JP2011146103A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 複数ブロック一括消去によって消去されるべきでないブロックのデータの消去を防止可能な半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 半導体記憶装置は、ウェルを有する半導体基板を含む。メモリセルアレイ1は、ウェルの上方のフローティングゲート電極FGとその上方のコントロールゲート電極CGとを含む複数のメモリセルMTを有し、直列接続された複数のメモリセルからなるページごとにデータを書き込まれ、複数のページからなりデータの消去単位である複数のブロックを有する。コントロールゲート線CGLは、複数のブロックのうちの少なくとも1つの複数のコントロールゲート電極と選択的に電気的に接続される。第1スイッチング素子TrGは、電流経路の両端をコントロールゲート線と接地端との間に接続される。ウェルが充電され、ウェルの放電終了前に第1スイッチング素子がオフとされている。
【選択図】 図6
【解決手段】 半導体記憶装置は、ウェルを有する半導体基板を含む。メモリセルアレイ1は、ウェルの上方のフローティングゲート電極FGとその上方のコントロールゲート電極CGとを含む複数のメモリセルMTを有し、直列接続された複数のメモリセルからなるページごとにデータを書き込まれ、複数のページからなりデータの消去単位である複数のブロックを有する。コントロールゲート線CGLは、複数のブロックのうちの少なくとも1つの複数のコントロールゲート電極と選択的に電気的に接続される。第1スイッチング素子TrGは、電流経路の両端をコントロールゲート線と接地端との間に接続される。ウェルが充電され、ウェルの放電終了前に第1スイッチング素子がオフとされている。
【選択図】 図6
Description
本発明は、半導体記憶装置に関し、例えば、NAND型EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory)に関する。
NAND型EEPROM(フラッシュメモリ)は、所定の大きさの記憶領域単位(ページ)でデータが書き込まれる。また、複数の連続するページからなるブロック単位でデータが消去される。フラッシュメモリは、このような1ブロックごとの消去に加えて、全ブロック消去が可能に構成されている。全ブロック消去は、フラッシュメモリ内の全ブロックのデータを一括して消去する動作である。全ブロック消去は、例えば、チップのテスト時に用いられる。
メモリは、自身の動作に必要な情報を保持している必要がある場合がある。このような情報には、例えば動作電圧や、冗長機構を実現するための回路の変更を示す情報が含まれる。この動作情報は、DRAM(dynamic random access memory)ではレーザーフューズによってプログラムされている。これに対して、フラッシュメモリでは、ROMブロック内にプログラムされる。ROMブロックは、全ブロックのうち、フラッシュメモリの動作に必要な情報の格納用に確保されている領域である。ROMブロックに書き込まれた情報は、不揮発に格納され、フラッシュメモリへの電源投入時に読み出される。
ROMブロックは、通常のデータ格納用のその他のブロックと、アドレスによって区別されているのみである。一方、全ブロック消去は、ROMブロックも対象に含んでいる。このため、全ブロック消去によって、ROMブロックのデータも消去されてしまう。しかしながら、ROMブロックは消去されてはならないので、全ブロック消去時にROMブロック内のメモリセルのデータの消去を回避する対策が必要である。
本発明は、複数ブロックの一括消去によって消去されるべきでないブロックのデータの消去を防止可能な半導体記憶装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様による半導体記憶装置は、ウェルを有する半導体基板と、前記ウェルの上方のフローティングゲート電極とその上方のコントロールゲート電極とを含む複数のメモリセルを有し、直列接続された前記複数のメモリセルからなるページごとにデータを書き込まれ、複数の前記ページからなりデータの消去単位である複数のブロックを有するメモリセルアレイと、前記複数のブロックのうちの少なくとも1つの複数の前記コントロールゲート電極と選択的に電気的に接続されるコントロールゲート線と、電流経路の両端を前記コントロールゲート線と接地端との間に接続された第1スイッチング素子と、を具備し、前記ウェルが充電され、前記ウェルの放電終了前に前記第1スイッチング素子がオフとされている、ことを特徴とする。
本発明によれば、複数ブロック一括消去によって消去されるべきでないブロックのデータの消去を防止可能な半導体記憶装置を提供できる。
上記のように、全ブロック消去時にROMブロック内のメモリセルのデータの消去を回避するための対策が必要である。そのために、例えば、ROMブロック内のメモリセルのワード線が、消去時にフローティングとされる。このことについて説明する。
各ワード線は、各ブロック用のロウコーダ回路内の転送トランジスタのドレインと接続されている。転送トランジスタのソースはコントロールゲート線と接続され、ゲートは選択回路と接続されている。選択回路は、ブロックごとに設けられており、同じブロック内の全転送トランジスタをオン、オフする。
各ブロック内の各コントロールゲート線CGLは、図8に示すコントロールゲート線ドライバ回路に接続されている。コントロールゲートドライバ回路において、全コントロールゲート線は、トランジスタTrGを介して接地されている。トランジスタTrGのゲートには、信号CGDISが印加されている。コントロールゲート線CGLは、トランジスタTrP、TrRを介して、プログラム(書き込み)電圧、読み出し電圧が印加される。
以上の構成において、ブロックの消去を行なうには、以下のように各部の電位が制御される。まず、消去対象のブロックの転送トランジスタをオンし、次いで信号CGDISをハイレベルにしてトランジスタTrGを導通させることよってコントロールゲート線CGLを0Vに固定する。その後、ウェルの電位を消去電圧に上昇させる。この結果、消去対象ブロック内のメモリセルのフローティングゲート電極とウェルとの間に電位差が生成されて、フローティングゲート電極内の電子がウェルへと引き抜かれる。全ブロック消去の際は、全ブロックの転送トランジスタが導通にされる。
上記のように、ROMブロック内のデータが消去されるのを回避する必要がある。そこで、例えば、ROMブロックの転送トランジスタはオフに維持される。この結果、ROMブロック内のワード線はフローティングにされる。こうすることによって、消去電圧へと上げられるウェルとワード線とのカップリングでROMブロックワード線が消去電圧へと上昇し、フローティングゲートとウェルとの間に電位差が生じない。こうして、ROMブロックのメモリセルのデータの消去が回避される。
このような手法であると、以下の現象が生じる。図9は、全ブロック消去を行なうための主要部の電位の変化を示している。図9に示されているとともに上記されているように、信号CGDISがハイレベルとされることによって、コントロールゲート線CGLが0Vに固定される。また、ROMブロックの転送トランジスタはオフのままとされ、それ以外のブロック(消去ブロック)の転送トランジスタはオンされる。次いで、ウェルの電位Vwellが消去電位Veraseへと上げられる。これに伴って、ROMブロック内のワード線WLRはカップリングによりウェルの電位と同様に上昇し、消去ブロックのワード線WLは0Vを維持する。この結果、消去ブロック内のメモリセルのフローティングゲートのみから電子が引き抜かれる。
消去の完了に伴って、ウェル電圧Vwellが放電される。このとき、消去ブロックのワード線WLの電位が、ウェル電圧Vwellとのカップリングにより負の値まで低下する。消去ブロック内のワード線WLと接続されているコントロールゲート線CGLは接地によって0Vを維持することが意図されている。ところが、消去ブロックワード線WLの負の電位が大きいため、コントロールゲート線CGLを0Vに維持できず、コントロールゲート線CGLも負電位になってしまう。すると、ROMブロックの転送トランジスタのソース電位はコントロールゲート線電位(負電位)、ゲート電位は0V、ドレイン電位はワード線WLRの電圧(消去電圧Verase)となる。この結果、この転送トランジスタのゲート・ソース間に大きな電位差が形成されて、転送トランジスタのソース・ドレイン間電流IDSが大きくなって、ROMブロック内のワード線WLRの電位がウェル電圧Vwellより早く放電される。このため、ROMブロック内のメモリセルのコントロールゲートとウェル電圧Vwellとの間で電位差が生じてROMブロック内のデータが消去されてしまう。
以下に、このような知見に基づいて構成された本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
図1を用い、一実施形態に係る半導体記憶装置の全体の構成の例について説明する。図1に示されているように、本実施形態に係るNAND型フラッシュメモリは、メモリセルアレイ1、ビット線制御回路2、カラムデコーダ3、データバッファ4、データ入出力端子5、ワード線制御回路6、制御回路7、制御信号入力端子8、電圧発生回路9を含んでいる。
メモリセルアレイ1は、複数のブロック(Block 0乃至Block n)、および少なくともメモリブロック(Memory block)を含んでいる。各ブロックは、複数のメモリセル、ワード線、ビット線等を含んでいる。ブロックは、複数のメモリセルからなる複数のページからなり、詳細については後に詳述する。メモリセルアレイ1は、ビット線制御回路2、ワード線制御回路6、制御回路7、電圧発生回路9と電気的に接続されている。
ビット線制御回路2は、ビット線を介してメモリセルアレイ1内のメモリセルのデータを読み出し、ビット線を介してメモリセルアレイ1内のメモリセルの状態を検出する。また、ビット線制御回路2は、ビット線を介してメモリセルアレイ1内のメモリセルに書き込み(プログラム)電圧を印加してメモリセルに書き込みを行う。ビット線制御回路2には、カラムデコーダ3、データバッファ4、制御回路7が電気的に接続されている。
ビット線制御回路2はセンスアンプ(S/A)やデータ記憶回路等(図示せず)を含んでいる。このデータ記憶回路は、カラムデコーダ3によって選択される。データ記憶回路に読み出されたメモリセルのデータは、データバッファ4を介してデータ入出力端子5から外部へ出力される。データ入出力端子5は、例えば、NAND型フラッシュメモリ外部の機器に接続される。データ入出力端子5は、NAND型フラッシュメモリの動作を制御する各種コマンドCOM、アドレスADDを受け取り、またデータDTを受け取ったり、出力したりする。データ入出力端子15に入力された書き込みデータDTは、データバッファ4を介して、カラムデコーダ3によって選択された上記データ記憶回路に供給される。一方、コマンドCOMおよびアドレスADDは、制御回路7に供給される。
ワード線制御回路6は、制御回路7の制御に従ってメモリセルアレイ1内の所定のワード線を選択する。また、ワード線制御回路6は、読み出し、書き込み、あるいは消去に必要な電圧を電圧発生回路9から受け取る。ワード線制御回路6は、これらの電圧を、選択されたワード線に印加する。
制御回路7は、メモリセルアレイ1、ビット線制御回路2、カラムデコーダ3、データバッファ4、ワード線制御回路6、電圧発生回路9に電気的に接続され、これらを制御する。制御回路7は、制御信号入力端子8に接続され、外部から制御信号入力端子8を介して入力されるALE(アドレスラッチイネーブル)信号等の制御信号によって制御される。また、制御回路7は、電圧発生回路9に後述する制御信号を出力し、電圧発生回路9を制御する。
電圧発生回路9は、制御回路7の制御に従って、書き込み、読み出し、消去等の各動作において、メモリセルアレイ1、ワード線制御回路6等に必要な電源電圧を与える。
次に、図2を用いて、ブロック(Block)の構成例について説明する。ここでは、1つのブロックBlockを例に挙げて説明する。また、このブロックBlock中のメモリセルトランジスタMTは、一括して消去される。すなわち、ブロックは消去単位である。
図2、図3に示されているように、ブロックBlockは、ワード線方向(WL方向)に沿って並ぶ複数のメモリセル列(メモリセルユニット)MUを含んでいる。メモリセル列MUは、NANDストリングと、選択トランジスタS1、S2から構成される。NANDストリングは、電流経路(ソース/ドレインSD)同士が相互に直列接続される複数個(例えば64個)のメモリセルトランジスタMTからなる。選択ランジスタS1、S2は、NANDストリングの両端にそれぞれ接続される。選択トランジスタS2の電流経路の他端はビット線BLに接続され、選択トランジスタS1の電流経路の他端はソース線SLに接続されている。
ワード線WL0乃至WL63は、WL方向に延び、同じ行に属する複数のメモリセルトランジスタMTに接続される。セレクトゲート線SGDは、WL方向に延び、ブロック内の全選択トランジスタS2に接続されている。セレクトゲート線SGSは、WL方向に延び、ブロック内の全選択トランジスタS1に接続されている。
同じワード線WLと接続されている複数のメモリセルトランジスタMTは、ページ(Page)と称する単位を構成する。ページごとに読み出し動作、書き込み動作が行われる。なお、1つのメモリセルが複数ビットのデータを保持可能な多値メモリセルの場合、1つのワード線に複数ページが割り当てられる。
メモリセルMTは、ビット線BLとワード線WLとの各交点に設けられる。メモリセルMTは、半導体基板内に形成されたウェル上に設けられる。ウェルは、電圧発生回路9と接続されており、電圧発生回路9によって所定の電圧を印加される。メモリセルMTは、ウェル上に積層されたトンネル絶縁膜(図示せず)、電荷蓄積層としての浮遊電極(フローティングゲート電極)FG、ゲート間絶縁膜(図示せず)、制御電極(コントロールゲート電極)CG(ワード線WL)、ソース/ドレイン領域SDを有している。メモリセルMTの電流経路であるソース/ドレインは、隣接するメモリセルMTのソース/ドレインに直列接続されている。選択トランジスタS1、S2は、半導体基板上に積層されたゲート絶縁膜(図示せず)、ゲート電極SGS、SGD、ソース/ドレイン領域SDを含んでいる。
図4は、本実施形態に係るワード線制御回路6の具体例を示すブロック図である。図4に示されているように、ワード線制御回路6は、複数のロウデコーダ回路RDと、コントロールゲート線ドライバ回路CGDと、を含んでいる。ロウデコーダ回路に接続されている全コントロールゲート線が、同じCGドライバ回路CGDに接続されている。ロウデコーダ回路RDのうち、少なくとも1つのメモリブロックのワード線WLと接続されている。
図5は、本実施形態に係る、1つのロウデコーダ回路RDの具体例を示す回路図である。各ワード線WLは、転送用スイッチング素子(例えばFET(field effect transistor))TTrの電流経路の一端と接続されている。各転送トランジスタTTrの電流経路の他端は、各コントロールゲート線CGLと接続されている。転送トランジスタTTrのゲート電極は、選択回路11と接続されている。選択回路11は、同じロウデコーダ回路RD内の全転送トランジスタTTrと接続されている。複数の選択回路11のうち、制御回路7から供給されるアドレス信号ADDによって指定されるものが転送トランジスタTTrをオンする。すなわち、転送トランジスタTTrのオン、オフは、ブロック単位で制御されることが可能である。
図6は、本実施形態に係るコントロールゲート線ドライバ回路CGDの具体例を示す回路図である。各ロウデコーダ回路RD内のコントロールゲート線CGLは、例えばn型のFETからなるスイッチング素子TrP、TrRの電流経路の一端と接続されている。トランジスタTrP、TrRの電流経路の他端には、それぞれ、電圧発生回路9からプログラム電圧、読み出し電圧が印加されるようになっている。トランジスタTrP、TrRの各ゲート電極は、それぞれ、ローカルポンプLP1、LP2と接続されている。ローカルポンプLP1、LP2は、制御回路7による制御に従って、書き込み、読み出し時に、トランジスタTrP、TrRをオン、オフする。
コントロールゲート線CGLは、例えばn型のFETからなるスイッチング素子TrGの電流経路の一端と接続されている。トランジスタTrGの電流経路の他端は接地されている。トランジスタTrGのゲート電極には、制御回路7からの信号CGDISが印加されている。トランジスタTrGは、信号CGDISに応じて、オン、オフする。
コントロールゲート線CGLは、また、例えばn型のトランジスタTrWからなるスイッチング素子の電流経路の一端と接続されている。トランジスタTrWの電流経路の他端は、メモリセルアレイのウェルと電気的に接続されている。トランジスタTrWのゲート電極には、バッファ回路Bを介して、制御回路7からの信号CGWELLが印加されている。
次に、上記構成のNAND型フラッシュメモリの全ブロック消去動作について図7を参照して説明する。図7は、本実施形態に係るNAND型フラッシュメモリの主要部の電位を示している。
全ブロック消去の、終了直前までの動作は、図9と同じである。すなわち、まず、全ブロック消去の開始とともに、メモリブロックを除く全ブロック(消去ブロック)用の転送トランジスタTTrがオンされる。この結果、これら消去ブロック内の全ワード線WLは、コントロールゲート線CGLと電気的に接続される。一方、メモリブロック用の転送トランジスタTTrはオフを維持する。この結果、メモリブロック内の全ワード線WLは、電気的にフローティングとなる。信号CGDIS、信号CGWELL、および消去ブロックのワード線WLとコントロールゲート線CGLは0ボルトである。
時刻T1において、信号CGDISがハイレベルとされる。この結果、トランジスタTrGがオンし、コントロールゲート線CGLに0Vが印加される。
次に、時刻T2において、ウェル電圧Vwellが消去電圧Veraseへと上げられる。消去ブロック内のワード線WLの電位は、転送トランジスタTTrおよびトランジスタTrGを介して0Vを印加されているので、0Vを維持する。このため、消去ブロックにおいてワード線(コントロールゲート電極)WLとウェルとの間の電位差によって、消去ブロック内のフローティングゲート電極内の電子がウェルへと引き抜かれる。一方、メモリブロック内のワード線WLRはフローティングである故にウェルとカップリングしているので、その電位は、ウェル電圧Vwellと同様に変化してVeraseまで上昇する。このため、メモリブロック内においては、ワード線(コントロールゲート電極)WLRとウェルとの間に電位差は生じず、データは維持される。
データ消去に必要な時間の経過後、時刻T3において、信号CGDISがローレベルとされてトランジスタTrGがオフする。また、時刻T3において、信号CGWELLがハイレベルとされてトランジスタTrWがオンする。これらのトランジスタのオン、オフによって、コントロールゲート線CGLは、0Vに固定された状態からウェルに接続された状態に切り替わる。この結果、コントロールゲート線CGLは、ウェルの正の電圧Vwellを印加され、その電位はVDD−Vthまで上昇する。VDDは電源電位であり、VthはトランジスタTrGの閾値電圧である。
次に、時刻T4において、ウェル電圧Vwellの放電が開始される。この放電の開始に伴って、メモリブロックのワード線WLRの電位は低下する。また、放電に伴って消去ブロックのワード線WLの電位は、ウェル電圧Vwellとのカップリングにより負の値まで低下する。コントロールゲート線CGLは、転送トランジスタTTrを介して消去ブロックのワード線WLと接続されているが、一方でウェル電圧Vwellを印加されている。このため、コントロールゲート線CGLの電位は、消去ブロックのワード線WLに引きずられて負電位に低下することがない。
メモリブロック用のロウデコーダ回路RD内の転送トランジスタTTrは、ソースにおいてコントロールゲート線電位、ゲートにおいて0V、ドレインにおいてワード線WLR電位(消去電圧Verase)を印加されている。コントロールゲート線CGLの電位は、正電圧VDD−Vthに維持されている。このため、コントロールゲート線CGLの電位が、消去ブロックのワード線WLに連動して負電位に低下してメモリブロック用の転送トランジスタTTrを電流が流れてメモリブロックのワード線WLRがウェル電位Vwellと解離することが回避され、ウェル電圧Vwellと同様に変化する。この結果、メモリブロック内のワード線WLRとウェル電圧Vwellとの電位差によってメモリブロックのメモリセルトランジスタMTのフローティングゲート電極から電子が引き抜かれることが回避される。
次に、時刻T5において、ウェル電圧Vwellの放電が終了する。これに伴い、信号CGWELLがローレベルとされる。また、信号CGDISがハイレベルとされてトランジスタTrGがオンすることによって、コントロールゲート線CGLが放電される。
上の説明では、ウェル電圧Vwellの放電の開始に先立って(時刻T4)、信号CGDISがローレベルとされるとともに、信号CGWELLがハイレベルとされている。しかしながら、信号CGDISが、ウェル電圧Vwellの放電開始前後にオフされる制御も可能である。より具体的には、信号CGDISは、ウェル電圧Vwellの放電終了(時刻T5)前にオフにされていればよい。こうすることによって、コントロールゲート線CGLの放電経路が断たれる。この結果、コントロールゲート線CGLの電位がウェル電圧Vwellよりも早く低下することに起因してメモリブロックのデータが消去されることが回避される。
また、トランジスタTrWの電流経路の一端は、ウェルではなく正の電源電位の供給端と接続されていてもよい。このようにしても、ウェルとの接続の場合と同じ利点を得られる。ウェルに接続すれば、さらに、本発明の実施形態の適用による追加の電流消費は生じない利点を得られる。ウェルとの接続であれば、ウェルは本発明の実施形態の適用いかんに関わらず動作に応じた電圧を印加され、このウェルの電位を流用することになるからである。
さらに、上の説明では、全ブロック消去について説明したが、本実施形態はこれに限られない。例えば、全ブロックのうちの複数ブロックを消去する場合に対しても本実施形態を適用して、メモリブロックの誤消去を回避することができる。
以上述べたように、本発明の実施形態に係る半導体記憶装置によれば、コントロールゲート線は、複数ブロックの一括消去におけるウェル電圧の放電の開始に際して、ウェル電圧と電気的に接続される。このため、コントロールゲート線がこれと接続された消去ブロックのワード線の影響によって負電位になることによってメモリブロックのワード線の電位が急速に低下してメモリブロックにおいてウェル電圧とワード線電圧との間に大きな電位差が生じることが回避される。このため、メモリブロックのデータが誤って消去されることが防止される。
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、上記各実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
1…メモリセルアレイ、2…ビット線制御回路、3…カラムデコーダ、4…データバッファ、5…データ入出力端子、6…ワード線制御回路、7……制御回路、8…制御信号入力端子、9…電圧発生回路、11…選択回路、CGL…コントロールゲート線、TrP、TrR、TrG、TrW…トランジスタ。
Claims (5)
- ウェルを有する半導体基板と、
前記ウェルの上方のフローティングゲート電極とその上方のコントロールゲート電極とを含む複数のメモリセルを有し、直列接続された前記複数のメモリセルからなるページごとにデータを書き込まれ、複数の前記ページからなりデータの消去単位である複数のブロックを有するメモリセルアレイと、
前記複数のブロックのうちの少なくとも1つの複数の前記コントロールゲート電極と選択的に電気的に接続されるコントロールゲート線と、
電流経路の両端を前記コントロールゲート線と接地端との間に接続された第1スイッチング素子と、
を具備し、
前記ウェルが充電され、前記ウェルの放電終了前に前記第1スイッチング素子がオフとされている、
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 電流経路の両端を前記コントロールゲート線と正の第1電圧を供給する正電圧端との間に接続された第2スイッチング素子をさらに具備し、
前記第2スイッチング素子は、前記ウェルの放電終了前にオンとされている、
ことを特徴とする、請求項1の半導体記憶装置。 - 前記第1電圧が前記ウェルの電圧である、
ことを特徴とする、請求項2の半導体記憶装置。 - 前記第1スイッチング素子が、前記ウェルの放電開始前にオフされる、
ことを特徴とする、請求項1の半導体記憶装置。 - 前記ウェルの充電および前記ウェルの放電が、前記メモリセルアレイの全ブロックのデータを消去する際に行なわれる、
ことを特徴とする、請求項1の半導体記憶装置。
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