[发明专利]半导体装置及其操作方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请包含与2011年2月21日向日本专利局提交的日本专利申请JP2011-34797中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。

技术领域

本发明涉及一种具有适于用作一次可编程(One-time Programmable，OTP)元件的存储元件的半导体装置以及这种半导体装置的操作方法。

背景技术

OTP元件是即便在切断装置电源时仍可保存信息的非易失性存储元件，并且已有人提议了一些结构，诸如熔丝型、反熔丝型等。

在熔丝型OTP元件中，例如，通过对由多晶硅等制成的电阻元件供给大电流而使电阻熔断，使两个电极间的状态由短接(短路)状态变为断开(开路)状态，从而进行信息写入操作。另一方面，在反熔丝型OTP元件中，例如，通过将等于或大于介质电压的电压施加于金属氧化物半导体(MOS)型电容元件，导致介电膜发生介质击穿，于是两个电极间的状态由开路状态变为短路状态。换言之，在该反熔丝型OTP元件中，通过使两个电极间的状态由开路状态变为短路状态，从而进行信息写入操作。

而且，例如，日本未经审查的专利申请(PCT申请的公开日文译文)JP2006-510203号公报提出了利用与上述技术不同的技术的反熔丝型OTP元件。

发明内容

上述日本未经审查的专利申请JP 2006-510203号公报中的OTP元件利用了MOS晶体管中的骤回崩溃现象(snapback phenomenon)。所述骤回崩溃现象为这样的现象，其中，当通过将预定电压(栅极电压)施加给栅极而使晶体管处于导通状态并然后使栅极电压下降时，强制产生了强夹断，并且以低于一般MOS晶体管的耐压的电压而使大电流流过源极和漏极之间。在日本未经审查的专利申请JP 2006-510203号公报中的OTP元件中，在发生该骤回崩溃现象时流过的大电流会破坏PN结，结果，在源极和漏极之间发生短路。换言之，以类似于上述普通的反熔丝型OTP元件的方式，通过使两个电极间的状态由开路状态变为短路状态，在该OTP元件的两个电极之间进行信息写入操作。

顺便提及，在上述典型的熔丝型OTP元件中，在写入操作时为了熔断电阻，要求提供大电流。因此，需要有允许大电流流过的电流容量高的晶体管以及足够宽以通过大电流的布线，从而使包括用于写入操作的外围部分在内的整个电路的面积增大。此外，需要使OTP元件自身相比于普通晶体管的元件尺寸大，这样，当存储装置中的位数增加时，还导致关于面积方面的缺点。

另一方面，在上述典型的反熔丝型OTP元件中，需要施加高电压以使介电膜发生介质击穿。高电压处于超过了使用介电膜作为栅极绝缘膜的普通MOS晶体管的耐压的等级，于是，期望提供一种耐压更高的晶体管以便对OTP元件进行写入操作。因此，仍然会导致存储装置的面积增大，或者导致制造工艺的增加。

相比之下，在上述日本未经审查的专利申请JP 2006-510203号公报中的OTP元件中，因为PN结被发生骤回崩溃现象时流过的大电流破坏，故大电流还流过晶体管(选择晶体管)以选择待驱动(作为写入操作对象)的OTP元件。这里，在这种技术中，如前所述，通过降低OTP元件的栅极电压而使其中电流流过OTP元件和选择晶体管的状态(导通状态)变为骤回崩溃模式，从而使大电流流过。因此，存在这样的担忧，即，当最初导通状态时的选择晶体管的电阻值大时，OTP元件的两端间的电压由于电压降而降低。因此，在选择晶体管中，期望例如通过将沟道区设定为大宽度(栅极宽度)而降低电阻值。这会导致选择晶体管的元件尺寸增大。

此外，该选择晶体管还用于在写入操作以后的读出操作时选择作为读出对象的OTP元件，于是，不允许在写入操作时破坏选择晶体管。因此，期望选择晶体管具有足够高的电流容量，以便在导通状态下允许在写入操作时流过足够大的电流通过，并且考虑到这一点，也期望使选择晶体管的元件尺寸大于OTP元件。

因此，在日本未经审查的专利申请JP 2006-510203号公报中的OTP元件中，虽然可使OTP元件的元件尺寸与普通的MOS晶体管基本上相同，但用来与OTP元件配对的选择晶体管的元件尺寸大于OTP元件。结果，每个位的存储单元(所谓的“1T1R”型存储单元)整体上导致了元件面积的增加。

这样，在具有典型的存储元件(OTP元件)的半导体装置中，难以减小面积，并且期望提供一种技术以改善这种状况。

因此，期望提供一种可减小面积的半导体装置及其操作方法。