JP2002216486A - 多値不揮発性メモリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成により、高い精度で、しかも高速
な書き込み動作を可能にした多値不揮発性メモリを提供
する。 【解決手段】 １つのメモリセルに２ビット以上の記憶
情報を格納する多値不揮発性メモリに対し、消去状態の
メモリセルに対して書き込みデータに対応し最初の書込
動作のときに書き込み単位量を最小単位から順次に増加
させるよう設定し、消去状態に隣接して分布する上記第
１しきい値分布以下の所定のしきい値電圧に到達させる
に費やした書き込み量から当該メモリセルの書き込み特
性を判定して、かかる判定結果に基づいて単位書き込み
量を設定することにより、簡単な構成により、高い精度
でしかも高速な書き込み動作を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は多値不揮発性メモ
リに関し、例えばフローティングゲートとコントロール
ゲートの他に、メモリセルのソース，ドレイン間に流れ
る書き込み電流を制御する第３ゲートを備えたメモリセ
ルが格子配列されてなるメモリアレイをその基本構成要
素とし、１つのメモリセルに２ビットの記憶情報を記憶
させるための書き込み技術に利用して特に有効な技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】Ｆ−Ｎトンネル電流で書き込みと消去と
を行う一括消去型不揮発性メモリ（以下、単にフラッシ
ュメモリという）がある。このようなトンネル電流での
書き込み動作では、１つのメモリセルに２ビットの記憶
情報を記憶させるような多値メモリとして動作させる場
合でも、その書き込み時の電圧精度は、０．２Ｖ程度で
良い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本願発明者等は、この
発明に先立って書き込み時間等の短縮化のためにホット
エレクトロンを用いて書き込み動作を行うようにしたフ
ラッシュメモリを開発した。このメモリセルは、上記情
報電荷を保持するフローティングゲート及びコントロー
ルゲートの他に、ドレイン−ソース間に流れる書き込み
電流を制御する第３のゲート電極が設けられる。この第
３のゲート電極に供給される電圧を制御することで、上
記ドレイン−ソース間電流を設定し、書き込み量を制御
する。しかしながら、上記第３ゲートに印加する制御電
圧の下記五は速度の影響が大きいので、１つのメモリセ
ルに４値を持たせて２ビットの情報を記憶させるように
した場合、しきい値分布を高い精度で設定する必要があ
り、上記第３ゲートに供給する制御電圧の設定が難しく
なる。ちなみに、制御電圧のトリミングバラツキ、メモ
リセルの書き込み特性のバラツキ、及び温度や電源電圧
の変動の影響を考慮すると、上記４値のしきい値分布を
設定することが極めて難しくなる。

【０００４】この発明の目的は、簡単な構成により、高
い精度で、しかも高速な書き込み動作を可能にした多値
不揮発性メモリを提供することにある。この発明の前記
ならびにその他の目的と新規な特徴は、この明細書の記
述及び添付図面から明らかになるであろう。

【０００５】

【課題を解決するための手段】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、次
の通りである。すなわち、書込電流を制御する制御電極
を備えた１つのメモリセルに２ビット以上の記憶情報を
格納した多値不揮発性メモリの書き込み動作において、
上記制御電圧に供給される制御電圧を最低電圧から順次
増加させて書き込み動作を実施し、消去状態に隣接して
分布する上記第１しきい値分布以下の所定のしきい値電
圧に到達したときのメモリセルのしきい値電圧の分布か
ら制御電圧を設定し、かかる制御電圧のもとで書き込み
動作の繰り返しにより上記書き込みデータに対応した最
小のしきい値分布への書き込み動作を行ない、かかる書
き込み動作回数からメモリセルの書き込み特性を判定し
て、上記書き込みデータに対応した最小のしきい値分布
より大きなしきい値分布に対応した単位書き込み量を設
定する。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１ないし図４は、この発明が適
用される多値不揮発性メモリの一実施例の構成図が示さ
れている。図１は書き込み動作を、図２は消去動作を、
図３は読み出し動作の例を各々示し、（ａ）は等価回路
を、（ｂ）あるいは（ｃ）はタイミングチャートをそれ
ぞれ示す。図１〜図３の（ａ）において点線で囲まれた
セルで選択的にそれぞれの動作が行われる。

【０００７】図１を用いて書き込み動作を説明する。今
選択されたメモリセルをセルＭとする。図１（ａ）に示
したように、選択セルＭのワード線ＷＬｎ（選択ワード
線）にたとえば１２Ｖ程度の正の電圧を印加し、選択セ
ルＭのドレインとなる拡散層Ｄｎにたとえば５Ｖ程度の
正の電圧を印加する。また、選択セルＭのソースとなる
拡散層Ｄｎ−ｌは０Ｖに保持する。このようにソース−
ドレインおよびワード線を前記所定の電圧に維持するこ
とによリメモリセルＭのチャネル領域にホットエレクト
ロンが生し、これが浮遊ゲートに注入される。

【０００８】このとき、すべてのウェル、非選択ワード
線ＷＬｎ＋１は０Ｖに保持され、第３ゲートＡＧは０．
６Ｖ程度にされ、、拡散層Ｄｎ−２、Ｄｎ＋１、Ｄｎ＋
２はそれぞれ０Ｖ、５Ｖ、フローティング状態とする。
これにより、拡散層Ｄｎ−２および拡散層Ｄｎ−１が同
電位（０Ｖ）に保たれ、また、拡散層Ｄｎおよび拡散層
Ｄｎ−１が同電位（５Ｖ）に保たれ、さらに、拡散層Ｄ
ｎ＋１および拡散層Ｄｎ＋２間の電位差は拡散層Ｄｎ＋
２がフローティングゆえほとんど電位差を生じない。こ
のため、メモリセルＭ−１、Ｍ＋１、Ｍ＋２のチャネル
にはホットエレクトロンは発生せず、隣接するメモリセ
ルＭ−１、Ｍ＋１、Ｍ＋２への誤書き込みを防止でき
る。これによりメモリセルＭのみでホットエレクトロン
注入が起こり、選択メモリセルＭの浮遊ゲートに電子が
蓄積されてメモリセルのしきい値が上昇し、書込みが行
われる。このように、本実施の形態の半導体集積回路装
置にあっては、隣接するメモリセル４個を１つの単位と
し、その内の１セルを選択して書込みが行われる。従っ
て、１つのワード線上のすべてのセルに書込みを行うた
めには、最低４回の書み動作を実施する。

【０００９】図１（ｂ）および（ｃ）は、選択ワード線
ＷＬｎおよび拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１への電圧印加のタイ
ミングの一例を示したタイミングチャートである。図１
３（ｂ）に示す一例、および同図（ｃ）に示す他の例の
二通りの例がある。

【００１０】図１（ｂ）に示すように、時刻ｔ０の時点
で選択ワード線ＷＬｎに＋１２Ｖを印加した後、時刻ｔ
１（ｔ０＜ｔ１）の時点で拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１に＋５
Ｖを印加する。所定の書き込み時間ｔ（ｔ＝ｔ２−ｔ
１）だけ前記電圧を維持した後、時刻ｔ２で拡散層Ｄ
ｎ、Ｄｎ＋１の電位を０Ｖに戻す。その後時刻ｔ３（ｔ
２＜ｔ３）で選択ワード線ＷＬｎの電位を０Ｖに戻す。
このようなタイミングで書き込みを行う場合、ドレイン
電圧印加時間が短いため、ドレインディスターブを緩和
できるという効果がある。

【００１１】あるいは、図１（ｃ）に示すように、時刻
ｔ０の時点で拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１に＋５Ｖを印加した
後、時刻ｔ１（ｔ０＜ｔ１）の時点で選択ワード線ＷＬ
ｎに＋１２Ｖを印加する。所定の書き込み時間ｔ（ｔ＝
ｔ２−ｔ１）だけ前記電圧を維持した後、時刻ｔ２で選
択ワード線ＷＬｎの電位を０Ｖに戻す。その後時刻ｔ３
（ｔ２＜ｔ３）で拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１の電位を０Ｖに
戻す。このようなタイミングで書き込みを行う場合、ワ
ード線電圧印加時間が短いため、ワードディスターブを
緩和できるという効果がある。

【００１２】図２を用いて消去動作を説明する。図２
（ａ）に示したように、選択ワード撮ＷＬｎにたとえば
−１３．５Ｖの負の電圧を、また、すベての第３ゲート
ＡＧにたとえば３．３Ｖといった比較的小さな正の電圧
を印加する。各拡散層Ｄｎ−２〜Ｄｎ＋２、ウェル、非
選択ワード線ＷＬｎ＋１は０Ｖである。これにより、ワ
ード線ＷＬｎ上のすべてのメモリセルにおいて、浮遊ゲ
ートから第３ゲートにファウラー−丿ールドハイム型ト
ンネリング現象により電子の放出が生じ、メモリセルの
しきい値が低下して消去が行われる。

【００１３】消去の際は、複数のワード線に同時に負の
電圧、たとえば−１３．５Ｖを印加し、すべての第３ゲ
ートＡＧにたとえば３．３Ｖといった比較的小さな正の
電圧、各拡散層Ｄ、ウェルを０Ｖとしてもよい。この場
合、負の電圧が印加されたワード線上のセルで消去が行
なわれる。すべての第３ゲートＡＧに比較的大きな電
圧、たとえば１７Ｖを印加し、すべてのワード線、各拡
散層Ｄ、ウェルを０Ｖとしてもよい。この場合、ブロッ
ク内のすべてのメモリセルで消去が行なわれる。

【００１４】本実施の形態にあっては、消去速度は酸化
膜電界に強く依存するのに対し、書込み速度は酸化膜電
界にあまリ依存しない。従って、メモリセルの製造方法
において、浮遊ゲート１０３ｂと半導体基板１００を分
離するゲート絶縁膜１０２の膜厚が、浮遊ゲート１０３
ｂと制御ゲート１１１ａを分離するシリコン酸化膜１１
０や、浮遊ゲート１０３ｂと第３ゲート１０７ａを分離
するシリコン酸化膜１０６の膜厚に比べ大となってい
る。

【００１５】従来のフラッシュメモリにあっては、浮遊
ゲ−トと消去ゲート間の電子のトンネル膜として、浮遊
ゲートポリシリコン膜を熱酸化して形成したシリコン酸
化膜が用いられている場合があった。しかしながら、ポ
リシリコン上の熱酸化膜は多量のトラップを有し、書換
え回数の増加とともに酸化膜中に電子が捕穫されるた
め、酸化膜に印加される電界が実効的に低下し、消去速
度が低下するという問題があった。このため、書換え回
数の増加とともに消去ゲートに印加する電圧を増大する
という手法が提案されていた。本実施例の形態の方法に
より形成したシリコン酸化膜は、膜中のトラップ量がウ
ェル上の酸化膜と同等であり、書換えを繰り返しても消
去速度の低下を生じない。

【００１６】図２（ｂ）は、選択ワード線ＷＬｎおよび
第３ゲートＡＧへの電圧印加のタイミングの一例を示し
たタイミングチャートである。図２（ｂ）に示すよう
に、時刻ｔ０の時点で選択ワード線ＷＬｎに−１３．５
Ｖを印加した後、時刻ｔ１（ｔ０＜ｔ１）の時点で第３
ゲートＡＧに＋３．３Ｖを印加する。所定の消去時間ｔ
（ｔ＝ｔ２−ｔ１）だけ前記電圧を維持した後、時刻ｔ
２で第３ゲートＡＧの電位を０Ｖに戻す。その後時刻ｔ
３（ｔ２＜ｔ３）で選択ワード線ＷＬｎの電位を０Ｖに
戻す。このような消去動作では、第３ゲートＡＧの電位
によって消去時間が制御されることとなる。この場合、
第３ゲートＡＧの電圧の方がワード線電圧に比べて切換
える電圧幅が小さいため、切換え時間を短くできる。従
って、第３ゲートＡＧで消去時間を直接制御する本消去
動作は、消去時間の制御性に優れているという効果があ
る。また、第３ゲートＡＧによる、非選択メモリセルヘ
のデイスタ一ブが低減できるという効果もある。

【００１７】図３を用いて読み出し動作を説明する。図
３（ａ）に示したように、選択セルＭのワード線ＷＬｎ
にたとえば３．３Ｖといった正の電圧を、また、選択セ
ルＭのドレインとなる拡散層Ｄｎにたとえば１Ｖの正の
電圧を印加する。選択セルＭのリースとなる拡散層Ｄｎ
−１、すべての第３ゲートＡＧ、ウェル、非選択ワード
線ＷＬｎ＋１は０Ｖに保持される。更に拡散層Ｄｎ−
２、Ｄｎ＋１、Ｄｎ＋２はそれぞれ０Ｖ、１Ｖ、フロー
ティング状態とし、書き込みの場合と同様に、誤読出し
を防止する。このように、本半導体集積回路装置であっ
ては、書込みと同様、隣接するメモリセル４個をＩつの
単位とし、その内の１セルを選択して読出しが行われ
る。従つて、１つのワード線上のすべてのセルで読出し
を行うためには、最低４回の読出し動作を実施する。

【００１８】図３（ｂ）および（ｃ）は、選択ワード線
ＷＬｎおよび拡散屑Ｄｎ、Ｄｎ＋１への電圧印加のタイ
ミングの一例を示したタイミングチャートである。同図
（ｂ）および（ｃ）に示す二通りの例がある。

【００１９】図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ０の時点
で選択ワード線ＷＬｎに＋３．３Ｖを印加した後、時刻
ｔ１（ｔ０＜ｔ１）の時点で拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１に＋
１Ｖを印加する。所定の読み出し時間ｔ（ｔ＝ｔ２−ｔ
１）だけ前記電圧を維持した後、時刻ｔ２で拡散屑Ｄ
ｎ、Ｄｎ＋１の電位を０Ｖに戻す。その後時刻ｔ３（ｔ
２＜ｔ３）で選択ワード線ＷＬｎの電位を０Ｖに戻す。
このようなタイミングで書き込みを行う場合、ドレイン
電圧印加時間が短いため、ドレインディスターブを緩和
できるという効果がある。

【００２０】図３（ｃ）に示すように、時刻ｔ０の時点
で拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１に＋１Ｖを印加した後、時刻ｔ
１（ｔ０＜ｔ１）の時点で選択ワード線ＷＬｎに＋３．
３Ｖを印加する。所定の書き込み時間ｔ（ｔ＝ｔ２−ｔ
１）だけ前記電圧を維持した後、時刻ｔ２で選択ワード
線ＷＬｎの電位を０Ｖに戻す。その後時刻ｔ３（ｔ２＜
ｔ３）で拡散層Ｄｎ、Ｄｎ＋１の電位を０Ｖに戻す。こ
のようなタイミングで書き込みを行う場合、ワード線電
圧印加時間が短いため、ワードディスターブを緩和でき
るという効果がある．

【００２１】本実施例の形態の半導体集積回路装置によ
れば、メモリセルＭは、浮遊ゲートおよび制御ゲート以
外の第３ゲートを有するにもかかわらず、ローカルデー
タ線方向およびワード線方向の寸法を、それぞれ最小加
工寸法Ｆの２倍とすることが可能である。このため、メ
モリセル面積を４Ｆ² に縮小することができる。また、
ワード線としてポリメタル構造を摺いたため、書込みお
よび読出し動作時のワード線の立上りの遅延時間を縮小
することが可能である。また、第３ゲート形成後、ポリ
メタル構造のワード線を形成したため、浮遊ゲート−第
３ゲート間のシリコン酸化膜の欠陥密度を低減可能であ
る。また、書込み／消去時の内部動作電圧の絶対値の最
大値を１３．５Ｖに低減することが可能である。

【００２２】本実施例の形態とは異なり、浮遊ゲートパ
ターンを形成後、第３ゲートを、浮遊ゲートパターンに
よって形成される隙間に形成し、この後ワード線を浮遊
ゲートパターンに対して垂直に形成し、これをマスクに
浮遊ゲートを更にパターニングし、その後、ソース／ド
レインとなる拡散層を形成する方法も考えられる。この
場合には、チャネルとワード線は互いに直交し、第３ゲ
ートは浮遊ゲート端面のうち、チャネルに平行な面で浮
遊ゲートと対向することになる。しかしながら、この方
法にあっては、第３ゲートを形成後、拡散層のイオン打
込みを行うこととなるため、第３ゲートの下部に拡散層
を形成することが困難である。従って、拡散層を接続す
るためには、各メモリセル毎にコンタクト孔を配して導
電体を接続する必要があり、本実施例の形態に比べセル
面積が増大するという問題を生じる。従つて、メモリセ
ル微細化と欠陥密度低減の両立を図るためには、第３ゲ
ートの配置方向は、本実施の形態で述べたように、その
２つの端面を、前記浮遊ゲートの端面のうちワード線お
よびチャネルとそれぞれ垂直な方向に存在する２つの端
面と、それぞれ対向して存在することが必然である。

【００２３】図４には、この発明に係る多値不揮発性メ
モリの一実施例の素子構造断面図が示されている。同図
（ａ）にはワード線に沿った断面図が示され、同図
（ｃ）にはデータ線方向に沿った断面図が示され、同図
（ｂ）にはデータ線方向に沿ったチャネル部の断面図が
示されている。この実施例の半導体集積回路装置は、い
わゆるフラッシュメモリのメモリセルを有する。このメ
モリセルは、半導体基板１００の主面に形成されたウェ
ル１０１中のソース／ドレイン拡散層２０５、第１ゲー
ト（浮遊ゲート）１０３ｂ、第２ゲート（制御ゲート）
１１１ａ及び第３ゲート１０７ａを有する。各メモリセ
ルの制御ゲート（第２ゲート）１１１ａは、行方向（ｘ
方向）に接続され、ワード線ＷＬを形成している。

【００２４】ソース／ドレイン拡散層２０５は、ワード
線１１１ａに垂直に配置され、列方向（ｘ方向）のメモ
リセルのソース／ドレインを接続するローカルソース線
及びローカルデータ線として存在する。この実施例で
は、メモリセル毎にコンタクト孔を持たない、いわゆる
コンタクトレス型のアレイから構成される。この拡散層
２０５に垂直な方向（ｘ方向）にチャネルが形成され
る。

【００２５】この実施例のメモリセルのソース／ドレイ
ン拡散層２０５は、特に制限されないが、ソース／ドレ
インを訂正する一対の拡散層２０５が浮遊ゲートパター
ン１０３ａに対して非対称の位置関係にあり、一方の拡
散層が浮遊ゲートとオーバーラップしないオフセット構
造とされる。第３ゲート１０７ａと拡散層２０５はそれ
ぞれの一部がオーバーラップするように存在する。これ
により、この実施例のメモリセルでは、第３ゲート１０
７ａ下のウェル中にもチャネルが形成され、本実施例の
第３ゲート１０７ａは消去ゲートとしてばかりでなく、
その下部に存在するチャネルを制御するゲートとしても
機能する。

【００２６】この構成により、書き込み時のホットエレ
クトロンの発生及び注入効率が増大し、チャネル電流の
小さな領域での書き込みが可能となる。したがって、従
来程度の電流供給能力を持つ内部電源で、キロバイトオ
ーダー以上の多数個のメモリセルの並列書き込みが可能
となる。

【００２７】第３ゲート１０７ａの２つの端面は、浮遊
ゲート１０３ｂの端面のうちワード線１１１ａ及びチャ
ネルとそれぞれ垂直な２つの端面とそれぞれ絶縁膜１０
６ａを介して対向して存在する。第３ゲート１０７ａ
は、ワード線１１１ａ及びチャネルと垂直な方向（ｙ方
向）に存在する浮遊ゲート１０３ｂの隙間に埋め込まれ
て存在する。上記第３ゲート１０７ａは、拡散層２０５
と前記のように一部がオーバーラップするように配置さ
れ、拡散層２０５と同様に、ワード線１１１ａ及びチャ
ネルに垂直に、すなわち、列方向（ｙ方向）に配置され
る。このような第３ゲートを備えた不揮発性メモリに関
しては、本願出願人に係る特願平１１−２２０２４２号
に詳しく述べられている。

【００２８】上記のような第３ゲート（以下、ＡＧとい
う）を備えたメモリセルでは、例えば制御電圧（以下、
ＶＡＧという）が０．１Ｖずれると、書き込み速度が
０．６桁もずれてしまう。ＶＡＧを固定にすると、基準
電源バラツキ、基準電源の温度や電源電圧依存性等によ
り、書き込み速度が大きくずれる可能性が高くなる。こ
の結果、前記のように４値のしきい値電圧分布を精度よ
く設定することが困難ととなる。つまり、書き込み過剰
となり、各しきい値電圧分布での上限値を超えてしまう
セルが発生する。このような書き込み過剰のセルが発生
すると、いったん消去し、上記ＡＧ電圧を変更して再度
書き込みを行う必要がある。

【００２９】図５には、この発明に係る多値不揮発性メ
モリの書き込み方法の一実施例のフローチャート図が示
されている。図６には、メモリセルのしきい値電圧の分
布図が示されている。

【００３０】メモリセルは、図６に例示されるように、
４値メモリセルとされ、そのしきい値電圧は、消去状態
に対応するしきい値電圧と、書き込み状態に対応する３
通りのしきい値電圧をそれぞれ目標値とすべく４段階に
分布する。このため、各メモリセルＭＣは、１個でそれ
ぞれ２ビットの記憶データを保持するものとなり、各分
布領域における記憶データの論理値は、順次それぞれ
“１１”，“１０”，“００”ならびに“０１”とされ
る。

【００３１】言うまでもなく、消去状態にあり論理値
“１１”の記憶データを保持するメモリセルは、対応す
るワード線ＷＬの選択レベルが、上記各分布の中間電圧
に対応したいずれで選択状態とされる場合もオン状態と
なる。また、論理値“１０”の記憶データを保持するメ
モリセルは、対応するワード線が論理値“１０”と論理
値“００”の間に設定されるワード線選択電位で選択状
態とされることで選択的にオン状態となり、論理値“０
０”の記憶データを保持するメモリセルは、対応するワ
ード線が論理値“００”と論理値“０１”の間に設定さ
れるワード線選択電位とされることで選択的にオン状態
となる。さらに、論理値“０１”の記憶データを保持す
るメモリセルは、対応するワード線が上記３通りのワー
ド線選択電位のいずれでオン状態とはならない。

【００３２】この実施例では、論理値“１１”の消去状
態から論理値“１０”に書き込む際に適用される。ステ
ップ（１）では、ＶＡＧをＶＧＡ＜０＞の最小に設定
し、書き込み時間ｔＷＰで書き込みを行う。ステップ
（２）では、しきい値がＶＳＷ４以上のビットがあるか
チェックする。１ビットもないときには、ＶＡＧ＝ＶＡ
Ｇ＋αだけ増加させて、再度ステップ（１）での書き込
みを実施する。しきい値がＶＳＷ４以上のビットが発生
するまで以上の動作を繰り返す。

【００３３】ステップ（２）において、しきい値がＶＳ
Ｗ４以上のビットが有るときは、論理値“１０”の上限
値に対応したしきい値がＶＳＷ５以上のビットがあるか
判定する。もしも、１ビットでもＶＳＷ５以上のしきい
値電圧を持つビットが存在する場合には、書き込み不良
（過剰）と判定される。

【００３４】ステップ（４）では、しきい値電圧をＶＷ
１から順次小さくして最速ビットのしきい値がＶＳＷ
１、ＶＳＷ２、ＶＳＷ３のいずれか判定する。これによ
り、メモリセルの書き込み特性の分布の傾向、特に最速
ビットのしきい値電圧から、過剰書き込みが発生しない
ことを考慮した演算によって単位書き込み量を判定す
る。ステップ（５）では、上記求められた単位書き込み
量ＶＡＧ＝ＶＡＧ＋βと、書き込み時間ｔＷＰ（０）に
より、等幅パルスの印加により、論理値“１０”に対応
したしきい値ＶＳＷ１を下限、ＶＳＷ５を上限としたし
きい値分布になるように書き込みベリファイ（Verify)
と書き込みバイアスの順で繰り返して論理値“１０”書
き込みを終了する。この実施例では、上記電圧ＶＡＧの
電圧可変中の書き込み目的が、データを書き込むための
ものではなく、メモリセルの書き込み速度を測定するこ
とにある。

【００３５】以後、論理値“００”や論理値“０１”に
対応した書き込み動作では、上記最速のメモリセルを書
き込み特性から、書き込み過剰にならないような配慮を
しつつ、上記電圧ＶＡＧ＝ＶＡＧ＋βを用い、書き込み
時間ｔＷＰの時間を調整して、単位書き込み量を設定す
る。書き込み動作は、１つのワード線に対応した複数の
メモリセルに対して同時に実施される。それ故、“１
０”を書き込むメモリセルが無いときには、書き込みデ
ータに対応して、論理値“００”あるいは論理値“０
１”に対する書き込み動作の中で、上記のようなメモリ
セルの書き込み特性の判定が行われる。

【００３６】図７には、この発明に係る多値不揮発性メ
モリの書き込み方法の他の一実施例のフローチャート図
が示されている。この実施例では、ワード線に印加され
る書き込み電圧ＶＷＷを、書き込み時の条件に合った値
に設定する一実施例のフローチャートが示されている。
本願発明では、前記のように書き込み動作において、メ
モリセルに弱い書き込み動作を実施し、その書き込み量
に対するメモリセルのしきい値電圧の変化や分布からメ
モリセルの書き込み特性を判定することに大きな特徴が
ある。この実施例では、前記実施例のような第３ゲート
を持たない、トンネル電流によって書き込み動作や消去
動作が実施されるメモリセルに対する書き込み動作、つ
まりワード線の選択電圧ＶＷＷの設定にこの発明を適用
したものである。

【００３７】この実施例においても、論理値“００”の
消去状態から論理値“１０”に書き込む際に適用され
る。ステップ（１）では、最小の電圧に対応した書き込
み電圧ＶＷＷ＜０＞で、書き込み時間ｔＷＰ＜０＞の最
小時間で書き込みを行う。ステップ（２）では、しきい
値がＶＳＷ４以上のビットがあるかチェックする。１ビ
ットもないときには、ＶＷＷ＝ＶＷＷ＋（ＶＳＷ１−Ｖ
ＳＷ４）だけ増加させて、再度ステップ（１）での書き
込みを実施する。しきい値がＶＳＷ４以上のビットが発
生するまで以上の動作を繰り返す。このとき、上記増加
させるワード線の選択電圧を、（ＶＳＷ１−ＶＳＷ４）
のようにしきい値電圧に設定したが、これに限定され
ず、任意の電圧刻みでもよい。しかながら、上記目標と
するししきい値分布の最低電圧ＶＳＷ１と、上記いわば
試し書き込みの仮りのしきい値電圧ＶＳＷ４の差電圧を
用いることにより、効果的に目標にしきい値ＶＳＷ４に
到達させることができる。

【００３８】ステップ（２）において、しきい値がＶＳ
Ｗ４以上のビットが有るときは、論理値“１０”の上限
値に対応したしきい値がＶＳＷ５以上のビットがあるか
判定する。もしも、１ビットでもＶＳＷ５以上のしきい
値電圧を持つビットが存在する場合には、書き込み不良
（過剰）と判定される。

【００３９】ステップ（４）では、しきい値電圧をＶＷ
１から順次小さくして最速ビットのしきい値がＶＳＷ
１、ＶＳＷ２、ＶＳＷ３のいずれか判定する。これによ
り、メモリセルの書き込み特性の分布の傾向を判定し、
ステップ（５）では、上記ＶＳＷ４に至る書き込み回数
から求められるＶＷＷ＝ＶＷＷ＋（ＶＳＷ１−ＶＳＷ２
〜４）で初期ｔＷＰ＝ｔＷＰ＜０＞×０．２で、その後
にべき乗印加し、上記の条件で書き込みベリファイ（Ve
rify) と書き込みバイアスの順で繰り返して論理値“１
０”書き込みを終了する。この実施例で、最初に上記ｔ
ＷＰ＜０＞×０．２の書き込みを実施することで、それ
までの書き込み動作（１）に０．２を加え、以後１．２
倍ずつのべき乗印加が可能となる。この実施例では、上
記ベリファイでのチェックは、実際に書き込みを実施す
るビットのみであるので、各書き込みデータにおける最
適な書き込み電圧ＶＷＷに設定できる。

【００４０】以後、論理値“００”や論理値“０１”に
対応した書き込み動作では、上記最速のメモリセルを書
き込み特性から、書き込み過剰にならないような配慮を
しつつ、例えば上記電圧ＶＷＷ＝ＶＷＷ＋（ＶＳＷ１−
ＶＳＷ２〜４）を用い、書き込み時間ｔＷＰを１．２倍
ずつ増加させるというべき乗印加を実施する。書き込み
動作は、１つのワード線に対応した複数のメモリセルに
対して同時に実施される。それ故、“１０”を書き込む
メモリセルが無いときには、論理値“００”に対する書
き込み動作の中で、上記のようなメモリセルの書き込み
特性の判定が行われる。

【００４１】前記図５の実施例のように第３ゲートを有
するメモリセルにおいては最初に書き込みを実施するＡ
Ｇ電圧（ＶＡＧ）、あるいは前記図７の実施例のように
ワード線に印加される書き込み電圧を利用するもので
は、かかる電圧ＶＷＷ＜０＞をフラッシュメモリ（メモ
リアレイ又は別に設置）に格納しておくと、これらの電
圧を容易に変更でき、書き込み時間を速くすることがで
きる。

【００４２】図８には、この発明に係る多値不揮発性メ
モリに搭載される温度補正回路の一実施例のブロック図
が示されている。温度センサ回路は、ゲートに１．２Ｖ
の定電圧が印加されたＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴのド
レインとダイオード接続のＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴ
により電源電圧を分圧し、かかる分圧電圧がゲートに印
加されたＰチャンネル型ＭＯＳＦＥＴと、ダイオード接
続のＮチャンネル型ＭＯＳＦＥＴとを接続し電圧ＶＩＮ
を形成する。この電圧ＶＩＮを基準電圧ＶＲＦを用いて
デジタル信号化する。

【００４３】フラッシュメモリで構成されたレジスタ
（フラッシュレジスタ）には、プローブ検査のときに、
温度（Ｔａ）＝９０°Ｃと２５°Ｃのときの温度データ
ＳＴ１を格納して置く。電源投入やスタンバイ時からの
復帰、例えばリセット信号／ＲＥＳのロウレベルからハ
イレベルへの立ち上がりによって、上記フラッシュレジ
スタのデータＳＴ１をレジスタに読み出す。レジスタに
は、データＳＴ２（Ｔａ＝９０°Ｃのときの電圧ＶＴ
１）とデータＳＴ３（Ｔａ＝２５°Ｃのときの電圧ＶＴ
１）が格納される。

【００４４】演算回路では、上記２つのデータＳＴ２と
ＳＴ３を参照し、上記温度センサからのデジタル化され
た電圧ＳＴ１を取り込み、現在の温度ＳＨを算出する。
かかる温度情報ＳＨに基づき、電圧発生回路により書き
込みベリファイ（Verify) 電圧、消去ベリファイ（Veri
fy) 電圧及び読み出し電圧Ｖｘｘを生成する。この電圧
は、基準電源（０．０２Ｖ刻み）ＳＨに応じて、基準に
使用する電圧を変えて、メモリセルが接続されるワード
線に供給される選択電圧Ｖｘｘ値を温度補正する。

【００４５】以上の実施例から得られる作用効果は、下
記の通りである。すなわち、 （１） １つのメモリセルに２ビット以上の記憶情報を
格納する多値不揮発性メモリに対し、消去状態のメモリ
セルに対して書き込みデータに対応し最初の書込動作の
ときに書き込み単位量を最小単位から順次に増加させる
よう設定し、消去状態に隣接して分布する上記第１しき
い値分布以下の所定のしきい値電圧に到達させるに費や
した書き込み量から当該メモリセルの書き込み特性を判
定して、かかる判定結果に基づいて単位書き込み量を設
定することにより、簡単な構成により、高い精度でしか
も高速な書き込み動作を実現することができるという効
果が得られる。

【００４６】（２） 上記メモリセルに書込電流を制御
する制御電極を設け、制御電圧を最低電圧から順次増加
させて書き込み動作を実施し、消去状態に隣接して分布
する上記第１しきい値分布以下の所定のしきい値電圧に
到達したときのメモリセルのしきい値電圧の分布から制
御電圧を設定し、かかる制御電圧のもとで書き込み動作
の繰り返しにより上記書き込みデータに対応した最小の
しきい値分布への書き込み動作を行ない、上記書き込み
動作回数からメモリセルの書き込み特性を判定して、上
記書き込みデータに対応した最小のしきい値分布より大
きなしきい値分布に対応した単位書き込み量を設定する
ことにより、制御電圧による高速書き込み動作を、簡単
な構成により、高い精度で実施することができるという
効果が得られる。

【００４７】（３） 上記に加えて、温度センサにより
チップ温度に対応した電圧信号をデジタル化し、プロ
ーブ検査によって求められた比較的高い第１温度に対応
した温度情報と比較的低い第２温度に対応した温度情報
とを比較演算して、上記温度検出信号に対応して上記制
御電圧の補正を行うことにより、より高い精度での効率
的な書き込みや消去動作を実施することができるという
効果が得られる。

【００４８】（４） 上記に加えて、上記書き込み量を
予め決められた一定電圧刻みで形成された電圧の中から
１つを選択することにより簡単な構成で、上記温度補正
された制御電圧を得ることができるという効果が得られ
る。

【００４９】（５） 上記に加えて、上記温度サンサで
検出された温度情報を書き込みベリファイ電圧、消去ベ
リファイ電圧及び読み出しワード線の電圧も補正するこ
とにより、動作の安定化を図ることができるという効果
が得られる。

【００５０】以上、本発明者によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、この発明は、上記実
施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例え
ば、図４のメモリセルの構造は、ソース／ドレインを浮
遊ゲートパターンに対して対称的に配置する構成として
もよい。第３ゲート電極を持たないで、Ｆ−Ｎトンネル
電流により書き込みと消去が行われるメモリセルは、種
々の実施形態を採ることができる。この発明は、４値以
上の多値を格納するようにした不揮発性メモリに広く利
用できる。

【００５１】

【発明の効果】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。すなわち、１つのメモリセルに２ビッ
ト以上の記憶情報を格納する多値不揮発性メモリに対
し、消去状態のメモリセルに対して書き込みデータに対
応し最初の書込動作のときに書き込み単位量を最小単位
から順次に増加させるよう設定し、消去状態に隣接して
分布する上記第１しきい値分布以下の所定のしきい値電
圧に到達させるに費やした書き込み量から当該メモリセ
ルの書き込み特性を判定して、かかる判定結果に基づい
て単位書き込み量を設定することにより、簡単な構成に
より、高い精度でしかも高速な書き込み動作を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明が適用される多値不揮発性メモリの書
き込み動作を説明するための一実施例の構成図である。

【図２】この発明が適用される多値不揮発性メモリの消
去動作を説明するための一実施例の構成図である。

【図３】この発明が適用される多値不揮発性メモリの読
み出し動作を説明するための一実施例の構成図である。

【図４】この発明に係る多値不揮発性メモリの一実施例
を示す素子構造断面図である。

【図５】この発明に係る多値不揮発性メモリの書き込み
方法の一実施例を示すフローチャート図である。

【図６】この発明に係る多値不揮発性メモリのメモリセ
ルの一実施例のしきい値電圧の分布図である。

【図７】この発明に係る多値不揮発性メモリの書き込み
方法の他の一実施例を示すフローチャート図である。

【図８】この発明に係る多値不揮発性メモリに搭載され
る温度補正回路の一実施例を示すブロック図である。

【符号の説明】

Ｍ…メモリセル、ＷＬｎ…ワード線、Ｄｎ…データ線、
ＡＧ…第３ゲート、１００…半導体基板、１０１…ウェ
ル、１０２…ゲート絶縁膜、１０３ｂ…浮遊ゲート、１
０７ａ…第３ゲート、１１１ａ…ワード線、１０６ａ，
１０８ａ…絶縁膜、２０５…ソース／ドレイン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5B025 AA03 AB01 AC01 AD04 AD05 AD09 AE05 AE08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １つのメモリセルに２ビット以上の記憶
   情報を格納する多値不揮発性メモリであって、 消去状態のメモリセルに対して書き込みデータに対応し
   最初の書込動作のときに書き込み単位量を最小単位から
   順次に増加させるよう設定し、消去状態に隣接して分布
   する上記第１しきい値分布以下の所定のしきい値電圧に
   到達したときのメモリセルのしきい値電圧から当該メモ
   リセルの書き込み特性を判定して、かかる判定結果に基
   づいて、単位書き込み量を設定してなることを特徴とす
   る多値不揮発性メモリ。
2. 【請求項２】 請求項１において、 上記メモリセルは、書込電流を制御する制御電極を備え
   てなり、 上記制御電圧に供給される制御電圧を最低電圧から順次
   増加させて書き込み動作を実施し、消去状態に隣接して
   分布する上記第１しきい値分布以下の所定のしきい値電
   圧に到達したときのメモリセルのしきい値電圧の分布か
   ら制御電圧を設定し、かかる制御電圧のもとで書き込み
   動作の繰り返しにより上記書き込みデータに対応した最
   小のしきい値分布への書き込み動作を行ない、 上記書き込み動作回数からメモリセルの書き込み特性を
   判定して、上記書き込みデータに対応した最小のしきい
   値分布より大きなしきい値分布に対応した単位書き込み
   量を設定してなることを特徴とする多値不揮発性メモ
   リ。
3. 【請求項３】 請求項２において、 チップ温度に対応した電圧信号をデジタル化する温度セ
   ンサと、 上記温度センサで形成された温度検出信号とプローブ検
   査によって求められた比較的高い第１温度に対応した温
   度情報と比較的低い第２温度に対応した温度情報とを比
   較演算して、上記温度検出信号に対応して上記制御電圧
   の補正を行うことを特徴とする多値不揮発性メモリ。
4. 【請求項４】 請求項２又は３において、 上記書き込み量は、予め決められた一定電圧刻みで形成
   された電圧の中から１つを選択することにより設定され
   るものであることを特徴とする多値不揮発性メモリ。
5. 【請求項５】 請求項３又は４において、 上記温度サンサで検出された温度情報は、書き込みベリ
   ファイ電圧、消去ベリファイ電圧及び読み出しワード線
   の電圧も補正するものであることを特徴とする多値不揮
   発性メモリ。