣＭＯＳ処理を用いて容易に製造される。プログラミング及び消去にトンネル酸化物を使用することにより、非自己整列のＥＰＲＯＭセル構造体及びそれに関連したマスキング処理段階の使用が回避される。２デバイスのセル構造は、面積が小さく、消去及びプログラミングの両方の状態に対して各ビットの完全な限界処理が達成される。
【００２０】
特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これは、単に本発明を例示するものに過ぎず、本発明をこれに限定するものではない。請求の範囲に規定された本発明の真の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更や応用がなされることが当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＦＰＧＡセルの回路図である。
【図２】図１の感知トランジスタの断面図である。
【図３】図１のＦＰＧＡセルのレイアウトを示す平面図である。
【図４】２列及び４行のＦＰＧＡタイルの一部分を示す回路図である。
【図５】図４のＦＰＧＡセルの平面図である。
【図６】本発明によるＦＰＧＡセルアレーの行に付与される消去電圧波形を示す図である。
【図７】選択されたセルに対するプログラミング電圧波形を示す図である。
【図８】非選択のプログラミング波形（行選択、列非選択）に対する電圧波形を示す図である。
【図９】非選択のプログラミング波形（行非選択、列選択）を示す図である。
【図１０】非選択のプログラミング波形（行非選択、列非選択）を示す図である。
【符号の説明】
１０  スイッチトランジスタ
１２  感知トランジスタ
１４、１６、１８、２０  接点
２６  共通のフローティングゲート
２８、３０  制御ゲート
３４  ドレイン
３５  ソース
３６  トンネル酸化物
【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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【図８】
0004347922.tif 000010
【図９】
0004347922.tif 000011
【図１０】
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