JP2007280505A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速読み出しを可能としたセンス回路を備え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、主要部がデータ記憶を行うための情報セル、一部が情報セルのデータ読み出しのための参照電流を流す参照セルとして用いられる第1及び第2のセルアレイと、第1及び第2のセルアレイから対をなして選択される3以上のビット線対に選択的に接続可能に配置されて、選択されたビット線対に接続された情報セルと参照セルのセル電流差を検出するセンスアンプと、書き込みデータを保持するため、それぞれ第1及び第2のセルアレイの同時に選択されるビット線対に等しい数のデータラッチを有する第1及び第2のデータラッチ群とを備えた。
【選択図】図1
【解決手段】半導体記憶装置は、主要部がデータ記憶を行うための情報セル、一部が情報セルのデータ読み出しのための参照電流を流す参照セルとして用いられる第1及び第2のセルアレイと、第1及び第2のセルアレイから対をなして選択される3以上のビット線対に選択的に接続可能に配置されて、選択されたビット線対に接続された情報セルと参照セルのセル電流差を検出するセンスアンプと、書き込みデータを保持するため、それぞれ第1及び第2のセルアレイの同時に選択されるビット線対に等しい数のデータラッチを有する第1及び第2のデータラッチ群とを備えた。
【選択図】図1
Description
この発明は、半導体記憶装置に係り、特に電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)に関する。
EEPROMの一つとして知られるNAND型フラッシュメモリは、モバイル機器などで画像や動画等の大容量データを扱う用途の増加と共に、需要が増している。NAND型フラッシュメモリは、複数のメモリ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、単位セル面積が小さく、大容量化が容易であるという利点を有する反面、セル電流が小さいために高速ランダムアクセスには向かないという難点がある。
そこで通常は、データをページバッファに読み出し、これをシリアル転送することによりデータ転送レートを上げて、DRAM等のバッファを介して高速システムに対応させる等の方法が採られている。
NAND型フラッシュメモリにおいて通常用いられるセンスアンプは、予めビット線をプリチャージし、その後セル電流によりビット線を一定時間放電させて、ビット線電圧を検出する電圧検出型のものである(例えば、特許文献1参照)。このセンスアンプ方式では、ビット線容量が大きくなると、ビット線の充放電に時間がかかるため、高速センスが難しくなる。
これに対して、微小なセル電流のデータを高速検出できるセンスアンプ方式として、電流検出型の差動型センスアンプが提案されている(特許文献2参照)。このセンスアンプ方式は、ビット線対を差動入力とすることにより、ビット線容量の影響も回避することができる。
特開2004−118940号公報
特開2005−285161号公報
この発明は、高速読み出しを可能としたセンス回路を備えた半導体記憶装置を提供することを目的とする。
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、それぞれ主要部がデータ記憶を行うための情報セルとして、一部が情報セルのデータ読み出しのための参照電流を流す参照セルとして用いられる第1及び第2のセルアレイと、
前記第1及び第2のセルアレイから対をなして選択される3以上のビット線対に選択的に接続可能に配置されて、選択されたビット線対に接続された情報セルと参照セルのセル電流差を検出するセンスアンプと、
前記第1及び第2のセルアレイへの書き込みデータを保持するため、それぞれ第1及び第2のセルアレイの同時に選択されるビット線対に等しい数のデータラッチを有する第1及び第2のデータラッチ群とを備えたことを特徴とする。
電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルが配列され、それぞれ主要部がデータ記憶を行うための情報セルとして、一部が情報セルのデータ読み出しのための参照電流を流す参照セルとして用いられる第1及び第2のセルアレイと、
前記第1及び第2のセルアレイから対をなして選択される3以上のビット線対に選択的に接続可能に配置されて、選択されたビット線対に接続された情報セルと参照セルのセル電流差を検出するセンスアンプと、
前記第1及び第2のセルアレイへの書き込みデータを保持するため、それぞれ第1及び第2のセルアレイの同時に選択されるビット線対に等しい数のデータラッチを有する第1及び第2のデータラッチ群とを備えたことを特徴とする。
この発明によると、高速読み出しを可能としたセンス回路を備えた半導体記憶装置を提供することができる。
この発明においては、第1に、データ記憶を行う“情報セル”と同じメモリセル構造であってセルデータを判定する参照電流を生成するための“参照セル”をメモリセルアレイ内に配置する。参照セルには、情報セルのデータを判定するに必要な参照レベルが書かれる。センスアンプの一方の入力ノードに情報セルが接続されるとき、他方の入力ノードには参照セルが接続される。
そして第2に、センスアンプには、同時に選択される情報セルと参照セルのセル電流差によってセルデータを高速センスする電流検出型を用いる。ただ、電流検出型センスアンプは、微小なセル電流を確実に検出するためには、センスアンプを構成するトランジスタのしきい値やゲート長のばらつきを十分に小さくすることが必要であり、そのためにセンスアンプ占有面積増大が避けられない。
そこで第3に、3以上の複数のビット線対が一つのセンスアンプを共有するようにする。そして、同時に選択されるメモリセルがつながる複数のビット線対を順次切り換えてセンスアンプに接続するように構成する。
データ処理の関係では、好ましくは一つのセンスアンプを共有するビット線対の数Nは、N=2m(m≧2)に設定する。以下の実施の形態では、16ビット線対に一つのセンスアンプを配置する。
第4に、複数ビット線での同時書き込みを行うための書き込みデータを保持するために、第1及び第2のセルアレイに対応して、これから同時に選択されるビット線対の数に等しい数のデータラッチを有する第1及び第2のデータラッチ群が用意される。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[メモリチップ構成]
図1は、一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している。メモリセルアレイ1は、読み出し/書き込み回路2を挟んで配置された、少なくとも二つのセルアレイ1t,1cに分けられている。二つのセルアレイ1t,1cのビット線BL,BLBは、データ読み出し時に対をなして、読み出し/書き込み回路2内のセンスアンプに接続される。
図1は、一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している。メモリセルアレイ1は、読み出し/書き込み回路2を挟んで配置された、少なくとも二つのセルアレイ1t,1cに分けられている。二つのセルアレイ1t,1cのビット線BL,BLBは、データ読み出し時に対をなして、読み出し/書き込み回路2内のセンスアンプに接続される。
セルアレイ1t,1cにはそれぞれ複数のワード線WLが配置され、その一端側にはワード線WLを選択駆動するワード線選択駆動回路(ロウデコーダ)3t,3cが配置されている。
読み出し/書き込み回路2は、後に説明するように、少ないセンスアンプ数で1ページ分のデータ読み出しを行い、1ページ分の書き込みデータを保持できるように構成されている。読み出しデータは、データバッファ4を介して外部I/O端子に出力され、外部からの書き込みデータはデータバッファ4を介して読み出し/書き込み回路2にロードされる。
外部から供給されるアドレス“Add”は、アドレスバッファ5を介し、アドレスレジスタ6を介してロウデコーダ3t,3c及びカラムデコーダ(図示しない)に転送される。外部から供給されるコマンド“CMD”は、コマンドデコーダでデコードされ、内部コントローラ8に転送されて、動作制御に供される。
内部コントローラ8は、書き込み、消去及び読み出し動作のシーケンス制御を行う。書き込み、消去及び読み出しに必要な、電源電圧より昇圧された種々の高電圧Vppを発生するために高電圧発生回路9が用意されている。高電圧発生回路9のコントローラ8により制御されて、動作モードに必要な高電圧を発生する。
図2は、セルアレイ1t,1cのブロック構成を示している。図示のようにセルアレイ1t,1cにはそれぞれ、データ記憶を行うための“情報セル”I−cellを配列した2n−1個の情報セルブロックI−cellBLKi(i=0〜2n−1)が配列されている。
セルアレイ1t,1cにはまた、情報セルI−cellのセルデータを読み出すための参照電流を生成する“参照セル”R−cellaを配列した第1の参照セルブロックR−cellaBLKが、少なくとも一つずつ配置されている。具体的に、セルアレイ1t側の一つの情報セルブロックI−cellBLKが選択されたとき、他方のセルアレイ1tから参照セルブロックR−cellaBLKが選択され、同時に選択された情報セルと参照セルとがビット線対BL,BLBに接続される。同様に、セルアレイ1c側から一つの情報セルブロックI−cellBLKが選択されたときには、セルアレイ1tから参照セルブロックR−cellaBLKが選択される。
図2の例では、参照セルブロックR−cellaBLKはそれぞれセルアレイ1t,1c内の情報セルブロック配列のほぼ中央位置に配置されている。
セルアレイ1t,1cには更に、第1の参照セルブロックR−cellaBLKとは別に、この参照セルブロックR−cellaBLKの参照レベルの書き込みベリファイ時や情報セルの消去ベリファイ時に必要な参照電流を生成するための“参照セル”R−cellbを用いた第2の参照セルブロックR−cellbBLKが少なくとも一つずつ配置されている。
後に説明するように、第1の参照セルブロックR−cellaBLKの参照セルには、情報セルブロックI−cellBLKと同様に書き込み及び消去ができるメモリセル構造が用いられるのに対し、第2の参照セルブロックR−cellbBLKでは、基本的には同様のメモリセル構造を用いるが、書き込み及び消去ができない受動的な参照電流源が構成される。
図3は、情報セルブロックI−cellBLK及び第1の参照セルブロックR−cellaBLKに共通の具体構成を示しており、複数のNANDセルユニット(即ちNANDストリング)I−cellNAND,R−cellaNANDをマトリクス配列して構成される。
各NANDストリングは、複数個(図の例では32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MC0−MC31を有する。各メモリセル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不揮発にデータ記憶を行う。
NANDストリングの一端は、選択ゲートトランジスタS1を介してビット線BL(BLB)に、他端は選択ゲートトランジスタS2を介して共通ソース線CELSRCに接続される。
メモリセルMC0〜MC31の制御ゲートはそれぞれ異なるワード線WL0〜WL31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ワード線WLと並行する選択ゲート線SGD,SGSに接続される。ワード線WL0〜WL31を共有する複数のNANDストリングの集合が、データ消去の基本単位となる“ブロック”を構成する。
図2で説明したように、各セルアレイ1t,1c内でビット線方向に並ぶ複数のブロックのうち、少なくとも一つずつが第1の参照セルブロックR−cellaBLKとして設定される。複数のNANDストリングブロックのうちどのブロックを第1の参照セルブロックとして用いるかは任意であるが、一旦第1の参照セルブロックとして設定されると、それが以後固定的に用いられ、残りが情報セルブロックI−cellBLKとなる。
図4は、第2の参照セルブロックR−cellbBLKの構成を示している。これも情報セルブロックI−cellBLKや第1の参照セルブロックR−cellaBLKと基本メモリセル構造は同じであるが、そのNANDストリングR−cellbNANDでは、メモリセルMC0−MC31は、制御ゲートと浮遊ゲートを全て短絡したゲート配線を有し、これに参照電圧Vrefが与えられる。即ち、直列接続された全てのメモリセルを浮遊ゲートに参照電圧Vrefを与えた一体のトランジスタとして動作させて、参照電流を得る。
セル電流を検出するための参照電流源回路は、原理的には、セルアレイとは別に各センスアンプの入力端に構成することも可能である。しかしこの実施の形態のように、セルアレイ内にメモリセルと基本的に同様の構成を用いて全ての参照電流源回路を構成することにより、無駄なトランジスタ面積を用いることなく、ばらつきのない参照電流源を得ることができる。
図5は、読み出し/書き込み回路2に用いられるセンスアンプS/Aの構成を示している。このセンスアンプS/Aは、PMOSトランジスタM3,M4とNMOSトランジスタM1,M2からなるラッチを主体として構成された、電流検出型の差動アンプである。
ゲートGAが共通接続されて直列接続されたPMOSトランジスタM3とNMOSトランジスタM1のドレインは、一方の出力ノードOUTとなる。同じくゲートGBが共通接続されて直列接続されたPMOSトランジスタM4とNMOSトランジスタM2のドレインは、他方の出力ノードOUTBとなる。共通ゲートGA,GBは、出力ノードOUTB,OUTに交差接続されている。
PMOSトランジスタM3,M4はそれぞれ、PMOSトランジスタM5,M6を介し、電流源PMOSトランジスタM0を介して、電源端子Vddに接続されている。
PMOSトランジスタM5,M6のゲートはそれぞれ共通ゲートGA,GBに接続されている。電流源PMOSトランジスタM0のゲートは、活性化信号ACCbにより制御される。
NMOSトランジスタM1,M2のソースは共通に接地端子Vssに接続されている。共通ゲートGA,GBは、センス信号SEbでゲートが制御されるNMOSトランジスタM7,M8を介して接地端子Vssに接続されている。
PMOSトランジスタM5,M3の接続ノードNAは、活性化信号ACCで制御されるNMOSトランジスタM10を介して一方の入力ノードINBに接続され、同じくPMOSトランジスタM6,M4の接続ノードNBは、活性化信号ACCにより制御されるNMOSトランジスタM9を介して他方の入力ノードINに接続される。これらは、センスアンプの待機状態とビット線のプリチャージを分離してセンスアンプの動作時間を短くして消費電流の少ないデータセンスを可能とする。
ノードNB,NAにはそれぞれ、活性化信号ACCbにより制御されるリセット用NMOSトランジスタM11,M12が接続されている。これらはセンスアンプ非活性化時(ACCb=“H”)、ノードNA,NBをVssに設定するためのものである。
このセンスアンプS/Aの動作を説明する。通常のデータ読み出し動作では、差動入力ノードIN,INBに反映される、情報セルI−cellと参照セルR−cellaのセル電流差を検出するのであるが、ACCb=“H”,SEb=“H”の非活性状態では、NMOSトランジスタM3,M4,M7,M8がオンであり、ノードGA,GB,NA,NB及び出力ノードOUT,OUTBは、Vssに保持されている。
二つのセルアレイから一つずつワード線が選択され、一対のビット線BL,BLBが入力ノードIN,INBに接続されるときに、図6に示すように、ACCb=“L”(タイミングt0)、その後少し遅れてSEb=“L”(タイミングt1)となり、センスアンプS/Aが活性化される。ビット線対BL,BLBでそれぞれ情報セルI−cellと参照セルR−cellaが選択されているものとして、それらのセル電流がそれぞれノードNB,NAに供給される。
センスアンプ活性化の直後は、NMOSトランジスタM1,M2が共にオフであるが、PMOSトランジスタP0がオン、NMOSトランジスタM7,M8がオンになるため、Vssにリセットされていた出力ノードOUT(=GB),OUTB(=GA)は、電源Vddからの電流とこれに重なるセル電流により充電される。そしてセル電流差により、出力ノードOUT,OUTBの間(従ってゲートノードGA,GBの間)に電位差が生じると、ラッチでは、出力ノードOUT,OUTBの差電圧を増幅する正帰還動作が行われ、その差電圧は急速に拡大する。
例えば、OUT(GB)がOUTB(GA)より低いとすると、SEnからの正帰還動作により、NMOSトランジスタM1がオン、NMOSトランジスタM2がオフ、PMOSトランジスタM3がオフ、PMOSトランジスタM4がオンとなり、出力ノードOUT,OUTBはそれぞれ、Vss,Vddになる。
図5に示した電流センス方式のセンスアンプS/Aで、数百nAの微小セル電流を検出するためには、構成トランジスタのしきい値やゲート長のばらつきの影響をできる限り小さくすることが必要になる。そのためには、構成トランジスタのゲート長をある程度大きいものとすることが必要であり、これにより占有面積が大きくなる。図5のセンスアンプ回路では、ビット線につながるNMOSトランジスタM9,M10は高耐圧トランジスタであることが必要であり、これも占有面積増大の原因となる。
従って、図5のセンスアンプS/Aを、通常のNAND型フラッシュメモリにおけると同様に、隣接する奇偶ビット線が一つのセンスアンプを共有するようなセンスアンプ配置とすることは、難しい。
そこで、図7に示すように、この実施の形態の読み出し/書き込み回路2では、3以上のビット線対で一つのセンスアンプS/Aを共有するように構成する。具体的に図7の場合には、16対のビット線BL0−BL15,BLB0−BLB15が一つのセンスアンプS/Aを共有している。ビット線対BL0−BL15,BLB0−BLB15とセンスアンプS/Aの入力ノードIN,INBとの間には、ビット線対BL,BLBを一つずつスキャンして入力ノードIN,INBに接続するように、選択信号PB0−PB15で順次選択されるトランジスタが配置されている。
例えば、1ワード線の選択により選択される情報セル数がNであり、そのセルデータがN本のビット線に同時に読み出されるものとする。センスアンプ数は、N/16であって、選択信号PB0−PB15を順次“H”にすることによって、N個の情報セルのデータを読み出す。
以下、より具体的な実施の形態を、2値データの場合と4値データの場合に分けて説明する。
[2値データ記憶]
図8は、2値データ記憶を行う場合の情報セルI−cell及び参照セルR−cellaのデータしきい値分布を示している。情報セルI−cellは、しきい値電圧が負の状態(消去状態)をデータ“1”、しきい値電圧が正の状態(書き込み状態)をデータ“0”として、1ビット記憶を行う。これは、通常の2値NANDフラッシュメモリと同様であり、書き込み法も同じである。
図8は、2値データ記憶を行う場合の情報セルI−cell及び参照セルR−cellaのデータしきい値分布を示している。情報セルI−cellは、しきい値電圧が負の状態(消去状態)をデータ“1”、しきい値電圧が正の状態(書き込み状態)をデータ“0”として、1ビット記憶を行う。これは、通常の2値NANDフラッシュメモリと同様であり、書き込み法も同じである。
参照セルR−cellaは、情報セルI−cellと同様の消去状態(破線で示す)から、参照レベルとして、0Vに近い正のしきい値電圧状態に書き込みを行う。この参照レベル書き込み時の書き込みベリファイには、参照セルR−cellbが流す参照電流との比較でデータ判定を行う。例えば選択された参照ワード線に与えるベリファイ電圧をPrとして、参照レベルとなるしきい値電圧が書き込まれる。
情報セルI−cellの読み出し及び、書き込み時の書き込みベリファイには、参照セルR−cellaの参照レベルが用いられる。具体的に、図12を用いて説明すれば、通常読み出しでは、情報セルNANDセルユニットI−cellNAND側の選択ワード線にデータ“1”,“0”のしきい値電圧の中間に設定された読み出し電圧R1を与え、参照セルNANDセルユニットR−ellaNAND側の選択ワード線(選択参照ワード線)には参照レベルに近い参照読み出し電圧Rrを与える。非選択ワード線には、情報セルNANDセルユニットI−cellNAND側では、データ“0”のしきい値上限より高い読み出しパス電圧Vreadが与えられ、参照セルNANDセルユニットR−ellaNAND側では参照レベルより高い読み出しパス電圧Vreadr(<Vread)が与えられる。
これにより、情報セルデータと参照セルデータが転送されるビット線対に接続されたセンスアンプS/Aは、情報セルと参照セルのセル電流差を検知して、データ“1”,“0”を判定する。
即ち、情報セルNANDセルユニットI−cellNANDのデータ“1”,“0”のセル電流をIc(1),Ic(0)、参照セルNANDセルユニットR−cellaNANDのセル電流をIrとして、Ic(1)>Ir>Ic(0)なる関係が得られる。これにより、データ“1”の場合(Ic(1)>Ir)、センスアンプS/Aは、OUT=“H”,OUTB=“L”となる。データ“0”(Ic(0)<Ir)、OUT=“L”,OUTB=“H”となる。
図12に示すように、書き込みベリファイ読み出し時には、選択ワード線、選択参照ワード線にそれぞれ、ベリファイ電圧P1、Prが与えられる他、通常の読み出しの場合と同様にセル電流差検出によるベリファイ読み出しが行われ、“0”データのしきい値下限値がほぼベリファイ電圧P1になるように書き込みがなされる。
図9は、読み出し/書き込み回路2の具体的な構成を示している。ここでは、一つのセンスアンプS/Aを16ビット線対が共有する例を示している。即ち、セルアレイ1t側の16ビット線BL(BL0−BL15)と、セルアレイ1c側の16ビット線BLB(BLB0−BLB15)に一つのセンスアンプS/Aが配置されている。
偶数番ビット線と奇数番ビット線は、それぞれ信号VTGE,VTGOにより制御される選択トランジスタQe,Qoにより、選択的にノードGB0−GB7,GBB0−GBB7に接続される。これらのノードGB0−GB7,GBB0−GBB7は、信号PB0−PB7,PBB0−PBB7により選択される転送トランジスタQ21を介して、センスアンプS/Aの入力ノードIN,INBに接続される。
ビット線選択トランジスタQe,Qoは、高耐圧トランジスタであり、それ以外の読み出し/書き込み回路の構成トランジスタは低電圧用トランジスタである。
書き込みデータを保持するために、図9では、ビット線BL側に、同時に選択されるビット線数に等しい数のデータラッチ群VLが配置され、同様にビット線BLB側に、同時に選択されるビット線数に等しい数のデータラッチ群VLBが配置されている。
図9では、ビット線BL側には16ビット線に対応して8個のデータラッチVL0−VL7がデータ転送ノードBISを共有して配置され、同様にビット線BLB側には16ビット線に対応して8個のデータラッチLBL0−VLB7がデータ転送ノードBISBを共有して配置されている。
基本的に、ビット線BL側のセル書き込みの場合にデータラッチ群VLが用いられ、ビット線BLB側のセル書き込みの場合にデータラッチ群VLBが用いられる。このようなラッチ回路配置により、多数のビット線(全偶数番ビット線或いは全奇数番ビット線)での同時書き込みを行うことが可能になる。
データラッチ群VLの一方のデータノードは、信号DTにより同時に制御される転送トランジスタQ23を介してそれぞれノードGBに接続される。データ書き込み時は、この転送トランジスタQ23の制御により、データラッチ群VLに保持された書き込みデータに応じてビット線電圧制御が行われる。他方のデータノードは、それぞれ異なるタイミング信号VLS(VLS0−VLS7)により制御される転送トランジスタQ22を介して、センスアンプS/Aに付属するラッチ型転送回路DLの一方のデータ転送ノードBISに共通接続されている。
同様に、各データラッチ群VLBの一方のデータノードは、信号DTBにより同時に制御される転送トランジスタQ23を介してそれぞれノードGBBに接続され、他方のデータノードは、それぞれ異なるタイミング信号VLSB(VLSB0−VLSB7)により制御される転送トランジスタQ22を介して、ラッチ型転送回路DLの他方のデータ転送ノードBISBに共通接続されている。
センスアンプS/Aの出力ノードOUT,OUTBは、データ転送制御回路DLを介してデータ線IOnに選択的に接続される。またこの転送制御回路DLの制御により、出力ノードOUT,OUTBは選択的にデータ転送ノードBIS,BISBに接続されることになる。即ち、一つのセンスアンプS/Aと複数のデータラッチ群VL又はVLBとの間のデータ転送はそれぞれ共通データ転送ノードBIS又はBISBを介して行われる。
後に具体的に説明するように、データラッチ群VLとVLBとは書き込み時、共に書き込みデータがロードされるが、一方はセルアレイ選択に応じてベリファイ読み出し結果に応じて書き換えられて、ビット線電圧制御に供され、他方はベリファイ制御のために書き込みサイクル終了までそのまま書き込みデータを保持する。
即ち各書き込みサイクルのベリファイ読み出し時、ビット線データは順次センスアンプS/Aでセンスされ、そのセンス出力は、データ転送ノードBIS又はBISBを介してデータラッチ群VL又はVLBに転送されて、書き込みデータの書き換えが行われることになる。
センスアンプS/Aの入力ノードIN,INBにはそれぞれ、通常読み出し時及び書き込みベリファイ読み出し時にビット線対BL,BLBをプリチャージするための、信号PRにより制御されるトランジスタQ24を用いたプリチャージ回路21が接続されている。
センスアンプS/Aの入力ノードIN,INBには更に、ベリファイ読み出し時に特定のセンスアンプS/Aの出力ノードOUT,OUTBを強制的にレベル設定するためのベリファイ制御回路(プルアップ回路)22が接続されている。具体的にこのプルアップ回路22は、書き込みベリファイ読み出し時に、“1”書き込みセルについて次のサイクルで“0”書き込みとなる事態を防止し、再度“1”書き込みとするために用いられる。
これらのプルアップ回路22は、タイミング信号SBL,SBLBにより制御されるトランジスタQ26と、ラッチ回路VLBのデータが転送されたノードBIS,BISBにより制御されるトランジスタQ25の直列回路により構成されている。
データラッチVL,VLBの一方のデータノードにそれぞれゲートが接続されて、信号線VSENに直列接続されたトランジスタN0−N7は、ベリファイ判定回路23を構成している。信号線VSENは、トランジスタP0によりプリチャージされる。書き込みベリファイ時、データラッチ群VL或いはVLBのデータがオール“0”状態(全てのノードVLDS或いは全てのノードVLDSBが“0”)になると、トランジスタN0−N7がオンして信号線VSENが放電され、これにより書き込み完了が判定されることになる。
図10は、データラッチVL,VLBの構成を示している。このラッチ回路は、通常のCMOSインバータ71と、クロックトCMOSインバータ72を組み合わせて、データの反転動作を行いやすく構成されている。
図11は、ラッチ型転送制御回路DLの構成を示している。この転送制御回路DLは、クロックトCMOSインバータ81,82を組み合わせて構成されたラッチ回路を有する。データ転送ノードBIS,BISBは、データラッチ群VL,VLBにより共有されるノードであり、選択信号Xi,Yj,CSL,CSLBにより制御されるトランジスタQ85,Q86,Q81,Q82を介して選択的に内部データ線IOnに接続される。また、センスアンプS/Aの出力ノードOUT,OUTBとデータノードBIS,BISBとの間はそれぞれ、ゲート信号OBC1,OBC2により制御されるトランジスタQ83,Q84により接続される。
データ転送制御回路DLは、データラッチVL,VLBとセンスアンプS/Aの出力ノードOUT,OUTBとの接続、出力ノードOUT,OUTBとデータバス線IOnとの接続を制御する他、データの反転処理などを行う。
次に、図9に示す読み出し/書き込み回路2を用いた2値記憶の動作を具体的に説明する。
(書き込み動作)
書き込みに先立って、セルアレイ1t,1c内の選択ブロックの一括消去と、参照セルブロックR−cellaBLKへの参照レベル書き込みとが必要である。これらを簡単に説明する。
(書き込み動作)
書き込みに先立って、セルアレイ1t,1c内の選択ブロックの一括消去と、参照セルブロックR−cellaBLKへの参照レベル書き込みとが必要である。これらを簡単に説明する。
セルアレイ1tの選択情報セルブロックI−cellBLKの消去は、その全ワード線を0Vとし、セルアレイが形成されたウェルに消去電圧Veraを与えて、その選択ブロック内のメモリセルの浮遊ゲートの電子を放出させる動作として行われる。このとき消去ベリファイには、セルアレイ1cの参照セルブロックR−cellbBLKを利用する。
即ち選択情報セルブロックI−cellBLKの全ワード線に図8に示すベリファイ電圧P0を与え、参照セルブロックR−cellbBLKに参照電圧Vrefを与えて、セル電流が参照電流レベル以上であることを確認して、消去を終了する。
セルアレイ1c側の情報セルブロックの消去時には、セルアレイ1t側の参照セルブロックR−cellbBLKが参照される。参照セルブロックR−cellaBLKの消去も同様に行われる。
参照セルブロックR−cellaBLKには、図8に示すような参照レベルが書かれる。この参照レベル書き込みは、参照ワード線を順次選択して、参照セルブロックR−cellaBLK内の全参照セルに順次参照レベルを書き込む動作が必要である。
この参照セル書き込み時のベリファイにも、一方のセルアレイ1tの参照セルブロックR−cellaBLKの書き込みでは、他方のセルアレイ1cの参照セルブロックR−cellbBLKを参照することが行われる。即ち、図8に示すベリファイ電圧Prを用いたベリファイ読み出しで、書き込むべき参照セルR−cellaのセル電流が参照電圧Vrefを与えた参照セルR−cellbの参照電流より小さくなることを確認する。
次に、参照セルブロックR−cellaBLKに参照レベルが書かれたものとして、情報セルブロックの2値データ書き込み動作を説明する。
図13は、2値データ書き込みのシーケンスを示している。コマンド入力に続いて、選択ページアドレスと共に書き込みデータをロードし(ステップS1)、選択ワード線について書き込み電圧印加動作を行う(ステップS2)。書き込み電圧印加後、その書き込み状態を確認するための書き込みベリファイを行う(ステップS3)。
そして、データラッチ群VL(或いはVLB)がオール“0”(オールVLDS=“0”或いはオールVLDSB=“0”)になったか否かの判定である書き込み完了判定を行う(ステップS4)。1ページ内に“0”書き込み不十分なセルがあれば、全ての“0”書き込みが確認されるまで、書き込みを繰り返すことになる。
ここでは、ビット線BL側の偶数番のビット線BL0,BL2,BL4,…に接続された情報セル(メモリセル)に同時に書き込みを行う場合を考える。“1”書き込み(書き込み禁止)の場合は、ビット線BLにVddを与え、“0”書き込みの場合は、ビット線BLにVss(=0V)を与えることが必要になる。
ビット線BL側のメモリセル書き込みの場合の外部書き込みデータは、データ線IOnを介して、ビット線BLB側のデータラッチVLB0にロードされる。即ち、Xi=Yj=CSLB=VLSB0=CLKB=“H”、CLK=“L”として、データ線IOnのデータはデータ転送ノードBISBを介し、転送トランジスタQ22を介してデータラッチVLB0にロードされる。
同時に、DC2B=VLS0=“H”、DC2=“L”とされて、書き込みデータの反転データがビット線BL側のデータラッチVL0にロードされる。即ち、データノードBISBに転送された書き込みデータは、ラッチ型転送回路DL内のインバータ81で反転されて、データ転送ノードBISを介し、転送トランジスタQ22を介してデータラッチVL0に転送される。
この書き込みデータロード動作を、VLS0−7,VLSB0−7を順次“H”として繰り返すことにより、データラッチ群VLB<7:0>とVLS<7:0>に互いに逆の外部データが入力される。ビット線BLB側のラッチVLBは、書き込みベリファイ用書き込みデータとして、書き込みが終了するまでそのまま保持される。ビット線BL側のラッチ回路VLは、ビット線BLに書き込み制御電圧を与えるためのデータとして、従って書き込みサイクル毎にベリファイ読み出し結果に応じて書き換えられる書き込みデータとして利用される。
外部から入力されたデータが“1”の場合は、VLDB=Vdd,VLDBB=Vss(=0V)となり、ビット線BLにVddを与えるデータ“1”書き込みとなる。外部から入力されたデータが“0”の場合は、VLDB=Vss,VLDBB=Vddとなり、ビット線BLにVssを与える“0”書き込みとなる。
今後、データラッチVL及びVLBにラッチされるデータはそれぞれ、ノードVLDS及びVLDSBの値で表すものとする。
データラッチ群VLに格納されたデータを偶数番ビット線BL0,BL2,…,BL14に転送するために、信号VTGE=“H”により選択トランジスタQeをオンにし、同時に信号DT=“H”として転送トランジスタQ23をオンにする。これにより、データラッチVL<7:0>のデータに従った電圧値を、ビット線BL0,BL2,…,BL14に同時に転送することができる。
偶数番のビット線群と一つの選択ワード線により選択されるセル群からなるセクタが、同時に書き込みが行われる1ページとなる。このとき、非選択の奇数番ビット線のセルには書き込みが行われてはならない。このため、非選択ビット線にもデータ“1”書き込みと同様にVddを供給する。
選択されているブロックのビット線側の選択ゲート線SGDにはVdd、ソース線側の選択ゲート線SGSにはVss、選択ワード線には書き込み電圧Vpgm(例えば20V)、非選択ワード線には書き込みパス電圧Vpass(例えば10V)を与える。
このとき、ビット線が0Vであれば、セルチャネルが0Vとなり、ワード線がVpgmであるから、書き込み即ち浮遊ゲートへの電子注入が生じる。ビット線がVddの場合は、セルチャネルがフローティングになり、これが書き込み電圧Vpgmが与えられた制御ゲートからの容量結合によって、例えばVpgm/2まで上昇し、セルへの書き込み(浮遊ゲートへの電子注入)は生じない。
ビット線BLB側のセルに書き込みを行う場合には、外部からの書き込みデータは、順次データラッチ群VLにベリファイ用データとしてロードし、更にその反転データをビット線に与える書き込みデータとして順次データラッチ群VLBにロードする。そしてデータラッチVLBのデータを利用して、同様の書き込み動作が行われる。
(書き込みベリファイ読み出し)
書き込み動作後のベリファイ読み出しは、ビット線BL側の選択メモリセル(情報セル)と、ビット線BLB側の参照セルとのセル電流比較により行う。このとき、図12で説明したように、情報セル側及び参照セル側の選択ワード線に与えるベリファイ電圧はそれぞれ、図8に示したP1及びPrである。
書き込み動作後のベリファイ読み出しは、ビット線BL側の選択メモリセル(情報セル)と、ビット線BLB側の参照セルとのセル電流比較により行う。このとき、図12で説明したように、情報セル側及び参照セル側の選択ワード線に与えるベリファイ電圧はそれぞれ、図8に示したP1及びPrである。
即ち、セル電流Ic,Irの関係が、セルデータが“1”の場合にはIc>Irとなり、セルデータが“0”の場合にIc<Irとなるように、ベリファイ電圧P1,Prが選択される。
具体的にベリファイ読み出し動作を、図9の読み出し/書き込み回路2に即して説明する。センスアンプS/Aは、ACCb=SEb=“H”,ACC=“L”として、入力ノードIN,INB及び出力ノードOUT,OUTBを全てVss(=0V)の状態に初期設定される。
選択アドレスに従い、ビット線が選択される。ビット線BL0の選択セルのベリファイ読み出しの場合、VTGE=VTGBE=“H”(=5V)、PB0=PBB0=Vddに設定され、ビット線BL0,BLB0がそれぞれ、入力ノードIN,INBに接続される。そして、PR=Vddにより、プリチャージ回路21がオンして、ビット線BL0,BLB0がプリチャージされる。
ビット線プリチャージ終了後、ACCb=“L”,ACC=“H”とすることで、ビット線BL0,BLB0に接続された入力ノードIN,INBがそれぞれセンスアンプS/A内のノードNB,NAに接続され、センスアンプS/Aからビット線BL,BLBに電流供給が開始される。その後、SEb=“L”にすることにより、セル電流Icと参照電流Irの差が増幅される。
即ちセンスアンプラッチの正帰還増幅動作により、入力ノードIN側の選択情報セルのセル電流Icが、入力ノードINB側の参照セルのセル電流Irより大きい場合には、OUT=“H”になる。セル電流差が逆の場合は、OUT=“L”となる。以上は、通常の読み出し動作の場合と同様である。
出力ノードOUTのベリファイ読み出しデータは、VLS0=“H”によって、転送トランジスタQ22を介してデータラッチVL0に転送される。データラッチVL0へのデータ転送時、CLKB=“H”,CLK=“L”に設定される。
従って、選択情報セルに“0”書き込みが行われた場合(OUT=“L”)の場合は、データラッチVL0は、VLDS=0V,VLDB=Vddとなり、それ以後書き込み禁止状態(“1”書き込み)になる。“0”書き込みが不十分であれば、データラッチVL0は、再度“0”書き込みを行うデータ状態になる。
“1”書き込みセルについては、ベリファイ読み出しでOUT=“H”となり、これがそのままデータラッチVL0に転送されると、次のサイクルで“0”書き込みが行われることになり、不都合である。即ち、“1”書き込みセルは、次の書き込みサイクルでも“1”書き込みとなるように、ベリファイ読み出しデータを処理することが必要である。
そのために、ベリファイ読み出しのためのビット線プリチャージを行う前に、以下の動作を行う。即ち、ビット線BL0のベリファイ読み出しの場合、VLSB0=“H”として、データラッチVLB0の書き込みデータを、データノードBISBに転送する。その後ビット線のプリチャージを行う。
データラッチVLB0のデータが“1”であって、ビット線BL側の選択情報セルが“1”書き込みである場合、ベリファイ読み出し時に信号SBL=“H”にすると、BISB=SBL=“H”によりビット線BL側のプルアップ回路22がオンになる。これにより、センスアンプS/Aの入力ノードINに電流が供給され、センス出力は強制的に、OUT=“L”とされる。
即ち、“1”書き込みセルについてのベリファイ読み出しの結果は、“0”書き込みが行われた場合と同様に、次のサイクルも“1”書き込み状態となるように、センスアンプS/Aが制御される。
以上のベリファイ読み出し動作は、1センスアンプ当たり8本のビット線BL0,BL2,…,BL14について順次行われる。ベリファイ読み出しの結果、データラッチ回路VLは、“0”書き込みが行われた場合と“1”書き込みの場合に、VLDB=“H”(=“1”)となり、“0”書き込みが不十分の場合にVLDB=“L”となる。
1ページの全ての情報セルの書き込みが完了したか否かの検知は、図9の一括ベリファイ判定回路23により行われる。すべての“0”書き込みが終わった状態では、VLDB<7:0>=Vddになるため、ビット線BL側の一括ベリファイ回路23では、あらかじめVddにプリチャージされていた信号ノードVSENは0Vに放電される。これによって、書き込み完了が検出される。信号線VSENが放電されなければ、さらに次の書き込み動作が繰り返されることになる。
ビット線BLB側の情報セルのベリファイ読み出しを行う場合は、ビット線BL側のデータラッチVLのデータをデータノードBISに転送し、信号SBLB=“H”にすること、センスアンプS/Aの出力ノードOUTBのデータをデータラッチVLBに転送すること、が異なるがそれ以外は同様である。
(通常読み出し)
通常読み出しは、図12で説明したように、一方のセルアレイから選択された情報セルと他方のセルアレイから選択された参照セルとのセル電流差の検出により行われる。この点、読み出しバイアス条件を除けば、書き込みベリファイ読み出しと基本的に同じである。
(通常読み出し)
通常読み出しは、図12で説明したように、一方のセルアレイから選択された情報セルと他方のセルアレイから選択された参照セルとのセル電流差の検出により行われる。この点、読み出しバイアス条件を除けば、書き込みベリファイ読み出しと基本的に同じである。
例えば、ビット線BL側の偶数番ビット線BL0,BL2,…と選択ワード線により定義される1ページのデータ読み出しの場合、同時にビット線BLB側で偶数番ビット線BLB0,BLB2,…と一つのワード線により、1ページの参照セル(全て同じ参照レベルが書かれている)が選択される。
ビット線データは、選択信号PB0−7,PBB0−7により、順次選択されてセンスアンプS/Aによりセンスされる。センス出力は基本的に、データ線IOnを介してシリアル転送して、外部に出力することができる。
例えば、セルアレイ1t,1cの構成として、図14に示すように、16384個のビット線BLに対して、16ビット線毎にセンスアンプS/Aを配置する構成を考える。このとき、二つのセルアレイ1t,1cで構成される1バンクに、1024個のセンスアンプS/Aを配置することになる。即ち、一ワード線を選択して一度にセンス可能なビット数は1024bitsになる。
図5に示すセンスアンプS/Aの場合、センス動作は100ns程度で可能である。しかしながら、ワード線の選択には、非選択ワード線に高いパス電圧を与える必要があることから、2〜3μsの時間が必要である。
そこで、高速のデータ読み出しを行うためには、ワード線を選択した状態のまま、選択されているビット線を順次センスアンプS/Aに切り換え接続してデータセンスを行うことが好ましい。一方、NAND型フラッシュメモリでは、上述のように非選択ワード線に高いパス電圧を与える必要があるため、長時間のワード線駆動を続けると、メモリセルの誤書き込みが生じるおそれがある。この点を考慮すると、ワード線選択時間はできる限り短い方がよい。
図14の構成では一度にセンス可能なビット数は1024bitsである。このデータを16I/O(即ち16ビット並列)の30nsサイクルで出力するに要するデータ出力時間は、30[ns]×1024[bits]/16[I/O]=1920[ns]になる。これでは、内部でビット線を切り替えてセンスを行う100nsの間に、1つ前に選択したビット線から読み出したデータをすべて外部に出力するのは不可能である。即ち、センスアンプS/Aの高速性を活かすことができない。
そこで高速読み出しのために好ましい方法として、書き込みの際に用いるデータラッチ回路VL,VLBを、読み出しの際にはキャッシュとして用いる方法が有効である。例えば、ビット線BL0のデータをセンスした場合、このセンスデータを、信号OBC=“H”によってデータノードBISに転送し、更にVLS0=“H”によりデータラッチVL0に格納する。この時データラッチVLでは、CLK=“L”,CLKB=“H”である。また、読み出し動作中、DC1=DC2=“L”,DC1B=DC2B=“H”であり、ラッチ型転送制御回路DLのデータラッチは非活性に保たれる。
このデータ転送動作を選択したビット線に対して順次行うことにより、データラッチVL<7:0>に、選択ビット線BL0,BL2,…,BL14のセンスデータをキャッシュすることができる。
データラッチVL0のデータを外部に出力する時は、VLS0=CSL=Xi=Yj=“H”にする。データ線IOnは初期状態としてVddにチャージされているものとして、データラッチVL0のデータがVddならデータ線IOnの電圧値は変わらず、データが0Vならデータ線IOnをディスチャージする、という動作で外部にデータを転送することが可能になる。
これにより、ワード線WLの選択時間を最小限に抑えることが可能になる。更に、データラッチ群VLにキャッシュしたデータを外部に出力している間に、別のワード線を選択して読み出し動作が可能である。但し、データラッチ群VLをキャッシュとしてセンスデータを出力している間、図9のデータノードBISを介して、データ線IOnにデータ転送を行うと、その間ビット線BL側のデータをセンスしても、データラッチ群VLに転送することができない。
これに対しては、センスデータをデータラッチVL,VLBに交互にキャッシュするようにすれば、データラッチVLのセンスデータを出力している間に、次のセンスデータをデータラッチVLBにキャッシュするという動作で、切れ目のないバースト読み出しが可能になる。
そのような高速読み出しのためには、例えばセルアレイ1t側のデータ読み出しの次は、セルアレイ1c側のデータ読み出しを行うようにすればよい。これにより、セルアレイ1t側のデータラッチ群VLに保持されたセンスデータをデータノードBISを介して出力している間に、セルアレイ1c側のセンスデータをデータノードBISBを介してデータラッチ群VLBに転送するという動作を、同時に行うことが可能になる。
図15は、その様なデータ読み出し動作のタイミング図を示している。セルアレイ1t側のワード線を選択し、ビット線データを順次センスして、選択信号VLS0−VLS7によりデータラッチVL0−VL7に転送保持する。このデータラッチVL0−VL7のデータを順次16ビットずつ並列にデータ線IOnを介して出力する間、センスアンプS/AとデータラッチVLBは空いている。従って図15に示すように、ビット線BL側センスデータの出力動作を行っている間に、セルアレイ1t側のワード線を選択し、ビット線BLBのデータセンスとそのセンスデータのデータラッチVLB0−7への転送動作を行うことができる。
また、セルアレイ1t側のデータ読み出しの次もセルアレイ1t側のデータ読み出しである場合、先のセンスデータをデータラッチ群VLにキャッシュし、次のセンスデータをデータラッチ群VLBにキャッシュするという制御を行えばよい。この場合、ビット線BL側のセンスデータを、OBC2=“H”として、出力ノードOUTBのデータをデータラッチ群VLBに転送すると、データラッチVLに転送した場合とはデータが反転する。
従って、データラッチ群VLBのデータを出力する場合には、図11に示したように、データ線IOn上のデータ反転回路を利用して、INVD=“H”,INVB=“L”としてデータを反転させる。データ反転させる必要がない場合は、INVD=“L”,INVB=“H”としてそのまま出力すればよい。
また、センスアンプ出力ノードOUTのセンスデータを、データラッチ群VLBに転送すれば、上述のようなデータ反転処理を行わなくてもよい。そのためには、OUT−BIS側の信号OBC1を“H”とし、同時にCSL=CSLB=“H”として、センスアンプ出力OUTとデータノードBISBを接続すればよい。この状態で、VLSB0=“H”にすれば、センスアンプ出力OUTのデータをデータラッチVLBに転送することが可能となる。
データラッチVLBのデータを出力する場合は、VLSB=CSLB=Xi=Yj=“H”にすることによって、データ線IOnにデータを転送すればよい。これは、データラッチVLのキャッシュデータを出力する場合と同様の動作であり、データ反転等の処理は必要ない。
ここまでの実施の形態では、同時に読み出しまたは書き込みされるビット線は、全ビット線数の1/2(すなわち偶数番ビット線または奇数番ビット線)である。従って、2ビット線に一つずつデータラッチVL,VLBが配置された。これに対して、図7に示したように、全ビット線で同時に読み出し及び書き込みが行われる場合には、各ビット線BL,BLB毎にデータラッチVL,VLBを配置すればよい。
[4値データ記憶]
次に、4値データ記憶に適用した例を説明する。
[4値データ記憶]
次に、4値データ記憶に適用した例を説明する。
図16は、4値データ記憶の場合の情報セルI−cellと参照セルR−cellaのデータしきい値分布を示している。情報セルI−cellには、図示のように、低い方から順に4つのデータしきい値状態E,A,B及びCが設定される。
データ状態Eは、負しきい値の消去状態である。外部から入力された書き込みデータに従い、書き込みデータが“0”の場合に、データ状態Eからデータ状態Bにしきい値電圧を上昇させる。書き込みデータが“1”の場合、書き込み禁止であり、データレベルは変化しない。このデータ状態EからBへのしきい値シフトを、ここでは下位ページ(LP)書き込みという。
データ状態EからAへ、及びBからCへの書き込みを、上位ページ(UP)書き込みという。この上位ページ書き込みは、下位ページデータにより書き込まれるべきしきい値レベルが異なる。従って、先の書き込まれている下位ページデータ読み出しを行い、その読み出しデータに応じて書き込み制御を行う。
具体的に説明すると、下位ページデータが“1”の場合(即ちデータ状態Eの場合)、書き込みデータ“0”で、データ状態Aへしきい値電圧を上昇させ、書き込みデータ“1”でデータ状態Eを維持する。下位ページデータが“0”の場合(即ちデータ状態Bの場合)、書き込みデータ“1”でデータ状態Cへしきい値電圧を上昇させ、書き込みデータ“0”でデータ状態Bを維持する。
したがって、各データ状態への上位ページ(UP)と下位ページ(LP)のビット割り付けは、データ状態Eが(UP,LP)=(1,1)、データ状態Aが(UP,LP)=(0,1)、データ状態Bが(UP,LP)=(0,0)、データ状態Cが(UP,LP)=(1,0)となる。
参照セルR−cellaには、2値データ記憶の場合と同様に、データ状態Eを消去状態として、0V近傍のしきい値電圧の参照レベルRが書かれるものとする。そして、情報セルI−cellの書き込みベリファイ時には、参照セルR−cellaとのセル電流差検出によるベリファイ読み出しが行われる。
データ状態A,B,Cの書き込みの際のベリファイ電圧はそれぞれ、PA,PB,PCであり、参照セルRcellaに与えられるベリファイ電圧はPrである。これらのベリファイ電圧を用いて、情報セルI−cellのセル電流Icと、参照セルR−cellaのセル電流(参照電流)Irとの比較によりデータ判定を行うことは、2値記憶の場合と同様である。
通常のデータ読み出し時にワード線に与えられるセル読み出し電圧は、各データ状態E,A,B,Cの間に設定されたRA,RB,RCが用いられ、参照セルR−cellaに与えられる読み出し電圧は参照レベル上限値に近い電圧Rrが用いられる。この通常読み出し時も、情報セルI−cellのセル電流Icと、参照セルR−cellaのセル電流Irとの比較により、データ判定を行う。
図16のデータビット割り付けの例では、下位ページ読み出しが読み出し電圧RBを用いた1回の読み出しで可能であるのに対し、上位ページデータ読み出しに、読み出し電圧RA,RCを用いた2回の読み出し動作が必要である。この場合上位ページデータの判定は、データ“1”の数の奇偶判定により行うことができる。即ち、“1”の数が偶数の場合には上位ページデータは“1”、奇数の場合に“0”と判定できる。
以上のように、下位ページ書き込みは、2値データ記憶の場合と同様の動作で可能であるが、上位ページ書き込みは、既に書かれている下位ページデータと、外部から入力された書き込みデータにより、どのしきい値レベルに上昇させるかを決定することが必要になる。また、書き込みベリファイ動作においても、どのメモリセルをどのレベルでベリファイ読み出しするかを判別しなければならない。
図17は、4値データ記憶に適用される読み出し/書き込み回路2の構成を、16ビット線に一つのセンスアンプS/Aを配置する場合について、2値記憶の場合の図9と対応させて示している。図9と対応する部分には、同一符号を付して詳細説明は省く。
2値記憶の場合と同様に、ビット線BL側には、同時選択されるビット線数と同数のデータラッチ群VLが、ビット線BLB側に同様に、ビット線数と同数のデータラッチ群VLBが配置される。これらデータラッチの構成も、図10に示す2値記憶の場合と同様である。
センスアンプS/Aの入力ノードIN,INBには、2値記憶の場合と異なり、通常読み出し時のプリチャージ回路21aとベリファイ読み出し時のプリチャージ回路21bとが別々に設けられている。4値記憶の場合、ベリファイ読み出し時に書き込むべきデータに応じてビット線プリチャージを行う必要があるためである。
通常読み出し用のプリチャージ回路21aは、制御信号NRにより制御されるトランジスタQ24aと、Vddが与えられたトランジスタQ27aの直列回路である。ベリファイ読み出し用のプリチャージ回路21bは、制御信号VRにより制御されるトランジスタQ24bと、ノードPVにより制御されるトランジスタQ27bの直列回路である。
ベリファイ制御のため、センス動作後のセンスアンプS/Aの状態制御を行うプルアップ回路(ベリファイ制御回路)22も、2値記憶の場合とは異なる。即ち制御信号REFR(或いはREFL)により制御されるNMOSトランジスタQ25と、ノードPV,DHにより制御される併設されたPMOSトランジスタQ26a,Q26bとの直列回路により構成されている。ノードPV,DHには書き込みデータが転送される。
センスアンプS/Aの出力に接続されるデータ転送制御回路DLは、2値記憶の場合より複雑なデータ処理を行う必要があり、図18に示すように、2値記憶の場合の図11の構成とは大きく異なる。即ちデータ転送制御回路DLは、ベリファイのためのデータ反転処理等を行うために、データ転送ノードBIS,BISBに選択的に接続される、クロックトCMOSインバータを用いた二つのラッチ回路CL,TLを備える。
ラッチ回路CLのデータノードCLL,CLRは、CMOS転送ゲートT1,T2を介してそれぞれデータ転送ノードBIS,BISBに接続される。データノードCLL,CLRは、選択信号LYj,RYjにより制御されるトランジスタMN14,MN15及び、選択信号Xiにより制御されるトランジスタMN20を介して、データ線IOnに選択的に接続される。
データ転送ノードBIS,BISBは転送トランジスタMN3,MN4を介して選択的にセンスアンプS/Aの出力ノードOUT,OUTB接続される。データ転送ノードBIS,BISBのデータを、そのまま或いは必要なら反転してデータノードDH,PVに転送するために、これらの間に切り換え回路SW1,SW2が構成されている。
ラッチ回路CLのデータノードCLR,CLLによりそれぞれゲートが制御され、ソースがデータ転送ノードBIS,BISBに接続され、ドレインが共通接続されたNMOSトランジスタMN1,MN2は、データの反転処理を行うための排他的論理和(XOR)ゲートG0を構成する。その共通ドレインは、トランジスタMN8,MN9により選択的にラッチ回路TLのデータノードTLL,TLRのいずれかに接続される。
即ちNMOSトランジスタMN1,MN2の部分では、ラッチ回路CLに保持したデータと、例えばセンスアンプでセンスされてデータ転送ノードBIS,BISBに送られたデータとの間でXOR演算がとられる。これにより得られたデータは、ラッチ回路TLに保持される。
以下、4値データ書き込み及び読み出しの動作を説明する。
(下位ページ書き込み)
まず、データ状態EからBへのしきい値シフトを行う下位ページ(LP)書き込みについて説明する。図17において、ビット線BL側の偶数番ビット線BL0,BL2,…と1ワード線により選択される情報セル群(1ページ)に同時に書き込みを行う場合を考える。
まず、データ状態EからBへのしきい値シフトを行う下位ページ(LP)書き込みについて説明する。図17において、ビット線BL側の偶数番ビット線BL0,BL2,…と1ワード線により選択される情報セル群(1ページ)に同時に書き込みを行う場合を考える。
図19は、下位ページ書き込みのフローである。コマンド入力に続いて、選択ページアドレスと共に書き込みデータをロードする(ステップS11)。書き込みデータは、ビット線BL側の書き込みの場合、データラッチ群VLにロードすると共に、これをデータラッチ群VLBにも転送する(ステップS12)。そして、選択ワード線について書き込み電圧印加動作を行う(ステップS13)。書き込み電圧印加後、その書き込み状態を確認するための書き込みベリファイを行う(ステップS14)。
次にデータラッチVLがオール“0”(VLDS=“0”)になったか否かの判定である書き込み完了判定を行う(ステップS15)。1ページ内に書き込み不十分なセルがあれば、全てのセルの書き込みが確認されるまで、書き込みを繰り返すことになる。
“1”書き込みの場合は、ビット線にVddを、“0”書き込みの場合はビット線に0Vを与える必要がある。図18において、各信号の初期状態は、BISPVE=BISDH=LMRE=RMRE=CLE=LXE=RXE=LTLE=RTLE=COLC=SAOC=SAOBC=DC1=DC2=Xi=RYj=LYj=“L”、LINVB=RINVB=CELEB=DC1B=DC2B=BISP=“H”である。
まず、データ線IOnを通して、外部から書き込みデータをロードする。Xi=RYj=CLE=VLS0=CLKB=DC1=“H”、CLK=DC1B=CLEB=“L”に設定して、外部データをデータラッチCLで反転して、データ転送ノードBISを介してデータラッチVLに転送し保持する。
即ち、外部から入力されたデータが“1”の場合、データラッチVLのデータは、VLDS=“1”,VLDB=“0”となる。外部入力データが“0”の場合、VLDS=“0”,VLDB=“1”となる。
このようなデータロード動作を、図17に示す1センスアンプS/Aの範囲で、信号VLS0−VLS7を順次切り換えて繰り返すことにより、データラッチVL<7:0>に外部入力データの反転データを入力することができる。複数センスアンプの範囲で同様のデータロード動作が行われて、所望の1ページの書き込みデータをロードされる。
すべての書き込みデータを入力後、データラッチ群VLのデータを、ビット線BLB側のデータラッチ群VLBにもロードする。具体的には、COLC=“H”として、データ転送ノードBISとBISBを短絡すると同時に、VLS=VLSB=“H”として、データラッチVLのデータをデータラッチVLBに転送する。
この動作をVLSB0−VLSB7及びVLS0−VLS7を順次切り替えて繰り返すことにより、データラッチVLB<7:0>に、データラッチVL<7:0>と同じデータを入力することができる。
ビット線BL側の情報セルの書き込みの場合、データラッチVLのデータが、書き込み時のビット線制御電圧を決める。即ち、書き込みデータが“1”,“0”に応じて、VLDB=Vdd,Vssとなり、これが転送トランジスタQ23及び選択トランジスタQeまたはQoを介してビット線に与えられる。このときデータラッチVLBの書き込みデータは書き込みが終了するまでそのまま保持し、ベリファイ読み出し時のビット線プリチャージ制御に用いる。
今後、データラッチVL,VLBのラッチデータはそれぞれ、ノードVLDS,VLDSBの値で示す。
偶数番ビット線の情報セルに書き込みを行う場合、奇数番ビット線は非選択であり、これら非選択ビット線には、書き込み禁止のための電圧Vddを与える。
選択されているブロックのビット線側選択ゲート線SGDにはVddを、ソース線側選択ゲート線SGSにはVssを、選択ワード線には書き込み電圧Vpgm(例えば20V)を、非選択ワード線に書き込みパス電圧Vpass(例えば10V)を印加する。
これにより、ビット線が0Vの場合、セルチャネルが0V、選択ワード線がVpgmとなり、書き込み(電子注入)が行われる。ビット線がVddの場合、セルチャネルが容量結合で上昇し、書き込みが行われない。
ビット線BLB側の情報セルに書き込みを行う場合には、外部からの書き込みデータをラッチ回路CLで反転してデータラッチVLBにロードし、それと同じデータをデータラッチVLに転送する。そして、データラッチVLBのデータによりビット線電圧制御を行う。それ以外は、ビット線BL側と変わらない。
(下位ページ書き込みベリファイ)
次に、書き込み電圧が印加された情報セルI−cellのベリファイ読み出しを行う。ベリファイ読み出しは、ビット線BL側の選択情報セルI−cellとビット線BLB側の参照セルR−cellaとの間の電流比較による。このとき、選択情報セルI−cell側の選択ワード線に与えるベリファイ電圧はPBであり、参照セルR−cella側の参照ワード線に与えるベリファイ電圧はPrである。非選択ワード線には読み出しパス電圧を与える。
(下位ページ書き込みベリファイ)
次に、書き込み電圧が印加された情報セルI−cellのベリファイ読み出しを行う。ベリファイ読み出しは、ビット線BL側の選択情報セルI−cellとビット線BLB側の参照セルR−cellaとの間の電流比較による。このとき、選択情報セルI−cell側の選択ワード線に与えるベリファイ電圧はPBであり、参照セルR−cella側の参照ワード線に与えるベリファイ電圧はPrである。非選択ワード線には読み出しパス電圧を与える。
2値記憶の場合と同様に、参照セルブロックR−cellaBLKの書き込み参照レベルRを0V近傍とすれば、情報セルブロックI−cellBLK側の読み出しパス電圧Vreadに比べて、参照セルブロックR−cellaBLK側の読み出しパス電圧Vreadrは、十分低く設定することができる(図16参照)。
情報セルI−cellのセル電流Icと参照セルR−cellaのセル電流Irとの比較により、Ic<Irであれば、データ状態Bが書かれ、Ic>Irであれば、データ状態Eのままである、と判定できる。
ベリファイ読み出しの初期設定として、ACCb=SEb=“H”、ACC=“L”により、センスアンプS/Aの入力ノードIN,INB及び出力ノードOUT,OUTBを全て、Vssに設定する。選択アドレスに従い、ビット線が選択される。例えばビット線BL0のセルのベリファイ読み出しでは、VTGE=VTGBE=“H”(例えば5V)、PB0=PBB0=Vddとされ、ビット線BL0,BLB0がプリチャージされる。
ビット線プリチャージは、通常読み出し時はプリチャージ回路21aが用いられ、全てのビット線に等しくプリチャージが行われるのに対し、下位ページ書き込みのベリファイ読み出しでは、プリチャージ信号VRと、データノードPVのデータにより制御されるプリチャージ回路21bが用いられる。
具体的にこのプリチャージ回路21bによるプリチャージ動作を説明すれば、次のようになる。まず、プリチャージに先立って、VLSB0=VLS0=BISVPE=Vdd+Vthに設定して、データラッチVLB0,VL0のデータをそれぞれ、ベリファイ制御用のデータノードPV,DHに転送する。
即ち、データラッチVLB0のデータは、データノードBISBに転送され、更に切り換え回路SW2のトランジスタMN18を介して、ノードPVに転送される。データラッチVL0のデータは、データノードBISに転送され、更に切り換え回路SW1のトランジスタMN16を介してノードDHに転送される。
従って、データラッチVLBのデータが“1”であれば、プリチャージ回路21bはオンになり、ビット線プリチャージを行う。データラッチVLBのデータが“0”のときは、ノードPV=“0”によって、プリチャージ回路21bはオフ、従ってビット線プリチャージは行われない。
この様に、データラッチVLBのデータが“0”であり、“1”書き込みを行う情報セル(書き込み禁止セル)のビット線は、ベリファイ読み出しが必要ないため、ビット線プリチャージも行わない。これにより、余分な消費電力を削減することが可能である。
以上のプリチャージ終了後、ACCb=“L”、ACC=“H”とすることによって、センスアンプS/Aとビット線を接続する。その後、SEb=“L”にすることで、センスアンプS/Aは活性化され、入力ノードIN,INBのセル電流差を正帰還増幅する。前述のように情報セルI−cellのセル電流Icが参照電流Irより大きければ、OUT=“H”となり、逆の場合OUT=“L”になる。
即ち、“0”書き込みされる情報セルのしきい値が所望のデータ状態Bになれば、センスアンプ出力は、OUT=“L”(=Vss)になる。“0”書き込みされる情報セルのしきい値が所望のデータレベルBに達していないと、OUT=“H”(=Vdd)となる。
一方、データラッチVLのデータが“0”で選択情報セルに“0”書き込みが行われない場合(即ち“1”書き込みの場合)、センス出力OUTは、“H”になる。これは、そのセンスデータをそのままデータラッチVLに転送すると、次のサイクルで“0”書き込みとなる条件である。
これに対しては、ビット線BL側のプルアップ回路22が次のように働く。即ちセンスアンプS/Aに電流を流し始めると同時に、ビット線BL側のプルアップ回路22に信号REFR=“H”を与える。そうすると、ノードDHに転送されているデータが“0”の場合(即ち“1”書き込みの場合)、プルアップ回路22がオンになる。これにより、センスアンプS/Aの入力ノードINの電流が供給されて、強制的にセンス出力をOUT=“L”とする。
以上のセンス出力データは、VLS0=SAOC=“H”にすることで、データラッチVL0に転送される。このとき、データラッチVL0では、CLKB=“H”、CLK=“L”とされる。
以上のベリファイ読み出しで、“0”書き込みが十分行われた情報セルでは、以後“1”書き込みとなり、“0”書き込みが不十分な情報セルでは再度“0”書き込みが行われ、“1”書き込みの情報セルについては再度“1”書き込みとなるように、センスデータに応じてデータラッチVL0の書き込みデータが制御される。
以上のベリファイ読み出しが、選択された偶数番ビット線BL0,BL2,…,について順次行われる。こうして、書かれるべき情報セルが全て書かれるまで、書き込みとベリファイ読み出しとが繰り返される。
ベリファイ判定は、一括ベリファイ判定回路23により行われる。書き込みベリファイ後、データラッチ群VLは、全てのセルに所望の書き込みがなされていれば、VLDS(7:0>=Vss(=“0”)、VLDB<7:0>=Vdd(=“1”)となる。従って、あらかじめPMOSトランジスタP0により信号ノードVSENをVddにチャージすると、全選択情報セルの書き込みが完了していれば、NMOSトランジスタN0−N7が全てオンして、信号線VSENが0Vに放電され、書き込み完了が検出される。信号線VSENが放電されなければ、更に次の書き込み動作が行われることになる。
ビット線BLB側の情報セルのベリファイ読み出しを行う場合は、データラッチVLのデータをノードPVに転送し、データラッチVLBのデータをノードDHに転送するため、切り換え回路SW1,SW2では、BISDH=Vdd+Vthに設定する。また、センスアンプS/Aに対する選択情報セルと参照セルの入力が逆になるため、ビット線BLB側のプルアップ回路22を動作させるべく、REFL=“H”に設定される。そして、センスアンプS/Aの出力ノードOUTBのデータはデータラッチVLBに転送される。それ以外はビット線BL側の場合と同様である。
(上位ページ書き込み)
次に、上位ページ(UP)データ書き込みについて説明する。図20は、上位ページ書き込みのフローである。コマンド入力に続いて、アドレスと共に書き込みデータをロードする(ステップS21)。ついで、上位ページ書き込みには既に書かれている下位ページ(LP)データを参照する必要があるため、これをセルアレイから読み出す(ステップS22)。
(上位ページ書き込み)
次に、上位ページ(UP)データ書き込みについて説明する。図20は、上位ページ書き込みのフローである。コマンド入力に続いて、アドレスと共に書き込みデータをロードする(ステップS21)。ついで、上位ページ書き込みには既に書かれている下位ページ(LP)データを参照する必要があるため、これをセルアレイから読み出す(ステップS22)。
読み出した下位ページデータに対して、書き込むべき上位ページデータに適したデータに変更するためのデータ変更処理を行う(ステップS23)。
そして、書き込み電圧印加を行い(ステップS24)、データレベルA,Cの書き込みを確認するためのベリファイ読み出しを順次行う(ステップS25,S26)。ベリファイ読み出し後、全ての書き込みが完了したか否かの判定を行い(ステップS27)、書き込み完了が判定されるまで、書き込みと書き込みベリファイを繰り返す。
図21には、ビット線BL側の情報セルに対する上位ページ書き込みにおけるデータラッチVL,VLBのデータ状態変化を各書き込みデータレベルE,A,B,Cについてまとめて示している。
下位ページ書き込みの場合と異なり、外部からの書き込みデータは、反転させずそのままデータラッチVLBに入力される。また、上位ページ書き込みは下位ページデータを参照する必要があるため、セルアレイから下位ページデータを読み出してデータラッチVLに保持する内部データロード(IDL)を行う。図21の“IDL”は、セルアレイからの読み出しデータがそのままデータラッチVLに保持されるものとした場合のデータラッチVLとVLBのデータ状態を示している。
下位ページ書き込みの場合と同様に、データラッチVLのデータを選択されたビット線BLの電圧制御に用いるが、図21の内部データロードIDL後のデータは、その様になっていない。そこで、書き込み時“PRG”のために、必要なデータレベル変更を行う。具体的には、データラッチVLBのデータが“1”の場合に、データラッチVLのデータを反転する。これは実際には、読み出しデータをデータラッチVLに転送する際に必要なデータ処理を行う。
より具体的に説明すれば、データレベルEの書き込みの場合、しきい値シフトはないため、ビット線BLをVddにする必要があり、そのためデータラッチVLはデータ“0”にする必要がある。またデータレベルCの書き込みは、データレベルBからのしきい値シフトをさせるために、ビット線BLを0Vにする必要があり、そのためデータラッチVLをデータ“1”にする必要がある。
図21の書き込み時PRGのデータ状態は、上述のように、データレベルE,C書き込みに関して、データラッチVLのデータ状態が変更されたことを示している。このデータ変更処理は、図18に示すデータ転送制御回路DL内のNMOSトランジスタMN1,MN2によるXORゲートG0の論理演算により行われる。その手法を、以下に具体的に説明する。
まず、内部データ読み出しは、データラッチVLBの書き込みデータの如何によらず、通常の読み出し動作による。ビット線プリチャージは、プリチャージ回路21aにより行われる。ベリファイ時のプリチャージ回路21bやプルアップ回路22はオフに保たれる。
選択情報セル側の選択ワード線には、図16に示す読み出し電圧RBが与えられ、参照セル側の選択ワード線には読み出し電圧Rrが与えられる。これにより、通常の読み出しと同様に、選択情報セルのデータ状態E,Bがビット線BL毎に順次センスアンプS/Aにより判定される。
ビット線BL0のデータセンス結果は、データラッチVLB0のデータに応じて必要な反転処理を施してデータラッチVL0に転送する必要がある。そのため、センス動作に先立って、データラッチVLB0のデータを、VLSB0=CLE=“H”、CLEB=“L”により、転送制御回路DL内のデータラッチCLに転送する。さらに、BISP=“L”、RTLE=“H”にして、PMOSトランジスタMP2を介してデータラッチTLのノードTLRを充電し、TLR=“H”,TLL=“L”の状態に設定しておく。
この後、ビット線プリチャージとデータセンスを行い、センスデータをSAOC=SAOBC=“H”にすることで、データノードBIS,BISBに転送する。即ち、センス出力OUT,OUTBをそれぞれ、データノードBIS,BISBに接続する。
これによって、データラッチCLに格納されたデータラッチVLB0のデータとセンス出力とのXOR論理演算がトランジスタMN1,MN2によりとられる。即ち、VLB0=“1”の場合に、センス出力データが反転されて、データラッチVL0に転送される。
更に具体的に、XOR論理動作を説明すれば、次の通りである。データラッチVLB0のデータが“1”の場合、データラッチCLのデータによりNMOSトランジスタMN1がオンになる。このとき、読み出しデータが“0”(OUT=“L”、従ってBIS=“L”)であれば、RXE=“H”を与えたとき、データラッチTLのノードTLRはNMOSトランジスタMN1を介して、“L”に放電される。これをデータラッチTLに保持して、更にデータラッチVL0に転送すれば、データラッチVL0のデータは“1”になる。これにより、図21のセルデータCの場合のデータラッチVL0のデータ反転が行われる。セルデータBの場合はデータ反転がない。
一方、データラッチVLB0のデータが“0”の場合、NMOSトランジスタMN2がオンになる。このとき、読み出しデータが“1”(OUTB=“L”、従ってBISB=“L”)であれば、RXE=“H”を与えたときに、データラッチTLのノードTLRは、NMOSトランジスタMN2を介して“L”に放電される。これをデータラッチTLに保持して更にデータラッチVL0に転送すれば、データラッチVL0のデータは“1”になる。即ち、データラッチVL0のデータは、図21のデータAの場合に“1”になり、データEの場合には読み出しデータが反転された“0”となる。
以上のデータ反転処理により、図21の書き込み時“PRG”のデータ状態が得られる。その後、SAOC=SAOBC=“L”として、センス出力OUT,OUTBとデータノードBIS,BISBの間の接続を断つ。
以上の動作を、選択ビット線BL0,BL2,…について順次繰り返すことにより、1ページ分のデータラッチVLに書き込みデータの初期設定を行うことができる。
次に、データラッチVLに設定された書き込みデータに従って書き込みを行う。即ち、DT=Vdd+Vthにより、各データラッチVLのデータに従って選択ビット線にVddまたはVssを与え、NANDセルチャネルの電位制御を行い、選択ワード線に書き込み電圧Vpgmを印加する。
ビット線BLB側の情報セルに対する書き込みの場合は、外部データをデータラッチVLにロードし、内部読み出しデータの演算処理結果をデータラッチVLBに転送して、これをビット線制御に用いる。内部データ読み出し後の演算時、RXE,RTLEに代わって、LXE,LTXEが用いられるが、そのほかビット線BL側の書き込みと同様である。
(上位ページ書き込みベリファイ)
上位ページ書き込みベリファイは、図16に示すデータ状態Aの書き込みを確認するAレベルベリファイ(AV)と、データ状態Cの書き込みを確認するCレベルベリファイ(CV)とを要する。それぞれの選択情報セルのベリファイ読み出し時、図16に示すベリファイ電圧PA,PCを用い、参照セル側ではベリファイ電圧Prを用いて、セル電流比較を行う。
(上位ページ書き込みベリファイ)
上位ページ書き込みベリファイは、図16に示すデータ状態Aの書き込みを確認するAレベルベリファイ(AV)と、データ状態Cの書き込みを確認するCレベルベリファイ(CV)とを要する。それぞれの選択情報セルのベリファイ読み出し時、図16に示すベリファイ電圧PA,PCを用い、参照セル側ではベリファイ電圧Prを用いて、セル電流比較を行う。
ベリファイ読み出しには、センス時間として100nsと、ワード線レベル変更に数μsとを必要とするため、できるだけ高速化できる駆動方式を用いることが好ましい。具体的にベリファイ読み出しのためのワード線駆動方式として、図22に示す3方式が考えられる。
(a)の第1駆動方式は、Aレベルベリファイ(AV)及びCレベルベリファイ毎にワード線レベルを切り換えるものである。この方式では全ビット線のベリファイに15回のワード線電圧切り換えを必要とする。
(b)の第2駆動方式は、ワード線レベルを切り換えずにAVを2回ずつ繰り返し、同様にCVを2回ずつ繰り返し、それらの間にワード線レベル切り換えを行う。但し、2回のAVの間、2回のCVの間にビット線リセット(RS)を必要とする。この方式では、ワード線切り換えは、8回になる。
(c)の第3駆動方式では、同じワード線レベルのまま、全ビット線について、AVを行い、ワード線レベルを切り換えて、全ビット線についてCVを行う。この方式は、ワード線レベル切り換えが1回であり、最も高速のベリファイ読み出しが可能である。
この実施の形態では、(c)の第3駆動方式を用いるものとする。
上位ページのベリファイ読み出しも、基本的に下位ページベリファイ読み出しと同様に、データラッチVLとVLBのデータを利用するが、ここでは、データラッチVLBのデータが“1”の場合にのみベリファイ読み出しを行うものと定める。
上位ページ書き込みが終わった時点で、データラッチVLBは、図21の書き込み時PRGの状態にある。CレベルベリファイにはこのデータラッチVLBのデータをそのまま用いることができるが、Aレベルベリファイ読み出しではデータを反転することが必要になる。
図21のAレベルベリファイの欄では、データラッチVLBのデータを反転した状態を示している。Aレベルベリファイ読み出しの後、Cレベルベリファイ読み出しを行うには、データラッチVLBのデータを再度反転することが必要となる。
このデータラッチVLBの反転動作は、転送制御回路DL内の例えばデータラッチCLを利用して次のように行われる。まず、BISP=“L”、RMRE=“H”として、PMOSトランジスタMP1をオン、NMOSトランジスタMN12,MN13をオンにすることにより、データラッチCLのノードCLRを“L”レベルに設定する。
次に、VLSB=“H”にしてデータラッチVLBのデータをノードBISBに転送し、同時にRINVBを“H”にする。データラッチVLBのデータが“1”の場合(BISB=“H”)、PMOSトランジスタMP6はオフを保ち、ノードCLRは“0”を保持する。データラッチVLBのデータが“0”の場合、PMOSトランジスタMP5,MP6がオンになり、ノードCLRが充電されて“1”になる。
この状態をデータラッチCLに保持し、その後転送ゲートT2を介し、データノードBISBを介してデータラッチVLBに転送する。これにより、図21のAレベルベリファイA−Level Verify)の欄に示すように、書き込み時のデータラッチVLBのデータ反転が行われる。
以上のデータ反転動作を、1センスアンプ当たり8個のデータラッチVLB0−VLB7について、順次行う。
次に、Aレベルベリファイ読み出し動作を説明すると、まずデータラッチVLのデータをデータラッチCLに転送する。その後、データラッチVL及びVLBのデータをそれぞれノードBIS及びBISBに転送し、更にBISPVE=“H”として、その転送データをそれぞれ、ベリファイ制御用のノードDH及びPVに与える。
PV=“1”の場合(即ちVLB=“1”の場合)、図17において、信号VRを“H”にすると、ベリファイ用プリチャージ回路21bがオンになり、ビット線がプリチャージされる。PV=“0”場合は、ビット線はプリチャージされず、ベリファイ読み出しが行われない。
また、Aレベルベリファイ読み出しでは、VLB=“0”の場合(即ちデータ状態E,C書き込みの場合)および、VL=“0”の場合(即ちデータ状態E,B書き込みの場合)、強制的にセンスアンプS/Aの出力をOUT=“L”にする。これは、ビット線BL側が選択されている場合は、このビット線BL側のプルアップ回路22による。即ち、PV=“0”の場合、或いはDH=“0”の場合、信号REFR=“H”を与えると、ビット線BL側のプルアップ回路22がオンして、センスアンプ入力ノードINに電流が流れ込み、OUT=“0”となる。
従って、PV=DH=“1”の場合(即ちデータレベルA書き込みの場合)のみ、通常通りベリファイ読み出しが行われる。ビット線BL側の選択情報セルのしきい値が所望の値まで上昇し、セル電流が参照電流より小さくなることにより、OUT=“L”が得られ、 それ以外はOUT=“H”となる。図21で、Aレベルベリファイの欄でデータラッチVLに示されている“RD”は、ベリファイ読み出しの結果に応じて、“0”または“1”となることを示している。
但し、ベリファイ読み出しデータをデータラッチVLに正しく転送するためには、更にベリファイ読み出し中に、データラッチCLに保持されているデータラッチVLのデータの再設定が必要である。これは、LMRE=“H”を与えることにより行う。このとき、BISB=“1”であれば、NMOSトランジスタMN10,MN11がオンになり、ノードCLLが“L”に設定される。BISB=“0”の場合(即ちベリファイ読み出しを行わない場合)場合は、データラッチCLのデータをそのまま保持する。
VLB=“0”の場合、センスアンプ出力は、OUT=“L”になる。従って、その後、センスアンプ出力OUTをノードBISに転送し、RMRE=“H”にしても、データラッチCLの変化はない。これにより、データラッチVLからCLに転送されたデータは保持される。
VLB=“1”の場合は、前述のようにデータラッチCLのノードCLLが強制的に“L”に設定される。そして、ベリファイ読み出しの結果、センスアンプ出力がOUT=“H”であれば、これをノードBISに転送して、RMRE=“H”にすると、データラッチCLのデータは反転する。OUT=“L”の場合は、その様なデータ反転はない。即ち、VLB=“1”の場合に、ベリファイ読み出しによるセンス出力に応じて、データラッチCLのデータが再設定される。
このデータラッチCLのデータをデータラッチVLに戻すことにより、1回のベリファイ読み出しが完了する。
以上のAレベルベリファイ読み出しを、図22(c)に示すように、全選択ビット線について順次行う。
次に、Cレベルベリファイ読み出しを行う。なお、Aレベルベリファイ読み出しとCレベルベリファイ読み出しの順序は問わない。Aレベルベリファイを先にした場合は、前述のようにデータラッチVLBのデータ反転を行っているため、Cレベルベリファイのためにそのデータを再度反転する操作が必要になる。Cレベルベリファイを先にする場合には、書き込み時PRGのデータラッチVLBのデータをそのまま用いることができる。
ベリファイ読み出しの基本動作は、Aレベルの場合と同様である。即ち、データラッチVLのデータは、転送制御回路DL内のデータラッチCLに転送される。そして、ベリファイ読み出しの結果、データラッチVLBのデータに従って、データラッチCLのデータが保持されるか、センス出力と同じ値に設定されるかが決まる。
また、Cレベルベリファイ時には、図21に示すように、VLB=“1”によりEレベルの書き込みセルに対するベリファイ読み出しが行われる。これに対しては、ベリファイ制御用プルアップ回路22により、センス出力がOUT=“L”に強制設定される。即ち、Eレベル書き込みセルについては、VL=“0であり、このデータをノードBISを介してノードDHに“L”を転送することにより、REFR=“H”を与えるとビット線BL側のプルアップ回路22がオンして、OUT=“L”が設定される。
また、VLB=“0”場合も強制的にOUT=“L”になる。
以上により、VLB=“1”でかつ、VL=“1”の場合(即ち、Cレベル書き込みの場合)のみ、通常通りベリファイ読み出しが行われ、センス結果に従ってデータラッチCLが設定される。
データラッチCLのデータは、データラッチVLに転送する。同様のベリファイ読み出し動作を全選択ビット線BLについて繰り返す。
1サイクルの書き込みとAレベルベリファイ及びCレベルベリファイが終わった後、一括ベリファイ判定回路23によりベリファイ判定を行う。EまたはBレベルに書き込まれる情報セルについては、内部データリード後、VL=“1”(即ち、VLDB=Vdd)に設定される。更に、全ての情報セルで書き込みが終わった状態では、VLDB<7:0>=Vddになる。
従って、あらかじめVddにチャージされていた信号線VSENは、すべの書き込みが完了すると、VSEN=“L”になり、書き込み完了が判定できる。一括ベリファイ判定の結果、VSEN=“L”が得られない場合は、更に次の書き込みサイクルが行われる。
ビット線BLB側の情報セルの書き込みベリファイを行う場合は、情報セルと参照セルのセンスアンプへの入力関係が、ビット線BL側の情報セルの場合と逆になり、データラッチVLとVLBの用い方も逆になる。従って、データラッチVLB,VLのデータをそれぞれ、ノードDH,PVに転送する際は、BISPVEに代わってBISDH=“H”により切り換え回路SW1,SW2をオンにする。更に、RMRE,RINVB,RXE等に代わって、LMRE,LINVB,LME等が用いられる。その他、ベリファイ読み出しの基本動作は、ビット線BL側と変わらない。
(下位ページ読み出し)
下位ページ読み出しは、図16に示す読み出し電圧RB,Rrを用いて、データ状態E及びAをデータ“1”として、データ状態B及びCをデータ“0”として読み出す。これは、2値データ読み出しと同じである。
(下位ページ読み出し)
下位ページ読み出しは、図16に示す読み出し電圧RB,Rrを用いて、データ状態E及びAをデータ“1”として、データ状態B及びCをデータ“0”として読み出す。これは、2値データ読み出しと同じである。
セルアレイとセンスアンプ配置が、2値データ記憶の場合について図14で説明したものと同じであるとする。高速読み出しを行うには、やはり2値データ記憶方式の場合と同様に、データラッチVL或いはVLBをキャッシュとして利用する。
例えば、ビット線BL側の偶数番ビット線が選択されている場合、選択ワード線レベルを維持したまま、ビット線BL0,BL2,…,BL14のセンスデータを順次データラッチVL0,VL1,…,VL7に転送する。
図15で説明したと同様に、セルアレイ1t側の下位ページデータをセンスしてデータラッチVLにキャッシュし、これをカラム選択して出力する間に、セルアレイ1c側の別の下位ページデータをセンスして、データラッチVLBにキャッシュする動作を行うことができる。これにより、ワード線選択時間を最小限に抑え、切れ目のないバースト読み出しができる。
また、セルアレイ1t側のデータ読み出しの次もセルアレイ1t側のデータ読み出しである場合、先のセンスデータをデータラッチ群VLにキャッシュし、次のセンスデータをデータラッチ群VLBにキャッシュするという制御を行えばよい。この場合、ビット線BL側のセンスデータを、OBC2=“H”として、出力ノードOUTBのデータをデータラッチ群VLBに転送すると、データラッチVLに転送した場合とはデータが反転する。
従って、データラッチ群VLBのデータを出力する場合には、図11に示したように、データ線IOn上のデータ反転回路を利用して、INVD=“H”,INVB=“L”としてデータを反転させる。データ反転させる必要がない場合は、INVD=“L”,INVB=“H”としてそのまま出力すればよい。
センスアンプ出力ノードOUTBからデータラッチVLBへのデータ転送と、データラッチVLからデータ線IOnへのデータ転送が衝突しないようにするために、次のような手当を行うことも有効である。例えば、内部データバス幅16I/Oで30nsサイクルでデータ出力を行う方式から、内部バス幅を32I/Oに増やし、60nsサイクルでデータ転送を行うものとして、その60nsを2分割して、センス出力のデータラッチVLBへの転送と、データラッチVLからデータ線IOnへの転送とを時分割で行う。
これにより、データ衝突を回避することが可能になる。
なお内部バス幅を多くした場合は、データ出力パッドの前にデータラッチを設けることにより、データ出力パッド数より多い数のデータが内部バスにより転送される場合でも、対応可能である。
(上位ページ読み出し)
上位ページ読み出しは、図16に示す読み出し電圧RAとRCを用いた2回のデータセンスを行い、これにより得られる“1”データ数の偶奇判定を行う。2回のデータセンスの順番は問わない。“1”データ数が偶数であれば、上位ページデータはUP=“1”であり、奇数であればUP=“0”となる。
(上位ページ読み出し)
上位ページ読み出しは、図16に示す読み出し電圧RAとRCを用いた2回のデータセンスを行い、これにより得られる“1”データ数の偶奇判定を行う。2回のデータセンスの順番は問わない。“1”データ数が偶数であれば、上位ページデータはUP=“1”であり、奇数であればUP=“0”となる。
上位ページ読み出しにおいても、ワード線レベル遷移をできるだけ少なくすることが好ましい。そのため、例えばビット線BL側の偶数番ビット線と1ワード線が選択された場合、まず読み出し電圧RAでのデータセンスを、ビット線BL0,BL2,…について順次行って、そのセンス結果をデータラッチVL0,VL2,…に転送保持する。
次いで、ワード線レベルを読み出し電圧RCに切り換えて、同様にデータセンスをビット線BL0,BL2,…について順次行い、これらの各データセンスの結果と、対応するデータラッチVL0,VL2,…が保持する先のセンスデータとの間の演算により順次上位ページデータを確定する。
具体的に、ビット線BL側の情報セルとビット線BLB側の参照セルとが選択された場合について説明する。情報セル側、参照セル側のワード線レベルはそれぞれ読み出し電圧RA,Rrに設定する。そして、プリチャージ回路21aによりビット線BL0のプリチャージを行い、データセンスする。センス後、SAOC=“H”にすることによって、センス出力OUTのデータをノードBISに転送し、更にこれをデータラッチVL0に転送する。
同様に次のビット線BL2についてデータセンスを行い、センス結果をデータラッチVL1に転送する。以下、同様のデータセンスとセンス結果の転送動作を全選択ビット線について繰り返す。
次に、選択ワード線レベルを、読み出し電圧RCに変更して、データセンスを行うが、その際ビット線プリチャージに先立って、データラッチVLのデータを転送制御回路DL内のデータラッチCLに転送する。更に、データラッチVLのデータをデータラッチCLに転送後、BISP=“L”,RTLE=“H”として、オンしたPMOSトランジスタMP2,NMOSトランジスタMN7により、データラッチTLのノードTLRを“H”に設定する。これは、次のセンス結果と、データラッチVLが保持するセンス結果との間でXORによる偶奇判定を、転送制御回路DL内で行うためである。
続いてビット線プリチャージを行い、データセンスを行う。センス結果をSAOC=SAOBC=“H”にすることで、ノードBIS,BISBに転送し、これとデータラッチCLのデータとのXOR演算を、NMOSトランジスタMN1,MN2を用いて行う。即ち、RXE=“H”を与えたときに、NMOSトランジスタMN1,MN2によりデータラッチTLの“H”に設定されたノードTLRが放電されるか否かにより、データラッチTLにXOR演算結果がラッチされる。
具体的に説明する。先のセンスデータがデータラッチVLからデータラッチCLに転送されている。そのデータが例えばCLL=“H”(=“1”)であり、OUTからBISに転送されたセンスデータが、BIS=“H”(=“1”)である場合、NMOSトランジスタMN1がオンであるが、データラッチTLのノードTLRの“H”は維持される。また、先のセンスデータがCLL=“L”であり、後のセンスデータがBIS=“L”の場合、NMOSトランジスタMN2がオンするが、やはりデータラッチTLのノードTLRは“H”に維持される。
これに対して、先のセンスデータがCLL=“H”であり、後のセンスデータがBIS=“L”の場合及び、先のセンスデータがCLL=“L”であり、後のセンスデータが“H”の場合、データラッチTLのノードTLRは、NMOSトランジスタMN1又はMN2により放電される。
以上により、“1”データ数の偶奇判定演算が行われ、上位ページ読み出しデータが得られる。この演算結果即ちデータラッチTLのデータは、上位ページデータとしてデータラッチVLに転送される。
以上のようなデータセンスと、そのセンス結果の先のセンスデータとの演算を、ビット線BL0,BL2,…について順次行い、データラッチVL0,VL2,…にその結果が転送される。
ビット線BLB側の情報セルが選択された場合も、データラッチVLの代わりにデータラッチVLBの用い、転送制御回路DL内でのデータ処理にはデータラッチCL,TLの逆のデータノードを用いるほか、上述と同様である。
データラッチVLの読み出しデータを外部に出力する時は、VLS=CLE=Xi=LYj=“H”、CLEB=“L”にする。データ線IOnは初期状態としてVddに設定されているものとすれば、データラッチVLのデータがVddの場合電圧は変わらず、データが0Vであればデータ線IOnを放電することで、外部に読み出しデータを転送することができる。
データラッチVLBのデータを出力する場合には、LYjに代わってRYjを“H”にする。
(他の実施の形態)
4値データ記憶方式の他の実施の形態を次に説明する。
(他の実施の形態)
4値データ記憶方式の他の実施の形態を次に説明する。
上位ページ書き込みの場合、図16及び図20で説明したように、データ状態Aとデータ状態Cに対する書き込みは同時に行う。この場合、データ状態Cのしきい値が高いために、データ状態Aの書き込みが全て終了しているにもかかわらず、データ状態Cが未だ書き込み終了しないという事態が生じうる。
上述の実施の形態では、同時に書き込まれるデータ状態A,Cの書き込みが全て終了したときに「書き込み完了」と判定されるように、図17の一括ベリファイ判定回路23が構成されている。即ちデータ状態Aの書き込みが完了していても、データ状態Cの書き込みが完了していなければ、Aレベルベリファイは行われる。
これに対して、データ状態Aの書き込みが終了し、データ状態Cの書き込みが残っている場合には、以後Cレベルベリファイのみを行うようにすれば、全体の書き込み時間短縮につながる。
そこでこの実施の形態では、図17に代わって、図23に示すように、カラム単位で或いは書き込みレベル単位でベリファイ判定ができるように、一括ベリファイ判定回路23を構成する。具体的に、データ転送ノードBIS,BISBは、16ビット線毎に8個ずつ設けられるデータラッチVL,VLBと、16ビット線毎に一つずつ設けられるセンスアンプS/Aとの間の共通ノードであるが、一括ベリファイ判定回路23の判定用トランジスタは、これらのデータノードBIS,BISBにゲートが接続された一つのNMOSトランジスタN0のみとしている。
前述のように、同時に選択される8ビット線に対して1センスアンプS/Aが設けられ、1書き込みサイクルで8回ずつのAレベルベリファイとCレベルベリファイが行われるものとする。8回のAレベルベリファイ読み出しのセンス出力OUT(又はOUTB)は、データノードBIS(又はBISB)を介してデータラッチVL0−VL7(又はVLB0−VLB7)に順次転送される。
その各ベリファイ読み出し毎に、データノードBIS(又はBISB)の“H”,“L”をベリファイ判定回路23で判定する。即ち、予め充電されたベリファイ回路23の信号線VSEN(又はVSENB)はBIS(又はBISB)が“H”(書き込み未完了)であれば放電され、“L”(書き込み完了)であればレベルを維持する。
この信号線VSEN(又はVSENB)の判定結果を、Aレベルベリファイ読み出しのときは、図24Aに示す8個のデータラッチLT0−LT7に順次転送し、Cレベルベリファイ読み出しのときは、図24Bに示す8個のデータラッチLT0−LT7に順次転送する。
即ち、図24Aでは、信号線VSEN(又はVSENB)の結果が、Aレベルベリファイ読み出し時に発生される信号ASVSEN(又はASVSENB)によりそれぞれ選択され、カラム選択信号COL0−COL7により選択されて、データラッチLT0−LT7に保持される。
同様に図24Bでは、信号線VSEN(又はVSENB)の結果が、Cレベルベリファイ読み出し時に発生される信号CSVSEN(又はCSVSEVB)によりそれぞれ選択され、カラム選択信号COL0−COL7により選択されて、データラッチLT0−LT7に保持される。
図24A及び24BのデータラッチLT0−LT7の出力ACPE0−ACPE7及びCCPE0−CCPE7はそれぞれNOR論理がとられて、判定結果が判定ノードAPRGE,CPRGEに出力される。
従って、8回のAレベルベリファイの結果は、図24AのデータラッチLT0−LT7に保持され、その全てがパス(ACPE0−7=“L”)であれば、APRGE=“H”となる。同様に、8回のCレベルベリファイの結果は、図24BのデータラッチLT0−LT7に保持され、その全てがパス(CCPE0−7=“L”)であれば、CPRGE=“H”となる。以上により、AレベルベリファイとCレベルベリファイとを独立に制御することが可能になる。
NAND型フラッシュメモリにおいて、データしきい値電圧の分布を小さくするために、書き込み時にビット線に中間電位を与える手法は既に提案されている。書き込むセルに対して、ビット線に0Vを与えるか、中間電位を与えるかは、ベリファイ読み出しの結果によって決定する。この手法は、この発明においても有効である。
図25に示すように、データ状態A(或いはB,C)の書き込みについて、本来のベリファイレベルPA(或いはPB,PC)よりも低いベリファイレベルVAL(或いはVBL,VCL)を用いたベリファイ読み出しを行い、そのしきい値レベルに達したら、以後の書き込みではビット線に中間電位を与える。この手法によって、同じワード線電圧を与えている場合であっても、ビット線電圧によって、メモリセルのしきい値変動率を変えることができ、しきい値電圧分布をより小さくすることが可能になる。
この書き込み手法を適用する場合、データ転送制御回路DL部を、図18に代わって、図26のように変更する。即ち、ラッチ回路TLに代わって、1センスアンプS/Aに用意される書き込み用データラッチVL(VLB)と同様、8個のラッチ回路SL(SL0−SL7)を併設する。
これらのラッチ回路SLは、ビット線に中間電位を与えるか否かの情報を記憶するために用いられるが、そのうちラッチ回路SL7は、図18におけるラッチ回路TLと同じ用途に使用されるものとする。
図27は、下位ページ書き込みのフローを、図19と対応させて示している。図19と異なる点は、ベリファイ読み出しに、本来より低いベリファイ電圧VBLを用いたステップS14aと、本来のベリファイ電圧PBを用いたステップS14bとが順次行われることである。これらのステップS14a,S14bの結果によって、次の書き込みステップでビット線に中間電位を与えるか否かを決定する。
図28は、上位ページ書き込みのフローを図20と対応させて示している。図20と異なる点は、Aレベルベリファイ読み出しに、本来より低いベリファイ電圧VALを用いたステップS25aと、本来のベリファイ電圧PAを用いたステップS25bとが順次行われ、同様にCレベルベリファイ読み出しに、本来より低いベリファイ電圧VCLを用いたステップS26aと、本来のベリファイ電圧PCを用いたステップS26bとが順次行われることである。
ビット線に中間電位を与える方式の上位ページ書き込みについて、具体的に説明する。ビット線BL側の情報セルに対する書き込みであるとして、外部入力書き込みデータの反転データをデータラッチVLにロードし(ステップS11)、その後に同じデータをデータラッチVLBにも転送する(ステップS12)。この時更に、データラッチSLにも外部データの反転データを入力する。
そして、先の実施の形態と同様に書き込みを行う(ステップS13)。書き込み後、本来のベリファイレベルより低いベリファイレベルVBLでのベリファイ読み出しを行う(ステップS14a)。この時、ノードDHにはデータラッチSLのデータを転送し、ノードPVにはデータラッチVLBのデータを転送する。VLB=PV=“1”の場合のみ、ビット線プリチャージが行われ、ベリファイ読み出しがが行われる。
選択情報セルがベリファイ電圧VBL以上であれば、センスアンプ出力はOUT=“L”になる。このセンス結果はデータラッチSLに入力する。また、VLB=PV=“0”の場合又は、SL=DH=“0”の場合は、センス出力は強制的にOUT=“L”となる。これもデータラッチSLに入力する。以上のベリファイ読み出しが順次ビット線を選択して繰り返し行われる。
次に、本来のベリファイレベルPBでベリファイ読み出しを行う(ステップS14b)。この時、ノードDH,PVにはそれぞれ、データラッチVL,VLBのデータを転送し、先のステップと同様のベリファイ読み出しを行う。そのセンス結果はデータラッチVLに入力する。これもビット線を順次選択して行われる。
以上の2回のベリファイ読み出しの結果に基づいて、次の書き込み時のビット線電圧制御を行う。ビット線電圧制御は、基本的には、制御信号DTに“H”レベルを与えて、データラッチVLのデータに応じてビット線にVss(“0”書き込みの場合)又はVdd(“1”書き込み即ち“0”書き込み禁止の場合)を与えるものである。
この実施の形態では、ビット線に書き込み状態に応じて中間電圧を与えるために、転送トランジスタQ23の制御信号DT(又はDTB)のレベルを切り換えた2回のビット線電圧制御を行う。これを具体的に、図29を用いて説明する。
図29は、セルしきい値との関係で、2回のビット線電圧制御(1),(2)と、データラッチVL,SLのデータを示している。上述した2回のベリファイ読み出しの結果は、選択情報セルのしきい値との関係で、データラッチVL,SLのデータが図29のビット線電圧制御(1)の状態になる。
即ち、情報セルのしきい値が低いベリファイレベルVBLより低ければ、2回のベリファイ読み出しによるデータラッチSL,VLのデータが共に“1”である。情報セルのしきい値がベリファイレベルVBLより高いが本来のベリファイレベルPBより低ければ、2回のベリファイ読み出しによるデータラッチSL,VLのデータはそれぞれ、“0”,“1”となる。情報セルのしきい値が本来のベリファイレベルPBより高ければ、2回のベリファイ読み出しによるデータラッチSL,VLのデータは共に“0”である。
最初のビット線電圧制御(1)は、DT=Vdd+Vthを与えて、データラッチVLのデータによりビット線電圧を与える。従って、セルしきい値がVth<PBであれば、ビット線にはVss(書き込み状態)が、Vth>PBであれば、ビット線にVdd(書き込み禁止状態)が与えられる。
このビット線電圧制御(1)を行った後、データラッチSLのデータをデータラッチVLに転送して、例えば、DT=Vdd/2+Vthを与えて次のビット線電圧制御(2)を行う。このとき、図29に示すように、セルしきい値がVBL<Vth<VPBの場合にデータラッチVLのデータが反転して、“0”になる。これにより、2回目のビット線電圧制御(2)では、しきい値がVBL<Vth<PBのセルに対しては、ビット線電圧を、書き込み条件の緩い“0”書き込みとなる電圧Vdd/2に設定することができる。
以上の2回のビット線電圧制御(1),(2)を行った後、通常通り書き込み電圧を印加する(ステップS13)。同様の書き込み動作を、レベルBまで書き込むべき情報セルが全てレベルBになるまで行う。
上位ページ書き込み時のビット線電位制御も同様にして可能である。
1t,1c…セルアレイ、2…読み出し/書き込み回路、3t,3c…ロウデコーダ、4…データバッファ、5…アドレスバッファ、6…アドレスレジスタ、7…コマンドデコーダ、8…内部コントローラ、9…高電圧発生回路、I−cellBLK…情報セルブロック、R−cellaBLK,R−cellbBLK…参照セルブロック、S/A…センスアンプ、VL,VLB…データラッチ、DL…データ転送回路、21,21a,21b…ビット線プリチャージ回路、22…ベリファイ制御用プルアップ回路、23…ベリファイ判定回路。
Claims (10)
- 電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルが配列され、それぞれ主要部がデータ記憶を行うための情報セルとして、一部が情報セルのデータ読み出しのための参照電流を流す参照セルとして用いられる第1及び第2のセルアレイと、
前記第1及び第2のセルアレイから対をなして選択される3以上のビット線対に選択的に接続可能に配置されて、選択されたビット線対に接続された情報セルと参照セルのセル電流差を検出するセンスアンプと、
前記第1及び第2のセルアレイへの書き込みデータを保持するため、それぞれ第1及び第2のセルアレイの同時に選択されるビット線対に等しい数のデータラッチを有する第1及び第2のデータラッチ群とを備えた
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記センスアンプの第1及び第2の出力ノードにそれぞれ対応して設けられた第1及び第2のデータ転送ノードと、
前記第1及び第2のデータラッチ群の一方のデータノードを選択的に前記第1及び第2のデータ転送ノードを介して前記センスアンプの第1及び第2の出力ノードに接続するための第1及び第2の転送トランジスタ群と、
前記第1及び第2のデータラッチ群の他方のデータノードを前記第1及び第2のセルアレイのビット線に接続するための第3及び第4の転送トランジスタ群とを更に備えた
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記センスアンプの第1及び第2の出力ノードと前記第1及び第2のデータ転送ノードとの間及び、前記第1及び第2のデータ転送ノードとデータ出力線との間のデータ転送制御を行うデータ転送制御回路を更に備えた
ことを特徴とする請求項2記載の半導体記憶装置。 - データ読み出し時、前記第1及び第2のデータラッチ群はキャッシュとして用いられる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - データ書き込み時、前記第1及び第2のデータラッチ群の一方は、ビット線電圧制御を行うための書き込みデータがロードされて、その書き込みデータは各書き込みサイクルのベリファイ読み出し結果に応じて書き換えられ、他方は、ロードされた書き込みデータがデータ書き込みが終了するまでベリファイ制御用として保持される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2のデータラッチ群にそれぞれ付属して、データ書き込み時ベリファイ読み出し結果により書き換えられたデータに基づいて書き込み完了を判定するための第1及第2のベリファイ判定回路を更に備えた
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記センスアンプの第1及び第2の入力ノードにそれぞれ接続されて、データ読み出し時にビット線対のプリチャージを行うプリチャージ回路と、
前記センスアンプの第1及び第2の入力ノードにそれぞれ接続されて、ベリファイ読み出し時に前記第1及び第2のデータラッチ群の一方に保持された書き込みデータにより制御されて前記センスアンプの出力レベルを強制設定するためのベリファイ制御回路とを更に備えた
ことを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2のセルアレイはそれぞれ、2又はそれ以上のデータレベルが書かれる情報セルを配列した複数の情報セルブロックと、情報セルのデータ読み出しのための参照レベルが書かれる参照セルを配列した少なくとも一つの参照セルブロックとを有し、
前記情報セルブロック及び参照セルブロックはいずれも、複数のメモリセルが直列接続された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。 - 前記第1及び第2のセルアレイの情報セルは、2値データ記憶を行うものであり、
データ書き込み時、前記第1及び第2のデータラッチ群の一方に書き込みデータがロードされ、その書き込みデータが前記データ転送制御回路で反転されて他方に転送される
ことを特徴とする請求項3記載の半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2のセルアレイの情報セルは、4値データ記憶を行うものであり、
前記データ転送制御回路は、
書き込みデータを保持するための第1ラッチ回路と、
前記センスアンプの出力データと前記第1ラッチ回路の保持データとの間で排他的論理和演算を行うXORゲートと、
このXORゲートの出力を保持する第2ラッチ回路とを有する
ことを特徴とする請求項3記載の半導体記憶装置。
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