JP2006031873A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 チップ面積削減を可能とする不良カラム置換方式を採用した半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 半導体記憶装置は、電気的書き換え可能な不揮発性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データ読み出しを行うセンスアンプ回路と、前記メモリセルアレイの各カラムの良否を示すデータを保持する第1のデータ保持回路と、前記第1のデータ保持回路から読み出されたデータを保持し、その出力により不良カラムアドレスをスキップする制御を行う第2のデータ保持回路とを有する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、半導体記憶装置に係り、特に不良カラムを冗長カラムで置換するカラムリダンダンシー方式に関する。
大容量半導体記憶装置では通常、不良チップを救済するために、リダンダンシー方式が適用される。この種の半導体記憶装置では、メモリチップ内部に、不良アドレス記憶回路と、その不良アドレスと外部アドレスとの比較を行うアドレス比較回路とが設けられる。外部アドレスが入力されたとき、アドレス比較回路は不良アドレスと外部アドレスとの一致検出を行って置換信号を出力し、これにより不良部分を冗長セルアレイで置き換えるという制御が行われる。
電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)の一つであるNAND型フラッシュメモリにおいても、その様なリダンダンシー方式が用いられる(例えば、特許文献1参照)。
不良アドレス記憶回路には、フューズ回路やROM回路が用いられる。これらのフューズ回路やROM回路を設けることなく、メモリセルアレイ内に他の各種初期設定データと共に不良アドレスデータを記憶する方式も提案されている(例えば、特許文献2参照)。この場合、不良アドレスデータは、電源投入時に自動的に読み出されて、不良アドレスレジスタに転送される。そしてこの不良アドレスレジスタが保持する不良アドレスデータに基づいて、以後不良アドレス置換制御が行われる。
特開2002−100192号公報 特開2001−176290号公報
NAND型フラッシュメモリでは特に、大容量化が進むにつれて、カラム数が増加する。カラム数が増加すると、一定の救済効率を確保するためには、冗長カラム数も増加する必要がある。冗長カラム数が増加すれば、不良アドレス記憶回路やアドレス比較回路のチップ占有面積が増大する。
従来のリダンダンシー方式では、メモリセルアレイ内に不良アドレスを記憶するとしても、外部アドレスが不良アドレスかどうかを検知するためにアドレス比較回路が不可欠であった。また、外部から供給されるアドレスデータは、アドレス比較回路を通るために、それだけアクセス時間が長くなるという問題もある。
この発明は、チップ面積削減を可能とする不良カラム置換方式を採用した半導体記憶装置を提供することを目的としている。
この発明の一態様による半導体記憶装置は、
電気的書き換え可能な不揮発性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データ読み出しを行うセンスアンプ回路と、
前記メモリセルアレイの各カラムの良否を示すデータを保持する第1のデータ保持回路と、
前記第1のデータ保持回路から読み出されたデータを保持し、その出力により不良カラムアドレスをスキップする制御を行う第2のデータ保持回路とを有する。
この発明によると、チップ面積削減を可能とする不良カラム置換方式を採用した半導体記憶装置を提供することができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
図1は、一実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの機能ブロック構成を示し、図2はメモリセルアレイ1の構成を示している。メモリセルアレイ1は、NANDセルユニットNUをマトリクス配列して構成されている。各NANDセルユニットNUは、複数個(図3の例では16個)直列接続された電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルM0−M15と、その両端をそれぞれソース線CELSRCとビット線BLに接続するための選択ゲートトランジスタS1及びS2を有する。
NANDセルユニット内のメモリセルの制御ゲートは異なるワード線WL0−WL15に接続される。選択ゲートトランジスタS1,S2のゲートはそれぞれ選択ゲート線SGS,SGDに接続される。
1ワード線を共有するNANDセルユニットの集合は、データ消去の単位となるブロックを構成する。図2に示すように、ビット線方向に複数のブロックBLK0,BLK1,…が配置される。
ロウデコーダ2は、ロウアドレスに従ってワード線及び選択ゲート線を選択駆動するもので、ワード線ドライバ及び選択ゲート線ドライバを含む。センスアンプ回路3は、ビット線に接続されてページ単位のデータ読み出しを行うと共に、1ページの書き込みデータを保持するデータラッチを兼ねる。即ち、読み出し及び書き込みはページ単位で行われる。
メモリセルアレイ1は、通常のデータ読み出し/書き込みに用いられるノーマルセルアレイ1aと、不良カラム置換のために用いられる冗長カラムセルアレイ1bとを有する。センスアンプ回路3にもこれらに対応して、ノーマルセンスアンプ回路3aと冗長センスアンプ回路3bとが用意される。
図2では、各ビット線BLにセンスアンプ回路3の一つのセンスアンプP/Bが配置される例を示している。しかしメモリセルアレイ1が微細化されると、センスアンプをビット線ピッチに配置することが困難になる。このため、大容量フラッシュメモリでは通常、隣接する二つのビット線が一つのセンスアンプを共有する方式を用いる。隣接する二つのビット線は選択的にセンスアンプに接続される。
図2の例では、1ワード線に沿って配列されたメモリセルの集合が1ページを構成する。隣接する2ビット線がセンスアンプを共有する方式では、1ワード線に沿ったメモリセルの集合は、2ページを構成する。
センスアンプ回路3と外部入出力端子I/Oとの間のデータ授受は、I/Oバッファ5を介し、データバス10を介して行われる。センスアンプ回路3には、カラム選択信号CSLiにより制御されるカラムゲート回路(トランジスタQ0,Q1,…,Qi,…)が付属し、カラムデコーダ4はこのカラムゲート制御を行う。例えば入出力端子I/Oが図2に示すように8個(I/O0−I/O7)として、上述のカラム制御によってセンスアンプ回路3と外部入出力端子I/Oとの間は、1バイト単位(カラム単位)でシリアルデータ転送が行われる。
入出力端子I/Oを介して供給されるアドレス“Add”は、アドレスレジスタ6を介してロウデコーダ2及びカラムデコーダ4に転送される。入出力端子I/Oを介して供給されるコマンド“Com”は、コントローラ7でデコードされる。コントローラ7は、書き込みイネーブル信号WEn、読み出しイネーブル信号REn、コマンドラッチイネーブル信号CLE、アドレスラッチイネーブル信号ALE等の外部制御信号とコマンドComに基づいて、データ書き込み及び消去のシーケンス制御及び読み出しの動作制御を行う。
内部電圧発生回路8は、コントローラ7により制御されて、書き込み、消去及び読み出しの動作に必要な各種内部電圧を発生するもので、電源電圧より高い内部電圧を発生するためには昇圧回路が用いられる。ステータスレジスタ9は、チップが読み出し又は書き込みのレディ状態にあるか、ビジー状態にあるかを示すステータス信号R/Bをチップ外部に出力するためのものである。
図3は、センスアンプ回路3に付属する不良カラム切り離し用データ保持回路32の部分の構成を1カラム分について示している。データ保持回路32は、センスアンプ回路3に付属する各カラムのベリファイ判定回路31に接続されている。ベリファイ判定回路31は、書き込み或いは消去時のベリファイ読み出しにおいて、センスアンプ回路3がオール“1”状態(書き込み完了)になったことを検出するためのものである。
例えばデータ書き込み時、センスアンプ回路にロードされた書き込みデータ“0”,“1”(“1”は書き込み禁止)に応じてメモリセルアレイのビット線制御電圧が決定され、1ページ内のメモリセルに同時に書き込みが行われる。書き込みベリファイでは、“0”書き込みが確認されると、以後対応するセンスアンプの書き込みデータを“1”(書き込み禁止)とする制御が行われる。これにより1ページの書き込みが完了すると、センスアンプ回路はオール“1”状態になる。この状態を検知するのが、ベリファイ判定回路31である。
ベリファイ判定回路31は、センスアンプP/BのノードN1が全て“L”レベルになっているか否かを、NORゲートを構成するNMOSトランジスタQ20,Q21,…,Q27により検出するものである。NMOSトランジスタQ20,Q21,…,Q27のソースは、チェック信号CHKにより制御されるNMOSトランジスタQ10,Q11,…,Q17を介して接地される。トランジスタQ20,Q21,…,Q27のドレインは、PMOSトランジスタQ50により通常“H”レベルに充電される共通ノードN2に接続されている。
一方、ノードN2はPMOSトランジスタQ51のゲートに接続されている。PMOSトランジスタQ51のソースは、電流源PMOSトランジスタQ52を介して電源Vccに接続され、ドレインはチェック信号CHKnにより制御されるNMOSトランジスタQ30を介して接地されている。これらのトランジスタQ51とQ30の接続ノードN3にはNMOSトランジスタQ40のゲートが接続され、NMOSトランジスタQ40のドレインは、全メモリセルアレイに共通の判定用信号線COMに接続されている。信号線COMは通常“H”レベルに充電される。
不良カラム切り離し用のデータ保持回路32のデータノードN4は、PMOSトランジスタQ52のゲートに接続されている。このデータ保持回路32は、不良カラムではノードN4が“H”となり、正常カラムではノードN4が“L”となる不良カラム切り離しデータが保持されている。
ベリファイ判定回路31は、チェック信号CHK=“H”によりベリファイ判定を行う。カラム内のセンスアンプノードN1が全て“L”(データ“1”)でないと、ノードN2が放電され、PMOSトランジスタQ51がオン、従ってNMOSトランジスタQ40がオンになり、信号線COMがレベル低下する。即ちページ内の全てのセンスアンプでノードN1が“L”となったときに、信号線COMのレベル低下がなく、書き込み(或いは消去)の完了が確認されることになる。
データ保持回路32は、不良カラムについて、このベリファイ判定回路31を非活性にするために設けられている。即ち不良カラムは、ノードN4=“H”により電流源PMOSトランジスタQ52を常時オフ状態に設定することで、ベリファイ判定が常にパスとなる状態に置かれる。言い換えれば、データ保持回路32によって、ベリファイ判定に関して不良カラムが無視される状態に設定されている。
上述の不良カラム切り離しデータ保持回路32は、各カラムの良否を指示するものであるから、一種の不良アドレス記憶回路ということができる。この実施の形態では、他に不良アドレス記憶回路やアドレス比較回路を設けることなく、このデータ保持回路32のデータをカラムリダンダンシーに利用する。
なおデータ保持回路32に設定される不良カラム切り離しデータ(即ち不良カラムアドレスデータ)は、例えばメモリセルアレイの初期設定データ記憶領域にプログラムされている。このメモリセルアレイ内の不良カラム切り離しデータは、電源投入を検出して自動的に読み出されて、データ保持回路32に転送保持される。
図4に示すように、データ保持回路32が保持する不良カラム切り離しデータは、図4に示すように、転送回路33により、もう一つのデータ保持回路であるシフトレジスタ34に転送されるようになっている。具体的には、データ読み出し或いは書き込み時にカラム選択に先立って、外部制御信号に従ってコントローラ7から出力される読み出しクロック信号CLKにより、先頭カラムから8カラム分のデータ保持回路32の不良カラム切り離しデータが順次読み出され、シフトレジスタ34にシリアル入力される。シフトレジスタ34はここでは、冗長カラム数8に対応して8ビット用意されているが、このビット数は特に限定されるわけではない。
シフトレジスタ34の最終段出力が、不良カラムアドレスをスキップするためのイネーブル信号ENとして用いられる。上述のように予め先頭カラムアドレスから8カラム分の不良カラム切り離しデータが転送されると、最終段出力であるイネーブル信号ENは、先頭カラムアドレスの良又は不良に対応して、“0”又は“1”となる。
以下カラム選択のアドレスインクリメントに従って、クロック信号CLKが出力されて、データ保持回路32の不良カラムアドレスデータが順次入力され、イネーブル信号ENが1カラムずつ出力されるという動作が行われる。
具体的に、データ読み出し動作時の不良カラム置換制御の動作を次に説明する。
図5はデータ読み出し動作制御のアルゴリズムを示し、図6はタイミング図を示している。コマンドラッチイネーブル信号CLEと共にデータ読み出しを指示するコマンド(例えば、“00h”)が入力されると、コントローラ7は読み出し動作制御を開始する。アドレスラッチイネーブル信号ALEに続いて読み出しアドレス(ブロックアドレスとブロック内のページアドレス)が入力されると、コントローラ7はこれをアドレスレジスタ6に転送して保持させる(ステップS1)。
つづいて、コマンドラッチイネーブル信号CLEと共に読み出し開始コマンド(例えば、“30h”)が入力され、これがコントローラ7に設定されると(ステップS2)、ステータスレジスタ9がR/B=“L”(ビジー)出力状態に設定され(ステップS3)、メモリセルアレイの選択ページの読み出し動作が行われる(ステップS4)。
図6に示すように、タイミングt0でビジー信号R/B=“L”が出力され、その間にメモリセルアレイの選択ページのセルデータは、センスアンプ回路3に読み出される。この読み出し動作の間に、コントローラ7からは不良カラムデータ出力クロック信号CLKが出力され(タイミングt1)、不良カラム切り離しデータ保持回路32の先頭カラムから8カラム分のカラムアドレスデータがシフトレジスタ34に読み出される。図6には、この出力クロックCLKに同期して、シフトレジスタ34に、データ保持回路(BC0,BC1,…)32の不良カラム切り離しデータが転送される様子を示している。ここで、“0”は正常、“1”は不良を示すものとする。
なお、データ出力動作が開始される前のデータ保持回路32からシフトレジスタ34への8ビットデータの転送は、一つの不良カラム出力クロック信号CLKにより並列に同時転送するものであってもよい。
メモリセルアレイ1からセンスアンプ回路3への読み出し動作が終わると、R/B=“H”(レディ)が出力される(タイミングt2,ステップS5)。以下、センスアンプ回路3の読み出しデータを1バイトずつシリアル転送して出力する動作が行われる(ステップS6)。
読み出しデータ出力動作は、図6に示すように、外部から供給される制御信号である読み出しイネーブル信号REnに同期して、アドレスレジスタ6内のカウンタによって、カラムアドレスがインクリメントされる。そして、このカラムアドレスインクリメントと同期して、コントローラ7からは不良カラム出力クロックCLKが出力され、シフトレジスタ34に順次不良カラム切り離しデータが転送される。このシフトレジスタ34の最終段出力によって、以下に説明するように不良カラムをスキップする動作が行われる。
図7は、読み出しデータ出力時の8ビットシフトレジスタ34の状態変化と、これによる不良カラムスキップの制御動作を示している。図7の“カラム0選択”の状態は、読み出しデータ出力動作開始時の初期状態(タイミングt2)であり、シフトレジスタ34には、先頭から8カラム分のデータ保持回路(BC0−BC7)の不良カラム切り離しデータが保持されている。ここでは、第3カラム(BC2)と第6カラム(BC5)が不良(データ“1”)である場合を示している。
シフトレジスタ34の最終段出力が、カラムデコーダ4のイネーブル信号ENとして用いられる。図7のカラム0が選択された初期状態では、イネーブル信号は、EN=“0”である。これにより、カラムデコーダの出力は活性化され、先頭カラム0を選択するカラム選択信号はCSL0=“H”となる。このカラム選択信号CSL0により第1カラムの読み出しデータが選択されて出力される。
次にカラム1が選択されると、シフトレジスタ34は1ビットずつデータがシフトされると共に、カラム9対応のデータ保持回路(BC8)の不良カラム切り離しデータが入力される。その最終段出力は“0”(EN=“0”)であり、これにより第2カラム選択信号CSL1=“H”が出力される。
次に、カラム2が選択されると、シフトレジスタ34の最終段出力はEN=“0”となり、これはカラムデコーダを出力禁止状態にする。即ち、カラム2は不良であって、カラム選択信号CSL2が出力されず、その読み出しデータは出力されない。
以下、同様の動作が行われる。図6では、カラム6までのカラム選択状態を示している。この様に、読み出しイネーブル信号REnに同期したカラムアドレスインクリメントに従って、不良カラムはスキップし、正常カラムの読み出しデータのみを出力するという出力制御が行われる。
図8は、この実施の形態での不良カラム置換の様子を示している。比較のため、図9は、対応する従来方式での不良カラム置換の様子を示している。この例では、カラム数が2048(11ビットのカラムアドレスCA0−CA10で選択される)であり、カラム2,5が不良であるとしている。また、冗長カラムとして、RD0−RD7の8カラムが用意されているものとする。
従来方式では、図9に示すように、不良カラム2,5が選択されたとき、それぞれが冗長カラムRD0,RD1により置換される。これに対してこの実施の形態では、図8に示すように、不良カラム2,5が選択されると、これらのカラムはスキップされる。結果として、冗長カラムRD0,RD1がカラム2046,2047として選択されることになる。
この実施の形態のような不良カラムスキップを行うためには、12ビットのカラムアドレスカウントを備え、内部でのカラムアドレスインクリメントにより、2048カラムと8個の冗長カラムRD0−RD7を順次選択できること、従ってこれらには12ビットの内部カラムアドレスがCA0−CA11が、2056カラムまで選択できるように割り付けられていることが必要である。また、読み出しイネーブル信号REnについても、必要なカラム数に冗長カラム数を加えた回数のトグルが必要となる。
データ書き込みの場合には、1ページの書き込みデータをセンスアンプ回路3にロードする動作において、読み出しデータ出力の場合と同様の不良カラムスキップが行われるようにする。
図10は、データ書き込み制御のアルゴリズムを示している。書き込みコマンド(例えば、“80h”)がセットされて、コントローラ7は書き込み動作制御を開始する。最初に、ステータスレジスタ9がR/B=“L”(ビジー)状態に設定され(ステップS11)、続いて、図6で説明したデータ読み出し時と同様の読み出しクロックCLKにより、データ保持回路32の8カラム分の不良カラム切り離しデータがシフトレジスタ34に読み出される(ステップS12)。この不良カラムアドレスデータは、先のデータ読み出しの場合と同様に、書き込みデータをロードするときに、不良カラムスキップ動作に用いられるものである。
R/B=“H”(レディ)になると(ステップS13)、これを受けて外部から入力される書き込みアドレスがアドレスレジスタ6にセットされる(ステップS14)。次いで、1ページの書き込みデータがセンスアンプ回路3にロードされる(ステップS15)。
この書き込みデータロードは、読み出しデータ出力動作と同様のカラムアドレスインクリメントを伴って、1バイトずつ書き込みデータがシリアル転送されて、センスアンプ回路にロードされる。このデータロードの動作で、データ出力動作と同様に、カラムアドレスインクリメントと同期してデータ保持回路32の不良カラム切り離しデータがシフトレジスタ34に読み出され、このシフトレジスタ34の最終段出力の“0”,“1”により、不良カラムスキップ制御が行われる。
書き込みデータがロードされた後、書き込み開始コマンド(例えば、“10h”)がセットされると(ステップS16)、センスアンプ回路の書き込みデータに基づいてメモリセルアレイの選択ページへの書き込みが行われる(ステップS17)。この書き込みは、よく知られているように、書き込み電圧印加と書き込みベリファイとを繰り返すことにより、行われる。
以上のようにこの実施の形態によれば、格別の不良アドレス記憶回路やアドレス比較回路を用いることなく、不良カラム置換制御が可能である。従ってNAND型フラッシュメモリの面積削減が可能になる。また、従来方式におけるようなアドレス比較回路に起因するアドレス信号転送の遅延がないため、高速のアクセスが可能になる。
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、AND型、DINOR型等、他の形式のフラッシュメモリにも同様にこの発明を適用することができる。
この発明の実施の形態によるフラッシュメモリの機能ブロック構成を示す図である。 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。 同フラッシュメモリの各カラムに付属する不良カラム切り離しデータ保持回路を示す図である。 不良カラム切り離しデータ保持回路と、そのデータが読み出されるシフトレジスタを示す図である。 同フラッシュメモリのデータ読み出し制御のアルゴリズムを示す図である。 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。 データ読み出し時のカラムアドレスインクリメントによるシフトレジスタのデータ状態変化を示す図である。 同フラッシュメモリの不良カラム置換の様子を示す図である。 従来方式による不良カラム置換の様子を図8と対比させて示す図である。 同フラッシュメモリのデータ書き込み制御のアルゴリズムを示す図である。
符号の説明
1…メモリセルアレイ、2…ロウデコーダ、3…センスアンプ回路、4…カラムデコーダ、5…I/Oバッファ、6…アドレスレジスタ、7…コントローラ、8…内部電圧発生回路、9…ステータスレジスタ、10…データバス、31…ベリファイ判定回路、32…不良カラム切り離しデータ保持回路、33…転送回路、34…シフトレジスタ。

Claims (5)

  1. 電気的書き換え可能な不揮発性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データ読み出しを行うセンスアンプ回路と、
    前記メモリセルアレイの各カラムの良否を示すデータを保持する第1のデータ保持回路と、
    前記第1のデータ保持回路から読み出されたデータを保持し、その出力により不良カラムアドレスをスキップする制御を行う第2のデータ保持回路とを有する
    ことを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 前記センスアンプ回路は、書き込みベリファイの結果を判定するためのベリファイ判定回路を有し、
    前記第1のデータ保持回路は、前記ベリファイ判定回路に付属して設けられて、カラム毎に前記ベリファイ判定回路の活性又は非活性を決定する不良カラム切り離しデータを保持する
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 前記第2のデータ保持回路はシフトレジスタであり、前記第1のデータ保持回路のデータは、読み出し及び書き込み時に内部カラムアドレスをインクリメントするための外部制御信号に従って順次読み出されて前記シフトレジスタにシリアル入力され、このシフトレジスタの出力により読み出し及び書き込み時に不良カラムアドレスをスキップする制御が行われる
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  4. 前記メモリセルアレイのカラム選択を行うカラムデコーダと、
    前記メモリセルアレイの読み出し及び書き込みの動作制御を行うコントローラとを更に備え、
    前記コントローラは、読み出し及び書き込み時に内部カラムアドレスをインクリメントするための外部制御信号に従って前記第1のデータ保持回路のデータを順次読み出してこれを前記第2のデータ保持回路にシリアル転送する制御を行い、
    前記第2のデータ保持回路の出力が前記カラムデコーダの活性、非活性を制御する
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。
  5. 前記メモリセルアレイは、それぞれ直列接続された複数のメモリセルを含む複数の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記載の半導体記憶装置。
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