JP2007058973A - 半導体集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 データの消去を電気的に行う不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路において、メモリセルに印加される書き込み電圧の低下を防止して書き込み速度を改善する。
【解決手段】 この半導体集積回路は、2次元アレイ状に配置された複数のメモリセルと、行選択信号をワードラインに出力する行選択信号出力回路50と、列選択信号をカラムラインに出力する列選択信号出力回路30と、行選択信号出力回路から出力される行選択信号と列選択信号出力回路から出力される列選択信号とに基づいて、複数のメモリセルの内から少なくとも1つのメモリセルを選択する選択回路と、選択回路によって選択された少なくとも1つのメモリセルに対して、少なくとも1つのビットラインを介してデータを書き込み、又は、データを読み出す書き込み/読み出し回路70とを具備する。
【選択図】 図1
【解決手段】 この半導体集積回路は、2次元アレイ状に配置された複数のメモリセルと、行選択信号をワードラインに出力する行選択信号出力回路50と、列選択信号をカラムラインに出力する列選択信号出力回路30と、行選択信号出力回路から出力される行選択信号と列選択信号出力回路から出力される列選択信号とに基づいて、複数のメモリセルの内から少なくとも1つのメモリセルを選択する選択回路と、選択回路によって選択された少なくとも1つのメモリセルに対して、少なくとも1つのビットラインを介してデータを書き込み、又は、データを読み出す書き込み/読み出し回路70とを具備する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、データの消去を電気的に行う不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路に関する。
消去及び書き込みを何度でも行うことのできる不揮発性メモリとして、EPROMが広く用いられている。EPROMには、記憶内容の消去に紫外線を用いるUV−EPROMと、電気的に記憶内容を消去できるEEPROMとが存在する。EEPROM(エレクトロニカリー・イレーサブル・プログラマブル・リードオンリーメモリ)は、電気的に記憶内容を消去できるので便利である反面、大容量のデータを記憶するためにはメモリのサイズが大きくなってしまうという問題がある。また、近年、EEPROMにおいてデータの書き込み及び読み出しに要する時間を、SRAM(スタティック・ランダムアクセスメモリ)並みに高速化するための開発が進められている。
図7は、従来のEEPROMにおけるメモリセルとカラム選択スイッチの配置を示すブロック図である。図7に示すように、複数組のワードライン(WL0/WL0バー、・・・、WLn/WLnバー)及び複数のビットライン(BL0、・・・、BLk)に接続された複数のメモリセル201が、2次元アレイ状に設置されている。各列のメモリセルに接続されているビットラインは、1組のカラムラインCL及びCLバーを介して供給される列選択信号によって制御されるカラム選択スイッチ202を介して、書き込み/読み出し回路に選択的に接続される。カラム選択スイッチ202としては、一般的に、PチャネルMOSトランジスタとNチャネルMOSトランジスタとによって構成されるアナログスイッチ(トランスミッションゲート)が用いられる。
例えば、データのビット数が8ビットであるとして、所望の8個のメモリセル201にデータの書き込みを行う際には、書き込みが行われる8個のメモリセル201を選択するために、1組のワードラインに行選択信号が供給されると共に、1組のカラムラインに列選択信号が供給される。1組のカラムラインを介して列選択信号が供給された8個のカラム選択スイッチ202がオンすることにより、所望の8個のメモリセル201が選択されて、8本のビットラインを介して書き込み/読み出し回路に接続される。
選択された8個のメモリセル201に対し、8本のビットラインを介して書き込み電圧をそれぞれ印加することにより、8個のメモリセル201にデータが書き込まれる。データの書き込みにおいては、チャネルホットエレクトロンを利用する手法が用いられ、各メモリセルにおいてデータを記憶するトランジスタのドレイン・ソース間に高電圧を供給して大電流を流すことにより、衝突電離で生じた高エネルギー電子をフローティングゲートに注入する。これにより、該トランジスタのしきい電圧が高い方に移動するので、書き込まれたデータを読み出すことができる。
しかしながら、このように書き込み/読み出し回路とメモリセル201とを接続するビットラインの経路にカラム選択スイッチが設けられていると、メモリセル201の書き込み電圧を供給する際に、カラム選択スイッチ202を構成するトランジスタのオン抵抗によって電圧降下が生じ、メモリセル201に所望の書き込み電圧が印加されなくなって、書き込み時間が長くなるという問題があった。
関連する技術として、下記の特許文献1には、書き込み特性の改善を図った不揮発性の半導体記憶装置が開示されている。この半導体記憶装置においては、フローティングゲートに情報電荷を注入することにより書き込み動作が行われる記憶素子が、ワード線とデータ線の交点にマトリックス配線を備えており、データ線の選択動作を行うYゲートを介して設けられる書き込み負荷回路の出力電圧が、上記データ線に含まれる抵抗成分による電圧効果分を補うように調整可能とされる。
特許文献1によれば、データ線の抵抗成分による電圧降下分を書き込み負荷回路側で補償することにより記憶素子の書き込み特性を改善することができるが、データ線の抵抗成分やカラム選択スイッチを構成するトランジスタのオン抵抗による電圧降下は避けられず、回路の複雑化や消費電流の増加という問題が存在する。
特開平6−150670号公報(第2頁、図1)
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、データの消去を電気的に行う不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路において、メモリセルに印加される書き込み電圧の低下を防止して書き込み速度を改善することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る半導体集積回路は、データの消去を電気的に行う不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路であって、2次元アレイ状に配置された複数のメモリセルと、複数のメモリセルにおける行の選択を制御する行選択信号をワードラインに出力する行選択信号出力回路と、複数のメモリセルにおける列の選択を制御する列選択信号をカラムラインに出力する列選択信号出力回路と、行選択信号出力回路から出力される行選択信号と列選択信号出力回路から出力される列選択信号とに基づいて、複数のメモリセルの内から少なくとも1つのメモリセルを選択する選択回路と、選択回路によって選択された少なくとも1つのメモリセルに対して、少なくとも1つのビットラインを介してデータを書き込み、又は、データを読み出す書き込み/読み出し回路とを具備する。
ここで、選択回路が、少なくとも1つのメモリセルを選択するためのセル選択信号を伝送する第1のサブワードラインと、反転されたセル選択信号を伝送する第2のサブワードラインとによって、少なくとも1つのメモリセルに接続されていても良い。また、半導体集積回路が、複数のメモリセルに各々が接続された複数の選択回路を具備するようにしても良い。
本発明によれば、行選択信号出力部から出力される行選択信号と列選択信号出力部から出力される列選択信号とに基づいて少なくとも1つのメモリセルを選択する選択回路を用いる構成としたことにより、従来用いられていたカラム選択スイッチを排除して、メモリセルに印加される書き込み電圧の低下を防止すると共に、書き込み速度を改善することが可能である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体集積回路に内蔵されている不揮発性メモリの構成を示すブロック図である。不揮発性メモリとしては、電気的に記憶内容を消去できるEEPROMが用いられる。
図1は、本発明の一実施形態に係る半導体集積回路に内蔵されている不揮発性メモリの構成を示すブロック図である。不揮発性メモリとしては、電気的に記憶内容を消去できるEEPROMが用いられる。
図1に示すように、半導体集積回路1は、コントロール回路10と、Yプリデコーダ20と、カラムドライバ30と、Xプリデコーダ40と、WLデコーダ50と、メモリセルアレイ60と、センスアンプ/プログラムドライバ70と、データ入力回路81と、データ出力回路82と、電源切換回路90とを有している。メモリセルアレイ60には、複数のメインワードラインMWL、複数のビットラインBL、複数のカラムラインCLが接続されており、メモリセルアレイ60において、データの消去、書き込み、読み出しが行われる複数のメモリセルが、2次元アレイ状に配置されている。
コントロール回路10は、メモリセルアレイ60におけるデータの消去、書き込み、読み出しを制御するための各種のコントロール信号を受信して、不揮発性メモリの各部を制御する。Yプリデコーダ20は、コントロール回路10の制御の下で、指定されたメモリセルの列を表す信号を生成してカラムドライバ30に出力する。カラムドライバ30は、この信号に基づいて列選択信号を生成し、カラムラインCLを介してメモリセルアレイ60に供給する。
同様に、Xプリデコーダ40は、コントロール回路10の制御の下で、指定されたメモリセルの行を表す信号を生成してWLデコーダ50に出力する。WLデコーダ50は、この信号に基づいて行選択信号を生成し、メインワードラインMWLを介してメモリセルアレイ60に供給する。
センスアンプ/プログラムドライバ70は、複数のビットラインを介してメモリセルアレイ60に接続され、選択されたメモリセルに対してデータの書き込み又は読み出しを行う。データ入力回路81は、選択されたメモリセルに書き込まれるデータを外部から入力し、データ出力回路82は、選択されたメモリセルから読み出されたデータを外部に出力する。
電源切換回路90は、コントロール回路10の制御の下で、供給される複数種類の電源電圧を、カラムドライバ30、WLデコーダ50、メモリセルアレイ60、センスアンプ/プログラムドライバ70、及び、その他の回路に選択的に供給する。特に、電源切換回路90は、VERスイッチ91と、VPSスイッチ92とを含んでいる。
VERスイッチ91は、メモリセルアレイ60におけるデータ消去のために用いられる消去電圧VER(本実施形態においては、20Vとする)を外部から供給され、消去動作において20Vを選択的に出力し、それ以外の動作において0Vを選択的に出力する。
また、VPSスイッチ92は、メモリセルアレイ60におけるデータ書き込みのために用いられる書き込み用電源電圧VPP(本実施形態においては、8Vとする)と通常の電源電圧VDD(本実施形態においては、3Vとする)とを外部から供給され、内部電源電圧VPSとして、書き込み動作において8Vを選択的に出力し、それ以外の動作において3Vを選択的に出力する。
図2は、本発明の一実施形態において用いられるメモリセルアレイの内部構造を示すブロック図である。メモリセルアレイ60は、複数組のサブワードライン(SWL00/SWL00バー、・・・、SWLnm/SWLnmバー)と、複数のビットライン(BL0、・・・、BLk)と、それらのサブワードライン及びビットラインに接続された複数のメモリセル61と、行選択信号が供給される複数のメインワードライン(MWL0、・・・、MWLn)と、列選択信号が供給される複数のカラムライン(CL0、・・・、CLm)と、それらのワードラインとカラムラインとが交差する位置に配置され、少なくとも1つのメモリセル61を選択するセル選択信号をサブワードラインに出力するSWL選択回路62とを有している。以下においては、データのビット数が8ビットであるとし、その場合には、1つのSWL選択回路62に8個のメモリセル61が接続され、これら8個のメモリセル61が一度に選択される。
次に、図1及び図2を参照しながら、半導体集積回路1に内蔵されている不揮発性メモリの動作について説明する。
データの消去、書き込み、読み出しを行う際には、コントロール回路10が、コントロール信号に従って、不揮発性メモリの各部を制御する。コントロール回路10は、コントロール信号によって指定されたメモリセルの列を指定する列アドレス信号をYプリデコーダ20に出力し、該メモリセルの行を指定する行アドレス信号をXプリデコーダ40に出力する。
データの消去、書き込み、読み出しを行う際には、コントロール回路10が、コントロール信号に従って、不揮発性メモリの各部を制御する。コントロール回路10は、コントロール信号によって指定されたメモリセルの列を指定する列アドレス信号をYプリデコーダ20に出力し、該メモリセルの行を指定する行アドレス信号をXプリデコーダ40に出力する。
コントロール回路10から列アドレス信号を受信したYプリデコーダ20は、列アドレス信号をデコードすることにより、指定されたメモリセルの列を表す信号を生成し、この信号をカラムドライバ30に出力する。カラムドライバ30は、この信号に基づいて列選択信号を生成し、図2に示すカラムラインCL0、・・・、CLmの内の少なくとも1つに列選択信号を出力する。
同様に、コントロール回路10から行アドレス信号を受信したXプリデコーダ40は、行アドレス信号をデコードすることにより、指定されたメモリセルの行を表す信号を生成してWLデコーダ50に出力する。WLデコーダ50は、この信号に基づいて行選択信号を生成し、図2に示すメインワードラインMWL0、・・・、MWLnの内の少なくとも1つに行選択信号を出力する。
図2に示すSWL選択回路62は、カラムドライバ30からカラムラインを介して列選択信号が入力されWLデコーダ50からメインワードラインを介して行選択信号が入力されると、当該SWL選択回路62に接続されているサブワードラインにセル選択信号を出力し、当該サブワードラインに接続されている8個のメモリセルを選択状態とする。
データの消去を行う場合には、コントロール回路10の制御の下で、電源切換回路90が20Vの消去電圧VERを出力することにより、メモリセルアレイ60に20Vの消去電圧VERが印加され、メモリセルアレイ60に含まれている複数のメモリセルにおいてデータの消去が行われる。
また、データの書き込みを行う場合には、コントロール回路10の制御の下で、電源切換回路90が8Vの内部電源電圧VPSを出力することにより、メモリセルアレイ60に8Vのコントロールゲート電圧VCGが印加される。データ入力回路81は、入力された8ビットのデータをセンスアンプ/プログラムドライバ70に出力する。センスアンプ/プログラムドライバ70が、入力された8ビットのデータに応じた書き込み電圧をビットラインに印加すると、選択された8個のメモリセルに8ビットのデータが書き込まれる。
一方、データの読み出しを行う場合には、コントロール回路10の制御の下で、電源切換回路90が3Vの内部電源電圧VPSを出力する。これに基づいて、センスアンプ/プログラムドライバ70が、例えば1Vの電圧をビットラインに印加して、流れる電流を検出することにより、選択された8個のメモリセルから8ビットのデータを読み出す。また、センスアンプ/プログラムドライバ70は、読み出された8ビットのデータをデータ出力回路82に出力し、データ出力回路82は、入力された8ビットのデータを外部に出力する。
図3は、図2に示すSWL選択回路の構成を示す回路図である。図3に示すように、SWL選択回路62は、PチャネルMOSトランジスタQP21及びQP22とNチャネルMOSトランジスタQN21及びQN22とによって構成されるNAND回路と、PチャネルMOSトランジスタQP23とNチャネルMOSトランジスタQN23とによって構成されるインバータとを含んでいる。
SWL選択回路62は、電源切換回路90から内部電源電圧VPSを供給されて動作し、メインワードラインMWLを介して入力される行選択信号とカラムラインCLを介して入力される列選択信号との論理積を求めて、その結果を表す差動信号をサブワードラインSWL及びSWLバーに出力する。このように、本実施形態においては、従来のEEPROMにおいてビットライン上に設けられていたカラム選択スイッチ(図7の202)を削除することができるので、メモリセル61とセンスアンプ/プログラムドライバ70(図1)とが直結されて、カラム選択スイッチを構成するトランジスタのオン抵抗による書き込み電圧の降下を防止することができる。
図4は、図2に示すメモリセルの構成を示す回路図である。情報を記憶するためのNチャネルMOSトランジスタQN10と、消去動作において用いられるPチャネルMOSトランジスタQP11と、コントロールゲートとして用いられるNチャネルMOSトランジスタQN11とは、共通のゲート(フローティングゲート)を有している。トランジスタQN10のソースは接地されており、ドレインは、PチャネルMOSトランジスタQP12とNチャネルMOSトランジスタQN12とによって構成されるアナログスイッチ(トランスミッションゲート)を介して、ビットラインBLに接続されている。
トランジスタQP11のソースとドレインとは互いに接続されており、消去動作において、消去電圧VER(20V)が印加される。これにより、トランジスタQP11は、フローティングゲートとチャネルとの間にFNトンネル電流を流すための消去素子として機能する。また、トランジスタQN11のソースとドレインとは互いに接続されてコントロールゲートとして機能し、書き込み動作において、コントロールゲート電圧VCGとして8Vがコントロールゲートに印加される。
アナログスイッチを構成するトランジスタQP12及びQN12のゲートには、サブワードラインSWLバー及びSWLがそれぞれ接続されている。このメモリセル61に対してデータの書き込み又は読み出しを行う際には、サブワードラインSWLバーにローレベルのセル選択信号が供給されると共に、サブワードラインSWLにハイレベルのセル選択信号が供給されて、アナログスイッチがオンすることにより、トランジスタQN10のドレインがビットラインに接続される。これにより、このメモリセル61は選択状態となり、それ以外の場合には、アナログスイッチがオフして、メモリセルは非選択状態となる。
図5は、図4に示すメモリセルの構造を示す平面図である。また、図6は、図4に示すメモリセルの構造を示す断面図であって、(a)はA−A’面における断面図であり、(b)はB−B’面における断面図である。
図5及び図6に示すように、P型半導体基板100内には、トランジスタQN11のソース・ドレインとなるn+不純物拡散領域101及び102と、トランジスタQN10のソース・ドレインとなるn+不純物拡散領域103及び104と、Nウエル105が形成されており、Nウエル105内には、トランジスタQP11のソース・ドレインとなるp+不純物拡散領域106及び107が形成されている。
また、P型半導体基板100の電位を固定するために、p+不純物拡散領域120が形成されており、Nウエル105の電位を固定するために、n+不純物拡散領域121が形成されている。これらの不純物拡散領域は、スルーホールを介してそれぞれの配線に接続されている。
P型半導体基板100上には、ゲート絶縁膜119を介してフローティングゲート118が形成されている。また、トランジスタQN11のソース・ドレイン101及び102によってコントロールゲートが構成される。図6においては、フローティングゲート118とコントロールゲートとの間に形成される容量を、コンデンサとして表している。
データの消去を行う際には、例えば、メモリセルアレイに含まれている全てのメモリセルが選択され、情報を記憶するためのトランジスタQN10のドレイン104がビットラインBLに接続される。また、ビットラインBLは、0Vに固定される。さらに、コントロールゲート電圧VCGが0Vとなり、消去電圧VER(20V)が印加される。
図6の(b)に示すように、消去素子として機能するトランジスタQP11のソース106とドレイン107に、正の高電圧20Vが印加される。これにより、フローティングゲート118とNウエル105のチャネルとの間に高電界が発生するので、トンネル効果によってFN(Fowler-Nordheim)トンネル電流が流れる。即ち、フローティングゲート118からゲート絶縁膜119を介してNウエル105のチャネルに向けて電子が移動して、フローティングゲートが正に帯電する。その結果、情報を記憶するためのトランジスタQN10のしきい電圧が低下し、これによって記憶内容の消去が行われる。
データの書き込みを行う際には、選択されるメモリセルに接続されているSWL選択回路62(図3)に、メインワードラインMWLを介して行選択信号として8Vが印加され、カラムラインCLを介して列選択信号として8Vが印加されるので、SWL選択回路62は、サブワードラインSWLを8Vとし、サブワードラインSWLバーを0Vとする。
サブワードラインSWL及びSWLバーの電圧は、選択されるメモリセルに供給される。選択されるメモリセル61(図4)において、トランジスタQP12及びQN12によって構成されるアナログスイッチがオンする。これによって、情報を記憶するためのトランジスタQN10のドレイン104がビットラインBLに接続される。ビットラインBLには、記憶すべきデータ「0」又は「1」に従って、0V又は8Vが供給される。
ビットラインBLに8Vが供給される場合には、選択されたメモリセルのトランジスタQN10のドレイン104に8Vが印加され、一方、ソース103は0Vとなっている。また、コントロールゲート電圧VCGは、8Vとなっている。図6の(a)において、トランジスタQN10のソース103からチャネルを介してドレイン104に向けて電子が移動することにより大電流が流れ、衝突電離で生じた高エネルギー電子(ホットエレクトロン)がフローティングゲート118に注入される。
その結果、フローティングゲート118が負に帯電するので、情報を記憶するためのトランジスタQN10のしきい電圧が上昇し、これによって情報が記憶される。一方、ビットラインBLに0Vが供給される場合には、選択されたメモリセルのトランジスタQN10にドレイン電流が流れないので、QN10のしきい電圧は消去状態のまま変化しない。
ここで、データの書き込みのためにビットラインBLには大きい電圧を印加する必要がある。本実施形態においては、ビットラインがカラム選択スイッチ(図7の202)を介さずにメモリセルに接続されているので、カラム選択スイッチを構成するトランジスタのオン抵抗による電圧降下が発生しない。これによって、メモリセルに印加される書き込み電圧を従来よりも高くでき、書き込み速度(プログラム速度)を短縮することも可能となる。
データの読み出しを行う際には、選択されるメモリセルに接続されているSWL選択回路62(図3)に、メインワードラインMWLを介して行選択信号として3Vが印加され、カラムラインCLを介して列選択信号として3Vが印加されるので、SWL選択回路62は、サブワードラインSWLを3Vとし、サブワードラインSWLバーを0Vとする。
サブワードラインSWL及びSWLバーの電圧は、選択されるメモリセルに供給される。選択されるメモリセル61(図4)において、トランジスタQP12及びQN12によって構成されるアナログスイッチがオンする。これによって、情報を記憶するためのトランジスタQN10のドレイン104がビットラインBLに接続される。ビットラインBLには、書き込み動作におけるよりも低い電圧(本実施形態においては、1V)が供給される。
ビットラインBLに供給された1Vは、情報を記憶するためのトランジスタQN10のドレイン104に印加され、一方、ソース103は0Vとなっている。また、コントロールゲート電圧VCGは、0Vとなっている。消去後においては、フローティングゲートが正に帯電しているので、図6の(a)において、トランジスタQN10のソース103からドレイン104に電子が移動して、ドレイン電流が流れる。
一方、書き込み後においては、フローティングゲートが負に帯電しているので、トランジスタQN10のソース103からドレイン104に電子が移動せず、ドレイン電流は流れない。このように、ドレイン電流が流れるか流れないかによって、記憶されている情報の読み出しを行うことができる。この情報は、ビットラインBLを通して、図1に示すセンスアンプ/プログラムドライバ70によって読み取られ、データ出力部82から外部に出力される。
1 半導体集積回路、 10 コントロール回路、 20 Yプリデコーダ、 30 カラムドライバ、 40 Xプリデコーダ、 50 WLデコーダ、 60 メモリセルアレイ、 61 メモリセル、 62 SWL選択回路、 70 センスアンプ/プログラムドライバ、 81 データ入力回路、 82 データ出力回路、 90 電源切換回路、 91 VERスイッチ、 92 VPSスイッチ、 100 P型半導体基板、 101〜104、106、107、120、121 不純物拡散領域、 105 Nウエル、 118 フローティングゲート、 119 ゲート絶縁膜、 QP11〜QP23 PチャネルMOSトランジスタ、 QN10〜QN23 NチャネルMOSトランジスタ
Claims (3)
- データの消去を電気的に行う不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路であって、
2次元アレイ状に配置された複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルにおける行の選択を制御する行選択信号をワードラインに出力する行選択信号出力回路と、
前記複数のメモリセルにおける列の選択を制御する列選択信号をカラムラインに出力する列選択信号出力回路と、
前記行選択信号出力回路から出力される行選択信号と前記列選択信号出力回路から出力される列選択信号とに基づいて、前記複数のメモリセルの内から少なくとも1つのメモリセルを選択する選択回路と、
前記選択回路によって選択された少なくとも1つのメモリセルに対して、少なくとも1つのビットラインを介してデータを書き込み、又は、データを読み出す書き込み/読み出し回路と、
を具備する半導体集積回路。 - 前記選択回路が、少なくとも1つのメモリセルを選択するためのセル選択信号を伝送する第1のサブワードラインと、反転されたセル選択信号を伝送する第2のサブワードラインとによって、少なくとも1つのメモリセルに接続されている、請求項1記載の半導体集積回路。
- 複数のメモリセルに各々が接続された複数の選択回路を具備する、請求項1又は2記載の半導体集積回路。
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