JP2011175715A - 半導体記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体記憶装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】メモリセルの信頼性を向上可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
複数のメモリセルMを備えたメモリセルアレイと、複数のメモリセルMの行方向に配列されたメモリセルMに共通に接続された複数のワード線WLと、複数のメモリセルMの列方向に配列されたメモリセルMに共通に接続された複数のビット線BLと、メモリセルMにデータの書き込みを行うとき、奇数番目のビット線BLに接続されたメモリセルMと偶数番目のビット線BLに接続されたメモリセルMとで書き込み順序を規定したヒューズデータを記憶したヒューズとを備え、奇数番目または偶数番目のビット線BLに接続されたメモリセルMの閾値分布の小さい方のメモリセルMから書き込みを行うようにヒューズデータの書き込み順序が規定されることを特徴とする半導体記憶装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法に関する。
現在、例えばNAND型不揮発性メモリ等の半導体記憶装置では、メモリセルアレイを形成する際に、芯材の両側に側壁転写加工技術により形成される側壁をマスク材として用いて、リソグラフィ装置の解像力の限界値よりも微細なパターニングを行うことが検討されている(例えば、特許文献1参照)。
このマスク材となる側壁の形状は、芯材の左右で異なる傾向がある。このため、例えばメモリセルの列方向に延在する側壁をマスク材としてメモリセルを形成するとき、メモリセルの行方向に隣接するメモリセル間で、チャネル幅が異なる可能性がある。
そのため、各ワード線で共通に接続されるメモリセルのうち、偶数番目のビット線BLに接続されるメモリセル(以下、偶数メモリセルという)の閾値分布と奇数番目のビット線BLに接続されるメモリセル(以下、奇数メモリセルという)の閾値分布が異なる可能性がある。
したがって、例えば偶数メモリセルに対してプログラムベリファイを行った後に、奇数メモリセルに対してプログラムベリファイを行った結果、偶数メモリセルと奇数メモリセル間の寄生容量の影響により、偶数メモリセルと奇数メモリセルを含めたメモリセル全体の閾値分布が広くなり、メモリセルの信頼性が低下する可能性がある。
そこで、偶数メモリセルと奇数メモリセル間の寄生容量の影響を低減する書き込み方法として、例えば4値(2ビット)のデータの書き込む際に、偶数カラムのメモリセルに対してプログラムを行い、奇数カラムのメモリセルに対してプログラムを行った後に、偶数カラムと奇数カラムのメモリセルに対してベリファイを行う方法が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
この方法では、偶数メモリセルのプログラムの後に奇数メモリセルを書き込む場合において、偶数メモリセルと奇数メモリセル間の寄生容量の影響により、先にプログラムを行った偶数メモリセルの閾値分布が高い方向に移動する。
したがって、プログラム前の偶数メモリセルの閾値分布が、プログラム前の奇数メモリセルの閾値分布よりも高い場合には、偶数メモリセルと奇数メモリセルを含めたメモリセル全体の閾値分布が広くなり、依然としてメモリセルの信頼性が低下する場合がある。
特開2006−303022号公報 特開2002−279788号公報
本発明は、メモリセルの信頼性を向上可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。
本発明の一態様の半導体記憶装置は、複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、前記複数のメモリセルの行方向に配列されたメモリセルに共通に接続された複数のワード線と、前記複数のメモリセルの列方向に配列されたメモリセルに共通に接続された複数のビット線と、前記メモリセルにデータの書き込みを行うとき、奇数番目のビット線に接続されたメモリセルと偶数番目のビット線に接続されたメモリセルとで書き込み順序を規定したヒューズデータを記憶したヒューズとを備え、前記奇数番目または前記偶数番目のビット線に接続されたメモリセルの閾値分布の小さい方のメモリセルから書き込みを行うように前記ヒューズデータの前記書き込み順序が規定されることを特徴とする。
また、本発明の一態様の半導体記憶装置の製造方法は、(a)偶数番目のビット線に接続されたメモリセルの第1閾値分布と、奇数番目のビット線に接続されたメモリセルの第2閾値分布とを測定する工程と、(b)前記第1閾値分布と前記第2閾値分布を比較する工程と、(c)前記第1閾値分布または前記第2閾値分布の閾値分布が低いメモリセルを、閾値分布が高いメモリセルに対して先に書き込みが行われるように、書き込み順序を規定するヒューズデータを記憶部に保存する工程とを特徴とする。
本発明によれば、メモリセルの信頼性を向上可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供できる。
本発明の実施形態における半導体記憶装置の一態様であるNAND型不揮発性半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態における半導体記憶装置の一態様であるNAND型不揮発性半導体装置内のメモリセルアレイの回路図である。 図3(a)は、本発明の実施形態における半導体記憶装置の一態様であるNAND型不揮発性半導体記憶装置のパワーオンの際の動作フローチャート図であり、図3(b)は、本発明の実施形態における半導体記憶装置の一態様であるNAND型不揮発性半導体記憶装置の書き込みの際の動作フローチャート図である。 本発明の実施形態における半導体記憶装置の製造方法を示すフローチャート図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。なお、メモリセルの閾値分布の形状は、プログラムの前後で概ね変動しないものとする。
(半導体記憶装置の構成)
まず、本発明の実施形態にかかる半導体記憶装置の一態様であるNAND型不揮発性半導体記憶装置の構成について図1のブロック図を用いて説明する。
図1に示すように、実施形態にかかる半導体記憶装置は、メモリセルアレイ11と、ロウデコーダ12と、電圧発生装置13と、制御回路14と、ページバッファ15と、カラムデコーダ16と、パワーオン回路17と、データ入出力バッファ18aと、アドレスバッファ18bと、コマンドバッファ18cとを備える。
[メモリセルアレイ]
まず、メモリセルアレイ11は、複数のNANDストリングNSで構成される。以下、具体的に図2の回路図を用いて説明する。
複数のビット線BLは、NANDストリングNSが延在する方向(第1の方向)、且つそれぞれ半導体基板上の活性領域の上方に層間絶縁膜を介して配置されている。一方、複数のワード線WL0乃至WLn(nは自然数)は、NANDストリングが延在する方向(活性領域の延びる方向でもある)に対して直交する方向(第2の方向)に延び、且つ第1の方向に所定の間隔をおいて配置されている。複数の選択ゲート線SGS,SGDが、この複数のワード線WL1乃至WLnを挟むように、ワード線WL1とワード線Wnの両端にそれぞれ平行に配置されている。
NANDストリングNSは、複数のメモリセルM0乃至Mnと、第1及び第2の選択ゲートトランジスタT1、T2とで構成される。複数のメモリセルM0乃至Mnは、上記の各ワード線WLと各ビット線BLとの交点にそれぞれ形成され、各活性領域の延びる方向に直列接続されている。また、図2に示すように、ビット線BL側の第1の選択ゲートトランジスタT1は、メモリセルMnと直列接続され、ソース線SL側の第2の選択ゲートトランジスタT2は、メモリセルM0と直列接続されている。ソース線SLは各NANDストリングNSに共通に接続されている。
図2に示すように、各NANDストリングNSにおいて、第2の方向に配列された対応するメモリセルMの制御ゲートがそれぞれ共通のワード線WLに接続されている。また、第2の方向に配列された対応する第1の選択ゲートトランジスタT1の制御ゲートは、第1の選択ゲート線SGDに、第2の方向に配列された対応する第2の選択ゲートトランジスタT2の制御ゲートは、第2の選択ゲート線SGSに接続されている。
複数のNANDストリングNSは、メモリセルアレイ内にマトリックス状に形成されており、1つのワード線WLを共有する各NANDストリング内のメモリセルトランジスタMの集合は、データ読み出し及び書き込みの単位となるページを構成する。また、ワード線WLを共有する複数のNANDストリングの集合は、データ消去の単位となるブロックを構成する。
なお、以下では、偶数メモリセルの閾値分布(以下、第1の閾値分布という)と奇数メモリセルの閾値分布(以下、第2の閾値分布という)は異なっているものとする。
メモリセルアレイ12には、図1に示すように、通常データを保存可能なユーザ領域19a(記憶部1)と、ROMヒューズ領域19b(記憶部2、ヒューズともいう)が設けられている。
ここで、ROMヒューズ領域19bは、後述する制御回路14のプログラムデータや各種トリミングデータ、不良アドレスデータが、出荷時に書き込まれる領域である。これらのデータは、パワーオン時に自動的に読み出されて、プログラムデータは制御回路14にセットされ、トリミングデータや不良アドレスデータは、対応するデータレジスタにセットされ、読み出し/書き込み等の制御に供される。
この、ROMヒューズ領域19b内に、奇数メモリセルと偶数メモリセルのいずれのメモリセルに先に書き込むかの書き込み順序を規定するためのヒューズデータが保存されている。具体的には、2値のいずれかが保存される1ビットのデータである。このデータの割り当ては、第1の閾値分布と第2の閾値分布の比較結果によって、閾値分布の平均閾値が相対的に低いメモリセルが、閾値分布の平均閾値が相対的に高いメモリセルよりも先に書き込まれるように規定される。2値のデータの決定方法の詳細については、後述する。
[ロウデコーダ]
ロウデコーダ12は、アドレスバッファ18bから提供されるロウアドレスをデコードして、複数のワード線WLのうち1つのワード線WLを選択する。ロウアドレスは、選択されたワード線WLの位置情報であり、この選択されたワード線WLに後述する電圧発生装置13によりワード線電圧が供給される。
[電圧発生装置]
電圧発生装置13は、上記のロウデコーダ12で選択されたワード線WLに供給されるさまざまな電圧(メモリセルアレイ11が動作モードに応じて必要とする書き込み電圧Vpgm、ベリファイ電圧Vverify、書き込み非選択電圧Vpass、読み出し電圧Vread等)を発生する。
この電圧は、後述する制御回路14から出力されるシーケンスに基づいて制御され、所望の電圧に設定される。
[制御回路]
制御回路14は、動作モードに応じて供給されるコマンドやデータに基づいて、データの書き込み、データの読み出し及び消去のシーケンスの制御を行うための回路である。
制御回路14は、シーケンス方法設定部20aと、シーケンス方法記憶部20bとを備える。シーケンス方法設定部20aは、ROMヒューズ領域19a内のヒューズデータを一時保存するためのものである。パワーオン時に、後述するパワーオン回路17からリセット信号の入力により、制御装置14がヒューズデータを読み出し、シーケンス方法設定部20aに保存する。
シーケンス方法記憶部20bに保存されたテーブルには、ヒューズデータとそのヒューズデータに対応するシーケンスが保存されている。例えば、ヒューズデータが0の場合には、奇数メモリセルを偶数メモリセルよりも先に書き込むシーケンス、ヒューズデータが1の場合には、偶数メモリセルを奇数メモリセルよりも先に書き込むシーケンスが対応するように保存されている。
メモリセル11に書き込みを行う場合に、制御回路14は、シーケンス方法設定部20aに保存されたヒューズデータに対応するシーケンスをシーケンス方法記憶部20bから読み出し、ヒューズデータに対応するシーケンスにしたがってデータの書き込みを行われるように、後述するページバッファ15を制御する。
なお、制御回路14には、例えば上記2つのシーケンスに動作するシーケンス回路を組み込んで、読み出されたヒューズデータに基づいて、制御回路14がラッチ回路を切り替えるよう制御してもよい。
[ページバッファ]
ページバッファ15は、データラッチとセンスアンプを備えている。ページバッファ15のデータラッチは、メモリセルに書き込みを行なうための書き込みデータのラッチと、再書き込みデータのラッチを行なう。また、センスアンプは、ビット線BLの電位を検知するためのセンス動作、書き込み後のベリファイ読み出しのためのセンス動作を行なう。
メモリセルに書き込みを行う場合に、制御装置14から入力されたシーケンスの書き込み順序でページバッファ15はビット線BLを選択し、ユーザ領域19b内のメモリセルに書き込み動作を行う。
[カラムデコーダ]
カラムデコーダ16は、アドレスバッファ18bから提供されるカラムアドレスをデコードして、ページバッファ15内の複数のセンスアンプに有するラッチ回路のうち少なくとも1つのラッチ回路を選択する。
[パワーオン回路]
パワーオン回路17は、電源投入を検知するための回路である。パワーオンを検知した場合に、パワーオン回路17は制御回路14にリセット信号を出力する。
(半導体記憶装置の書き込み動作)
次に、実施形態における半導体記憶装置の一態様であるNAND型不揮発性半導体記憶装置の書き込み動作について図3のフローチャート図を用いて説明する。図3(a)は、パワーオンの際の半導体記憶装置の動作フローチャート図であり、図3(b)は、書き込み動作を行う際の半導体記憶装置の動作フローチャート図である。
[パワーオンの際の半導体記憶装置の動作]
図3(a)に示すように、ステップS1で、NAND型不揮発性半導体記憶装置に電源が供給されると、パワーオン回路17から制御回路14に、パワーオンの信号(リセット信号)が入力される。
そして、ステップS2で、制御回路14は、メモリセルアレイ11内のROMヒューズ領域19aからヒューズデータを読み出し、制御回路14内のシーケンス方法設定部20aにヒューズデータを保存する。
[ユーザ領域に書き込む際の半導体記憶装置の動作]
図3(b)に示すように、ステップS1で、書き込み動作の信号がコマンドバッファ18cから制御回路14に入力されたときに、制御回路14は、シーケンス方法設定部20aに保存されているヒューズデータを読み出し、シーケンス方法記憶部20b内でヒューズデータに対応するシーケンスを読み出す。
ステップS2で、この読み出されたシーケンスにしたがってユーザ領域内に書き込みを行えるように、制御回路14はロウデコーダ12や、電圧制御回路13、ページバッファ15、カラムデコーダ16を制御する。制御回路14は、ページバッファ15に第1メモリセル(偶数メモリセルまたは奇数メモリセルのうち、相対的に閾値分布が低いメモリセル)を選択させ、電圧発生装置13にワード線WLに書き込み電圧を印加させることで、第1メモリセルにプログラムが行われる。次に、ページバッファ15に第2メモリセル(偶数メモリセルまたは奇数メモリセルのうち、相対的に閾値分布が高いメモリセル)を選択させ、電圧発生装置13にワード線WLに書き込み電圧を印加させることで、第2メモリセルにプログラムが行われる。
ステップS3で、ページバッファ15などを用いて、第1メモリセルと第2メモリセルに対してベリファイが行われる。
上記ステップS3で、第1メモリセル及び第2メモリセルの閾値電圧がそれぞれの所望の電圧値に満たない場合、即ち、第1メモリセル及び第2メモリセルの閾値電圧が所望の電圧値を越えない場合(ステップS4,No)には、再度ステップS2に戻り、第1のメモリセルに再度のプログラムが行われる。ただし、再度のプログラムで使用するワード線電圧は、ステップS2で使用したワード線電圧(書き込み電圧)に所定電圧を増分させた電圧とする(ステップS5)。
ステップS3で、第1メモリセル及び第2メモリセルの閾値電圧がそれぞれの所望の電圧値に設定されるまで(ステップS4,Yes)、上記のステップS1からステップS4を繰り返す。第1メモリセル及び第2メモリセルの閾値電圧がそれぞれの所望の電圧値に設定されると、終了する。
(実施形態の効果)
以上より、メモリセルの信頼性を向上可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供できる。以下、具体的に説明する。
本実施形態では、奇数メモリセルと偶数メモリセルとを閾値分布の高低により決定し、閾値分布が相対的に低い第1メモリセルから先にプログラムを行った後に、閾値分布が相対的に高い第2メモリセルのプログラムを行う。
このため、第2メモリセルのプログラムを行った後に、第1メモリセルの閾値分布がプログラム後の第2メモリセルの閾値分布に近づく方向に移動するとしても、第2メモリセルのプログラム後のメモリセル全体の閾値分布を、上記特許文献2に比べて狭くできる。
したがって、メモリセルの信頼性を向上可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供できる。
(半導体記憶装置の製造方法)
次に、上記実施形態における半導体記憶装置の製造方法のうち、ヒューズデータとして、奇数メモリセルと偶数メモリセルの書き込み順序に関するデータを保存する方法(工程)について図4のプローチャート図を参照して説明する。
ROMヒューズ領域19a内のヒューズデータを保存する工程は、例えば半導体記憶装置の良品・不良品を識別するチップ選別検査で行われる。具体的には、ワード線WLやビット線BLが断線しているか否かを判定する工程や、メモリセルへの書き込み動作、メモリセルからの読み込み動作又は消去動作を行うことができるか否かを判定する工程の後に行う。
以下、ROMヒューズ領域19a内にヒューズデータを保存する工程を具体的に説明する。
まず、ステップS1で、制御回路14がページバッファ15を制御し、偶数メモリセルを選択した上で、半導体試験装置によって、偶数メモリセルの閾値分布(第1の閾値分布)を測定し、半導体試験装置内に保存する。
次に、ステップS2で、上記のステップS1と同様に、半導体試験装置によって、奇数メモリセルの閾値分布(第2の閾値分布)を測定し、半導体試験装置内に保存する。
なお、上記のステップS1とステップS2の順序を入れ替えてもよい。
ステップS3で、半導体試験装置によって、保存された第1の閾値分布と第2の閾値分布を比較し、閾値分布の高低を決定する。
ここで、閾値分布の高低は、閾値分布の平均閾値で決定する。つまり、偶数メモリセル群の閾値分布の平均閾値と奇数メモリセル群の閾値分布の平均閾値とを比較し、平均閾値の高低で決定する。
なお、閾値分布の高低を、複数の偶数メモリセル群のうち1ブロックの偶数メモリセル群の閾値分布の平均閾値と、複数の奇数メモリセル群のうち1ブロックの奇数メモリセル群の閾値分布の平均閾値とを比較し、平均閾値の高低で決定してもよい。
ステップS4で、閾値分布が低いメモリセルが、閾値分布が高いメモリセルに対して、先にデータの書き込みが行われるよう、半導体試験装置はROMヒューズ領域19a内にヒューズデータを保存する。
第1閾値分布と第2閾値分布を比較したときに、相対的に閾値分布が低いメモリセルを先に書き込ませる第1メモリセルとし、相対的に閾値分布が高いメモリセルを第1のメモリセルの書き込み後に書き込まれる第2メモリセルとなるようにヒューズデータを保存する。
以上より、メモリセル全体の閾値分布のばらつきを小さくすることで、メモリセルの信頼性を向上可能な半導体記憶装置及びその製造方法を提供できる。
なお、本実施形態では、ROMヒューズ領域19a内にヒューズデータを保存する工程を、ワード線WLやビット線BLが断線しているか否かを判定する工程や、メモリセルへの書き込み動作若しくはメモリセルからの読み込み動作又は消去動作を行うことができるか否かを判定する工程の後に行うが、メモリセルの耐久性検査の工程よりも前に行うように設定してもよい。
なお、本願発明は上記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。更に、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うる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいく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うる。
11…メモリセルアレイ
12…ロウデコーダ
13…電圧発生装置
14…制御回路
15…ページバッファ
16…カラムデコーダ
17…パワーオン回路
18a…データ入出力バッファ
18b…アドレスバッファ
18c…コマンドバッファ
19a…ROMヒューズ領域
19b…ユーザ領域
20a…シーケンス方法設定部
20b…シーケンス方法記憶部
100…半導体記憶装置
M0〜Mn…メモリセル
WL…ワード線
BL…ビット線
SG1,SG2…選択ゲート線
T1,T2…選択ゲートトランジスタ

Claims (5)

  1. 複数のメモリセルを備えたメモリセルアレイと、
    前記複数のメモリセルの行方向に配列されたメモリセルに共通に接続された複数のワード線と、
    前記複数のメモリセルの列方向に配列されたメモリセルに共通に接続された複数のビット線と、
    前記メモリセルにデータの書き込みを行うとき、奇数番目のビット線に接続されたメモリセルと偶数番目のビット線に接続されたメモリセルとで書き込み順序を規定したヒューズデータを記憶したヒューズとを備え、
    前記奇数番目または前記偶数番目のビット線に接続されたメモリセルの閾値分布の小さい方のメモリセルから書き込みを行うように前記ヒューズデータの前記書き込み順序が規定されることを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 請求項1記載の半導体記憶装置は、
    前記半導体記憶装置内に、通常データが保存可能なユーザ領域と前記ヒューズデータが保存されるROMヒューズ領域を有する記憶部と、
    前記半導体記憶装置内に設けられ、前記ヒューズデータの前記書き込み順序に沿った書き込み方法であるシーケンスを保持し、前記ユーザ領域に対する書き込みの制御を行う制御部と
    を備え、
    前記制御部が、前記半導体記憶装置に電源が投入されたときに、前記ヒューズデータを読み出し、前記ユーザ領域の前記偶数番目及び前記奇数番目のビット線に接続されたメモリセルに書き込むときに、前記制御部に保存され前記ヒューズデータの前記書き込み順序に沿った前記シーケンスを読み出し、前記シーケンスにしたがって前記ユーザ領域に書き込みを行うように制御することを特徴とする半導体記憶装置。
  3. 前記制御部が、前記ヒューズデータの前記書き込み順序に沿って前記偶数番目及び前記奇数番目のビット線に接続されたメモリセルにプログラムを行う後に、前記偶数番目及び前記奇数番目のビット線に接続されたメモリセルにベリファイを行う書き込み動作を、前記ベリファイにより前記偶数番目及び前記奇数番目のビット線に接続されたメモリセルの閾値電圧が所望の電圧値を越えるまで前記書き込み動作を繰り返すことを特徴とする請求項2記載の半導体記憶装置。
  4. (a)偶数番目のビット線に接続されたメモリセルの第1閾値分布と、奇数番目のビット線に接続されたメモリセルの第2閾値分布とを測定する工程と、
    (b)前記第1閾値分布と前記第2閾値分布を比較する工程と、
    (c)前記第1閾値分布または前記第2閾値分布の閾値分布が低いメモリセルを、閾値分布が高いメモリセルに対して先に書き込みが行われるように、書き込み順序を規定するヒューズデータを記憶部に保存する工程と
    を特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
  5. 前記(a)工程が、書き込み動作若しくは読み出し動作又は消去動作が正常に動作するかを判定する工程の後に行われることを特徴とする請求項4記載の半導体記憶装置の製造方法。
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