JP2003091993A - Data storage device, and nonvolatile semiconductor memory device to be used therefor - Google Patents

Data storage device, and nonvolatile semiconductor memory device to be used therefor

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JP2003091993A
JP2003091993A JP2001285012A JP2001285012A JP2003091993A JP 2003091993 A JP2003091993 A JP 2003091993A JP 2001285012 A JP2001285012 A JP 2001285012A JP 2001285012 A JP2001285012 A JP 2001285012A JP 2003091993 A JP2003091993 A JP 2003091993A
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JP
Japan
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memory
data
volatile
memory device
address
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Application number
JP2001285012A
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Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Emori
孝之 江守
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To arbitrarily set a data unit exchanged between a nonvolatile memory and this device for data capacity of a cache memory for improving a hit rate. SOLUTION: The data storage device has a nonvolatile memory device (cache memory 1) and a nonvolatile semiconductor memory device (MONOS memory 2), data is stored linking with both memories in accordance with inputted data. The MONOS memory 2 has a memory cell array in which a plurality of memory cells storing data by accumulating electric charges in an electric charge trap in a plurality of ferroelectric films laminated on the semiconductor are arranged in a matrix state and memory cells are connected by a plurality of common lines of a row direction and a column direction. In this device, common lines of this column direction are separated for each cell column so that the number of bits of data unit exchanged between memory devices can be set arbitrarily.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるキャッシ
メモリと称される揮発性メモリ装置と、例えばMONO
S型など電荷トラップを用いて記憶を行う不揮発性メモ
リ装置とを連携させて動作させることにより、不揮発性
であっても高いメモリ動作性能(書き換え速度,書き換
え可能回数)を達成したデータ記憶装置と、そのデータ
記憶装置に用い得る不揮発性半導体メモリ装置とに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a volatile memory device called a so-called cache memory and, for example, a MONO.
A data storage device that achieves high memory operation performance (rewrite speed, rewritable number) even if it is non-volatile by operating in cooperation with a non-volatile memory device that stores data using charge traps such as S type. , A non-volatile semiconductor memory device that can be used for the data storage device.

【0002】[0002]

【従来の技術】旧来の不揮発性RAMは、大きく分けて
2種類存在した。その一つは、SRAMやDRAMなど
の揮発性メモリのセル内に不揮発性メモリとしてのEE
PROMを組合せたものである。
2. Description of the Related Art There are roughly two types of conventional non-volatile RAM. One of them is EE as a non-volatile memory in a cell of a volatile memory such as SRAM or DRAM.
It is a combination of PROMs.

【0003】図11は、SRAMベースの不揮発性RA
Mセルの等価回路図である。この不揮発性RAMセル
は、ワードNMOSトランジスタN1 ,N2 と、ドライ
ブNMOSトランジスタN3 ,N4 と、負荷PMOSト
ランジスタP1 ,P2とからなる通常の6トランジスタ
型SRAMセルを有する。SRAMセルの記憶ノードN
1 ,ND2 に、EEPROMセルが接続されている。
EEPROMセルは、そのメモリトランジスタT2 のド
レインがSRAMセルの記憶ノードND2 に接続され、
そのソースがキャパシタC2 を介して基準電位線に接続
されている。メモリトランジスタT2 のフローティング
ゲートFGとコントロールゲートCGとの間にキャパシ
タCC2 が接続されている。フローティングゲートFG
はキャパシタCE を介して、コントロールゲートCGは
キャパシタCC3 を介して、それぞれストア電圧VST
供給線に接続されている。また、フローティングゲート
FGはキャパシタCP を介して、コントロールゲートC
GはNMOSトランジスタT1 を介して、それぞれ基準
電位線に接続されている。NMOSトランジスタT1
ゲートは、SRAMセルの記憶ノードND1 に接続さ
れ、かつ、キャパシタC1 を介して基準電位線に接続さ
れている。
FIG. 11 shows a nonvolatile RA based on SRAM.
It is an equivalent circuit diagram of M cell. This nonvolatile RAM cell has a normal 6-transistor type SRAM cell including word NMOS transistors N 1 and N 2 , drive NMOS transistors N 3 and N 4 , and load PMOS transistors P 1 and P 2 . Storage node N of SRAM cell
An EEPROM cell is connected to D 1 and ND 2 .
EEPROM cell, the drain of the memory transistor T 2 is connected to the storage node ND 2 of the SRAM cell,
Its source is connected to the reference potential line via the capacitor C 2 . The capacitor CC 2 is connected between the floating gate FG and the control gate CG of the memory transistor T 2 . Floating gate FG
Is connected to the supply line of the store voltage V ST via the capacitor C E and the control gate CG via the capacitor CC 3 . Further, the floating gate FG is connected to the control gate C through the capacitor C P.
G is connected to the reference potential line via the NMOS transistor T 1 . The gate of the NMOS transistor T 1 is connected to the storage node ND 1 of the SRAM cell and is also connected to the reference potential line via the capacitor C 1 .

【0004】ここで、キャパシタCC3 ,CC2 は、キ
ャパシタCE ,CP より十分大きく設計されている。い
ま、SRAMセルの記憶ノードのレベルは、ND1 がL
(ロー)でND2 がH(ハイ)であるとする。このRA
MデータをEEPROMに記憶するストア動作で、トラ
ンジスタT1がオフの状態でストア電圧VSTが印加され
ると、キャパシタCC3 ,CC2 ,C E の合成容量とキ
ャパシタCP の容量との比(合成容量≫CP )でフロー
ティングゲート電位がブーストされ、オン状態のメモリ
トランジスタT2 のチャネルから電子がフローティング
ゲートFGに注入され、そのしきい値電圧VthがHレ
ベルになる。逆に、SRAMセルの記憶ノードND1
Hレベルにあり、記憶ノードND2がLレベルにあると
きは、トランジスタT1 がオンするため、ストア電圧V
ST印加時にフローティングゲート電位は殆どブーストさ
れず、電子注入は起こらない。このため、メモリトラン
ジスタのしきい値電圧VthはLレベルを維持する。
Here, the capacitor CC3 , CC2 Is
Capacitor CE , CP Designed to be much larger. I
The level of the storage node of the SRAM cell is ND1 Is L
ND in (low)2 Is H (high). This RA
Store operation to store M data in EEPROM
Register T1Is off when the store voltage VSTIs applied
Then, the capacitor CC3 , CC2 , C E Synthetic capacity and key
Capacitor CP Ratio to capacity (combined capacity >> CP ) Flow
Memory with boosting gate potential and on state
Transistor T2 Electrons floating from the channel
It is injected into the gate FG and its threshold voltage Vth is H level.
Become a bell. On the contrary, the storage node ND of the SRAM cell1 But
Storage node ND at H level2Is at the L level
The transistor T1 Is turned on, the store voltage V
STWhen applied, the floating gate potential is almost boosted.
No electron injection occurs. For this reason,
The threshold voltage Vth of the transistor is maintained at the L level.

【0005】このように、SRAMセルの記憶ノードN
2 の電位が、メモリトランジスタT2 のしきい値電圧
Vthと大小関係を対応させて保持される。したがっ
て、その後、DRAMセルの電源供給を絶っても、DR
AMセルの記憶データがEEPROM内に保持されたこ
ととなる。
Thus, the storage node N of the SRAM cell is
The potential of D 2 is held in a magnitude relationship with the threshold voltage Vth of the memory transistor T 2 . Therefore, even if the power supply to the DRAM cell is cut off thereafter, DR
The stored data of the AM cell is held in the EEPROM.

【0006】電源再投入時または希望のタイミングでE
EPROMのデータをSRAMセルに移すリコール動作
時には、SRAMセルの電源供給ノードの電位VDDA
低電位から電源電圧VDDまで徐々に上げる。EEPRO
M内のキャパシタC2 がキャパシタC1 より十分大きく
予め設定されている。このため、記憶ノードND1 ,N
2 の負荷容量は、メモリトランジスタT2 のオン/オ
フに応じて、その大小関係が逆転する。つまり、しきい
値電圧VthがLレベルと低くメモリトランジスタT2
がオンするときは、記憶ノードND2 にキャパシタC2
の大きな容量が接続されるため、記憶ノードND2 がL
レベル、記憶ノードND1 がHレベルとなる。逆に、し
きい値電圧VthがHレベルと高くメモリトランジスタ
2 がオフするときは、負荷容量が記憶ノードND1
で高くなり、その結果、記憶ノードND1 がLレベル、
記憶ノードND2 がHレベルとなる。このようにEEP
ROMの記憶データ(しきい値電圧Vthの大小)が、
そのまま記憶ノードND2 の電位を決定する。その結
果、リコール動作によって、ストア動作時点のSRAM
記憶データがEEPROMから呼び出され、記憶ノード
ND1 ,ND2 上に再現されたこととなる。
When the power is turned on again or at a desired timing, E
During the recall operation for transferring the EPROM data to the SRAM cell, the potential V DDA of the power supply node of the SRAM cell is gradually raised from the low potential to the power supply voltage V DD . EEPRO
The capacitor C 2 in M is preset to be sufficiently larger than the capacitor C 1 . Therefore, the storage nodes ND 1 , N
The magnitude relationship of the load capacitance of D 2 is reversed according to ON / OFF of the memory transistor T 2 . That is, the threshold voltage Vth is low at the L level and the memory transistor T 2 is low.
There When turned on, the storage node ND 2 in the capacitor C 2
Storage node ND 2 is connected to L
The level and the storage node ND 1 become H level. On the contrary, when the threshold voltage Vth is high at H level and the memory transistor T 2 is turned off, the load capacitance becomes high on the storage node ND 1 side, and as a result, the storage node ND 1 is at L level,
The storage node ND 2 becomes H level. EEP like this
The data stored in the ROM (the magnitude of the threshold voltage Vth) is
As it is, the potential of the storage node ND 2 is determined. As a result, the recall operation causes the SRAM at the time of the store operation.
This means that the stored data is recalled from the EEPROM and reproduced on the storage nodes ND 1 and ND 2 .

【0007】図12は、DRAMベースの不揮発性RA
Mセルの等価回路図である。この不揮発性RAMセル
は、3つのNMOSトランジスタT1 ,T2 ,T3 と、
1つのメモリトランジスタMTとを有する。ビット補線
BL_と電源電圧VCCの供給線との間にトランジスタT
1 ,メモリトランジスタMT,トランジスタT 3 が直列
接続されている。メモリトランジスタMTのコントロー
ルゲートCGと、ビット線BLとの間にトランジスタT
2 が接続されている。トランジスタT1,T2 はワード
線WLにより制御され、トランジスタT3 はリコール線
RLにより制御される。メモリトランジスタMTのドレ
イン不純物拡散層は大きな面積を有し、そのドレイン不
純物拡散層に誘電体膜を介してコントロールゲートCG
が重なっている。これにより、DRAMセルのMOS型
のキャパシタC1 が形成されている。
FIG. 12 shows a DRAM-based non-volatile RA
It is an equivalent circuit diagram of M cell. This non-volatile RAM cell
Are three NMOS transistors T1 , T2 , T3 When,
It has one memory transistor MT. Bit supplementary line
BL_ and power supply voltage VCCTransistor T between the supply line of
1 , Memory transistor MT, transistor T 3 Are in series
It is connected. Control of memory transistor MT
A transistor T between the rugate CG and the bit line BL.
2 Are connected. Transistor T1, T2 Is the word
Controlled by line WL, transistor T3 Is the recall line
Controlled by RL. Drain of memory transistor MT
The impurity diffusion layer has a large area and its drain
Control gate CG through the dielectric film on the pure substance diffusion layer
Are overlapping. This allows the MOS type of the DRAM cell
Capacitor C1 Are formed.

【0008】この不揮発性RAMセルは、通常、2トラ
ンジスタ(T1 ,T2 )と1キャパシタ(C1 )型のD
RAMセルとして機能する。キャパシタC1 に蓄積され
た電荷(記憶データ)をメモリトランジスタのフローテ
ィングゲートFGに蓄積するストア動作は、一旦、記憶
データをメモリセル外部に読み出した後に、改めて行わ
れる。具体的に、まず、ワード線WLを活性化し、この
ときビット線対に僅かに表れる電位変化が、ビット線対
BL,BL_に接続された図示しないセンスアンプによ
り記憶データとして読み出される。この記憶データをラ
ッチした後、その“1”,“0”に応じてビット線対の
一方を高電圧に昇圧し、メモリトランジスタMTのフロ
ーティングゲートFGに電子を注入するか、引き抜く。
例えばメモリトランジスタMTのフローティングゲート
FGに電子を注入する場合、ビット線BL側を高電圧に
し、ビット補線BL_を基準電圧0Vにする。この状態
で、ワード線WLおよびリコール線RLを活性化する
と、メモリトランジスタがオンして、そのチャネルから
電子がフローティングゲートFGに注入され、メモリト
ランジスタMTのしきい値電圧Vthが上昇する。逆
に、電子を引き抜く場合は、ビット補線BL_を高電圧
としビット線BLを基準電圧0Vとした状態で、ワード
線を活性化する。このとき、メモリトランジスタMTの
ドレイン側に設けたトンネル膜が薄い電荷引き抜き部か
ら、フローティングゲートFG内の電子がドレイン不純
物拡散層に引き抜かれる。キャパシタC1 の記憶データ
は時間とともにリークして消失するが、同じ記憶データ
がメモリトランジスタMTのしきい値電圧差に変換され
て記憶されたこととなる。
This non-volatile RAM cell is usually a 2-transistor (T 1 , T 2 ) and 1-capacitor (C 1 ) type D cell.
Functions as a RAM cell. The store operation of accumulating the electric charge (stored data) stored in the capacitor C 1 in the floating gate FG of the memory transistor is performed again after the stored data is once read out of the memory cell. Specifically, first, the word line WL is activated, and a potential change slightly appearing on the bit line pair at this time is read out as stored data by a sense amplifier (not shown) connected to the bit line pair BL, BL_. After latching this stored data, one of the bit line pairs is boosted to a high voltage in response to the "1" or "0", and electrons are injected or extracted into the floating gate FG of the memory transistor MT.
For example, when injecting electrons into the floating gate FG of the memory transistor MT, the bit line BL side is set to a high voltage and the auxiliary bit line BL_ is set to the reference voltage 0V. When the word line WL and the recall line RL are activated in this state, the memory transistor is turned on, electrons are injected from the channel to the floating gate FG, and the threshold voltage Vth of the memory transistor MT rises. On the contrary, when the electrons are extracted, the word line is activated with the complementary bit line BL_ set to a high voltage and the bit line BL set to the reference voltage 0V. At this time, the electrons in the floating gate FG are extracted to the drain impurity diffusion layer from the charge extraction portion where the tunnel film provided on the drain side of the memory transistor MT is thin. Although the storage data of the capacitor C 1 leaks and disappears with time, the same storage data is converted into the threshold voltage difference of the memory transistor MT and stored.

【0009】リコール動作もセンスアンプを介してセル
ごとに行う。具体的には、ビット線BLをビット補線B
L_より高い電位にプリチャージし、ビット補線BL_
をフローティング状態とし、ワード線WLおよびリコー
ル線RLを活性化してトランジスタT1 〜T3 をオンさ
せる。このときフローティングゲートFGの電子の蓄積
状態に応じてメモリトランジスタMTのオン/オフが決
まる。メモリトランジスタMTがオンした場合はビット
補線BL_の電位が上昇し、メモリトランジスタMTが
オフの場合は、ビット補線BL_の電位上昇が起こらな
い。このビット補線BL_の電位変化をセンスアンプに
より増幅することにより、データの読み出しが行われ
る。このデータを基に、キャパシタC1 をチャージする
か非チャージとするかの書き込み動作を行えば、元の記
憶データがキャパシタC1 の電荷蓄積状態として再現さ
れる。
The recall operation is also performed for each cell via the sense amplifier. Specifically, the bit line BL is replaced with the complementary bit line B.
Precharge to a potential higher than L_, and complement bit line BL_
Was a floating state to turn on the transistor T 1 through T 3 activates the word line WL and the recall line RL. At this time, ON / OFF of the memory transistor MT is determined according to the electron accumulation state of the floating gate FG. When the memory transistor MT is turned on, the potential of the complementary bit line BL_ rises, and when the memory transistor MT is turned off, the potential of the complementary bit line BL_ does not rise. Data is read by amplifying the potential change of the complementary bit line BL_ by a sense amplifier. The data based on, by performing one of a write operation to a non-charged or charged capacitor C 1, the original stored data is reproduced as a charge storage state of the capacitor C 1.

【0010】ところが、これらSRAMベースあるいは
DRAMベースの不揮発性RAMでは、セルを構成する
トランジスタ数が多く、セル面積が大きいため、現在、
殆ど実用に供せられていない。
However, in these SRAM-based or DRAM-based non-volatile RAMs, the number of transistors forming a cell is large and the cell area is large.
It has hardly been put to practical use.

【0011】不揮発性RAMのもう一つの代表的な形態
として、FeRAMがある。ところが、FeRAMは、
メモリセルサイズがDRAMの10倍もあるうえ、読み
出し回数に制限がある。たとえば、FeRAMの読み出
し回数は1010回が限度であり、少なくても1015回の
読み出し回数が要求される用途ではSRAM,DRAM
の代替えに向いていない。そのため、FeRAMは、通
常のRAMより読み出し回数が少なくてよいメモリカー
ド等の特殊な用途に限定されていた。
FeRAM is another typical form of non-volatile RAM. However, FeRAM is
The memory cell size is 10 times larger than that of DRAM, and the number of times of reading is limited. For example, FeRAM has a limit of 10 10 read times, and SRAM, DRAM are used for applications requiring at least 10 15 read times.
Is not suitable for replacement. Therefore, the FeRAM has been limited to a special application such as a memory card, which requires less reading times than a normal RAM.

【0012】一方、例えば特開平5−216775号公
報に記載されているように、いわゆるキャッシュメモリ
システムの主記憶をフラッシュEEPROMで行うこと
によっても、ほぼ同じような機能の実現が可能である。
On the other hand, as described in, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-216775, a flash EEPROM can be used as the main memory of a so-called cache memory system to achieve substantially the same function.

【0013】このようなキャッシュメモリシステムの一
般的な構成を、図13に示す。キャッシュメモリは、一
般に、タグメモリ、データメモリおよびコンパレータよ
り構成される。タグメモリには、アドレスビットのほか
に、必要に応じて変更ビット、有効ビット、リプレース
・アルゴリズム用のビットなどが格納されている。デー
タメモリは、タグメモリ内のアドレスビットと1対1に
対応した、フラッシュメモリ内のデータの一部がコピー
されて記憶されている。キャッシュメモリは、バスライ
ンを通してCPUとフラッシュメモリに接続され、アド
レスおよびデータが相互に通信される。キャッシュメモ
リにフラッシュメモリのアドレスが与えられると、それ
をタグメモリの内容とコンパレータで比較する。ここ
で、一致するアドレスがあった場合、「ヒットした」と
言う。この場合、ヒットしたアドレスに対応したデータ
がデータメモリから取り出されて、使用される。コンパ
レータの比較の結果、一致するアドレスがない場合、
「ミスした」と言う。ミスが生じた場合は、フラッシュ
メモリをアクセスし、得られたデータを使用する。
A general configuration of such a cache memory system is shown in FIG. The cache memory is generally composed of a tag memory, a data memory and a comparator. In addition to address bits, the tag memory stores change bits, effective bits, replacement algorithm bits, and the like as necessary. In the data memory, a part of the data in the flash memory, which corresponds to the address bit in the tag memory one to one, is copied and stored. The cache memory is connected to the CPU and the flash memory via a bus line, and addresses and data are communicated with each other. When the address of the flash memory is given to the cache memory, it is compared with the contents of the tag memory by the comparator. If there is a matching address, it is said to be a "hit". In this case, the data corresponding to the hit address is fetched from the data memory and used. If there is no matching address as a result of comparator comparison,
Say "I made a mistake". If a miss occurs, the flash memory is accessed and the obtained data is used.

【0014】キャッシュメモリシステムでは、データメ
モリが例えばSRAMからなる場合、電源供給が必要で
ある。システムの電源が切られて、SRAMへの電源供
給が遮断されると、図示しない制御回路がバッテリーか
らの電源供給を受けて、キャッシュメモリ内の記憶内容
を予備のフラッシュメモリに退避させるストア動作を行
う。そして、電源が復帰した時点で、予備のフラッシュ
メモリに退避していたデータを再びキャッシュメモリ内
に呼び戻すリコール動作を行う。
In the cache memory system, when the data memory is composed of SRAM, for example, power supply is necessary. When the system power is turned off and the power supply to the SRAM is cut off, a control circuit (not shown) receives power supply from the battery and performs a store operation for saving the stored contents in the cache memory to the spare flash memory. To do. Then, when the power is restored, a recall operation is performed to recall the data saved in the spare flash memory back into the cache memory.

【0015】このようなキャッシュメモリシステムで
は、電源オフ時に必要なバッテリーを必要とするが、シ
ステム全体としては不揮発性とすることができる。この
キャッシュメモリシステムをコンピュータに応用するよ
うな場合、そのアクセスデータの局所性、すなわち、同
じあるいは隣りのアドレスのデータが次々に繰り返し使
用される性質がある。したがって、この頻繁に使用され
るデータをキャッシュメモリに納め、またデータの使用
頻度に応じてキャッシュメモリに入れるデータを変更す
ることで、フラッシュメモリ単独のデータ記憶装置に比
べ、システム全体の書き換え特性を向上させることがで
きる。
Such a cache memory system requires a battery required when the power is turned off, but the entire system can be made non-volatile. When this cache memory system is applied to a computer, the access data has locality, that is, data of the same or adjacent addresses is used repeatedly one after another. Therefore, by storing this frequently used data in the cache memory and changing the data to be stored in the cache memory according to the frequency of use of the data, the rewriting characteristics of the entire system can be improved as compared with the data storage device of the flash memory alone. Can be improved.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】キャッシュメモリとフ
ラッシュメモリとの間で取り交わすデータの最小単位は
ブロック(またはライン)と呼ばれる。上記のように書
き換え特性を向上するためのキャッシュメモリシステム
では、フラッシュメモリの書き換え単位がブロックとな
る。
The minimum unit of data exchanged between the cache memory and the flash memory is called a block (or line). In the cache memory system for improving the rewriting characteristics as described above, the rewriting unit of the flash memory is a block.

【0017】ところで、現在最も一般的なフラッシュメ
モリは、FG型メモリトランジスタを記憶素子とするも
ので、その書き換え単位が、例えば最小512Byte
と比較的に大きな単位に決められている。フラッシュメ
モリの書き換え時間(=消去時間+書き込み時間)を出
来るだけ短縮するためである。
By the way, the most common flash memory at present uses an FG type memory transistor as a memory element, and the rewriting unit thereof is, for example, a minimum of 512 bytes.
And a relatively large unit. This is to shorten the rewriting time (= erasing time + writing time) of the flash memory as much as possible.

【0018】一般に、ブロック単位が大きいほどヒット
率は高くなる。それは、あるデータが参照された場合、
そのデータの近くにあるデータが間もなく参照される確
率が高いという空間的局所性から説明される。しかし、
キャッシュメモリ容量に対するブロックの相対的なサイ
ズを非常に大きくすると、逆に、ヒット率が低くなるこ
とがある。これは、キャッシュメモリ中に保持できるブ
ロック数が少なくなるため、ブロック間の競合が多くな
るからである。例えば、あるブロック内をアクセス中
に、他のブロックに属するデータが1度だけアクセスさ
れ、引き続いて元のブロック内のデータをアクセスしよ
うとすると、キャッシュメモリ内に収容できるブロック
数が少ないため、他のブロックに属するデータをアクセ
スする際に元のブロック内容が書き換えられてしまい、
その後のアクセスができなくなる。このような場合、元
のブロック内容を再びフラッシュメモリから呼び出す必
要があり、ヒット率が低くなるとともに、頻繁にフラッ
シュメモリとキャッシュメモリ間でブロック内容の交換
が起きて効率が低下する。
Generally, the larger the block unit, the higher the hit rate. That is, if some data is referenced,
It is explained by the spatial locality that data near it is likely to be referenced soon. But,
If the size of the block relative to the cache memory capacity is made very large, the hit rate may be lowered on the contrary. This is because the number of blocks that can be held in the cache memory decreases, and thus competition between blocks increases. For example, if data belonging to another block is accessed only once while accessing in a certain block and the data in the original block is subsequently accessed, the number of blocks that can be accommodated in the cache memory is small, When accessing the data that belongs to the block, the original block contents are rewritten,
After that, you will not be able to access it. In such a case, it is necessary to recall the original block contents from the flash memory again, the hit rate becomes low, and the block contents are frequently exchanged between the flash memory and the cache memory, which lowers the efficiency.

【0019】以上の理由から、例えば数10kByte
の容量を持つキャッシュメモリに対しヒット率が最も高
くなる最適なブロックサイズは、数10Byteである
と推定される。上記した現在最も一般的なフラッシュメ
モリのブロックサイズ(最小512Byte)は、一般
に、キャッシュメモリの実用的な容量サイズに対し大き
すぎて、ヒット率の向上を阻害する要因となっていると
いう課題があった。また、フラッシュメモリの単独使用
ではブロックサイズは大きければ好ましいが、キャッシ
ュメモリと連携して用いるシステムにおいては、ブロッ
クサイズが必要以上に大きいことが、フラッシュメモリ
自身の書き換え時間の増大要因となることがある。
From the above reason, for example, several tens of kBytes
It is estimated that the optimum block size that maximizes the hit rate for a cache memory having a capacity of several tens of bytes is several tens of bytes. The block size (minimum 512 Bytes) of the most common flash memory described above is generally too large for the practical capacity size of the cache memory, which is a factor that hinders the improvement of the hit rate. It was Further, it is preferable that the block size is large when the flash memory is used independently. However, in a system that is used in cooperation with the cache memory, the block size being larger than necessary may increase the rewriting time of the flash memory itself. is there.

【0020】本発明の第1の目的は、ヒット率向上のた
めに、キャッシュメモリなどの揮発性メモリ装置のデー
タ容量に対して、不揮発性メモリ装置との間で取り交わ
すデータ単位を任意に設定できるデータ記憶装置を提供
することにある。また、本発明の第2の目的は、上記デ
ータ記憶装置など、他のメモリ装置と連携して用いるシ
ステムに用いることが容易な構成を有した不揮発性半導
体メモリ装置を提供することにある。
A first object of the present invention is to arbitrarily set a data unit exchanged with a non-volatile memory device with respect to a data capacity of a volatile memory device such as a cache memory in order to improve a hit rate. It is to provide a data storage device. A second object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory device having a configuration easy to use in a system used in cooperation with another memory device such as the data storage device.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成す
るために、本発明の第1の観点に係るデータ記憶装置
は、揮発性メモリ装置と不揮発性半導体メモリ装置とを
有し、入力したデータに応じて両メモリ装置を連携させ
てデータを記憶するデータ記憶装置であって、上記不揮
発性半導体メモリ装置が、半導体上に積層された複数の
誘電体膜内の電荷トラップに電荷を蓄積してデータを記
憶する複数のメモリセルを行列状に配置させ、行方向お
よび列方向の複数の共通線によりメモリセル間を接続さ
せたメモリセルアレイを有し、列方向の上記共通線が、
メモリ装置間でやり取りするデータ単位のビット数を任
意に設定できるようにセル列ごとに分離されている。上
記揮発性メモリ装置が、好ましくは、データを記憶する
データメモリと、データメモリ領域のアドレスを記憶す
るアドレスメモリと、入力したアドレスをアドレスメモ
リ内のアドレスと比較する比較器とを含む。
In order to achieve the above first object, a data storage device according to a first aspect of the present invention has a volatile memory device and a non-volatile semiconductor memory device, and A data storage device that stores data by linking both memory devices according to the stored data, wherein the nonvolatile semiconductor memory device stores charges in charge traps in a plurality of dielectric films stacked on a semiconductor. Then, a plurality of memory cells for storing data are arranged in a matrix, and a memory cell array in which the memory cells are connected by a plurality of common lines in the row direction and the column direction is provided, and the common line in the column direction is
It is separated for each cell column so that the number of bits of a data unit exchanged between memory devices can be arbitrarily set. The volatile memory device preferably includes a data memory for storing data, an address memory for storing the address of the data memory area, and a comparator for comparing the input address with the address in the address memory.

【0022】上記不揮発性半導体メモリ装置のメモリセ
ルが、好ましくは、いわゆるMONOS型のメモリトラ
ンジスタから構成される。また、書き込み、消去あるい
は読み出しのための不揮発性メモリ制御回路を有してい
る。不揮発性メモリ制御回路は、書き込みを、いわゆる
ホットエレクトロン注入により行い、消去を、いわゆる
バンド間トンネル電流に起因したホットホール注入によ
り行い、読み出しを、いわゆるリバースリード方式によ
り行うことが望ましい。
The memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device is preferably composed of a so-called MONOS type memory transistor. It also has a non-volatile memory control circuit for writing, erasing or reading. It is desirable that the nonvolatile memory control circuit perform writing by so-called hot electron injection, erasing by hot hole injection due to so-called band-to-band tunnel current, and reading by so-called reverse read method.

【0023】また、上記データ記憶装置は、好ましく
は、メモリ間の制御を行う制御回路を有している。制御
回路は、例えば、比較器で一致するアドレスがあるとき
は、そのアドレスに対応する揮発性メモリ装置のデータ
メモリに入力データを書き込み、比較器で一致するアド
レスがないときは、データメモリ内の一部のデータを追
い出し、入力データをデータメモリの空き領域に書き込
み、かつ、データメモリから追い出されたデータを不揮
発性半導体メモリ装置に書き込む制御を行う。また、制
御回路は、例えば、比較器で一致するアドレスがあると
きは、そのアドレスに対応するデータを揮発性メモリ装
置の上記データメモリから読み出し、比較器で一致する
アドレスがないときは、入力アドレスに対応したデータ
を上記不揮発性半導体メモリ装置から読み出す制御を行
う。
Further, the data storage device preferably has a control circuit for controlling between memories. The control circuit, for example, writes the input data to the data memory of the volatile memory device corresponding to the address when there is a matching address in the comparator, and writes the input data in the data memory when there is no matching address in the comparator. Control is performed such that a part of the data is expelled, the input data is written to a free area of the data memory, and the data expelled from the data memory is written to the nonvolatile semiconductor memory device. Further, for example, the control circuit reads the data corresponding to the address from the data memory of the volatile memory device when there is a matching address in the comparator, and the input address when there is no matching address in the comparator. The control for reading the data corresponding to is read from the nonvolatile semiconductor memory device.

【0024】このように構成された本発明の第1の観点
に係るデータ記憶装置では、不揮発性メモリ装置の書き
込み、消去あるいは読み出し単位が1ビット以上の任意
のビット数に設定できるので、揮発性メモリ装置でヒッ
ト率が最大となるデータサイズ(ブロックサイズ)の設
定が可能である。このため、揮発性メモリ装置のアクセ
ス成功効率が高く、揮発性メモリ装置と不揮発性メモリ
装置との間のデータ通信回数も低減される。したがっ
て、必要なデータを外部とやり取りするためのデータ記
憶装置全体の動作時間が短い。また、必要に応じて内部
補助電源を備えるだけで全体としては不揮発性にするこ
とが可能で、データ書き換え速度も主に揮発性メモリ装
置の特性に依存し、高速かつ低消費電力なデータ記憶装
置となっている。
In the thus configured data storage device according to the first aspect of the present invention, the unit of writing, erasing or reading of the non-volatile memory device can be set to an arbitrary bit number of 1 bit or more, so that it is volatile. It is possible to set the data size (block size) that maximizes the hit rate in the memory device. Therefore, the access success efficiency of the volatile memory device is high, and the number of times of data communication between the volatile memory device and the non-volatile memory device is reduced. Therefore, the operation time of the entire data storage device for exchanging necessary data with the outside is short. In addition, it can be made non-volatile as a whole only by providing an internal auxiliary power supply if necessary, and the data rewriting speed mainly depends on the characteristics of the volatile memory device. Has become.

【0025】前記した第2の目的を達成するために、本
発明の第2の観点に係る不揮発性半導体メモリ装置で
は、行列状に配置した複数のメモリセルを含むメモリセ
ルアレイを有し、上記メモリセルが、チャネルが形成さ
れる半導体とゲート電極との間に積層され、内部に電荷
トラップを含む複数の誘電体膜を有し、電荷トラップに
電荷を注入してデータを書き込みまたは消去したり当該
記憶データを読み出す際に、それぞれ必要な電圧が印加
される行方向および列方向の複数の共通線により、メモ
リセルアレイ内のメモリセル間が接続され、列方向の共
通線が、一度に書き込み,消去または読み出すデータ単
位のビット数を任意に設定できるようにセル列ごとに分
離されている。
In order to achieve the above second object, a nonvolatile semiconductor memory device according to a second aspect of the present invention has a memory cell array including a plurality of memory cells arranged in rows and columns, A cell is laminated between a semiconductor in which a channel is formed and a gate electrode, and has a plurality of dielectric films including charge traps therein, and charges are injected into the charge traps to write or erase data, When reading the stored data, a plurality of common lines in the row and column directions to which necessary voltages are applied respectively connect the memory cells in the memory cell array, and the common lines in the column direction are written and erased at once. Alternatively, it is separated for each cell column so that the number of bits of the data unit to be read can be set arbitrarily.

【0026】この不揮発性半導体メモリ装置は、例えば
前記した第1の観点に係るデータ記憶装置の不揮発性メ
モリ装置として好適な構成を備えている。
This non-volatile semiconductor memory device has a structure suitable as, for example, the non-volatile memory device of the data storage device according to the first aspect.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】第1実施形態 第1実施形態は、本発明の不揮発性半導体メモリ装置に
関する。図1は、本発明の実施形態に係る不揮発性半導
体メモリ装置のメモリセルアレイの基本構成を示す4セ
ル分の等価回路図である。図2(A)〜(C)は、書き
込み、消去、読み出し時のバイアス条件を示す図であ
る。図3(A),(B)は書き込み時のバイアス条件お
よび動作を示すメモリトランジスタの回路図と断面図で
ある。また、図4(A),(B)は消去時のバイアス条
件および動作を示すメモリトランジスタの回路図と断面
図である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First Embodiment The first embodiment relates to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention. FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of four cells showing a basic configuration of a memory cell array of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention. 2A to 2C are diagrams showing bias conditions at the time of writing, erasing and reading. FIGS. 3A and 3B are a circuit diagram and a cross-sectional view of a memory transistor showing bias conditions and operations during writing. In addition, FIGS. 4A and 4B are a circuit diagram and a cross-sectional view of a memory transistor showing a bias condition and an operation at the time of erasing.

【0028】図1に示すように、このメモリセルアレイ
では、その各メモリセルが1つのMONOS型メモリト
ランジスタからなり、MONOS型メモリトランジスタ
が行列状に多数配置されている。メモリセル列で共有さ
れ列方向に長いソース線とビット線が交互に配置されて
いる。具体的に、第1列のメモリセルのソースを相互に
接続するソース線SL1,第1列のメモリセルのドレイ
ンを相互に接続するビット線BL1,第2列のメモリセ
ルのソースを相互に接続するソース線SL2,第2列の
メモリセルのドレインを相互に接続するビット線BL
2,…が行方向に、この順で配置されている。各ビット
線および各ソース線は、図3(B),図4(B)に示す
ように、例えば、P型シリコンウエハなどからなる基板
SUBに形成されたN型の不純物領域(ソース・ドレイ
ン領域)S/Dからなる。
As shown in FIG. 1, in this memory cell array, each memory cell is composed of one MONOS type memory transistor, and a large number of MONOS type memory transistors are arranged in a matrix. Source lines and bit lines which are shared by the memory cell columns and which are long in the column direction are alternately arranged. Specifically, a source line SL1 for connecting the sources of the memory cells in the first column to each other, a bit line BL1 for connecting the drains of the memory cells in the first column to each other, and a source of the memory cells in the second column to each other. Source line SL2, bit line BL connecting the drains of the memory cells in the second column to each other
2, ... Are arranged in this order in the row direction. As shown in FIGS. 3B and 4B, each bit line and each source line is an N-type impurity region (source / drain region) formed in a substrate SUB made of, for example, a P-type silicon wafer. ) S / D.

【0029】また、メモリセル行で共有され行向に長い
ワード線が配置されている。具体的に、ワード線WL1
は第1行のメモリセルのゲートを相互に接続し、ワード
線WL2は第2行のメモリセルのゲートを相互に接続し
ている。各ワード線は、図3(B),図4(B)に示す
ように、例えばドープド多結晶珪素を材料とするゲート
電極GEからなる。
In addition, a long word line shared by the memory cell rows is arranged in the row direction. Specifically, the word line WL1
Connect the gates of the memory cells in the first row to each other, and the word line WL2 interconnects the gates of the memory cells in the second row. As shown in FIGS. 3B and 4B, each word line is composed of a gate electrode GE made of, for example, doped polycrystalline silicon.

【0030】MONOS型メモリセルでは、ゲート電極
GEと基板SUBとの間に、3層の誘電体膜からなるゲ
ート誘電体膜GDが介在する。ゲート誘電体膜GDは、
下層から順に、例えば酸化珪素,酸化窒化珪素などから
なるボトム膜BTM、ボトム膜より電荷トラップ密度が
高い誘電体、例えば窒化珪素または酸化窒化珪素などか
らなり主に電荷蓄積の役目を果たす電荷蓄積膜CHS、
例えば酸化珪素などからなるトップ膜TOPから構成さ
れる。ここで、ボトム膜BTMは蓄積電荷と基板SUB
との間の電位障壁層として、トップ膜TOPは蓄積電荷
とゲート電極GEとの間の電位障壁層として機能する。
In the MONOS type memory cell, the gate dielectric film GD formed of three dielectric films is interposed between the gate electrode GE and the substrate SUB. The gate dielectric film GD is
A bottom film BTM made of, for example, silicon oxide and silicon oxynitride, and a dielectric having a higher charge trap density than the bottom film, such as silicon nitride or silicon oxynitride, in order from the lower layer, and a charge storage film mainly serving to store charges. CHS,
For example, it is composed of a top film TOP made of silicon oxide or the like. Here, the bottom film BTM is formed of the accumulated charge and the substrate SUB.
And the top film TOP function as a potential barrier layer between the accumulated charges and the gate electrode GE.

【0031】書き込み時には、図2(A)の楕円で囲ん
だ書き込み対象のセルが接続されたビット線BL1に正
電圧、例えば5Vを印加し、書き込みを禁止する列のビ
ット線BL2,…および全てのソース線SL1,SL
2,…に基準電圧0Vを印加する。また、書き込み対象
のセルが接続されたワード線WL1に正電圧、例えば9
Vを印加し、書き込みを禁止する行のワード線WL2,
…に基準電圧0Vを印加する。
At the time of writing, a positive voltage, for example, 5 V is applied to the bit line BL1 connected to the writing target cell surrounded by the ellipse in FIG. 2A, and the bit lines BL2, ... Source lines SL1, SL
A reference voltage of 0 V is applied to 2, ... In addition, a positive voltage, eg, 9 V, is applied to the word line WL1 to which the cell to be written is connected.
V is applied, and word lines WL2 and
A reference voltage of 0 V is applied to.

【0032】このバイアス条件下、図3(B)に示すよ
うに、ソースからチャネルCHに供給された電子が加速
されて、その一部がドレイン端側でホットエレクトロン
となり、ゲート誘電体膜GD内に注入される。その結
果、当該メモリトランジスタのしきい値電圧が上昇す
る。なお、ソースとドレインの印加電圧を切り替える
と、チャネル方向のもう一方の端部に電子注入ができ、
この場合、2ビット/セルの記憶となる。
Under this bias condition, as shown in FIG. 3B, the electrons supplied from the source to the channel CH are accelerated, some of them become hot electrons on the drain end side, and inside the gate dielectric film GD. Is injected into. As a result, the threshold voltage of the memory transistor rises. By switching the applied voltage between the source and drain, electrons can be injected into the other end in the channel direction,
In this case, 2 bits / cell is stored.

【0033】消去時には、図2(B)の楕円で囲んだ消
去対象のセルが接続されたビット線BL1に正電圧、例
えば5Vを印加し、消去を禁止する列のビット線BL
2,…に基準電圧0Vを印加し、全てのソース線SL
1,SL2,…をオープンにしてフローティング状態と
する。また、消去対象のセルが接続されたワード線WL
1に負電圧、例えば−5Vを印加し、消去を禁止する行
のワード線WL2,…に基準電圧0Vを印加する。
At the time of erasing, a positive voltage, for example, 5 V is applied to the bit line BL1 connected to the cell to be erased surrounded by the ellipse of FIG.
A reference voltage of 0 V is applied to 2, ...
1, SL2, ... Are opened and brought into a floating state. Also, the word line WL to which the cell to be erased is connected
1 is applied with a negative voltage, for example, -5V, and the reference voltage 0V is applied to the word lines WL2, ...

【0034】このバイアス条件下、図4(B)に示すよ
うに、正電圧を印加したソース・ドレイン領域S/D
(ビット線BL)の表面が空乏化し、その空乏層内が高
電圧となるためバンド−バンド間トンネル電流が発生す
る。バンド−バンド間トンネル電流に起因して正孔hが
発生し、電界加速される。電界加速により高エネルギー
を得た正孔hはゲート電圧に引きつけられて電荷蓄積層
CHS内の電荷トラップに注入される。その結果、電荷
蓄積層内の蓄積電荷が打ち消され、当該メモリトランジ
スタのしきい値電圧が低下する。
Under this bias condition, as shown in FIG. 4B, the source / drain region S / D to which a positive voltage is applied is applied.
The surface of the (bit line BL) is depleted and the depletion layer has a high voltage, so that a band-to-band tunnel current is generated. Holes h are generated due to the band-to-band tunnel current, and the electric field is accelerated. The holes h that have obtained high energy by the electric field acceleration are attracted to the gate voltage and injected into the charge traps in the charge storage layer CHS. As a result, the accumulated charges in the charge accumulation layer are canceled out, and the threshold voltage of the memory transistor is lowered.

【0035】読み出しでは、ソースとドレイン間の印加
電圧を書き込み時と逆にするリバースリードを行う。す
なわち、図2(B)の楕円で囲んだセルを読み出す場
合、その電荷が蓄積された側のビット線BL1に基準電
圧0Vを印加し、ソース線SL1に正電圧、例えば1V
を印加する。読み出しを行わない列のビット線BL2,
…およびソース線SL2,…は基準電圧0Vで保持す
る。また、読み出し対象のセルが接続されたワード線W
L1に正電圧、例えば3.5Vを印加し、他の行のワー
ド線WL2,…に基準電圧0Vを印加する。
In reading, reverse reading is performed in which the voltage applied between the source and the drain is opposite to that in writing. That is, when reading a cell surrounded by an ellipse in FIG. 2B, a reference voltage 0V is applied to the bit line BL1 on the side where the charges are accumulated, and a positive voltage, for example, 1V is applied to the source line SL1.
Is applied. The bit line BL2 of the column that is not read
, And the source lines SL2, ... Are held at the reference voltage 0V. In addition, the word line W to which the cell to be read is connected
A positive voltage, for example, 3.5V is applied to L1, and a reference voltage of 0V is applied to the word lines WL2, ... In other rows.

【0036】このバイアス条件下、電子が蓄積されてし
きい値電圧が高い場合は、メモリトランジスタがオンし
ない。逆に、電子が蓄積されていない、あるいは正孔が
注入されて電子が打ち消されてしきい値電圧が低い場合
は、メモリトランジスタがオンする。このメモリトラン
ジスタのオン/オフに応じて変化するビット線とソース
線間の電流の変化を図示しないセンスアンプで増幅し
て、読み出しデータとして出力する。このリバースリー
ドでは、蓄積電子が数百個であっても、その有無に応じ
てビット線とソース線間の電流が有効に変化する。した
がって、フォワードリードに比べ、特に蓄積電子を打ち
消す量の正孔を注入する消去時間が大幅に短縮でき、そ
の結果、書き換え時間が短くなる利点がある。なお、同
一セル内2ビット記憶の他のビットを読み出すときは、
ソースとドレインの印加電圧を上記と反対にして動作さ
せる。
Under this bias condition, if electrons are accumulated and the threshold voltage is high, the memory transistor does not turn on. On the contrary, when electrons are not accumulated, or when holes are injected and electrons are canceled and the threshold voltage is low, the memory transistor is turned on. A sense amplifier (not shown) amplifies a change in the current between the bit line and the source line, which changes depending on whether the memory transistor is turned on or off, and outputs it as read data. In this reverse read, even if the number of stored electrons is several hundred, the current between the bit line and the source line effectively changes depending on the presence or absence of the stored electrons. Therefore, as compared with the case of the forward read, there is an advantage that the erasing time for injecting holes in an amount that cancels the accumulated electrons can be significantly shortened, and as a result, the rewriting time is shortened. In addition, when reading another bit of 2-bit storage in the same cell,
The voltage applied to the source and drain is reversed to the above to operate.

【0037】図5(A),(B)に、メモリトランジス
タの2値のしきい値電圧Vth分布を示す。MONOS
型不揮発性メモリの場合、高い方の記憶データ“0”の
しきい値電圧分布は広いが、低い方の記憶データ“1”
のしきい値電圧分布は狭い範囲に収束する。通常、記憶
データ“0”を書き込み状態、記憶データ“1”を消去
状態とするが、逆に、記憶データ“1”を書き込み状
態、記憶データ“0”を消去状態としてもよい。前者を
方式1として図5(A)に示し、後者を方式2として図
5(B)に示す。以下、方式1,方式2のぞれぞれにつ
いて、書き換え時間の計算例を示す。
FIGS. 5A and 5B show binary threshold voltage Vth distributions of the memory transistor. MONOS
Type nonvolatile memory, the higher stored data “0” has a wide threshold voltage distribution, but the lower stored data “1”
The threshold voltage distribution of is converged in a narrow range. Normally, the stored data “0” is set to the written state and the stored data “1” is set to the erased state, but conversely, the stored data “1” may be set to the written state and the stored data “0” may be set to the erased state. The former is shown as method 1 in FIG. 5 (A), and the latter is shown as method 2 in FIG. 5 (B). Hereinafter, an example of calculating the rewriting time for each of method 1 and method 2 will be shown.

【0038】〔方式1〕方式1では、上記したように記
憶データ“0”を書き込み状態、記憶データ“1”を消
去状態とする。消去では、しきい値電圧Vthが収束し
やいのでゲートへのパルス印加回数を2回とする。消去
パルス時間Tpeは10μsとし、ワード線やビット線
の充放電時間Tceは、一度にやり取りするデータ単位
を8ビットと仮定した場合、最大で1μsとし、消去状
態を確認する検証読出し(ベリファイ)の時間Tveを
0.1μsとする。この仮定の下、消去時間Teは次式
(1)のように計算される。
[Method 1] In method 1, as described above, the storage data "0" is in the write state and the storage data "1" is in the erase state. In erasing, the threshold voltage Vth easily converges, so the number of times of pulse application to the gate is set to twice. The erase pulse time Tpe is set to 10 μs, and the charging / discharging time Tce of the word line and the bit line is set to 1 μs at maximum when assuming that the data unit to be exchanged at one time is 8 bits. The time Tve is set to 0.1 μs. Under this assumption, the erase time Te is calculated by the following equation (1).

【数1】 [Equation 1]

【0039】書き込みでは、パルス印加を4回行うと仮
定する。書き込みパルス時間Tpwは1μsとし、ワー
ド線やビット線の充放電時間Tcwは、一度にやり取り
するデータ単位を8ビットと仮定した場合、最大で1μ
sとする。また、高いしきい値電圧に収束させる場合の
ベリファイ回数は多く、そのトータル時間Tvwを1μ
sとする。この仮定の下、書き込み時間Twは次式
(2)のように計算される。
In writing, it is assumed that pulse application is performed four times. The write pulse time Tpw is set to 1 μs, and the charging / discharging time Tcw of the word line and the bit line is 1 μm at maximum when the data unit to be exchanged at one time is 8 bits.
Let s. In addition, the number of verifications is large when the voltage is converged to a high threshold voltage, and the total time Tvw is 1 μm.
Let s. Under this assumption, the write time Tw is calculated by the following equation (2).

【数2】 [Equation 2]

【0040】以上より、方式1での書き換え時間は、約
34μs(=22μs+12μs)となる。
From the above, the rewriting time in the method 1 is about 34 μs (= 22 μs + 12 μs).

【0041】〔方式2〕方式2では、上記したように記
憶データ“1”を書き込み状態、記憶データ“0”を消
去状態とする。しきい値電圧分布が収束し難いので、消
去前書き込みにて全てのセルを低いしきい値電圧にした
後に消去を行う。その消去前の書き込みでのパルス印加
は1回のみとし、ベリファイはやらない。消去前書き込
みのパルス時間Tppは10μsとし、ワード線やビッ
ト線の充放電時間Tcpは、一度にやり取りするデータ
単位を8ビットと仮定した場合、最大で1μsとする。
この仮定の下、消去前書き込み時間Tpは次式(3)の
ように計算される。
[Method 2] In method 2, as described above, the storage data "1" is in the written state and the storage data "0" is in the erased state. Since it is difficult for the threshold voltage distribution to converge, erasing is performed after setting all the cells to a low threshold voltage in programming before erasing. The pulse is applied only once in the writing before the erasing, and the verify is not performed. The pulse time Tpp for writing before erasure is set to 10 μs, and the charging / discharging time Tcp of the word line and the bit line is set to 1 μs at the maximum, assuming that the data unit to be exchanged at one time is 8 bits.
Under this assumption, the pre-erase write time Tp is calculated by the following equation (3).

【数3】 [Equation 3]

【0042】消去ではパルス印加回数を2回とする。消
去パルス時間Tpeは2μsとし、ワード線やビット線
の充放電時間Tceは、一度にやり取りするデータ単位
を8ビットと仮定した場合、最大で1μsとし、ベリフ
ァイ時間Tveを0.1μsとする。この仮定の下、消
去時間Teは次式(4)のように計算される。
In erasing, the pulse is applied twice. The erase pulse time Tpe is set to 2 μs, and the charge / discharge time Tce of the word line and the bit line is set to 1 μs at maximum and the verify time Tve is set to 0.1 μs, assuming that the data unit to be exchanged at one time is 8 bits. Under this assumption, the erase time Te is calculated by the following equation (4).

【数4】 [Equation 4]

【0043】書き込みではパルス印加を2回行うとす
る。書き込みパルス時間Tpwは10μsとし、ワード
線やビット線の充放電時間Tcwは、一度にやり取りす
るデータ単位を8ビットと仮定した場合、最大で1μs
とし、ベリファイ時間Tvwを1μsとする。この仮定
の下、書き込み時間Twは次式(5)のように計算され
る。
In writing, pulse application is performed twice. The write pulse time Tpw is set to 10 μs, and the charging / discharging time Tcw of the word line and the bit line is 1 μs at maximum, assuming that the data unit to be exchanged at one time is 8 bits.
And the verify time Tvw is set to 1 μs. Under this assumption, the write time Tw is calculated by the following equation (5).

【数5】 [Equation 5]

【0044】以上より、方式2での書き換え時間は、約
41μs(=11μs+6.2μs+24μs)とな
る。このように、方式1,方式2の何れの場合でも書き
換え時間は数10μsとなり余り大差はない。
From the above, the rewriting time in Method 2 is about 41 μs (= 11 μs + 6.2 μs + 24 μs). In this way, the rewriting time is several tens of μs in both cases of method 1 and method 2, and there is not much difference.

【0045】つぎに、比較例として、従来一般に用いら
れていたFG型メモリセルと、そのメモリセルアレイに
ついて説明する。図6(A),(B)に、ソースとなる
配線が行方向および列方向の隣接セル間で共有されたメ
モリセルアレイを示す。また、図7(A),(B)に書
き込み時と消去時のバイアス条件を示す。
Next, as a comparative example, an FG type memory cell generally used conventionally and its memory cell array will be described. 6A and 6B show a memory cell array in which a wiring serving as a source is shared between adjacent cells in the row direction and the column direction. Further, FIGS. 7A and 7B show bias conditions during writing and erasing.

【0046】本実施形態に係る図1のメモリセルアレイ
では、ソース線が各列ごとに共有され、行方向では分離
されていた。これに対し、図6(A)のメモリセルアレ
イでは、共通ソース線SLが、2つのメモリセル行ごと
に共有されている。また、図6(B)に示すVG型のメ
モリセルアレイでは、ソースまたはドレインの機能が切
り替わるため、列方向の配線は全てビット線と称され
る。各ビット線BL1,BL2,BL3,…は、2つの
メモリセル列で共有されている。
In the memory cell array of FIG. 1 according to the present embodiment, the source line is shared for each column and separated in the row direction. On the other hand, in the memory cell array of FIG. 6A, the common source line SL is shared by every two memory cell rows. Further, in the VG type memory cell array shown in FIG. 6B, since the functions of the source and the drain are switched, all wirings in the column direction are called bit lines. Each bit line BL1, BL2, BL3, ... Is shared by two memory cell columns.

【0047】良く知られているように、FG型メモリセ
ルは、半導体の上にトンネル膜、フローティングゲー
ト、ONO膜などの誘電体膜、コントロールゲートを積
層させたゲート構造を有する。書き込み時に、ソースに
基準電圧0Vを印加し、ドレインに記憶データ“0”,
“1”に応じて5Vまたは0Vを印加する。また、コン
トロールゲートに正電圧、例えば10Vを印加する。こ
のバイアス条件下、ドレインに5Vを印加した場合の
み、チャネルホットエレクトロン注入またはチャネル全
面のFNトンネリングにより電子がフローティングゲー
トに注入され、メモリトランジスタのしきい値電圧が上
昇する。
As is well known, the FG type memory cell has a gate structure in which a tunnel film, a floating gate, a dielectric film such as an ONO film, and a control gate are laminated on a semiconductor. At the time of writing, the reference voltage 0V is applied to the source, and the storage data “0” is applied to the drain.
5V or 0V is applied according to "1". Further, a positive voltage, for example, 10V is applied to the control gate. Only when 5 V is applied to the drain under this bias condition, electrons are injected into the floating gate by channel hot electron injection or FN tunneling of the entire surface of the channel, and the threshold voltage of the memory transistor rises.

【0048】消去時に、ソースまたはドレインの一方に
正電圧を印加し、他方をオープンとする。また、コント
ロールゲートに負電圧、例えば−10Vを印加する。こ
のバイアス条件下、5Vを印加した側にバンド−バンド
間トンネル電流に起因した正孔が発生する。発生した正
孔はゲート電圧により引きつけられてフローティングゲ
ートに注入され、メモリトランジスタのしきい値電圧が
低下する。
At the time of erasing, a positive voltage is applied to one of the source and the drain and the other is opened. Further, a negative voltage, for example, -10V is applied to the control gate. Under this bias condition, holes are generated due to the band-band tunnel current on the side to which 5 V is applied. The generated holes are attracted by the gate voltage and injected into the floating gate, which lowers the threshold voltage of the memory transistor.

【0049】この比較例のFG型メモリセルでは、書き
込み時間が数μsである。図6(A)のメモリセルアレ
イでは、同一行に属するセルごとに1bitずつの書き
込みが可能であり、また、連続した例えば8bitsの
並列書き込みもできる。ところが、図6(B)のメモリ
セルアレイでは、同一行に属するセルごとの1bitず
つの書き込みが可能であるが、連続した複数bitsの
任意の並列書き込みができない。ある書き込みセルが接
続されたビット線電位が行方向に隣接する他のセルのソ
ース電位またはドレイン電位を規制するためである。
In the FG type memory cell of this comparative example, the writing time is several μs. In the memory cell array of FIG. 6A, writing can be performed by 1 bit for each cell belonging to the same row, and continuous writing of, for example, 8 bits can be performed. However, in the memory cell array of FIG. 6B, writing can be performed by 1 bit for each cell belonging to the same row, but arbitrary parallel writing of continuous multiple bits cannot be performed. This is because the potential of the bit line connected to a certain write cell regulates the source potential or the drain potential of another cell adjacent in the row direction.

【0050】また、比較例のFG型メモリセルの消去時
間は、フローティングゲートFGの電位を十分変化させ
るために多量の正孔を注入する必要があるため長く、数
10msにもなる。よってビット毎の消去は、消去時間
が長すぎて用いられない。
Further, the erasing time of the FG type memory cell of the comparative example is long because it is necessary to inject a large number of holes in order to sufficiently change the potential of the floating gate FG, and is as long as several tens ms. Therefore, the erase for each bit is not used because the erase time is too long.

【0051】この比較例のFG型不揮発性メモリでは、
書き換え時間が数10msと長く、また、書き換え回数
が106 回程度であるため、RAMとして使用できなか
った。これに対し、前記した本実施形態のMONOS型
不揮発性メモリでは、書き換え時間が数10μsと短縮
され、またビットごとの書き込みおよび消去が可能であ
るため、RAMとしての使用が可能である。また、例え
ば8bitsなど、任意の単位で書き換えが可能であ
る。
In the FG type nonvolatile memory of this comparative example,
Since the rewriting time was as long as several tens of ms and the number of rewritings was about 10 6 , it could not be used as a RAM. On the other hand, in the above-mentioned MONOS type non-volatile memory of the present embodiment, the rewriting time is shortened to several tens of μs, and since writing and erasing can be performed for each bit, it can be used as a RAM. Further, rewriting is possible in an arbitrary unit such as 8 bits.

【0052】第2実施形態 本実施形態は、第1実施形態で示すMONOS型不揮発
性メモリを主記憶に用いたデータ記憶装置(以下、キャ
ッシュメモリシステムという)に関する。
Second Embodiment This embodiment relates to a data storage device (hereinafter referred to as a cache memory system) using the MONOS type nonvolatile memory shown in the first embodiment as a main memory.

【0053】図8は、キャッシュメモリシステムの概略
構成を示すブロック図である。また、図9は、このキャ
ッシュメモリシステムを、例えばコンピュータに用いた
場合の要部構成を示す図である。このキャッシュメモリ
システムは、図8に示すように、キャッシュメモリ1、
MONOSメモリ2、退避用MONOSメモリ3、制御
回路4およびバッテリー5を有する。キャッシュメモリ
1、MONOSメモリ2、退避用MONOSメモリ3
は、データバス6を通して相互にデータを交換できるよ
うになっている。制御回路4は、キャッシュメモリ1、
MONOSメモリ2、退避用MONOSメモリ3、およ
びバッテリー5を制御する。バッテリー5は、主に、キ
ャッシュメモリ1、MONOSメモリ2、退避用MON
OSメモリ3に、システムの電源遮断時に退避動作のた
めに電源を供給する。
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic structure of the cache memory system. Further, FIG. 9 is a diagram showing a main configuration when the cache memory system is used in a computer, for example. This cache memory system, as shown in FIG.
It has a MONOS memory 2, an evacuation MONOS memory 3, a control circuit 4, and a battery 5. Cache memory 1, MONOS memory 2, save MONOS memory 3
Can exchange data with each other through the data bus 6. The control circuit 4 includes a cache memory 1,
It controls the MONOS memory 2, the save MONOS memory 3, and the battery 5. The battery 5 is mainly a cache memory 1, a MONOS memory 2 and a save MON.
Power is supplied to the OS memory 3 for a save operation when the system power is cut off.

【0054】キャッシュメモリ1は、タグメモリ10、
コンパレータ11およびデータメモリ12を含む。ここ
で、図9において符号100は、コンピュータの中央演
算装置(CPU)を示す。CPU100は、アドレスバ
ス7を通して、タグメモリ10、コンパレータ11、デ
ータメモリ12と、MONOSメモリ2とに対して、ア
ドレスを出力可能に接続されている。また、CPU10
0、データメモリ12およびMONOSメモリは、デー
タバス6を通して相互にデータを交換可能に接続されて
いる。
The cache memory 1 is a tag memory 10,
It includes a comparator 11 and a data memory 12. Here, reference numeral 100 in FIG. 9 indicates a central processing unit (CPU) of the computer. The CPU 100 is connected to the tag memory 10, the comparator 11, the data memory 12, and the MONOS memory 2 through the address bus 7 so that addresses can be output. Also, the CPU 10
0, the data memory 12 and the MONOS memory are connected to each other through the data bus 6 so that data can be exchanged between them.

【0055】タグメモリ10には、アドレスビットのほ
かに、必要に応じて変更ビット、有効ビット、リプレー
ス・アルゴリズム用のビットなどが格納されている。タ
グメモリをCAMにして構成するとアドレスの検索を一
回で行えるので速度的に有利である。データメモリ12
は、タグメモリ10内のアドレスビットと1対1に対応
した、MONOSメモリ内のデータの一部がコピーされ
て記憶されている。データメモリ12は、SRAM,D
RAMなど、nsオーダのデータ書き換え能力を持つ揮
発性メモリセルからなるメモリセルアレイを有し、その
容量は、MONOSメモリ2の例えば100分の1程度
である。キャッシュメモリ1にMONOSメモリ2と同
じアドレスが与えられると、それをタグメモリ10の内
容とコンパレータ11で比較する。この比較の結果、ヒ
ットした場合、コンパレータ11からヒット信号が、例
えば制御回路4に出力され、その結果、MONOSメモ
リ2へのアクセスが禁止される。その代わりに、そのア
ドレスに対応したデータが、データメモリ12から取り
出されて、使用される。コンパレータ11の比較の結
果、ミスした場合、ヒット信号は出力されないので、C
PU100はMONOSメモリをアクセスすることがで
き、アクセスして得られたデータを使用する。
In addition to the address bits, the tag memory 10 stores a change bit, a valid bit, a replacement algorithm bit, etc., if necessary. If the tag memory is composed of CAM, the address can be searched at once, which is advantageous in terms of speed. Data memory 12
Is a copy of a part of the data in the MONOS memory, which corresponds to the address bit in the tag memory 10 in a one-to-one relationship. The data memory 12 is SRAM, D
It has a memory cell array composed of volatile memory cells such as RAM having a data rewriting capability of the order of ns, and its capacity is, for example, about 1/100 of that of the MONOS memory 2. When the same address as that of the MONOS memory 2 is given to the cache memory 1, the content of the tag memory 10 is compared with that of the comparator 11. If the result of this comparison is a hit, the comparator 11 outputs a hit signal to the control circuit 4, for example, and as a result, access to the MONOS memory 2 is prohibited. Instead, the data corresponding to that address is retrieved from the data memory 12 and used. If the result of comparison by the comparator 11 is a miss, no hit signal is output, so C
The PU 100 can access the MONOS memory and uses the data obtained by the access.

【0056】一般に、キャッシュメモリシステムの書き
込み方式は、図10(A),(B)に示すライトスルー
方式と、図10(C),(D)に示すライトバック方式
の2方式がある。
Generally, there are two write methods of the cache memory system, a write through method shown in FIGS. 10A and 10B and a write back method shown in FIGS. 10C and 10D.

【0057】〔ライトスルー方式〕CPUからの書き込
みの際に、フラッシュEEPROMに直ちに書き込まれ
る。キャッシュミスであれば、通常、キャッシュメモリ
に対しては何もしない(図10(B))。キャッシュヒ
ットの場合は、キャッシュメモリを書き換える場合と、
無効化する場合の2通りがある。この方式は、フラッシ
ュEEPROMのデータとキャッシュメモリのデータの
整合性が常に保たれるため、管理がしやすい。しかし、
書き込み時には、ヒットの場合でもフラッシュEEPR
OMへの書き込みが必要なため、速度的には不利であ
る。
[Write-through method] When writing from the CPU, it is immediately written to the flash EEPROM. If it is a cache miss, normally nothing is done to the cache memory (FIG. 10 (B)). When there is a cache hit, when rewriting the cache memory,
There are two ways to invalidate. This system is easy to manage because the consistency between the data in the flash EEPROM and the data in the cache memory is always maintained. But,
Flash EEPR when writing, even if there is a hit
Since writing to the OM is necessary, it is disadvantageous in terms of speed.

【0058】〔ライトバック方式〕通常は、キャッシュ
メモリに対してのみ書き込みを行い、フラッシュEEP
ROにデータが書き込まれるのは、キャッシュミス時に
新しいデータがキャッシュメモリ内の古いデータを追い
出してリプレースするときのみとなる。この方式は、ヒ
ット時にフラッシュEEPROMへのアクセスが起こら
ないため、高速に書き込みが終了する。しかし、この方
式では、フラッシュEEPROMの内容とキャッシュメ
モリの内容が不一致となる時間が発生するため管理が難
しいという点では、ライトスルー方式より不利である。
[Write-back method] Normally, the flash EEP is executed by writing only to the cache memory.
The data is written to the RO only when the new data drives out the old data in the cache memory and replaces it at the time of a cache miss. In this method, since the flash EEPROM is not accessed at the time of hit, writing is completed at high speed. However, this method is more disadvantageous than the write-through method in that management is difficult because the time in which the contents of the flash EEPROM and the contents of the cache memory do not match.

【0059】以下、ライトバック方式を採用した場合を
例に、本実施形態における書き換え時間の計算例を示
し、従来方式のFGメモリを使用した場合と比較する。
An example of rewriting time calculation in this embodiment will be described below by taking the case of adopting the write-back method as an example, and will be compared with the case of using the conventional FG memory.

【0060】本実施形態におけるキャッシュメモリシス
テムの書き込みは、ライトバック方式なのでMONOS
メモリ2への書き込み頻度が大幅に低減される。したが
って、本システムの書き換え可能回数は、MONOSメ
モリ単独の場合より桁違いに多くなる。
Since writing in the cache memory system in this embodiment is a write-back method, MONOS is used.
The frequency of writing to the memory 2 is greatly reduced. Therefore, the number of rewritable times of this system is orders of magnitude higher than that of the MONOS memory alone.

【0061】また、キャッシュメモリは、MONOSメ
モリより書き換え速度が速い揮発性メモリ素子を使用し
ているので、本システムのデータ書き換え速度は、MO
NOSメモリ単独の場合より速くなる。具体的に、例え
ばMONOSメモリの書き換え時間を40μs、キャッ
シュメモリの書き換え時間を40ns、キャッシュヒッ
ト率ηを90%とすると、本システムのデータ書き換え
時間Trwは、次式(6)のように計算される。
Further, since the cache memory uses a volatile memory element whose rewriting speed is faster than that of the MONOS memory, the data rewriting speed of this system is MO.
It is faster than the NOS memory alone. Specifically, for example, assuming that the rewriting time of the MONOS memory is 40 μs, the rewriting time of the cache memory is 40 ns, and the cache hit rate η is 90%, the data rewriting time Trw of this system is calculated by the following equation (6). It

【数6】 [Equation 6]

【0062】ここで、ミスペナルティとは、ミス時にリ
カバリー処理に要する時間をいい、キャッシュ書き換え
時間等を含む。しかし、ミスペナルティで支配的なのは
MONOSメモリの書き換え時間であるため、上記式
(6)では、MONOSメモリの書き換え時間40μs
をミスペナルティに用いている。以上のように、本シス
テムの書き換え時間は、MONOSメモリより約10倍
速い。
Here, the miss penalty refers to the time required for recovery processing at the time of miss, and includes cache rewriting time and the like. However, since the rewrite time of the MONOS memory is dominant in the miss penalty, the rewrite time of the MONOS memory is 40 μs in the above formula (6).
Is used as a miss penalty. As described above, the rewriting time of this system is about 10 times faster than that of the MONOS memory.

【0063】〔比較例〕図8においてMONOSメモリ
2,3をFGメモリで代替すると、従来型のキャッスメ
モリシステムとなる。そのデータ書き換え時間の計算で
は、上記式(6)のミスペナルティの値を、第1実施形
態の比較例で算出した方式2での値に近い40msに変
更する。式(6)中の他の値は変更ないので、この比較
例の従来型システムのデータ書き換え時間は、約4ms
と計算される。以上より、本実施形態のシステムの書き
換え時間は、従来型システムより3桁小さく、大幅な時
間短縮が実現されていることが分かる。
[Comparative Example] In FIG. 8, if the MONOS memories 2 and 3 are replaced by FG memories, a conventional type cache memory system is obtained. In the calculation of the data rewriting time, the value of the mispenalty of the above formula (6) is changed to 40 ms, which is close to the value in the method 2 calculated in the comparative example of the first embodiment. Since other values in the equation (6) are not changed, the data rewriting time of the conventional system of this comparative example is about 4 ms.
Is calculated. From the above, it can be seen that the rewriting time of the system of the present embodiment is three orders of magnitude shorter than that of the conventional system, and a significant time reduction is realized.

【0064】なお、データ読み出しに関しては、単純
に、ヒットすればキャッシュメモリ中のデータを読み出
し、ミスすればMONOSメモリ中のデータを読み出す
方式とする。つまり、ミスしたときに、キャッシュメモ
リ中の古いデータを追い出し、そのメモリ空き領域に、
MONOSメモリからシステム外部に読み出されたと同
じデータを書き込むというリカバリー処理は、時間がか
かり過ぎるので行わない。
Regarding the data read, the data in the cache memory is simply read if there is a hit, and the data in the MONOS memory is read if there is a miss. In other words, when you make a mistake, the old data in the cache memory is expelled, and the free space in that memory is
The recovery process of writing the same data as that read from the MONOS memory to the outside of the system is not performed because it takes too much time.

【0065】また、本システムでは、データメモリ12
が例えばSRAMからなる場合、電源供給が必要であ
る。システムの電源が切られて、SRAMへの電源供給
が遮断される際に、制御回路4がバッテリー5からの電
源供給を受けて、キャッシュメモリ1内の記憶内容を予
備のMONOSメモリ3に退避させるストア動作を行
う。 そして、電源が復帰した時点で、予備のMONO
Sメモリ3に退避していたデータを再びフラッシュメモ
リ1内に呼び戻すリコール動作を行う。本システムで
は、このように電源オフ時にバッテリーを必要とする
が、システム全体としては不揮発性のメモリシステムで
ある。
Further, in this system, the data memory 12
In the case where is composed of, for example, SRAM, power supply is required. When the system is powered off and the power supply to the SRAM is cut off, the control circuit 4 receives the power supply from the battery 5 and saves the stored contents in the cache memory 1 to the spare MONOS memory 3. Perform store operation. Then, when the power is restored, the backup MONO
A recall operation for recalling the data saved in the S memory 3 back into the flash memory 1 is performed. This system requires a battery when the power is turned off in this way, but the system as a whole is a non-volatile memory system.

【0066】本実施形態に係るキャッシュメモリシステ
ムでは、前記したように書き換えの高速化が達成されて
いる。その上、第1実施形態で示すようにビット線およ
びソース線がセル列ごとに分離されたメモリアレイ構成
を有していることとから、キャッシュメモリ1とMON
OSメモリ2,3との間で取り交わすデータの最小単位
(ブロックサイズ)を、最小1bitから任意に設定で
きる。したがって、例えば、数10kByteのキャッ
シュ容量に対してヒット率が最も高くなるように、ブロ
ックサイズを数10Byte程度に設定できる。あるい
は、ブロックサイズが決まっているような場合、キャッ
シュ容量を増やしてヒット率を最大化することもでき
る。
In the cache memory system according to this embodiment, high speed rewriting is achieved as described above. Moreover, since the bit line and the source line have a memory array configuration in which each cell column is separated as shown in the first embodiment, the cache memory 1 and the MON are
The minimum unit (block size) of data exchanged with the OS memories 2 and 3 can be arbitrarily set from a minimum of 1 bit. Therefore, for example, the block size can be set to about several tens of bytes so that the hit rate becomes the highest with respect to the cache capacity of several tens of kBytes. Alternatively, if the block size is fixed, the cache capacity can be increased to maximize the hit rate.

【0067】また、ブロックサイズが必要以上に大きく
ないので、MONOSメモリの書き換え時間も必要最小
限となる。したがって、ヒット率が最大のままで、ある
いはヒット率が余り低下しない範囲内で、MONOSメ
モリの書き換え時間を短縮できるブロックサイズの設定
も可能となる。この場合も、システムのデータ書き換え
時間が短縮できる。
Moreover, since the block size is not larger than necessary, the rewriting time of the MONOS memory is also minimized. Therefore, the block size can be set so that the rewriting time of the MONOS memory can be shortened while the hit rate remains the maximum or the hit rate does not decrease so much. Also in this case, the data rewriting time of the system can be shortened.

【0068】ブロックサイズの最適化とキャッシュメモ
リのビット容量増大とを同時に行うと、ヒット率を例え
ば99%程度に増大させることができる。この場合、前
記式(6)から計算される本システムの書き換え時間は
0.436μsとなり、MONOS単独の場合より2
桁、FG型メモリを用いた従来型システムより4桁と大
幅な高速化が達成可能である。
If the block size is optimized and the bit capacity of the cache memory is increased at the same time, the hit rate can be increased to about 99%, for example. In this case, the rewriting time of the present system calculated from the above equation (6) is 0.436 μs, which is 2 times that in the case of MONOS alone.
Significant speed up to 4 digits can be achieved compared to the conventional type system using digit and FG type memory.

【0069】[0069]

【発明の効果】本発明に係るデータ記憶装置によれば、
キャッシュメモリなどの揮発性メモリ装置のデータ容量
に対して、不揮発性メモリ装置との間で取り交わすデー
タ単位を任意に設定でき、このためデータのヒット率が
高く、データの読み出し速度および書き換え速度が速
い。また、本発明に係る不揮発性半導体メモリ装置は、
例えば上記したデータ記憶装置の不揮発性メモリ装置と
して好適な構成を有し、揮発性メモリを含む複数のメモ
リを有したメモリシステムに搭載しやすい。
According to the data storage device of the present invention,
The data unit to be exchanged with the non-volatile memory device can be arbitrarily set with respect to the data capacity of the volatile memory device such as the cache memory. Therefore, the data hit rate is high, and the data read speed and rewrite speed are fast. . Further, the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention,
For example, it has a suitable configuration as a non-volatile memory device of the above-mentioned data storage device, and can be easily installed in a memory system having a plurality of memories including a volatile memory.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施形態に係る不揮発性半導体メモリ
装置のメモリセルアレイの基本構成を示す4セル分の等
価回路図である。
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of four cells showing a basic configuration of a memory cell array of a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.

【図2】(A)〜(C)は、本発明の実施形態に係る不
揮発性メモリセルアレイの書き込み、消去、読み出し時
のバイアス条件を示す等価回路図である。
2A to 2C are equivalent circuit diagrams showing bias conditions at the time of writing, erasing, and reading of the nonvolatile memory cell array according to the embodiment of the present invention.

【図3】(A),(B)は、本発明の実施形態に係る不
揮発性メモリセルにおいて、書き込み時のバイアス条件
および動作を示す回路図と断面図である。
3A and 3B are a circuit diagram and a cross-sectional view showing a bias condition and an operation during writing in the nonvolatile memory cell according to the embodiment of the present invention.

【図4】(A),(B)は、本発明の実施形態に係る不
揮発性メモリセルにおいて、消去時のバイアス条件およ
び動作を示す回路図と断面図である。
FIG. 4A and FIG. 4B are a circuit diagram and a cross-sectional view showing a bias condition and an operation at the time of erasing in the nonvolatile memory cell according to the embodiment of the present invention.

【図5】(A),(B)は、本発明の実施形態に係る不
揮発性メモリセルにおいて、メモリトランジスタの2値
のしきい値電圧分布を示すグラフである。
5A and 5B are graphs showing binary threshold voltage distributions of memory transistors in the nonvolatile memory cell according to the embodiment of the present invention.

【図6】(A),(B)は、比較例として、ソースとな
る配線が行方向および列方向の隣接セル間で共有された
メモリセルアレイを示す等価回路図である。
6A and 6B are equivalent circuit diagrams showing, as a comparative example, a memory cell array in which a wiring serving as a source is shared between adjacent cells in a row direction and a column direction.

【図7】(A),(B)は、比較例のメモリトランジス
タにおいて、書き込み時と消去時のバイアス条件を示す
図である。
7A and 7B are diagrams showing bias conditions during writing and erasing in a memory transistor of a comparative example.

【図8】本発明の第2実施形態に係るキャッシュメモリ
システムの概略構成を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of a cache memory system according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第2実施形態に係るキャッシュメモリ
システムを、コンピュータに用いた場合の要部構成を示
す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of main parts when a cache memory system according to a second embodiment of the present invention is used in a computer.

【図10】(A)〜(D)は、キャッシュメモリシステ
ムの書き込み方式として知られているライトスルー方式
とライトバック方式の説明図である。
10A to 10D are explanatory diagrams of a write-through method and a write-back method, which are known as write methods of a cache memory system.

【図11】従来用いられていた、SRAMベースの不揮
発性RAMセルの等価回路図である。
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of a conventionally used SRAM-based non-volatile RAM cell.

【図12】従来用いられていた、DRAMベースの不揮
発性RAMセルの等価回路図である。
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a conventionally used DRAM-based non-volatile RAM cell.

【図13】従来のキャッシュメモリシステムの一般的な
構成を示すブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing a general configuration of a conventional cache memory system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…キャッシュメモリ(揮発性メモリ装置)、2,3…
MONOSメモリ(不揮発性メモリ装置)、4…制御回
路、5…バッテリー(内部補助電源)、6…データバ
ス、7…アドレスバス、100…CPU(制御回路)、
BL1等…ビット線(列方向の共通線)、SL1等…ソ
ース線(列方向の共通線)、WL1等…ワード線、S/
D…ソース・ドレイン領域、BTM…ボトム膜(第1の
電位障壁層)、CHS…電荷蓄積層、TOP…トップ膜
(第2の電位障壁層)、GD…ゲート誘電体膜、GE…
ゲート電極。
1 ... Cache memory (volatile memory device), 2, 3 ...
MONOS memory (nonvolatile memory device), 4 ... Control circuit, 5 ... Battery (internal auxiliary power supply), 6 ... Data bus, 7 ... Address bus, 100 ... CPU (control circuit),
BL1 etc .... bit line (column common line), SL1 etc. source line (column direction common line), WL1 etc. word line, S /
D ... Source / drain region, BTM ... Bottom film (first potential barrier layer), CHS ... Charge storage layer, TOP ... Top film (second potential barrier layer), GD ... Gate dielectric film, GE ...
Gate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G11C 16/04 G11C 11/34 Z H01L 21/8247 17/00 641 27/115 H01L 27/10 434 29/788 29/78 371 29/792 Fターム(参考) 5B005 JJ11 MM01 UU23 UU24 5B015 HH01 HH03 JJ21 KB09 KB36 PP06 QQ16 5B025 AA07 AB03 AC01 AD04 AD05 AD08 AE05 5F083 EP18 EP22 EP49 EP77 ER02 ER11 ER21 ER23 ER27 JA04 LA12 LA20 ZA14 5F101 BA45 BB02 BB05 BC11 BD02 BD33 BE02 BE05 BE07 BG09─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) G11C 16/04 G11C 11/34 Z H01L 21/8247 17/00 641 27/115 H01L 27/10 434 29 / 788 29/78 371 29/792 F-term (reference) 5B005 JJ11 MM01 UU23 UU24 5B015 HH01 HH03 JJ21 KB09 KB36 PP06 QQ16 5B025 AA07 AB03 AC01 AD04 AD05 AD08 AE05 5F083 EP18 EP22 EP49 EP77 ER02 ER11 ER21 ER23 ER27 JA04 LA12 LA20 ZA14 5F101 BA45 BB02 BB05 BC11 BD02 BD33 BE02 BE05 BE07 BG09

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】揮発性メモリ装置と不揮発性半導体メモリ
装置とを有し、入力したデータに応じて両メモリ装置を
連携させてデータを記憶するデータ記憶装置であって、 上記不揮発性半導体メモリ装置が、半導体上に積層され
た複数の誘電体膜内の電荷トラップに電荷を蓄積してデ
ータを記憶する複数のメモリセルを行列状に配置させ、
行方向および列方向の複数の共通線によりメモリセル間
を接続させたメモリセルアレイを有し、 列方向の上記共通線が、メモリ装置間でやり取りするデ
ータ単位のビット数を任意に設定できるようにセル列ご
とに分離されたデータ記憶装置。
1. A data storage device having a volatile memory device and a non-volatile semiconductor memory device, which stores data in cooperation with both memory devices according to input data, said non-volatile semiconductor memory device. However, a plurality of memory cells that store charges by storing charges in charge traps in a plurality of dielectric films stacked on a semiconductor are arranged in a matrix,
It has a memory cell array in which memory cells are connected by a plurality of common lines in a row direction and a column direction, and the common line in the column direction can arbitrarily set the number of bits of a data unit exchanged between memory devices. A data storage device that is separated for each cell column.
【請求項2】上記揮発性メモリ装置が、 データを記憶するデータメモリと、 データメモリ領域のアドレスを記憶するアドレスメモリ
と、 入力したアドレスをアドレスメモリ内のアドレスと比較
する比較器とを含む請求項1記載のデータ記憶装置。
2. The volatile memory device includes a data memory for storing data, an address memory for storing an address of a data memory area, and a comparator for comparing an input address with an address in the address memory. Item 1. The data storage device according to item 1.
【請求項3】上記アドレスメモリが、内容アドレスメモ
リにより構成された請求項2記載のデータ記憶装置。
3. The data storage device according to claim 2, wherein the address memory is a content address memory.
【請求項4】上記データメモリが、上記不揮発性半導体
メモリ装置より書き換え速度が速いメモリ素子により構
成された請求項2記載のデータ記憶装置。
4. The data storage device according to claim 2, wherein the data memory is composed of a memory element having a faster rewriting speed than the nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項5】上記データメモリが、上記不揮発性半導体
メモリ装置より書き換え可能回数が多いメモリ素子によ
り構成された請求項2記載のデータ記憶装置。
5. The data storage device according to claim 2, wherein the data memory is composed of a memory element that can be rewritten more times than the nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項6】上記不揮発性半導体メモリ装置のメモリセ
ルを構成するメモリトランジスタが、第1の電位障壁
層、電荷蓄積層および第2の電位障壁層として機能する
3層の誘電体膜を半導体とゲート電極との間に介在させ
たMONOS型のメモリトランジスタである請求項1記
載のデータ記憶装置。
6. A memory transistor constituting a memory cell of the non-volatile semiconductor memory device, wherein a semiconductor has three layers of dielectric films functioning as a first potential barrier layer, a charge storage layer and a second potential barrier layer. The data storage device according to claim 1, which is a MONOS type memory transistor interposed between the gate electrode and the gate electrode.
【請求項7】上記不揮発性半導体メモリ装置は、書き込
み時に、入力データの論理に応じて上記半導体のチャネ
ルからホットエレクトロンが書き込み単位内の上記電荷
蓄積層に注入されるように上記複数の共通線の印加電圧
を制御する不揮発性メモリ制御回路を更に有した請求項
6記載のデータ記憶装置。
7. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein during writing, hot electrons are injected from a channel of the semiconductor into the charge storage layer in a write unit according to a logic of input data. 7. The data storage device according to claim 6, further comprising a non-volatile memory control circuit that controls the applied voltage of the.
【請求項8】上記不揮発性半導体メモリ装置は、消去時
に、バンド間トンネル電流に起因して発生したホットホ
ールが消去単位内の上記電荷蓄積層に注入されるように
上記複数の共通線の印加電圧を制御する不揮発性メモリ
制御回路を更に有した請求項6記載のデータ記憶装置。
8. The non-volatile semiconductor memory device, wherein at the time of erasing, application of the plurality of common lines so that hot holes generated due to a band-to-band tunnel current are injected into the charge storage layer in an erasing unit. 7. The data storage device according to claim 6, further comprising a non-volatile memory control circuit that controls a voltage.
【請求項9】上記不揮発性半導体メモリ装置は、読み出
し時に、上記書き込み時とは逆方向の電圧が読み出し単
位内の上記メモリトランジスタのソースとドレインに印
加されるように上記複数の共通線の印加電圧を制御する
不揮発性メモリ制御回路を更に有した請求項6記載のデ
ータ記憶装置。
9. The non-volatile semiconductor memory device is configured to apply a plurality of common lines so that a voltage in a direction opposite to that at the time of writing is applied to a source and a drain of the memory transistor in a read unit during a read operation. 7. The data storage device according to claim 6, further comprising a non-volatile memory control circuit that controls a voltage.
【請求項10】メモリ装置間の制御を行う制御回路と、 上記揮発性メモリ装置への外部からの電源供給が遮断さ
れたときに、上記不揮発性半導体メモリ装置の特定領域
に揮発性メモリ装置の記憶データを退避させる動作に必
要な電源を供給する内部補助電源とを更に含む請求項2
記載のデータ記憶装置。
10. A control circuit for controlling between memory devices, and a volatile memory device in a specific area of the non-volatile semiconductor memory device when power supply to the volatile memory device from the outside is cut off. 3. An internal auxiliary power supply for supplying power necessary for the operation of saving stored data.
The data storage device described.
【請求項11】上記比較器で一致するアドレスがあると
きは、そのアドレスに対応する上記揮発性メモリ装置の
上記データメモリに入力データを書き込み、比較器で一
致するアドレスがないときは、データメモリ内の一部の
データを追い出し、入力データをデータメモリの空き領
域に書き込み、かつ、データメモリから追い出されたデ
ータを上記不揮発性半導体メモリ装置に書き込む制御を
行う制御回路を更に有した請求項10記載のデータ記憶
装置。
11. When there is a matching address in the comparator, the input data is written to the data memory of the volatile memory device corresponding to the address, and when there is no matching address in the comparator, the data memory 11. The control circuit further comprises a control circuit for erasing a part of data in the non-volatile semiconductor memory device, writing the input data in an empty area of the data memory, and writing the data expelled from the data memory in the nonvolatile semiconductor memory device. The data storage device described.
【請求項12】上記比較器で一致するアドレスがあると
きは、そのアドレスに対応するデータを上記揮発性メモ
リ装置の上記データメモリから読み出し、比較器で一致
するアドレスがないときは、入力アドレスに対応したデ
ータを上記不揮発性半導体メモリ装置から読み出す制御
を行う制御回路を更に有した請求項10記載のデータ記
憶装置。
12. When there is a matching address in the comparator, the data corresponding to the address is read from the data memory of the volatile memory device, and when there is no matching address in the comparator, the data is input to the input address. 11. The data storage device according to claim 10, further comprising a control circuit for controlling reading of corresponding data from the nonvolatile semiconductor memory device.
【請求項13】行列状に配置した複数のメモリセルを含
むメモリセルアレイを有し、 上記メモリセルが、チャネルが形成される半導体とゲー
ト電極との間に積層され、内部に電荷トラップを含む複
数の誘電体膜を有し、 電荷トラップに電荷を注入してデータを書き込みまたは
消去したり当該記憶データを読み出す際に、それぞれ必
要な電圧が印加される行方向および列方向の複数の共通
線により、メモリセルアレイ内のメモリセル間が接続さ
れ、 列方向の共通線が、一度に書き込み,消去または読み出
すデータ単位のビット数を任意に設定できるようにセル
列ごとに分離された不揮発性半導体メモリ装置。
13. A memory cell array including a plurality of memory cells arranged in rows and columns, wherein the memory cells are stacked between a semiconductor in which a channel is formed and a gate electrode, and each of which includes a charge trap therein. It has a dielectric film of, and a plurality of common lines in the row direction and the column direction to which necessary voltages are applied when writing or erasing data or reading the stored data by injecting charges into the charge trap. A non-volatile semiconductor memory device in which memory cells in a memory cell array are connected and a common line in a column direction is separated for each cell column so that the number of bits of a data unit for writing, erasing or reading at one time can be arbitrarily set. .
【請求項14】上記メモリセルを構成するメモリトラン
ジスタが、第1の電位障壁層、電荷蓄積層および第2の
電位障壁層として機能する3層の誘電体膜を半導体とゲ
ート電極との間に介在させたMONOS型のメモリトラ
ンジスタである請求項13記載の不揮発性半導体メモリ
装置。
14. A memory transistor constituting the memory cell comprises a three-layer dielectric film functioning as a first potential barrier layer, a charge storage layer and a second potential barrier layer between a semiconductor and a gate electrode. 14. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 13, which is an intervening MONOS type memory transistor.
【請求項15】書き込み時に、入力データに応じて上記
半導体のチャネルからホットエレクトロンが書き込み単
位内の上記電荷蓄積層に注入されるように上記複数の共
通線の印加電圧を制御する不揮発性メモリ制御回路を更
に有した請求項14記載の不揮発性半導体メモリ装置。
15. A non-volatile memory control for controlling a voltage applied to the plurality of common lines so that hot electrons are injected from a channel of the semiconductor into the charge storage layer in a write unit according to input data during writing. 15. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 14, further comprising a circuit.
【請求項16】消去時に、バンド間トンネル電流に起因
して発生したホットホールが消去単位内の上記電荷蓄積
層に注入されるように上記複数の共通線の印加電圧を制
御する不揮発性メモリ制御回路を更に有した請求項14
記載の不揮発性半導体メモリ装置。
16. A nonvolatile memory control for controlling an applied voltage of the plurality of common lines so that a hot hole generated due to a band-to-band tunnel current at the time of erasing is injected into the charge storage layer in an erasing unit. 15. A circuit further comprising a circuit.
A nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1.
【請求項17】読み出し時に、上記書き込み時とは逆方
向の電圧が読み出し単位内の上記メモリトランジスタの
ソースとドレインに印加されるように上記複数の共通線
の印加電圧を制御する不揮発性メモリ制御回路を更に有
した請求項14記載の不揮発性半導体メモリ装置。
17. A non-volatile memory control for controlling a voltage applied to the plurality of common lines at the time of reading so that a voltage in a direction opposite to that at the time of writing is applied to a source and a drain of the memory transistor in a reading unit. 15. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 14, further comprising a circuit.
【請求項18】上記メモリトランジスタの電荷蓄積層の
ソース側領域、ドレイン側領域それぞれに電荷を独立に
注入して2ビット記憶が可能であり、書き込み時とは逆
方向の電圧をソースとドレイン間に印加することにより
当該記憶ビットを独立に読み出すことができるように上
記複数の共通線の印加電圧を制御する不揮発性メモリ制
御回路を更に有した請求項14記載の不揮発性半導体メ
モリ装置。
18. A 2-bit storage is possible by injecting charges independently into each of a source side region and a drain side region of a charge storage layer of the memory transistor, and a voltage in a direction opposite to that at the time of writing is applied between the source and the drain. 15. The non-volatile semiconductor memory device according to claim 14, further comprising a non-volatile memory control circuit that controls the applied voltage of the plurality of common lines so that the memory bit can be independently read by applying the applied voltage to the common line.
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