JP2008186522A - 不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法 Download PDF

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Abstract

【課題】不揮発性半導体記憶装置の誤読み出しを低減する。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置30のメモリセルのデータ読み出しでは、選択ワード線に読み出しワード線電圧Vword−readを印加し、選択ビット線に読み出しビット線電圧Vbit−readを印加し、非選択ワード線、非選択ビット線、及びソース線を接地電圧Vssにして選択されたメモリセルのデータの読み出しを行う。
【選択図】 図3

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出しに関する。
近年、映像情報産業の発展とともに、その情報を記憶する記憶媒体、記憶装置の開発が精力的に進まれている。その中で、電気的に書き換え可能でプログラマブルな不揮発性半導体記憶装置としてのEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)が多用されている。EEPROMには、バイト型EEPROMとフラッシュメモリがある。フラッシュメモリには、NOR型、NAND型、AND型などがある。NOR型フラッシュメモリは、コード記憶として、高速アクセスが可能で移動体端末やPC等のプログラム格納用などに多用される(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1などに記載されるNOR型フラッシュメモリのメモリセルを微細化や低消費電力化を進めた場合、メモリセル間の相互干渉ノイズが増大してメモリセルのデータの誤読み出しが発生するという問題点がある。また、メモリセルを多値化した場合、メモリセルの多値データ読み出し動作の余裕が低下するという問題点がある。
特開平7−307400号公報(頁17、図17)
本発明は、誤読み出しを低減できる不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法を提供する。
本発明の一態様の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法は、制御ゲートがワード線に接続され、ドレインがビット線に接続され、ソースがソース線に接続されるメモリセルトランジスタから構成されるメモリセルがマトリックス状に複数配置形成される不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法であって、前記メモリセルにデータを書き込む工程と、前記メモリセルの中から選択されたメモリセルに接続されるワード線に読み出しワード線電圧を印加し、前記選択されたメモリセルに接続されるビット線にビット線電圧を印加し、非選択のワード線及びビット線を接地電圧にし、前記ソース線を前記接地電圧にして前記選択されたメモリセルのデータを読み出す工程とを具備することを特徴とする。
更に、本発明の他態様の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法は、制御ゲートがワード線に接続され、ドレインがビット線に接続され、ソースがソース線に接続されるメモリセルトランジスタから構成されるメモリセルをマトリックス状に複数配置形成するメモリセルアレイが同一ウエル領域に設けられ、前記メモリセルアレイを一括消去動作できる不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法であって、前記メモリセルにデータを書き込む工程と、前記メモリセルアレイのメモリセルの中から選択されたメモリセルに接続されるワード線に読み出しワード線電圧を印加し、前記選択されたメモリセルに接続されるビット線にビット線電圧を印加し、非選択のワード線及びビット線を接地電圧にし、前記ソース線を前記接地電圧にして前記選択されたメモリセルのデータを読み出す工程とを具備することを特徴とする。
本発明によれば、誤読み出しを低減できる不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法を提供することができる。
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の実施例1に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法について、図面を参照して説明する。図1は不揮発性半導体記憶装置を示す図、図1(a)はメモリセル部の構成を示す図、図1(b)はメモリセルブロックの構成を示す図、図2はメモリセルアレイの構成を示す図、図2(a)はメモリセルアレイの構成を示す平面模式図、図2(b)は図2(a)のA−A線に沿う断面図ある。本実施例では、不揮発性半導体記憶装置としてのNOR型フラッシュメモリのデータ読み出し方法を変更している。
図1(a)に示すように、不揮発性半導体記憶装置30にはメモリセル部11が設けられる。不揮発性半導体記憶装置30はNOR型フラッシュメモリであり、ここではメモリセル部11以外の入出力回路や電源昇圧回路などの図示を省略している。メモリセル部11には、メモリセルブロックMCB1乃至4が配置形成される。
図1(b)に示すように、メモリセルブロックMCB1乃至4には、それぞれ、ロウデコーダ12、センスアンプ13、カラムデコーダ14、及びメモリセルアレイ16が設けられる。
メモリセルアレイ16に設けられるワード線WLは、上下方向に並列配置される。メモリセルアレイ16に設けられるビット線BLは、左右方向に並列配置される。ワード線WLとビット線BLが交差する部分にメモリセル15が設けられ、メモリセル15はメモリセルアレイ16内部にマトリックス状に配置形成される。
ロウデコーダ12は、メモリセルアレイ16の上側に設けられ、並列配置される複数本のワード線WLをメモリセルアレイ16に配給する。センスアンプ13は、メモリセルアレイ16とカラムデコーダ14の間に設けられ、並列配置される複数本のビット線BLをメモリセルアレイ16に配給する。センスアンプ13は、メモリセル15に記憶されるデータを入力し、その情報を増幅出力する。カラムデコーダ14は、センスアンプ13から出力されるビット線BLの情報をデコードして出力する。
図2(a)に示すように、メモリセルアレイでは、ビット線BL01乃至03が左右方向に設けられ、互いに一定な間隔で離間され、並列配置される。ワード線WL01乃至05が上下方向に設けられ、互いに一定な間隔で離間され、並列配置される。ビット線とワード線が交差する領域にメモリセルトランジスタのゲートが設けられ、ワード線と交差しない領域にドレインコンタクトとソースコンタクトとが設けられる。例えば、ビット線BL02とワード線WL02の交差する領域のゲートと、ドレインコンタクトDC02のワード線WL02側(ドレインコンタクトDC02の1/2)と、ソースコンタクトSC02のワード線WL02側(ソースコンタクトSC02の1/2)とが1つのメモリセルトランジスタを構成する。
図2(b)に示すように、メモリセルアレイでは、半導体基板1の表面にPウエル2が設けられる。Pウエル2はメモリセルアレイ16の全体に設けられる。Pウエル2の表面に、N+層からなるソース層3a及びドレイン層3bが選択的に設けられる。ソース層3aとドレイン層3bの間のPウエル層2上に、浮遊ゲート電極膜5a、制御ゲート絶縁膜4b、及び制御ゲート電極膜5bが積層形成される。浮遊ゲート電極膜5a、制御ゲート絶縁膜4b、及び制御ゲート電極膜5bがメモリセルトランジスタのゲート(2重ゲート構造)となる。
ソース層3a及びドレイン層3bと、浮遊ゲート絶縁膜4a、浮遊ゲート電極膜5a、及び制御ゲート絶縁膜4bの側面と、制御ゲート電極膜5bの上面及び側面とを覆うように層間絶縁膜6が設けられる。
ソース層3a及びドレイン層3bの一部を露出するように開口部が設けられ、開口部にビア7が埋設される。ドレイン層3bのビア7上には、ビア7と接するビア8が設けられる。ビア8上には、ビア8と接続されるビット線としてのビット線配線層9が設けられる。ビット線配線層9には金属配線層が使用される。ソース層3aのビア7は図示しないソース線に接続され、メモリセルトランジスタのゲートはワード線に接続される。
次に不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し動作について、図3乃至6を参照して説明する。図3は不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し動作を示すフローチャート、図4は不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し時の選択及び非選択メモリセルを示す模式図、図5は不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し時での印加電圧を示す図、図6は不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出しでの電荷を示す模式図である。
図3に示すように、不揮発性半導体記憶装置では、まず、メモリセルにデータの書き込みを行う。ここでは、“1”(消去状態)或いは“0(ゼロ)”(書き込み状態)のデータをメモリセルに書き込んでいるが、メモリセルが多値、例えば2bitの場合、“11”(消去状態)、“10”(書き込み状態)、“01”(書き込み状態)、或いは“00(ゼロ)”(書き込み状態)のデータをメモリセルに書き込む(ステップS1)。
次に、データを読み出すメモリセルの選択を行う。ここでは、図4に示すように、データを読み出す選択されたメモリセルが、例えば“1”のデータを有し、隣接する非選択のメモリセルが、例えば“0(ゼロ)”のデータを有する場合である。選択メモリセルが“1”のデータで、隣接する非選択メモリセルが“0(ゼロ)”のデータの場合、他の場合よりもメモリセル間の相互干渉ノイズが増大してメモリセルのデータの誤読み出しが発生しやすい(ステップS2)。
続いて、選択されたメモリセルのデータの読み出しを行う。具体的には、図5に示すようにそれぞれの線に電圧を印加してデータの読み出しを行う。
従来では、選択ワード線に読み出しワード線電圧Vword−read、例えば約5Vを印加し、選択ビット線に読み出しビット線電圧Vbit−read、例えば約1Vを印加し、非選択ワード線及びソース線を接地電圧Vss(0(ゼロ)V)にし、非選択ビット線を開放(Open)にして選択されたメモリセルのデータの読み出しを行う。
ここで、データ読み出しでの電荷を模式的に示す(図6)。なお、図6では図4で示したメモリセルの模式図とは電荷の配置は変更表示している。図6に示すように、データ読み出しでの電荷を、選択されたメモリセルC2の電荷をqc01、非選択のメモリセルの電荷をqc00、ソース線に接続されるソースコンタクトの電荷をqs00、選択されたメモリセルのビット線に接続されるドレインコンタクトの電荷をqd01、非選択のビット線に接続されるドレインコンタクトの電荷をqd00とそれぞれ表すと、
qc00>qd01>qc01>qs00≧0・・・・・・・・・・・・・・式(1)
の関係が成立する。
メモリセルの相互干渉の電気力線は、電荷の高い方から低い方に向かうので、選択されたメモリセルC2は隣接する非選択のメモリセル(C1、C3、B1、B2、B3)からの相互干渉の影響を受ける。非選択のメモリセル(A1、A2、A3)からの電気力線は、ソースコンタクトの電荷が0(ゼロ)であるから、ソースコンタクトが終端となるので、非選択のメモリセル(A1、A2、A3)からの相互干渉の影響は遮断される。ここで、非選択のドレインコンタクトが開放(Open)となっているので、電気力線の終端とはならない。このため、非選択のメモリセル(C1、C3、B1、B3)からの電気力線は、選択されたメモリセルC2と相互干渉する。非選択のメモリセルB2は、ドレインコンタクトDC02との関係が、
qc00>qd01・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(2)
であり、選択されたメモリセルC2との相互干渉は比較的小さい。
一方、本実施例では、選択ワード線に読み出しワード線電圧Vword−read、例えば約5Vを印加し、選択ビット線に読み出しビット線電圧Vbit−read、例えば約1Vを印加し、非選択ワード線、非選択ビット線、及びソース線を接地電圧Vssにして選択されたメモリセルのデータの読み出しを行う。
非選択のドレインコンタクト(DC01、DC03)が接地電圧Vssに設定されるので、
qd00<qc00・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・式(3)
となり、電気力線の終端を非選択のドレインコンタクト(DC01、DC03)に作ることができる。
上述したように、本実施例の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法では、選択ワード線に読み出しワード線電圧Vword−read、例えば約5Vを印加し、選択ビット線に読み出しビット線電圧Vbit−read、例えば約1Vを印加し、非選択ワード線、非選択ビット線、及びソース線を接地電圧Vssにして選択されたメモリセルのデータの読み出しを行う。
このため、電気力線の終端を非選択のドレインコンタクトに作ることができ、選択されたメモリセルへの相互干渉を大幅に抑制することができる。したがって、誤読み出しを防止することができ、電流センス幅を拡大することができる。
なお、本実施例では、選択メモリセルのデータを“1”、隣接する非選択メモリセルのデータを“0”に設定しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。選択メモリセルと隣接する非選択メモリセルのデータ状態が異なる場合、或いは同じ場合によらず適用することができる。また、メモリセルが多値(2bit以上)の場合でも誤読み出しを防止することができる。
次に、本発明の実施例2に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法について、図面を参照して説明する。図7は不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す平面模式図、図8はメモリセルアレイの断面図、図8(a)は図7のB−B線に沿う断面図、図8(b)は図7のC−C線に沿う断面図、図9はメモリセルのセル間相互干渉を示す模式図である。本実施例では、ワード線の間にソース線を設けて隣接メモリセル間の相互干渉容量を低減している。
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図7に示すように、不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイでは、ビット線BL01乃至03が左右方向に設けられ、互いに一定な間隔で離間され、並列配置される。ワード線WL01乃至05が上下方向に設けられ、互いに一定な間隔で離間され、並列配置される。ワード線とワード線の間に、ワード線と一定な間隔で離間されたソース線SL01及びSL02がそれぞれ設けられる。
図8に示すように、ソース層3aとドレイン層3bの間には、ソース層3aとドレイン層3bとを離間するためのSTI(Shallow Trench Isolation)21が、Pウエル2の表面にソース層3a及びドレイン層3bよりも深く埋設される。ソース層3a上にはビア7を介してソース線としてのソース線配線層22が形成される。ソース線配線層22には金属配線層が使用される。ソース層3a上のビア7及びソース線配線層22は隣接するメモリセルの相互干渉を抑制する働きをする。ドレイン層3b上には、ビア7及び8を介してビット線としてのビット線配線層9が設けられる。ビット線配線層9は、ソース線配線層22の上部に層間絶縁膜6を介して設けられる。ソース層3aはビア7を介してソース線に接続され、ドレイン層3bはビア7及び8を介してビット線に接続される。
図9に示すように、浮遊ゲートFGと基板との間の容量を浮遊ゲート容量CFG、浮遊ゲートFGと制御ゲートCGとの間の容量を制御ゲート容量CCG、メモリセル間の相互干渉容量をメモリセル間相互干渉容量CCSKと表すと、本実施例のメモリセルでは選択メモリセルと非選択メモリセルの間のソース層上に、ビア7及びソース配線層22からなるソース線がメモリセルのゲート部よりも高く設けられ、しかもソース線は接地電圧Vssに設定される。なお、不揮発性半導体記憶装置の選択されたメモリセルのデータ読み出しは実施例1と同様に行われる。
上述したように、本実施例の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法では、隣接するメモリセルとメモリセルの間のソース層上に、ビア7及びソース配線層22からなるソース線がメモリセルのゲート部よりも高く設けられる。選択されたメモリセルのデータの読み出し時、選択ワード線に読み出しワード線電圧Vword−read、例えば約5Vを印加し、選択ビット線に読み出しビット線電圧Vbit−read、例えば約1Vを印加し、非選択ワード線、非選択ビット線、及びソース線を接地電圧Vssに設定される。
このため、電気力線の終端を非選択のドレインコンタクトに作ることができ、ソース線に隣接する選択メモリセルと非選択メモリセルの間のメモリセル間相互干渉容量CCSKを大幅に低減することができ、選択されたメモリセルへの相互干渉を実施例1よりも抑制することができる。したがって、誤読み出しを防止することができ、電流センス幅を拡大することができる。
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。
例えば、実施例1及び2では、NOR型フラッシュメモリに適用したがDINOR(Divided bit line NOR)型フラッシュメモリにも適用できる。
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 制御ゲートがワード線に接続され、ドレインがビット線に接続され、ソースがソース線に接続されるメモリセルトランジスタから構成されるメモリセルがマトリックス状に複数配置形成され、前記ソース線が前記ワード線の間に設けられる不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法であって、前記メモリセルにデータを書き込む工程と、前記メモリセルの中から選択されたメモリセルに接続されるワード線に読み出しワード線電圧を印加し、前記選択されたメモリセルに接続されるビット線にビット線電圧を印加し、非選択のワード線及びビット線を接地電圧にし、前記ソース線を前記接地電圧にして前記選択されたメモリセルのデータを読み出す工程とを具備する不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
(付記2) 制御ゲートがワード線に接続され、ドレインがビット線に接続され、ソースがソース線に接続されるメモリセルトランジスタから構成されるメモリセルをマトリックス状に複数配置形成するメモリセルアレイが同一ウエル領域に設けられ、前記ソース線が前記ワード線の間に設けられ、前記メモリセルアレイを一括消去動作できる不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法であって、前記メモリセルにデータを書き込む工程と、前記メモリセルアレイのメモリセルの中から選択されたメモリセルに接続されるワード線に読み出しワード線電圧を印加し、前記選択されたメモリセルに接続されるビット線にビット線電圧を印加し、非選択のワード線及びビット線を接地電圧にし、前記ソース線を前記接地電圧にして前記選択されたメモリセルのデータを読み出す工程とを具備する不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
(付記3) 前記ソース線は金属配線である付記1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
本発明の実施例1に係る不揮発性半導体記憶装置を示す図、図1(a)はメモリセル部の構成を示す図、図1(b)はメモリセルブロックの構成を示す図。 本発明の実施例1に係るメモリセルアレイの構成を示す図、図2(a)はメモリセルアレイの構成を示す平面模式図、図2(b)は図2(a)のA−A線に沿う断面図。 本発明の実施例1に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し動作を示すフローチャート。 本発明の実施例1に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し時の選択及び非選択メモリセルを示す模式図。 本発明の実施例1に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し時での印加電圧を示す図。 本発明の実施例1に係る不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し時での電荷を示す模式図。 本発明の実施例2に係る不揮発性半導体記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す平面模式図。 本発明の実施例2に係るメモリセルアレイの断面図、図8(a)は図7のB−B線に沿う断面図、図8(b)は図7のC−C線に沿う断面図。 本発明の実施例2に係るメモリセルのセル間相互干渉を示す模式図。
符号の説明
1 シリコン基板
2 Pウエル
3a ソース層
3b ドレイン層
4a 浮遊ゲート絶縁膜
4b 制御ゲート絶縁膜
5a 浮遊ゲート電極膜
5b 制御ゲート電極膜
6 層間絶縁膜
7、8 ビア
9 ビット線配線層
11 メモリセル部
12 ロウデコーダ
13 センスアンプ
14 カラムデコーダ
15 メモリセル
16 メモリセルアレイ
21 STI
22 ソース線配線層
30 不揮発性半導体記憶装置
BL、BL01〜03 ビット線
CG 制御ゲート容量
CSK メモリセル間相互干渉容量
FG 浮遊ゲート容量
CG 制御ゲート
FG 浮遊ゲート
DC01〜03、DC11〜13 ドレインコンタクト
MCB1〜4 メモリセルブロック
qc00 非選択メモリセルの電荷
qc01 選択メモリセルの電荷
qd00 非選択メモリセルのドレインコンタクトの電荷
qd01 選択メモリセルのドレインコンタクトの電荷
qs00 ソースコンタクトの電荷
SC01〜03、SC11〜13 ソースコンタクト
SL01、SL02 ソース線
Vbit−read 読み出しビット線電圧
Vss 接地電圧
Vword−read 読み出しワード線電圧
WL、WL01〜05 ワード線

Claims (5)

  1. 制御ゲートがワード線に接続され、ドレインがビット線に接続され、ソースがソース線に接続されるメモリセルトランジスタから構成されるメモリセルがマトリックス状に複数配置形成される不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法であって、
    前記メモリセルにデータを書き込む工程と、
    前記メモリセルの中から選択されたメモリセルに接続されるワード線に読み出しワード線電圧を印加し、前記選択されたメモリセルに接続されるビット線にビット線電圧を印加し、非選択のワード線及びビット線を接地電圧にし、前記ソース線を前記接地電圧にして前記選択されたメモリセルのデータを読み出す工程と、
    を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
  2. 制御ゲートがワード線に接続され、ドレインがビット線に接続され、ソースがソース線に接続されるメモリセルトランジスタから構成されるメモリセルをマトリックス状に複数配置形成するメモリセルアレイが同一ウエル領域に設けられ、前記メモリセルアレイを一括消去動作できる不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法であって、
    前記メモリセルにデータを書き込む工程と、
    前記メモリセルアレイのメモリセルの中から選択されたメモリセルに接続されるワード線に読み出しワード線電圧を印加し、前記選択されたメモリセルに接続されるビット線にビット線電圧を印加し、非選択のワード線及びビット線を接地電圧にし、前記ソース線を前記接地電圧にして前記選択されたメモリセルのデータを読み出す工程と、
    を具備することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
  3. 前記メモリセルには、多ビット情報が記憶されることを特徴とする請求項1又は2に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
  4. 前記ソース線は、前記ワード線と並列配置される金属配線層から構成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
  5. 前記メモリセルトランジスタは、制御ゲート電極と浮遊ゲート電極とを有する2重ゲート構造のトランジスタで、前記メモリセルはNOR型であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の不揮発性半導体記憶装置のデータ読み出し方法。
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