JP2007172718A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 過消去セルのリーク電流の影響をなくして消去ベリファイを確実に行なうことのできる不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 第1のウェルに形成され、電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されたメモリセルと、第2のウェルに形成され、前記メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧を発生させるよう構成された基準セルとを備え、ベリファイ時に前記基準電圧を前記メモリセルに印加して前記メモリセルに格納された前記情報を読み出し、前記メモリセルのベリファイを行う不揮発性半導体記憶装置において、ベリファイ時に前記第1のウェルと前記第2のウェルとに同一のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を設ける。
【選択図】 図1
【解決手段】 第1のウェルに形成され、電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されたメモリセルと、第2のウェルに形成され、前記メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧を発生させるよう構成された基準セルとを備え、ベリファイ時に前記基準電圧を前記メモリセルに印加して前記メモリセルに格納された前記情報を読み出し、前記メモリセルのベリファイを行う不揮発性半導体記憶装置において、ベリファイ時に前記第1のウェルと前記第2のウェルとに同一のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を設ける。
【選択図】 図1
Description
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に係り、特にNOR型EEPROMの消去ベリファイに特徴を有する不揮発性半導体記憶装置に関する。
従来の不揮発性半導体記憶装置の一例として、NOR型EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM)の回路を図5に示す。図5(a)は回路図を、図5(b)は図5(a)の破線で囲まれた部分の断面構造図を示す。
NOR型EEPROMでは、メモリセルトランジスタM1,M2,…M6,…のソース同士は共通ソース線(SL)に、ドレイン同士はビット線(BL2)に互いに並列に接線されており、メモリセルトランジスタM1,M2,…M6,…の各ゲートにはワード線WL1,WL2,…WL6,がそれぞれ接続されてNOR列が構成されている。また、このNOR列に隣接して他の複数のNOR列が配置されている。これらの複数のNOR列はアレイ状に構成され、半導体基板100内のPウェル300に形成されている。通常、ウェルの構造は2重になっており、P型半導体基板100に、N型不純物をドープしてNウェル200を形成し、さらにNウェル200の一部にP型不純物をドープしてPウェル300を形成する。N型のメモリセルトランジスタは、このPウェル300に形成される。
各メモリセルトランジスタM1,M2,…M6,…のコントロールゲートCG1,CG2,…CG6,…は、ワード線WL1,WL2,…WL6,…に接続されている。そしてメモリセルトランジスタM1,M2,…M6,…のフローティングゲートFG1,FG2,…FG6,…に電子を注入することによって書き込みが行なわれ、注入された電子をフローティングゲートFG1,FG2,…FG6,…から引き抜くことによって消去が行なわれる。
一般に書き込みは選択されたセルのワード線(WL)とビット線(BL)とに高電圧を印加し、共通ソース線(SL)をほぼ接地電位に保ち、基板100又はPウェル300を接地することにより、セルトランジスタのドレイン近傍でホットエレクトロンをフローティングゲート(FG)に注入することにより行なわれる。これをチャネルホットエレクトロン(CHE)方式と呼んでいる。
一方、消去は、ワード線(WL)を接地電位又は負電圧に保ち、ビット線(BL)をフローティングさせた状態で、基板100又はPウェル300を接地し、共通ソース線(SL)に高電圧を印加して、フローティングゲート(FG)からエレクトロンをソースに引き抜くことにより行なわれる。これを拡散層FNトンネル方式と呼んでいる。また消去は、ワード線(WL)を接地電位又は負電圧に保ち、ビット線(BL)及び共通ソース線(SL)をフローティングさせた状態でPウェル300に高電圧を印加して、フローティングゲート(FG)からエレクトロンを基板に引き抜くことによっても行なうことができる。これを基板FNトンネル方式と呼んでいる。
書き込みが行なわれるとメモリセルトランジスタのスレショルド電圧Vtが高くなり、消去が行なわれるとスレショルド電圧Vtは低くなる。
図6は書き込み又は消去が行なわれた後の書き込みセル又は消去セルのスレショルド電圧Vtの分布を示したものである。
一般に、書き込みはバイト(Byte)又はワード(Word)単位で行なわれるが、消去はすべてのメモリセルトランジスタについて一括して行なわれる。
図6は書き込み又は消去が行なわれた後の書き込みセル又は消去セルのスレショルド電圧Vtの分布を示したものである。
一般に、書き込みはバイト(Byte)又はワード(Word)単位で行なわれるが、消去はすべてのメモリセルトランジスタについて一括して行なわれる。
消去が完全に行なわれたか否かは、消去ベリファイと呼ばれる方法で検証される。消去ベリファイは、図6に示すように消去セルのスレショルド電圧Vteよりも大きい基準電圧VRをベリファイ対象のセルトランジスタのワード線(WL)に印加し、他のセルトランジスタのワード線を接地電位として読出しを行い、読出しがされれば消去が行なわれていると判断し、読出しがされない場合には、消去が不完全と判断して、再度の消去処理を行なう。
NOR型のEEPROMでは、図5に示すようにメモリセルが並列に配置されているため、セルの過消去(Over Erased)が問題となる。過消去とは、消去が過剰に行なわれた結果、消去セルのスレショルド電圧Vtが適正な範囲の下限を越えてしまうことである。図7は、消去ベリファイの結果、過消去が行なわれた消去セルがある場合の消去セルのスレショルド電圧の分布を示したものである。
図8は、NOR型のEEPROMの消去ベリファイにおいて、過消去のメモリセルが存在する場合の問題点を説明するための図である。図8においてメモリセル10を選択して消去ベリファイを行なっているとする。メモリセル10のコントロールゲートに接続されたワード線WL1には基準電圧VRが印加され、選択されていないメモリセル20のワード線WL2は接地電位とされる。
このとき、メモリセル20が適正な消去セルである場合には、メモリセル20はオフ状態にあるため、ビット線BLからメモリセル20を通って共通ソース線SLに流れる電流はない。そして選択されているメモリセル10が完全に消去セルとなっていれば、メモリセル10はオン状態となって読出しが行なわれ、その時にビット線BLからメモリセル10を通って流れる電流Ieが所望の値の範囲に入っていれば、消去ベリファイはパス、そうでない場合はフェイルと判断される。
この時、メモリセル20が過消去セルであった場合には、メモリセル20は完全にはオフ状態にならず、ビット線BLからメモリセル20を通ってリーク電流Ilが流れる。このリーク電流Ilはメモリセル10を流れる電流Ieと重畳されて検出されるため、メモリセル10を流れる電流Ieが小さく、本来ならば消去が完全に行なわれておらずフェイルと判断されるべきものが、見かけ上パスと判断されてしまう。
このような過消去セルの対策のために、消去後にソフトな書き戻しを行なうことも従来行なわれていた。
このような過消去セルの対策のために、消去後にソフトな書き戻しを行なうことも従来行なわれていた。
この場合、過消去のメモリセル20を流れるリーク電流Ilにより見かけ上消去ベリファイがパスしていた、本来は消去が十分でないメモリセル10のスレショルド電圧が、ソフトな書き戻しによるメモリセル20の過消去が解消されることにより基準値よりも高い本来のVtに戻ってしまうため、消去後の読み出しを行なった際にマージン不良を引き起こす懸念があった。
図9は、消去ベリファイ後とソフトな書き戻し後の消去セルのスレショルド電圧Vtの変化を示した図である。図9から明らかなように消去が不十分なメモリセル(Under erase bit)のために、消去セルのスレショルド電圧Vtの分布(ERS Vt分布)が値の高い方向に拡がっている。
過消去メモリセルによるリーク電流の影響を無くして消去ベリファイを行なうためには、過消去メモリセルがリーク電流を流さない状態を作り出す必要がある。そのために、メモリセルが形成されているPウェルに負電圧を印加してメモリセルにバックバイアスをかけ、それによってメモリセルのスレショルド電圧Vtを上げて、過消去メモリセルが非選択の時に、非選択メモリセルをオフ状態としてリーク電流を流さないようにする方法がある。
しかし、この方法では、選択され消去ベリファイを行ないたいメモリセルのスレショルド電圧もバックバイアス効果を受けて一緒に上昇してしまい、基準電圧VRを印加して消去ベリファイを行なうことが出来なくなってしまうという問題がある。
図10は、負電圧バイアスをかけたときの過消去セルと選択セルのワード線電圧(Vwl)とセルを流れる電流(Icell)との関係を示したものである。
図10から明らかなように、負電圧バイアスにより過消去セルのリーク電流は消えるものの選択セルのスレショルド電圧も上昇し、同一の電圧(EVlevel)をワード線に印加したときの読み出し電流が減少してしまい、消去ベリファイが出来なくなってしまう。
図10から明らかなように、負電圧バイアスにより過消去セルのリーク電流は消えるものの選択セルのスレショルド電圧も上昇し、同一の電圧(EVlevel)をワード線に印加したときの読み出し電流が減少してしまい、消去ベリファイが出来なくなってしまう。
消去ベリファイに関しては、特許文献1乃至3に関連する記載がある。
特許文献1は、プログラムベリファイ方式に関するもので、プログラム(書き込み)されたセルの下限と上限とを規定する基準電圧(リファレンス電圧)を使用してベリファイを行なうものである。
特許文献1は、プログラムベリファイ方式に関するもので、プログラム(書き込み)されたセルの下限と上限とを規定する基準電圧(リファレンス電圧)を使用してベリファイを行なうものである。
特許文献2では、NANDフラッシュメモリの消去ベリファイ方式に関するので、消去されたセルのスレショルド電圧Vtをバックバイアスの影響なしに正確にベリファイするための方法について記載している。
特許文献3は、消去セルのスレショルド電圧Vtをデプレッションとし、読み出し時には、バックバイアスを与えることによりEEPROMの駆動能力を向上させることが記載されている。
特開2001−127176
特開2004−185688
特開2004−348802
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので過消去セルのリーク電流の影響を無くして、消去ベリファイを確実に行なうことの出来る不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様における不揮発性半導体記憶装置は、第1のウェルに形成され、電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されたメモリセルと、第2のウェルに形成され、前記メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧が印加されて比較電圧を発生させるよう構成された基準セルとを備え、ベリファイ時に前記基準電圧を前記メモリセルにも印加して前記メモリセルに格納された前記情報を読み出し、前記比較電圧と比較して前記メモリセルのベリファイを行う不揮発性半導体記憶装置において、ベリファイ時に前記第1のウェルと前記第2のウェルとに同一のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を設けたことを特徴とする。
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記バイアス印加手段は、負電圧を発生させる負電圧発生回路と、ベリファイのタイミング信号に応答して、前記負電圧発生回路で発生させた負電圧を所望の電圧レベルに調整して前記バイアス電圧として供給する負電圧バイアス回路と、から成ることを特徴とする。
また、本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記バイアス電圧を−1Vとすることを特徴とする。
さらに、本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記メモリセルがNOR型メモリ列として構成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記メモリセルがNOR型メモリ列として構成されていることを特徴とする。
本発明の第2の態様における不揮発性半導体記憶装置は、第1のウェルに形成され、電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されたメモリセルと、第2のウェルに形成され、前記メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧が印加されて比較電流を発生させるよう構成された基準セルとを備え、ベリファイ時に前記基準電圧を前記メモリセルにも印加し、前記メモリセルの流す電流を前記比較電流と比較して、前記メモリセルのベリファイを行う不揮発性半導体記憶装置において、ベリファイ時に前記第1のウェルと前記第2のウェルとに同一のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を設けたことを特徴とする。
本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記バイアス印加手段は、負電圧を発生させる負電圧発生回路と、ベリファイのタイミング信号に応答して、前記負電圧発生回路で発生させた負電圧を所望の電圧レベルに調整して前記バイアス電圧として供給する負電圧バイアス回路と、から成ることを特徴とする。
また、本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記バイアス電圧を−1Vとすることを特徴とする。
さらに、本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記メモリセルがNOR型メモリ列として構成されていることを特徴とする。
さらに、本発明の不揮発性半導体記憶装置において、前記メモリセルがNOR型メモリ列として構成されていることを特徴とする。
本発明では、ベリファイ時にメモリセルと基準セルとに同一のバックバイアス電圧を印加するため、メモリセルと基準セルとの間の相対関係は、バックバイアス電圧が印加されていない状態で消去ベリファイを行なう場合と同様に保たれる。したがって、過消去セルが存在していても、その影響を勘案することなく、所望の基準電圧を用いて、消去ベリファイを行なうことが出来る。
その結果、消去が不十分なセルは存在しなくなるので、その後の過消去セルの修正のためにソフトな書き戻しを行なっても何等問題は発生しない。
その結果、消去が不十分なセルは存在しなくなるので、その後の過消去セルの修正のためにソフトな書き戻しを行なっても何等問題は発生しない。
図1は本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置400の構成を示すブロック図である。
電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されるメモリセルはアレイ状に構成され、メモリセルアレイ(Memory Cell Array)404として半導体基板に形成されたPウェル409内に形成されている。また、メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧を発生させる基準セル(Reference Cell)405は、同様に半導体基板に形成されたPウェル410内に形成されている。
電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されるメモリセルはアレイ状に構成され、メモリセルアレイ(Memory Cell Array)404として半導体基板に形成されたPウェル409内に形成されている。また、メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧を発生させる基準セル(Reference Cell)405は、同様に半導体基板に形成されたPウェル410内に形成されている。
本発明の不揮発性半導体記憶装置は、負電圧発生回路401を備えており、所望の負電圧、例えば−1Vを発生させることができる。
なお、この負電圧発生回路401の具体的構成は周知であるので詳細説明は省略する。
なお、この負電圧発生回路401の具体的構成は周知であるので詳細説明は省略する。
本発明では、この負電圧発生回路401の出力を受けて、所望の負電圧、例えば−1Vをバックバイアス電圧として発生させる負電圧バイアス回路402,403を設けている。負電圧バイアス回路402の出力は、ベリファイ時にPウェル409に印加され、負電圧バイアス回路403の出力は、ベリファイ時にPウェル410に印加されるように構成されている。ベリファイを行なっていない通常の動作状態の時には、負電圧バイアス回路402,403の出力はPウェル409,410には印加されない。このように制御するためには、負電圧バイアス回路402,403を消去ベリファイ信号で駆動し、消去ベリファイ信号が入力された場合に、負電圧バイアス回路402,403の出力が負電圧(例えば−1V)を出力し、駆動されないときには0Vの出力となるようにしておけば良い。
メモリセルアレイ404からの出力は感知増幅器(Sense Amp)407で電流電圧変換されて比較回路408に出力される。また基準セルからの出力は感知増幅器(Sense Amp)406で電流電圧変換されて比較電圧として比較回路408に出力される。
消去ベリファイ時には、基準セル405に印加される基準電圧をメモリセルアレイ404の各メモリセルにも印加してメモリセルに格納された情報を読み出し、これを比較回路408に伝送する。
そして、比較回路408において、基準セル405からの比較電圧と比較することにより消去ベリファイを行なう。
なお、消去ベリファイの詳細な方法は周知であり、例えば特許文献1にも記載されているのでその詳細説明は省略する。
そして、比較回路408において、基準セル405からの比較電圧と比較することにより消去ベリファイを行なう。
なお、消去ベリファイの詳細な方法は周知であり、例えば特許文献1にも記載されているのでその詳細説明は省略する。
本発明では、この消去ベリファイ時にメモリセルアレイ404が形成されているPウェル409と、基準セル405が形成されているPウェル410に、ともに同一のバイアス電圧を印加することを特徴とする。
バイアス電圧の値としては、本実施例の場合には−1Vを用いたが、過消去セルのリーク電流を抑えることの出来るような適当な値を選ぶことができる。
バイアス電圧の値としては、本実施例の場合には−1Vを用いたが、過消去セルのリーク電流を抑えることの出来るような適当な値を選ぶことができる。
図2は、このようにしてメモリセルにバイアス電圧を印加したときの、ワード線電圧に対する読み出し電流の関係を示した図である。
図2の例は、セルを構成する半導体素子のドレイン電圧を0・6V、ソース電圧を0V、バックバイアス電圧を−1V印加した場合の、ワード線電圧とセルに流れる電流との関係を示している。
図2の例は、セルを構成する半導体素子のドレイン電圧を0・6V、ソース電圧を0V、バックバイアス電圧を−1V印加した場合の、ワード線電圧とセルに流れる電流との関係を示している。
(A)で示す曲線は、過消去によって消去ベリファイ時にリーク電流が発生するりーケージセルの場合を、(B)はリークの発生していないセルの場合を示したものである。
リーケージセルの場合スレショルド電圧Vtがバイアス電圧を印加しない状態では−0.5Vであったものがバイアス電圧を印加することにより0.8Vに変化している。
リーケージセルの場合スレショルド電圧Vtがバイアス電圧を印加しない状態では−0.5Vであったものがバイアス電圧を印加することにより0.8Vに変化している。
リークのないセルの場合バイアス電圧は印加されない状態で2・5Vであったものがバイアス電圧を印加することにより3.8Vに変化している。いずれの場合にもその変化は1.3Vで同一である。
このことからわかるようにバックバイアス電圧の印加によるスレショルド電圧の変化は過消去が行なわれたメモリセルであっても消去が行なわれていないセルであっても同一の値を示す。
このことからわかるようにバックバイアス電圧の印加によるスレショルド電圧の変化は過消去が行なわれたメモリセルであっても消去が行なわれていないセルであっても同一の値を示す。
したがってメモリセルと基準セルとの間の相対関係はバックバイアス電圧が印加されていない状態で消去ベリファイを行なう場合と同様に保たれる。
このことから過消去セルが存在していてもその影響を勘案することなく所望の基準電圧を用いて消去ベリファイが行なわれることがわかる。
このことから過消去セルが存在していてもその影響を勘案することなく所望の基準電圧を用いて消去ベリファイが行なわれることがわかる。
図3は図1に示す負電圧バイアス回路402,403の一例を示す回路図である。
また、図4は図3の回路における各部の動作を示すタイミング波形図である。
図3の回路で消去ベリファイ信号が端子301に印加されることにより端子302に−1Vのバイアス電圧が発生し、これがメモリセルアレイの形成されたPウェル及び基準セルの形成されたPウェルにともに印加される。
また、図4は図3の回路における各部の動作を示すタイミング波形図である。
図3の回路で消去ベリファイ信号が端子301に印加されることにより端子302に−1Vのバイアス電圧が発生し、これがメモリセルアレイの形成されたPウェル及び基準セルの形成されたPウェルにともに印加される。
なお、図3に示す電圧バイアス回路は一例であってさまざまの変形が可能である。
また、図1に示す実施例では負電圧バイアス回路402と403とを別々に設けているが、一つの電圧バイアス回路から両方のPウェルに対して同時に同一のバイアス電圧を供給することも可能である。
また、図1に示す実施例では負電圧バイアス回路402と403とを別々に設けているが、一つの電圧バイアス回路から両方のPウェルに対して同時に同一のバイアス電圧を供給することも可能である。
さらに、図3に示す負電圧バイアス回路では、図示しない負電圧発生回路から供給される−1Vの負電圧をそのまま負電圧供給端子303に印加してその電圧値と同一のバイアス電圧が端子302から出力されるように構成されているが、負電圧発生回路で発生された負電圧を所望の電圧レベルに調整してバイアス電圧として供給するように負電圧バイアス回路を構成することも可能である。
さらにバイアス電圧は過消去による消去ベリファイ時のリーク電流に応じて所望の値を選択することが可能であり通常−1V近辺の値に選ぶ。
また本実施例においては不揮発性半導体装置としてメモリセルがNOR型メモリ列を有する場合について適用した場合を説明したが、メモリセルがNOR型以外のメモリ列を有する場合においても適用が可能である。
401 負電圧発生回路
402,403 負電圧バイアス回路
404 メモリセルアレイ
405 基準セル
408 比較回路
409 Pウェル
410 Pウェル
402,403 負電圧バイアス回路
404 メモリセルアレイ
405 基準セル
408 比較回路
409 Pウェル
410 Pウェル
Claims (8)
- 第1のウェルに形成され、電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されたメモリセルと、第2のウェルに形成され、前記メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧が印加されて比較電圧を発生させるよう構成された基準セルとを備え、
ベリファイ時に前記基準電圧を前記メモリセルにも印加して前記メモリセルに格納された前記情報を読み出し、前記比較電圧と比較して前記メモリセルのベリファイを行う不揮発性半導体記憶装置において、
ベリファイ時に前記第1のウェルと前記第2のウェルとに同一のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を設けたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記バイアス印加手段は、
負電圧を発生させる負電圧発生回路と、
ベリファイのタイミング信号に応答して、前記負電圧発生回路で発生させた負電圧を所望の電圧レベルに調整して前記バイアス電圧として供給する負電圧バイアス回路と、から成ることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1又は2に記載の不揮発性半導体装置において、
前記バイアス電圧を−1Vとすることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の不揮発性半導体装置において、
前記メモリセルがNOR型メモリ列として構成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 第1のウェルに形成され、電気的に情報の書込み及び消去が可能な半導体素子から構成されたメモリセルと、第2のウェルに形成され、前記メモリセルの書込み及び消去のベリファイに必要な基準電圧が印加されて比較電流を発生させるよう構成された基準セルとを備え、
ベリファイ時に前記基準電圧を前記メモリセルにも印加し、前記メモリセルの流す電流を前記比較電流と比較して、前記メモリセルのベリファイを行う不揮発性半導体記憶装置において、
ベリファイ時に前記第1のウェルと前記第2のウェルとに同一のバイアス電圧を印加するバイアス印加手段を設けたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項5に記載の不揮発性半導体記憶装置において、
前記バイアス印加手段は、
負電圧を発生させる負電圧発生回路と、
ベリファイのタイミング信号に応答して、前記負電圧発生回路で発生させた負電圧を所望の電圧レベルに調整して前記バイアス電圧として供給する負電圧バイアス回路と、から成ることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項5又は6に記載の不揮発性半導体装置において、
前記バイアス電圧を−1Vとすることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項5乃至7のいずれかに記載の不揮発性半導体装置において、
前記メモリセルがNOR型メモリ列として構成されていることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
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