JP2004319007A - 不揮発性半導体記憶装置及びこれを用いた電子装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、電気的書き換え可能で不揮発性の複数のメモリセルが配列されたメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイのビット線対に接続されて同時に選択される第1及び第2のメモリセルにより構成されるペアセルに、各メモリセルが設定されるべきM個のしきい値レベルのなかで第1及び第2のメモリセルの間の異なる二つのしきい値レベルの組として定義されるM値データ(但し、Mは4以上の整数)を書き込み、前記第1及び第2のメモリセルのセル電流差を検出して前記ペアセルのM値データを読み出すセンスアンプ回路と、前記メモリセルアレイの書き込み及び読み出しの制御を行うコントローラとを有する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)とこれを用いた電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
EEPROMフラッシュメモリには、大きく分けてNAND型とNOR型がある。NAND型フラッシュメモリは、隣接セルでソース、ドレイン拡散層を共有して複数セルを直列接続したNANDストリング(NANDセルユニット)を用いるため、NOR型に比べてセル密度が高い。またNAND型フラッシュメモリは、FNトンネル電流による複数セルの一括書き込みが可能で消費電流が少ない。これらの特徴から、NAND型フラッシュメモリは主として、大規模容量のファイルメモリに応用されている。一方NOR型フラッシュメモリは、ホットエレクトロン注入を利用した書き込みを行うため、消費電流は大きいが高速アクセスが可能なことから主としてモバイル機器へ応用されてきた。
【0003】
しかし最近は、モバイル機器でも大きなデータ量の画像データ等を扱うようになり、高速でしかもファイルメモリ並みの容量を持つフラッシュメモリが必要とされるようになってきた。NAND型フラッシュメモリは、前述のようにNANDストリング構造を用いるために読み出し時のセル電流が小さく、高速なランダムアクセスには向かない。そこで、NAND型フラッシュメモリをDRAM等のバッファメモリを持つ高速システムに対応させるために、例えばデータをページバッファに読み出し、これをシリアルに転送出力することでデータ転送レートを上げる手法が用いられている。
【0004】
しかしそれでも、NAND型フラッシュメモリの高速化には限界がある。NAND型フラッシュメモリのセル電流は、NOR型のそれの数十分の一であり、参照レベルを用いた高速のセンスができないからである。NAND型フラッシュメモリのセンスアンプは、セルのオン/オフによってセンスアンプ内ラッチの電荷が放電されるか否かを利用して、セルデータを読み出しており、読み出しにマイクロ秒単位の時間が必要である。これに比べてNOR型フラッシュメモリでは、セルデータ読み出しが数十ナノ秒の時間ですむ。
NAND型フラッシュメモリのセル電流を増加させるには、セル寸法(チャネル幅)を大きくすればよいが、これは、NAND型フラッシュメモリの小さい単位セル面積という特徴を減殺する。
【0005】
DRAMでは50mVの電位差を100fF程度のビット線につけてセンスするのに5ns程度の時間である。このとき電流量は1μA程度に相当する。NANDストリングのセル電流は1μA程度であるが、セルアレイが大きくビット線容量が1pF程度あるとすると、50ns程度でのセンスは可能である。このセンス時間を実現するためには、DRAMの様にビット線ペアを使った安定したレファレンスレベルが必要である。しかしNAND型フラッシュメモリは、セルのオン状態とオフ状態とでデータを判別するため、オン状態のセル電流の半分くらいの参照電流を安定してビット線ペアごとに作ることは、現実的ではない。
【0006】
フラッシュメモリにおいて、より大きなデータ量記憶を可能とするため多値記憶を利用することは、既に提案されている。また、多値記憶を利用したときのデータ読み出し回数を減らして、読み出し時間を短縮する手法も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−93288号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来は、NAND型フラッシュメモリは大きなデータ量記憶を必要とする用途に、NOR型フラッシュメモリは高速性が要求される用途に、使い分けられている。これに対して最近は、NAND型フラッシュメモリの特徴とNOR型フラッシュメモリの特徴を共に活かすことができるフラッシュメモリ技術が要求されている。
この発明は、大きな記憶容量を持って高速読み出しを可能とした不揮発性半導体記憶装置とこれを用いた電子装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明による不揮発性半導体記憶装置は、電気的書き換え可能で不揮発性の複数のメモリセルが配列されたメモリセルアレイと、前記メモリセルアレイのビット線対に接続されて同時に選択される第1及び第2のメモリセルにより構成されるペアセルに、各メモリセルが設定されるべきM個のしきい値レベルのなかで第1及び第2のメモリセルの間の異なる二つのしきい値レベルの組として定義されるM値データ(但し、Mは4以上の整数)を書き込み、前記第1及び第2のメモリセルのセル電流差を検出して前記ペアセルのM値データを読み出すセンスアンプ回路と、前記メモリセルアレイの書き込み及び読み出しの制御を行うコントローラとを有する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態のNAND型フラッシュメモリを説明する。この実施の形態のフラッシュメモリでは、多値記憶方式と、二つのセルをペアとして用いてこれらに相補的データを記憶するペアセル方式とを組み合わせる。このような二つの方式の組み合わせにより、ビット密度を維持して高速センス動作が可能なNANDメモリシステムを構成できる。すなわちペアセル方式では1ビット/2セルになるが、多値記憶方式により1セルで例えば4値記憶を行えば、結局1ビット/1セルと同じことになる。そして、ペアセル方式を採用して、二つのセル電流の比較によりデータを判別することにより、セル電流が小さくても確実で高速の読み出しが可能になる。
【0011】
この発明は一般に、一つのセルが取り得るM個のしきい値を利用したM値記憶メモリ(但しMは4以上の整数)に適用することが可能である。多値データのしきい値レベルを4以上増やせば、2セルに設定できるビット数は2以上になるが、読み出しや書き込みが複雑になるので、以下の実施の形態では4値の場合のみ説明する。
【0012】
図1は、実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの構成を示している。メモリセルアレイ1は、センスアンプ回路3を共有する二つのセルアレイ1t,1cにより構成される。セルアレイ1t,1cの同時に選択される、対応するビット線TBL,CBLがペアを構成するオープンビット線方式が用いられる。このビット線ペアTBL,CBLと、セルアレイ1t,1c内で同時に選択されるワード線TWL,CWLにより選択される二つのメモリセル、真値セルT−cellと相補セルC−cellが相補的データを記憶するペアセル(相補的セル)を構成する。
【0013】
この実施の形態においてオープンビット線方式を採用する理由は、後に説明するように、データ書き込み及び読み出し時に同時に選択されるワード線TWL,CWLに対して異なる電圧を与える必要があるためである。セルアレイ1t,1cのビット線対TBL,CBLは、それぞれカラムゲート2t,2cにより選択されてセンスアンプ回路3に接続される。センスアンプ回路3の領域に配置されたデータ線DLと外部入出力端子の間のデータ授受は、データバッファ11を介して行われる。
【0014】
各セルアレイ1t,1cとセンスアンプ回路3の間には、ビット線選択を行うカラムゲート2t,2cが配置される。カラムゲート2t,2cはそれぞれカラムデコーダ5t,5cにより制御される。セルアレイ1t,1cのワード線はそれぞれロウデコーダ4t,4cにより選択駆動される。アドレス信号Addは、アドレスバッファ6を介し、アドレスレジスタ7を介して、ロウデコーダ4t,4c及びカラムデコーダ2t,2cに供給される。
【0015】
動作モードを決定するコマンドCMDは、コマンドデコーダ8でデコードされて、コントローラ9に供給される。コントローラ9は、データ読み出し、書き込み及び消去のシーケンス制御を行う。セルアレイ1t,1cやロウデコーダ4t,4cには、動作モードに応じて種々の高電圧Vpp(書き込み電圧Vpgm,ベリファイ電圧Vr,パス電圧Vpass,Vread等)が必要である。これらの高電圧Vppを発生する高電圧発生回路10も、コントローラ9により制御される。
【0016】
図2は、各セルアレイ1t,1cの内部構成を示している。互いに交差する複数本ずつのビット線BLとワード線WLの各交差部にメモリセルMCが配置される。メモリセルMCは浮遊ゲートと制御ゲートが積層されたMOSトランジスタ構造を有し、浮遊ゲートの電荷蓄積状態によりデータ記憶を行う。この実施の形態では、16個のメモリセルMC0〜MC15が直列接続されてNANDストリング(NANDセルユニット)NUを構成する。NANDセルユニットNUの一端は、選択ゲートトランジスタSG1を介してビット線BLに、他端は選択ゲートトランジスタG2を介して共通ソース線SLに接続される。
【0017】
メモリセルMC0〜MC15の制御ゲートはそれぞれワード線WL0〜WL15に接続される。選択ゲートトランジスタSG1,SG2のゲートはそれぞれワード線WLと並行する選択ゲート線SGD,SDSに接続される。通常、一つのワード線WLに沿うメモリセルの範囲が、データ書き込み及び読み出しの単位となる1ページを構成する。ワード線方向に並ぶ複数のNANDセルユニットの範囲が、データ一括消去の単位となるブロックBLKiを構成し、通常ビット線方向に複数のブロックBLKiが配置される。図1に示したように、相補セルアレイ1t,1cのなかで同時に選択される二つのメモリセル、真値セルT−cellと補セルC−cellがペアセルを構成する。
【0018】
データ読み出しは、プリチャージされたビット線が選択セルにより放電されるか否かを検出することにより行われる。このとき、選択されたNANDセルユニットでは、その中の選択ワード線に読み出し電圧を、残りの非選択ワード線にはセルのデータ状態によらずオンするパス電圧を与える。選択ゲート線SGD,SGSには選択トランジスタSG1,SG2がオンする電圧を与える。これにより、選択セルのデータ状態に応じて、ビット線から共通ソース線に放電パスが形成されるか否かが決まるから、ビット線の放電の有無を検出することでデータをセンスすることができる。
【0019】
図3は、ペアを構成するセルT−cell,C−cellの多値データとビット情報の関係を示すしきい値分布である。この実施の形態では、メモリセルは、4つのしきい値分布により定義されるしきい値レベルL0,L1,L2,L3(但し、L0<L1<L2<L3)により4値データ記憶を行う。4値データを構成する2ビットデータの4つのしきい値レベルに対する割付は、T−cellとC−cellが異なるしきい値レベルを記憶するように、図3に示すように設定される。
【0020】
即ち、4値データを、上位ビットXと下位ビットYにより、“XY”で表すものとして、T−cellではレベルL0,L1,L2,L3を、データ“11”,“10”,“01”,“00”に対応させる。T−cellでは、多値データのビット情報の“1”は、読み出し時ワード線に所定の読み出し電圧を与えたときにセルがオンする状態(低しきい値)であり、“0”はオフの状態(高しきい値)である。C−cellではそのしきい値レベルとビット情報の関係がT−cellとは逆になる。具体的に説明すれば、T−cellがレベルL0を記憶し、対応するC−cellがレベルL3を記憶して、この状態の組み合わせをデータ“11”とする。T−cellがレベルL1を記憶し、対応するC−cellがレベルL2を記憶して、この状態の組み合わせをデータ“10”とする。T−cellがレベルL2を記憶し、対応するC−cellがレベルL1を記憶して、この状態の組み合わせをデータ“01”とする。T−cellがレベルL3を記憶し、対応するC−cellがレベルL0を記憶して、この状態の組み合わせをデータ“00”とする。
【0021】
図3では、ペアセルT−cell,C−cellの間の相補的データ状態の間を直線で結んでいる。これにより、2セルでの4値データ記憶を利用して、1セル当たり1ビットの情報記憶が実質的に実現される。多値データのしきい値レベルを4つ以上に増やせば2セルに設定できるビット数は2以上になるが読み出しや書き込みが複雑になるのでここでは4値の場合のみを説明する。
図3において、R1、R2、R3はセルの各多値データの読み出しの際のワード線に与えられる読み出し電圧である。P1、P2、P3は各多値データについて書き込みサイクルでベリファイ読み出しする際にワード線に与えられるベリファイ電圧である。
【0022】
このようなペアセルT−cell,C−cellのデータの読み出し及び書き込みの動作原理を以下に説明する。図4は、ペアセルT−cell,C−cellにつながる一対のビット線TBL,CBLに着目して、センスアンプ回路3の基本的な読み出し回路系の構成を示している。ビット線対TBL,CBLに接続されるセンスアンプ31は、ビット線対TBL,CBLに流れるペアセルのセル電流差をセンス増幅するアクティブな電流検出型の差動センスアンプである。この様な電流検出型の差動センスアンプ31を用いることにより、セル電流が小さくても高速な動作が可能となる。このセンス方式によれば、参照レベルを設定する必要がなく、データビット“1”と“0”との間でセル電流差があればデータを検知できるので、セルのしきい値レベルの劣化、セル特性ばらつき等に対して強い安定した情報記憶と高速読み出しを達成できる。
【0023】
4値データの読み出しには、3ステップを必要とする。第1の読み出しステップでは、選択された全ペアセルについて、しきい値レベルL1,L2の間に設定された読み出し電圧R2を用いて、上位ビットHBの“1”,“0”を判定する。第2及び第3の読み出しステップではそれぞれ、上位ビットが“0”及び“1”のペアセルについて、下位ビットLBの判定が行われる。即ち上位ビットHBが“0”のペアセルについては、T−cellではしきい値レベルL2,L3の間に設定された読み出し電圧R3、C−cellではしきい値レベルL0,L1の間に設定された読み出し電圧R1を与えて、下位ビットLBの“1”,“0”を判定する。上位ビットHBが“0”のペアセルについては、T−cellでは読み出し電圧R1、C−cellでは読み出し電圧R3を与えて、下位ビットLBの“1”,“0”を判定する。
【0024】
この様な読み出しシーケンスを適用するために、センスアンプ31に加えて、4値データの上位ビット(HB)と下位ビット(LB)をそれぞれ記憶するデータラッチ32a,32bが設けられている。これらのデータラッチ32a,32bは、タイミング信号T1,SHにより制御される転送ゲートTG1,TG2を含む転送回路33を介してセンスアンプ31に選択的に接続される。上位ビットHBを判定するセンス結果を、データラッチ32aに転送するためのタイミング信号がT1である。下位ビットを判定するには、上述のように2ステップの読み出しが必要であり、そのタイミング信号がT2,T3である。データラッチ32bは、先にデータラッチ32aに読み出された上位ビットに応じて、タイミング信号T2,T3のいずれかで活性となるタイミング信号SHにより制御される転送ゲートTG2を介して、センスアンプ31に接続される。
【0025】
ペアセルの4値データを読み出すには上述のように3ステップが必要であるが、データラッチ32a,32bに転送された読み出しデータは、別々にアクセス可能である。即ち最初のステップでデータラッチ32aに読み出された上位ビットHBは、転送信号SSLiにより制御される転送ゲートTG3を介して、データバスDLに転送され、チップ外部に出力される。このデータ出力動作を行っている間に第2、第3のステップで下位ビットLBがデータラッチ32bに読み出される。この下位ビットLBは、転送信号SSHiにより制御される転送ゲートTG4を介してデータバスDLに転送され、チップ外部に出力される。
【0026】
次に、書き込み動作を説明する。図5は、一つのセルブロックBLKiに着目して、書き込み時のバイアス条件を示している。ここでは、セルブロックBLKiのワード線WL1とビット線BLmにより選択されるセルに、そのしきい値を上昇させる書き込み(狭義の書き込み)を行う場合(T−cellにビットデータ“0”を書き込む場合、或いはC−cellにビットデータ“1”を書き込む場合)を示している。この書き込み動作は、セルのチャネルからフローティングゲートに電子をFNトンネル電流で注入して、しきい値を高くするものである。そのため、選択ワード線には昇圧された書き込みパルス電圧Vpgmが与えられ、チャンネルには0Vがかかるようにする。
【0027】
非選択ワード線には、セルをデータによらずオンさせるパス電圧Vpassが、ビット線側の選択ゲート線SGDにはVddが与えられる。ソース側の選択ゲート線SGSは0Vである。ビット線BLmにつながるNANDセルユニットのチャネルを0Vにするためには、ビット線BLmに0Vを与える。書き込みを行わないビット線BLm−1,BLm+1には、Vddを与えて、NANDセルチャネルを高レベルのフローティング状態に保持し、セルのフローティングゲートに電子が注入されないようにする。
【0028】
データ書き込みの際、特に多値データ書き込みの際は、しきい値の分布をできるだけシャープにする必要がある。そのためには、ベリファイ書き込みが用いられる。即ち図6に示すように、書き込みパルス電圧印加動作とその後のベリファイ読み出し動作を含む複数の書き込みサイクルが繰り返される。書き込みパルス電圧Vpgmは、好ましくは各サイクル毎にΔVpgmずつステップアップさせる。但し、書き込みパルス電圧のステップアップは、必須ではない。ステップアップさせなくても、サイクル数が増えるにつれて書き込みパルス幅を増やすことにより、注入電子量を増やすという方法を用いることもできる。
【0029】
図7に示すように、しきい値レベルL0の初期状態(消去状態)のセルのしきい値分布は、ブロードな正規分布である。書き込みパルス印加動作のみでセルのしきい値を上昇させると、そのしきい値分布は、しきい値の高い側へ平行移動するだけである。これに対して、ベリファイ書き込み方式では、書き込みパルス電圧印加毎に、選択ワード線にベリファイ電圧Vrを与えてベリファイ読み出しを行い、しきい値がそのベリファイ電圧Vrに達したセルについてはその後の書き込みを行わないようにする。この様なベリファイ書き込みを行うことにより、シャープな書き込みしきい値状態を得ることができる。
【0030】
図5にはベリファイ読み出し時のバイアス条件を併せて示している。選択ワード線に与えるベリファイ電圧Vrは、如何なるビットデータを書き込みむかに応じて、図3に示すP1,P2,P3のいずれかが用いられる。非選択ワード線には、セルをデータによらずオンさせるパス電圧Vreadが与えられる。
この様なベリファイ書き込みを行うことによって、全てのセルの書き込みが終了したときのデータ状態は、図7に示すように、ベリファイ電圧Vrの近くに鋭いピークを持つしきい値分布となる。
【0031】
図8は、以上のようなベリファイ書き込み動作を行うに必要な、センスアンプ回路3の基本的な書き込み回路系の構成を、ペアセルT−cell,C−cellにつながるビット線対TBL,CBLについて示している。データラッチ32は、図4に示す上位ビット用、下位ビット用のデータラッチ32a,32bをまとめて示している。データラッチ32には、転送信号SSにより制御される転送ゲートTG15を介して、データバスDLから予め書き込みデータが格納される。データラッチ32のノードN1,N2の書き込みデータは、書き込みタイミング信号Tにより制御される転送ゲートTG13,TG14を介してセンスアンプ31に転送される。この書き込みデータ転送によって、センスアンプ31のビット線TBL,CBLにつながるべきセンスノードN3,N4は、一方が0V、他方がVddになる。
【0032】
また、ノードN3,N4とビット線TBL,CBLの間には、それぞれノードN2,N1によりゲートが制御される、選択ゲートとしてのNMOSトランジスタMN3,MN4が配置されている。例えば書き込みデータにより、ノードN1,N3が“H”、ノードN2,N4が“L”となる場合には、これらのNMOSトランジスタMN3,MN4は、MN3がオフ、MN4がオンとなる。ビット線TBL,CBLは、予め電源電圧Vddにプリチャージされる。上述のように書き込みデータがセンスアンプ31に転送されると、一方のNMOSトランジスタMN4のみがオンになり、これによりビット線CBLが放電されて、0Vになる。従って、選択ワード線に書き込みパルス電圧Vpgmを与えたとき、ビット線CBLにつながるセルC−cellに対してしきい値を上昇させる書き込み動作条件が与えられる。このときビット線TBLはフローティングであり、またこのビット線TBLにつながるT−cellのチャネルもフローティングとなり、T−cellではしきい値を上昇させる書き込み(狭義の書き込み)は行われない。
【0033】
ベリファイ読み出しにより書き込み終了を判定するために、参照電流源回路36が設けられている。参照電流源回路36は、しきい値を所望の値まで上昇させたセルのセル電流よりは大きい微小定電流I0を流す電流源である。参照電流源回路36は、ベリファイ判定用信号VERIにより制御されるスイッチSWを介し、PMOSトランジスタMP0,MP1を介して選択的にセンスノードN3,N4に接続される。PMOSトランジスタMP0,MP1はそれぞれデータラッチ32のノードN2,N1によりゲートが制御される。従って、先に例示した書き込みデータの場合、即ちN1=“H”,N2=“L”のとき、PMOSトランジスタMP0がオンになり、ベリファイ時、参照電流源I0はノードN3に接続される。
【0034】
ビット線ペアTBL,CBLとセンスアンプ31のセンスノードN3,N4の接続は、前述のようにデータラッチ32の書き込みデータにより自動的になされる。上の書き込み動作例では、NMOSトランジスタMN4がオンであり、ビット線CBLがノードN4に接続される。即ちベリファイ読み出し時には、しきい値を上昇させる書き込みを行ったセル側のビット線のみがセンスアンプ31に接続され、この状態で選択ワード線にベリファイ電圧が与えられる。そして、ベリファイ読み出しにより、書き込みセルのしきい値が十分に高くなっていれば、そのセル電流は、参照電流源I0より小さくなる。これにより、センスノードN3,N4の“H”,“L”は反転する。即ちセンスアンプ1のデータが反転する。以後、そのセルについて書き込み動作は行われない。しきい値上昇が十分でない場合には、センスアンプ31のデータ反転はなく、次の書き込みサイクルで再度の書き込みが行われる。
この様にベリファイ読み出しと書き込みパルス印加を繰り返して、書き込みを行う全てのセンスアンプのデータが反転したら、書き込みが終了する。
【0035】
図9は、図4の読み出し回路系及び、図8の書き込み回路系を含んで、センスアンプ回路3の構成をより具体的に示したものである。読み出し及び書き込みに用いられる差動センスアンプ31は、ソースがセンスノードN3,N4に接続されたPMOSトランジスタMP8,MP9と、これらのドレインと接地端子の間に介在させたNMOSトランジスタMN1,MN2とを備えたCMOSフリップフロップである。このフリップフロップのノードN5,N6は、活性化信号SEが“L”の間オンするPMOSトランジスタMP10により短絡されている。センスノードN3,N4にはそれぞれ、制御信号/LDによりゲートが制御される、定常状態でオンである電流源負荷PMOSトランジスタPMOSトランジスタMP4,MP5が接続されている。センスノードN3,N4の間にはまた、イコライズ信号/EQにより制御されるイコライズ用PMOSトランジスタMP11が設けられている。/EQ=“L”の定常状態でイコライズ用PMOSトランジスタMP11はオンであり、ノードN3,N4は短絡されている。
【0036】
データラッチ32は、上位ビット用データラッチ(HBL)32aと下位ビット用データラッチ(LBL)32bにより構成される。データラッチ32aのノードN11,N12はそれぞれ、選択信号CSLでゲートが制御されるNMOSトランジスタMN31,MN32を介して、データバスDLの相補読み出しデータ線RD,/RDに接続される。この実施の形態の場合、読み出しデータと書き込みデータは極性反転されるので、相補読み出しデータ線RD,/RDは、相補書き込みデータ線/WD,WDとなる。データラッチ32bのノードN21,N22はそれぞれ、選択信号CSHでゲートが制御されるNMOSトランジスタMN33,MN34を介して、データ線RD,/RDに接続される。
【0037】
データラッチ32a,32bとセンスアンプ31の間のデータ転送を行う転送回路33は、前述した3ステップの読み出しに用いられるタイミング信号T1,T2,T3と、データラッチ32aが保持するデータによって制御される。具体的に説明すれば、データラッチ32aのノードN11,N12は、タイミング信号T1により制御されるNMOSトランジスタMN12,MN11からなる転送ゲートを介して、ノードN6,N5に接続される。
【0038】
データラッチ32bのノードN21,N22は、データラッチ32aのデータがN11=“L”,N12=“H”のときにオンになるNMOSトランジスタMN16,MN15及び、タイミング信号T2によりオンになるNMOSトランジスタMN14,MN13を有する転送ゲートを介して、ノードN6,N5に接続される。データラッチ32bのノードN21,N22はまた、データラッチ32aのデータがN11=“H”,N12=“L”のときにオンになるNMOSトランジスタMN20,MN21及び、タイミング信号T3によりオンになるNMOSトランジスタMN18,MN17を有する転送ゲートを介して、ノードN6,N5に接続される。なおタイミング信号T1−T3は、読み出し時のみならず、後に説明する書き込み時の3ステップの書き込み用タイミング信号としても用いられる。
【0039】
書き込み時、データラッチ32a,32bからセンスアンプ31側に転送される相補ビットデータは、インバータ34a,34bを介して、センスノードN3,N4に伝えられる。即ち、インバータ34a,34bのうち、“H”レベルが転送される側が“L”出力を出し、これにより予めVddにプリチャージされているノードN3,N4の一方を0Vに放電させる動作が行われる。
【0040】
センスノードN3,N4は、図8に示したように、NMOSトランジスタMN3,MN4を介して対のビット線TBL,CBLに接続される。センスノードN3,N4には、参照電流源回路36が接続されている。参照電流源回路36は、NMOSトランジスタMN3,MN4と共通接続されたゲートG1,G2を有するPMOSトランジスタMP0,MP1を介してセンスノードN3,N4に選択的に接続される電流源NMOSトランジスタMN0を有する。NMOSトランジスタMN0は、ゲートがVbiasによりバイアスされて定電流I0を流す。
【0041】
NMOSトランジスタMN3とPMOSトランジスタMP0の共通ゲートG1及び、NMOSトランジスタMN4とPMOSトランジスタMP1の共通ゲートG2は、読み出し時及び書き込み時には“L”である制御信号VERIにより制御されるPMOSトランジスタMP2,MP3を介して電源Vddに接続されている。これにより、読み出し時及び書き込み時に、ビット線TBL,CBLはNMOSトランジスタMN3,MN4を介してセンスノードN3,N4に接続される。
【0042】
書き込みサイクルでは、初期書き込み動作が終わると、以後制御信号VERIが“H”となる。引き続くベリファイ読み出しと再書き込み動作の間は、選択ゲートNMOSトランジスタMN3,MN4の一方のみがオンとなるように制御される。即ち、ビット線TBL,CBLのうち、書き込みパルス印加を行ってその書き込み状態を確認する必要があるセル側のビット線のみをセンスノードN3,N4に接続するように、制御される。このNMOSトランジスタMN3,MN4のオンオフ制御は、上位ビットHB及び下位ビットLBの書き込みベリファイ毎に行われる。このために、ベリファイ用タイミング信号VT1−VT3,VT31と、上位ビットHB及び下位ビットLBの状態との組み合わせ論理によりゲートG1,G2を選択的に“H”に設定するための制御論理回路35a,35bが設けられている。
【0043】
センスノードN3,N4は、書き込み終了判定を行うためのNMOSトランジスタMN61,MN62を介して、初期状態が“L”である終了モニタ用ノードTm,Cmに接続されている。このNMOSトランジスタMN61,MN62のゲートは、選択ゲートであるNMOSトランジスタMN3,MN4のゲートG1,G2に接続されている。従って、NMOSトランジスタMN61,MN62は、制御論理回路35a,35bにより、NMOSトランジスタMN3,MN4と同時に制御される。そしてベリファイ読み出し動作でビット線につながって書き込みが完了したセンスノードN3,N4のいずれか一方が“H”になると、これを受けて、モニタ用ノードTm,Cmのいずれか一方に“H”出力が得られる。
【0044】
この様なセンスアンプ回路を用いたデータ読み出し及び書き込みの動作を次に詳細に説明する。データ読み出し及び書き込みには前述のようにそれぞれ、3ステップのタイミング制御が必要である。またデータ書き込み時には前述のように、書き込みパルス印加とベリファイ読み出し動作が繰り返される。これらのシーケンス制御は、コントローラ9により行われる。
【0045】
図11は、読み出し動作のタイミング図である。TWL,CWLは、図1に示すように相補セルアレイ1t,1c側の対応するワード線である。読み出し時、制御信号VERI,タイミング信号VT1−VT3,VT31は全て“L”である。従って、PMOSトランジスタMP2,MP3によりゲートG1,G2は“H”となり、ビット線ペアTBL,CBLはNMOSトランジスタMN3,MN4を介してセンスノードN3,N4に接続される。即ち選択セルのデータがセンスノードN3,N4に伝達され得る状態である。
【0046】
センスアンプ回路が非活性状態では、活性化信号SE、イコライズ信号/EQ、プリチャージ信号/LDが“L”であり、センスノードN3,N4及びビット線ペアTBL,CBLはイコライズされて、Vddレベル近くに設定されている。センスアンプ内部ノードN5,N6も短絡されて同電位を保つ。最初に、上位ビットHBの読み出しを行ために、/EQを“H”にしてイコライズを解除する(時刻t1)。そして、選択ワード線TWL,CWLに、図3に示す上位ビット読み出し用電圧R2を与える。読み出し電圧R2は、しきい値レベルL1とL2の間に設定される。これは、4値データが、“11”,“10”にあるか、“01”,“00”にあるかを判定する読み出し条件である。
【0047】
上位ビットHBが“1”ならT−cellがオン、“0”ならC−cellがオンとなる。そして、ペアビット線TBL,CBL間のセル電流差をセンスするために活性化信号SEを“H”にすると、センスアンプ31内のノードN5,N6には、セル電流差に対応した電位差が発生する。このノードN5,N6の電位差は、ビット線TBL,CBLにフィードバックされる。ノードN5,N6の電位差が十分に大きくなった後、制御信号/LDを“H”にすると、センスアンプ31の読み出しビットデータが確定する。
【0048】
センスアンプ31でデータのセンスが開始されれば、ワード線TWL,CWLを立ち下げることが出来る。センスアンプ31により確定した上位ビットデータは、タイミング信号T1を“H”、従って転送回路33のNMOSトランジスタMN11,MN12をオンにしすることで、データラッチ32aに転送される(時刻t2)。これにより、上位ビットHBの読み出しステップが終了する。データラッチ32aに上位ビットHBが転送されれば、その後選択信号CSLを“H”にすることにより、その上位ビットデータはアクセス可能となる。
【0049】
次に、ビット線ペアTBL,CBLを再びイコライズして初期状態に設定した後、イコライズを解除する(時刻t3)。そして、T−cell側のワード線TWLに読み出し電圧R3を、C−cell側のワード線CWLに、読み出し電圧R1を与える。図3に示すように、読み出し電圧R3は、しきい値レベルL2とL3の間に設定される。読み出し電圧R1は、しきい値レベルL0とL1の間に設定される。これは上位ビットHB=“0”のときの、下位ビットLBを判定する読み出し条件である。上位ビットHBが“0”のセルに注目すると、T−cellでは下位ビットLBが“1”ならばオンし、C−cellでは下位ビットLBが“0”ならばオンする。従って、上位ビット読み出しステップと同様にセンス動作を行えば、このときの下位ビットLBがセンスアンプ31で確定する。上位ビットHBが“1”であった場合は、このときの下位ビットの状態がセンスアンプの確定値には反映しない。
【0050】
時刻t4でタイミング信号T2を立ち上げて、読み出した下位ビットLBをデータラッチ32bに転送する。このデータ転送の際、データラッチ32aに読み出されている上位ビットHBのデータを利用する。即ち、上位ビットHBが“0”の場合(ノードN11,N12のデータがHB=“L”,/HB=“H”の場合)、NMOSトランジスタMN15,MN16がオンになる。従ってタイミング信号T2によりNMOSトランジスタMN13,MN14がオンになると、センスノードN5,N6のデータがデータラッチ32bに転送される。これより、HB=“0”のときの下位ビット読み出しステップが終了する。
【0051】
次に、ビット線ペアTBL,CBLを再びイコライズして初期状態に設定した後、イコライズを解除する(時刻t5)。そして、C−cell側のワード線CWLに図3に示す読み出し電圧R3を、T−cell側のワード線TWLに、読み出し電圧R1を与える。これは上位ビットHB=“1”のときの、下位ビットLBを判定する読み出し条件である。上位ビットHBが“1”のセルに注目すると、T−cellでは下位ビットLBが“1”ならばオンし、C−cellでは下位ビットLBが“0”ならばオンする。従って、上位ビット読み出しステップと同様にセンス動作を行えば、このときの下位ビットLBがセンスアンプ31で確定する。上位ビットHBが“0”であった場合は、このときの下位ビットの状態がセンスアンプの確定値には反映しない。
【0052】
時刻t6でタイミング信号T3を立ち上げて、読み出した下位ビットLBをデータラッチ32bに転送する。このデータ転送の際にも、先の下位ビット読み出しのときと同様に、データラッチ32aの上位ビットHBのデータを利用する。上位ビットHBが“1”の場合(ノードN11,N12のデータがHB=“H”,/HB=“L”の場合)、NMOSトランジスタMN19,MN20がオンになる。従ってタイミング信号T3によりNMOSトランジスタMN17,MN18がオンになると、センスノードN5,N6のデータがデータラッチ32bに転送される。これより、HB=“1”のときの下位ビット読み出しステップが終了する。
以上の3ステップ読み出しにより、データ読み出しは終了する。これ以降、転送信号CSHを立ち上げて、データラッチ32bの下位ビットデータはアクセス可能となる。
【0053】
次に、データ書き込みの動作を説明する。図10は、ペアセルT−cell,C−cellのデータ状態を用いて、書き込み動作の手順を示している。データ書き込みに際しては、書き込みを行うセルブロックの全セルのデータを一括消去する。この消去動作は、セルブロックが形成されたウェルに昇圧された消去電圧Veraを与え、セルブロック内の全ワード線を0Vとして、全セルのフローティングゲートの電子をチャネルに放出させる。これにより、全セルは、しきい値がもっとも低いレベルL0に設定される。これが図10に示す初期状態である。
【0054】
この初期状態から、3ステップの書き込みを行う。図1のセンスアンプ回路3は例えば1ページ分のセンスアンプを備える。データ書き込みは、1ページ分の書き込みデータをセンスアンプ回路3にロードして、1ページ分が同時に行われる。第1の書き込みステップ(1)では、上位ビットHBの“0”,“1”を書き込む。この書き込みステップ(1)では、上位ビットHBが“0”の4値データを書き込むべきペアセルについて、C−cellをしきい値レベルL0に維持して、T−cellをしきい値レベルL2に設定する書き込み動作と、上位ビットHBが“1”の4値データを書き込むべきペアセルについて、T−cellをしきい値レベルL0に維持して、C−cellをしきい値レベルL2に設定する書き込み動作とが同時に行われる。ベリファイ電圧は、しきい値レベルL1,L2の間の電圧P2が用いられる。この段階では下位ビットの状態は縮退したままであり、ペアセルT−cell,C−cellに相補的データは設定されていない。
【0055】
第2の書き込みステップ(2)では、上位ビットHBが“1”であるペアセルに対してのみ、下位ビットLBの“0”と“1”を書き込む。即ち、上位ビットHBが“1”であり、下位ビットLBが“0”となるT−cellのデータ“10”(しきい値レベルL1)を書き込む動作と、上位ビットHBが“1”であり、下位ビットLBが“1”となるC−cellのデータ“11”(しきい値レベルL3)を書き込む動作とが同時に行われる。従ってこの書き込みステップ(2)のベリファイ読み出しでは、ベリファイ電圧P1,P3が用いられる。これにより、上位ビットHBが“1”であるペアセルT−cell,C−cellについてはデータが確定する。
【0056】
第3の書き込みステップ(3)では、上位ビットHBが“0”であるペアセルに対してのみ、下位ビットLBの“0”と“1”を書き込む。即ち、上位ビットHBが“0”であり、下位ビットLBが“0”となるT−cellのデータ“00”(しきい値レベルL3)を書き込む動作と、上位ビットHBが“0”であり、下位ビットLBが“1”となるC−cellのデータ“01”(しきい値レベルL1)を書き込む動作とが同時に行われる。この書き込みステップ(3)のベリファイ読み出しでも、ベリファイ電圧P1,P3が用いられる。これにより、上位ビットHBが“0”であるペアセルT−cell,C−cellについてはデータが確定する。
【0057】
図12〜図14は、以上の書き込みステップ(1),(2),(3)の動作タイミングを示している。以下、これらの書き込みステップの詳細な動作を説明する。
図12は、書き込みステップ(1)の動作タイミング図であり、“初期書き込み(initial program)”の後、“ベリファイ(verify)”と“書き込み(program)”が、全データの書き込み終了が判定されるまで繰り返される。“初期書き込み”において、データラッチ32aが保持する上位ビットデータがセンスアンプ31に転送されて、ペアセルに対する書き込みを開始する。従ってこの時点までに、データラッチ32aには、データバスDLから書き込むべき4値データの上位ビットデータが転送される。データバスDLに乗せるデータのロジックは読み出しで期待するものとは反転させる。即ち書き込むデータのレベルを反転させてデータバスDLに乗せる。
【0058】
デーラッチ32aからセンスアンプ31にデータ転送する前に、センスノードN3,N4はVddにプリチャージ/イコライズされている。制御信号VERIも“L”であって、センスノードN3,N4とビット線TBL,CBLを接続するNMOSトランジスタMN3,MN4は共にオン状態を保ち、ビット線TBL,CBLまでVddにプリチャージされている。
【0059】
タイミング信号T1を立ち上げる前に、イコライズを解除し(/EQ=“H”)、プリチャージ動作を停止し(/LD=“H”)、センスアンプ31を活性化する(SE=“H”)。そして、タイミング信号T1を立ち上げて、データラッチ32aのデータをセンスアンプ31に転送して、書き込みを開始する。センスアンプ31にデータが転送されると、そのデータに応じて、センスノードN3,N4の一方、従ってそれらにつながるビット線TBL,CBLの一方が放電される。その後相補セルアレイ1t,1cの選択ワード線TWL,CWLに書き込みパルス電圧Vpgmを与えて、書き込み動作が行われる。センスアンプ31の“L”レベル側ノードにつながったビット線のセルのみ、フローティングゲートに電子注入がなされ、しきい値の上昇が始まる。図10で説明したように、複数のビット線対について見ると、データに応じて、ビット線TBL側のT−cell又はビット線CBL側のC−cellで同時に電子注入動作が行われる。
【0060】
一定時間の書き込みパルス印加動作の後、所望のしきい値になったか否かを確認するのが次の“ベリファイ”である。ベリファイ動作のためにセンスアンプ内は再度プリチャージ/イコライズが行われる。以下の動作では、制御信号VERIを“H”にしてゲートG1,G2の同時駆動状態を止める。代わって、ビット線対TBL,CBLのうち、狭義の書き込み(即ち電子注入動作)を行う側のビット線のみがセンスアンプ31に接続されるように、論理制御回路35a,35bによりゲートG1,G2が制御される。具体的にこの書き込みステップ(1)では、タイミン信号VT1が“H”、従ってNMOSトランジスタMN43,MN44がオンになり、データラッチ32aが保持する上位ビットデータHB,/HBに応じて、NMOSトランジスタMN3,MN4の一方がオンになる。また、Vbiasが“H”になり、電流源トランジスタMN0が書き込み判定用の参照電流を流す。
【0061】
そして、図10で説明したように、選択ワード線TWL,CWLに共に、ベリファイ電圧P2を与えて、読み出し動作を行う。この条件でセンスアンプ31による読み出しを行うと、充分なしきい値上昇が達成されていれば、ビット線につながった方のセンスノードは放電されず、他方のセンスノードは参照電流源NMOSトランジスタMN0によって放電されるので、センスアンプ31は初期書き込みの状態から反転する。参照電流源との電流の比較において不十分にしかしきい値上昇が生じていないセルに関してはこの状態反転は生じない。参照電流源の電流値の設定はどのベリファイのワード線レベルに対してセル電流のどのくらいの値をセルのプログラム完了と見なすかで決まり、メモリの信頼性マージンなどで決まるパラメータである。
【0062】
ベリファイ読み出しが終了したらセンスアンプ31の状態を保持したまま次の書き込み動作を行う。センスアンプ31にロードされたデータがベリファイ読み出しで反転されると、そのセンスアンプ31は以後、ビット線に0Vを与えるプリチャージ動作を行わない。従って書き込みが不十分だったセルについてのみ、以後の書き込み動作が行われる。即ち選択ワード線TWLとCWLに書き込みパルス電圧Vpgmを与えて、書き込みが不十分だったセルに対して追加の電子注入が行われる。この後更にベリファイ動作を行う。以下、全てのセンスアンプのデータが反転するまで、ベリファイと書き込みを繰り返す。
【0063】
なお、各ベリファイ動作の最後に、書き込み終了判定信号“OK”をセンスアンプ系列に流し全てのセンスアンプ31の書き込みが完了したかどうかの判定を行う。その詳細については後ほど説明する。
以上により、図10に示す書き込みステップ(1)のしきい値分布状態が実現される。
【0064】
図13の書き込みステップ(2)では、上位ビットHBに“1”が書かれたペアセルについて、書き込みおよびベリファイ書き込みを行う。この書き込みステップ(2)に入ると、タイミング信号VT1は“L”になり、代わってタイミング信号VT2が“H”になる。“初期書き込み”で、センスアンプ31にデータラッチ32bの下位ビットデータを転送して、ペアセルに対する書き込みを開始する。従ってこの時点までに、データラッチ32bにはデータバスDLから書き込むべきデータが転送されていることが必要である。書き込みデータを読み出し期待値とロジック反転させることは、上位ビット書き込みの場合と同様である。
【0065】
センスアンプ31は書き込みステップ(1)の確定した状態を維持する。このセンスアンプ31に、タイミング信号T2を立ち上げることによって、データラッチ32bのデータを転送する。但し、転送回路33は、データラッチ32aのノードN12が“H”(従って、/HB=“H”)の状態にあるセンスアンプ31にのみデータ転送するように制御される。この書き込みステップ(2)は、図10で説明したように、上位ビットHBが“1”であるセルに対してのみ、下位ビットの書き込みを行うものだからである。
【0066】
タイミング信号VT2が“H”になると、論理制御回路35a,35bでは、NMOSトランジスタMN45,MN52がオンになる。また、これらのトランジスタMN45,MN52とそれぞれ下位ビットデータLB,/LBが与えられた端子の間に接続されたNMOSトランジスタMN48,MN55がそれぞれ、/HB=“H”により駆動されてオンになる。即ちデータラッチ32bが保持する下位ビットデータLB,/LBに応じて、ゲートG1,G2が選択的に“H”になる。従って、選択ワード線TWL,CWLに書き込みパルス電圧Vpgmを印加すると、下位ビットデータ書き込みが開始される。具体的にセンスアンプ31の“L”側ノードに接続されたビット線のセルについて、電子注入動作が行われる。
【0067】
上位ビットHBが“0”であるセンスアンプでは、書き込みステップ(1)での書き込み完了の状態を維持する。一定時間の書き込み動作の後、所望のしきい値になったか否かを確認するのが、次の“ベリファイ”である。電子注入を行う側のビット線のみがすでにセンスアンプ31につながっているので、書き込みステップ(1)におけると同様に、Vbiasを立ち上げて、電流源36を活性化し、ビット線対の一方のみセンスアンプに接続され、他方が電流源36に接続された状態とする。選択ワード線TWLとCWLには、図10で説明したように、異なるベリファイ電圧P1,P3を与える。
【0068】
このベリファイ読み出しで、セルのしきい値が充分上昇していれば、ビット線につながったセンスアンプノードは放電されず、他方のノードは定電流源によって放電されるので、センスアンプ31は初期書き込みの状態からは反転する。定電流源との電流の比較において不十分にしかしきい値上昇が生じていないセルに関してはこの反転は生じない。
【0069】
ベリファイ読み出しが終了したらセンスアンプ31の状態を保持したまま、次の“書き込み”動作を行う。即ち、選択ワード線TWLとCWLに書き込みパルスVpgmを与えて、不十分なしきい値上昇のセルに対してのみ追加の電子注入をおこなう。以下、この書き込みステップ(2)に供される全てのセンスアンプ31が反転するまで、ベリファイと書き込みを繰り返す。この書き込みステップ(2)の完了により、図10に示したデータ“10”,“11”の書き込みが完了する。各ベリファイ動作の後に、書き込み終了判定信号“OK”によって、全てのセンスアンプ31の書き込みが完了したかどうかの判定を行うことは、書き込みステップ(1)と同様である。
【0070】
図14の書き込みステップ(3)では、上位ビットHBに“0”が書かれたペアセルについて、書き込みおよびベリファイ書き込みを行う。この書き込みステップ(3)に入ると、タイミング信号VT2は“L”になる。“初期書き込み”では、データラッチ32bが保持する必要な下位ビットデータをセンスアンプ31に転送して、ペアセルへのデータ書き込みを開始する。即ちタイミング信号T3を立ち上げることで、データラッチ32aのノードN11が“H”(HB=“H”)の状態のセンスアンプ31のみに、下位ビットデータ転送が行われる。同時にタイミング信号VT31を立ち上げることにより、論理制御回路35a,35bではNMOSトランジスタMN41,MN42がオンになり、下位ビットデータLB,/LBに応じてゲートG1,G2が制御されて、NMOSトランジスタMN3,MN4の一方のみがオンになる。
【0071】
即ち、下位ビットデータに応じて、ビット線対の一方がセンスノードに接続され、下位ビットデータの書き込みが可能になる。上位ビットが“1”のセンスアンプでは、書き込みステップ(2)での接続状態を維持するので、書き込み完了と同じになる。この状態で書き込むべきペアセルのワード線TWL,CWLに書き込みパルス電圧Vpgmを印加することにより、センスアンプ31の“L”側ノードにつながったビット線のセルのみが電子注入されてしきい値の上昇をはじめる。
【0072】
一定時間の電子注入動作後、所望のしきい値になったか否かを確認するのが次の“ベリファイ”である。以下、タイミング信号VT3を“H”とする。これにより論理制御回路35a,35bは、上位ビットHBが“0”で下位ビットLBが“0”となるべきペアセルについては、T−cell側のビット線Btのみセンスアンプ31につながるように、上位ビットHBが“0”で下位ビットLBが“1”となるべきペアセルについては、C−cell側のビット線CBLがセンスアンプ31につながるように、NMOSトランジスタMN3,MN4を制御する。
【0073】
そして、Vbiasを立ち上げて電流源NMOSトランジスタMN0を活性化し、選択ワード線TWL,CWLをそれぞれベリファイ電圧P1,P3に設定して、ベリファイ読み出しを行う。充分なしきい値上昇が達成されていればビット線につながったセンスアンプノードは放電されず、他のノードは参照電流源によって放電される。従って上位ビットが“0”であるセンスアンプは初期書き込み状態から反転する。
【0074】
上位ビットが“1”であるセンスアンプは、しきい値がすでに充分高いビット線に接続されるので、書き込み完了状態としてセンスアンプ状態が確定する。ベリファイ読み出しが終了したらセンスアンプ31の状態を保持したまま、次の書き込み動作、即ちしきい値上昇が不十分なセルに対してのみの追加の電子注入動作を行う。以下、この書き込みステップ(3)に供される全てのセンスアンプが状態反転するまで、ベリファイと書き込みを繰り返す。この様にして書き込みステップ(3)の動作が終了すると、図10に示すデータ“00”,“01”の書き込みが完了する。各ベリファイ動作の後に、書き込み終了判定信号“OK”によって、全てのセンスアンプ31の書き込みが完了したかどうかの判定を行うことは、書き込みステップ(1),(2)と同様である。
【0075】
次に、書き込み終了判定信号OKによる書き込み終了判定回路とその動作を具体的に説明する。図15は、センスアンプ回路3に接続される書き込み終了判定回路40の構成を示している。センスアンプ回路3内の各センスアンプ31には、図9に示したように、書き込み終了モニタノードTm,Cmが用意されている。このモニタノードTm,Cmは、前述のように、書き込みベリファイ読み出しで書き込み終了が確認されると、一方が“H”になる。
【0076】
終了判定回路40には、各センスアンプのモニタノードTm,Cmをそれぞれ2入力端子に接続したNORゲートアレイ41が配置される。更にこのNORゲートアレイ41の各出力で制御される電源スイッチ44を備えたインバータを含むインバータチェーン42が設けられる。インバータチェーン42の入力端子には、判定用信号OKを入力する。これにより、全てのセンスアンプで書き込みが完了し、モニタノードTm又はCmが“H”になると、判定信号OKはインバータチェーン42を通り、出力端子には終了判定信号FINが得られる。
【0077】
図15の終了判定回路40では、インバータチェーン42と入力端子を共有する別のインバータチェーン43が設けられている。このインバータチェーン43の出力端子には、判定信号OKを入力する毎に、タイミング信号NXTが発生される。このタイミング信号NXTを用いれば、これと同期して得られる終了信号FINにより、書き込みサイクルを終了して、次のステップに移るという制御が可能になる。
【0078】
次に、前述したデータ読み出し動作が1ページ分のセルデータの並列読み出しを行うものである場合の読み出しデータのシリアル転送出力動作について説明する。シリアルアクセスを、通常のアクセスと同様に上位アドレス側から行うとすると、データラッチ32aに読み出された上位ビットHBが先に出力される。4値データは、先に説明したように、上位,下位ビットをそれぞれX,Yとして、“XY”で表す。上位,下位ビットの読み出し順序とそのビットデータの組み合わせによっては、多値データが誤って“YX”となる可能性があるので、注意が必要である。
【0079】
セルアレイのビット線はほぼ最小加工寸法でレイアウトされるが、各ビット線ピッチにセンスアンプを配置することは難しい。そこで実際には、複数のビット線に共通にセンスアンプを設けることになる。このとき各センスアンプを共有する複数のビット線のなかで同時に選択されるビット線のグループをカラムバンクと定義する。このカラムバンク構成は、模式的に図16のように表すことができる。
【0080】
カラムバンクは、図1に示したように、相補セルアレイ1t,1cによって構成される。図16ではセルアレイ1t,1cが8つのカラムバンクCB0〜CB7を構成する場合を示している。各カラムバンクで共有される複数のセンスアンプのデータラッチ群を、上位ビット用のデータラッチ(HBL)32aのグループ51と下位ビット用のデータラッチ(LBL)32bのグループ52に分けて示している。これらのデータラッチ群51,52に対して、シリアルアクセスは、矢印Aで示すように、HBLグループ51内を順次アクセスし、続いてLBLグループ52内を順次アクセスする。以上の一巡で一つのカラムバンク内のアクセスが終わり、以下、矢印Bで示すようにHBLグループ51の先頭に戻って、次のカラムバンク内を同様にシリアルアクセスする。
【0081】
カラムバンクCB0〜CB7の読み出しデータの途切れることのないシリアル出力を可能とするためには、バンクアドレス選択と、シリアル出力動作とセルアレイからの読み出し動作とのタイミング制御が必要である。具体的には、次のようにすればよい。カラムバンクCB0の読み出しデータについて、HBLグループ51のデータのシリアル出力が終わり、LBLグループ52が保持する読み出しデータのシリアル出力中に、次のカラムバンクCB1の上位ビットデータについて、セルからHBLグループ51へのデータ読み出し動作を行う。そして、カラムバンクCB1の上位ビットデータについてHBLグループ51が保持する読み出しデータのシリアル出力動作中に、同じカラムバンクCB1の下位ビットデータについて、セルからLBLグループ52への読み出し動作を行う。以下、同様の繰り返しにより、読み出しデータのシリアル出力は途切れることなく行われる。
【0082】
図16の矢印Cは、あるカラムバンクについてシリアル出力動作中に次のカラムバンクが選択可能なタイミング範囲を示している。即ち、HBLグループ51のシリアルアクセスを行っている間に、次のカラムバンク選択を行うことによって、シリアル出力が途切れることなく、セルアレイのデータ読み出しができる。この範囲を超えてからカラムバンク選択を行うと、ビット線データのHBLグループ51への読み出しが、LBLグループ52のデータのシリアル出力中に完了せず、シリアルアクセスにギャップが生じる可能性がある。
【0083】
図17は、図16の構成をより具体的に示したものである。但しここでは、説明を簡略化するため、ビット線対を一つの直線で示している。カラムゲート回路2t,2cも実際には図1に示したように、相補セルアレイ1t,1c毎に設けられるが、ここではまとめて示している。データ線RD(/WD)も実際には、図9に示したように、相補データ線により構成される。図16に示す8つのカラムバンクCB0〜CB7を選択するためのバンク選択線BS0〜BS7が配設される。
【0084】
センスアンプ回路3のHBL32a,LBL32bとデータ線RD(/WD)の間の転送ゲートTG3,TG4を制御してシリアル出力を行うための転送制御回路として、シフトレジスタ60を用いている。シフトレジスタ60はリング接続され、スタートレジスタに“1”がセットされてこれが順次シフトされるようになっている。このシフトレジスタ60の各段の“1”出力により、HBLグループの転送ゲートTG3が順次駆動され、続いてLBLグループの転送ゲートTG4が順次駆動される。これにより、HBL32aが順次データ線RD(/WD)に接続され、続いてLBL32aが順次データ線RD(/WD)に接続される。
【0085】
転送ゲートTG3,TG4のシリアルアクセス制御のために、アドレスバスやこれを駆動するアドレスデコーダ、アドレスカウンタを用いることも考えられる。しかしこの方式では、アドレスデコーダの負荷容量が大きくなる。上述したシフトレジスタを用いたシリアル転送制御方式は、高速化と低消費電力化にとって好ましい。
【0086】
以上説明したように、この実施の形態によるNAND型フラッシュメモリは、多値記憶を行うと共に、二つのメモリセルで相補的データを記憶するペアセルを構成する。従って、通常のNAND型フラッシュメモリと同様の記憶容量を得ることができる。データ読み出しには、ペアセルのセル電流差を検出する電流センシング差動センスアンプを用いるから、NOR型フラッシュメモリのように大きなセル電流を流すことなく、高速のデータセンスが可能である。従ってまた、高速化のためにセルサイズを大きくする必要がなく、従来のNAND型フラッシュメモリの小さい単位セル面積という特徴を維持することができる。
【0087】
次に、上記実施の形態によるフラッシュメモリを搭載した電子カードと、その電子カードを用いた電子装置の実施の形態を説明する。
図18は、この実施の形態による電子カードと、この電子カードを用いた電子装置の構成を示す。ここでは電子装置は、携帯電子機器の一例としてのディジタルスチルカメラ101を示す。電子カードは、ディジタルスチルカメラ101の記録媒体として用いられるメモリカード61である。メモリカード61は、先の実施の形態で説明したNAND型フラッシュメモリが集積化され封止されたICパッケージPK1を有する。
【0088】
ディジタルスチルカメラ101のケースには、カードスロット102と、このカードスロット102に接続された、図示しない回路基板が収納されている。メモリカード61は、カードスロット102に取り外し可能に装着される。メモリカード61は、カードスロット102に装着されると、回路基板上の電気回路に電気的に接続される。
電子カードが例えば、非接触型のICカードである場合、カードスロット102に収納し、或いは近づけることによって、回路基板上の電気回路に無線信号により接続される。
【0089】
図19は、ディジタルスチルカメラの基本的な構成を示す。被写体からの光は、レンズ103により集光されて撮像装置104に入力される。撮像装置104は例えばCMOSイメージセンサであり、入力された光を光電変換し、アナログ信号を出力する。このアナログ信号は、アナログ増幅器(AMP)により増幅された後、A/Dコンバータによりディジタル変換される。変換された信号は、カメラ信号処理回路105に入力され、例えば自動露出制御(AE)、自動ホワイトバランス制御(AWB)、及び色分離処理を行った後、輝度信号と色差信号に変換される。
【0090】
画像をモニターする場合、カメラ信号処理回路105から出力された信号はビデオ信号処理回路106に入力され、ビデオ信号に変換される。ビデオ信号の方式としては、例えばNTSC(National Television System Committee)を挙げることができる。ビデオ信号は、表示信号処理回路107を介して、ディジタルスチルカメラ101に取り付けられた表示部108に出力される。表示部108は例えば液晶モニターである。
【0091】
ビデオ信号は、ビデオドライバ109を介してビデオ出力端子110に与えられる。ディジタルスチルカメラ101により撮像された画像は、ビデオ出力端子110を介して、例えばテレビジョン等の画像機器に出力することができる。これにより、撮像した画像を表示部108以外でも表示することができる。撮像装置104、アナログ増幅器(AMP)、A/Dコンバータ(A/D)、カメラ信号処理回路105は、マイクロコンピュータ111により制御される。
【0092】
画像をキャプチャする場合、操作ボタン例えばシャッタボタン112を操作者が押す。これにより、マイクロコンピュータ111が、メモリコントローラ113を制御し、カメラ信号処理回路105から出力された信号がフレーム画像としてビデオメモリ114に書き込まれる。ビデオメモリ114に書き込まれたフレーム画像は、圧縮/伸張処理回路115により、所定の圧縮フォーマットに基づいて圧縮され、カードインタフェース116を介してカードスロット102に装着されているメモリカード61に記録される。
【0093】
記録した画像を再生する場合、メモリカード61に記録されている画像を、カードインタフェース116を介して読み出し、圧縮/伸張処理回路115により伸張した後、ビデオメモリ114に書き込む。書き込まれた画像はビデオ信号処理回路106に入力され、画像をモニターする場合と同様に、表示部108や画像機器に映し出される。
【0094】
なおこの構成では、回路基板100上に、カードスロット102、撮像装置104、アナログ増幅器(AMP)、A/Dコンバータ(A/D)、カメラ信号処理回路105、ビデオ信号処理回路106、メモリコントローラ113、ビデオメモリ114、圧縮/伸張処理回路115、及びカードインタフェース116が実装される。
但しカードスロット102については、回路基板100上に実装される必要はなく、コネクタケーブル等により回路基板100に接続されるようにしてもよい。
【0095】
回路基板100上には更に、電源回路117が実装される。電源回路117は、外部電源、或いは電池からの電源の供給を受け、ディジタルスチルカメラの内部で使用する内部電源電圧を発生する。電源回路117として、DC−DCコンバータを用いてもよい。内部電源電圧は、上述した各回路に供給される他、ストロボ118、表示部108にも供給される。
【0096】
以上のようにこの実施の形態の電子カードは、ディジタルスチルカメラ等の携帯電子機器に用いることが可能である。更にこの電子カードは、携帯電子機器だけでなく、図20A−20Jに示すような他の各種電子機器に適用することができる。即ち、図20Aに示すビデオカメラ、図20Bに示すテレビジョン、図20Cに示すオーディオ機器、図20Dに示すゲーム機器、図20Eに示す電子楽器、図20Fに示す携帯電話、図20Gに示すパーソナルコンピュータ、図20Hに示すパーソナルディジタルアシスタント(PDA)、図20Iに示すヴォイスレコーダ、図20Jに示すPCカード等に、上記電子カードを用いることができる。
【0097】
この発明は、上記実施の形態に限られない。例えば実施の形態ではNAND型フラッシュメモリを説明したが、NOR型やDINOR型フラッシュメモリにもこの発明を適用することが可能である。その他この発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【0098】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、大きな記憶容量を保って高速読み出しを可能とした不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの構成を示す図である。
【図2】同フラッシュメモリのメモリセルアレイの構成を示す図である。
【図3】同フラッシュメモリのペアセルが記憶するデータ状態を示す図である。
【図4】同フラッシュメモリのセンスアンプ回路のデータ読み出し回路系の基本構成を示す図である。
【図5】同フラッシュメモリの書き込みサイクルにおけるセルアレイのバイアス条件を示す図である。
【図6】同フラッシュメモリの書き込みサイクルを説明するための図である。
【図7】同フラッシュメモリの書き込み動作によるしきい値変化を示す図である。
【図8】同フラッシュメモリのセンスアンプ回路のデータ書き込み回路系の基本構成を示す図である。
【図9】同フラッシュメモリのセンスアンプ回路の具体構成を示す図である。
【図10】同フラッシュメモリのデータ書き込み手順を示す図である。
【図11】同フラッシュメモリのデータ読み出し動作のタイミング図である。
【図12】同フラッシュメモリのデータ書き込み動作の書き込みステップ(1)のタイミング図である。
【図13】同フラッシュメモリのデータ書き込み動作の書き込みステップ(2)のタイミング図である。
【図14】同フラッシュメモリのデータ書き込み動作の書き込みステップ(3)のタイミング図である。
【図15】同フラッシュメモリの書き込み終了判定回路の構成を示す図である。
【図16】同フラッシュメモリのカラムバンク構成を示す図である。
【図17】同フラッシュメモリのシリアル出力を行う転送制御回路構成を示す図である。
【図18】この発明をディジタルスチルカメラに適用した実施の形態を示す図である。
【図19】同ディジタルスチルカメラの内部構成を示す図である。
【図20A】ビデオカメラに適用した実施の形態を示す図である。
【図20B】テレビジョンに適用した実施の形態を示す図である。
【図20C】オーディオ機器に適用した実施の形態を示す図である。
【図20D】ゲーム機器に適用した実施の形態を示す図である。
【図20E】電子楽器に適用した実施の形態を示す図である。
【図20F】携帯電話に適用した実施の形態を示す図である。
【図20G】パーソナルコンピュータに適用した実施の形態を示す図である。
【図20H】パーソナルディジタルアシスタント(PDA)に適用した実施の形態を示す図である。
【図20I】ヴォイスレコーダに適用した実施の形態を示す図である。
【図20J】PCカードに適用した実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
1t,1c…セルアレイ、2t,2c…カラムゲート、3…センスアンプ回路、4t,4c…ロウデコーダ、5t,5c…カラムデコーダ、6…アドレスバッファ、7…アドレスレジスタ、8…コマンドデコーダ、9…コントローラ、10…高電圧発生回路、11…データバッファ、31…センスアンプ、32a…上位ビット用データラッチ、32b…下位ビット用デーラッチ、33…転送回路、34a,34b…インバータ、35a,35b…論理制御回路、36…参照電流源回路、40…書き込み終了判定回路、60…シフトレジスタ、61…メモリカード、MN3,MN4…選択ゲート、TBL,CBL…ビット線、TWL,CWL…ワード線,T−cell,C−cell…ペアセル。
Claims (19)
- 電気的書き換え可能で不揮発性の複数のメモリセルが配列されたメモリセルアレイと、
前記メモリセルアレイのビット線対に接続されて同時に選択される第1及び第2のメモリセルにより構成されるペアセルに、各メモリセルが設定されるべきM個のしきい値レベルのなかで第1及び第2のメモリセルの間の異なる二つのしきい値レベルの組として定義されるM値データ(但し、Mは4以上の整数)を書き込み、前記第1及び第2のメモリセルのセル電流差を検出して前記ペアセルのM値データを読み出すセンスアンプ回路と、
前記メモリセルアレイの書き込み及び読み出しの制御を行うコントローラと、を有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイは、複数のメモリセルが直列接続され、その一端が第1の選択ゲートトランジスタを介してビット線に、他端が第2の選択ゲートトランジスタを介してソース線に接続された複数のNANDセルユニットを配列して構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリセルアレイは、前記センスアンプ回路を共有する第1及び第2のセルアレイを有し、第1及び第2のセルアレイの対応するビット線がビット線対を構成する
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記M値データは4値データである
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記センスアンプ回路は、
それぞれ選択ゲートを介してビット線対に接続される二つのセンスノードを有し、データ読み出し時ビット線対のセル電流差を検出し、データ書き込み時ビット線対に書き込みデータに応じた電圧を与えるための複数の差動センスアンプと、
各差動センスアンプにより読み出された4値データの上位ビットが転送保持され、外部から供給される4値データの上位ビットがロードされる複数の第1のデータラッチと、
各差動センスアンプにより読み出された4値データの下位ビットが転送保持され、外部から供給される4値データの下位ビットがロードされる複数の第2のデータラッチとを有する
ことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記各差動センスアンプは、
前記二つのセンスノードにそれぞれソースが接続されたPMOSトランジスタと、これらのPMOSトランジスタのドレインと基準端子の間に介在させたNMOSトランジスタとを有するCMOSフリップフロップと、
前記二つのセンスノードに接続された電流源負荷とを有する
ことを特徴とする請求項5記載に不揮発性半導体記憶装置。 - 前記センスアンプ回路は、各差動センスアンプと対応する前記第1及び第2のデータラッチの間のデータ転送を制御するための、タイミング信号により制御される転送回路を有する
ことを特徴とする請求項5記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記転送回路は、
第1のタイミング信号により制御されて前記差動センスアンプと前記第1のデータラッチの間を接続する第1の転送ゲートと、
第2のタイミング信号と前記第1のデータラッチが保持する上位ビットの第1状態によりオン駆動されて前記差動センスアンプと前記第2のデータラッチの間を接続する第2の転送ゲートと、
第3のタイミング信号と前記第1のデータラッチが保持する上位ビットの第2状態によりオン駆動されて前記差動センスアンプと前記第2のデータラッチの間を接続する第2の転送ゲートとを有する
ことを特徴とする請求項7記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記センスアンプ回路は、各差動センスアンプ毎に設けられて、データ書き込みサイクルのベリファイ読み出し時に前記二つのセンスノードの一方に選択的に接続され、ベリファイ読み出しの結果に応じて差動センスアンプの保持データを反転させるための参照電流源回路を有する
ことを特徴とする請求項5記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記センスアンプ回路は、各差動センスアンプ毎に設けられて、データ書き込みサイクルのベリファイ読み出し時に、タイミング信号と前記第1及び第2のデータラッチが保持するデータに基づいて前記センスノードの一方のみをビット線対の一方に接続するように前記選択ゲートを制御する論理制御回路を有する
ことを特徴とする請求項5記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 4つのしきい値レベルをL0,L1,L2,L3(但し、L0<L1<L2<L3)とし、前記4値データを上位ビットXと下位ビットYにより“XY”と表すものとして、前記ペアセルは、第1メモリセル,第2メモリセルにそれぞれレベルL0,レベルL3を書き込んだデータ“11”、第1メモリセル,第2メモリセルにそれぞれレベルL1,レベルL2を書き込んだデータ“10”、第1メモリセル,第2メモリセルにそれぞれレベルL2,レベルL1を書き込んだデータ“01”、第1メモリセル,第2メモリセルにそれぞれレベルL3,レベルL0を書き込んだデータ“00”の一つを記憶する
ことを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記コントローラにより制御されるデータ書き込みモードは、書き込むべき全ペアセルをレベルL0に初期化した後に、
書き込むべき全ペアセルについて、X=“1”となるべきペアセルの第2メモリセルにレベルL2を、X=“0”となるべきペアセルの第1メモリセルにレベルL2を同時に書き込むステップと、
X=“1”となるべきペアセルについて、Y=“0”となるべき第1メモリセルにレベルL1を、Y=“1”となるべき第2メモリセルにレベルL3を同時に書き込むステップと、
X=“0”となるべきペアセルについて、Y=“0”となるべき第1メモリセルにレベルL3を、Y=“1”となるべき第2メモリセルにレベルL1を同時に書き込むステップとを有する
ことを特徴とする請求項11記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記コントローラにより制御されるデータ読み出しモードは、
上位ビットXが“0”か“1”かをセンスして、センスされた上位ビットXを前記第1のデータラッチに転送する第1の読み出しステップと、
前記第1のデータラッチが保持する上位ビットXにより制御されて、X=“0”のペアセルについて、下位ビットYが“0”か“1”かをセンスして、センスされた下位ビットを前記第2のデータラッチに転送する第2の読み出しステップと、
前記第1のデータラッチが保持する上位ビットXにより制御されて、X=“1”のペアセルについて、下位ビットYが“0”か“1”かをセンスして、センスされた下位ビットデータを前記第2のデータラッチに転送する第3の読み出しステップとを有する
ことを特徴とする請求項5記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1の読み出しステップは、選択されたペアセルの第1及び第2メモリセルにしきい値レベルL1とL2の間の第1の読み出し電圧を印加して上位ビットXを読み出すものであり、
前記第2の読み出しステップは、X=“0”のペアセルについて、第1メモリセルにしきい値レベルL2とL3の間の第2の読み出し電圧、第2メモリセルにしきい値レベルL0とL1の間の第3の読み出し電圧を与えて下位ビットYを読み出すものであり、
前記第3の読み出しステップは、X=“1”のペアセルについて、第1メモリセルに前記第3の読み出し電圧、第2メモリセルに前記第2の読み出し電圧を与えて下位ビットYを読み出すものである
ことを特徴とする請求項13記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第2及び第3の読み出しステップの間に、前記第1のデータラッチに読み出された上位ビットがシリアル出力され、
前記第1の読み出しステップの間に、前記第2のデータラッチに読み出された下位ビットがシリアル出力される
ことを特徴とする請求項13記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2のデータラッチに読み出された上位ビット及び下位ビットを連続的にシリアル出力するためのアクセス制御を行うシフトレジスタを有する
ことを特徴とする請求項15記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1乃至16のいずれかに記載の不揮発性半導体記憶装置が搭載された電子カード。
- カードインタフェースと、
前記カードインタフェースに接続されたカードスロットと、
前記カードスロットに接続可能な請求項17記載の電子カードと、
を有する電子装置。 - 前記電子装置は、ディジタルカメラである
請求項17記載の電子装置。
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