JP4683457B2 - Nonvolatile memory, data processor and IC card microcomputer - Google Patents

Nonvolatile memory, data processor and IC card microcomputer Download PDF

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Description

本発明は、1個のトランジスタで1個のメモリセルが構成され閾値電圧の高低によって情報保持を行う不揮発性メモリ、前記不揮発性メモリと共に中央処理装置がオンチップされたデータプロセッサに関し、例えばICカード用マイクロコンピュータに適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a nonvolatile memory in which one memory cell is constituted by one transistor and retains information according to a threshold voltage, and a data processor in which a central processing unit is on-chip together with the nonvolatile memory, for example, an IC card TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

特許文献1には電荷蓄積層に窒化膜を用いたMONOS(メタル・オキサイド・ナイトライド・オキサイド・セミコンダクタ)構造のメモリトランジスタとMOS(メタル・オキサイド・セミコンダクタ)スイッチトランジスタとの2素子/1セル型不揮発性メモリについて記載される。不揮発性メモリを低い閾値電圧にするときは、低い閾値電圧にするための電圧を印加する。その逆に、高い閾値電圧にするときは高い閾値電圧にするための電圧を印加する。低い閾値電圧にされた不揮発性メモリセルはデプレッション型とされるが、メモリセルの非選択時にはスイッチトランジスタをオフ状態にして電流を遮断するので、前記メモリトランジスタの閾値電圧が低くなり過ぎても非選択状態でビット線に不所望な電流を流すことはない。   Patent Document 1 discloses a two-element / one-cell type of a memory transistor having a MONOS (metal oxide nitride oxide semiconductor) structure and a MOS (metal oxide semiconductor) switch transistor using a nitride film as a charge storage layer. A non-volatile memory is described. When the nonvolatile memory is set to a low threshold voltage, a voltage for setting the low threshold voltage is applied. Conversely, when a high threshold voltage is set, a voltage for setting a high threshold voltage is applied. A non-volatile memory cell having a low threshold voltage is a depletion type. However, when the memory cell is not selected, the switch transistor is turned off to cut off the current, so that even if the threshold voltage of the memory transistor becomes too low, the non-volatile memory cell is not turned on. An undesired current does not flow through the bit line in the selected state.

特許文献2には1個のトランジスタで1個のメモリセルを構成する(1素子/1セル型)不揮発性メモリの閾値電圧設定方法が記載される。すなわち、不揮発性メモリセルを低い閾値電圧にするとき、低い閾値電圧にするための電圧印加の前に、高い閾値電圧にするための電圧印加を行う。逆に、高い閾値電圧にするときは、高い閾値電圧にするための電圧印加の前に、低い閾値電圧にするための電圧印加を行なう。   Patent Document 2 describes a threshold voltage setting method for a non-volatile memory in which one memory cell is formed by one transistor (one element / one cell type). That is, when the nonvolatile memory cell is set to a low threshold voltage, voltage application for setting a high threshold voltage is performed before voltage application for setting a low threshold voltage. Conversely, when a high threshold voltage is used, voltage application for lower threshold voltage is performed before voltage application for higher threshold voltage.

特許文献3には1素子/1セル型の不揮発性メモリにおいて、消去されたビットがデプレッション型にされる場合、非選択読み出しワード線電位にその閾値電圧より低い電圧(負電圧)を印可して、過電流が流れないようにすることについて記載がある。   In Patent Document 3, in a one-element / one-cell type nonvolatile memory, when an erased bit is made a depletion type, a voltage (negative voltage) lower than the threshold voltage is applied to the unselected read word line potential. There is a description about preventing overcurrent from flowing.

国際公開第03/012878号パンフレットInternational Publication No. 03/012878 Pamphlet 特開平1−113997号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-111397 特開昭60−095795号公報JP 60-095795 A

本発明者はMONOS構造の1個のメモリトランジスタによる1素子/1セル型不揮発性メモリについて検討した。上記特許文献1記載の2素子/1セル構造の不揮発性メモリと同様に、低い閾値電圧にされたときメモリセルがデプレッション型では非選択時にも電流が流れるので、選択読み出しが不可能になる。この点については、浮遊ゲートを持つ不揮発性メモリセルにおいて高低双方の閾値電圧をどちらもエンハンス型に限定する前記特許文献2では生じ得ないことである。   The inventor has studied a one-element / one-cell nonvolatile memory using one memory transistor having a MONOS structure. Similar to the non-volatile memory having a two-element / one-cell structure described in Patent Document 1, when the memory cell is a depletion type, a current flows even when it is not selected, so that selective reading is impossible. Regarding this point, in the nonvolatile memory cell having the floating gate, neither of the high and low threshold voltages can be generated in the above-mentioned Patent Document 2 in which the threshold voltage is limited to the enhanced type.

本発明者は、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルの非選択時にメモリトランジスタをオフ状態にするために、ワード線非選択レベルに負電圧を採用した。特に、消去及び書き込み時間を短縮するためにベリファイ動作を行なわないこととした。そうすると、バイトなどの単位で複数の不揮発性メモリセルに閾値電圧を低くする電圧を印加すると、低い閾値電圧状態と高い閾値電圧状態が混在する複数個の不揮発性メモリセルのうち、当該低い閾値電圧状態の不揮発性メモリセルには低い閾値電圧にするための電圧が重ねて印加される。このように、重ねて印加されると、閾値電圧が徐々に下がって行き、上記ベリファイも行なわないから最後には非選択読み出しワード電位より下がる可能性がある。特許文献3にはこれを回避する方法に言及していない。更にこのとき、デプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルの閾値電圧が徐々に下がって最終的に漸次到達しようとする最低レベルよりもワード線非選択レベルを下げて対処することも可能であるが、そうすると、ワード線を非選択から選択レベルに駆動するのに比較的長い時間を要し、アクセス速度の低下を免れないことが見出された。   The present inventor adopts a negative voltage for the word line non-selection level in order to turn off the memory transistor when the one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when the threshold voltage is set to a low threshold voltage. did. In particular, the verify operation is not performed in order to shorten the erase and write time. Then, when a voltage that lowers the threshold voltage is applied to a plurality of nonvolatile memory cells in units such as bytes, among the plurality of nonvolatile memory cells in which a low threshold voltage state and a high threshold voltage state are mixed, the low threshold voltage A voltage for setting a low threshold voltage is applied to the nonvolatile memory cell in the state in an overlapping manner. As described above, when the voltage is applied repeatedly, the threshold voltage gradually decreases, and the verification is not performed. Patent Document 3 does not mention a method for avoiding this. Further, at this time, the threshold voltage of the one-element / one-cell type memory cell to be a depletion type is gradually lowered, and the word line non-selection level may be lowered below the lowest level to be finally reached gradually. Although it is possible, it has been found that it takes a relatively long time to drive the word line from the unselected to the selected level and is subject to a reduction in access speed.

本発明の目的は、非選択の不揮発性メモリセルに不所望な電流が流れるのを防止することにある。   An object of the present invention is to prevent an undesired current from flowing through a non-selected nonvolatile memory cell.

本発明の別の目的は、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルの閾値電圧が不所望に低いレベルに遷移する事態を防止することにある。   Another object of the present invention is to prevent a situation in which the threshold voltage of a one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when the threshold voltage is lowered is undesirably transitioned to a low level.

本発明の更に別の目的は、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルからの読み出し動作の安定化と高速化、並びに前記メモリセルに対する閾値変更処理の高速化に資することにある。   Still another object of the present invention is to stabilize and increase the speed of a read operation from a one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when a low threshold voltage is set, and to change the threshold value for the memory cell. It is to contribute to speeding up.

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。   The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.

〔1〕不揮発性メモリは、複数の不揮発性メモリセルと、複数のワード線とを有し、前記複数のワード線の夫々は、前記複数の不揮発性メモリセルのうち対応する不揮発性メモリセルに接続される。前記複数の不揮発性メモリセルのそれぞれは、閾値電圧レベルの高低に応じてデータを記憶することが可能であり、低い閾値電圧レベルは負電圧領域とされ、高い閾値電圧レベルは正電圧領域とされる。不揮発性メモリは、前記低い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを高い閾値電圧レベルに変化される第1動作と、前記高い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを低い閾値電圧レベルに変化される第2動作とのそれぞれの動作制御がされ、前記第1動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが接続されたワード線に第1電圧を印加し、前記第2動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが接続されたワード線に第1電圧を印加した後、不揮発性メモリセルの閾値電圧を低い閾値電圧レベルに変化させるための第2電圧をワード線に印加する。要するに、第1動作を書込み動作、第2動作を消去動作とすると、消去動作では予め電圧もしくは電圧印加時間の観点で軽い書込み動作を行なってから閾値電圧を下げる動作を行なう。低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルの閾値電圧が不所望に低いレベルに遷移する事態を防止することができる。したがって、非選択の不揮発性メモリセルに不所望な電流は流れない。読み出し動作における不揮発性メモリセルの非選択レベルを限界まで低くすることを要しない。したがって、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルに対して消去・書き込み時のベリファイを行なわなくても、メモリセルからの読み出し動作の安定化と高速化、前記メモリセルに対する閾値変更処理の高速化に資することができる。   [1] The nonvolatile memory has a plurality of nonvolatile memory cells and a plurality of word lines, and each of the plurality of word lines is a corresponding nonvolatile memory cell among the plurality of nonvolatile memory cells. Connected. Each of the plurality of nonvolatile memory cells can store data according to the level of the threshold voltage level. The low threshold voltage level is a negative voltage region, and the high threshold voltage level is a positive voltage region. The The non-volatile memory has a first operation in which the non-volatile memory cell having the low threshold voltage level is changed to a high threshold voltage level, and a second operation in which the non-volatile memory cell having the high threshold voltage level is changed to a low threshold voltage level. In the first operation, a first voltage is applied to a word line connected to a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed. In the second operation, a threshold voltage level is applied. After applying a first voltage to the word line connected to the nonvolatile memory cell to be changed, a second voltage for changing the threshold voltage of the nonvolatile memory cell to a lower threshold voltage level is applied to the word line. In short, when the first operation is the write operation and the second operation is the erase operation, the erase operation is performed in advance by performing a light write operation in advance from the viewpoint of voltage or voltage application time and then lowering the threshold voltage. It is possible to prevent a situation in which the threshold voltage of the one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when the threshold voltage is lowered is undesirably shifted to a low level. Therefore, an undesired current does not flow in the non-selected nonvolatile memory cell. It is not necessary to reduce the non-selection level of the nonvolatile memory cell in the read operation to the limit. Therefore, the read operation from the memory cell is stabilized and speeded up without verifying at the time of erasing / writing to the one-element / one-cell type memory cell which is made a depletion type when the threshold voltage is lowered. Therefore, it is possible to contribute to speeding up of the threshold value changing process for the memory cell.

上記軽い書き込みを行なうには、例えば、前記第2動作においてワード線に前記第1電圧を印加する時間を、前記第1動作においてワード線に第1電圧を印加する時間よりも短い時間とすればよい。或いは、前記第2動作においてワード線に印加する前記第1電圧を、前記第1動作においてワード線に印加する第1電圧よりも低い電圧とすればよい。軽い書き込みを行なった場合、消去状態にある不揮発性メモリセルの閾値電圧は比較的高くなるが、書き込み状態にある不揮発性メモリセルの閾値電圧はほとんど変化しない。そのような意味で軽い書き込みである。   In order to perform the light writing, for example, the time during which the first voltage is applied to the word line in the second operation is shorter than the time during which the first voltage is applied to the word line in the first operation. Good. Alternatively, the first voltage applied to the word line in the second operation may be lower than the first voltage applied to the word line in the first operation. When light writing is performed, the threshold voltage of the nonvolatile memory cell in the erased state becomes relatively high, but the threshold voltage of the nonvolatile memory cell in the written state hardly changes. In that sense, it is light writing.

本発明の具体的な形態では、前記不揮発性メモリセルは、ソース電極、ドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間のチャネル形成領域、前記チャネル形成領域の上に形成される電荷蓄積性絶縁層、及び前記電荷蓄積性絶縁層の上に配置されたゲート電極とを有する電界効果型トランジスタである。   In a specific form of the present invention, the nonvolatile memory cell includes a source electrode, a drain electrode, a channel formation region between the source electrode and the drain electrode, and a charge storage insulation formed on the channel formation region. And a gate electrode disposed on the charge storage insulating layer.

本発明の更に具体的な形態では、共通のワード線に接続された不揮発性メモリセルはn個単位で異なるウェル領域に配置され、前記第1動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが配置されたウェル領域に第1ウェル電圧を印加し、前記第1ウェル電圧が印加されたウェル領域に配置された不揮発性メモリセルのうち、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルのソース・ドレインには第1ソース・ドレイン電圧を印加し、閾値電圧レベルの変化を抑止すべき不揮発性メモリセルのソース・ドレインには第2ソース・ドレイン電圧を印加し、前記第2ソース・ドレイン電圧は前記第1ウェル電圧とゲート電圧に対してチャンネルを形成する電圧である。上記より、ワード線とウェル領域を共有するn個の不揮発性メモリセルに対してメモリセル単位で書込みと書き込み阻止をコントロールすることができる。   In a more specific form of the invention, the nonvolatile memory cells connected to the common word line are arranged in different well regions in units of n, and the nonvolatile memory whose threshold voltage level is to be changed in the first operation is provided. A first well voltage is applied to a well region in which cells are arranged, and among the nonvolatile memory cells arranged in the well region to which the first well voltage is applied, a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is changed. A first source / drain voltage is applied to the source / drain, a second source / drain voltage is applied to the source / drain of the nonvolatile memory cell whose threshold voltage level should be suppressed, and the second source / drain voltage is applied. The voltage is a voltage that forms a channel with respect to the first well voltage and the gate voltage. From the above, it is possible to control writing and write blocking in units of memory cells for n nonvolatile memory cells sharing the word line and well region.

このとき、前記第2動作では、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが配置されたウェル領域に第2ウェル電圧を印加し、前記第2ウェル電圧が印加されたウェル領域に配置された全ての不揮発性メモリセルのうち、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセル以外の不揮発性メモリセルが接続されたワード線には前記第2ウェル電圧に等しい電圧を印加する。これにより、ワード線とウェル領域を共有するn個の不揮発性メモリセル単位で一括消去をコントロールすることができる。典型的な例としては前記nは8である。   At this time, in the second operation, the second well voltage is applied to the well region where the nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is arranged, and the second well voltage is arranged in the well region to which the second well voltage is applied. A voltage equal to the second well voltage is applied to word lines connected to nonvolatile memory cells other than the nonvolatile memory cells whose threshold voltage level is to be changed among all nonvolatile memory cells. Thereby, batch erasure can be controlled in units of n nonvolatile memory cells sharing the word line and well region. As a typical example, the n is 8.

〔2〕本発明の別の観点による不揮発性メモリは、窒化膜を電荷蓄積層として有し、書き込み又は消去の何れか一方の状態における閾値電圧が負電圧となるように制御される不揮発性メモリセルを複数有する。前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が正電圧である書き込み又は消去の何れか他方の状態から、前記書き込み又は消去の何れか一方の状態へ遷移させる場合において、状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧を印加した後、状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を負電圧に変化させる電圧を印加する制御を行なう。要するに、第1動作を書込み動作、第2動作を消去動作とすると、消去動作では予め電圧もしくは電圧印加時間の観点で軽い書込み動作を行なってから閾値電圧を下げる動作を行なう。低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルの閾値電圧が不所望に低いレベルに遷移する事態を防止することができる。したがって、非選択の不揮発性メモリセルに不所望な電流は流れない。読み出し動作における不揮発性メモリセルの非選択レベルを限界まで低くすることを要しない。したがって、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルに対して消去・書き込み時のベリファイを行なわなくても、メモリセルからの読み出し動作の安定化と高速化、前記メモリセルに対する閾値変更処理の高速化に資することができる。   [2] A nonvolatile memory according to another aspect of the present invention has a nitride film as a charge storage layer, and is controlled so that a threshold voltage in either one of a write state and an erase state becomes a negative voltage It has a plurality of cells. When a transition is made from either the write or erase state in which the threshold voltage of the nonvolatile memory cell is a positive voltage to the write or erase state, the state of the nonvolatile memory cell to be transitioned After applying a voltage that changes the threshold voltage in the direction of the higher threshold voltage of the positive voltage, control is performed to apply a voltage that changes the threshold voltage of the nonvolatile memory cell that changes the state to a negative voltage. In short, when the first operation is the write operation and the second operation is the erase operation, the erase operation is performed in advance by performing a light write operation in advance from the viewpoint of voltage or voltage application time and then lowering the threshold voltage. It is possible to prevent a situation in which the threshold voltage of the one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when the threshold voltage is lowered is undesirably shifted to a low level. Therefore, an undesired current does not flow in the non-selected nonvolatile memory cell. It is not necessary to reduce the non-selection level of the nonvolatile memory cell in the read operation to the limit. Therefore, the read operation from the memory cell is stabilized and speeded up without verifying at the time of erasing / writing to the one-element / one-cell type memory cell which is made a depletion type when the threshold voltage is lowered. Therefore, it is possible to contribute to speeding up of the threshold value changing process for the memory cell.

上記軽い書き込みを行なうには、例えば、前記閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧を、負電圧の閾値電圧を正電圧の閾値電圧に遷移されるときに印加する電圧よりも低い電圧とする。或いは、閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧の印加時間を、負電圧の閾値電圧を正電圧の閾値電圧に遷移されるときの電圧印加時間よりも短い時間とする。   In order to perform the light writing, for example, a voltage that changes the threshold voltage in a higher threshold voltage direction than a positive voltage is set to be higher than a voltage that is applied when a negative threshold voltage is changed to a positive threshold voltage. Use a low voltage. Alternatively, the voltage application time for changing the threshold voltage in a higher threshold voltage direction is set to a time shorter than the voltage application time when the negative voltage threshold voltage is changed to the positive threshold voltage.

〔3〕本発明の更に別の観点によるデータプロセッサは、上記不揮発性メモリと、命令を実行する中央処理装置とを単一の半導体基板に有する。前記不揮発性メモリは、例えば前記中央処理装置によってアクセスされるデータの格納に用いられる。また、前記不揮発性メモリは中央処理装置によるランダムアクセスに行って前記第1動作、前記第2動作、及び記憶データの読み出し動作が可能にされる。   [3] A data processor according to still another aspect of the present invention includes the nonvolatile memory and a central processing unit that executes instructions on a single semiconductor substrate. The non-volatile memory is used for storing data accessed by the central processing unit, for example. In addition, the nonvolatile memory can perform random access by the central processing unit to perform the first operation, the second operation, and the read operation of stored data.

〔4〕本発明の更に別の観点によるICカード用マイクロコンピュータは、不揮発性メモリと、中央処理装置とを単一の半導体基板に有し、前記不揮発性メモリは、第1の情報記憶状態における閾値電圧が負電圧となるように制御される不揮発性メモリセルを複数有し、前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が正電圧である第2の情報記憶状態から、前記第1の情報記憶状態へ遷移させる場合において、状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧を印加した後、状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を負電圧に変化させる電圧を印加する制御を行なう。   [4] A microcomputer for an IC card according to still another aspect of the present invention has a nonvolatile memory and a central processing unit on a single semiconductor substrate, and the nonvolatile memory is in a first information storage state. From a second information storage state in which a plurality of nonvolatile memory cells are controlled so that a threshold voltage is a negative voltage, and the threshold voltage of the nonvolatile memory cell is a positive voltage, to the first information storage state In the case of transition, after applying a voltage that changes the threshold voltage of the non-volatile memory cell whose state is to be changed in a higher threshold voltage direction, the threshold voltage of the non-volatile memory cell whose state is to be changed is a negative voltage. Control is performed to apply a voltage to be changed.

上記ICカード用マイクロコンピュータは更に前記中央処理装置が実行するプログラムを格納する不揮発性のプログラムメモリを有する。   The IC card microcomputer further has a non-volatile program memory for storing a program executed by the central processing unit.

〔5〕本発明の更に別の観点による不揮発性メモリは、複数の不揮発性メモリセルと、複数のワード線とを有し、前記複数のワード線の夫々は、前記複数の不揮発性メモリセルのうち対応する不揮発性メモリセルに接続される。前記複数の不揮発性メモリセルのそれぞれは、閾値電圧レベルの高低に応じてデータを記憶することが可能であり、低い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを高い閾値電圧レベルに変化される第1動作と、高い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを低い閾値電圧レベルに変化される第2動作とのそれぞれの動作制御がされる。前記第1動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが接続されたワード線に第1電圧を印加し、前記第2動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが接続されたワード線に第1電圧を印加した後、不揮発性メモリセルの閾値電圧を低い閾値電圧レベルに変化させるための第2電圧をワード線に印加する。   [5] A nonvolatile memory according to still another aspect of the present invention includes a plurality of nonvolatile memory cells and a plurality of word lines, and each of the plurality of word lines includes the plurality of nonvolatile memory cells. Of these, they are connected to corresponding nonvolatile memory cells. Each of the plurality of nonvolatile memory cells is capable of storing data according to the level of the threshold voltage level, and the first operation in which the nonvolatile memory cell having the low threshold voltage level is changed to the high threshold voltage level. And the second operation in which the nonvolatile memory cell having the high threshold voltage level is changed to the low threshold voltage level is controlled. In the first operation, a first voltage is applied to a word line connected to a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed. In the second operation, a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is connected. After the first voltage is applied to the word line, a second voltage for changing the threshold voltage of the nonvolatile memory cell to a lower threshold voltage level is applied to the word line.

本発明の具体的な形態では、前記低い閾値電圧レベルは負電圧領域とされ、前記高い閾値電圧レベルは正電圧領域とされる。このとき、前記第1動作及び第2動作において変化された閾値電圧を検証するベリファイ動作の実行が不可能にされている。また、前記不揮発性メモリセルの記憶情報を読み出すとき前記不揮発性メモリセルの選択レベルは回路の接地レベルである。   In a specific form of the invention, the low threshold voltage level is a negative voltage region, and the high threshold voltage level is a positive voltage region. At this time, it is impossible to execute a verify operation for verifying the threshold voltage changed in the first operation and the second operation. Further, when the stored information of the nonvolatile memory cell is read, the selection level of the nonvolatile memory cell is the ground level of the circuit.

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。   The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

すなわち、非選択の不揮発性メモリセルに不所望な電流が流れるのを防止することができる。   That is, it is possible to prevent an undesired current from flowing through the non-selected nonvolatile memory cell.

また、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルの閾値電圧が不所望に低いレベルに遷移する事態を防止することができる。   In addition, it is possible to prevent the threshold voltage of the one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when the threshold voltage is set to a low threshold voltage from undesirably transitioning to a low level.

また、低い閾値電圧にされたときデプレッション型にされる1素子/1セル型のメモリセルからの読み出し動作の安定化と高速化、並びに前記メモリセルに対する閾値変更処理の高速化に資することができる。   Further, it is possible to contribute to the stabilization and speeding up of the read operation from the one-element / one-cell type memory cell that is made a depletion type when the threshold voltage is set to a low threshold voltage, and speeding up of the threshold value changing process for the memory cell. .

《マイクロコンピュータ》
図1にはデータプロセッサの一例としてマイクロコンピュータが示される。同図に示されるマイクロコンピュータ1は、特に制限されないが、所謂ICカードマイコンと称されるICカード用マイクロコンピュータである。同図に示されるマイクロコンピュータ1は、単結晶シリコンなどの1個の半導体基板若しくは半導体チップにCMOSなどの半導体集積回路製造技術によって形成される。
<Microcomputer>
FIG. 1 shows a microcomputer as an example of a data processor. The microcomputer 1 shown in the figure is an IC card microcomputer called a so-called IC card microcomputer, although it is not particularly limited. The microcomputer 1 shown in the figure is formed on a single semiconductor substrate or semiconductor chip such as single crystal silicon by a semiconductor integrated circuit manufacturing technique such as CMOS.

マイクロコンピュータ1は、中央処理装置(CPU)2、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)4、タイマ5、EEPROM(エレクトリカリ・イレーザブル・アンド・プログラマブル・リード・オンリ・メモリ)6、コプロセッサ7、クロック生成回路9、マスクROM10、システムコントロールロジック11、入出力ポート(I/Oポート)12、データバス13、及びアドレスバス14を有する。   The microcomputer 1 includes a central processing unit (CPU) 2, a random access memory (RAM) 4, a timer 5, an EEPROM (electrically erasable and programmable read only memory) 6, a coprocessor 7, and a clock. A generation circuit 9, a mask ROM 10, a system control logic 11, an input / output port (I / O port) 12, a data bus 13, and an address bus 14 are provided.

前記EEPROM6はCPU2に等による演算処理で利用されるデータの格納に用いられる。前記マスクROMは前記CPU2が実行するプログラム(動作プログラム)の格納に利用される。前記RAM4はCPU2のワーク領域又はデータの一時記憶領域とされ、例えばSRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモリ)若しくはDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)から成る。前記CPU2は、マスクROM10から命令をフェッチし、フェッチした命令をデコードし、デコード結果に基づいてオペランドフェッチやデータ演算を行う。コプロセッサ7はRSAや楕円曲線暗号演算における剰余乗算処理などをCPU2に代わって行うプロセッサユニットとされる。I/Oポート12は2ビットの入出力端子I/O1,I/O2を有し、データの入出力と外部割り込み信号の入力に兼用される。I/Oポート12はデータバス13に結合され、データバス13には前記CPU2、RAM4、タイマ5、EEPROM6、マスクROM10、及びコプロセッサ7が接続される。マイクロコンピュータ1においてCPU2がバスマスタモジュールとされ、前記RAM4、タイマ5、EEPROM6、マスクROM10、及びコプロセッサ7に接続されるアドレスバス14にアドレス信号を出力可能にされる。システムコントロールロジック11はマイクロコンピュータ1の動作モードの制御及び割り込み制御を行い、更に暗号鍵の生成に利用する乱数発生ロジックを有する。RES/はマイクロコンピュータ1に対するリセット信号である。マイクロコンピュータ1はリセット信号RES/によってリセット動作が指示されると、内部が初期化され、CPU2はマスクROM10が保有するプログラムの先頭番地から命令実行を開始する。クロック生成回路9は外部クロック信号CLKを受けて内部クロック信号CKを生成する。マイクロコンピュータ1は内部クロック信号CKに同期動作される。   The EEPROM 6 is used to store data used for arithmetic processing by the CPU 2 and the like. The mask ROM is used for storing a program (operation program) executed by the CPU 2. The RAM 4 is a work area of the CPU 2 or a temporary data storage area, and is composed of, for example, SRAM (Static Random Access Memory) or DRAM (Dynamic Random Access Memory). The CPU 2 fetches an instruction from the mask ROM 10, decodes the fetched instruction, and performs operand fetch and data operation based on the decoding result. The coprocessor 7 is a processor unit that performs a modular multiplication process in RSA or elliptic curve cryptography instead of the CPU 2. The I / O port 12 has 2-bit input / output terminals I / O1 and I / O2, and is used for both data input / output and external interrupt signal input. The I / O port 12 is coupled to a data bus 13, and the CPU 2, RAM 4, timer 5, EEPROM 6, mask ROM 10, and coprocessor 7 are connected to the data bus 13. In the microcomputer 1, the CPU 2 is a bus master module, and an address signal can be output to an address bus 14 connected to the RAM 4, timer 5, EEPROM 6, mask ROM 10, and coprocessor 7. The system control logic 11 controls the operation mode and interrupt control of the microcomputer 1 and further has a random number generation logic used for generating an encryption key. RES / is a reset signal for the microcomputer 1. When a reset operation is instructed by the reset signal RES /, the microcomputer 1 is initialized internally, and the CPU 2 starts executing instructions from the top address of the program stored in the mask ROM 10. The clock generation circuit 9 receives the external clock signal CLK and generates an internal clock signal CK. The microcomputer 1 is operated in synchronization with the internal clock signal CK.

特に制限されないが、前記CPU2は所謂32ビットCPUであり、32ビット単位で演算処理が可能にされ、図示はしないが、32ビットの汎用レジスタ、32ビットの算術論理演算器などを有し、前記データバス13は32ビットとされる。したがって、CPU2の命令セットに含まれるデータ転送命令や、演算命令は、ほとんどが32ビット単位でデータを処理することができる。尚、CPU2によるデータアクセス単位は8ビットである。ここでデータアクセス単位とはCPU2が管理するアドレス空間におけるアドレスの最小単位を構成するデータ領域のビット数を意味し、データアクセス単位は8ビットとされる。   Although not particularly limited, the CPU 2 is a so-called 32-bit CPU, and can perform arithmetic processing in units of 32 bits. Although not shown, the CPU 2 includes a 32-bit general-purpose register, a 32-bit arithmetic logic unit, and the like. The data bus 13 is 32 bits. Therefore, most of data transfer instructions and arithmetic instructions included in the instruction set of the CPU 2 can process data in units of 32 bits. The data access unit by the CPU 2 is 8 bits. Here, the data access unit means the number of bits in the data area constituting the minimum address unit in the address space managed by the CPU 2, and the data access unit is 8 bits.

前記EEPROM6は電気的に消去動作及び書込み動作が可能にされる不揮発性メモリである。ここで消去動作とは不揮発性メモリセルが保持する記憶情報を消去する一つの手法であり、例えば不揮発性メモリセルの閾値電圧を低くする処理を意味する。この動作によって実現されるメモリセルの閾値電圧が低い状態を消去状態と称する。書き込み動作とは不揮発性メモリセルに情報を保持させるための一つの手法であり、例えば不揮発性メモリセルの閾値電圧を高くする動作を意味する。この動作によって実現されるメモリセルの閾値電圧が高い状態を書き込み状態と称する。EEPROM6は、例えば8ビット単位で消去処理が可能にされ、書込み処理と読み出しは32ビット単位で可能にされる。EEPROM6は入出力データの暗号化に利用する暗号鍵、個人を特定するために用いられるID情報などの、所定の演算処理単位のデータ等を格納する領域として用いられる。CPU2の演算処理で利用する暗号鍵等の書き込み処理においては必要な演算処理単位のデータ長(例えば8ビット)に合わせて記憶情報の消去を行なうことができる。マスクROM10はCPU2が処理するプログラム等を保有する。例えば、仮想マシン言語プログラム、暗号化プログラム、復号プログラムなどを保持する。   The EEPROM 6 is a non-volatile memory that can be electrically erased and written. Here, the erasing operation is one method for erasing stored information held in the nonvolatile memory cell, and means, for example, a process for lowering the threshold voltage of the nonvolatile memory cell. A state in which the threshold voltage of the memory cell realized by this operation is low is called an erased state. The write operation is one method for holding information in the nonvolatile memory cell, and means, for example, an operation for increasing the threshold voltage of the nonvolatile memory cell. A state in which the threshold voltage of the memory cell realized by this operation is high is referred to as a write state. The EEPROM 6 can be erased in units of 8 bits, for example, and can be written and read in units of 32 bits. The EEPROM 6 is used as an area for storing data of a predetermined arithmetic processing unit such as an encryption key used for encryption of input / output data and ID information used for specifying an individual. In the writing process of the encryption key or the like used in the calculation process of the CPU 2, the stored information can be erased in accordance with the required data length (for example, 8 bits) of the calculation process unit. The mask ROM 10 holds a program processed by the CPU 2. For example, a virtual machine language program, an encryption program, a decryption program, and the like are held.

図2にはマイクロコンピュータ1の別の例が示される。同図に示されるマイクロコンピュータ1は、第1図のマイクロコンピュータと外部インタフェース手段が相違される。すなわち図2のマイクロコンピュータは図示を省略するアンテナに接続可能なアンテナ端子TML1,TML2を有する高周波部15を備える。高周波部15は前記アンテナが所定の電波(例えばマイクロ波)を横切ることによって生ずる誘導電流を動作電源として電源電圧Vccを出力し、リセット信号RES及びクロック信号CKを生成し、アンテナから非接触で情報の入出力を行なう。I/Oポート12は外部と入出力すべき情報をRF部15とやり取りする。   FIG. 2 shows another example of the microcomputer 1. The microcomputer 1 shown in the figure is different from the microcomputer in FIG. 1 in the external interface means. That is, the microcomputer of FIG. 2 includes a high-frequency unit 15 having antenna terminals TML1 and TML2 that can be connected to an antenna (not shown). The high-frequency unit 15 outputs a power supply voltage Vcc using an induced current generated when the antenna crosses a predetermined radio wave (for example, a microwave) as an operation power supply, generates a reset signal RES and a clock signal CK, and performs non-contact information from the antenna. I / O is performed. The I / O port 12 exchanges information to be input / output with the outside with the RF unit 15.

《不揮発性メモリ》
図3には前記EEPROM6に採用されている不揮発性メモリセルの構造が縦断面によって例示される。図3に例示される不揮発性メモリセル(単にメモリセルとも記す)MCは、シリコン基板上に設けたp型ウェル領域27に形成されたMONOS構造を有する。即ち、ソース線に接続するソース線接続電極(ソース電極Soc)としてのn型拡散層(n型不純物領域)20、ビット線に接続するビット線接続電極(ドレイン電極Drn)としてのn型拡散層(n型不純物領域)21、ソース電極とドレイン電極の間のチャネル形成領域22、電荷蓄積性絶縁膜(例えばシリコン窒化膜)23、電荷蓄積性絶縁膜23の上下に配置され例えば酸化シリコン膜で形成された絶縁膜24,25、及びn型ポリシリコン層などによって形成され書込み動作・消去動作時に高電圧の印加に利用されるメモリゲート電極(MG)26を有する。例えば前記絶縁膜24は膜厚1.5nm、電荷蓄積性絶縁膜23は膜厚10nm(酸化シリコン膜換算)、前記絶縁膜25は膜厚3nmとされる。前記電荷蓄積性絶縁膜23とその表裏に配置された絶縁膜24及び絶縁膜25は併せてONO(酸化膜・窒化膜・酸化膜)構造のメモリゲート絶縁膜となる。
《Nonvolatile memory》
FIG. 3 illustrates the structure of a nonvolatile memory cell employed in the EEPROM 6 by a vertical section. A nonvolatile memory cell (also simply referred to as a memory cell) MC illustrated in FIG. 3 has a MONOS structure formed in a p-type well region 27 provided on a silicon substrate. That is, an n-type diffusion layer (n-type impurity region) 20 as a source line connection electrode (source electrode Soc) connected to the source line, and an n-type diffusion layer as a bit line connection electrode (drain electrode Drn) connected to the bit line (N-type impurity region) 21, channel formation region 22 between the source electrode and the drain electrode, charge storage insulating film (for example, silicon nitride film) 23, and charge storage insulating film 23 are arranged above and below, for example, a silicon oxide film It has a memory gate electrode (MG) 26 that is formed by the formed insulating films 24 and 25 and an n-type polysilicon layer or the like and is used to apply a high voltage during a write operation / erase operation. For example, the insulating film 24 has a thickness of 1.5 nm, the charge storage insulating film 23 has a thickness of 10 nm (in terms of a silicon oxide film), and the insulating film 25 has a thickness of 3 nm. The charge storage insulating film 23 and the insulating film 24 and the insulating film 25 disposed on the front and back thereof together form a memory gate insulating film having an ONO (oxide film / nitride film / oxide film) structure.

図4には前記EEPROM6のブロック図が例示される。メモリアレイ(MARY)30は行方向に8個のウェル領域WEL0〜WELnに分割され、マトリクス配置された複数個の不揮発性メモリセルMCを有する。図4では代表的に1行分の不揮発性メモリセルMCが示されているが実際には複数行配置されている。ウェル領域WEL0〜WELnは各々1本の共通ワード線に対して8個の不揮発性メモリセルMCが配置されている。同一列に配置された不揮発性メモリセルMCのドレイン電極21は対応するビット線D0〜D7に、同一列に配置された不揮発性メモリセルMCのソース電極20は対応するソース線S0〜S7に接続される。   FIG. 4 illustrates a block diagram of the EEPROM 6. The memory array (MARY) 30 is divided into eight well regions WEL0 to WELn in the row direction, and has a plurality of nonvolatile memory cells MC arranged in a matrix. In FIG. 4, the nonvolatile memory cells MC for one row are shown as a representative, but a plurality of rows are actually arranged. In each of the well regions WEL0 to WELn, eight nonvolatile memory cells MC are arranged for one common word line. The drain electrodes 21 of the nonvolatile memory cells MC arranged in the same column are connected to the corresponding bit lines D0 to D7, and the source electrodes 20 of the nonvolatile memory cells MC arranged in the same column are connected to the corresponding source lines S0 to S7. Is done.

ワード線WLはXアドレスデコーダ(XDEC)31のデコード出力に従ってメモリゲートドライバ回路(MGD)32が駆動する。ウェル領域WEL0〜WELnの電圧はウェルデコーダ(WDEC)33によって制御される。各ビット線D0〜D7及びソース線S0〜S7の電圧はセンスラッチ回路(SLAT)34によって制御される。センスラッチ回路34には入出力スイッチ(IOSW)回路35が接続される。入出力スイッチ回路35はYアドレスデコーダ(YDEC)36のデコード出力に従って32ビットの共通データ線37とセンスラッチ回路34との間で書き込みデータ又は読み出しデータを32ビット単位で入出力可能にする。昇圧回路(VPG)38は書き込み動作及び消去動作のための高電圧を生成して前記ウェルデコーダ33、メモリゲートドライバ32及びセンスラッチ回路34に供給する。   The word line WL is driven by the memory gate driver circuit (MGD) 32 in accordance with the decode output of the X address decoder (XDEC) 31. The voltages of the well regions WEL0 to WELn are controlled by a well decoder (WDEC) 33. The voltages of the bit lines D0 to D7 and the source lines S0 to S7 are controlled by a sense latch circuit (SLAT) 34. An input / output switch (IOSW) circuit 35 is connected to the sense latch circuit 34. The input / output switch circuit 35 enables input / output of write data or read data in units of 32 bits between the 32-bit common data line 37 and the sense latch circuit 34 according to the decode output of the Y address decoder (YDEC) 36. A booster circuit (VPG) 38 generates a high voltage for a write operation and an erase operation and supplies the high voltage to the well decoder 33, the memory gate driver 32, and the sense latch circuit 34.

制御回路(TCONT)40には外部端子として夫々複数個のアドレス入力端子ADR、アクセス制御端子CNT及びデータ入出力端子DATに接続される。アドレス入力端子ADRから入力されたアドレス信号の内、ワード線WLの選択に用いられるXアドレス信号はXアドレスデコーダ31に供給され、ビット線D0〜D7及びソース線S0〜S7の選択に用いられるYアドレス信号はウェルデコーダ33及Yアドレスデコーダ36に供給される。データ入出力端子DATから入力された書き込みデータは共通データ線37に与えられ、メモリセルからの読み出しデータは共通データ線37を介してデータ入出力端子DATから出力される。EEPROM6の消去動作、書き込み動作及び読み出し動作はアクセス制御端子CNTに供給されるアクセス制御信号によって指示される。Vddは外部から供給される電源電圧、Vssは回路の接地電圧である。   The control circuit (TCONT) 40 is connected as external terminals to a plurality of address input terminals ADR, access control terminals CNT, and data input / output terminals DAT. Among the address signals input from the address input terminal ADR, the X address signal used for selecting the word line WL is supplied to the X address decoder 31, and Y used for selecting the bit lines D0 to D7 and the source lines S0 to S7. The address signal is supplied to the well decoder 33 and the Y address decoder 36. Write data input from the data input / output terminal DAT is applied to the common data line 37, and read data from the memory cells is output from the data input / output terminal DAT via the common data line 37. The erase operation, write operation, and read operation of the EEPROM 6 are instructed by an access control signal supplied to the access control terminal CNT. Vdd is a power supply voltage supplied from the outside, and Vss is a circuit ground voltage.

制御回路40によるメモリ動作の制御態様は消去動作、書き込み動作及び読み出し動作に大別される。消去動作はプレ書き込み(Pre-Write)電圧の印加、消去(Erase)電圧の印加及び消去阻止電圧の印加によって行なわれる。書き込み動作は書き込み(Write)電圧の印加と書き込み阻止電圧の印加とによって行なわれる。読み出し動作は読み出し電圧の印加と読み出し非選択電圧の印加によって行なわれる。   The control mode of the memory operation by the control circuit 40 is roughly divided into an erase operation, a write operation, and a read operation. The erase operation is performed by applying a pre-write voltage, applying an erase voltage, and applying an erase blocking voltage. The write operation is performed by applying a write voltage and applying a write blocking voltage. The read operation is performed by applying a read voltage and applying a read non-selection voltage.

図5には不揮発性メモリセルに情報記憶を行なう場合の電圧印加形態が示される。“0”programとはメモリセルの閾値電圧を高くして論理値“0”の情報を保持すること( “0”情報保持)を意味する。“1”programとはメモリセルの閾値電圧を低くして論理値“1”の情報を保持すること( “1”情報保持)を意味する。不揮発性メモリセルに対する論理値“0”情報の記憶は、プレ書き込み(Pre-Write)電圧の印加、消去(Erase)電圧の印加、及び書き込み(write)電圧の印加によって行なう。不揮発性メモリセルに対する論理値“1”情報の記憶は、プレ書き込み(Pre-Write)電圧の印加、消去(Erase)電圧の印加、及び書き込み(write)阻止電圧の印加によって行なう。   FIG. 5 shows a voltage application mode when information is stored in a nonvolatile memory cell. “0” program means holding the information of logical value “0” by increasing the threshold voltage of the memory cell (holding “0” information). “1” program means holding the information of logical value “1” by lowering the threshold voltage of the memory cell (holding “1” information). The storage of the logical value “0” information in the nonvolatile memory cell is performed by applying a pre-write voltage, applying an erase voltage, and applying a write voltage. The storage of the logical value “1” information in the nonvolatile memory cell is performed by applying a pre-write voltage, applying an erase voltage, and applying a write blocking voltage.

図6には消去動作において印加される消去電圧及び消去阻止電圧が例示される。消去対象ウェル領域には消去電圧として1.5Vのウェル電圧、消去非対象ウェル領域には消去阻止電圧として−8.5Vのウェル電圧、消去対象ワード線には消去電圧として−8.5Vのメモリゲート電圧、消去非対象ワード線には消去阻止電圧として1.5Vのメモリゲート電圧が供給され、全てのビット線及びソース線は1.5Vにされる。これにより、代表的に示されたメモリセルMC1、MC2が消去対象とさ、ウェル領域からメモリゲート電極へ向かう電界が形成され、メモリセルMC1、MC2の電荷蓄積性絶縁膜23に捕獲されている電子が酸化膜を通して電子がFNトンネルにてウェル領域に放出される。メモリセルMC1、MC2の閾値電圧は負電圧にされ、メモリセルMC1、MC2はデプレション型になる。代表的に示されたメモリセルMC3、MC4は消去非対象とさ、電子の放出に必要な電界の形成が阻止されている。図より明らかなように消去はウェル単位の8ビットを最小単位として行なわれる。図6の例ではメモリセルMC1は“0”情報を保持したメモリセル(“0”にしたいビット)とされ、メモリセルMC2は“1”情報を保持したいメモリセル(“1”にしたいビット)とされる。   FIG. 6 illustrates an erase voltage and an erase block voltage applied in the erase operation. The erase target well region has a 1.5V well voltage, the erase non-target well region has a -8.5V well voltage and the erase target word line has a -8.5V erase voltage. A memory gate voltage of 1.5 V is supplied to the gate voltage and erase non-target word line as an erase block voltage, and all bit lines and source lines are set to 1.5 V. As a result, the representatively shown memory cells MC1 and MC2 are to be erased, and an electric field from the well region to the memory gate electrode is formed and captured by the charge storage insulating film 23 of the memory cells MC1 and MC2. Electrons are emitted to the well region through the oxide film through the FN tunnel. The threshold voltages of the memory cells MC1 and MC2 are made negative, and the memory cells MC1 and MC2 are depletion type. The memory cells MC3 and MC4 shown as representatives are not targeted for erasure, and the formation of an electric field necessary for electron emission is prevented. As is apparent from the figure, erasing is performed with a minimum unit of 8 bits per well. In the example of FIG. 6, the memory cell MC1 is a memory cell holding “0” information (bit to be set to “0”), and the memory cell MC2 is a memory cell to hold “1” information (bit to be set to “1”). It is said.

図7には書き込み動作において印加される書き込み電圧及び書き込み阻止電圧が例示される。全てのウェル領域には書き込み電圧として−10.7Vのウェル電圧、書き込み対象ワード線には書き込み電圧として1.5Vのメモリゲート電圧、書き込み非対象ワード線には書き込み阻止電圧として−10.7Vのメモリゲート電圧が供給される。そして、“0”情報を保持したいメモリセルに接続するソース線及びビット線には書き込み電圧として−10.7V、“1”情報を保持したいメモリセルに接続するソース線及びビット線には書き込み阻止電圧として1.5Vを印加する。同図に従えば、メモリセルM1が書込み選択、メモリセルM2〜M4が書込み非選択とされる。書き込み選択とされるメモリセルM1にはメモリゲート電極からウェル領域へ向かう電界が形成され、メモリセルMC1のウェル領域からFNトンネルにて電荷蓄積性絶縁膜23に電子が捕獲され、その閾値電圧が正電圧とされる。代表的に示されたメモリセルMC3、MC4にはそのような電界が形成されず電子の捕獲はない。代表的に示されたメモリセルMC2には前記電界が形成されるが、そのチャネル領域が反転するので、これによってウェル領域から電荷蓄積性絶縁膜23に電子は捕獲されない。これにより、 “0”情報を保持したいメモリセル(“0”にしたいビット)MC1の閾値電圧は高くなり、“1”情報を保持したいメモリセル(“1”にしたいビット)MC2の閾値電圧は負電圧のままにされる。   FIG. 7 illustrates a write voltage and a write blocking voltage applied in the write operation. All well regions have a well voltage of -10.7V as a write voltage, a write target word line has a memory gate voltage of 1.5V, and a write non-target word line has a write inhibition voltage of -10.7V. A memory gate voltage is supplied. The source line and bit line connected to the memory cell that wants to hold “0” information has a write voltage of −10.7 V, and the source line and bit line that connects to the memory cell that wants to hold “1” information are blocked from writing. A voltage of 1.5 V is applied. According to the figure, the memory cell M1 is selected for writing and the memory cells M2 to M4 are not selected for writing. An electric field from the memory gate electrode to the well region is formed in the memory cell M1 selected for writing, and electrons are captured from the well region of the memory cell MC1 by the FN tunnel to the charge storage insulating film 23, and the threshold voltage is Positive voltage. Such an electric field is not formed in the memory cells MC3 and MC4 which are representatively shown, and no electrons are captured. The electric field is formed in the memory cell MC2 representatively shown, but the channel region is inverted, so that electrons are not trapped in the charge storage insulating film 23 from the well region. As a result, the threshold voltage of the memory cell MC1 that wants to hold “0” information (bit that wants to be “0”) MC1 is high, and the threshold voltage of the memory cell that wants to hold “1” information (bit that wants to be “1”) MC2 is Leave negative voltage.

ここで図6と図7のメモリセルMC2に着目する。メモリセルMC2は“1”情報を保持したいメモリセル(“1”にしたいビット)であり、書き込み最小単位の8ビットにおいて書き込み電圧の印加が阻止されるメモリセルである。このメモリセルMC2に対しても図6に示されるように消去動作にて消去電圧が印加されている。したがって、書き込み最小単位の8ビットに含まれる特定のメモリセルが繰返し書き込み電圧印加の非対象にされると、当該メモリセルには連続的に消去電圧が印加され、その閾値電圧が過剰に低くなることが考えられる。特に、書き込み動作及び消去動作においてベリファイを行なわないから、閾値電圧が過剰に低くなってもそれを直接検出することはできない。消去状態の閾値電圧が過剰に低くならない様にするのに、EEPROM6において消去動作では消去電圧の印加に先立ってプレ書き込み電圧を印加する。   Here, attention is focused on the memory cell MC2 of FIGS. The memory cell MC2 is a memory cell that wants to retain “1” information (a bit that is to be set to “1”), and is a memory cell in which application of a write voltage is blocked in 8 bits as a minimum write unit. An erase voltage is also applied to the memory cell MC2 by an erase operation as shown in FIG. Therefore, when a specific memory cell included in 8 bits of the minimum programming unit is repeatedly excluded from the application of the write voltage, the erase voltage is continuously applied to the memory cell, and the threshold voltage becomes excessively low. It is possible. In particular, since the verify operation is not performed in the write operation and the erase operation, it cannot be directly detected even if the threshold voltage becomes excessively low. In order to prevent the threshold voltage in the erase state from becoming excessively low, in the erase operation in the EEPROM 6, a pre-write voltage is applied prior to the application of the erase voltage.

プレ書き込み電圧は、例えば図7のメモリセルMC1の如く閾値電圧を高くしたいメモリセルに印加する書き込み電圧と同レベルとされる。要するに、図7のメモリセルMC1、MC2に印加されるウェル領域印加電圧(−10.7V)、メモリゲート電圧(1.5V)、ビット線及びソース線電圧(−10.7V)である。プレ書き込み電圧の印加時間は書込み電圧の印加時間よりも短い時間とされる。即ち、プレ書き込み電圧の印加による動作は軽い書込み動作として位置付けられる。軽い書き込みを行なった場合、消去状態にある不揮発性メモリセルの閾値電圧は比較的高くなるが、書き込み状態にある不揮発性メモリセルの閾値電圧はほとんど変化しない。したがって、プレ書き込み電圧を印加した後には各々のメモリセルの閾値電圧は多少のばらつきは有るが正の閾値電圧に揃えられる。この後に消去電圧を印加することにより、元々消去状態に有ったメモリセルも元々書き込み状態にあったメモリセルと大凡同様のレベルだけ閾値電圧が負側に低下されるだけで済み、消去状態の不揮発性メモリセルの閾値電圧が累積的に低下する事態の発生を未然に防止することができる。   The pre-write voltage is set to the same level as the write voltage applied to the memory cell whose threshold voltage is to be increased, such as the memory cell MC1 in FIG. In short, the well region applied voltage (-10.7 V), the memory gate voltage (1.5 V), the bit line and source line voltage (-10.7 V) applied to the memory cells MC1 and MC2 in FIG. The application time of the pre-writing voltage is shorter than the application time of the writing voltage. That is, the operation by applying the pre-write voltage is positioned as a light write operation. When light writing is performed, the threshold voltage of the nonvolatile memory cell in the erased state becomes relatively high, but the threshold voltage of the nonvolatile memory cell in the written state hardly changes. Therefore, after the pre-write voltage is applied, the threshold voltage of each memory cell is set to a positive threshold voltage with some variation. By applying an erase voltage thereafter, the threshold voltage of the memory cell originally in the erased state can be reduced to the negative side by about the same level as the memory cell originally in the written state. Occurrence of a situation in which the threshold voltage of the nonvolatile memory cell is cumulatively reduced can be prevented.

図8には前記昇圧回路38の一例が示される。発振回路43から出力されるクロック信号CLKiはナンドゲート44を介してチャージポンプ回路45に供給される。チャージポンプ回路45は信号CLKSTPのハイレベル期間にクロック信号CLKiに同期して昇圧動作を行ない、信号CLKSTPのローレベル期間に昇圧動作を停止する。チャージポンプ回路45から出力される昇圧電圧Vppは抵抗分圧回路46で分圧され、比較回路47によって基準電圧Vrefと比較され、その比較結果が信号CLKSTPとしてナンドゲート44に帰還される。昇圧電圧Vppが規定よりも低ければ信号CLKSTPはハイレベル、高ければ信号CLKSTPはローレベルにされ、負帰還制御にて所定の昇圧電圧を形成する。昇圧電圧Vppのレベルは書込みと消去で相違され、そのレベルは制御信号E/Wにて抵抗分圧回路46に指示される。昇圧制御回路(WSM)48は制御回路40からに指示に従って基準電圧Vref、発振制御信号及び制御信号E/Wを生成する。   FIG. 8 shows an example of the booster circuit 38. The clock signal CLKi output from the oscillation circuit 43 is supplied to the charge pump circuit 45 via the NAND gate 44. The charge pump circuit 45 performs the boosting operation in synchronization with the clock signal CLKi during the high level period of the signal CLKSTP, and stops the boosting operation during the low level period of the signal CLKSTP. The boosted voltage Vpp output from the charge pump circuit 45 is divided by the resistance voltage dividing circuit 46, compared with the reference voltage Vref by the comparison circuit 47, and the comparison result is fed back to the NAND gate 44 as a signal CLKSTP. If boosted voltage Vpp is lower than specified, signal CLKSTP is at a high level, and if it is higher, signal CLKSTP is at a low level, and a predetermined boosted voltage is formed by negative feedback control. The level of boosted voltage Vpp is different between writing and erasing, and the level is instructed to resistance voltage dividing circuit 46 by control signal E / W. A boost control circuit (WSM) 48 generates a reference voltage Vref, an oscillation control signal, and a control signal E / W according to instructions from the control circuit 40.

図9には不揮発性メモリセルに情報記憶を行なう場合の昇圧電圧波形が示される。例えばプレ書き込み電圧印加期間は0.1ミリ秒(ms)、消去電圧印加期間は1ms、書き込み電圧印加期間は1msである。夫々の時間は制御回路40からの制御信号によって一義的に、或いはレジスタ設定値によってプログラマブルに制御される。   FIG. 9 shows a boosted voltage waveform when information is stored in a nonvolatile memory cell. For example, the pre-write voltage application period is 0.1 milliseconds (ms), the erase voltage application period is 1 ms, and the write voltage application period is 1 ms. Each time is uniquely controlled by a control signal from the control circuit 40 or programmable by a register set value.

図10には図9に示されるようなプレ書き込み電圧の印加を行なって不揮発性メモリセルに情報記憶を行なったときの閾値電圧の状態が例示される。初期状態の記憶情報に対する記憶処理形態の組み合わせは4通りとされる。記憶情報“0”を保持する書き込み状態の初期閾値電圧を+1.5V、記憶情報“1”を保持する消去状態の初期閾値電圧を−1.0Vとする。プレ書き込み電圧を印加すると、(A)及び(C)の書き込み状態のメモリセルはその閾値電圧に変化はなく、(B)及び(D)の消去状態のメモリセルはその閾値電圧が正の電圧+1.1Vにシフトされる。プレ書き込み電圧印加時間は0.1msのように比較的短い時間だからである。その後、消去電圧が印加されると、(A)〜(D)の夫々のメモリセルの閾値電圧は1.1Vに揃えられる。消去電圧印加時間は1msのように比較的長い時間だからである。“0”情報保持(“0”program)を行なう(A)、(B)の形態のメモリセルには書き込み電圧が印加され、その閾値電圧は+1.5Vにされる。“1”情報保持(“1”program)を行なう(C)、(D)の形態のメモリセルには書き込み阻止電圧が印加され、その閾値電圧は−1.1Vのままにされる。   FIG. 10 illustrates the state of the threshold voltage when the pre-write voltage as shown in FIG. 9 is applied and information is stored in the nonvolatile memory cell. There are four combinations of storage processing modes for the storage information in the initial state. Assume that the initial threshold voltage in the writing state holding the storage information “0” is +1.5 V, and the initial threshold voltage in the erasing state holding the storage information “1” is −1.0 V. When a pre-write voltage is applied, the threshold voltages of the memory cells in the write state (A) and (C) are not changed, and the memory cells in the erase state (B) and (D) have a positive threshold voltage. Shifted to + 1.1V. This is because the pre-write voltage application time is relatively short, such as 0.1 ms. Thereafter, when an erase voltage is applied, the threshold voltage of each of the memory cells (A) to (D) is adjusted to 1.1V. This is because the erase voltage application time is relatively long, such as 1 ms. A write voltage is applied to the memory cell of the form (A) or (B) that holds “0” information (“0” program), and the threshold voltage is set to + 1.5V. A write inhibition voltage is applied to the memory cells of the forms (C) and (D) that hold “1” information (“1” program), and the threshold voltage is kept at −1.1V.

比較例として図11には不揮発性メモリセルに情報記憶を行なう場合にプレ書き込み電圧の印加を行なわない場合の電圧印加形態が示される。不揮発性メモリセルに対する論理値“0”情報保持は消去(Erase)電圧の印加、及び書き込み(write)電圧の印加によって行なう。不揮発性メモリセルに対する論理値“1”情報保持は消去(Erase)電圧の印加及び書き込み(write)阻止電圧の印加によって行なう。このようにして不揮発性メモリセルに情報記憶を行なったときの閾値電圧の状態が図12に例示される。初期状態の記憶情報“1”を保持する消去状態の初期閾値電圧が−1.1Vのとき、プレ書き込み電圧の印加を行なわずにそのまま消去電圧の印加を行なうと、閾値電圧が初期閾値電圧よりも低い−1.4Vになる。この後、(d)のように書き込み阻止電圧が印加されるメモリセルでは低くなり過ぎた−1.4Vに閾値電圧がそのまま残ってしまう。   As a comparative example, FIG. 11 shows a voltage application mode when no pre-write voltage is applied when information is stored in a nonvolatile memory cell. The logical “0” information is retained in the nonvolatile memory cell by applying an erase voltage and a write voltage. The logical “1” information is retained in the nonvolatile memory cell by applying an erase voltage and a write blocking voltage. The state of the threshold voltage when information is stored in the nonvolatile memory cell in this way is illustrated in FIG. When the initial threshold voltage in the erased state holding the stored information “1” in the initial state is −1.1 V, if the erase voltage is applied as it is without applying the pre-write voltage, the threshold voltage becomes higher than the initial threshold voltage. Becomes -1.4V. Thereafter, the threshold voltage remains at -1.4 V, which is too low in the memory cell to which the write blocking voltage is applied as shown in (d).

図13には図12の(d)における“1”情報保持が繰り返し行なわれたときの閾値電圧の遷移傾向と、図10の(D)における“1”情報保持が繰り返し行なわれたときの閾値電圧の遷移傾向が対比して示される。同図より明らかなように前者の閾値電圧が漸次低下していく。   FIG. 13 shows the transition tendency of the threshold voltage when “1” information holding in FIG. 12D is repeatedly performed, and the threshold when “1” information holding in FIG. 10D is repeatedly performed. The voltage transition tendency is shown in contrast. As is clear from the figure, the former threshold voltage gradually decreases.

図14には読み出し動作における読み出し電圧の印加状態が例示される。全てのウェル領域は−2.0V、非選択ワード線は−2.0V、選択ワード線は0Vにされる。図14の例ではメモリセルMC3は消去状態でありデプレッション型にされているから、0Vによるワード線選択動作でオン状態にされる。メモリセルMC4は書き込み状態のエンハンスメント型であるからオフ状態にされる。一方、非選択ワード線に接続されるメモリセルMC1、MC2は書き込み状態と消去状態の区別無く何れであってもオフ状態にされるべきである。しかしながら、図13に示されるように連続消去回数の多いメモリセルはその閾値電圧が−2.0V以下に成る可能性が有り、そうなると、非選択ワード線にメモリゲートが接続するメモリセルからリークする電流と選択ワード線にメモリゲートが接続するメモリセルの読み出しデータに応じて流れる電流とがビット線上で衝突したりして、読み出しデータに誤りを生ずることになる。図13からも明らかなように消去電圧印加前にプレ書き込み電圧の印加を行なえば、そのような読み出しデータの誤りを生ずることもない。   FIG. 14 illustrates the application state of the read voltage in the read operation. All well regions are set to -2.0V, unselected word lines are set to -2.0V, and selected word lines are set to 0V. In the example of FIG. 14, since the memory cell MC3 is in the erased state and is in the depletion type, it is turned on by the word line selection operation with 0V. Since the memory cell MC4 is an enhancement type in a writing state, it is turned off. On the other hand, the memory cells MC1 and MC2 connected to the non-selected word lines should be turned off regardless of whether they are in the written state or the erased state. However, as shown in FIG. 13, there is a possibility that the threshold voltage of a memory cell with a large number of consecutive erasures will be −2.0 V or less, and in such a case, the memory cell leaks from the memory cell connected to the unselected word line. The current and the current flowing in accordance with the read data of the memory cell connected to the selected word line by the memory gate collide on the bit line, resulting in an error in the read data. As can be seen from FIG. 13, if the pre-write voltage is applied before the erase voltage is applied, such read data error does not occur.

読み出しデータの誤り排除という観点よりすれば、ワード線非選択レベルを更に低くしても対処することができる。例えば、図15には不揮発性メモリセルMCにおける閾値電圧の高電圧印加時間依存性が示される。消去電圧印加時間を長くしても閾値電圧は−2.5Vで飽和し、それ以下にはならない。この結果に従えば、非選択ワード線電位を−2.5以下の例えば単体や電位バラツキを考慮して−3V程度に設定すれば、非選択ワード線に接続されるメモリセルには一切不所望な過電流は流れない。しかしならが、ワード電位を非選択レベルの−3Vから選択レベルに反転駆動するのに時間がかかり、動作スピードが遅くなり、また、消費電力も大きくなるという欠点が顕在化する。   From the viewpoint of eliminating errors in read data, it is possible to cope with even lower word line non-selection levels. For example, FIG. 15 shows the high voltage application time dependence of the threshold voltage in the nonvolatile memory cell MC. Even if the erasing voltage application time is increased, the threshold voltage is saturated at −2.5 V and does not fall below that. According to this result, if the unselected word line potential is set to about −3 V in consideration of, for example, a single unit or a potential variation of −2.5 or less, the memory cells connected to the unselected word lines are not desired at all. No overcurrent flows. However, it takes time to invert and drive the word potential from the non-selection level of −3 V to the selection level, resulting in the disadvantage that the operation speed is slow and the power consumption is increased.

図9の説明では消去電圧の印加前にプレ書き込み電圧を印加して過消去状態の発生を抑制している。比較例として消去電圧印加後に弱い書き込み(ポスト書き込み)を行なって過消去を回避する方法も考えられるが、閾値電圧を−1.1Vのように僅かに上昇させるような弱い書き込みは非常に短い時間の書き込みパルスの印加になり、ポスト書き込みの場合には特に安定して短いパルスを印加しなければならず、非常に難しい。プレ書き込みの場合も書き込みパルスの印加時間は短いが、その後に比較的長い時間による反対方向の消去電圧の印加が行なわれるから、プレ書き込みによる閾値電圧のばらつきが多少大きくなっても、不揮発性メモリセルに最終的に得られる閾値電圧には大きな影響が及ばない。   In the description of FIG. 9, the pre-write voltage is applied before the erase voltage is applied to suppress the occurrence of the over-erased state. As a comparative example, a method of avoiding over-erasing by performing weak writing (post-writing) after applying an erasing voltage is conceivable. However, weak writing in which the threshold voltage is slightly increased to −1.1 V is very short. In the case of post-writing, a short pulse must be applied in a stable manner, which is very difficult. Even in the case of pre-writing, although the application time of the write pulse is short, the erase voltage in the opposite direction is applied after a relatively long time, so even if the variation in threshold voltage due to pre-writing increases somewhat, the nonvolatile memory The threshold voltage finally obtained in the cell is not greatly affected.

上記EEPROM6による書き込み及び消去動作ではベリファイを行なわない。高電圧を印加しながらベリファイを行なっていけば閾値電圧を所要のエリアに分布させることができ、累積的な消去電圧印加によって過消去状態になることはない。ベリファイを採用すれば逆に消去及び書込み動作が著しく遅くなる。CPU2によるランダムアクセスでデータの書換えが行なわれる用途では、メモリカードなどのストレージ用途とは異なり、ランダムアクセスの高速化が要求されるからである。特にICカード用マイクロコンピュータ1にオンチップされるEEPROM6は、セキュリティーを要するデータの書き換えをなるべく短時間に完了したいという要求を満足させるのに優れている。   In the writing and erasing operations by the EEPROM 6, verification is not performed. If verification is performed while a high voltage is applied, the threshold voltage can be distributed in a required area, and an overerased state is not caused by applying a cumulative erase voltage. If verify is employed, the erase and write operations are remarkably slowed. This is because, in applications where data is rewritten by random access by the CPU 2, unlike random storage applications such as memory cards, higher speed random access is required. In particular, the EEPROM 6 that is on-chip in the IC card microcomputer 1 is excellent in satisfying the requirement for rewriting data requiring security in as short a time as possible.

以上説明したマイクロコンピュータ1にオンチップのEEPOROM6によれば、不揮発性メモリセルは1トランジスタ/1セルで構成され、低い閾値電圧状態(消去状態)では閾値電圧が0V以下のデプレッション型とされ、低いしきい電圧にする電圧印加の前に高いしきい電圧にしたい場合(Write)の電圧印加の10分の1程度の時間でプレ書き込み電圧の印加を消去電圧印加の前に挿入する。そうすることにより、消去状態のメモリセルに累積的に消去電圧を印加したときその閾値電圧が過剰に低下してワード線非選択レベルでオン状態になる不都合を解消することができる。消去電圧印加に先立ちプレ書き込み電圧を印加する場合には、消去電圧印加を繰返しても閾値電圧は安定を維持する。ワード線非選択レベルを可能な限り低くしたり、ベリファイを行なったりすることに起因するランダムアクセス速度の低下を生じない。プレ書き込み電圧の印加時間は、書込み動作にて高い閾値電圧を得るための書き込み電圧印加時間の大凡10分の1程度で充分であり、消去(Erase)時間の増大は例えば1割程度で済む。   According to the on-chip EEPOROM 6 in the microcomputer 1 described above, the non-volatile memory cell is composed of one transistor / one cell, and in a low threshold voltage state (erased state), the depletion type with a threshold voltage of 0 V or less is low. When a high threshold voltage is desired before applying the threshold voltage, the pre-write voltage application is inserted before the erase voltage application in about one-tenth the time of the (Write) voltage application. By doing so, it is possible to eliminate the inconvenience that the threshold voltage is excessively lowered when the erase voltage is applied cumulatively to the memory cell in the erased state, and the word line is not selected. When the pre-write voltage is applied prior to the erase voltage application, the threshold voltage remains stable even when the erase voltage application is repeated. There is no reduction in random access speed caused by making the word line non-selection level as low as possible or performing verification. The pre-write voltage application time is about 1/10 of the write voltage application time for obtaining a high threshold voltage in the write operation, and an increase in the erase time is about 10%, for example.

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。   Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof.

以上の説明ではメモリセルへの情報記憶方式は消去電圧印加の後に書き込み電圧を印加するという順であった。この逆の順で、書き込み電圧の印加の後に、消去電圧を印加する場合には、“0”情報保持側の高い閾値電圧が上昇し過ぎるという問題が顕在化する。例えば、図16に示す様に、書き込み電圧の印加を繰り返していくと、閾値電圧が上昇し過ぎた不揮発性メモリセルは、消去電圧を印加しても“1”情報保持側の低い閾値電圧が目標値まで下がらないという問題が考えられる。図16において書き込み電圧の印加繰り返し回数が多いほど閾値電圧が上昇する。図16において左端の特性線は初期特性、その右隣りの特性線はライト電圧印加による重複書き込みを10回行なった後に消去電圧印加による消去を1回行なったときの特性線、その右隣りの特性線はライト電圧印加による重複書き込みを100回行なった後に消去電圧印加による消去を1回行なったときの特性線、その右隣りの特性線はライト電圧印加による重複書き込みを1000回行なった後に消去電圧印加による消去を1回行なったときの特性線である。これを解決するには、書き込み電圧の印加前に、弱い消去(プレ消去電圧印加)を入れる事が有効と考えられる。弱い消去とは電圧印加時間が通常の消去電圧印加時間より短い、或いは印加電圧が通常の消去電圧よりも低いことを意味する。   In the above description, the information storage system in the memory cell is in the order of applying the write voltage after applying the erase voltage. In the reverse order, when the erase voltage is applied after the application of the write voltage, the problem that the high threshold voltage on the “0” information holding side increases excessively becomes obvious. For example, as shown in FIG. 16, when the application of the write voltage is repeated, the non-volatile memory cell whose threshold voltage has increased excessively has a low threshold voltage on the “1” information holding side even when the erase voltage is applied. There may be a problem that the target value is not lowered. In FIG. 16, the threshold voltage increases as the number of repeated application of the write voltage increases. In FIG. 16, the characteristic line at the left end is the initial characteristic, and the characteristic line on the right is the characteristic line when the erasing is performed once by applying the erasing voltage after 10 times of redundant writing by applying the write voltage. The line is a characteristic line when the erasing by applying the erasing voltage is performed once after performing the overlapping writing by applying the writing voltage 100 times, and the characteristic line on the right is the erasing voltage after performing the overlapping writing by applying the writing voltage 1000 times. It is a characteristic line when erasing by application is performed once. In order to solve this, it is considered effective to perform weak erasure (pre-erasure voltage application) before application of the write voltage. Weak erasing means that the voltage application time is shorter than the normal erasing voltage application time or the applied voltage is lower than the normal erasing voltage.

メモリアレイはNOR型に限定されない。NAND型メモリアレイ等のEEPROMにも適用することが可能である。例えば図17に例示されるNAND型メモリアレイでは、記憶情報の読み出しを行なうときは非選択ワード線を選択レベルのハイレベル(例えば0.5V)にし、選択ワード線を非選択レベルの0Vにして、直流経路に電流が流れる又は流れない、に応じて記憶情報の論理値“1”又は“0”を判定する。したがって、書き込み後の閾値電圧は0Vと0.5Vの間になければならない。閾値電圧が0V以下だと論理値の誤判定を生じ、閾値電圧が0.5V以上だと非選択ワード線に電流が流れず誤動作となる。消去電圧印加及び書き込み電圧印加の順で情報を行なう場合は、消去電圧印加が連続して繰り返されると、メモリセルの閾値電圧が下がり過ぎ、書き込み電圧を印加しても0V以上にならない問題が発生する事が考えられる。この場合は、弱い書き込み処理を消去電圧印加の前に入れるプレ書き込み電圧の印加が有効である。また、書き込み電圧印加及び消去電圧印加の順で情報記憶を行なう場合は、書き込み電圧の印加が連続して繰り返されると、メモリセルの閾値電圧が上がり過ぎ、閾値電圧が非選択ワード電位より上昇して読み出しの不具合を生ずる事が考えられる。この場合は、弱い消去を書き込み電圧印加の前に入れるプレ消去電圧印加方式の採用が有効である。   The memory array is not limited to the NOR type. It can also be applied to an EEPROM such as a NAND memory array. For example, in the NAND type memory array illustrated in FIG. 17, when reading stored information, the non-selected word line is set to a high level (for example, 0.5 V) and the selected word line is set to a non-selected level of 0 V. The logical value “1” or “0” of the stored information is determined according to whether or not current flows in the DC path. Therefore, the threshold voltage after writing must be between 0V and 0.5V. If the threshold voltage is 0 V or less, an erroneous determination of the logical value occurs. If the threshold voltage is 0.5 V or more, a current does not flow through the unselected word line, resulting in a malfunction. When information is applied in the order of application of erase voltage and application of write voltage, if the application of erase voltage is repeated continuously, the threshold voltage of the memory cell becomes too low, and even if the write voltage is applied, there is a problem that it does not become 0 V or more. It is possible to do. In this case, it is effective to apply a pre-write voltage in which a weak write process is performed before the erase voltage is applied. In addition, when information is stored in the order of application of the write voltage and application of the erase voltage, if the application of the write voltage is repeated continuously, the threshold voltage of the memory cell is excessively increased and the threshold voltage is increased from the unselected word potential. This may cause a read defect. In this case, it is effective to adopt a pre-erase voltage application method in which weak erasure is performed before application of a write voltage.

書き込み・消去の定義は相対的であり、閾値電圧を高くする動作を消去動作、低くする動作を書込み動作というように、いままでとは逆に定義することも可能である。   The definition of writing / erasing is relative, and an operation for increasing the threshold voltage can be defined as an erasing operation, and an operation for reducing the threshold voltage can be defined as a writing operation in reverse.

電荷蓄積性絶縁膜はシリコン窒化膜に限定されず、誘電体にカーボン粒子、或いはシリコンなどが分散された膜等であってもよい。   The charge storage insulating film is not limited to a silicon nitride film, and may be a film in which carbon particles or silicon is dispersed in a dielectric.

データプロセッサの一例としてマイクロコンピュータを示すブロック図である。It is a block diagram which shows a microcomputer as an example of a data processor. 非接触インタフェースを有するマイクロコンピュータの別の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows another example of the microcomputer which has a non-contact interface. EEPROMに採用されている不揮発性メモリセルの構造を例示する縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which illustrates the structure of the non-volatile memory cell employ | adopted as EEPROM. EEPROMのブロック図である。It is a block diagram of EEPROM. 不揮発性メモリセルに情報記憶を行なう場合の電圧印加形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the voltage application form in the case of storing information in a non-volatile memory cell. 消去動作において印加される消去電圧及び消去阻止電圧を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates the erase voltage and erase stop voltage which are applied in erase operation. 書き込み動作において印加される書き込み電圧及び書き込み阻止電圧を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates the write voltage and write inhibition voltage which are applied in write operation. 昇圧回路の一例を示すブロック図である。It is a block diagram showing an example of a booster circuit. 不揮発性メモリセルに情報記憶を行なう場合の昇圧電圧波形を示す波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram showing a boosted voltage waveform when information is stored in a nonvolatile memory cell. 図9に示されるようなプレ書き込み電圧の印加を行なって不揮発性メモリセルに情報記憶を行なったときの閾値電圧の状態を例示する説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a state of a threshold voltage when information is stored in a nonvolatile memory cell by applying a pre-write voltage as shown in FIG. 9. 不揮発性メモリセルに情報記憶を行なう場合にプレ書き込み電圧の印加を行なわない場合の電圧印加形態を比較例として示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the voltage application form in the case of not applying a pre-write voltage when storing information in a non-volatile memory cell as a comparative example. 図11により不揮発性メモリセルに情報記憶を行なったときの閾値電圧の状態を示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating a state of a threshold voltage when information is stored in a nonvolatile memory cell according to FIG. 図12の(d)における“1”情報保持が繰り返し行なわれたときの閾値電圧の遷移傾向と、図10の(D)における“1”情報保持が繰り返し行なわれたときの閾値電圧の遷移傾向を対比して示す説明図である。The threshold voltage transition tendency when “1” information holding is repeatedly performed in FIG. 12D and the threshold voltage transition tendency when “1” information holding is repeatedly performed in FIG. It is explanatory drawing which compares and shows. 読み出し動作における読み出し電圧の印加状態を例示する説明図である。It is explanatory drawing which illustrates the application state of the read voltage in read-out operation | movement. 不揮発性メモリセルにおける閾値電圧の高電圧印加時間依存性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the high voltage application time dependence of the threshold voltage in a non-volatile memory cell. 書き込み電圧印加の繰り返し回数が多いほど閾値電圧が上昇することを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows that a threshold voltage rises, so that the repetition frequency of writing voltage application increases. EEPROMのNAND型メモリアレイを概略的に示す回路図である。1 is a circuit diagram schematically showing a NAND type memory array of an EEPROM. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 マイクロコンピュータ
2 CPU
4 RAM
6 EEPROM(不揮発性メモリ)
10 マスクROM(プログラムメモリ)
MC、MC1〜MC4 メモリセル
20 ソース電極
21 ドレイン電極
22 チャネル形成領域
23 電荷蓄積性絶縁膜
24,25 絶縁膜
26 メモリゲート電極
30 メモリアレイ
WEL0〜WELn ウェル領域
D0〜D7 ビット線
S0〜S7 ソース線
31 Xアドレスデコーダ
32 メモリゲートドライバ回路
33 ウェルデコーダ
34 センスラッチ回路
36 Yアドレスデコーダ
38 昇圧回路
1 Microcomputer 2 CPU
4 RAM
6 EEPROM (nonvolatile memory)
10 Mask ROM (program memory)
MC, MC1 to MC4 Memory cell 20 Source electrode 21 Drain electrode 22 Channel forming region 23 Charge storage insulating film 24, 25 Insulating film 26 Memory gate electrode 30 Memory array WEL0 to WELn Well region D0 to D7 Bit line S0 to S7 Source line 31 X Address Decoder 32 Memory Gate Driver Circuit 33 Well Decoder 34 Sense Latch Circuit 36 Y Address Decoder 38 Booster Circuit

Claims (14)

複数の不揮発性メモリセルと、複数のワード線とを有し、
前記複数のワード線の夫々は、前記複数の不揮発性メモリセルのうち対応する不揮発性メモリセルに接続され、
前記複数の不揮発性メモリセルのそれぞれは、ソース電極及びドレイン電極となる2つの拡散層領域と、該拡散層領域に挟まれたチャネル領域上部に電荷蓄積層とゲート電極とを有するトランジスタであり、閾値電圧レベルの高低に応じてデータを記憶することが可能であり、低い閾値電圧レベルは負電圧領域とされ、高い閾値電圧レベルは正電圧領域とされ、
前記不揮発性メモリセルに格納されたデータの読出し動作において、読出し対象となる不揮発性メモリセルが形成されるウェル領域に負電圧が印加され、ゲート電極には0Vが印加され、読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極には前記ウェル領域に印加される電圧と同じ電圧が印加され、
前記低い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを高い閾値電圧レベルに変化される第1動作と、前記高い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを低い閾値電圧レベルに変化される第2動作とのそれぞれの動作制御がされ、
前記第1動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが形成されたウェル領域にウェル書込み電圧を印加し、当該不揮発性メモリセルが接続されたワード線に第1電圧を印加し、
前記第2動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが接続されたワード線に、前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が前記読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極に印加する電圧よりも低くならないようにするために前記第1動作において前記ワード線に前記第1電圧を印加する時間よりも短い時間、前記第1電圧を印加した後、当該不揮発性メモリセルが形成されたウェル領域にウェル消去電圧を印加して不揮発性メモリセルの閾値電圧を低い閾値電圧レベルに変化させるための第2電圧をワード線に印加し、
前記ウェル書込み電圧は負電圧であり、前記ウェル消去電圧は正電圧とする不揮発性メモリ。
A plurality of nonvolatile memory cells and a plurality of word lines;
Each of the plurality of word lines is connected to a corresponding nonvolatile memory cell among the plurality of nonvolatile memory cells,
Each of the plurality of nonvolatile memory cells is a transistor having two diffusion layer regions serving as a source electrode and a drain electrode, and a charge storage layer and a gate electrode above a channel region sandwiched between the diffusion layer regions, Data can be stored according to the level of the threshold voltage level, a low threshold voltage level is a negative voltage region, a high threshold voltage level is a positive voltage region,
In the read operation of the data stored in the nonvolatile memory cell, a negative voltage is applied to the well region where the nonvolatile memory cell to be read is formed, and 0 V is applied to the gate electrode, which is not read. The same voltage as that applied to the well region is applied to the gate electrode of the nonvolatile memory cell,
A first operation in which the non-volatile memory cell having the low threshold voltage level is changed to a high threshold voltage level, and a second operation in which the non-volatile memory cell having the high threshold voltage level is changed to a low threshold voltage level. Operation control,
In the first operation, a well write voltage is applied to a well region where a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is formed, a first voltage is applied to a word line to which the nonvolatile memory cell is connected,
In the second operation, the threshold voltage of the non-volatile memory cell is applied to the gate electrode of the non-read-out non-volatile memory cell to the word line connected to the non-volatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed. In order to prevent the voltage from becoming lower than the voltage, after applying the first voltage for a time shorter than the time for applying the first voltage to the word line in the first operation, the nonvolatile memory cell is formed. Applying a well erase voltage to the well region to apply a second voltage to the word line to change the threshold voltage of the nonvolatile memory cell to a low threshold voltage level;
A non-volatile memory in which the well write voltage is a negative voltage and the well erase voltage is a positive voltage.
前記不揮発性メモリセルは、ソース電極、ドレイン電極、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間のチャネル形成領域、前記チャネル形成領域の上に形成される電荷蓄積性絶縁層、及び前記電荷蓄積性絶縁層の上に配置されたゲート電極とを有する電界効果型トランジスタである請求項1記載の不揮発性メモリ。   The nonvolatile memory cell includes a source electrode, a drain electrode, a channel formation region between the source electrode and the drain electrode, a charge storage insulating layer formed on the channel formation region, and the charge storage insulating layer The non-volatile memory according to claim 1, wherein the non-volatile memory is a field effect transistor having a gate electrode disposed thereon. 共通のワード線に接続された不揮発性メモリセルはn個単位で異なるウェル領域に配置され、
前記第1動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが配置されたウェル領域に第1ウェル電圧を印加し、
前記第1ウェル電圧が印加されたウェル領域に配置された不揮発性メモリセルのうち、不揮発性メモリセルへ格納すべきデータに応じて閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルのソース・ドレインには第1ソース・ドレイン電圧を印加し、不揮発性メモリセルへ格納すべきデータに応じて閾値電圧レベルの変化を抑止すべき不揮発性メモリセルのソース・ドレインには第2ソース・ドレイン電圧を印加し、前記第2ソース・ドレイン電圧は前記第1ウェル電圧とゲート電圧に対してチャンネルを形成する電圧である請求項2記載の不揮発性メモリ。
Nonvolatile memory cells connected to a common word line are arranged in different well regions in units of n,
In the first operation, a first well voltage is applied to a well region in which a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is disposed,
Of the nonvolatile memory cells arranged in the well region to which the first well voltage is applied, the source / drain of the nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed according to data to be stored in the nonvolatile memory cell. Applies a first source / drain voltage, and a second source / drain voltage is applied to the source / drain of the nonvolatile memory cell whose change in threshold voltage level should be suppressed according to the data to be stored in the nonvolatile memory cell. 3. The nonvolatile memory according to claim 2, wherein the second source / drain voltage is a voltage forming a channel with respect to the first well voltage and the gate voltage.
前記第2動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが配置されたウェル領域に第2ウェル電圧を印加し、
前記第2ウェル電圧が印加されたウェル領域に配置された全ての不揮発性メモリセルのうち、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセル以外の不揮発性メモリセルが接続されたワード線には前記第2ウェル電圧に等しい電圧を印加する請求項3記載の不揮発性メモリ。
In the second operation, a second well voltage is applied to a well region in which a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is disposed,
Among all the nonvolatile memory cells arranged in the well region to which the second well voltage is applied, the word line to which the nonvolatile memory cells other than the nonvolatile memory cells whose threshold voltage level is to be changed is connected The nonvolatile memory according to claim 3, wherein a voltage equal to the second well voltage is applied.
前記nは8である請求項4記載の不揮発性メモリ。   The non-volatile memory according to claim 4, wherein n is eight. ソース電極及びドレイン電極となる2つの拡散層領域と、該拡散層領域に挟まれたチャネル領域上部に窒化膜を電荷蓄積層として有するとともにゲート電極を有し、書き込み又は消去の何れか一方の状態における閾値電圧が負電圧となるように制御される不揮発性メモリセルを複数有する不揮発性メモリにおいて、
前記不揮発性メモリセルに格納されたデータの読出し動作において、読み出し対象となる不揮発性メモリセルが形成されるウェル領域に負電圧が印加され、ゲート電極には0Vが印加され、読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極には前記ウェル領域に印加される電圧と同じ電圧が印加され、
前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が正電圧である書き込み又は消去の何れか他方の状態から、前記書き込み又は消去の何れか一方の状態へ遷移させる場合において、状態遷移後の前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が前記読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極に印加する電圧よりも低くならないようにするために状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧を印加した後、状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を負電圧に変化させる電圧を印加する制御を行なう不揮発性メモリ。
Two diffusion layer regions to be a source electrode and a drain electrode, and a nitride film as a charge storage layer on the channel region sandwiched between the diffusion layer regions and a gate electrode, and is in either a writing or erasing state In a non-volatile memory having a plurality of non-volatile memory cells controlled so that the threshold voltage at is a negative voltage,
In the read operation of the data stored in the nonvolatile memory cell, a negative voltage is applied to the well region where the nonvolatile memory cell to be read is formed, and 0 V is applied to the gate electrode, which is not read. The same voltage as that applied to the well region is applied to the gate electrode of the nonvolatile memory cell,
In the case where transition is made from either the write or erase state in which the threshold voltage of the nonvolatile memory cell is a positive voltage to the write or erase state, the nonvolatile memory cell after the state transition is changed. The threshold voltage of the non-volatile memory cell whose state is changed in order to prevent the threshold voltage from becoming lower than the voltage applied to the gate electrode of the non-read-out non-volatile memory cell is set to the threshold voltage direction of higher positive voltage. A non-volatile memory that performs control to apply a voltage that changes a threshold voltage of the non-volatile memory cell that changes the state to a negative voltage after applying a voltage to be changed.
閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧は、負電圧の閾値電圧を正電圧の閾値電圧に遷移されるときに印加する電圧よりも低い電圧である請求項6記載の不揮発性メモリ。   The nonvolatile voltage according to claim 6, wherein the voltage that changes the threshold voltage in the direction of the higher threshold voltage of the positive voltage is a voltage that is lower than a voltage applied when the negative threshold voltage is shifted to the positive threshold voltage. memory. 閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧の印加時間は、負電圧の閾値電圧を正電圧の閾値電圧に遷移されるときの電圧印加時間よりも短い時間である請求項6記載の不揮発性メモリ。   The voltage application time for changing the threshold voltage in the direction of the higher threshold voltage of the positive voltage is shorter than the voltage application time when the negative voltage threshold voltage is changed to the positive threshold voltage. Non-volatile memory. 請求項1又は6記載の不揮発性メモリと、命令を実行する中央処理装置とを単一の半導体基板に有するデータプロセッサ。   A data processor comprising the nonvolatile memory according to claim 1 and a central processing unit for executing instructions on a single semiconductor substrate. 前記不揮発性メモリは中央処理装置によるランダムアクセスによって前記第1動作、前記第2動作、及び記憶データの読み出し動作が可能にされる請求項9記載のデータプロセッサ。   The data processor according to claim 9, wherein the nonvolatile memory is enabled to perform the first operation, the second operation, and the read operation of stored data by random access by a central processing unit. 不揮発性メモリと、中央処理装置とを単一の半導体基板に有し、
前記不揮発性メモリは、ソース電極及びドレイン電極となる2つの拡散層領域と、該拡散層領域に挟まれたチャネル領域上部に電荷蓄積層とゲート電極とを有するトランジスタであり、第1の情報記憶状態における閾値電圧が負電圧となるように制御される不揮発性メモリセルを複数有し、
前記不揮発性メモリセルに格納されたデータの読出し動作において、読み出し対象となる不揮発性メモリセルが形成されるウェル領域に負電圧が印加され、ゲート電極には0Vが印加され、読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極には前記ウェル領域に印加される電圧と同じ電圧が印加され、
前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が正電圧である第2の情報記憶状態から、前記第1の情報記憶状態へ遷移させる場合において、状態遷移後の前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が前記読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極に印加する電圧よりも低くならないようにするために状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を正電圧のより高い閾値電圧方向に変化させる電圧を印加した後、状態を遷移させる当該不揮発性メモリセルの閾値電圧を負電圧に変化させる電圧を印加する制御を行なうICカード用マイクロコンピュータ。
Having a non-volatile memory and a central processing unit on a single semiconductor substrate,
The non-volatile memory is a transistor having two diffusion layer regions to be a source electrode and a drain electrode, and a charge storage layer and a gate electrode above a channel region sandwiched between the diffusion layer regions. Having a plurality of nonvolatile memory cells controlled so that the threshold voltage in the state is a negative voltage,
In the read operation of the data stored in the nonvolatile memory cell, a negative voltage is applied to the well region where the nonvolatile memory cell to be read is formed, and 0 V is applied to the gate electrode, which is not read. The same voltage as that applied to the well region is applied to the gate electrode of the nonvolatile memory cell,
In the transition from the second information storage state in which the threshold voltage of the nonvolatile memory cell is a positive voltage to the first information storage state, the threshold voltage of the nonvolatile memory cell after the state transition is not read. Apply a voltage that changes the threshold voltage of the non-volatile memory cell that changes the state in the direction of a higher threshold voltage so that the voltage is not lower than the voltage applied to the gate electrode of the target non-volatile memory cell. Then, the microcomputer for IC card which performs control which applies the voltage which changes the threshold voltage of the said non-volatile memory cell which changes a state to a negative voltage.
前記中央処理装置が実行するプログラムを格納する不揮発性のプログラムメモリを更に有する請求項11記載のICカード用マイクロコンピュータ。   The microcomputer for IC card of Claim 11 which further has a non-volatile program memory which stores the program which the said central processing unit performs. 複数の不揮発性メモリセルと、複数のワード線とを有し、
前記複数のワード線の夫々は、前記複数の不揮発性メモリセルのうち対応する不揮発性メモリセルに接続され、
前記複数の不揮発性メモリセルのそれぞれは、ソース電極及びドレイン電極となる2つの拡散層領域と、該拡散層領域に挟まれたチャネル領域上部に電荷蓄積層とゲート電極とを有するトランジスタであって、閾値電圧レベルの高低に応じてデータを記憶することが可能であり、
前記不揮発性メモリセルに格納されたデータの読出し動作において、読み出し対象となる不揮発性メモリセルが形成されるウェル領域に負電圧が印加され、ゲート電極には0Vが印加され、読出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極には前記ウェル領域に印加される電圧と同じ電圧が印加され、
低い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを高い閾値電圧レベルに変化される第1動作と、高い閾値電圧レベルの不揮発性メモリセルを低い閾値電圧レベルに変化される第2動作とのそれぞれの動作制御がされ、
前記第1動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが形成されたウェル領域にウェル書込み電圧を印加し、当該不揮発性メモリセルが接続されたワード線に第1電圧を印加し、
前記第2動作において、閾値電圧レベルを変化させるべき不揮発性メモリセルが接続されたワード線に、前記不揮発性メモリセルの閾値電圧が前記読み出し非対象となる不揮発性メモリセルのゲート電極に印加する電圧よりも低くならないようにするために前記第1動作において前記ワード線に前記第1電圧を印加する時間よりも短い時間、前記第1電圧を印加した後、前記不揮発性メモリセルが形成されたウェル領域にウェル消去電圧を印加して不揮発性メモリセルの閾値電圧を低い閾値電圧レベルに変化させるための第2電圧をワード線に印加し、
前記ウェル書込み電圧は負電圧であり、前記ウェル消去電圧は正電圧とする不揮発性メモリ。
A plurality of nonvolatile memory cells and a plurality of word lines;
Each of the plurality of word lines is connected to a corresponding nonvolatile memory cell among the plurality of nonvolatile memory cells,
Each of the plurality of nonvolatile memory cells is a transistor having two diffusion layer regions serving as a source electrode and a drain electrode, and a charge storage layer and a gate electrode above a channel region sandwiched between the diffusion layer regions. It is possible to store data according to the level of the threshold voltage level,
In the read operation of the data stored in the nonvolatile memory cell, a negative voltage is applied to the well region where the nonvolatile memory cell to be read is formed, and 0 V is applied to the gate electrode, which is not read. The same voltage as that applied to the well region is applied to the gate electrode of the nonvolatile memory cell,
Operation control of a first operation in which a nonvolatile memory cell having a low threshold voltage level is changed to a high threshold voltage level and a second operation in which the nonvolatile memory cell having a high threshold voltage level is changed to a low threshold voltage level Was
In the first operation, a well write voltage is applied to a well region where a nonvolatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed is formed, a first voltage is applied to a word line to which the nonvolatile memory cell is connected,
In the second operation, the threshold voltage of the non-volatile memory cell is applied to the gate electrode of the non-read-out non-volatile memory cell to the word line connected to the non-volatile memory cell whose threshold voltage level is to be changed. The nonvolatile memory cell is formed after applying the first voltage for a time shorter than the time for applying the first voltage to the word line in the first operation to prevent the voltage from becoming lower than the voltage. Applying a well erase voltage to the well region to apply a second voltage to the word line to change the threshold voltage of the nonvolatile memory cell to a low threshold voltage level;
A non-volatile memory in which the well write voltage is a negative voltage and the well erase voltage is a positive voltage.
前記第1動作及び第2動作において変化された閾値電圧を検証するベリファイ動作の実行が不可能にされている請求項13記載の不揮発性メモリ。   14. The nonvolatile memory according to claim 13, wherein execution of a verify operation for verifying a threshold voltage changed in the first operation and the second operation is disabled.
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