JP2004164700A - Nonvolatile semiconductor storage device and semiconductor integrated circuit device - Google Patents

Nonvolatile semiconductor storage device and semiconductor integrated circuit device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the rewriting durability of a memory cell and to remarkably improve the reliability for reading data. <P>SOLUTION: A verify sense amplifier circuit 7 is arranged in a flash memory. The verify sense amplifier circuit 7 produces a discrimination current at verifying in accordance with the gate voltage Vgi produced by a voltage generating circuit. The level of this discrimination current is the current level at the same degree as those of respective memory currents of the memory cell S, capable of discriminating that the current at reading is flowing or not. Thus, by securing the memory current required for reading at verifying, the reliability of data reading is improved even for the memory cell S deteriorated by rewriting of data. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリのベリファイ技術に関し、特に、データ書き換えによって生じるメモリセルの劣化によるデータ読み出しの信頼性の確保に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より電気的に書換可能な不揮発性メモリとして、EEPROMとフラッシュメモリが知られている。
【0003】
EEPROMは絶縁領域中に局所的な電荷トラップ領域を複数有する窒化膜を電荷蓄積層として有し、データを書き換えるために書き込み/消去を行う。このEEPROMは電荷トラップ領域に電荷をトラップすることによりしきい値電圧の変化を生じ、データの格納を可能とするのであるが、電荷トラップ領域の数は有限であることからしきい値電圧の変化もある程度有限の範囲内になることから、メモリセルへの書き込み/消去では電荷蓄積層へ電子を注入し又はホットホール書き込みを行う高電圧をメモリセルに印可し、所定時間高電圧を印可することで書き込み/消去は終了する。EEPROMにおける書き換え動作については特許文献1に記載されている。
【0004】
フラッシュメモリは、導体性のフローティングゲートを電荷蓄積層として有し、フローティングゲートに電荷を注入し又は引き抜くことで電気的に書き換え可能な不揮発性メモリであり、データを書き換えるために書き込み/消去を行う。フラッシュメモリではフローティングゲートが導体性であることから、メモリセルのしきい値電圧はEEPROMと比べて広く変化する。このフラッシュメモリの書き込み/消去の手順を以下に示す。
【0005】
まず、書き込み/消去動作を起こす高電圧を所定の時間、メモリアレイなどに印加する。次に、ベリファイを行い、書き込み/消去レベルが所定の値に達していたら書き込み/消去を終了する。
【0006】
書き込み/消去レベルが所定の値に達していなかったら、再び書き込み/消去動作を起こす高電圧を所定の時間印加、ベリファイし、所定の書き込み/消去レベルに達するまでその動作を繰り返す。このように、ベリファイは書き込み/消去のレベルを所定の値にするために実施される。
【0007】
このベリファイにおいては、たとえば、メモリセルのドレイン電圧を約1V程度にした時のドレイン電流が約1μA程度流れる場合のコントロールゲート(以下、メモリゲートという)に印加される電圧をしきい値電圧とし、ベリファイは、前記しきい値電圧を検出することにより行うものがある(たとえば、特許文献1参照)。すなわち、しきい値電圧検出のベリファイで書き込み/消去のレベルを制御する。
【0008】
図17は、本発明者が検討したフラッシュメモリにおけるベリファイの概念を表すメモリ電流特性図である。この図17においては、縦軸がメモリ電流、横軸がメモリゲート電圧をそれぞれ示しており、メモリセルのI(電流)−V(電圧)特性を示している。
【0009】
図中のI−V特性は、フラッシュメモリセルのしきい値電圧が「low level」と「high level」との2種類であり、さらに初期状態とデータ書き換え後(たとえば、1万回程度)との場合をそれぞれ示している。
【0010】
図より、読み出し時のメモリゲート電圧は電圧Vrであり、読み出し可能なメモリ電流はlow level時で電流Irl以上、high level時が電流Irl以下である。
【0011】
フラッシュメモリのベリファイ動作は、しきい値電圧管理であるために、メモリゲート電圧はlow level時には、メモリゲート電圧Vvl、highlevel時にはメモリゲート電圧Vvh、ベリファイ判定電流は、low level時、high level時ともに電流Ivである。すなわち、ベリファイ判定電流と読み出しに必要なメモリ電流とは異なることになる。
【0012】
また、書き込み、および消去時と読み出し時とで温度が異なる場合、しきい値電圧分布が変化することによる誤読み出しを防止するためにベリファイ時のメモリゲート電圧に温度依存を行うものがある(たとえば、特許文献2参照)。
【0013】
【特許文献1】
特開昭62−99996号公報
【0014】
【特許文献2】
特開平8−339693号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような半導体集積回路装置によるベリファイ技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。
【0016】
すなわち、図17に示すデータの書き換え後のメモリセルのように、I−V特性が劣化(メモリの飽和電流の減少、しきい値電圧の上昇)した場合、データの読み出し時、low levelではメモリ電流が電流Irl以下となり、high levelでは電流Irh以上となるので、読み出しができないことになる。
【0017】
すなわち、データ書き換えによってメモリセル特性が劣化する場合、しきい値電圧を検出して行うベリファイでは、しきい値電圧は所定の値に達しているが、読み出しに必要なメモリ電流を必ずしも確保することができないことになり、誤読み出しなどが生じる恐れがある。
【0018】
本発明の目的は、不揮発性メモリセルの書き換え耐性の向上、およびデータ読み出しの信頼性を大幅に向上することのできる不揮発性半導体記憶装置および半導体集積回路装置を提供することにある。
【0019】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0020】
【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、以下のとおりである。
(1)本発明の不揮発性半導体記憶装置は、ベリファイ時に、不揮発性メモリセルのしきい値電圧を判定する2つの電流レベルの判定電流を生成するセンスアンプ部を備えたものである。
【0021】
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
【0022】
センスアンプ部が生成する一方のレベルの判定電流は、読み出し動作時電流が流れたと判定できる前記不揮発性メモリにおけるメモリ電流と同じ程度であり、センスアンプ部が生成する他方のレベルの判定電流は、読み出し動作時電流が流れないと判定できる不揮発性メモリにおけるメモリ電流と同じ程度である。
【0023】
不揮発性半導体記憶装置は、温度に依存して前記2つのレベルの判定電流をそれぞれ変化させる温度補償回路、あるいはベリファイ時に、不揮発性メモリセルのメモリゲート電圧を温度に依存して変化させるベリファイ用電源発生回路を備えたものである。
(2)不揮発性記憶部と、中央処理装置とを有し、該中央処理装置は、所定の処理を実行し、不揮発性記憶部に動作指示を行うことが可能であり、不揮発性記憶部は、情報を格納する複数の不揮発性メモリセルを有する半導体集積回路装置であって、該不揮発性記憶部に、ベリファイ時に前記不揮発性メモリセルのしきい値電圧を判定する2つのレベルの判定電流を生成するセンスアンプ部を備えたものである。
(3)絶縁領域中に局所的な電荷トラップ領域を複数有する窒化膜を電荷蓄積層として有し、データを書き換えるために書き込み/消去が可能な不揮発性メモリにおいて、書き込み動作時にしきい値電圧を検出するベリファイ動作を行うものである。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0025】
図1は、本発明の一実施の形態によるフラッシュメモリのブロック図、図2は、図1のフラッシュメモリに設けられたベリファイセンスアンプ回路の回路図、図3は、ベリファイの概念を表すメモリセルの電流特性図、図4は、図3のベリファイ時における問題点を示したメモリセルの電流特性図、図5は、ベリファイの判定電流に温度勾配を設けた場合のメモリセルの電流特性図、図6は、ベリファイの判定電流に温度勾配を設けた場合の他の例を示したメモリセルの電流特性図、図7は、ベリファイ時のメモリゲート電圧に温度勾配を設けた際のメモリセルの電流特性図、図8は、ベリファイ時のメモリゲート電圧に温度勾配を設けた際の他の例を示したメモリセルの電流特性図、図9は、図1のフラッシュメモリに設けられたメモリセルにおける書き込み、消去動作の説明図、図10は、図1のフラッシュメモリに設けられたベリファイセンスアンプ回路(センスアンプ部)の他の構成例を示した回路図、図11は、判定電流に温度勾配を設けるための一例を示した説明図、図12は、図11の温度補償回路の回路構成の一例を示した回路図、図13は、メモリゲート電圧に温度勾配を設ける電圧発生回路の回路構成の一例を示す回路図、図14は、本発明の一実施の形態によるフラッシュメモリ内蔵シングルチップのマイクロコンピュータのブロック図、図15は、本発明の一実施の形態によるメモリセルの他の構成例を示す説明図、図16は、図15のメモリセルにおける書き込み、消去動作の説明図である。
【0026】
本実施の形態において、フラッシュメモリ(不揮発性半導体記憶装置)1は、図1に示すように、制御回路2、入出力回路3、アドレスバッファ4、行デコーダ5、列デコーダ6、ベリファイセンスアンプ回路7、高速リードセンスアンプ回路8、書き込みラッチ9、フラッシュメモリアレイ10、および電源回路11などから構成されている。
【0027】
制御回路2は、接続先のマイクロコンピュータなどホストから入力される制御用信号を一時的に格納し、動作ロジックの制御を行う。入出力回路3には、フラッシュメモリアレイ10を読み出したデータ、プログラムデータなどの各種信号が入出力される。アドレスバッファ4は、外部から入力されたアドレスを一時的に格納する。
【0028】
アドレスバッファ4には、行デコーダ5、ならびに列デコーダ6がそれぞれ接続されている。行デコーダ5は、アドレスバッファ4から出力されたカラム(行)アドレスに基づいてデコードを行い、列デコーダ6は、該アドレスバッファ4から出力されたロウ(列)アドレスに基づいてデコードを行う。
【0029】
ベリファイセンスアンプ回路7は、消去/書き込みベリファイ用のセンスアンプであり、高速リードセンスアンプ回路8は、データリード時に用いられるリード用センスアンプである。書き込みラッチ9は、入出力回路3を介して入力された書き込みデータをラッチする。
【0030】
フラッシュメモリアレイ10は、記憶の最小単位であるメモリセルが規則正しくアレイ状に並べられている。このフラッシュメモリアレイ10に設けられたメモリセルは、電気的にデータの書き換えが可能であり、データの保存に電源が不要となっている。
【0031】
電源回路11は、データ書き込みや消去、ベリファイ時などに用いられる様々な電圧を生成する電圧発生回路などから構成される。
【0032】
また、ベリファイセンスアンプ回路7の回路構成について、図2を用いて説明する。
【0033】
ベリファイセンスアンプ回路7は、アンプ12、比較器13、およびトランジスタM1〜M3などから構成されている。トランジスタM1はNチャネルMOSであり、トランジスタM2,M3はPチャネルMOSからなる。
【0034】
トランジスタM2のゲートには、アンプ12の出力部とトランジスタM3のゲート、ドレインには、正側入力端子(+)、およびトランジスタM1の一方の接続部がそれぞれ接続されている。
【0035】
また、アンプ12、比較器13の負側入力端子(−)には、ある基準電圧である入力電圧vinがそれぞれ入力されるように接続されており、トランジスタM1のゲートには電源回路11が生成したゲート電圧vgiが入力されるように接続されている。
【0036】
トランジスタM1は電流源となるMOSトランジスタであり、アンプ12は、図中のノードN1の電位を入力電圧Vinと等しくするようにトランジスタM2のゲート、すなわち図中のノードN2の電位を制御する。
【0037】
また、トランジスタM3の一方の接続部には電源電圧が接続されており、該トランジスタM3の他方の接続部には、比較器13の正側入力端子が接続されており、さらに、ビット線yd<m>を介してフラッシュメモリアレイ10に設けられたメモリセル(不揮発性メモリセル)Sが接続されている。そして、比較器13の出力部からは、比較結果の信号outv<m>が出力される。
【0038】
このように、カレントミラー回路を構成するトランジスタM1,M3に流れる電流とメモリセルSに流れる電流とを比較器13によって比較することにより、メモリセルSのベリファイを行う。
【0039】
なお、前記に説明したベリファイセンスアンプ部7は、ベリファイ使用に限定されるものでなく、読み出しに使用してもよい。その場合、高速リードセンスアンプ8はフラッシュメモリ1になくてもよい。
【0040】
次に、本実施の形態におけるフラッシュメモリ1の作用について説明する。
【0041】
まず、フラッシュメモリ1における書き込み、消去、読み出し動作について、図1を用いて説明する。
【0042】
始めに書き込み動作について以下に説明する。
【0043】
アドレスがアドレスバッファ4に入力されると、行デコーダ5、および列デコーダ6がフラッシュメモリアレイ10の中から少なくとも1つのメモリセルSを選択する。
【0044】
そして、入出力回路3にデータが入力されると、そのデータは書き込みラッチ9に格納され書き込むべきメモリセルSに接続される。その後、電源回路11が生成した高電圧の書き込みパルスを選択したメモリセルSに印加することによって該メモリセルSの電流を小さくする。
【0045】
また、消去動作においては、アドレスがアドレスバッファ4に入力されると、行デコーダ5、ならびに列デコーダ6がフラッシュメモリアレイ10の中から複数のメモリセルSを選択する。その後、電源回路11が生成した消去パルスを選択したメモリセルSに印加することによって該メモリセルSの電流を大きくする。
【0046】
さらに、読み出し動作では、アドレスがアドレスバッファ4に入力されると、行デコーダ5、および列デコーダ6がフラッシュメモリアレイ10の中から少なくとも1つのメモリセルSを選択する。
【0047】
選択されたメモリセルSの電流値の大小をベリファイセンスアンプ回路7、ならびに高速リードセンスアンプ回路8によって検出し、その結果を入出力回路3を介して出力する。
【0048】
ここで、本発明におけるベリファイの概念を表すメモリセルの電流特性について、図3〜図8を用いて説明する。
【0049】
図3〜図8においては、たとえば、しきい値電圧がlow levelの場合は消去動作時、しきい値電圧がhigh levelの場合はデータ書き込み時とするが、これらは特に制限はされず、その逆であってもよい。
【0050】
図3においては、縦軸がメモリ電流、横軸がメモリゲート電圧であり、メモリセルSのI−V特性を示している。図中の左側のカーブはメモリセルSのしきい値電圧がlow levelのI−V特性であり、右側のカーブはメモリセルSのしきい値電圧がhigh levelのI−V特性である。また、各々のしきい値電圧において、初期状態と書き換え後(たとえば1万回程度)とのメモリセルSのI−V特性をそれぞれ示している。
【0051】
さらに、メモリゲート電圧は、読み出し時ではメモリゲート電圧Vr、しきい値電圧がlow levelにおけるベリファイ時はメモリゲート電圧Vvl、しきい値電圧がhigh levelにおけるベリファイ時ではメモリゲート電圧Vvhとしてそれぞれ示している。
【0052】
また、読み出しに必要なメモリ電流は、しきい値電圧がlow levelではメモリ電流Irlであり、しきい値電圧がhigh levelの場合メモリ電流Irhとして示す。
【0053】
ベリファイの判定電流は、しきい値電圧がlow levelの場合、判定電流Ivlであり、しきい値電圧がhigh levelでは判定電流Ivhとしてそれぞれ示す。
【0054】
本発明は、ベリファイの判定電流を読み出しに必要なメモリ電流Irl,Irhと同じ程度にするものである(判定電流Ivl≒メモリ電流Irl、判定電流Ivh≒メモリ電流Irh。ただし、メモリ電流Irl≦判定電流Ivl、メモリ電流Irh≧判定電流Ivh)。
【0055】
すなわち、しきい値電圧がlow level時には判定電流Ivlにして読み出し時のメモリ電流Irlを確保する。しきい値電圧がhigh level時には判定電流Ivhにして読み出し時のメモリ電流Irhを確保する。
【0056】
また、読み出し時のメモリゲート電圧Vrとベリファイ時のメモリゲート電圧Vvl,Vvhの関係は、読み出しの信頼性を確保するため、メモリゲート電圧Vvl≦メモリゲート電圧Vr≦メモリゲート電圧Vvhに設定する。
【0057】
ここで、本発明者が検討したベリファイの判定電流を読み出しに必要なメモリ電流Irl,Irhと同じ程度にするベリファイ方式を採用した際に起こりうる問題点を図4に示す。
【0058】
図4においては、縦軸がメモリ電流、横軸がメモリゲート電圧であり、メモリセルのI−V特性を示した図である。図中の左側のカーブは、メモリセルのしきい値電圧がlow levelの場合のI−V特性であり、右側のカーブは、メモリセルのしきい値電圧がhigh levelの場合のI−V特性である。さらに、左右のカーブにおいては、温度Ta、および温度TbでのI−V特性をそれぞれ示している。ここで、温度Ta<温度Tbとする。
【0059】
図4において、たとえば、温度Taでベリファイを行い、温度Tbで読み出しする場合(ただし、読み出しのメモリゲート電圧は全温度でメモリゲート電圧Vrを使用するものとする)、しきい値電圧がlow level時、メモリゲート電圧Vvlでベリファイを行うと、温度Tbでの読み出し時ではメモリ電流Irl以下となるために読み出しが不可能となる。
【0060】
そこで、図4に示した問題点をベリファイの判定電流に温度勾配を設けることにより解決する技術について、図5を用いて説明する。
【0061】
この図5においても、縦軸はメモリ電流、横軸はメモリゲート電圧であり、メモリセルのI−V特性を示した図である。図中の左側のカーブは、メモリセルのしきい値電圧がlow levelの場合のI−V特性であり、右側のカーブは、メモリセルのしきい値電圧がhigh levelの場合のI−V特性である。これら左右のカーブにおいては、温度Ta、および温度TbでのI−V特性をそれぞれ示している。
【0062】
図示するように、しきい値電圧がlow level時において、温度Taでは、判定電流を判定電流Ivltaにしてベリファイを実施し、温度Tbでは判定電流Ivltbによりベリファイを行う。
【0063】
しきい値電圧がhigh levelの場合、温度Taでは判定電流Ivhtaによりベリファイを行い、温度Tbでは判定電流Ivhtbによりベリファイを行う。
【0064】
図5では、ベリファイ時のメモリゲート電圧Vvl,Vvhを読み出し時のメモリゲート電圧Vrと同じにしたが、図3に示したようにベリファイ時のメモリゲート電圧Vvl,Vvhと読み出し時のメモリゲート電圧Vrとは異なっていてもよい。ただし、これら3つの電圧は、読み出しの信頼性を確保するため、メモリゲート電圧Vvl≦メモリゲート電圧Vr≦メモリゲート電圧Vrhに設定する。
【0065】
また、図6は、図5に示したベリファイの判定電流に温度勾配を設けることにより解決する技術において、メモリセルの温度によるI−V特性の他の例を示した図である。図6では、図5に示したI−V特性と異なり、該I−V特性が上方で交わっている。
【0066】
この場合、しきい値電圧がlow level時において、温度Taでは、判定電流Ivltaによりベリファイを実施し、温度Tbでは判定電流Ivltbによりベリファイを行うことになるが、図示するように判定電流Ivltbよりも判定電流Ivltbが大きい電流値となる。
【0067】
しきい値電圧がhigh levelの場合、温度Taでは判定電流Ivhtaによりベリファイを行い、温度Tbでは判定電流Ivhtbによりベリファイを行う。
【0068】
また、図7は、ベリファイ時のメモリゲート電圧に温度勾配を設けることにより、図4に示した問題点を解決する場合のメモリ電流特性を示す図である。
【0069】
この図7においても、縦軸はメモリ電流、横軸はメモリゲート電圧であり、図中の左側のカーブは、メモリセルのしきい値電圧がlow levelの場合のI−V特性であり、右側のカーブは、メモリセルのしきい値電圧がhigh levelの場合のI−V特性である。これら左右のカーブにおいては、温度Ta、および温度TbでのI−V特性をそれぞれ示している。
【0070】
この場合、しきい値電圧がlow level時の温度Taでは、メモリゲート電圧をメモリゲート電圧Vvltaにしてベリファイを行い、温度Tbではメモリゲート電圧をメモリゲート電圧Vvltbにしてベリファイを実施する。
【0071】
一方、しきい値電圧がhigh level時の温度Taでは、メモリゲート電圧をメモリゲート電圧Vvhtaにしてベリファイを行い、温度Tbではメモリゲート電圧をメモリゲート電圧Vvhtbにしてベリファイを実施する。
【0072】
また、図8は、図7に示したベリファイ時のメモリゲート電圧に温度勾配を設ける技術において、メモリセルの温度によるI−V特性の他の例を示した図である。この図8においても、図7に示したI−V特性と異なり、該I−V特性が上方で交わっている。
【0073】
しきい値電圧がlow level時の温度Taでは、メモリゲート電圧Vvltaによりベリファイを行い、温度Tbではメモリゲート電圧Vvltbによってベリファイを実施する。
【0074】
一方、しきい値電圧がhigh level時の温度Taでは、メモリゲート電圧Vvhtaによってベリファイを行い、温度Tbではメモリゲート電圧Vvhtbによりベリファイを実施する。
【0075】
この場合、図示するように、メモリゲート電圧Vvltaはメモリゲート電圧Vvltbより高い電圧となる。
【0076】
次に、上記したベリファイを行うベリファイセンスアンプ回路7の動作について説明する。
【0077】
まず、フラッシュメモリアレイ10のメモリセルSにおける書き込み、消去動作について説明する。
【0078】
メモリセルSは、たとえば、2層ポリシリコン構造の1トランジスタ方式のスタックゲート型からなる。メモリセルSは、図9に示すように、ソースSC、ドレインDからなる拡散層と、それらソースSC−ドレインD間の半導体基板W上にゲート酸化膜を介してフローティングゲートFG、およびメモリゲートMGがスタックド構造に構成されている。
【0079】
図9(a)は、メモリセルSにおける書き込み動作を示した図である。
【0080】
メモリゲートMGにたとえば約10V程度、ドレインDにたとえば約5V程度、ソースSC、ならびに半導体基板Wにたとえば、0V程度を印加すると、ドレインD−ソースSC間に電流が流れてホットエレクトロン注入が起こる。その結果、フローティングゲートFGに電荷が蓄積され、メモリセルSの電流が小さくなる。
【0081】
また、図9(b)は、メモリセルSの消去動作を示した図である。
【0082】
メモリゲートMGにたとえば約−10V程度、ソースSC、および半導体基板Wにたとえば約−10V程度を印加し、さらにドレインDをオープンにすると、フローティングゲートFGに蓄積された電子が半導体基板Wに放出され、メモリセルSの電流が大きくなる。
【0083】
図2のベリファイセンスアンプ回路7において、メモリセルSを読み出す場合、判定電流となるトランジスタM3を流れる電流とメモリセルSを流れる電流との大小関係でビット線yd<m>(図2)の電位が決定され、その電位を比較器13が検出し、その検出した信号outv<m>を出力することにより、メモリセルSの電流値が所望の値になっているかをベリファイする。
【0084】
比較器13から出力される信号outv<m>が、LoレベルからHiレベルに遷移する境界条件では、トランジスタM2とトランジスタM3とのゲート電圧がそれぞれ同じであるため、トランジスタM1に流れる電流=トランジスタM2に流れる電流=トランジスタM3に流れる電流=メモリセルSに流れる電流の関係が成り立つ。
【0085】
したがって、トランジスタM3の電流値は、トランジスタM1の電流値で決定される。よって、トランジスタM1のゲートに印加されるゲート電圧vgiを可変することにより、トランジスタM1に流れる電流値を、前述した判定電流Ivl,Ivhに設定することが可能になる。
【0086】
この電流源用トランジスタ(M1)に流れる電流値は、ゲート電圧vgiによって調整するのでなく、たとえば、2つの電流源用トランジスタを用意し、モードによってそれぞれを切り替えるように構成してもよい。これは判定電流が2つ以上ある場合でも同様である。
【0087】
さらに、図10は、ベリファイセンスアンプ回路7の他の構成例を示した回路図である。
【0088】
図10のベリファイセンスアンプ回路7は、図2に示す回路構成に対して、カレントミラー回路15,16、切り替え用のトランジスタM4、M5、およびトランジスタM6が新たに追加されている。
【0089】
カレントミラー回路15は、PチャネルMOSのトランジスタM11,M12、ならびにNチャネルMOSのトランジスタM10,M13,M14から構成されている。
【0090】
カレントミラー回路16は、PチャネルMOSのトランジスタM21,M22、およびNチャネルMOSのトランジスタM20,M23,M24から構成されている。
【0091】
そして、トランジスタM10,M20には、ゲート電圧vgiがそれぞれ印加されるように接続されている。トランジスタM10とトランジスタM20とは、トランジスタサイズのほぼ等しい電流源用のトランジスタであり、ゲート電圧Vgiに応じて基準電流が流れる。そして、この基準電流から、カレントミラーによりベリファイの判定電流Ivl,Ivhが生成される。
【0092】
すなわち、カレントミラー回路15,16の電流比(トランジスタM11とトランジスタM12とのトランジスタサイズ比、トランジスタM21とトランジスタM22とのトランジスタサイズ比)をカレントミラー回路15,16の出力電流(トランジスタM13,M1、およびトランジスタM23,M6に流れる電流値)が判定電流Ivl,Ivhになるように設定する。
【0093】
これら判定電流Ivl,Ivhは、たとえば、制御回路2(図1)から出力される制御信号sel0,sel1に基づいてトランジスタM4,M5によりそれぞれ切り替えられる。
【0094】
この構成にすることにより、2つの判定電流Ivl,Ivhではなく、1つの基準電流値を調整すればよいことになり、判定電流の調整時間を短縮することができる。
【0095】
また、ベリファイセンスアンプ回路の回路構成の一例について、図2、ならびに図10に示したが、該ベリファイセンスアンプ回路の回路構成はこれに限定されるものではない。
【0096】
図11は、判定電流に温度勾配を設けるための一例を示した図である。図示した温度補償回路20は、温度に依存した電圧を出力する回路である。この温度補償回路20は、たとえば、電源回路11(図1)に設けられており、ベリファイセンスアンプ回路7(図2、図10)に接続される。
【0097】
温度補償回路20の入力部に、ある基準電圧からなる電圧vgを入力すると、出力部から温度勾配のある電圧vgiが出力される。
【0098】
この温度補償回路20が生成した電圧vgiをベリファイセンスアンプ回路7に入力することにより、電流源用のトランジスタを流れる電流、すなわち、判定電流Ivlta,Ivltb,Ivhta,Ivhtbは温度に依存することになる。
【0099】
また、温度補償回路20は、ベリファイセンスアンプ回路7内に設けるようにしてもよい。
【0100】
図12は、図11の温度補償回路20の回路構成の一例を示した図である。
【0101】
温度補償回路20は、トランジスタM30〜M34から構成されている。トランジスタM30,M31、M34はNチャネルMOSからなり、トランジスタM32,M33はPチャネルMOSからなる。
【0102】
トランジスタM32,M33の一方の接続部には、電源電圧がそれぞれ接続されており、トランジスタM32の他方の接続部には、トランジスタM30の一方の接続部が接続されている。
【0103】
トランジスタM33の他方の接続部には、トランジスタM31の一方の接続部、およびゲートがそれぞれ接続されている。トランジスタM30,M31の他方の接続部には、トランジスタM34の一方の接続部が接続されており、該トランジスタM34の他方の接続部には基準電位が接続されいる。
【0104】
また、トランジスタM33のゲートには、トランジスタM32のゲート、ならびに他方の接続部が接続されている。そして、トランジスタM30のゲートには電圧Vgが入力されるように接続されており、トランジスタM31のゲートから、ゲート電圧Vgiが出力される。
【0105】
このような構成の温度補償回路20では、入力側のトランジスタM30と出力側のトランジスタM31とをサブスレッショルド領域でともに等しい電流が流れるように制御することにより、出力電位にα(ΔT)log(トランジスタM30のチャネル幅/トランジスタM31のチャネル幅)の温度勾配を持たせることができる。ただし、ΔT:依存性を持たせる温度範囲。
【0106】
図13は、ワード線x<n>に印加する電圧(メモリゲート電圧)に温度勾配を設ける電圧発生回路30の回路構成の一例を示す図である。メモリゲート電圧に温度勾配を設ける電圧発生回路30は、たとえば、電源回路11(図1)に設けられており、出力電圧voutを出力する。
【0107】
あるワード線x<n>は、アドレスに従って行デコーダ5(図1)により選択される。図13における選択状態は、該行デコーダ5のドライバdrvを構成するCMOSインバータ構成のPチャネルMOSトランジスタが導通した状態であり、そのときのワード線x<n>の電圧値は該ドライバdrvの電源、すなわち出力電圧voutである。
【0108】
電圧発生回路30は、チャージポンプ31、、温度補償回路33、比較器34、およびラダー抵抗35などから構成されている。
【0109】
温度補償回路33の入力部には電源回路11が生成した基準電圧vref1が入力されるように接続されており、該温度補償回路33の出力部には比較器34の負側入力端子に接続されている。
【0110】
比較器34の出力部にはチャージポンプ31の入力部が接続されており、該チャージポンプ31の出力部と基準電位との間にはラダー抵抗35が接続されている。ラダー抵抗35の分圧電圧の出力部である中間タップには比較器34の正側入力端子が接続されている。
【0111】
また、チャージポンプ31の出力部には、切り替え回路32が接続されている。この切り替え回路32は、制御回路2(図1)から出力される制御信号に基づいて、電圧発生回路30、あるいは電圧発生回路40などの複数の電圧発生回路から出力される電圧の出力切り替えを行う。
【0112】
電圧発生回路40などは、たとえば、データ書き込み時の電圧、データ消去時の電圧などを生成し、内部の回路構成の一例は、チャージポンプ41、温度補償回路43、比較器44、およびラダー抵抗45などから構成されており、電圧発生回路30と同じであるので説明を省略する。さらに、電圧発生回路40においては、温度補償回路43を省略してもよい。また、電圧発生回路30、電圧発生回路40はチャージポンプに限定されるものではなく、降圧電源回路などの電圧を発生する回路であればよい。
【0113】
電圧発生回路30において、チャージポンプ31により昇圧された電圧は、ラダー抵抗35によって分圧されて、比較器34の正側入力端子に入力される。一方、基準電圧vref1は、温度補償回路33によって温度勾配のある基準電圧に変換され、比較器34の負側入力端子に入力される。ここで、温度補償回路33は、たとえば、図12に示す温度補償回路20と同じ回路構成である。
【0114】
比較器34は、ラダー抵抗35が分圧した電圧と温度補償回路33から出力された温度勾配のある基準電圧とを比較し、その比較結果に応じてチャージポンプ31をON/OFF制御することにより、出力電圧voutを生成する。これにより、チャージポンプ31の出力電圧voutに温度勾配を設けることができる。
【0115】
また、メモリゲート電圧に温度勾配を設ける電圧発生回路は、これに限定されるものではなく、たとえば、電圧発生回路30をドライバdrvのPチャネルMOSトランジスタに接続したり、あるいは2つの電圧発生回路30を設け、ドライバdrvのPチャネルMOSトランジスタとNチャネルMOSトランジスタとにそれぞれ接続するようにしてもよい。
【0116】
図14は、本発明にかかる半導体集積回路装置の一例であるフラッシュメモリ内蔵シングルチップのマイクロコンピュータ(半導体集積回路装置)MCのブロック図である。
【0117】
このマイクロコンピュータMCは、前記したフラッシュメモリ1(図1)と同じ構成からなるフラッシュメモリ(不揮発性記憶部)1aをオンチップで備えたシステムLSIであり、その他にCPU(中央情報処理装置)50、CPG51、DMAC52、タイマ53、SCI54、ROM55、BSC56、RAM57、入出力ポートIOP1〜IOP9などから構成されている。
【0118】
CPU(Central Processing Unit)は、ROM55に格納されたプログラムなどに基づいてマイクロコンピュータMCのすべての制御を司る。
【0119】
ROM(Read Only Memory)55は、CPU50が実行すべきプログラムや固定データなどを記憶する。RAM(Random Access Memory)57は、CPU50による演算結果を記憶したり、該CPU50の作業領域を提供する。
【0120】
DMAC(Direct Memory Access Controler)52は、ROM56、ならびにRAM57と外部接続された主メモリとの間のデータを所定のブロック単位で転送する制御を司る。
【0121】
SCI(Serial Communication Interface)54は、外部装置との間でシリアル通信を行う。タイマ53は、設定された時間をカウントし、設定時間に達したらフラグをセットしたり、割り込み要求を発生する。
【0122】
CPG(Clock Pulse Generator)51は、ある周波数のクロック信号を生成し、動作クロックとしてシステムクロックを供給する。入出力ポートIOP1〜IOP9は、マクロコンピュータを外部接続する際の入出力端子である。
【0123】
また、マイクロコンピュータMCは、CPU50、フラッシュメモリ1、ROM55、RAM57、DMAC52、および一部の入出力ポートIOP1〜IOP5がメインアドレスバスIAB、メインデータバスIDBによってそれぞれ相互に接続されている。
【0124】
さらに、タイマ53やSCI54などの周辺回路と入出力ポートIOP1〜IOP9とは、周辺アドレスバスPAB、ならびに周辺データバスPDBとによって相互に接続されている。
【0125】
BSC56は、上記したメインアドレスバスIAB、およびメインデータバスIDBと周辺アドレスバスPAB、ならびに周辺データバスPDBとの間で信号の転送を制御するとともに、各々のバスの状態を制御する。
【0126】
また、本実施の形態においては、メモリセルS(図9)がスタックゲート型からなる場合について記載したが、メモリセルはそれに限定されるものではなく、たとえば、図15に示すようなEEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)などに用いられるメモリセル(不揮発性メモリセル)S1などであってもよい。
【0127】
このメモリセルS1は、図示するように、選択MOSトランジスタと電荷蓄積MOSトランジスタとの2つのトランジスタで1つのメモリセルを構成する構造からなる。
【0128】
メモリセルS1にはビット線yd<m>が接続されており、該メモリセルS1の一方のゲート(コントロールゲート)にはワード線xc<n>が接続されており、他方のゲート(メモリゲート)にはワード線x<n>が接続されている。
【0129】
そして、メモリセルS1において、コントロールゲートにはワード線xc<n>を介してコントロールゲート電圧が印加され、メモリゲートにはワード線x<n>を介してメモリゲート電圧が印加される。
【0130】
メモリセルS1は、図16に示すように、ソースSC、ドレインDからなる拡散層が形成されている。これらソースSC−ドレインD間の半導体基板W上にはゲート酸化膜を介して、電荷蓄積層DC、およびメモリゲートMGがスタックド構造によって形成されており、そのとなり側にはコントロールゲートCGが形成された2トランジスタ構成になっている。
【0131】
図16(a)は、メモリセルS1における書き込み動作を示した図である。
【0132】
このメモリセルS1は、絶縁領域中に局所的な電荷トラップ領域を複数有する窒化膜を電荷蓄積層DCとしている。
【0133】
メモリゲートMGに、たとえば、8V程度、コントロールゲートCGに約1.5V程度、ソースSCに約5V程度、ドレインDに約0V程度、半導体基板Wに約0V程度を印加すると、ドレインD−ソースSC間に電流が流れ発生したホットエレクトロンが、ソースサイドインジェクションにより、電荷蓄積層DCに電子が蓄積されて、メモリセルS1の電流が小さくなる。
【0134】
また、図16(b)は、メモリセルS1の消去動作を示した図である。
【0135】
メモリゲートMGに、たとえば、約10V程度、コントロールゲートCGにたとえば、1.5V程度、ソースSC、ドレインD、および半導体基板Wに、たとえば約0V程度を印加すると、電荷蓄積層DCに蓄積された電子がメモリゲートMGに放出され、メモリセルS1の電流が大きくなる。
【0136】
このメモリセルS1においても、温度勾配を設けたベリファイ時のメモリゲート電圧は、メモリゲートMGに印加される。この温度勾配を設けたメモリゲート電圧の印加は、特に限定されることはなく、該メモリゲート電圧をコントロールゲートCGに印加するようにしてもよい。
【0137】
それにより、本実施の形態によれば、フラッシュメモリ1のデータ読み出し時において、読み出しに必要なメモリ電流をベリファイ動作において確保することにより、データ書き換えにより劣化したメモリセルSであってもデータ読み出しの信頼性を向上させることができる。
【0138】
さらには絶縁領域中に局所的な電荷トラップ領域を複数有する窒化膜を電荷蓄積層として有するメモリセルにおいても、書き込み動作/消去動作のそれぞれにおいてベリファイ動作を行うことにより、しきい値電圧の変化が完了したか否かを把握することが可能となり、メモリセルのしきい値電圧の変化が完了したにもかかわらず書き込み電圧/消去電圧を印可され続けることが無くなり、メモリセルへの書き込み動作/消去動作を高速化することができ、メモリセルの電荷蓄積領域に電圧が印可され続けることによるストレスを低減でき、また消費電力を低減させることができる。
【0139】
また複数のメモリセルに対して並列に書き込み動作/消去動作を行う場合、ベリファイ動作を行うことにより、しきい値電圧の変化が完了したメモリセルに対してはソース・ドレイン間の電位差を小さくし、メモリセル電流を流さないようにすることで、消費電力を低減させることができる。
【0140】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態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いうまでもない。
【0141】
たとえば、前記実施の形態では、フラッシュメモリのメモリセルが、1トランジスタ、および2トランジスタによってメモリセルを構成するスタックゲート型の場合について記載したが、該メモリセルの構成はこれに限定されるものではなく、不揮発性メモリであればどのような構成であってもよい。
【0142】
【発明の効果】
本願によっ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、以下のとおりである。
【0143】
(1)読み出し可能なメモリ電流をベリファイ動作において確保することにより、データ読み出しの信頼性を向上させることができるとともに、データの書き換え回数を大幅に向上することができる。
【0144】
(2)また、上記(1)により、不揮発性半導体記憶装置、ならびにそれを用いた半導体集積回路装置の信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態によるフラッシュメモリのブロック図である。
【図2】図1のフラッシュメモリに設けられたベリファイセンスアンプ回路の回路図である。
【図3】ベリファイの概念を表すメモリセルの電流特性図である。
【図4】図3のベリファイ時における問題点を示したメモリセルの電流特性図である。
【図5】ベリファイの判定電流に温度勾配を設けた場合のメモリセルの電流特性図である。
【図6】ベリファイの判定電流に温度勾配を設けた場合の他の例を示したメモリセルの電流特性図である。
【図7】ベリファイ時のメモリゲート電圧に温度勾配を設けた際のメモリセルの電流特性図である。
【図8】ベリファイ時のメモリゲート電圧に温度勾配を設けた際の他の例を示したメモリセルの電流特性図である。
【図9】図1のフラッシュメモリに設けられたメモリセルにおける書き込み、消去動作の説明図である。
【図10】図1のフラッシュメモリに設けられたベリファイセンスアンプ回路の他の構成例を示した回路図である。
【図11】判定電流に温度勾配を設けるための一例を示した説明図である。
【図12】図11の温度補償回路の回路構成の一例を示した回路図である。
【図13】メモリゲート電圧に温度勾配を設ける電圧発生回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図14】本発明の一実施の形態によるフラッシュメモリ内蔵シングルチップのマイクロコンピュータのブロック図である。
【図15】本発明の一実施の形態によるメモリセルの他の構成例を示す説明図である。
【図16】図15のメモリセルにおける書き込み、消去動作の説明図である。
【図17】本発明者が検討したフラッシュメモリにおけるベリファイの概念を表すメモリ電流特性図である。
【符号の説明】
1 フラッシュメモリ(不揮発性半導体記憶装置)
1a フラッシュメモリ(不揮発性記憶部)
2 制御回路
3 入出力回路
4 アドレスバッファ
5 行デコーダ
6 列デコーダ
7 ベリファイセンスアンプ回路
8 高速リードセンスアンプ回路
9 書き込みラッチ
10 フラッシュメモリアレイ
11 電源回路
12 アンプ
13 比較器
15,16 カレントミラー回路
20 温度補償回路
30 電圧発生回路
31 チャージポンプ
32 切り替え回路
33 温度補償回路
34 比較器
35 ラダー抵抗
40 電圧発生回路
41 チャージポンプ
43 温度補償回路
44 比較器
45 ラダー抵抗
M1〜M3 トランジスタ
S,S1 メモリセル(不揮発性メモリセル)
Vr メモリゲート電圧
Vvl メモリゲート電圧
Vvh メモリゲート電圧
Irl メモリ電流
Irh メモリ電流
Iv 判定電流
Ivl 判定電流
Ivh 判定電流
Ivlta 判定電流
Ivltb 判定電流
Ivhta 判定電流
Ivhtb 判定電流
Vvlta メモリゲート電圧
Vvltb メモリゲート電圧
Vvhta メモリゲート電圧
Vvhtb メモリゲート電圧
SC ソース
D ドレイン
DC 電荷蓄積層
W 半導体基板
MG メモリゲート
FG フローティングゲート
CG コントロールゲート
Ta,Tb 温度
N1,N2 ノード
vg,vgi 電圧
vin 入力電圧
sel0,sel1 制御信号
vref1,vref2 基準電圧
yd<m> ビット線
X<n>,xc<n> ワード線
drv ドライバ
vout 出力電圧
M4〜M6 トランジスタ
M10〜M14 トランジスタ
M20〜M24 トランジスタ
M30〜M34 トランジスタ
MC マイクロコンピュータ(半導体集積回路装置)
50 CPU(中央情報処理装置)
51 CPG
52 DMAC
53 タイマ
54 SCI
55 ROM
56 BSC
57 RAM
IOP1〜IOP9 入出力ポート
IAB メインアドレスバス
IDB メインデータバス
PAB 周辺アドレスバス
PDB 周辺データバス
CK クロックライン
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology for verifying a nonvolatile memory, and more particularly to a technology effective when applied to ensuring the reliability of data reading due to deterioration of a memory cell caused by data rewriting.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, EEPROMs and flash memories have been known as electrically rewritable nonvolatile memories.
[0003]
The EEPROM has, as a charge storage layer, a nitride film having a plurality of local charge trapping regions in an insulating region, and performs writing / erasing to rewrite data. This EEPROM changes the threshold voltage by trapping charges in the charge trapping region and enables data storage. However, since the number of charge trapping regions is finite, the change in the threshold voltage can be reduced. Therefore, when writing / erasing a memory cell, a high voltage for injecting electrons into the charge storage layer or performing a hot hole write must be applied to the memory cell for a predetermined period of time. Then, the writing / erasing is completed. The rewriting operation in the EEPROM is described in Patent Document 1.
[0004]
A flash memory is a nonvolatile memory that has a conductive floating gate as a charge storage layer and is electrically rewritable by injecting or extracting charge into or from the floating gate, and performs writing / erasing to rewrite data. . In a flash memory, since the floating gate is conductive, the threshold voltage of a memory cell varies more widely than in an EEPROM. The procedure for writing / erasing this flash memory will be described below.
[0005]
First, a high voltage causing a write / erase operation is applied to a memory array or the like for a predetermined time. Next, verify is performed, and if the write / erase level has reached a predetermined value, the write / erase ends.
[0006]
If the write / erase level has not reached the predetermined value, a high voltage causing a write / erase operation is applied again for a predetermined time, verified, and the operation is repeated until the write / erase level reaches the predetermined level. As described above, the verification is performed to set the write / erase level to a predetermined value.
[0007]
In this verification, for example, a voltage applied to a control gate (hereinafter, referred to as a memory gate) when a drain current of about 1 μA flows when a drain voltage of the memory cell is set to about 1 V is set as a threshold voltage, The verification is performed by detecting the threshold voltage (for example, see Patent Document 1). That is, the write / erase level is controlled by verifying the threshold voltage detection.
[0008]
FIG. 17 is a memory current characteristic diagram showing the concept of verification in a flash memory studied by the present inventors. In FIG. 17, the vertical axis indicates the memory current, and the horizontal axis indicates the memory gate voltage, and indicates the I (current) -V (voltage) characteristic of the memory cell.
[0009]
The IV characteristics in the figure indicate that the threshold voltage of the flash memory cell is of two types, "low level" and "high level", and that the threshold voltage of the flash memory cell is between the initial state and after the data is rewritten (for example, about 10,000 times). Respectively.
[0010]
As shown in the figure, the memory gate voltage at the time of reading is the voltage Vr, and the readable memory current is the current Irl or more at the time of the low level and the current Irl or less at the time of the high level.
[0011]
Since the verify operation of the flash memory is performed by threshold voltage management, the memory gate voltage is low when the memory gate voltage is Vvl, the memory gate voltage is high when the memory gate voltage is high, and the verify determination current is low level and high level both at the time of low level and high level. The current Iv. That is, the verify determination current is different from the memory current required for reading.
[0012]
Further, when the temperature differs between writing, erasing, and reading, there is a device that performs temperature dependence on the memory gate voltage at the time of verification in order to prevent erroneous reading due to a change in threshold voltage distribution (for example, , Patent Document 2).
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-62-99996
[0014]
[Patent Document 2]
JP-A-8-339693
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, the present inventor has found that the verifying technique using the semiconductor integrated circuit device has the following problems.
[0016]
That is, as in the memory cell after data rewriting shown in FIG. 17, when the IV characteristics are degraded (the saturation current of the memory is reduced, the threshold voltage is increased), at the time of reading data, the memory is at a low level. Since the current is equal to or less than the current Irl and is equal to or greater than the current Irh at the high level, the reading cannot be performed.
[0017]
That is, when the memory cell characteristics are degraded due to data rewriting, the threshold voltage has reached a predetermined value in the verification performed by detecting the threshold voltage, but the memory current required for reading must always be secured. Erroneous reading may occur.
[0018]
An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device and a semiconductor integrated circuit device capable of improving the rewriting durability of a nonvolatile memory cell and significantly improving the reliability of data reading.
[0019]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
(1) A nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention includes a sense amplifier unit that generates a determination current of two current levels for determining a threshold voltage of a nonvolatile memory cell at the time of verification.
[0021]
An outline of another invention of the present application will be briefly described.
[0022]
The determination current of one level generated by the sense amplifier is about the same as the memory current in the nonvolatile memory which can determine that the current has flowed during the read operation, and the determination current of the other level generated by the sense amplifier is: It is about the same as the memory current in the nonvolatile memory from which it can be determined that no current flows during the read operation.
[0023]
The non-volatile semiconductor memory device may be a temperature compensating circuit that changes the two levels of determination currents depending on the temperature, or a verify power supply that changes the memory gate voltage of the non-volatile memory cell depending on the temperature at the time of verification. It has a generating circuit.
(2) It has a nonvolatile storage unit and a central processing unit, and the central processing unit can execute predetermined processing and issue an operation instruction to the nonvolatile storage unit. A semiconductor integrated circuit device having a plurality of nonvolatile memory cells for storing information, wherein two levels of determination currents for determining a threshold voltage of the nonvolatile memory cells at the time of verification are stored in the nonvolatile storage unit. It has a sense amplifier section for generating.
(3) In a nonvolatile memory having a nitride film having a plurality of local charge trapping regions in an insulating region as a charge storage layer and capable of writing / erasing data for rewriting, a threshold voltage during a writing operation is reduced. This performs a verify operation for detection.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0025]
FIG. 1 is a block diagram of a flash memory according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of a verify sense amplifier circuit provided in the flash memory of FIG. 1, and FIG. 3 is a memory cell showing the concept of verify. 4, FIG. 4 is a current characteristic diagram of a memory cell showing a problem at the time of verification in FIG. 3, FIG. 5 is a current characteristic diagram of a memory cell when a temperature gradient is provided in a verify determination current, FIG. 6 is a current characteristic diagram of a memory cell showing another example in which a temperature gradient is provided in a verify determination current, and FIG. 7 is a memory cell voltage when a temperature gradient is provided in a memory gate voltage at the time of verification. FIG. 8 is a current characteristic diagram of a memory cell showing another example when a temperature gradient is provided to a memory gate voltage at the time of verification, and FIG. 9 is a memory cell diagram provided in the flash memory of FIG. 10 is a circuit diagram showing another configuration example of a verify sense amplifier circuit (sense amplifier section) provided in the flash memory of FIG. 1, and FIG. FIG. 12 is an explanatory diagram showing an example for providing a gradient, FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of the temperature compensation circuit in FIG. 11, and FIG. 13 is a circuit of a voltage generating circuit for providing a temperature gradient to a memory gate voltage FIG. 14 is a circuit diagram showing an example of a configuration, FIG. 14 is a block diagram of a single-chip microcomputer with a built-in flash memory according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15 is another configuration of a memory cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 16 is an explanatory diagram showing an example, and FIG. 16 is an explanatory diagram of a write / erase operation in the memory cell of FIG.
[0026]
In this embodiment, as shown in FIG. 1, a flash memory (nonvolatile semiconductor memory device) 1 includes a control circuit 2, an input / output circuit 3, an address buffer 4, a row decoder 5, a column decoder 6, a verify sense amplifier circuit. 7, a high-speed read sense amplifier circuit 8, a write latch 9, a flash memory array 10, a power supply circuit 11, and the like.
[0027]
The control circuit 2 temporarily stores a control signal input from a host such as a microcomputer to be connected, and controls operation logic. Various signals such as data read from the flash memory array 10 and program data are input / output to the input / output circuit 3. The address buffer 4 temporarily stores an externally input address.
[0028]
A row decoder 5 and a column decoder 6 are connected to the address buffer 4, respectively. The row decoder 5 performs decoding based on the column (row) address output from the address buffer 4, and the column decoder 6 performs decoding based on the row (column) address output from the address buffer 4.
[0029]
The verify sense amplifier circuit 7 is a sense amplifier for erase / write verification, and the high-speed read sense amplifier circuit 8 is a read sense amplifier used at the time of data reading. The write latch 9 latches the write data input via the input / output circuit 3.
[0030]
In the flash memory array 10, memory cells, which are the minimum units of storage, are regularly arranged in an array. The memory cells provided in the flash memory array 10 are electrically rewritable and do not require a power supply for storing data.
[0031]
The power supply circuit 11 includes a voltage generation circuit that generates various voltages used for data writing, erasing, verifying, and the like.
[0032]
The circuit configuration of the verify sense amplifier circuit 7 will be described with reference to FIG.
[0033]
The verify sense amplifier circuit 7 includes an amplifier 12, a comparator 13, transistors M1 to M3, and the like. The transistor M1 is an N-channel MOS, and the transistors M2 and M3 are P-channel MOSs.
[0034]
The output of the amplifier 12 is connected to the gate of the transistor M2, and the positive input terminal (+) and one connection of the transistor M1 are connected to the gate and drain of the transistor M3, respectively.
[0035]
The negative input terminals (-) of the amplifier 12 and the comparator 13 are connected so that an input voltage vin, which is a certain reference voltage, is input thereto. The power supply circuit 11 is generated at the gate of the transistor M1. Are connected such that the gate voltage vgi is input.
[0036]
The transistor M1 is a MOS transistor serving as a current source, and the amplifier 12 controls the gate of the transistor M2, that is, the potential of the node N2 in the figure, so that the potential of the node N1 in the figure is equal to the input voltage Vin.
[0037]
The power supply voltage is connected to one connection of the transistor M3, the positive input terminal of the comparator 13 is connected to the other connection of the transistor M3, and the bit line yd < The memory cells (non-volatile memory cells) S provided in the flash memory array 10 are connected via m>. Then, the output unit of the comparator 13 outputs a comparison result signal outv <m>.
[0038]
As described above, the comparator 13 compares the current flowing through the transistors M1 and M3 constituting the current mirror circuit with the current flowing through the memory cell S, thereby verifying the memory cell S.
[0039]
Note that the verify sense amplifier unit 7 described above is not limited to the use of the verify, and may be used for reading. In that case, the high-speed read sense amplifier 8 need not be provided in the flash memory 1.
[0040]
Next, the operation of the flash memory 1 according to the present embodiment will be described.
[0041]
First, write, erase, and read operations in the flash memory 1 will be described with reference to FIG.
[0042]
First, the write operation will be described below.
[0043]
When an address is input to the address buffer 4, the row decoder 5 and the column decoder 6 select at least one memory cell S from the flash memory array 10.
[0044]
When data is input to the input / output circuit 3, the data is stored in the write latch 9 and connected to the memory cell S to be written. Thereafter, the current of the memory cell S is reduced by applying a high-voltage write pulse generated by the power supply circuit 11 to the selected memory cell S.
[0045]
In the erase operation, when an address is input to the address buffer 4, the row decoder 5 and the column decoder 6 select a plurality of memory cells S from the flash memory array 10. Then, the current of the memory cell S is increased by applying the erase pulse generated by the power supply circuit 11 to the selected memory cell S.
[0046]
Further, in the read operation, when an address is input to the address buffer 4, the row decoder 5 and the column decoder 6 select at least one memory cell S from the flash memory array 10.
[0047]
The magnitude of the current value of the selected memory cell S is detected by the verify sense amplifier circuit 7 and the high-speed read sense amplifier circuit 8, and the result is output via the input / output circuit 3.
[0048]
Here, the current characteristics of the memory cell representing the concept of the verify in the present invention will be described with reference to FIGS.
[0049]
3 to 8, for example, when the threshold voltage is a low level, an erasing operation is performed, and when the threshold voltage is a high level, a data writing is performed. However, these are not particularly limited. The reverse is also possible.
[0050]
In FIG. 3, the vertical axis represents the memory current and the horizontal axis represents the memory gate voltage, and shows the IV characteristics of the memory cell S. The left curve in the figure shows the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell S is low level, and the right curve shows the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell S is high level. Also, at each threshold voltage, the IV characteristics of the memory cell S in the initial state and after rewriting (for example, about 10,000 times) are shown.
[0051]
Further, the memory gate voltage is shown as a memory gate voltage Vr at the time of reading, a memory gate voltage Vvl at the time of verifying when the threshold voltage is low level, and a memory gate voltage Vvh at the time of verifying when the threshold voltage is high level. I have.
[0052]
The memory current required for reading is the memory current Irl when the threshold voltage is low level, and is shown as the memory current Irh when the threshold voltage is high level.
[0053]
The verifying determination current is the determining current Ivl when the threshold voltage is low level, and is shown as the determining current Ivh when the threshold voltage is high level.
[0054]
According to the present invention, the verifying current is set to be approximately the same as the memory currents Irl and Irh required for reading (determination current Ivl ≒ memory current Irl, determining current Ivh ≒ memory current Irh, where memory current Irl ≦ determination). Current Ivl, memory current Irh ≧ determination current Ivh).
[0055]
That is, when the threshold voltage is low level, the determination current Ivl is used to secure the memory current Irl at the time of reading. When the threshold voltage is at a high level, the determination current Ivh is used to secure the memory current Irh at the time of reading.
[0056]
The relationship between the memory gate voltage Vr at the time of reading and the memory gate voltages Vvl and Vvh at the time of verification is set so that memory gate voltage Vvl ≦ memory gate voltage Vr ≦ memory gate voltage Vvh in order to ensure read reliability.
[0057]
Here, FIG. 4 shows a problem that can occur when the verify method studied by the present inventor to make the verify determination current approximately the same as the memory currents Irl and Irh necessary for reading is adopted.
[0058]
In FIG. 4, the vertical axis is the memory current, and the horizontal axis is the memory gate voltage, showing the IV characteristics of the memory cell. The curve on the left side in the figure shows the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell is low level, and the curve on the right side shows the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell is high level. It is. Further, the left and right curves show the IV characteristics at the temperature Ta and the temperature Tb, respectively. Here, it is assumed that the temperature Ta <the temperature Tb.
[0059]
In FIG. 4, for example, when verification is performed at a temperature Ta and reading is performed at a temperature Tb (however, the memory gate voltage for reading uses the memory gate voltage Vr at all temperatures), the threshold voltage is low level. At this time, if the verification is performed with the memory gate voltage Vvl, the reading becomes impossible at the time of reading at the temperature Tb because the memory current becomes lower than the memory current Irl.
[0060]
Therefore, a technique for solving the problem shown in FIG. 4 by providing a temperature gradient to the verification determination current will be described with reference to FIG.
[0061]
Also in FIG. 5, the vertical axis is the memory current and the horizontal axis is the memory gate voltage, showing the IV characteristics of the memory cell. The curve on the left side in the figure shows the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell is low level, and the curve on the right side shows the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell is high level. It is. These left and right curves show IV characteristics at the temperature Ta and the temperature Tb, respectively.
[0062]
As shown in the figure, when the threshold voltage is low level, at the temperature Ta, the verifying is performed with the determining current as the determining current Ivlta, and at the temperature Tb, the verifying is performed using the determining current Ivltb.
[0063]
When the threshold voltage is high level, verification is performed by the determination current Ivhta at the temperature Ta, and verification is performed by the determination current Ivhtb at the temperature Tb.
[0064]
In FIG. 5, the memory gate voltages Vvl and Vvh at the time of verification are the same as the memory gate voltage Vr at the time of reading. However, as shown in FIG. 3, the memory gate voltages Vvl and Vvh at the time of verification and the memory gate voltage at the time of reading are shown. It may be different from Vr. However, these three voltages are set so that memory gate voltage Vvl ≦ memory gate voltage Vr ≦ memory gate voltage Vrh in order to ensure read reliability.
[0065]
FIG. 6 is a diagram showing another example of the IV characteristic depending on the temperature of the memory cell in the technique to be solved by providing a temperature gradient to the verify determination current shown in FIG. In FIG. 6, unlike the IV characteristic shown in FIG. 5, the IV characteristic crosses upward.
[0066]
In this case, when the threshold voltage is low level, at the temperature Ta, the verification is performed by the determination current Ivltb, and at the temperature Tb, the verification is performed by the determination current Ivltb. The determination current Ivltb has a large current value.
[0067]
When the threshold voltage is high level, verification is performed by the determination current Ivhta at the temperature Ta, and verification is performed by the determination current Ivhtb at the temperature Tb.
[0068]
FIG. 7 is a diagram showing memory current characteristics when the problem shown in FIG. 4 is solved by providing a temperature gradient to the memory gate voltage at the time of verification.
[0069]
Also in FIG. 7, the vertical axis represents the memory current, the horizontal axis represents the memory gate voltage, and the left curve in the figure represents the IV characteristics when the threshold voltage of the memory cell is low level, and the right curve. The curve of FIG. 14 shows the IV characteristic when the threshold voltage of the memory cell is at a high level. These left and right curves show IV characteristics at the temperature Ta and the temperature Tb, respectively.
[0070]
In this case, at the temperature Ta when the threshold voltage is at the low level, the verification is performed with the memory gate voltage being the memory gate voltage Vvlta, and at the temperature Tb, the verification is performed with the memory gate voltage being the memory gate voltage Vvltb.
[0071]
On the other hand, at the temperature Ta when the threshold voltage is at the high level, the memory gate voltage is set to the memory gate voltage Vvhta to perform the verification, and at the temperature Tb, the memory gate voltage is set to the memory gate voltage Vvhtb to perform the verification.
[0072]
FIG. 8 is a diagram showing another example of the IV characteristic depending on the temperature of the memory cell in the technique of providing a temperature gradient to the memory gate voltage at the time of verification shown in FIG. Also in FIG. 8, unlike the IV characteristics shown in FIG. 7, the IV characteristics intersect at the upper side.
[0073]
At the temperature Ta when the threshold voltage is at the low level, the verification is performed by the memory gate voltage Vvlta, and at the temperature Tb, the verification is performed by the memory gate voltage Vvltb.
[0074]
On the other hand, at the temperature Ta when the threshold voltage is at the high level, verification is performed by the memory gate voltage Vvhta, and at the temperature Tb, verification is performed by the memory gate voltage Vvhtb.
[0075]
In this case, as shown, the memory gate voltage Vvlta is higher than the memory gate voltage Vvltb.
[0076]
Next, the operation of the verify sense amplifier circuit 7 for performing the above-described verify will be described.
[0077]
First, write and erase operations in the memory cells S of the flash memory array 10 will be described.
[0078]
The memory cell S is, for example, of a one-transistor stack gate type having a two-layer polysilicon structure. As shown in FIG. 9, the memory cell S includes a diffusion layer including a source SC and a drain D, and a floating gate FG and a memory gate MG on a semiconductor substrate W between the source SC and the drain D via a gate oxide film. Are configured in a stacked structure.
[0079]
FIG. 9A is a diagram illustrating a write operation in the memory cell S.
[0080]
When, for example, about 10 V is applied to the memory gate MG, about 5 V is applied to the drain D, and about 0 V is applied to the source SC and the semiconductor substrate W, for example, a current flows between the drain D and the source SC to cause hot electron injection. As a result, charges are accumulated in the floating gate FG, and the current of the memory cell S decreases.
[0081]
FIG. 9B is a diagram illustrating an erasing operation of the memory cell S.
[0082]
When, for example, about -10 V is applied to the memory gate MG, and about -10 V is applied to the source SC and the semiconductor substrate W, and the drain D is opened, the electrons accumulated in the floating gate FG are emitted to the semiconductor substrate W. , The current of the memory cell S increases.
[0083]
When the memory cell S is read in the verify sense amplifier circuit 7 of FIG. 2, the potential of the bit line yd <m> (FIG. 2) depends on the magnitude relationship between the current flowing through the transistor M3 as the determination current and the current flowing through the memory cell S. Is determined, and the comparator 13 detects the potential, and outputs the detected signal outv <m> to verify whether the current value of the memory cell S has a desired value.
[0084]
Under the boundary condition where the signal outv <m> output from the comparator 13 transitions from the Lo level to the Hi level, the gate voltage of the transistor M2 and the gate voltage of the transistor M3 are the same, so that the current flowing through the transistor M1 = the transistor M2 The relationship of current flowing through the transistor M3 = current flowing through the transistor M3 = current flowing through the memory cell S holds.
[0085]
Therefore, the current value of the transistor M3 is determined by the current value of the transistor M1. Therefore, by varying the gate voltage vgi applied to the gate of the transistor M1, the value of the current flowing through the transistor M1 can be set to the above-described determination currents Ivl and Ivh.
[0086]
Instead of adjusting the value of the current flowing through the current source transistor (M1) by the gate voltage vgi, for example, two current source transistors may be prepared, and each may be switched depending on the mode. This is the same even when there are two or more determination currents.
[0087]
FIG. 10 is a circuit diagram showing another configuration example of the verify sense amplifier circuit 7. As shown in FIG.
[0088]
In the verify sense amplifier circuit 7 of FIG. 10, current mirror circuits 15 and 16, switching transistors M4 and M5, and a transistor M6 are newly added to the circuit configuration shown in FIG.
[0089]
The current mirror circuit 15 includes P-channel MOS transistors M11 and M12 and N-channel MOS transistors M10, M13 and M14.
[0090]
The current mirror circuit 16 includes P-channel MOS transistors M21 and M22 and N-channel MOS transistors M20, M23 and M24.
[0091]
The transistors M10 and M20 are connected so that a gate voltage vgi is applied thereto. The transistor M10 and the transistor M20 are transistors for a current source having substantially the same transistor size, and a reference current flows according to the gate voltage Vgi. Then, from the reference current, verify determination currents Ivl and Ivh are generated by a current mirror.
[0092]
That is, the current ratio between the current mirror circuits 15 and 16 (the transistor size ratio between the transistor M11 and the transistor M12, the transistor size ratio between the transistor M21 and the transistor M22) is determined by the output current (transistor M13, M1, And the current values flowing through the transistors M23 and M6) are set to the determination currents Ivl and Ivh.
[0093]
These determination currents Ivl and Ivh are respectively switched by transistors M4 and M5 based on control signals sel0 and sel1 output from control circuit 2 (FIG. 1), for example.
[0094]
With this configuration, it is only necessary to adjust one reference current value instead of the two determination currents Ivl and Ivh, and the adjustment time of the determination current can be reduced.
[0095]
Although an example of the circuit configuration of the verify sense amplifier circuit is shown in FIGS. 2 and 10, the circuit configuration of the verify sense amplifier circuit is not limited to this.
[0096]
FIG. 11 is a diagram illustrating an example for providing a temperature gradient to the determination current. The illustrated temperature compensation circuit 20 is a circuit that outputs a temperature-dependent voltage. This temperature compensation circuit 20 is provided, for example, in the power supply circuit 11 (FIG. 1) and is connected to the verify sense amplifier circuit 7 (FIGS. 2 and 10).
[0097]
When a voltage vg including a certain reference voltage is input to the input unit of the temperature compensation circuit 20, a voltage vgi having a temperature gradient is output from the output unit.
[0098]
By inputting the voltage vgi generated by the temperature compensation circuit 20 to the verify sense amplifier circuit 7, the current flowing through the current source transistor, that is, the determination currents Ivlta, Ivltb, Ivhta, and Ivhtb depend on the temperature. .
[0099]
Further, the temperature compensation circuit 20 may be provided in the verify sense amplifier circuit 7.
[0100]
FIG. 12 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the temperature compensation circuit 20 of FIG.
[0101]
The temperature compensation circuit 20 includes transistors M30 to M34. The transistors M30, M31 and M34 are formed of N-channel MOS, and the transistors M32 and M33 are formed of P-channel MOS.
[0102]
A power supply voltage is connected to one connection of the transistors M32 and M33, and one connection of the transistor M30 is connected to the other connection of the transistor M32.
[0103]
The other connection portion of the transistor M33 is connected to one connection portion and the gate of the transistor M31. One connection of the transistor M34 is connected to the other connection of the transistors M30 and M31, and a reference potential is connected to the other connection of the transistor M34.
[0104]
The gate of the transistor M33 is connected to the gate of the transistor M32 and the other connection portion. The gate of the transistor M30 is connected so that the voltage Vg is input, and the gate of the transistor M31 outputs the gate voltage Vgi.
[0105]
In the temperature compensation circuit 20 having such a configuration, by controlling the input side transistor M30 and the output side transistor M31 so that the same current flows in the subthreshold region, the output potential is α (ΔT) log (transistor A temperature gradient of (channel width of M30 / channel width of transistor M31) can be provided. Here, ΔT: a temperature range in which dependency is provided.
[0106]
FIG. 13 is a diagram showing an example of a circuit configuration of the voltage generation circuit 30 for providing a temperature gradient to the voltage (memory gate voltage) applied to the word line x <n>. The voltage generation circuit 30 for providing a temperature gradient to the memory gate voltage is provided, for example, in the power supply circuit 11 (FIG. 1) and outputs an output voltage vout.
[0107]
A certain word line x <n> is selected by a row decoder 5 (FIG. 1) according to an address. The selection state in FIG. 13 is a state in which the P-channel MOS transistor of the CMOS inverter constituting the driver drv of the row decoder 5 is conducting, and the voltage value of the word line x <n> at this time is the power supply of the driver drv. , That is, the output voltage vout.
[0108]
The voltage generation circuit 30 includes a charge pump 31, a temperature compensation circuit 33, a comparator 34, a ladder resistor 35, and the like.
[0109]
The input of the temperature compensation circuit 33 is connected so as to receive the reference voltage vref1 generated by the power supply circuit 11, and the output of the temperature compensation circuit 33 is connected to the negative input terminal of the comparator 34. ing.
[0110]
The input of the charge pump 31 is connected to the output of the comparator 34, and a ladder resistor 35 is connected between the output of the charge pump 31 and the reference potential. The positive input terminal of the comparator 34 is connected to an intermediate tap which is an output part of the divided voltage of the ladder resistor 35.
[0111]
A switching circuit 32 is connected to an output section of the charge pump 31. The switching circuit 32 switches output of voltages output from a plurality of voltage generating circuits such as the voltage generating circuit 30 or the voltage generating circuit 40 based on a control signal output from the control circuit 2 (FIG. 1). .
[0112]
The voltage generation circuit 40 and the like generate, for example, a voltage at the time of data writing, a voltage at the time of data erasing, and the like. Examples of the internal circuit configuration include a charge pump 41, a temperature compensation circuit 43, a comparator 44, and a ladder resistor 45. The configuration is the same as that of the voltage generation circuit 30, and the description is omitted. Further, in the voltage generation circuit 40, the temperature compensation circuit 43 may be omitted. Further, the voltage generation circuit 30 and the voltage generation circuit 40 are not limited to the charge pump, and may be any circuits that generate a voltage such as a step-down power supply circuit.
[0113]
In the voltage generation circuit 30, the voltage boosted by the charge pump 31 is divided by a ladder resistor 35 and input to a positive input terminal of a comparator 34. On the other hand, the reference voltage vref1 is converted into a reference voltage having a temperature gradient by the temperature compensation circuit 33, and is input to the negative input terminal of the comparator. Here, the temperature compensation circuit 33 has, for example, the same circuit configuration as the temperature compensation circuit 20 shown in FIG.
[0114]
The comparator 34 compares the voltage divided by the ladder resistor 35 with the reference voltage having a temperature gradient output from the temperature compensating circuit 33, and controls ON / OFF of the charge pump 31 according to the comparison result. , Output voltage vout. Thus, a temperature gradient can be provided to the output voltage vout of the charge pump 31.
[0115]
The voltage generating circuit for providing a temperature gradient to the memory gate voltage is not limited to this. For example, the voltage generating circuit 30 may be connected to the P-channel MOS transistor of the driver drv, or the two voltage generating circuits 30 May be provided and connected to the P-channel MOS transistor and the N-channel MOS transistor of the driver drv, respectively.
[0116]
FIG. 14 is a block diagram of a single-chip microcomputer (semiconductor integrated circuit device) MC with a built-in flash memory, which is an example of the semiconductor integrated circuit device according to the present invention.
[0117]
The microcomputer MC is a system LSI having on-chip a flash memory (non-volatile storage unit) 1a having the same configuration as the flash memory 1 (FIG. 1), and a CPU (central information processing unit) 50 , CPG 51, DMAC 52, timer 53, SCI 54, ROM 55, BSC 56, RAM 57, input / output ports IOP1 to IOP9, and the like.
[0118]
The CPU (Central Processing Unit) controls all the controls of the microcomputer MC based on a program or the like stored in the ROM 55.
[0119]
A ROM (Read Only Memory) 55 stores programs to be executed by the CPU 50, fixed data, and the like. A RAM (Random Access Memory) 57 stores a calculation result by the CPU 50 and provides a work area of the CPU 50.
[0120]
A DMAC (Direct Memory Access Controller) 52 controls the transfer of data between the ROM 56 and the RAM 57 and the externally connected main memory in predetermined block units.
[0121]
An SCI (Serial Communication Interface) 54 performs serial communication with an external device. The timer 53 counts a set time, and sets a flag or generates an interrupt request when the set time is reached.
[0122]
A CPG (Clock Pulse Generator) 51 generates a clock signal of a certain frequency and supplies a system clock as an operation clock. The input / output ports IOP1 to IOP9 are input / output terminals for externally connecting the macro computer.
[0123]
In the microcomputer MC, the CPU 50, the flash memory 1, the ROM 55, the RAM 57, the DMAC 52, and some of the input / output ports IOP1 to IOP5 are interconnected by a main address bus IAB and a main data bus IDB.
[0124]
Further, peripheral circuits such as the timer 53 and the SCI 54 and the input / output ports IOP1 to IOP9 are interconnected by a peripheral address bus PAB and a peripheral data bus PDB.
[0125]
The BSC 56 controls signal transfer between the main address bus IAB, the main data bus IDB and the peripheral address bus PAB, and the peripheral data bus PDB, and controls the state of each bus.
[0126]
Further, in the present embodiment, the case where memory cell S (FIG. 9) is of a stack gate type has been described. However, the memory cell is not limited to this. For example, an EEPROM (Electrically) as shown in FIG. A memory cell (non-volatile memory cell) S1 or the like used for an Erasable Programmable ROM or the like may be used.
[0127]
As shown, the memory cell S1 has a structure in which one memory cell is constituted by two transistors, that is, a selection MOS transistor and a charge storage MOS transistor.
[0128]
A bit line yd <m> is connected to the memory cell S1, a word line xc <n> is connected to one gate (control gate) of the memory cell S1, and the other gate (memory gate). Is connected to a word line x <n>.
[0129]
In the memory cell S1, a control gate voltage is applied to the control gate via the word line xc <n>, and a memory gate voltage is applied to the memory gate via the word line x <n>.
[0130]
In the memory cell S1, as shown in FIG. 16, a diffusion layer including a source SC and a drain D is formed. On the semiconductor substrate W between the source SC and the drain D, a charge storage layer DC and a memory gate MG are formed in a stacked structure via a gate oxide film, and a control gate CG is formed on the adjacent side. It has a two-transistor configuration.
[0131]
FIG. 16A is a diagram showing a write operation in the memory cell S1.
[0132]
In the memory cell S1, a nitride film having a plurality of local charge trapping regions in the insulating region is used as the charge storage layer DC.
[0133]
When, for example, about 8 V is applied to the memory gate MG, about 1.5 V to the control gate CG, about 5 V to the source SC, about 0 V to the drain D, and about 0 V to the semiconductor substrate W, the drain D-source SC The hot electrons generated by the current flowing therebetween cause the electrons to be stored in the charge storage layer DC by the source side injection, and the current of the memory cell S1 decreases.
[0134]
FIG. 16B is a diagram showing an erasing operation of the memory cell S1.
[0135]
When, for example, about 10 V is applied to the memory gate MG, about 1.5 V is applied to the control gate CG, and about 0 V is applied to the source SC, the drain D, and the semiconductor substrate W, for example, the charge is accumulated in the charge storage layer DC. Electrons are emitted to the memory gate MG, and the current of the memory cell S1 increases.
[0136]
Also in this memory cell S1, the memory gate voltage at the time of verification with a temperature gradient is applied to memory gate MG. The application of the memory gate voltage having the temperature gradient is not particularly limited, and the memory gate voltage may be applied to the control gate CG.
[0137]
Thus, according to the present embodiment, at the time of reading data from the flash memory 1, the memory current required for reading is secured in the verify operation, so that even if the memory cell S has deteriorated due to data rewriting, the data reading is not performed. Reliability can be improved.
[0138]
Further, even in a memory cell having a nitride film having a plurality of local charge trapping regions in an insulating region as a charge storage layer, a change in threshold voltage is obtained by performing a verify operation in each of a write operation and an erase operation. It is possible to determine whether or not the writing has been completed, and it is no longer necessary to continuously apply the write voltage / erase voltage even though the change in the threshold voltage of the memory cell has been completed. The operation can be speeded up, stress due to the voltage being continuously applied to the charge storage region of the memory cell can be reduced, and power consumption can be reduced.
[0139]
When a write operation / erase operation is performed on a plurality of memory cells in parallel, a verify operation is performed to reduce a potential difference between a source and a drain for a memory cell whose threshold voltage has been completely changed. Power consumption can be reduced by preventing a memory cell current from flowing.
[0140]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment of the invention. However, the invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist of the invention. Needless to say, there is.
[0141]
For example, in the above embodiment, the case where the memory cell of the flash memory is a stack gate type in which the memory cell is formed by one transistor and two transistors is described, but the configuration of the memory cell is not limited to this. Instead, any configuration may be used as long as it is a nonvolatile memory.
[0142]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed by the present application will be briefly described as follows.
[0143]
(1) By ensuring a readable memory current in the verify operation, the reliability of data reading can be improved, and the number of times of data rewriting can be greatly improved.
[0144]
(2) According to the above (1), the reliability of the nonvolatile semiconductor memory device and the semiconductor integrated circuit device using the same can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a flash memory according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of a verify sense amplifier circuit provided in the flash memory of FIG. 1;
FIG. 3 is a current characteristic diagram of a memory cell showing the concept of verification.
FIG. 4 is a current characteristic diagram of a memory cell showing a problem at the time of verification in FIG. 3;
FIG. 5 is a current characteristic diagram of a memory cell in a case where a temperature gradient is provided for a verify determination current.
FIG. 6 is a current characteristic diagram of a memory cell showing another example in the case where a temperature gradient is provided to a verification determination current.
FIG. 7 is a current characteristic diagram of a memory cell when a temperature gradient is provided to a memory gate voltage during verification.
FIG. 8 is a current characteristic diagram of a memory cell showing another example when a temperature gradient is provided to a memory gate voltage at the time of verification.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a write / erase operation in a memory cell provided in the flash memory of FIG. 1;
FIG. 10 is a circuit diagram showing another configuration example of the verify sense amplifier circuit provided in the flash memory of FIG. 1;
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example for providing a temperature gradient to a determination current.
FIG. 12 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of the temperature compensation circuit of FIG.
FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of a voltage generation circuit for providing a temperature gradient to a memory gate voltage.
FIG. 14 is a block diagram of a single-chip microcomputer with a built-in flash memory according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing another configuration example of the memory cell according to the embodiment of the present invention;
16 is an explanatory diagram of a write / erase operation in the memory cell of FIG.
FIG. 17 is a memory current characteristic diagram showing the concept of verification in a flash memory studied by the present inventors.
[Explanation of symbols]
1 Flash memory (non-volatile semiconductor storage device)
1a Flash memory (non-volatile storage unit)
2 Control circuit
3 I / O circuit
4 Address buffer
5 row decoder
6 column decoder
7. Verify sense amplifier circuit
8 High-speed read sense amplifier circuit
9 Write latch
10 Flash memory array
11 Power supply circuit
12 amplifier
13 Comparator
15, 16 Current mirror circuit
20 Temperature compensation circuit
30 Voltage generation circuit
31 charge pump
32 Switching circuit
33 Temperature compensation circuit
34 Comparator
35 Ladder resistance
40 Voltage generation circuit
41 Charge pump
43 Temperature compensation circuit
44 Comparator
45 Ladder resistance
M1-M3 transistor
S, S1 memory cell (non-volatile memory cell)
Vr Memory gate voltage
Vvl Memory gate voltage
Vvh memory gate voltage
Irl memory current
Irh memory current
Iv judgment current
Ivl judgment current
Ivh judgment current
Ivlta judgment current
Ivltb Judgment current
Ivhta determination current
Ivhtb Judgment current
Vvlta memory gate voltage
Vvltb Memory gate voltage
Vvhta memory gate voltage
Vvhtb Memory gate voltage
SC source
D drain
DC charge storage layer
W semiconductor substrate
MG memory gate
FG floating gate
CG control gate
Ta, Tb temperature
N1, N2 nodes
vg, vgi voltage
Vin input voltage
sel0, sel1 control signal
vref1, vref2 reference voltage
yd <m> bit line
X <n>, xc <n> Word line
drv driver
vout output voltage
M4-M6 transistor
M10-M14 transistor
M20-M24 transistor
M30-M34 transistor
MC microcomputer (semiconductor integrated circuit device)
50 CPU (Central Information Processing Unit)
51 CPG
52 DMAC
53 timer
54 SCI
55 ROM
56 BSC
57 RAM
IOP1 to IOP9 I / O ports
IAB main address bus
IDB main data bus
PAB peripheral address bus
PDB peripheral data bus
CK clock line

Claims (18)

ベリファイ時に、不揮発性メモリセルのしきい値電圧を判定する判定電流を生成するセンスアンプ部を備え、
前記センスアンプ部が生成する判定電流は、2つの電流レベルからなることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
At the time of verification, a sense amplifier unit that generates a determination current for determining a threshold voltage of the nonvolatile memory cell is provided,
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the determination current generated by the sense amplifier unit has two current levels.
請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記センスアンプ部が生成する一方のレベルの判定電流は、読み出し動作時電流が流れたと判定できる前記不揮発性メモリセルにおけるメモリ電流と同じ程度であり、前記センスアンプ部が生成する他方のレベルの判定電流は、読み出し動作時電流が流れないと判定できる前記不揮発性メモリにおけるメモリ電流と同じ程度であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
The determination current of one level generated by the sense amplifier is about the same as the memory current in the nonvolatile memory cell that can determine that the current has flowed during the read operation, and the determination of the other level generated by the sense amplifier is performed. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a current is substantially equal to a memory current in said nonvolatile memory which can determine that no current flows during a read operation.
請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置において、前記センスアンプ部に、温度に依存して前記2つのレベルの判定電流をそれぞれ変化させる温度補償回路を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said sense amplifier unit includes a temperature compensation circuit for changing each of said two levels of determination current depending on a temperature. Storage device. 請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置において、ベリファイ時に、前記不揮発性メモリセルのメモリゲート電圧を温度に依存して変化させるベリファイ用電源発生回路を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。3. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, further comprising: a verifying power supply generating circuit for changing a memory gate voltage of said nonvolatile memory cell depending on a temperature at the time of verifying. Storage device. 不揮発性記憶部と、中央処理装置とを有し、前記中央処理装置は、所定の処理を実行し、前記不揮発性記憶部に動作指示を行うことが可能であり、前記不揮発性記憶部は、情報を格納する複数の不揮発性メモリセルを有する半導体集積回路装置であって、
前記不揮発性記憶部に、ベリファイ時に前記不揮発性メモリセルのしきい値電圧を判定する2つのレベルの判定電流を生成するセンスアンプ部を備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。
A non-volatile storage unit, including a central processing unit, the central processing unit executes a predetermined process, it is possible to give an operation instruction to the non-volatile storage unit, the non-volatile storage unit, A semiconductor integrated circuit device having a plurality of nonvolatile memory cells for storing information,
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the nonvolatile storage unit includes a sense amplifier unit that generates a two-level determination current for determining a threshold voltage of the nonvolatile memory cell at the time of verification.
請求項5記載の半導体集積回路装置において、
前記センスアンプ部が生成する一方のレベルの判定電流は、読み出し動作時電流が流れたと判定できる前記不揮発性メモリセルにおけるメモリ電流と同じ程度であり、前記センスアンプ部が生成する他方のレベルの判定電流は、読み出し動作時電流が流れないと判定できる前記不揮発性メモリにおけるメモリ電流と同じ程度であることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 5,
The determination current of one level generated by the sense amplifier is about the same as the memory current in the nonvolatile memory cell that can determine that the current has flowed during the read operation, and the determination of the other level generated by the sense amplifier is performed. A semiconductor integrated circuit device, wherein a current is approximately the same as a memory current in the nonvolatile memory from which a current does not flow during a read operation.
請求項5または6記載の半導体集積回路装置において、前記センスアンプ部に、温度に依存して前記2つのレベルの判定電流をそれぞれ変化させる温度補償回路を備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。7. The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the sense amplifier unit includes a temperature compensation circuit that changes each of the two levels of the determination current depending on a temperature. . 請求項5または6記載の半導体集積回路装置において、前記不揮発性記憶部は、ベリファイ時に、前記不揮発性メモリセルのメモリゲート電圧を温度に依存して変化させるベリファイ用電源発生回路を備えたことを特徴とする半導体集積回路装置。7. The semiconductor integrated circuit device according to claim 5, wherein the non-volatile storage unit includes a verifying power supply generating circuit that changes a memory gate voltage of the non-volatile memory cell depending on a temperature at the time of verification. A semiconductor integrated circuit device characterized by the following. 選択MOSトランジスタと電荷蓄積MOSトランジスタとの2つのトランジスタで1つのメモリセルを構成し、
前記選択MOSトランジスタと電荷蓄積MOSトランジスタは共通のチャネル領域上に構成され、
前記選択MOSトランジスタ側に第1の拡散領域を有し、
前記電荷蓄積MOSトランジスタ側に第2の拡散領域を有する構造からなる不揮発性メモリセルを複数有する不揮発性半導体記憶装置において、
前記電荷蓄積MOSトランジスタは複数のトラップ領域を有する窒化膜を電荷蓄積領域として有し、
前記不揮発性メモリセルへ書き込みを行う際、書き込みベリファイ動作を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
One memory cell is constituted by two transistors, a selection MOS transistor and a charge storage MOS transistor,
The selection MOS transistor and the charge storage MOS transistor are configured on a common channel region;
A first diffusion region on the select MOS transistor side;
In a nonvolatile semiconductor memory device having a plurality of nonvolatile memory cells each having a structure having a second diffusion region on the charge storage MOS transistor side,
The charge storage MOS transistor has a nitride film having a plurality of trap regions as a charge storage region,
A nonvolatile semiconductor memory device, wherein a write verify operation is performed when writing to the nonvolatile memory cell.
請求項9記載の不揮発性半導体記憶装置において、複数の前記不揮発性メモリセルへの書き込み動作を並行して行い、前記書き込みベリファイ動作により書き込み完了を検出した不揮発性メモリセルは、その前記不揮発性メモリセルへの書き込みが行われないことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。10. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9, wherein write operations to a plurality of said nonvolatile memory cells are performed in parallel, and said nonvolatile memory cell which has detected write completion by said write verify operation is said nonvolatile memory. A nonvolatile semiconductor memory device in which writing to a cell is not performed. 請求項10記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記不揮発性メモリセルへの書き込みは前記電荷蓄積MOSトランジスタのゲート電極に書き込み電圧を印加し、前記チャネル領域を流れる電流により発生するホットエレクトロンを前記電荷蓄積領域へトラップすることにより行い、
前記書き込みベリファイ動作により書き込み完了を検出したメモリセルへは、前記チャネル領域に電流を流さないようにされることにより前記メモリセルへの書き込みを行わないようにすることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 10,
Writing to the nonvolatile memory cell is performed by applying a write voltage to a gate electrode of the charge storage MOS transistor and trapping hot electrons generated by a current flowing through the channel region into the charge storage region,
Non-volatile semiconductor memory, wherein current is not allowed to flow through the channel region to a memory cell that has detected completion of writing by the write verify operation, thereby preventing writing to the memory cell. apparatus.
請求項11記載の不揮発性半導体記憶装置において、前記第1の拡散領域と第2の拡散領域間の電位差を小さくすることにより前記チャネル領域に電流を流さないようにされることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。12. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11, wherein a current is prevented from flowing through said channel region by reducing a potential difference between said first diffusion region and said second diffusion region. Semiconductor memory device. 請求項12記載の不揮発性半導体記憶装置において、所定の複数の前記メモリセルへ格納された情報を消去する消去動作が可能であり、前記消去動作においてメモリセルへ格納された情報が消去されたか否かを判定する消去ベリファイ動作を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。13. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 12, wherein an erasing operation for erasing information stored in a plurality of predetermined memory cells is possible, and whether the information stored in the memory cells is erased in the erasing operation. A non-volatile semiconductor memory device, which performs an erase verify operation for determining whether or not a non-volatile semiconductor memory device is used. 不揮発性記憶部と、中央処理装置とを有し、
前記中央処理装置は、所定の処理を実行し、前記不揮発性記憶部に動作指示を行うことが可能であり、
前記不揮発性記憶部は、選択MOSトランジスタと電荷蓄積MOSトランジスタとの2つのトランジスタで1つのメモリセルを構成し、
前記選択MOSトランジスタと電荷蓄積MOSトランジスタは共通のチャネル領域上に構成され、
前記選択MOSトランジスタ側に第1の拡散領域を有し、
前記電荷蓄積MOSトランジスタ側に第2の拡散領域を有する構造からなる不揮発性メモリセルを複数有する半導体集積回路装置において、
前記電荷蓄積MOSトランジスタは複数のトラップ領域を有する窒化膜を電荷蓄積領域として有し、
前記メモリセルへ書き込みを行う際、書き込みベリファイ動作を行うことを特徴とする半導体集積回路装置。
A nonvolatile storage unit, and a central processing unit;
The central processing unit can execute a predetermined process and issue an operation instruction to the nonvolatile storage unit,
The nonvolatile storage unit forms one memory cell with two transistors, a selection MOS transistor and a charge storage MOS transistor,
The selection MOS transistor and the charge storage MOS transistor are configured on a common channel region;
A first diffusion region on the select MOS transistor side;
In a semiconductor integrated circuit device having a plurality of nonvolatile memory cells each having a structure having a second diffusion region on the charge storage MOS transistor side,
The charge storage MOS transistor has a nitride film having a plurality of trap regions as a charge storage region,
A semiconductor integrated circuit device, wherein a write verify operation is performed when writing to the memory cell.
請求項14記載の半導体集積回路装置において、複数の前記メモリセルへの書き込み動作を並行して行い、前記書き込みベリファイ動作により書き込み完了を検出したメモリセルは、その前記メモリセルへの書き込みが行われないことを特徴とする半導体集積回路装置。15. The semiconductor integrated circuit device according to claim 14, wherein a write operation to a plurality of said memory cells is performed in parallel, and a write operation to said memory cell is performed for a memory cell which has detected write completion by said write verify operation. A semiconductor integrated circuit device. 請求項15記載の半導体集積回路装置において、
前記メモリセルへの書き込みは前記電荷蓄積MOSトランジスタのゲート電極に書き込み電圧を印加し、前記チャネル領域を流れる電流により発生するホットエレクトロンを前記電荷蓄積領域へトラップすることにより行い、
前記書き込みベリファイ動作により書き込み完了を検出したメモリセルへは、前記チャネル領域に電流を流さないようにされることにより前記メモリセルへの書き込みを行わないようにすることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 15,
Writing to the memory cell is performed by applying a writing voltage to a gate electrode of the charge storage MOS transistor and trapping hot electrons generated by a current flowing through the channel region into the charge storage region,
A semiconductor integrated circuit device wherein writing to the memory cell is prevented from being performed by preventing current from flowing through the channel region to a memory cell which has detected completion of writing by the write verify operation. .
請求項16記載の半導体集積回路装置において、前記第1の拡散領域と第2の拡散領域間の電位差を小さくすることにより前記チャネル領域に電流を流さないようにされることを特徴とする半導体集積回路装置。17. The semiconductor integrated circuit device according to claim 16, wherein a current is prevented from flowing through the channel region by reducing a potential difference between the first diffusion region and the second diffusion region. Circuit device. 請求項17記載の半導体集積回路装置において、所定の複数の前記メモリセルへ格納された情報を消去する消去動作が可能であり、前記消去動作においてメモリセルへ格納された情報が消去されたか否かを判定する消去ベリファイ動作を行うことを特徴とする半導体集積回路装置。18. The semiconductor integrated circuit device according to claim 17, wherein an erase operation for erasing information stored in a predetermined plurality of memory cells is possible, and whether or not information stored in the memory cells is erased in the erase operation. A semiconductor integrated circuit device, which performs an erase verify operation for judging whether or not the semiconductor integrated circuit is in a state.
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