JP2005166158A - Nonvolatile semiconductor memory device and method for driving the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)等の不揮発性半導体記憶装置及びその駆動方法に関するものである。 The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device such as an EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) and a driving method thereof.
EEPROMは、メモリセルに記憶されたデータを電気的に書込み及び消去することが可能であるとともに、電源を切ってもデータが半永久的に消えない不揮発性を有する。データの書込みは、ドレイン側からのホット・エレクトロンの注入により行われ、データの消去はソース側に高電圧を与えてトンネル電流により行われるものが良く知られている。このようなEEPROMのうち、全ビット一括又はブロック単位でデータの消去を行うようにしたフラッシュ型EEPROM(以下「フラッシュメモリ」と称する。)は、1つのメモリセルがMOSトランジスタ1つだけで構成できるため高集積化が可能であるという利点を有する。 The EEPROM is capable of electrically writing and erasing data stored in the memory cell, and has a non-volatile property that does not permanently erase the data even when the power is turned off. It is well known that data writing is performed by hot electron injection from the drain side, and data erasing is performed by applying a high voltage to the source side and using a tunnel current. Among such EEPROMs, a flash EEPROM (hereinafter referred to as “flash memory”) in which data is erased all at once or in units of blocks can be composed of only one MOS transistor. Therefore, there is an advantage that high integration is possible.
図6(A)に代表的なフラッシュメモリの1セルであるフラッシュメモリセルの構造を示す。フラッシュメモリセルは、基板内に設けられたp型ウェル1内にn+型ドレイン領域2及びn+型ソース領域3が形成されている。ドレイン領域2とソース領域3の間がチャネル領域4である。チャネル領域4上には、例えば厚さ10nm程度のSiO2膜からなるゲート絶縁膜5が形成され、その上には浮遊ゲート電極6が形成される。そして、浮遊ゲート電極6上には、例えばSiO2膜とSi3N4膜とSiO2膜との3層構造を有したONO膜である層間絶縁膜7を介して制御ゲート電極8が形成されている。
FIG. 6A shows a structure of a flash memory cell which is one cell of a typical flash memory. In the flash memory cell, an n + -
上記のフラッシュメモリセルに対するデータの書込み及び消去について説明する。データの書込み時には、図6(B)に示すように、ソース及び基板には低電圧(例えば0V)、制御ゲートには外部から供給される高電圧あるいは内部昇圧電圧である書込み電圧(例えば10V)、ドレインにも高電圧(例えば5V)が与えられる。すると、ドレインとソース間にオン電流が流れ、ドレイン近傍でホット・エレクトロンが発生し、浮遊ゲート電極6内に注入される。このように注入された電子により、チャネル領域4にチャネルを形成させるのに必要な制御ゲート電圧のしきい値が上昇する。このしきい値が例えば6V程度になった状態が書込み完了状態(”0”)である。データの消去時には、図6(C)に示すように、ソースに正電圧(例えば5V)、制御ゲートに負電圧(例えば−8V)、基板には低電圧(例えば0V)が与えられ、ドレインはフローティング状態(開放状態)に設定される。すると、浮遊ゲート電極6に蓄積されていた過剰な電子が、ソース領域3と浮遊ゲート電極6とのオーバーラップ部分のゲート絶縁膜5を通じてF−N(Fowler-Nordheim)トンネリング現象に起因する電流(トンネル電流)により、ソース領域3へと引き抜かれる。その結果、チャネル領域4にチャネルを形成させるのに必要な制御ゲート電圧のしきい値が降下する。このしきい値が例えば2V程度になった状態が消去完了状態(”1”)である。 Data writing and erasing to the flash memory cell will be described. At the time of data writing, as shown in FIG. 6B, a low voltage (eg, 0 V) is applied to the source and the substrate, and a high voltage supplied from the outside or an internal boosted voltage (eg, 10 V) is applied to the control gate. A high voltage (for example, 5 V) is also applied to the drain. Then, an on-current flows between the drain and the source, hot electrons are generated near the drain, and are injected into the floating gate electrode 6. The threshold voltage of the control gate voltage necessary for forming a channel in the channel region 4 is increased by the electrons thus injected. A state in which this threshold value is about 6 V, for example, is a write completion state (“0”). At the time of erasing data, as shown in FIG. 6C, a positive voltage (for example, 5V) is applied to the source, a negative voltage (for example, −8V) is applied to the control gate, and a low voltage (for example, 0V) is applied to the substrate. Set to floating state (open state). As a result, excess electrons accumulated in the floating gate electrode 6 are passed through the gate insulating film 5 at the overlapping portion of the source region 3 and the floating gate electrode 6 to cause a current caused by a FN (Fowler-Nordheim) tunneling phenomenon ( Is pulled out to the source region 3 by the tunnel current. As a result, the threshold value of the control gate voltage necessary for forming a channel in the channel region 4 is lowered. A state in which this threshold value is about 2 V, for example, is an erase completion state (“1”).
次に、フラッシュメモリセルにおけるデータの読み出し動作を説明する。ソース及び基板には低電圧(例えば0V)、制御ゲートにはセンス電圧(例えば5V)、ドレインに読み出し電圧(例えば1V)を与える。ここで、センス電圧とは、書込み状態のしきい値と消去状態のしきい値の中間電圧をいう。このような電圧を書込み状態のフラッシュメモリセルに与えた場合、チャネル領域4にはチャネルが形成されないため、ドレイン領域2とソース領域3間に電流は流れない。これに対して、消去状態のフラッシュメモリセルに与えた場合には、チャネル領域4にチャネルが形成されるため、ドレイン領域2とソース領域3間に電流が流れる。このドレイン電流の有無によってフラッシュメモリセルが書込み状態又は消去状態のいずれであるかを判定する。
Next, a data read operation in the flash memory cell will be described. A low voltage (for example, 0 V) is applied to the source and the substrate, a sense voltage (for example, 5 V) is applied to the control gate, and a read voltage (for example, 1 V) is applied to the drain. Here, the sense voltage refers to an intermediate voltage between the threshold value in the written state and the threshold value in the erased state. When such a voltage is applied to the flash memory cell in the written state, no channel is formed in the channel region 4, so that no current flows between the
このようなフラッシュメモリセルを図7に示すように、ソースを共通のソースライン(SL)に接続し、ドレインをビットライン(BL1〜BLm)に接続し、制御ゲートをワードライン(WL1〜WLn)に接続してアレイ上に配列する。このように配列することで、データの書込みは1ビット毎に、消去は全ビット一括又はブロック単位で行われる。 As shown in FIG. 7, such a flash memory cell has a source connected to a common source line (SL), a drain connected to bit lines (BL1 to BLm), and a control gate connected to word lines (WL1 to WLn). Connect to and arrange on the array. By arranging in this way, data writing is performed for each bit, and erasing is performed for all bits at once or in blocks.
図8(A)には、フラッシュメモリセルの平面設計図の一例を示す。また、図8(B)には、この平面設計図により製造された場合のフラッシュメモリセルの一例である平面図を示す。この図8(B)における、A−A'部分の製造工程断面図である図9(A)から図9(D)を用いてフラッシュメモリの製造方法について簡単に説明する。 FIG. 8A shows an example of a plan view of a flash memory cell. FIG. 8B shows a plan view which is an example of a flash memory cell when manufactured according to this plan view. A flash memory manufacturing method will be briefly described with reference to FIGS. 9A to 9D which are cross-sectional views of the manufacturing process of the AA ′ portion in FIG. 8B.
図9(A)に示すように、p型ウェル1上にゲート絶縁膜5、浮遊ゲート電極となる第一のポリシリコン膜6a、層間絶縁膜7、制御ゲート電極となる第二のポリシリコン膜8aを順次形成する。なお、層間絶縁膜7が形成される前に、浮遊ゲート電極となる第一のポリシリコン膜6aは、図8(B)のA−A'方向に長く、かつA−A'方向と垂直方向に間隔をとったストライプ状にパターニングされている。その後、図9(B)に示すように、所望の形状にパターニングして浮遊ゲート電極6、制御ゲート電極8を形成した後、イオン注入法によりドレイン領域及びソース領域へリン及び砒素イオンを導入する。その後、図9(C)に示すように、高温で熱処理を行うことで活性化し、ドレイン領域2、ソース領域3を形成する。その後、図9(D)に示すように、層間絶縁膜11、コンタクト10、配線12を順次形成することで完成させる。
As shown in FIG. 9A, on the p-
ところで、フラッシュメモリセルを製造する場合に、拡散工程におけるマスク合わせズレ等により発生するカップリング容量比のばらつきや、ソース/ドレイン形成時のイオン注入角度のばらつき等により、フラッシュメモリセルの書込み/消去特性がWL毎に2極化することが生じる。これらの内容について図8を用いて説明する。フラッシュメモリセルの平面設計図は、図8(A)に示すように全て直線で構成される。しかし、このマスクにより実際に製作されるフィールド酸化膜からなる素子分離領域9は、フォトリソグラフィ処理とLOCOS成長の後に、角が丸みを帯びた形状となる。図9(B)に示したフラッシュメモリトランジスタのゲート電極パターン形成時に、図8(C)に示すように、この丸みを帯びた箇所が、浮遊ゲート電極6下に重なるところまでマスク合わせズレが生じた場合、浮遊ゲート電極6とソース領域3間の容量が、ドレイン領域2を挟んだ左右のメモリセルトランジスタで異なる値を持つ。この容量差が、フラッシュメモリセルの書込み/消去特性がWL毎に2極化することの一原因となる。このため、前述した書込み/消去特性の2極化を避けるためには、図8(A)で示している素子分離領域9の端とフラッシュメモリセルのゲート電極との距離L1に対して一定のマスク合わせズレを考慮したマージンを持った設計が必要となり、フラッシュメモリセルの面積を必要以上に大きく設計することになる。
By the way, when a flash memory cell is manufactured, writing / erasing of the flash memory cell is caused by variations in coupling capacitance ratio caused by mask misalignment in the diffusion process, variations in ion implantation angle during source / drain formation, and the like. The characteristic may be bipolar for each WL. These contents will be described with reference to FIG. The plan view of the flash memory cell is entirely composed of straight lines as shown in FIG. However, the element isolation region 9 made of a field oxide film actually manufactured by this mask has a rounded shape after the photolithography process and the LOCOS growth. When forming the gate electrode pattern of the flash memory transistor shown in FIG. 9B, a mask alignment shift occurs until the rounded portion overlaps the floating gate electrode 6 as shown in FIG. 8C. In this case, the capacitance between the floating gate electrode 6 and the source region 3 has different values between the left and right memory cell transistors sandwiching the
また、フラッシュメモリトランジスタのソース領域、ドレイン領域は、一般的にイオン注入工程と高温熱処理工程により形成される。このイオン注入における注入角度は、イオン注入装置として管理しているが、ある一定のばらつきを持つことになる。このため、図10(A)に示すように、シリコン基板表面に対して垂直にイオン注入した場合でも、トランジスタの影になる側とそうでない側ができる。この状態で高温熱処理による活性化を行えば図10(B)に示すように、ドレイン領域2を挟んだ左右のトランジスタにおいてドレイン領域2と浮遊ゲート電極6との重なり部の距離D1とD2、ソース領域3と浮遊ゲート電極6との重なり部の距離S1とS2が異なることになり、それぞれのフラッシュメモリにおける書込み/消去の特性差を生じさせる。これは、イオン注入時にシリコン基板表面に対して斜めに注入する場合にも同様で、フラッシュメモリにおける書込み/消去の特性差を生じさせることとなる。以上のようにイオン注入装置における注入角度については、ある一定のばらつきを持つため、これにより発生する特性差に関しては、フラッシュメモリの製造上では避けることができない。
In addition, the source region and the drain region of the flash memory transistor are generally formed by an ion implantation process and a high temperature heat treatment process. The implantation angle in this ion implantation is managed as an ion implantation apparatus, but has a certain variation. For this reason, as shown in FIG. 10A, even when ions are implanted perpendicularly to the surface of the silicon substrate, a shadowed side and a non-shadowed side of the transistor are formed. If activation by high-temperature heat treatment is performed in this state, as shown in FIG. 10B, in the left and right transistors sandwiching the
以上説明したような容量差もしくは特性差は、ドレイン領域2の左右で異なることとなり、フラッシュメモリセルの書込み/消去特性がWL毎に2極化することになる。ここで、フラッシュメモリアレイの書込みは、1ビット単位での書込みが可能であるが、書換え時間短縮の目的で一般的に複数のビットを並列に書込む方式をとっている。また、フラッシュメモリアレイの消去は、全ビット一括又はブロック単位で行われる。このように複数のメモリセルに対して同時に書込みを行った場合の書込み方法の一例として、図11(A)を参照して説明する。ここでは、フラッシュメモリアレイの全領域をa〜hの8つの領域に分けて書込みを行った場合についての説明である。まず、領域aのフラッシュメモリセルに対して書込みを行い、この中で最も書込みの遅いフラッシュメモリセルのしきい値が所定のレベル(例えば6V)に達するまで領域aのフラッシュメモリセルに対する書込みを行う。領域aの書込みが完了した後、領域b〜領域hのフラッシュメモリセルに対して、同様に書込みを行う。全ての領域に対する書込みが完了した時点で、フラッシュメモリアレイの書込みが完了となる。この時、フラッシュメモリセルの書込み特性に差があった場合、書込み後のしきい値がある分布を持つこととなる。前述のように書込み特性が2極化している場合には、この分布内で二山をもつこととなり、図12(A)に示すようにしきい値分布ばらつきが非常に大きくなる(例えば6V〜8V)。
The capacitance difference or characteristic difference as described above is different on the left and right sides of the
同様に、複数のメモリセルに対して同時に消去を行った場合の消去方法の一例として、図11(B)を参照して説明する。ここでは、フラッシュメモリアレイの全領域を一括で消去した場合についての説明である。まず、全領域のフラッシュメモリセルに対して消去を行い、この中で最も消去の遅いフラッシュメモリセルのしきい値が所定のレベル(例えば2V)に達するまで、全領域のフラッシュメモリセルに対する消去を行う。この時、フラッシュメモリセルの消去特性に差があった場合、消去後のしきい値がある分布を持つこととなる。前述のように消去特性が2極化している場合には、この分布内で二山をもつこととなり、図12(A)に示すようにしきい値分布ばらつきが非常に大きくなる(例えば0V〜2V)。 Similarly, an example of an erasing method in the case where erasing is performed simultaneously on a plurality of memory cells will be described with reference to FIG. Here, a description is given of the case where all the areas of the flash memory array are erased collectively. First, the flash memory cells in the entire area are erased, and the flash memory cells in the entire area are erased until the threshold value of the slowest erased flash memory cell reaches a predetermined level (for example, 2V). Do. At this time, if there is a difference in the erasing characteristics of the flash memory cells, the threshold after erasing has a certain distribution. As described above, when the erasing characteristic is bipolar, the distribution has two peaks, and the threshold distribution variation becomes very large as shown in FIG. 12A (for example, 0V to 2V). ).
上記のように、フラッシュメモリアレイの複数のフラッシュメモリセルもしくは、あるブロックもしくは、全領域一括で書込み/消去を行った場合、図12(A)に示すように書込み/消去後のしきい値分布が、見た目には一山の分布であっても、分解すると二山の分布を持つことになり、分布ばらつきとしては非常に大きくなる。 As described above, when a plurality of flash memory cells of a flash memory array, a certain block, or all areas are written / erased collectively, the threshold distribution after writing / erasing as shown in FIG. However, even if it looks like a distribution of one mountain, it will have a distribution of two peaks when decomposed, and the distribution variation will be very large.
今後、大容量化が進んでいくとこの分布は更に広がることが予想される。このため、図12(B)に示すように、消去後のしきい値ばらつきが更に大きくなっていくと、浮遊ゲートから電荷を引き抜き過ぎてフラッシュメモリセルがデプレッション化してしまうという過消去が発生する。これにより、アクセスタイムの劣化を招き、最悪の場合には、デプレッション化したフラッシュメモリセルとビットラインを共有する全てのフラッシュメモリセルが消去状態であると判定されてしまうこととなり、正常に機能することが不可能になる。この過消去の発生を防ぐためには、消去後のしきい値を高く設定し過消去に対するマージンを大きくとる必要がある。しかし、図12(C)に示しているように、書込み状態のフラッシュメモリセルと消去状態のフラッシュメモリセルを判別するために一定のマージンを取る必要があるため、消去後のしきい値を高く設定した場合には、これに合わせて書込み後のしきい値も高く設定しなければならない。このことは、書込み状態におけるフラッシュメモリセルの電荷保持信頼性低下を招くこととなる。また、書込み後のしきい値もしくは消去後のしきい値分布ばらつきが大きくなると、書込み動作時もしくは消去動作時にトンネル酸化膜(ゲート絶縁膜5)を通過する電子の数が多くなり、このことは、トンネル酸化膜の膜質劣化を早めることとなり、このトンネル酸化膜の膜質に起因する信頼性低下を招くことにもなる。 This distribution is expected to expand further as capacity increases. For this reason, as shown in FIG. 12B, when the threshold variation after erasure becomes larger, over-erasure occurs that the flash memory cell is depleted due to excessive extraction of charge from the floating gate. . As a result, the access time is deteriorated, and in the worst case, all the flash memory cells sharing the bit line with the depleted flash memory cell are determined to be in the erased state and function normally. It becomes impossible. In order to prevent the occurrence of over-erasing, it is necessary to set a high threshold after over-erasing to increase the margin for over-erasing. However, as shown in FIG. 12C, it is necessary to take a certain margin to discriminate between the flash memory cell in the written state and the flash memory cell in the erased state. If set, the threshold value after writing must be set high accordingly. This leads to a decrease in the charge retention reliability of the flash memory cell in the written state. In addition, when the threshold distribution after writing or the threshold distribution variation after erasing increases, the number of electrons passing through the tunnel oxide film (gate insulating film 5) during the writing operation or erasing operation increases. As a result, the deterioration of the tunnel oxide film quality is accelerated, and the reliability due to the film quality of the tunnel oxide film is also reduced.
この課題に対して例えば特許文献1では、消去時に異なる電圧パルスをワードラインWLの偶奇に印加することを開示している。
しかしこの方法によると、半導体記憶装置毎にワードラインWLの偶奇に印加する最適な電圧パルス幅を設定するのが、困難である上に、複雑な回路を付加する必要があるためフラッシュメモリコアとしての面積が増大するという課題がある。 However, according to this method, it is difficult to set the optimum voltage pulse width to be applied evenly and oddly to the word line WL for each semiconductor memory device, and it is necessary to add a complicated circuit. There is a problem that the area of the device increases.
本発明の目的は、書込み及び消去後のメモリセルのしきい値分布ばらつきをフラッシュメモリコアとしての面積を増大することなく、しかも簡便に狭くすることが可能である不揮発性半導体記憶装置とその書換え方法を提供することである。このことで、過消去不良に対して十分なマージンを確保すること、書込み状態におけるフラッシュメモリセルの電荷保持信頼性の改善、トンネル酸化膜の膜質に起因する信頼性低下の改善を実現する。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of easily narrowing the threshold distribution variation of memory cells after writing and erasing without increasing the area as a flash memory core and its rewriting. Is to provide a method. As a result, it is possible to secure a sufficient margin for over-erasure failure, to improve the charge retention reliability of the flash memory cell in the written state, and to improve the reliability degradation due to the film quality of the tunnel oxide film.
本発明の第1の不揮発性半導体記憶装置は、複数のワードラインと、複数のビットラインと、各ワードラインおよび各ビットラインの交差個所に設けられ、記憶データに対応するしきい値電圧を外部から電気的に制御することができる複数のMISトランジスタとを備えた不揮発性半導体記憶装置であって、奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して別々に電圧を印加する手段を備えたことを特徴とする。 A first nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is provided at a crossing point of a plurality of word lines, a plurality of bit lines, and each word line and each bit line, and a threshold voltage corresponding to stored data is externally applied. A non-volatile semiconductor memory device comprising a plurality of MIS transistors that can be electrically controlled from a plurality of MIS transistors, comprising means for separately applying voltages to odd-numbered word lines and even-numbered word lines It is characterized by that.
また、本発明の第2の不揮発性半導体記憶装置は、第1の不揮発性半導体記憶装置において、奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して同時に電圧を印加する手段をさらに備えたことを特徴とする。 The second nonvolatile semiconductor memory device of the present invention further comprises means for applying a voltage simultaneously to the odd-numbered word lines and the even-numbered word lines in the first nonvolatile semiconductor memory device. It is characterized by.
また、本発明の第3の不揮発性半導体記憶装置は、第1または第2の不揮発性半導体記憶装置において、不揮発性半導体記憶装置はフラッシュメモリであり、奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対してMISトランジスタのデータの消去時に負電圧を印加する手段をさらに備えたことを特徴とする。 The third nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is the first or second nonvolatile semiconductor memory device, wherein the nonvolatile semiconductor memory device is a flash memory, and the odd-numbered word lines and the even-numbered word lines. On the other hand, it further comprises means for applying a negative voltage when erasing data of the MIS transistor.
また、本発明の第4の不揮発性半導体記憶装置は、第1〜第3のいずれかの不揮発性半導体記憶装置において、MISトランジスタ間がLOCOS膜で分離されており、奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタのソースとドレインの位置関係と、偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタのソースとドレインの位置関係とが逆に配列されていることを特徴とする。 According to a fourth nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, in any one of the first to third nonvolatile semiconductor memory devices, the MIS transistors are separated by a LOCOS film, and correspond to an odd-numbered word line. The positional relationship between the source and the drain of the MIS transistor and the positional relationship between the source and the drain of the MIS transistor corresponding to the word line in the even column are reversed.
また、本発明の第5の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法は、複数のワードラインと、複数のビットラインと、各ワードラインおよび各ビットラインの交差個所に設けられ、記憶データに対応するしきい値電圧を外部から電気的に制御することができる複数のMISトランジスタと、奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して別々に電圧を印加する手段とを備えた不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタと偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタに対して、それぞれ別々にデータの書込み及び消去を行うことを特徴とする。 The fifth nonvolatile semiconductor memory device driving method of the present invention is provided at the intersection of a plurality of word lines, a plurality of bit lines, each word line and each bit line, and corresponds to the stored data. Nonvolatile semiconductor memory device comprising a plurality of MIS transistors capable of electrically controlling threshold voltage from outside and means for separately applying voltages to odd-numbered word lines and even-numbered word lines In this driving method, data is written and erased separately for MIS transistors corresponding to odd word lines and MIS transistors corresponding to even word lines.
また、本発明の第6の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法は、複数のワードラインと、複数のビットラインと、各ワードラインおよび各ビットラインの交差個所に設けられ、記憶データに対応するしきい値電圧を外部から電気的に制御することができる複数のMISトランジスタと、奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して別々に電圧を印加する手段と、奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して同時に電圧を印加する手段とを備えた不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタと偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタに対してデータの書込みまたは消去を行う場合に、初期段階では奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタと偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタに対して同時に書込みまたは消去を行い、奇数列のワードライン上にある全MISトランジスタあるいは偶数列のワードライン上にある全MISトランジスタの一方が書込みまたは消去の目標レベルに達した後は、目標レベルに達していない方のワードラインに対応するMISトランジスタにのみ書込みまたは消去を行うことを特徴とする。 The sixth method for driving a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention is provided at the intersection of a plurality of word lines, a plurality of bit lines, and each word line and each bit line, and corresponds to stored data. A plurality of MIS transistors capable of electrically controlling the threshold voltage from the outside, means for separately applying voltages to the odd-numbered word lines and the even-numbered word lines, and the odd-numbered word lines and the even-numbered word lines A method of driving a nonvolatile semiconductor memory device comprising means for simultaneously applying a voltage to word lines in a column, the MIS transistors corresponding to word lines in odd columns and MIS transistors corresponding to word lines in even columns When data is written to or erased from an MIS transistor corresponding to an odd-numbered word line in the initial stage, The MIS transistors corresponding to the word lines of the column are simultaneously written or erased, and one of all the MIS transistors on the odd-numbered word lines or all the MIS transistors on the even-numbered word lines is the target of writing or erasing. After reaching the level, writing or erasing is performed only on the MIS transistor corresponding to the word line that has not reached the target level.
また、本発明の第7の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法は、第5または第6の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法において、書込みはMISトランジスタの浮遊ゲートに電子を注入する書込み実行処理とその後のMISトランジスタのしきい値を検知する書込みベリファイ処理とを含み、消去はMISトランジスタの浮遊ゲートから電子を引き抜く消去実行処理とその後のMISトランジスタのしきい値を検知する消去ベリファイ処理とを含むことを特徴とする。 The seventh nonvolatile semiconductor memory device driving method of the present invention is the fifth or sixth nonvolatile semiconductor memory device driving method, wherein writing is performed by a write execution process in which electrons are injected into the floating gate of the MIS transistor. And a write verify process for detecting the threshold value of the MIS transistor, and erasing includes an erase execution process for extracting electrons from the floating gate of the MIS transistor and an erase verify process for detecting the threshold value of the MIS transistor thereafter. It is characterized by that.
また、本発明の第8の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法は、第5または第6の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法において、消去時に奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して負電圧を印加することを特徴とする。 The eighth nonvolatile semiconductor memory device driving method of the present invention is the fifth or sixth nonvolatile semiconductor memory device driving method, wherein the odd-numbered word lines and the even-numbered word lines are erased at the time of erasing. A negative voltage is applied.
本発明によれば、書込み後及び消去後のメモリセル(MISトランジスタ)のしきい値分布ばらつきを従来に比べて、面積を増大させることなく、簡便に狭くできる。このため、過消去不良に対して十分なマージンを確保することができると共に、書込み状態におけるフラッシュメモリセルの電荷保持信頼性の改善、トンネル酸化膜の膜質に起因する信頼性低下の改善にもつながる。 According to the present invention, variation in threshold distribution of memory cells (MIS transistors) after writing and erasing can be easily narrowed without increasing the area as compared with the conventional case. As a result, a sufficient margin can be secured against over-erasure failure, and the charge retention reliability of the flash memory cell in the written state can be improved, and the reliability deterioration due to the film quality of the tunnel oxide film can be improved. .
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、本発明の実施の形態のフラッシュメモリセルは、その外観的な構造においては、図6で示した従来のフラッシュメモリセルと実質的に同じなので、その詳細な説明を省略すると共に、以下の説明においてフラッシュメモリセルの各部位を示すために図6で用いたものと同一の符号を用いる。また、本発明の実施の形態のフラッシュメモリセルのアレイ構成は、図7に示した従来のアレイ構成と同じであるため、以下の説明においてフラッシュメモリセルアレイの各部位を示すために図7で用いたものと同一の符号を用いる。また、図9に示した製造方法は、本発明の実施の形態の場合にもそのまま適用できるので、その説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The flash memory cell according to the embodiment of the present invention is substantially the same as the conventional flash memory cell shown in FIG. 6 in its external structure. In the description, the same reference numerals as those used in FIG. 6 are used to indicate each part of the flash memory cell. Further, since the array configuration of the flash memory cell according to the embodiment of the present invention is the same as the conventional array configuration shown in FIG. 7, it will be used in FIG. 7 to show each part of the flash memory cell array in the following description. Use the same symbols as those used. Moreover, since the manufacturing method shown in FIG. 9 can be applied as it is to the embodiment of the present invention, the description thereof is omitted.
したがって、以下で述べる本発明の第1、第2の実施の形態のフラッシュメモリセルのアレイ構成は、図1、図4のように、共通のソースライン(SL)と、複数のワードライン(WL1〜WLn)と、複数のビットライン(BL1〜BLm)と、各ワードラインおよびビットラインの交差個所に設けられてマトリックス状に配置されMISトランジスタで構成された複数の不揮発性メモリセル(MC11〜MCnm)とを備え、各メモリセル(MC11〜MCnm)は、図6(A)に示すトランジスタで構成され、ソース領域3が共通のソースライン(SL)に接続され、ドレイン領域2がビットライン(BL1〜BLm)に接続され、制御ゲート電極8がワードライン(WL1〜WLn)に接続されている。また、同一ビットラインに接続され、ワードライン2本毎に対応する隣接した2つのメモリセル(以下、「隣接メモリセル対」と記載する)は、図8(B)、図9(D)に示すように共通のドレイン領域2を有した構成であり、この隣接メモリセル対がワードラインの長手方向に並んで複数配置されているが、この長手方向に並んだ隣接メモリセル対と隣接メモリセル対との間はLOCOS膜からなる素子分離絶縁膜9が形成され電気的に分離されている。
Therefore, the array configuration of the flash memory cells according to the first and second embodiments of the present invention described below includes a common source line (SL) and a plurality of word lines (WL1) as shown in FIGS. To WLn), a plurality of bit lines (BL1 to BLm), and a plurality of nonvolatile memory cells (MC11 to MCnm) which are provided at intersections of each word line and bit line and are arranged in a matrix and configured by MIS transistors. Each of the memory cells (MC11 to MCnm) includes the transistor shown in FIG. 6A, the source region 3 is connected to a common source line (SL), and the
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施の形態におけるフラッシュメモリ装置の構成について、図1を参照して説明する。図1において、21はワードラインWLに電圧を印加するワードラインデコーダ回路、22はビットラインBLに電圧を印加するビットラインデコーダ回路、23は共通のソースラインSLに電圧を印加するソースライン選択回路である。さらに、図示していないが、メモリセルMCが形成されている基板に電圧を印加する基板電圧供給回路(接地回路)も存在し、以下の説明において、ワードラインWL、ビットラインBL、ソースラインSL、基板には、それぞれ上記の回路から電圧が供給されるものとする。
(First embodiment)
First, the configuration of the flash memory device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, 21 is a word line decoder circuit for applying a voltage to the word line WL, 22 is a bit line decoder circuit for applying a voltage to the bit line BL, and 23 is a source line selection circuit for applying a voltage to a common source line SL. It is. Although not shown, there is also a substrate voltage supply circuit (ground circuit) that applies a voltage to the substrate on which the memory cells MC are formed. In the following description, a word line WL, a bit line BL, and a source line SL are provided. The substrate is supplied with a voltage from the above circuit.
本実施の形態のフラッシュメモリ装置は、フラッシュメモリセルアレイにおける、奇数列のワードライン(WL1,WL3,・・・,WLn−1)と偶数列のワードライン(WL2,WL4,・・・,WLn)に対して、それぞれ別々に電圧を印加することのできる回路を備えていることを特徴とする。 The flash memory device according to the present embodiment includes odd-numbered word lines (WL1, WL3,..., WLn-1) and even-numbered word lines (WL2, WL4,..., WLn) in the flash memory cell array. On the other hand, it is characterized by having a circuit capable of applying a voltage separately.
例えば、ワードラインデコーダ回路21は、奇数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21aと偶数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21bにより構成されており、それぞれを別々に駆動することを可能とするために、前段に2段階のスイッチ回路であるモード切換え回路24を備えた構成になっている。すなわち、モード切換え回路24は、奇数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21aを選択するモード1もしくは、偶数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21bを選択するモード2の2つのモードを備えた回路であり、フラッシュメモリセルに対してデータの書換え動作(消去および書込み)を行う場合にのみ使用される。
For example, the word
以下、本実施の形態のフラッシュメモリアレイの駆動方法について、図2を参照して説明する。ここで図2では、消去動作に関してのみを示している。 Hereinafter, a method for driving the flash memory array according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 shows only the erase operation.
まず、消去動作に関して説明する。奇数列のワードラインWL(メモリセルの制御ゲート電極8)に負電圧(例えば−8V)、偶数列のワードラインWL(メモリセルの制御ゲート電極8)に低電圧(例えば0V)、ソースラインSL(メモリセルのソース領域3)に正電圧(例えば5V)、基板(図6のPウェル領域1)には低電圧(例えば0V)を与え、ビットラインBL(メモリセルのドレイン領域2)はフローティング状態(開放状態)に設定し、ある一定の期間(例えば100ms)電圧を印加する。この時、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルには、図6(C)に示すような消去動作のストレスが印加されることとなる。このため、浮遊ゲート電極6に蓄積されていた過剰な電子が、ソース領域3と浮遊ゲート電極6とのオーバーラップ部分のゲート絶縁膜5を通じてF−Nトンネリング現象に起因する電流(トンネル電流)により、ソース領域3へと引き抜かれ、チャネル領域4にチャネルを形成させるのに必要な制御ゲート電圧のしきい値が降下する。これに対して、偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルには、前述したようなF−Nトンネリングするのに必要な電界が発生しないため、浮遊ゲート電極6に蓄積されている電子は、そのまま保持される。以下ではこの動作のことを、消去動作(奇数列)と呼ぶ。
First, the erase operation will be described. A negative voltage (for example, -8V) is applied to the word line WL (memory cell control gate electrode 8) of the odd column, a low voltage (for example, 0V) to the word line WL (memory gate control gate electrode 8) of the even column, and the source line SL. A positive voltage (for example, 5 V) is applied to the (source region 3 of the memory cell), a low voltage (for example, 0 V) is applied to the substrate (
次に、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対して、しきい値のレベルを確認する。この確認とは、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の高いフラッシュメモリセルのしきい値が、ある目標レベル以下(例えば2V)であるかどうかを検知する動作のことである。以下ではこの動作のことを、消去ベリファイ(奇数列)と呼ぶ。この消去ベリファイ(奇数列)にて、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の高いフラッシュメモリセルのしきい値が、目標レベル以下に達していない場合には、消去動作(奇数列)と消去ベリファイ(奇数列)を繰返して実施する。最終的に、消去ベリファイ(奇数列)にて、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の高いフラッシュメモリセルのしきい値が、目標レベル以下であることを確認できた時点で、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する消去動作完了となる。 Next, the threshold level is confirmed for the flash memory cells on the word lines in the odd columns. This confirmation is an operation for detecting whether or not the threshold value of the flash memory cell having the highest threshold value among the flash memory cells on the word lines in the odd-numbered columns is below a certain target level (for example, 2V). That's it. Hereinafter, this operation is referred to as erase verify (odd number column). In the erase verify (odd column), when the threshold value of the flash memory cell having the highest threshold value among the flash memory cells on the word line of the odd column does not reach the target level or lower, The erase operation (odd column) and erase verify (odd column) are repeated. Finally, it is confirmed by erase verify (odd column) that the threshold value of the flash memory cell having the highest threshold value among the flash memory cells on the word line of the odd column is below the target level. At this point, the erase operation for the flash memory cells on the word lines in the odd columns is completed.
次に、偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対して、同様に消去動作(偶数列)と消去ベリファイ(偶数列)を繰返し実施する。最終的に、消去ベリファイ(偶数列)にて、偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の高いフラッシュメモリセルのしきい値が、目標レベル以下であることを確認できた時点で、偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する消去動作完了となり、フラッシュメモリアレイ全体の消去動作完了となる。 Next, the erase operation (even column) and erase verify (even column) are repeated in the same manner for the flash memory cells on the word lines in the even columns. Finally, the erase verify (even column) confirms that the threshold value of the flash memory cell having the highest threshold value among the flash memory cells on the word line of the even column is below the target level. At this point, the erase operation for the flash memory cells on the word lines in the even columns is completed, and the erase operation for the entire flash memory array is completed.
このようにして、フラッシュメモリアレイの消去を行った場合、図3(A)に示すように、従来に比べて消去後のしきい値分布を狭くできる。例えば、従来は消去後のしきい値として0〜2Vの範囲で分布していたものを、1〜2Vの範囲に分布を抑えることができるようになる。以上のように本実施の形態の消去方法によれば、過消去不良に対して十分なマージンを確保することができる。 When the flash memory array is erased in this way, as shown in FIG. 3A, the threshold distribution after erasure can be made narrower than in the prior art. For example, the distribution that has been distributed in the range of 0 to 2V as the threshold value after erasing can be suppressed to the range of 1 to 2V. As described above, according to the erasing method of the present embodiment, it is possible to ensure a sufficient margin for overerasing failure.
次に、書込み動作に関して説明する。ビットラインBL1(メモリセルのドレイン領域2)に正電圧(例えば5V)、奇数列のワードラインWL(メモリセルの制御ゲート電極8)の中で、ビットラインBL1との交差箇所のメモリセルMC11〜MC1n−1にデータの書込みを実施するワードラインのみに書込み電圧(例えば10V)、残りの奇数列のワードラインおよび偶数列の全てのワードラインWL(メモリセルの制御ゲート電極8)に低電圧(例えば0V)、基板(図6のPウェル領域1)とソースラインSL(メモリセルのソース領域3)には低電圧(例えば0V)を与え、ある一定の期間(例えば10μs)電圧を印加する。
Next, the write operation will be described. A positive voltage (for example, 5V) is applied to the bit line BL1 (the
この時、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルには、図6(B)に示すような書込み動作のストレスが印加されることとなる。このため、ドレインとソース間にオン電流が流れ、ドレイン近傍でホット・エレクトロンが発生し、浮遊ゲート電極6内に注入される。このように注入された電子により、チャネル領域4にチャネルを形成させるのに必要な制御ゲート電圧のしきい値が上昇する。 At this time, the stress of the write operation as shown in FIG. 6B is applied to the flash memory cells on the bit line BL1 and the odd-numbered word lines to which the write voltage is applied. For this reason, an on-current flows between the drain and the source, hot electrons are generated in the vicinity of the drain, and injected into the floating gate electrode 6. The threshold voltage of the control gate voltage necessary for forming a channel in the channel region 4 is increased by the electrons thus injected.
これに対して、他のビットライン上にあるフラッシュメモリセルおよびビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加していない奇数列のワードラインおよび全ての偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルには、前述したようなドレイン近傍でのホット・エレクトロンは発生しないため、浮遊ゲート電極6に電子は注入されない。以下ではこの動作のことを、書込み動作1(奇数列)と呼ぶ。 On the other hand, the flash memory cells on the other bit lines and the flash memory cells on the bit lines BL1 and the odd-numbered word lines and all the even-numbered word lines to which no write voltage is applied include Since hot electrons are not generated in the vicinity of the drain as described above, electrons are not injected into the floating gate electrode 6. Hereinafter, this operation is referred to as write operation 1 (odd column).
次に、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対して、しきい値のレベルを確認する。この確認とは、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の低いフラッシュメモリセルのしきい値が、ある目標レベル以上(例えば6V)であるかどうかを検知する動作のことである。以下ではこの動作のことを、書込みベリファイ1(奇数列)と呼ぶ。 Next, the threshold level is confirmed for the flash memory cells on the bit line BL1 and on the odd-numbered word lines to which the write voltage is applied. This confirmation means that the threshold value of the flash memory cell having the lowest threshold value among the flash memory cells on the bit line BL1 and on the odd-numbered word lines to which the write voltage is applied is equal to or higher than a target level (for example, 6V). Hereinafter, this operation is referred to as write verify 1 (odd column).
この書込みベリファイ1(奇数列)にて、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の低いフラッシュメモリセルのしきい値が、目標レベル以上に達していない場合には、書込み動作1(奇数列)と書込みベリファイ1(奇数列)を繰返して実施する。最終的に、書込みベリファイ1(奇数列)にて、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の低いフラッシュメモリセルのしきい値が、目標レベル以上であることを確認できた時点で、ビットラインBL1上かつ奇数列のワードライン上にある所望のフラッシュメモリセルに対する書込み動作1(奇数列)完了となる。 In the write verify 1 (odd number column), the threshold value of the flash memory cell having the lowest threshold value among the flash memory cells on the bit line BL1 and the odd number word line to which the write voltage is applied is If the target level is not reached, the write operation 1 (odd column) and the write verify 1 (odd column) are repeated. Finally, in the write verify 1 (odd column), the threshold of the flash memory cell having the lowest threshold value among the flash memory cells on the bit line BL1 and on the odd word line to which the write voltage is applied. When it is confirmed that the value is equal to or higher than the target level, the write operation 1 (odd column) for the desired flash memory cell on the bit line BL1 and on the word line of the odd column is completed.
同様に、ビットラインBL2〜BLmかつ奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する書込みを順次実施することで、奇数列のワードライン上にある所望のフラッシュメモリセルに対する書込みが完了する。 Similarly, writing to the flash memory cells on the bit lines BL2 to BLm and the word lines in the odd columns is sequentially performed, thereby completing the writing to the desired flash memory cells on the word lines in the odd columns.
次に、ビットラインBL1上かつ偶数列のワードライン上にありデータの書込みを実施するフラッシュメモリセルに対して同様に、書込み動作1(偶数列)と書込みベリファイ1(偶数列)を繰返し実施する。最終的に、書込みベリファイ1(偶数列)にて、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の低いフラッシュメモリセルのしきい値が、目標レベル以上であることを確認できた時点で、ビットラインBL1上かつ偶数列のワードライン上にある所望のフラッシュメモリセルに対する書込み動作1(偶数列)完了となる。 Next, the write operation 1 (even column) and the write verify 1 (even column) are repeatedly performed in the same manner for the flash memory cells on the bit line BL1 and on the even word line to which data is written. . Finally, in the write verify 1 (even column), the threshold of the flash memory cell having the lowest threshold value among the flash memory cells on the bit line BL1 and the word line of the even column to which the write voltage is applied. When it is confirmed that the value is equal to or higher than the target level, the write operation 1 (even column) for a desired flash memory cell on the bit line BL1 and on the word line of the even column is completed.
同様に、ビットラインBL2〜BLmかつ偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する書込みを順次実施することで、偶数列のワードライン上にある所望のフラッシュメモリセルに対する書込みが完了すると同時にフラッシュメモリアレイ全体の所望のフラッシュメモリセルに対する書込み動作完了となる。 Similarly, the flash memory cells on the bit lines BL2 to BLm and the even-numbered word lines are sequentially written, so that the writing to the desired flash memory cells on the even-numbered word lines is completed at the same time. The write operation for the desired flash memory cell in the entire array is completed.
このようにして、フラッシュメモリアレイの書込みを行った場合、図3(A)に示すように、従来に比べて書込み後のしきい値分布を狭くできる。例えば、従来は書込み後のしきい値として6〜8Vの範囲で分布していたものを、6〜7Vの範囲に分布を抑えることができるようになる。以上のように本実施の形態の書込み方法によれば、書込み状態におけるフラッシュメモリセルの電荷保持信頼性を改善することができる。また、しきい値の分布を狭くできることで、消去後のしきい値の目標レベルと書込み後のしきい値の目標レベルをそれぞれ過消去不良の発生しない範囲内で下げることも可能となる。例えば、図3(B)に示すように、消去後のしきい値の目標レベルを2Vから1Vへ、書込み後のしきい値の目標レベルを6Vから5Vにできる。このことにより、書込み後のしきい値を5〜6Vの範囲にまで下げることが可能となり、更に書込み状態におけるフラッシュメモリセルの電荷保持信頼性を改善することができる。 In this way, when the flash memory array is written, the threshold distribution after writing can be narrowed as compared with the conventional case, as shown in FIG. For example, the distribution of the threshold value after writing in the range of 6 to 8V can be suppressed to the range of 6 to 7V. As described above, according to the write method of the present embodiment, the charge retention reliability of the flash memory cell in the write state can be improved. In addition, since the threshold distribution can be narrowed, the target level of the threshold value after erasure and the target level of the threshold value after writing can be lowered within a range where no overerasing failure occurs. For example, as shown in FIG. 3B, the target level of the threshold after erasing can be changed from 2V to 1V, and the target level of the threshold after writing can be changed from 6V to 5V. As a result, the threshold value after writing can be lowered to a range of 5 to 6 V, and the charge retention reliability of the flash memory cell in the written state can be improved.
また、本実施の形態の書換え方法によれば、従来に比べて書込み動作時もしくは消去動作時にトンネル酸化膜(ゲート絶縁膜5)を通過する電子の数を少なくできることにもなり、このことは、トンネル酸化膜の膜質劣化を抑制し、このトンネル酸化膜の膜質に起因する信頼性低下を改善することにもつながる。 Further, according to the rewriting method of the present embodiment, the number of electrons passing through the tunnel oxide film (gate insulating film 5) can be reduced at the time of writing operation or erasing operation as compared with the conventional case. Degradation of the quality of the tunnel oxide film is suppressed, and this leads to an improvement in reliability reduction due to the quality of the tunnel oxide film.
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態におけるフラッシュメモリ装置の構成について、図4を参照して説明する。図4において、図1と同様のものには同一の符号を付し、説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, the configuration of the flash memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the same components as those in FIG.
本実施の形態のフラッシュメモリ装置は、フラッシュメモリセルアレイにおける、奇数列のワードライン(WL1,WL3,・・・,WLn−1)と偶数列のワードライン(WL2,WL4,・・・,WLn)に対して、それぞれ別々に電圧を印加することのできる回路と全てのワードラインに対して電圧を印加することのできる回路とを備えていることを特徴とする。 The flash memory device according to the present embodiment includes odd-numbered word lines (WL1, WL3,..., WLn-1) and even-numbered word lines (WL2, WL4,..., WLn) in the flash memory cell array. On the other hand, a circuit capable of applying a voltage separately and a circuit capable of applying a voltage to all word lines are provided.
例えば、ワードラインデコーダ回路21は、奇数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21aと偶数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21bにより構成されており、それぞれを同時に駆動することもしくはそれぞれを別々に駆動することを可能とするために、前段に3段階のスイッチ回路であるモード切換え回路24を備えた構成になっている。すなわち、モード切換え回路24は、奇数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21aおよび偶数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21bを同時に選択するモード1、奇数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21aのみを選択するモード2、偶数列のワードラインにのみ電圧を印加するためのデコーダ回路21bのみを選択するモード3の3つのモードを備えた回路であり、フラッシュメモリセルに対してデータの書換え動作(消去および書込み)を行う場合にのみ使用される。
For example, the word
以下、本実施の形態のフラッシュメモリアレイの駆動方法について、図5を参照して説明する。ここで図5では、消去動作に関してのみを示している。 Hereinafter, a driving method of the flash memory array according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 shows only the erase operation.
まず、消去動作に関して説明する。全てのワードラインWL(メモリセルの制御ゲート電極8)に負電圧(例えば−8V)、ソースラインSL(メモリセルのソース領域3)に正電圧(例えば5V)、基板(図6のPウェル領域1)には低電圧(例えば0V)を与え、ビットラインBL(メモリセルのドレイン領域2)はフローティング状態(開放状態)に設定し、ある一定の期間(例えば100ms)電圧を印加する。この消去動作後に、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する、消去ベリファイ(奇数列)と偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する、消去ベリファイ(偶数列)を別々に実施する。この結果、奇数列、偶数列共に目標のしきい値レベルに達していない場合には、前記消去動作と消去ベリファイ(奇数列)と消去ベリファイ(偶数列)を繰返し実施する。また、奇数列のみ目標のしきい値レベルに達していない場合には、奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対してのみ、消去動作(奇数列)と消去ベリファイ(奇数列)を繰返し実施する。偶数列のみ目標のしきい値レベルに達していない場合には、偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対してのみ、消去動作(偶数列)と消去ベリファイ(偶数列)を繰返し実施する。最終的に奇数列、偶数列共に目標のしきい値レベルに達した時点で、消去動作完了となる。
First, the erase operation will be described. All word lines WL (control gate electrode 8 of the memory cell) have a negative voltage (for example, −8V), source line SL (the source region 3 of the memory cell) has a positive voltage (for example, 5V), and the substrate (P well region in FIG. 6). 1) is applied with a low voltage (for example, 0 V), the bit line BL (drain
このようにして、フラッシュメモリアレイの消去を行った場合、従来に比べて消去後のしきい値分布を狭くでき、上記第1の実施の形態における消去方法と同等の効果を得ることができる。更に、この第2の実施の形態における消去方法によれば、上記第1の実施の形態における消去方法に比べて、トータルの消去動作時間を短縮できる。 When the flash memory array is erased in this way, the threshold distribution after erasure can be narrowed compared to the conventional case, and the same effect as the erasing method in the first embodiment can be obtained. Furthermore, according to the erasing method in the second embodiment, the total erasing operation time can be shortened compared with the erasing method in the first embodiment.
次に、書込み動作に関して説明する。ビットラインBL1(メモリセルのドレイン領域2)に正電圧(例えば5V)、全てのワードラインWL(メモリセルの制御ゲート電極8)の中で、ビットラインBL1との交差箇所のメモリセルMC11〜MC1nにデータの書込みを実施するワードラインのみに書込み電圧(例えば10V)、残りのワードライン(メモリセルの制御ゲート電極8)に低電圧(例えば0V)、基板(図6のPウェル領域1)とソースラインSL(メモリセルのソース領域3)には低電圧(例えば0V)を与え、ある一定の期間(例えば10μs)電圧を印加することで、ビットラインBL1上の所望のフラッシュメモリセルにデータの書込み動作1を実施する。
Next, the write operation will be described. A positive voltage (for example, 5V) is applied to the bit line BL1 (the
次に、ビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した奇数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する書込みベリファイ1(奇数列)とビットラインBL1上かつ書込み電圧を印加した偶数列のワードライン上にあるフラッシュメモリセルに対する書込みベリファイ1(偶数列)を別々に実施する。 Next, write verify 1 (odd column) for the flash memory cells on the bit line BL1 and the odd-numbered word line to which the write voltage is applied, and the even-numbered word line to which the write voltage is applied on the bit line BL1. Write verify 1 (even column) for a certain flash memory cell is performed separately.
この結果、書込み電圧を印加したフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の低いフラッシュメモリセルのしきい値が、ワードラインの奇数列、偶数列共に目標のしきい値レベルに達していない場合には、前記書込み動作1と書込みベリファイ1(奇数列)と書込みベリファイ1(偶数列)を繰返し実施する。
As a result, when the threshold value of the flash memory cell having the lowest threshold value among the flash memory cells to which the write voltage is applied does not reach the target threshold level in both the odd and even columns of the word line. Repeats the
また、奇数列のみ目標のしきい値レベルに達していない場合には、奇数列のワードライン上にある所望のフラッシュメモリセルに対してのみ、書込み動作1(奇数列)と書込みベリファイ1(奇数列)を繰返し実施する。偶数列のみ目標のしきい値レベルに達していない場合には、偶数列のワードライン上にある所望のフラッシュメモリセルに対してのみ、書込み動作1(偶数列)と書込みベリファイ1(偶数列)を繰返し実施する。最終的に書込み電圧を印加したフラッシュメモリセルの中で最もしきい値の低いフラッシュメモリセルのしきい値が、ワードラインの奇数列、偶数列共に目標のしきい値レベルに達した時点で、ビットラインBL1上のフラッシュメモリセルに対する書込み動作1完了となる。
If only the odd-numbered column does not reach the target threshold level, the write operation 1 (odd-numbered column) and the write verify 1 (odd-numbered) are performed only for the desired flash memory cells on the odd-numbered word lines. Repeat). If only the even column does not reach the target threshold level, the write operation 1 (even column) and the write verify 1 (even column) are performed only on a desired flash memory cell on the word line of the even column. Repeatedly. When the threshold value of the flash memory cell having the lowest threshold value among the flash memory cells to which the write voltage is finally applied reaches the target threshold level in both the odd and even columns of the word line, The
同様に、ビットラインBL2〜BLm上にある所望のフラッシュメモリセルに対するデータの書込みを順次実施することで、フラッシュメモリアレイ全体の書込み動作完了となる。 Similarly, the writing operation of the entire flash memory array is completed by sequentially writing data to desired flash memory cells on the bit lines BL2 to BLm.
このようにして、フラッシュメモリアレイの書込みを行った場合、従来に比べて消去後のしきい値分布を狭くでき、上記第1の実施の形態における書込み方法と同等の効果を得ることができる。更に、この第2の実施の形態における書込み方法によれば、上記第1の実施の形態における書込み方法に比べて、トータルの書込み動作時間を短縮できる。 In this way, when writing to the flash memory array is performed, the threshold distribution after erasure can be made narrower than in the prior art, and the same effect as the writing method in the first embodiment can be obtained. Furthermore, according to the write method in the second embodiment, the total write operation time can be shortened as compared with the write method in the first embodiment.
よって、この第2の実施の形態における書換え方法によれば、上記第1の実施の形態における書換え方法と同等の効果を得ることができると共に、上記第1の実施の形態における書換え方法に比べて、トータルの書換え動作時間を短縮できる。 Therefore, according to the rewriting method in the second embodiment, an effect equivalent to that of the rewriting method in the first embodiment can be obtained, and compared with the rewriting method in the first embodiment. , Total rewriting operation time can be shortened.
以上のように、本発明の第1、第2の実施の形態によれば、フラッシュメモリの製造工程で発生する書込み/消去特性差により発生する、書込み/消去後のしきい値分布ばらつきを、フラッシュメモリコアとしての面積の増大を抑えて、簡単に抑制することができる。よって、過消去不良に対して十分なマージンを確保することができると共に書込み状態におけるフラッシュメモリセルの電荷保持信頼性の改善、トンネル酸化膜の膜質に起因する信頼性低下を改善することにもつながる。 As described above, according to the first and second embodiments of the present invention, the threshold distribution variation after write / erase caused by the write / erase characteristic difference generated in the manufacturing process of the flash memory is The increase in the area as the flash memory core can be suppressed and suppressed easily. Therefore, it is possible to secure a sufficient margin for over-erasing failure, improve the charge retention reliability of the flash memory cell in the written state, and improve the reliability degradation due to the film quality of the tunnel oxide film. .
本発明にかかる不揮発性半導体記憶装置及びその駆動方法は、書込み及び消去後のしきい値分布ばらつきを簡単に抑制でき、フラッシュメモリ等に有用である。 The nonvolatile semiconductor memory device and the driving method thereof according to the present invention can easily suppress variations in threshold distribution after writing and erasing, and are useful for flash memories and the like.
1 P型ウエル
2 ドレイン領域
3 ソース領域
4 チャネル領域
5 ゲート絶縁膜(トンネル酸化膜)
6 浮遊ゲート電極
7 層間絶縁膜
8 制御ゲート電極
9 素子分離領域
10 ドレインコンタクト
21 ワードラインデコーダ回路
22 ビットラインデコーダ回路
23 ソースライン選択回路
24,25 モード切換え回路
1 P-type well 2 Drain region 3 Source region 4 Channel region 5 Gate insulating film (tunnel oxide film)
6 Floating gate electrode 7 Interlayer insulating film 8 Control gate electrode 9
Claims (8)
奇数列のワードラインと偶数列のワードラインに対して別々に電圧を印加する手段を備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 A plurality of word lines, a plurality of bit lines, and a plurality of MISs provided at the intersections of the word lines and the bit lines and capable of electrically controlling a threshold voltage corresponding to stored data from the outside. A non-volatile semiconductor memory device comprising a transistor,
A non-volatile semiconductor memory device comprising means for separately applying voltages to odd-numbered word lines and even-numbered word lines.
前記奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタと前記偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタに対して、それぞれ別々にデータの書込み及び消去を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。 A plurality of word lines, a plurality of bit lines, and a plurality of MISs provided at the intersections of the word lines and the bit lines and capable of electrically controlling a threshold voltage corresponding to stored data from the outside. A method of driving a nonvolatile semiconductor memory device comprising a transistor and means for separately applying a voltage to an odd-numbered word line and an even-numbered word line,
A method for driving a nonvolatile semiconductor memory device, wherein data writing and erasing are separately performed on the MIS transistors corresponding to the odd-numbered word lines and the MIS transistors corresponding to the even-numbered word lines, respectively. .
前記奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタと前記偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタに対してデータの書込みまたは消去を行う場合に、
初期段階では前記奇数列のワードラインに対応するMISトランジスタと前記偶数列のワードラインに対応するMISトランジスタに対して同時に書込みまたは消去を行い、
前記奇数列のワードライン上にある全MISトランジスタあるいは前記偶数列のワードライン上にある全MISトランジスタの一方が前記書込みまたは消去の目標レベルに達した後は、前記目標レベルに達していない方のワードラインに対応するMISトランジスタにのみ書込みまたは消去を行うことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。 A plurality of word lines, a plurality of bit lines, and a plurality of MISs provided at the intersections of the word lines and the bit lines and capable of electrically controlling a threshold voltage corresponding to stored data from the outside. A transistor; means for separately applying voltages to odd-numbered word lines and even-numbered word lines; and means for simultaneously applying voltages to the odd-numbered word lines and even-numbered word lines. A non-volatile semiconductor memory device driving method comprising:
When writing or erasing data to / from the MIS transistors corresponding to the odd-numbered word lines and the MIS transistors corresponding to the even-numbered word lines,
In an initial stage, MIS transistors corresponding to the odd-numbered word lines and MIS transistors corresponding to the even-numbered word lines are simultaneously written or erased,
After one of all the MIS transistors on the odd-numbered word line or all the MIS transistors on the even-numbered word line has reached the target level for writing or erasing, the one that has not reached the target level. A method for driving a nonvolatile semiconductor memory device, wherein writing or erasing is performed only on a MIS transistor corresponding to a word line.
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JP2009252278A (en) * | 2008-04-04 | 2009-10-29 | Toshiba Corp | Nonvolatile semiconductor storage device and memory system |
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