JP2007188547A - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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JP2007188547A JP2006003258A JP2006003258A JP2007188547A JP 2007188547 A JP2007188547 A JP 2007188547A JP 2006003258 A JP2006003258 A JP 2006003258A JP 2006003258 A JP2006003258 A JP 2006003258A JP 2007188547 A JP2007188547 A JP 2007188547A
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Shigehiro Otani
滋宏 大谷
Masaki Nakamura
正樹 中村
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Sharp Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nonvolatile semiconductor memory device in which erasure can be easily performed in a short period of time. <P>SOLUTION: The nonvolatile semiconductor memory device is provided with memory cells having MOSFET structure. In the case where a first logic state is stored when the threshold voltage of the memory cell is lower than the prescribed first reference voltage, and a second logic state is stored when the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage and lower than a second reference voltage being higher than the first reference voltage, when the storage state of the memory cell in the second logic state is changed to the first logic state, reference voltage change processing is performed in which the setting value of the first reference voltage discriminating the first logic state or the second logic state is changed to the setting value of second reference voltage before the change instead of changing the threshold voltage of the memory cell. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、フローティングゲートを備え電気的に書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置に関する。特に、消去時の時間の短縮方法に関するものである。   The present invention relates to an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device having a floating gate. In particular, the present invention relates to a method for shortening the time for erasing.

従来技術に係るメモリセルとして、フラッシュ型EEPROMにおいてETOX(米国インテル社登録商標)型メモリセルが知られている。このETOX型セルは、図8に示すように、半導体基板11内に、半導体基板と逆の極性を有するソース12及びドレイン13が形成されており、ソース12・ドレイン13間上にはゲート絶縁膜14、フローティングゲート15、層間絶縁膜16、及び、コントロールゲート17がこの順に形成されている。   As a memory cell according to the prior art, an ETOX (registered trademark of US Intel Corporation) type memory cell is known in a flash type EEPROM. As shown in FIG. 8, in this ETOX type cell, a source 12 and a drain 13 having opposite polarities to the semiconductor substrate are formed in a semiconductor substrate 11, and a gate insulating film is formed between the source 12 and the drain 13. 14, a floating gate 15, an interlayer insulating film 16, and a control gate 17 are formed in this order.

このETOX型セルの動作原理は、書き込み動作、読み出し動作、及び、消去動作からなる。書き込み(プログラム)動作時には、ソース12に電圧Vsとして通常低電圧(例えば0V)を印加し、ドレイン13に電圧Vd(例えば6V)を印加し、コントロールゲート17には高電圧Vpp(例えば12V)を印加する。この時、ドレイン13・ソース12間にはホットエレクトロンとホットホールが発生する。ホットホールは基板電流として基板に流れ込む。一方、ホットエレクトロンはフローティングゲート15に注入され、トランジスタのコントロールゲート17からみた閾値電圧が上昇する。   The operation principle of the ETOX type cell includes a write operation, a read operation, and an erase operation. During a write (program) operation, a low voltage (eg, 0V) is normally applied to the source 12 as the voltage Vs, a voltage Vd (eg, 6V) is applied to the drain 13, and a high voltage Vpp (eg, 12V) is applied to the control gate 17. Apply. At this time, hot electrons and hot holes are generated between the drain 13 and the source 12. Hot holes flow into the substrate as substrate current. On the other hand, hot electrons are injected into the floating gate 15 and the threshold voltage seen from the control gate 17 of the transistor increases.

また、読み出し動作時には、ソース12に低電圧(例えば0V)を印加し、ドレイン13にソース12に印加した電圧より少し高い電圧(例えば1V)を印加し、コントロールゲート17に5Vを印加する。この時、書き込み状態のメモリセルと非書き込み状態のメモリセルとでは、閾値電圧が異なることからソース12・ドレイン13間に流れ込む電流が異なる。これをセンスして、ある一定電流より電流が大きい場合を“1”(消去状態のメモリセル)、小さい場合を“0”(書き込み状態のメモリセル)としている。   In a read operation, a low voltage (for example, 0 V) is applied to the source 12, a voltage (for example, 1 V) slightly higher than the voltage applied to the source 12 is applied to the drain 13, and 5 V is applied to the control gate 17. At this time, the current flowing between the source 12 and the drain 13 differs between the memory cell in the written state and the memory cell in the non-written state because the threshold voltage is different. This is sensed, and when the current is larger than a certain constant current, it is “1” (erased memory cell), and when it is smaller, it is “0” (written memory cell).

消去動作時には、ソース12に高電圧Vpp(例えば12V)を印加し、コントロールゲート15に低電圧(例えば0V)を印加し、更に、ドレイン13がフローティング状態に保たれている。これにより、フローティングゲート17・ソース12間にトンネル酸化膜を介してファウラーノルドハイム電流が流れ、フローティングゲート17から電子が抜き取られる。   During the erase operation, a high voltage Vpp (for example, 12V) is applied to the source 12, a low voltage (for example, 0V) is applied to the control gate 15, and the drain 13 is kept in a floating state. As a result, a Fowler-Nordheim current flows between the floating gate 17 and the source 12 via the tunnel oxide film, and electrons are extracted from the floating gate 17.

更に、このような動作原理により書き込み及び消去するメモリセルが、所定の閾値電圧以上若しくは以下になっているかを確認するために、ベリファイを行う。書き込みベリファイは、閾値電圧(Vthp)の高い(例えば5.3V)リファレンスセルと比較し、メモリセルの閾値電圧がリファレンスセルの閾値電圧以上となっている場合、書き込み状態であると判断している。一方、消去ベリファイは、閾値電圧(Vthe)が低い(例えば3.1V)リファレンスセルと比較して、メモリセルの閾値電圧がリファレンスセルの閾値電圧以下となっている場合、消去状態であると判断している。   Further, verification is performed in order to confirm whether the memory cell to be written and erased is above or below a predetermined threshold voltage according to such an operation principle. The write verify is determined to be in the write state when the threshold voltage of the memory cell is equal to or higher than the threshold voltage of the reference cell as compared with a reference cell having a high threshold voltage (Vthp) (for example, 5.3 V). . On the other hand, the erase verify is determined to be in the erased state when the threshold voltage of the memory cell is equal to or lower than the threshold voltage of the reference cell as compared with the reference cell having a low threshold voltage (Vthe) (eg, 3.1 V). is doing.

ここで、通常、チップ内のメモリセルの特性にはばらつきがあり、消去後のセルの閾値電圧分布にはばらつきが生じる。図9、図10に、消去後のメモリアレイのセルの閾値電圧分布の一例を示す。図9から分かるように、消去後に、メモリセルの閾値電圧Vthは、ある一定の値ではなく、電圧Vthminから電圧Vthmaxの値をもつ。尚、電圧Vtheは、消去状態と書き込み状態とを判別するためのリファレンスセルの閾値電圧である。仮に、消去パルスを更に印加すると、図10に示すように、電圧Vthminの
値は0V以下になる。これが過剰消去である。過剰消去、つまりVth<0となったメモ
リセルでは、ワード線電圧=0Vにおいてもオンし、そのメモリセルが存在するビット線に繋がるメモリセルのデータは全て“1”と判断されることになり、データの読み出しが正常に行えない。従って、メモリセルの閾値電圧Vthは、0<Vth<Vtheの範囲で分布しなければならない。
Here, normally, the characteristics of the memory cells in the chip vary, and the threshold voltage distribution of the cells after erasure varies. 9 and 10 show an example of the threshold voltage distribution of the cells in the memory array after erasure. As can be seen from FIG. 9, after erasing, the threshold voltage Vth of the memory cell has a value from the voltage Vthmin to the voltage Vthmax rather than a certain constant value. The voltage Vthe is a threshold voltage of the reference cell for determining the erased state and the written state. If an erase pulse is further applied, the value of the voltage Vthmin becomes 0 V or less as shown in FIG. This is over-erasing. In the memory cell in which over-erasure, that is, Vth <0, the memory cell is turned on even when the word line voltage = 0V, and all the data in the memory cell connected to the bit line in which the memory cell exists is determined to be “1”. Data reading cannot be performed normally. Therefore, the threshold voltage Vth of the memory cell must be distributed in the range of 0 <Vth <Vthe.

このような過剰消去を防止するために、通常、消去用のリファレンスセルの閾値電圧Vtheは、0Vよりかなり高い値(例えば3.3V)に設定されている。このことから、低電圧化が進行し、例えば電源電圧が3Vの場合、リファレンスセルのトランジスタは、ワード線に電源電圧を印加すると、常にオフした状態になり、正確なベリファイ及び読み出しが行えない。従って、通常、このような低電圧電源下での読み出し動作等の動作は、ワード線電圧を昇圧して行われる。この方法の場合、ワード線電圧を昇圧するタイミングが微妙なため、アクセスタイム等の高速化が困難である。更に、ワード線を昇圧する回路が必要になり、そこでの電流消費が問題となり、低電圧化を進めるためにはリファレンスセルの閾値電圧を少なくとも電源電圧より低い値に設定することが望まれている。   In order to prevent such excessive erasure, the threshold voltage Vthe of the reference cell for erasure is normally set to a value considerably higher than 0V (for example, 3.3V). For this reason, when the voltage is lowered and the power supply voltage is 3 V, for example, the transistor of the reference cell is always turned off when the power supply voltage is applied to the word line, and accurate verification and reading cannot be performed. Therefore, normally, operations such as a read operation under such a low voltage power source are performed by boosting the word line voltage. In the case of this method, the timing for boosting the word line voltage is delicate, so it is difficult to increase the access time and the like. Furthermore, a circuit for boosting the word line is required, and current consumption becomes a problem. To advance the voltage reduction, it is desirable to set the threshold voltage of the reference cell to at least a value lower than the power supply voltage. .

図11は、このような従来技術に係るフラッシュメモリを用いたソース共通型のメモリセルアレイの構成を示している。行デコーダ21にはアドレス信号A6〜A16が入力され、列デコーダ22にはデータ(D0〜D7)及びアドレス信号A0〜A5が入力され、更に、消去回路23には消去信号Eが入力されている。このメモリセルアレイは、m本(例えばm=2048)のワード線WL1,・・・,WLmを有し、このワード線1本あたりn個(例えばn=512)のメモリセルMCのコントロールゲートが繋がっている。つまり、n本のビット線BL1,・・・,BLnを有している。従って、このメモリセルアレイのメモリ容量はm×n個(例えば1MB)である。また、このメモリセルアレイのソースは共通であり、共通ソース線SLは消去回路23に接続されている。   FIG. 11 shows a configuration of a common source memory cell array using such a conventional flash memory. Address signals A6 to A16 are input to the row decoder 21, data (D0 to D7) and address signals A0 to A5 are input to the column decoder 22, and an erase signal E is input to the erase circuit 23. . This memory cell array has m (for example, m = 2048) word lines WL1,..., WLm, and n (for example, n = 512) control gates of memory cells MC are connected to each word line. ing. That is, it has n bit lines BL1,..., BLn. Therefore, the memory capacity of this memory cell array is m × n (for example, 1 MB). The sources of the memory cell array are common, and the common source line SL is connected to the erase circuit 23.

書き込み動作時は、データの内容により、選択された書き込みを行うメモリセル、つまり、データを“0”にするメモリセルはビット線の電圧を電圧Vdとし、書き込みを行わないセル、つまり、データを“1”のままにするメモリセルはビット線の電圧を電圧Vssとする。更に、選択されたワード線には電圧Vppが印加され、これによって、メモリセルには所望のデータが書き込まれる。   During the write operation, the memory cell that performs the selected write, that is, the memory cell that sets the data to “0”, depending on the data content, sets the voltage of the bit line to the voltage Vd, and the cell that does not perform the write, that is, the data The memory cell that remains “1” has the bit line voltage Vss. Further, a voltage Vpp is applied to the selected word line, whereby desired data is written in the memory cell.

読み出し動作時は、書き込み動作時と同様に、ワード線に電圧Vccを、ビット線には1V程度の電圧を夫々印加する。メモリセルに流れる電流によりセンスアンプで“1”,“0”を判定し、I/Oからデータが読み出される。   During the read operation, a voltage Vcc is applied to the word line and a voltage of about 1 V is applied to the bit line, as in the write operation. The sense amplifier determines “1” or “0” based on the current flowing through the memory cell, and data is read from the I / O.

消去動作時は、消去信号が消去回路に入力され、図11に示すように、アレイ状に配置された全てのメモリセルのトランジスタのソースに電圧Vppを印加することで、メモリセルアレイ中の全てのメモリセルを同時に消去することが出来る。   During the erase operation, an erase signal is input to the erase circuit, and as shown in FIG. 11, by applying the voltage Vpp to the sources of the transistors of all the memory cells arranged in an array, all of the memory cell arrays Memory cells can be erased simultaneously.

上記動作原理及びメモリセルの構成を有するフラッシュメモリの消去動作時のシーケンスについて述べる。図12は、一般的な消去シーケンスを示している。先ず、過消去を防止するために、全てのメモリセルを書き込み状態にして閾値電圧を上げるプリコンディション処理を行う(ステップ51)。続いて、メモリセルの閾値電圧が、プリコンディション処理で用いるリファレンスセルの閾値電圧を上回っているか否かを検証する書き込み検証を行う(ステップ52)。メモリセルの閾値電圧がリファレンスセルの閾値電圧を上回っていなければ(ステップ52でNo分岐)、メモリセルの閾値電圧を上げるための書き込み動作を行うためにステップ51の処理を再度繰り返す。メモリセルの閾値電圧がリファレンスセルの閾値電圧を上回っている場合は(ステップ52でYes分岐)、メモリセルの閾値電圧を下げるための消去処理を行う(ステップ53)。引き続き、メモリセルの閾値電圧が消去動作で用いるリファレンスセルの閾値電圧を下回っているかを検証する消去検証を行い、メモリセルの閾値電圧がリファレンスセルの閾値電圧を下回っておらず消去状態でないと判断されれば(ステップ54でNo分岐)、ステップ53に戻り、再度メモリセルの閾値電圧を下げる消去処理を行う。メモリセルの閾値電圧がリファレンスセルの閾値電圧を下回っていると判断された場合は(ステップ54でYes分岐)、閾値電圧の下がりすぎているメモリセルを正常な消去状態の閾値電圧範囲に収めるため書き込みを行うポストコンディション処理を行う(ステップ55)。引き続き、メモリセルの閾値電圧が正常な消去状態の閾値電圧範囲にあるかを検証し(ステップ56)、正常な消去状態の閾値電圧範囲になければ(ステップ56でNo分岐)、ステップ55に戻り、再度ポストコンディション処理を行う。正常な消去状態の閾値電圧範囲にあれば(ステップ56でYes分岐)、消去シーケンスが完了する。   A sequence at the time of erasing operation of the flash memory having the above operating principle and memory cell configuration will be described. FIG. 12 shows a general erase sequence. First, in order to prevent over-erasing, a preconditioning process for raising the threshold voltage is performed with all memory cells in a write state (step 51). Subsequently, write verification is performed to verify whether or not the threshold voltage of the memory cell exceeds the threshold voltage of the reference cell used in the preconditioning process (step 52). If the threshold voltage of the memory cell does not exceed the threshold voltage of the reference cell (No branch at step 52), the process of step 51 is repeated again to perform a write operation for increasing the threshold voltage of the memory cell. If the threshold voltage of the memory cell is higher than the threshold voltage of the reference cell (Yes in step 52), an erasing process is performed to lower the threshold voltage of the memory cell (step 53). Subsequently, erase verification is performed to verify whether the threshold voltage of the memory cell is lower than the threshold voltage of the reference cell used in the erase operation, and it is determined that the memory cell threshold voltage is not lower than the reference cell threshold voltage and is not in the erased state. If it is (No branch at step 54), the process returns to step 53, and the erase process for lowering the threshold voltage of the memory cell is performed again. If it is determined that the threshold voltage of the memory cell is lower than the threshold voltage of the reference cell (Yes in step 54), the memory cell whose threshold voltage is too low is included in the threshold voltage range of the normal erase state. Post-condition processing for writing is performed (step 55). Subsequently, it is verified whether the threshold voltage of the memory cell is within the normal erase state threshold voltage range (step 56). If not within the normal erase state threshold voltage range (No branch at step 56), the process returns to step 55. Then, post-condition processing is performed again. If it is within the threshold voltage range of the normal erase state (Yes branch at step 56), the erase sequence is completed.

図13は、従来の2値メモリセルの場合の消去動作時の閾値電圧分布を示している。リファレンスセルの閾値電圧70は、一定で1種類しかなく、閾値電圧分布73にある書き込み状態のメモリセルを消去する場合は、必ず図12に示す消去動作を行い、メモリセルの閾値電圧を消去状態の閾値電圧分布71の領域まで下げなければならない(矢符72)
。このため、閾値電圧分布73にある書き込み状態のメモリセルを消去するには時間がかかり、また消費電流もその回数分増えることになる。
FIG. 13 shows a threshold voltage distribution during an erase operation in the case of a conventional binary memory cell. The threshold voltage 70 of the reference cell is constant and there is only one type. When erasing a memory cell in the write state in the threshold voltage distribution 73, the erase operation shown in FIG. 12 is always performed, and the threshold voltage of the memory cell is erased. Must be lowered to the region of the threshold voltage distribution 71 (arrow 72)
. For this reason, it takes time to erase the memory cell in the threshold voltage distribution 73 in the written state, and the current consumption also increases by the number of times.

特開平11−144480号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-144480

従来の消去動作は、図12に示す動作を必要とするため、読み出し動作及び書き込み動作に比べ処理時間がかかってしまうという問題がある。また、閾値電圧の検証が成功しない場合は、書き込み処理や消去処理を繰り返すため、更に消去動作にかかる時間の増大につながっている。更に、書き込み処理や消去処理を繰り返すことにより、消費電力が増加する問題がある。このため、電気的書込み及び消去可能なフラッシュメモリ等の不揮発性半導体記憶装置において、チップ全体若しくは、ブロックまたはセクタとよばれる一定のメモリ空間の消去時間の短縮が課題となっている。   Since the conventional erase operation requires the operation shown in FIG. 12, there is a problem that it takes a longer processing time than the read operation and the write operation. If the threshold voltage verification is not successful, the writing process and the erasing process are repeated, which further increases the time required for the erasing operation. Furthermore, there is a problem that power consumption increases by repeating the writing process and the erasing process. For this reason, in a nonvolatile semiconductor memory device such as an electrically writable and erasable flash memory, there is a problem of shortening the erasing time of a certain memory space called a whole chip or a block or a sector.

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、消去が容易に且つ短時間に実行できる不揮発性半導体記憶装置を提供する点にある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device that can be easily erased in a short time.

上記目的を達成するための本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、MOSFET構造を有するメモリセルを備えた不揮発性半導体記憶装置であって、前記メモリセルの閾値電圧が、所定の第1基準電圧より低いときに第1論理状態が記憶されているとし、前記第1基準電圧より高く、前記第1基準電圧より高い第2基準電圧より低いときに第2論理状態が記憶されていると設定している場合において、前記第2論理状態にある前記メモリセルの記憶状態を前記第1論理状態に変化させる場合に、前記メモリセルの閾値電圧を変化させる代わりに、前記第1論理状態と前記第2論理状態とを判別する前記第1基準電圧の設定値を、変更前の前記第2基準電圧の設定値に変更する基準電圧変更処理を行うことを第1の特徴とする。   In order to achieve the above object, a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is a nonvolatile semiconductor memory device including a memory cell having a MOSFET structure, and the threshold voltage of the memory cell is a predetermined first reference voltage. It is assumed that the first logic state is stored when lower, and the second logic state is stored when higher than the first reference voltage and lower than the second reference voltage higher than the first reference voltage. When the storage state of the memory cell in the second logic state is changed to the first logic state, the first logic state and the first logic state are changed instead of changing the threshold voltage of the memory cell. The first characteristic is that a reference voltage changing process is performed to change the set value of the first reference voltage for determining the two logic state to the set value of the second reference voltage before the change.

上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、前記基準電圧変更処理後、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より低い前記第1論理状態から、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高い前記第2論理状態に切り替えるときは、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高くなるように、前記メモリセルの閾値電圧を切り替えることを第2の特徴とする。   In the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention having the above characteristics, after the reference voltage changing process, the threshold voltage of the memory cell is changed from the first logic state in which the threshold voltage of the memory cell is lower than the changed first reference voltage. When switching to the second logic state where the voltage is higher than the first reference voltage after the change, the threshold voltage of the memory cell is set so that the threshold voltage of the memory cell becomes higher than the first reference voltage after the change. Switching is a second feature.

上記第1特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、前記基準電圧変更処理後、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より低い前記第1論理状態から、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高い前記第2論理状態に切り替えるときは、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高く、前記基準電圧変更処理において変更前の第2基準電圧より高く設定された変更後の前記第2基準電圧より低くなるように、前記メモリセルの閾値電圧を切り替えることを第3の特徴とする。   In the nonvolatile semiconductor memory device according to the first aspect of the present invention, after the reference voltage changing process, the memory cell is changed from the first logic state in which a threshold voltage of the memory cell is lower than the changed first reference voltage. When switching to the second logic state in which the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage after the change, the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage after the change and before the change in the reference voltage changing process According to a third aspect of the present invention, the threshold voltage of the memory cell is switched so as to be lower than the changed second reference voltage set higher than the second reference voltage.

上記何れかの特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、前記第1基準電圧及び前記第2基準電圧の設定値の切り替え制御を、読み出しリファレンスセルの閾値電圧の切り替えで行う制御部を備えることを第4の特徴とする。   The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention having any one of the above features includes a control unit that performs switching control of the set values of the first reference voltage and the second reference voltage by switching of the threshold voltage of the read reference cell. This is the fourth feature.

上記特徴の本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、前記制御部をメモリセルアレイ全体若しくは分割された一部のブロック単位で配置していることを第5の特徴とする。   The nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention having the above characteristics is characterized in that the control section is arranged in the whole memory cell array or in a part of divided blocks.

本発明によれば、第2論理状態(例えば、書き込み状態)にあるメモリセルの記憶状態を第1論理状態(例えば、消去状態)に変化させる場合に、メモリセルの閾値電圧を変化させる代わりに、第1論理状態と第2論理状態とを判別する第1基準電圧の設定値を、変更前の第2基準電圧の設定値に変更する基準電圧変更処理を行うので、実際には消去動作を行うことなく、メモリセルの消去を行うことができ、回数が制限されるものの、基準電圧変更処理を繰り返す事で、消去時間の大幅な短縮が図れる。例えば、ETOX構成でのフラッシュメモリのセクタ消去時間は、通常、数百ms〜数sであるが、本発明を用いる事で、セクタ消去に係る時間はリファレンスセル情報の記憶のみであるため、数十us程度(通常のフラッシュメモリでの書き込み時間)に抑える事が可能となる。また、実際には消去動作を行わないため、消去動作にかかる消去パルスを印加することもなく消費電力を抑えることができる。更に、実際には消去動作を行わないため、消去パルスの印加の回数も減らせる。よってメモリセル自体への負担も少なくなり耐久性の面でも有利である。   According to the present invention, when the storage state of the memory cell in the second logic state (for example, the write state) is changed to the first logic state (for example, the erase state), instead of changing the threshold voltage of the memory cell. Since the reference voltage changing process for changing the set value of the first reference voltage for determining the first logic state and the second logic state to the set value of the second reference voltage before the change is performed, the erase operation is actually performed. Although the memory cell can be erased without being performed and the number of times is limited, the erase time can be significantly shortened by repeating the reference voltage changing process. For example, the sector erase time of the flash memory in the ETOX configuration is normally several hundred ms to several s, but by using the present invention, the time for sector erase is only the storage of the reference cell information. It can be suppressed to about 10 us (writing time in a normal flash memory). In addition, since the erase operation is not actually performed, the power consumption can be suppressed without applying an erase pulse for the erase operation. Further, since the erase operation is not actually performed, the number of erase pulses applied can be reduced. Therefore, the burden on the memory cell itself is reduced, which is advantageous in terms of durability.

尚、最も高い閾値電圧をもつ読み出しリファレンスセル以上の閾値電圧に書き込んだ際のメモリセルの消去は従来の動作となるが、システム上で消去動作が少ない場合やシステム上のセットアップ・シャットダウン等の一時的に高速な書き換え(消去+書き込み)処理を必要とする場合に有効である。   Note that erasure of memory cells when writing to a threshold voltage higher than the read reference cell having the highest threshold voltage is a conventional operation. However, when there are few erasure operations on the system or temporary setup / shutdown etc. on the system This is effective when high-speed rewrite (erase + write) processing is required.

以下、本発明に係る不揮発性半導体記憶装置(以下、適宜「本発明装置」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。   Embodiments of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention (hereinafter simply referred to as “device of the present invention” as appropriate) will be described below with reference to the drawings.

図1は、本実施形態における本発明装置の一回路構成例を示している。本実施形態の本発明装置は、選択されたリファレンスセルの情報を記憶する読み出しリファレンス記憶部110、リファレンスセル112(RVt0〜Rvtn)、読み出しリファレンス記憶部110の情報に基づいてリファレンスセル112を切り替える読み出しリファレンスセル切り替え回路113、及び、メインメモリセル114を備えて構成される。メモリセルを読み出す際は、メインメモリセル114と切り替えられたリファレンスセル112でセンスする。読み出しリファレンス記憶部110は、メインメモリ同様の不揮発性メモリ(Cell0〜Celln)で構成されており、電源がオフした場合でも読み出しリファレンスに係る情報を失う事はない。また、読み出しリファレンス記憶部110は、図2の読み出しリファレンス記憶部120のように、セクタ毎に配置する事で、セクタ毎に設定する事も可能である。一方、図3の読み出しリファレンス記憶部130のように、デバイス毎に設ける事で、チップ全体で設定することも可能である。   FIG. 1 shows a circuit configuration example of the device of the present invention in this embodiment. The device according to the present embodiment of the present embodiment reads a reference cell 112 that stores information of a selected reference cell, a reference cell 112 (RVt0 to Rvtn), and a read that switches the reference cell 112 based on the information of the read reference memory unit 110. A reference cell switching circuit 113 and a main memory cell 114 are provided. When reading the memory cell, the sensing is performed by the main memory cell 114 and the switched reference cell 112. The read reference storage unit 110 is configured by a non-volatile memory (Cell0 to Celln) similar to the main memory, and does not lose information related to the read reference even when the power is turned off. Further, the read reference storage unit 110 can be set for each sector by arranging the read reference storage unit 110 for each sector like the read reference storage unit 120 of FIG. On the other hand, it is possible to set the entire chip by providing each device as in the read reference storage unit 130 of FIG.

読み出しリファレンス記憶部110は、図4に示すように、リファレンスセルを切り替えると(ステップ60)、現在どの読み出しリファレンスセルが使用されているかを記憶させる(ステップ61)。   As shown in FIG. 4, when the reference cell is switched (step 60), the read reference storage unit 110 stores which read reference cell is currently used (step 61).

続いて、本発明装置の動作について図5〜図7を基に説明する。本実施形態では、図5に示すように、閾値電圧の異なるリファレンスセル80(メモリセルのデータが“0”若しくは“1”であるかを判別するための比較セル)を複数種類設けている(RVt0<RVt1<RVt2・・・<RVtn)。   Then, operation | movement of this invention apparatus is demonstrated based on FIGS. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a plurality of types of reference cells 80 (comparison cells for determining whether memory cell data is “0” or “1”) having different threshold voltages are provided (see FIG. 5). RVt0 <RVt1 <RVt2... <RVtn).

メモリセルの初期の消去状態(第1論理状態に相当)では、メモリセルの閾値電圧(Vt0)が、分布範囲81(Vt0<RVt0)の領域内にあるように設定されている。続いて、データの書き込み動作を行う際は、メモリセルの閾値電圧(Vt1)が、分布範囲84(RVt1<Vt1<RVt2)の領域内となるように書き込みを行う。即ち、閾値電圧が消去状態の分布範囲81(Vt0<RVt0)にあるメモリセルの閾値電圧を、リファレンスセル82の閾値電圧(RVt0、第1基準電圧に相当)を超える領域にメモリセルの閾値電圧を上げ(矢符83)、メモリセルの閾値電圧(Vt1)を書き込み状態(第2論理状態に相当)の分布範囲84(RVt0<Vt1<RVt1)にあるようにする。この際、メモリセルの閾値電圧はリファレンスセル85(RVt1、第2基準電圧に相当)の閾値電圧を超えないように、分布範囲85に収まるように制御されている。尚、書き込み時におけるメモリセルの分布範囲を一定の領域に抑える手法には、1セルに数ビットのデータを保持する事のできる多値技術の手法がある。   In the initial erase state (corresponding to the first logic state) of the memory cell, the threshold voltage (Vt0) of the memory cell is set to be within the region of the distribution range 81 (Vt0 <RVt0). Subsequently, when performing a data write operation, the write is performed so that the threshold voltage (Vt1) of the memory cell is within the region of the distribution range 84 (RVt1 <Vt1 <RVt2). In other words, the threshold voltage of the memory cell in the region where the threshold voltage exceeds the threshold voltage of the reference cell 82 (RVt0, corresponding to the first reference voltage) is within the erased distribution range 81 (Vt0 <RVt0). (Arrow 83) so that the threshold voltage (Vt1) of the memory cell is in the distribution range 84 (RVt0 <Vt1 <RVt1) of the write state (corresponding to the second logic state). At this time, the threshold voltage of the memory cell is controlled to fall within the distribution range 85 so as not to exceed the threshold voltage of the reference cell 85 (RVt1, corresponding to the second reference voltage). Note that there is a multi-value technique that can hold several bits of data in one cell as a technique for suppressing the distribution range of the memory cells at the time of writing to a certain area.

図6に示すように、書き込み対象となったメモリセルの閾値電圧(Vt1)がリファレンスセル90(RVt0)とリファレンスセル92(RVt1)との間の分布範囲91にある状態でメモリセルに消去動作を行う場合、リファレンスセル90(RVt0)を、より高い閾値電圧をもつリファレンスセル92(RVt1)に切り替える。これによって、リファレンスセル90(RVt0)を超えて分布範囲91にあった書き込み状態のメモリセルは、見かけ上、従来の一連の消去処理を踏むことなく、消去されたものとして認識させることができる。つまり、従来は書き込んだメモリセルの閾値電圧をVt0<RVt0にするのに対して、消去動作を行う事なくリファレンスセルをRVt1に変更するだけで、あたかも消去動作が行われたかのように見せかけ、消去時間の短縮を行うことができる。   As shown in FIG. 6, the memory cell erase operation is performed while the threshold voltage (Vt1) of the memory cell to be written is in the distribution range 91 between the reference cell 90 (RVt0) and the reference cell 92 (RVt1). When performing the above, the reference cell 90 (RVt0) is switched to the reference cell 92 (RVt1) having a higher threshold voltage. As a result, the memory cells in the written state that are in the distribution range 91 beyond the reference cell 90 (RVt0) can be recognized as erased without actually undergoing a series of conventional erase processes. In other words, the threshold voltage of the written memory cell is set to Vt0 <RVt0, whereas the reference cell is changed to RVt1 without performing the erase operation, and it appears as if the erase operation has been performed. Time can be shortened.

更に、図7に示すように、閾値電圧がRVt0とRVt1の間にあるが消去状態となった分布範囲100にあるメモリセルに書き込みを行う際は、リファレンスセル101(RVt1)を越える領域にメモリセルの閾値電圧を上げる処理(矢符102)を行う。これにより、リファレンス101と比較することで分布範囲103にあるメモリセルは書き込み状態と判断される。但し、書き込みの際には、メモリセルの閾値電圧がリファレンスセル104(Rvt2)の閾値電圧を超えず、分布範囲103に収まるように制御する。   Furthermore, as shown in FIG. 7, when writing to a memory cell in the distribution range 100 in which the threshold voltage is between RVt0 and RVt1 but in the erased state, the memory is placed in a region exceeding the reference cell 101 (RVt1). Processing for increasing the threshold voltage of the cell (arrow 102) is performed. Thereby, by comparing with the reference 101, the memory cells in the distribution range 103 are determined to be in the writing state. However, at the time of writing, control is performed so that the threshold voltage of the memory cell does not exceed the threshold voltage of the reference cell 104 (Rvt2) and falls within the distribution range 103.

分布範囲Vti(i=0、1、・・・、n−1)にあるメモリセルを書き込む際には、書き込み対象のメモリセルの閾値電圧が、リファレンスセルRVtiの閾値電圧からリファレンスセルRVti+1の閾値電圧の間の分布範囲Vti+1の領域に収まるように制御する。更に、該メモリセルを消去する場合は、読み出し時に使用するリファレンスセルの設定を、リファレンスセルRVtiからリファレンスセルRVti+1に切り替える処理を行う。つまり、消去状態と書き込み状態とを判別する第1基準電圧と、書き込み状態の閾値電圧分布の上限値である第2基準電圧を、消去動作の度に、第1リファレンスセルの設定値を現在第2基準電圧を与えている第2リファレンスセルの閾値電圧に変更し、第2基準電圧の設定値を次に高電圧のリファレンスセルの閾値電圧に変更する。   When writing a memory cell in the distribution range Vti (i = 0, 1,..., N−1), the threshold voltage of the memory cell to be written is changed from the threshold voltage of the reference cell RVti to the threshold of the reference cell RVti + 1. Control is performed so as to be within the region of the distribution range Vti + 1 between the voltages. Furthermore, when erasing the memory cell, a process of switching the setting of the reference cell used at the time of reading from the reference cell RVti to the reference cell RVti + 1 is performed. That is, the first reference voltage for discriminating between the erased state and the written state and the second reference voltage which is the upper limit value of the threshold voltage distribution in the written state are set to the first reference cell set value for each erase operation. The threshold voltage of the second reference cell to which the two reference voltages are applied is changed, and the set value of the second reference voltage is changed to the threshold voltage of the next higher reference cell.

このような処理を繰り返す事で、消去動作を行うことなくメモリセルの大幅な消去時間の短縮が図れる。但し、最も高い閾値電圧をもつリファレンスセル105(RVtn)まで切り替えが進んだ場合は、通常の消去処理を行い図5に示す状態に戻す。尚、メモリセルアレイを複数のセクタで構成する場合、他のセクタに対する読み出しあるいは書き込み動作中に並行して通常の消去動作を行うように構成すれば、この消去動作時間も外部からは見かけ上、短縮することが可能である。   By repeating such a process, the erase time of the memory cell can be greatly shortened without performing an erase operation. However, when the switching proceeds to the reference cell 105 (RVtn) having the highest threshold voltage, the normal erasing process is performed to return to the state shown in FIG. When the memory cell array is composed of a plurality of sectors, if the normal erase operation is performed in parallel with the read or write operation for other sectors, the erase operation time is apparently reduced from the outside. Is possible.

〈別実施形態〉
上記実施形態では、リファレンスセルの閾値電圧の制御を不揮発性メモリの一般的に使用されるリファレンスセルを用いた方法で記載したが、リファレンスセルの電圧を抵抗を用いて変化させる等、他の方法で制御する事も可能である。
<Another embodiment>
In the above embodiment, control of the threshold voltage of the reference cell is described by a method using a reference cell generally used in a nonvolatile memory. However, other methods such as changing the voltage of the reference cell using a resistor are used. It is also possible to control with.

本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の一回路構成例を示す概略回路図1 is a schematic circuit diagram showing a circuit configuration example of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. 本発明に係る不揮発性半導体記憶装置においてセクタ毎に消去を行う場合に読み出しリファレンス記憶部の構成例を示す概略構成図Schematic configuration diagram showing a configuration example of a read reference storage unit when erasing is performed for each sector in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention 本発明に係る不揮発性半導体記憶装置においてチップ全体で消去を行う場合に読み出しリファレンス記憶部の構成例を示す概略構成図Schematic configuration diagram showing a configuration example of a read reference storage unit when erasing the entire chip in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention 本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の動作を示すフローチャートFlowchart showing the operation of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention. 本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み時の閾値電圧の変化を説明する説明図Explanatory drawing explaining the change of the threshold voltage at the time of writing of the non-volatile semiconductor memory device based on this invention 本発明に係る不揮発性半導体記憶装置のリファレンスセルの切り替えを説明する説明図Explanatory drawing explaining switching of the reference cell of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention 本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の書き込み時の閾値電圧の変化を説明する説明図Explanatory drawing explaining the change of the threshold voltage at the time of writing of the non-volatile semiconductor memory device based on this invention 従来技術に係るメモリセルの概略構成を示す概略構成図Schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a memory cell according to the prior art 消去状態のメモリセルの閾値電圧分布をしめすグラフGraph showing the threshold voltage distribution of an erased memory cell 消去状態のメモリセルの閾値電圧分布をしめすグラフGraph showing the threshold voltage distribution of an erased memory cell 従来技術に係るメモリセルアレイの概略構成を示す概略構成図Schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a memory cell array according to the prior art 従来技術に係るメモリセルの消去動作を示すフローチャートA flowchart showing an erase operation of a memory cell according to the prior art 2値メモリセルの閾値電圧分布を示す分布図Distribution diagram showing threshold voltage distribution of binary memory cell

符号の説明Explanation of symbols

11 半導体基板
12 ソース
13 ドレイン
14 ゲート絶縁膜
15 フローティングゲート
16 層間絶縁膜
17 コントロールゲート
21 行デコーダ
22 列デコーダ
23 消去回路
11 Semiconductor substrate 12 Source 13 Drain 14 Gate insulating film 15 Floating gate 16 Interlayer insulating film 17 Control gate 21 Row decoder 22 Column decoder 23 Erase circuit

Claims (5)

MOSFET構造を有するメモリセルを備えた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記メモリセルの閾値電圧が、所定の第1基準電圧より低いときに第1論理状態が記憶されているとし、前記第1基準電圧より高く、前記第1基準電圧より高い第2基準電圧より低いときに第2論理状態が記憶されていると設定している場合において、
前記第2論理状態にある前記メモリセルの記憶状態を前記第1論理状態に変化させる場合に、前記メモリセルの閾値電圧を変化させる代わりに、前記第1論理状態と前記第2論理状態とを判別する前記第1基準電圧の設定値を、変更前の前記第2基準電圧の設定値に変更する基準電圧変更処理を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A non-volatile semiconductor memory device including a memory cell having a MOSFET structure,
The first logic state is stored when the threshold voltage of the memory cell is lower than a predetermined first reference voltage, and is higher than the first reference voltage and lower than a second reference voltage higher than the first reference voltage. Sometimes when the second logic state is set to be stored,
When the memory state of the memory cell in the second logic state is changed to the first logic state, the first logic state and the second logic state are changed instead of changing the threshold voltage of the memory cell. A non-volatile semiconductor memory device, wherein reference voltage change processing is performed to change a set value of the first reference voltage to be determined to a set value of the second reference voltage before the change.
前記基準電圧変更処理後、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より低い前記第1論理状態から、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高い前記第2論理状態に切り替えるときは、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高くなるように、前記メモリセルの閾値電圧を切り替えることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   After the reference voltage change process, the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage after the change from the first logic state where the threshold voltage of the memory cell is lower than the first reference voltage after the change. 2. The nonvolatile memory according to claim 1, wherein when switching to the two logic state, the threshold voltage of the memory cell is switched so that the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage after the change. Semiconductor memory device. 前記基準電圧変更処理後、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より低い前記第1論理状態から、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高い前記第2論理状態に切り替えるときは、前記メモリセルの閾値電圧が変更後の前記第1基準電圧より高く、前記基準電圧変更処理において変更前の第2基準電圧より高く設定された変更後の前記第2基準電圧より低くなるように、前記メモリセルの閾値電圧を切り替えることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   After the reference voltage change process, the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage after the change from the first logic state where the threshold voltage of the memory cell is lower than the first reference voltage after the change. When switching to the two logic state, the threshold voltage of the memory cell is higher than the first reference voltage after the change, and the changed second reference voltage is set higher than the second reference voltage before the change in the reference voltage change process. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the threshold voltage of the memory cell is switched so as to be lower than a reference voltage. 前記第1基準電圧及び前記第2基準電圧の設定値の切り替え制御を、読み出しリファレンスセルの閾値電圧の切り替えで行う制御部を備えることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The control part which performs switching control of the set value of the said 1st reference voltage and the said 2nd reference voltage by switching of the threshold voltage of a read-out reference cell is provided, The any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Nonvolatile semiconductor memory device. 前記制御部をメモリセルアレイ全体若しくは分割された一部のブロック単位で配置していることを特徴とする請求項4に記載の不揮発性半導体記憶装置。 5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein the control unit is arranged in the whole memory cell array or in a part of a divided block.
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