JP2011508362A - 不揮発性メモリ用の低ノイズセンス増幅器アレイおよび方法 - Google Patents

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Abstract

対応する検知モジュールのグループを備える不揮発性メモリセルのページを並列に検知している際、各高電流セルが特定されると、ページ内の他のセルが引き続き検知を受ける間、そのセルは後の検知からロックアウトされる。すると、ロックアウトされたセルに関与する検知モジュールはロックアウトモードに入り、非アクティブになる。検知モジュールがロックアウトモードになっているときは、その検知モジュールからのノイズ源の影響が大きくなる。ノイズは、そのビット線を通じて近隣のビット線に結合することによって、近隣のセルの検知に干渉しやすい。ノイズは、ページの共通ソース線を通じて結合して、ページ内で継続しているセルの検知の精度に影響を及ぼす可能性もある。改良形検知モジュールおよび方法は、ロックアウト検知モジュールからのノイズを分離し、ページ内のメモリセルの検知中に依然としてアクティブである他の検知モジュールに影響を及ぼさないようにする。

Description

本発明は、一般的に、電気的に消去可能でプログラム可能なリードオンリーメモリ(EEPROM)およびフラッシュEEPROMに関し、特に、高導電メモリセルが特定されてロックアウトされた後に並列に動作するグループ内の検知回路からのノイズが抑制される検知回路およびメモリ動作に関する。
電荷の不揮発性蓄積が可能な固体メモリ、特に小形形状のファクタカードとしてパッケージ化されたEEPROMおよびフラッシュEEPROMの形態のものが、種々のモバイル機器およびハンドヘルド機器、とりわけ情報家電および消費家電製品における最適な記憶装置となっている。固体メモリでもあるRAM(ランダムアクセスメモリ)と異なり、フラッシュメモリは不揮発性であり、電源が切られた後でもその格納データを保持する。高コストにもかかわらず、フラッシュメモリは大容量記憶用途においてますます利用されるようになっている。ハードドライブやフロッピーディスク等の回転磁気媒体をベースとする従来の大容量記憶装置はモバイルおよびハンドヘルド環境には適していない。これは、ディスクドライブが、大きなものになりがちであること、機械的な故障が発生しやすいこと、高いレイテンシを有していること、および大電力を必要とするためである。これらの望ましくない特性のために、ほとんどのモバイルアプリケーションおよびポータブルアプリケーションにおいて、ディスクベースの記憶装置は実用的でない。一方、フラッシュメモリは、その小さなサイズ、少ない電力消費、高速および高信頼性という特長のために、組み込み形のものでも取り外し可能なカードの形態のものでも、モバイルおよびハンドヘルド環境において理想的に適している。
EEPROMおよび電気的にプログラム可能なリードオンリーメモリ(EPROM)は、消去およびそのメモリセル内への新しいデータの書き込みまたは「プログラム」が可能な不揮発性メモリである。両者とも、ソース領域とドレイン領域との間の、半導体基板内のチャネル領域上に配置される、電界効果トランジスタ構造のフローティング(非接続)導電ゲートを利用する。フローティングゲートの上にはさらにコントロールゲートが設けられる。トランジスタのしきい値電圧特性は、フローティングゲート上に保持される電荷量によって制御される。すなわち、フローティングゲート上の任意のレベルの電荷について、それに対応する電圧(しきい値)が存在し、トランジスタのソース領域とドレイン領域との間の導通を許すためにトランジスタが「オン」にされるには、その電圧が先にコントロールゲートに印加されなければならない。
フローティングゲートが保持できる電荷には幅があるので、フローティングゲートをしきい値電圧窓(「導通窓」とも呼ばれる)内の任意のしきい値電圧レベルにプログラムすることが可能である。しきい値電圧窓の大きさは素子の最小しきい値レベルおよび最大しきい値レベルによって境界が定められ、ひいてはフローティングゲート上にプログラム可能な電荷の幅に対応する。一般的に、しきい値窓は、メモリ素子の特性、動作条件および履歴に依存する。原理上、窓内の個別の分解可能なしきい値電圧レベル幅は、それぞれ、セルの或る決まったメモリ状態の指定に用いられてよい。しきい値電圧が2つの個別領域に区分される場合は、各メモリセルは1ビットのデータを格納できることになる。同様に、しきい値電圧窓が2つを超える個別領域に区分される場合は、各メモリセルは1ビットを超えるデータを格納できることになる。
2状態EEPROMでは、導通窓を2つの領域に区分するために、電流ブレークポイントレベルが少なくとも1つ定められる。セルが所定の固定電圧の印加によって読み出されるときに、セルのソース/ドレイン電流は、ブレークポイントレベル(または参照電流IREF)と比較することによってメモリ状態に分けられる。読み出された電流がブレークポイントレベルの電流よりも高ければ、セルは1つの論理状態(例えば、「0」状態)にあると判定される。一方、電流がブレークポイントレベルの電流よりも小さければ、セルはもう1つの論理状態(例えば、「1」状態)にあると判定される。従って、このような2状態セルは1ビットのデジタル情報を格納する。ブレークポイントレベル電流を生成するために、外部プログラム可能でもよい参照電流源がメモリシステムの一部としてしばしば設けられる。
半導体技術の進歩に従い、メモリ容量を増加させるためにますます高密度のフラッシュEEPROM素子が製作されるようになっている。記憶容量を増加させるもう1つの方法は、各メモリセルに2つを超える状態を格納させることである。
多状態またはマルチレベルEEPROMメモリセルでは、各セルが1ビットを超えるデータを格納できるように、導通窓は1つを超えるブレークポイントによって2つを超える領域に区分される。従って、任意のEEPROMアレイが格納できる情報は、各セルが格納できる状態の数とともに増加する。米国特許第5,172,338号(特許文献1)には、多状態またはマルチレベルメモリセルを備えるEEPROMまたはフラッシュEEPROMが記載されている。
メモリセルの役割を果たすトランジスタは、通常、2つの機構のうちのいずれかによって「プログラム」状態にプログラムされる。「ホットエレクトロン注入」では、ドレインに印加される高電圧が電子を基板のチャネル領域にわたって加速する。同時に、コントロールゲートに印加される高電圧がホットエレクトロンを薄いゲート誘電体を通じてフローティングゲート上に引き寄せる。『トンネル注入』では、基板に対して高圧の電圧がコントロールゲートに印加される。このようにして、電子が基板から介在フローティングゲートへ引き寄せられる。
メモリ素子は多くの機構によって消去が可能である。EPROMについては、紫外線放射によってフローティングゲートから電荷を除去することにより、メモリセルのバルク消去ができる。EEPROMについては、コントロールゲートに対して高圧の電圧を基板に印加し、フローティングゲート内の電子を、薄い酸化物をトンネリングして基板のチャネル領域へ至るように誘導することによって(すなわち、ファウラー−ノルトハイムトンネル効果)、メモリセルの電気的消去ができる。通常、EEPROMはバイト単位で消去が可能である。フラッシュEEPROMについて、メモリは、全ブロックを一斉に電気的に消去可能であるか、一度に1つまたはそれを超えるブロックずつ電気的に消去可能であるかのいずれかである。ここで、1つのブロックは512バイト以上のメモリで構成されてもよい。
通常、メモリ素子は、カードに搭載されてもよい1つまたはそれを超えるメモリチップを備える。各メモリチップは、デコーダや消去、書き込みおよび読み出し回路等の周辺回路によって支援されるメモリセルのアレイを備える。より高機能のメモリ素子の場合には、インテリジェントでかつより高レベルのメモリ操作およびインターフェイスを実行する外部メモリコントローラを用いて動作する。
現在、多くの固体メモリ素子が商業的に成功して利用されている。これらのメモリ素子は、フラッシュEEPROMである場合もあるし、その他の種類の不揮発性メモリセルを用いる場合もある。フラッシュメモリとそれらを製造するシステムおよび方法の例が、米国特許第5,070,032号(特許文献2)、第5,095,344号(特許文献3)、第5,315,541号(特許文献4)、第5,343,063号(特許文献5)、第5,661,053号(特許文献6)、第5,313,421号(特許文献7)、および第6,222,762号(特許文献8)に示されている。特に、NANDストリング構造を備えるフラッシュメモリ素子が、米国特許第5,570,315号(特許文献9)、第5,903,495号(特許文献10)、第6,046,935号(特許文献11)に記載されている。
不揮発性メモリ素子は、電荷を蓄積するための誘電体層を備えるメモリセルからも製造される。前述した導電フローティングゲート要素の代わりに誘電体層が用いられる。誘電体の蓄積要素を利用するこのようなメモリ素子が、Eitan et al., "NROM: A Novel Localized Trapping, 2-Bit Nonvolatile Memory Cell", IEEE Electron Device Letters, vol. 21, no. 11, November 2000, pp. 543-545(非特許文献1)によって説明されている。ソース拡散とドレイン拡散との間のチャネルにはONO誘電体層が延在する。一方のデータビットの電荷はドレインに隣接する誘電体層内に局在化され、もう一方のデータビットの電荷はソースに隣接する誘電体層内に局在化される。例えば、米国特許第5,768,192号(特許文献12)および第6,011,725号(特許文献13)が、2つの二酸化シリコン層間に挟み込まれた捕獲誘電体を有する不揮発性メモリセルを開示している。多状態データ記憶は、誘電体内の空間的に隔てられた電荷蓄積領域の2値状態を別々に読み出すことによって実行される。
通常、メモリセルのページのプログラムには一連の交互のプログラム/ベリファイサイクルが関与する。各プログラムサイクルによって、メモリセルのページは1つまたはそれを超えるプログラム電圧パルスを受ける。プログラムサイクルの後に、各セルがリードバックされてそれが正しくプログラムされたかどうかを判定するベリファイサイクルが続く。ベリファイが済んだセルは後のプログラムパルスによるプログラムが禁止されることになる。プログラム/ベリファイサイクルは、プログラム電圧レベルを増しながら、ページ内の全てのセルのプログラム−ベリファイが済むまで続く。
読み出し動作およびベリファイ動作はどちらも、ページの各メモリセルの導通電流またはしきい値電圧が境界値に対して判定される検知サイクルを1回またはそれを超える回数実行することによって行われる。一般的に、メモリがn個の状態に区分される場合、あり得る全てのメモリ状態を解明するのに少なくともn−1回の検出サイクルが実行されることになる。多くの実施例では、各検知サイクルは2つ以上のパスを必要とする場合もある。例えば、メモリセルが密接して詰め込まれると近隣の電荷蓄積要素間の相互作用が著しくなるので、検知技法によっては、このような相互作用によって引き起こされるエラーを相殺するために近隣のワード線上のメモリセルの検知が必要となる。
読み出しおよびプログラムの性能を高めるために、アレイ内の複数の電荷蓄積要素またはメモリトランジスタが並列に読み出されたりプログラムされたりする。従って、メモリ要素の「ページ」が一緒に読み出されたりプログラムされたりする。既存のメモリアーキテクチャでは、行は通常、交互配置されたページをいくつか包含する。または、連続したメモリセルの1ページを構成する場合もある。ページの全てのメモリ要素は一緒に読み出されたりプログラムされたりする。現在生産されている半導体集積回路メモリチップには、1つのメモリページに、並列に読み出されるかまたは検知を受けるメモリセルまたはメモリ要素が64,000個もある場合がある。
このような大規模並列メモリページは、密接して詰められるメモリセルおよび構造の間にノイズおよび干渉が生じる結果、検知精度が制限され、結局は性能および記憶容量が制限されるという深刻な問題を呈する。
従って、高容量でかつ高性能の不揮発性メモリが広く必要とされている。特に、前述した不利な点を最小限に抑えるためには、検知回路自体の間のノイズおよび干渉を最小にして動作する検知回路が必要である。
米国特許第5,172,338号 米国特許第5,070,032号 米国特許第5,095,344号 米国特許第5,315,541号 米国特許第5,343,063号 米国特許第5,661,053号 米国特許第5,313,421号 米国特許第6,222,762号 米国特許第5,570,315号 米国特許第5,903,495号 米国特許第6,046,935号 米国特許第5,768,192号 米国特許第6,011,725号 米国特許第5,595,924号 米国特許第6,657,891号 米国公開特許出願第2006−0140007号 米国特許第7,046,568号 米国特許第7,173,854号 米国特許出願第11/771,982号
Eitan et al., "NROM: A Novel Localized Trapping, 2-Bit Nonvolatile Memory Cell", IEEE Electron Device Letters, vol. 21, no. 11, November 2000, pp. 543-545
本発明の一態様によれば、メモリセルのページが、検知モジュールの対応するアレイによって並列に検知を受け、任意のメモリセルのための検知モジュール内で生成されたノイズがアレイ内の他の検知モジュールに干渉することが防止される。特に、既存の検知モジュールでは、検知モジュールがページの高導電メモリセルを特定してロックアウトした後は、その検知モジュールがアレイ内の他の検知モジュールに対する深刻なノイズ源になる。本発明は、ロックアウトされたメモリセルに関連付けられる検知モジュールが、アレイ内でまだ検知を行っている他の検知モジュールにノイズを伝播することを防止する。このようにして、検知精度が高められ、性能の向上がもたらされるとともに各メモリセル内により多くのデータビットを記憶させることが可能になる。
低い供給電圧で動作可能な検知モジュールの好ましい実施例では、電圧昇圧回路を用いて、検知を受ける放電電圧のダイナミックレンジを増大させる。検知モジュールが、参照電流よりも高い導通電流を有するセルを特定したら、そのセルはその後の検知からロックアウトされ、ロックアウトセルをオフにするために関連ビット線はページのソース線に短絡される。このロックアウトモードでは、電圧昇圧回路によって生成されるステップアップ電圧がノイズ源となり、セルのビット線に伝播しやすく、ページのソース線にも伝播しやすい。その結果、動作中の他の検知モジュールに干渉してしまう。このノイズ源は、検知モジュールがロックアウトモードに入ったらすぐに、ビット線およびソース線に達しないように分離される。ノイズ源と、ビット線およびソース線を電圧昇圧回路に結合する中間回路との間に分離回路が配置される。
一般的な実施形態では、転送ゲートが分離回路として用いられる。転送ゲートは、メモリセルが参照電流よりも高い導通電流を有すると特定されたことにより生じるロックアウトモードを示すラッチ信号によってオフにされ、さらに、その後のページの検知動作からロックアウトされる。転送ゲートをオフにすることにより、メモリセルのビット線およびページのソース線へのノイズ経路は断たれる。
好ましい実施形態では、転送ゲートは、中間回路と、放電電圧が検知を受け昇圧電圧が印加されるノードとの間に配置される。
別の好ましい実施形態では、転送ゲートは、電圧昇圧回路と、放電電圧が検知を受けるノードとの間に配置される。
好ましい実施例では、転送ゲートは、並列接続され相補対の制御信号によってゲート制御される対になったp形トランジスタおよびn形トランジスタを備える。特に、転送ゲートが、中間回路と、放電電圧が検知されるノードとの間に配置される場合は、プリチャージ動作中、転送ゲートのp形トランジスタはプルアップ回路の役割を果たす。
添付の図面と併せて理解されるべきである、以下の本発明の好ましい実施形態の説明より、本発明のさらなる特徴および利点が理解される。
本発明が実施されてもよい不揮発性メモリチップの機能ブロックを概略的に示す図である。 不揮発性メモリセルを概略的に示す図である。 フローティングゲートが任意の時点において選択的に蓄積している可能性のある4つの異なる電荷Q1 〜Q4 の各場合のソース−ドレイン電流IDとコントロールゲート電圧VCGとの間の関係を示す図である。 メモリセルのNORアレイの例を示す図である。 NANDストリングに編成されたメモリセルのストリングを概略的に示す図である。 図5Aに示されるストリングのようなNANDストリングで構成される、メモリセルのNANDアレイの例を示す図である。 一連の交互のプログラム/ベリファイサイクルによってメモリセルのページを目標メモリ状態にプログラムする典型的な技法を示す図である。 図7(1)は、接地状態「Gr」としての消去状態と漸次プログラムが進んだプログラムメモリ状態「A」、「B」および「C」とを備える4状態メモリアレイの例のしきい値電圧分布を示す図であり、図7(2)は、図7(1)に示される4つのあり得るメモリ状態を表す好ましい2ビットLM符号化を示す図である。 図8(1)は、8状態メモリアレイの例のしきい値電圧分布を示す図であり、図8(2)は、図8(1)に示される8つのあり得るメモリ状態を表す好ましい3ビットLM符号化を示す図である。 メモリセルのアレイにわたり検知モジュールのバンクを包含する、図1に示される読み出し/書き込み回路を示す図である。 図9に示される検知モジュールの好ましい編成を概略的に示す図である。 図10に示される読み出し/書き込みスタックをより詳細に示す図である。 図9および図11に示される検知モジュールの既存の実施例を概略的に示す図である。 ロックアウトモードに入っている図12Aに示される検知モジュールのノイズ経路を示す図である。 ロックアウトモードに入っている図12Bに示される既存の検知モジュールのための制御信号のタイミングを示す図である。 有限接地抵抗を有するソース線内の電流フローのために生じるソース電圧エラーの問題を示す図である。 ソース線電圧降下によって引き起こされるメモリセルのしきい値電圧レベルのエラーを示す図である。 好ましい実施形態による、ロックアウト検知モジュールからのノイズ分離の改良形を備える検知モジュールスタックを示す図である。 ロックアウトモードに入っている図16に示される改良形検知モジュールのための制御信号のタイミングを示す図である。 別の好ましい実施形態による、ロックアウト検知モジュールからのノイズ分離の改良形を備える検知モジュールスタックを示す図である。 ロックアウト検知モジュールからのノイズを分離して、ページの検知において依然としてアクティブである他の検知モジュールにノイズが干渉しないようにする方法を示すフロー図である。
メモリシステム
図1〜図11は、本発明の種々の態様が実施されてもよいメモリシステムの例を示している。
図12〜図13は、本発明によって対処されるノイズの問題がある既存の検知回路を示している。
図16〜図19は、本発明の種々の態様および実施形態を示している。
図1は、本発明が実施されてもよい不揮発性メモリチップの機能ブロックを概略的に示している。メモリチップ100は、メモリセルの2次元アレイ200、制御回路網210、ならびにデコーダ、読み出し/書き込み回路およびマルチプレクサ等の周辺回路を含む。
メモリアレイ200は、行デコーダ230(230A、230Bに分割される)を経由してワード線によってアドレス可能であるとともに、列デコーダ260(260A、260Bに分割される)を経由してビット線によってアドレス可能である(図4、5も参照)。読み出し/書き込み回路270(270A、270Bに分割される)は、メモリセルのページを並列に読み出したりプログラムしたりすることができる。読み出し/書き込み回路270にはデータI/Oバス231が結合される。
好ましい実施形態では、同じワード線を共有するメモリセルの連続した行でページが構成される。メモリセルの行が複数のページに区分される別の実施形態では、読み出し/書き込み回路270を個々のページに多重送信するために、ブロックマルチプレクサ250(250Aおよび250Bに分割される)が設けられる。例えば、それぞれ奇数および偶数列のメモリセルによって形成される2つのページが読み出し/書き込み回路に多重送信される。
図1は、種々の周辺回路によるメモリアレイ200へのアクセスがアレイの両側で対称的に実行されるおかげで、それぞれの側のアクセス線および回路網の密度が半分に削減される、好ましい配置を示している。従って、行デコーダは行デコーダ230Aおよび230Bに分割され、列デコーダは列デコーダ260Aおよび260Bに分割される。メモリセルの行が複数のページに区分される実施形態では、ページマルチプレクサ250はページマルチプレクサ250Aおよび250Bに分割される。同様に、読み出し/書き込み回路270は、アレイ200の下からビット線に接続する読み出し/書き込み回路270Aおよびアレイ200の上からビット線に接続する読み出し/書き込み回路270Bに分割される。このようにして、読み出し/書き込みモジュールの密度、およびその結果、検知モジュール380の密度が実質的に半減される。
制御回路網110は、メモリアレイ200上で読み出し/書き込み回路270と協働してメモリ動作を実行するオンチップコントローラである。通常、制御回路網110は、状態マシン112、ならびにオンチップアドレスデコーダおよび電力制御モジュール(図示せず)等の他の回路を含む。状態マシン112はメモリ動作のチップレベルの制御を提供する。制御回路網は外部メモリコントローラを経由してホストと通じる。
通常、メモリアレイ200は、行および列の形で配列されたメモリセルの2次元アレイとして編成され、ワード線およびビット線によってアドレス可能である。アレイはNOR形またはNAND形アーキテクチャによって形成可能である。
図2は、不揮発性メモリセルを概略的に示している。メモリセル10は、フローティングゲートまたは誘電体層等のような、電荷蓄積ユニット20を有する電界効果トランジスタによって実現され得る。メモリセル10は、ソース14、ドレイン16、およびコントロールゲート30も含む。
現在、多数の不揮発性固体メモリ素子が商業的に成功して利用されている。これらのメモリ素子は、それぞれ1つまたはそれを超える電荷蓄積要素を有する異なる種類のメモリセルを用いる場合がある。
典型的な不揮発性メモリセルとして、EEPROMおよびフラッシュEEPROMが挙げられる。EEPROMセルの例およびそれらの製造方法が、米国特許第5,595,924号(特許文献14)に示されている。フラッシュEEPROMの例、メモリシステムにおけるそれらの利用およびそれらの製造方法が、米国特許第5,070,032号(特許文献2)、第5,095,344号(特許文献36)、第5,315,541号(特許文献4)、第5,343,063号(特許文献5)、第5,661,053号(特許文献6)、第5,313,421号(特許文献7)、および第6,222,762号(特許文献8)に示されている。特に、NANDセル構造を有するメモリ素子の例が、米国特許第5,570,315号(特許文献9)、第5,903,495号(特許文献10)、および第6,046,935号(特許文献11)に記載されている。さらに、誘電体蓄積要素を利用したメモリ素子の例も、Eitan et al., "NROM: A Novel Localized Trapping, 2-Bit Nonvolatile Memory Cell", IEEE Electron Device Letters, vol. 21, no. 11, November 2000, pp. 543-545(非特許文献1)によって説明され、さらに、米国特許第5,768,192号(特許文献12)および第6,011,725号(特許文献13)にも記載されている。
実際の動作では、セルのメモリ状態は、普通、コントロールゲートに参照電圧が印加されたときのセルのソースおよびドレイン電極間の導通電流を検知することによって読み出される。従って、セルのフローティングゲート上の所与の各電荷について、それに対応する、固定参照コントロールゲート電圧に対する導通電流が検出されればよい。同様に、フローティングゲート上にプログラム可能な電荷の幅は、対応するしきい値電圧窓または対応する導通電流窓を定義する。
あるいは、区分された電流窓内の導通電流を検出する代わりに、コントロールゲートにおける、任意の被試験メモリ状態のためのしきい値電圧を設定して、導通電流がしきい値電流よりも低いか高いかを検出することが可能である。1つの実施例では、しきい値電流に対する導通電流を検出することは、ビット線のキャパシタンスを通じて導通電流が放電している速度を調べることによって達成される。
図3は、フローティングゲートが任意の時点において選択的に蓄積している可能性のある4つの異なる電荷Q1 〜Q4 についてのソース−ドレイン電流ID とコントロールゲート電圧VCGとの間の関係を示している。4つの実線のID 対VCG曲線は、それぞれ4つのあり得るメモリ状態に対応する、メモリセルのフローティングゲート上にプログラム可能な4つのあり得る電荷レベルを表している。一例として、セル群のしきい値電圧窓は0.5V〜3.5Vまでの幅があってもよい。それぞれ約0.4Vの間隔でしきい値窓を8つの領域に区分することによって、1つの消去状態および7つのプログラム状態をそれぞれ表す8つのあり得るメモリ状態「0」、「1」、「2」、「3」、「4」、「5」、「6」および「7」の境界が定められるようにしてもよい。例えば、図に示すように、0.05μAの参照電流IREFが用いられる場合には、Q1でプログラムされたセルは、その曲線が、VCG=0.43Vおよび0.88Vによって境界が定められるしきい値窓の領域内でIREF と交差するので、メモリ状態「1」にあると見なされればよい。同様に、Q4はメモリ状態「5」にある。
前述した説明から分かるように、メモリセルがより多くの状態を格納するようになるほど、そのしきい値窓はより細かく分けられる。例えば、メモリ素子は、−1.5V〜5Vまでの幅があるしきい値窓を有するメモリセルを有してもよい。これは6.5Vの最大幅を与える。メモリセルが16個の状態を格納する場合には、各状態はしきい値窓内の350mV〜450mVを占有すればよい。このため、必要な分解能を達成できるようにするには、プログラムおよび読み出し動作においてより高い精度が求められることになる。
図4は、メモリセルのNORアレイの例を示している。メモリアレイ200では、メモリセルの各行はそれらのソース14およびドレイン16によってデイジーチェーン接続される。この設計は仮想接地設計と呼ばれることがある。行内のセル10は、そのコントロールゲート30がワード線42等のワード線に接続される。列内のセルは、そのソースおよびドレインがそれぞれビット線34および36等の選択されたビット線に接続される。
図5Aは、NANDストリングに編成されたメモリセルのストリングを概略的に示している。NANDストリング50は、それぞれのソースおよびドレインによってデイジーチェーン接続される一連のメモリトランジスタM1、M2・・・Mn(例えば、n=4、8、16またはそれより高い数)を備える。一対の選択トランジスタS1、S2が、それぞれ、NANDストリングのソース端子54およびドレイン端子56を経由した、メモリトランジスタチェーンの外部への接続を制御する。メモリアレイにおいて、ソース選択トランジスタS1がオンにされると、ソース端子はソース線に結合される(図5Bを参照)。同様に、ドレイン選択トランジスタS2がオンにされると、NANDストリングのドレイン端子はメモリアレイのビット線に結合される。チェーン内の各メモリトランジスタ10はメモリセルとして機能する。各メモリトランジスタ10は、所望のメモリ状態を表すために既定量の電荷を蓄積する電荷蓄積要素20を有する。各メモリトランジスタのコントロールゲート30により読み出しおよび書き込み動作の制御ができる。図5Bで分かるように、NANDストリングの行の対応するメモリトランジスタのコントロールゲート30は全て同じワード線に接続される。同様に、選択トランジスタS1、S2各々のコントロールゲート32が、それぞれ、NANDストリングのソース端子54およびドレイン端子56を経由した、NANDストリングへの制御アクセスを提供する。同じく、NANDストリングの行の対応する選択トランジスタのコントロールゲート32は全て同じ選択線に接続される。
NANDストリング内のアドレス指定されたメモリトランジスタ10が読み出されるか、またはプログラムの間にベリファイされるとき、そのコントロールゲート30は適当な電圧を供給される。同時に、NANDストリング50内のアドレス指定されない残りのメモリトランジスタは、それらのコントロールゲートに十分な電圧を印加することによって全面的にオンにされる。このようにして、個々のメモリトランジスタのソースからNANDストリングのソース端子54への導電経路が作り出されて有効となり、同様に個々のメモリトランジスタのドレインについてはセルのドレイン端子56への導電経路が作り出されて有効となる。このようなNANDストリング構造を有するメモリ素子が、米国特許第5,570,315号(特許文献9)、第5,903,495号(特許文献10)、および第6,046,935号(特許文献11)に記載されている。
図5Bは、図5Aに示されるようなNANDストリング50で構成される、メモリセルのNANDアレイ200の例を示している。NANDストリングの各列に沿って、ビット線36等のビット線が各NANDストリングのドレイン端子56に結合される。NANDストリングの各バンクに沿って、ソース線34等のソース線が各NANDストリングのソース端子54に結合される。さらに、NANDストリングのバンク内のメモリセルの行に沿ったコントロールゲートはワード線42等のワード線に接続される。NANDストリングのバンク内の選択トランジスタの行に沿ったコントロールゲートは選択線44等の選択線に接続される。NANDストリングのバンクのワード線および選択線上の適当な電圧によって、NANDストリングのバンク内のメモリセルの行全体がアドレス指定可能である。NANDストリング内のメモリトランジスタが読み出されるとき、ストリングを流れる電流が、読み出されるセル内に蓄積されている電荷のレベルに実質的に依存するようにするために、ストリング内の残りのメモリトランジスタはそれらの関連ワード線を経由してしっかりオンにされる。
プログラムおよびベリファイ
図6は、一連の交互のプログラム/ベリファイサイクルによってメモリセルのページを目標メモリ状態にプログラムする典型的な技法を示している。結合されたワード線を経由してメモリセルのコントロールゲートにプログラム電圧VPGM が印加される。VPGM は、初期電圧レベルVPGM0から始まる階段波形状の一連のプログラム電圧パルスである。プログラム中のセルはこの一連のプログラム電圧パルスを受け、その度にフローティングゲートに増分電荷を追加することが試みられる。プログラムパルスの間に、セルはリードバックまたはベリファイを受け、セルのブレークポイントレベルに対するソース−ドレイン電流が判定される。リードバックプロセスには1つまたはそれを超える検知動作が関与する場合がある。セルが目標状態に達したとベリファイされたならば、そのセルに対するプログラムは停止する。メモリセルの電荷蓄積ユニット内にプログラムされて累積する電子の作用を打ち消すために、用いられるプログラムパルス列は漸増する周期または振幅を有するものとすればよい。一般的には、プログラム回路が一連のプログラムパルスを、選択されたワード線に印加する。このようにして、ワード線にコントロールゲートが結合されるメモリセルのページが一斉にプログラムを受けることができる。そのページのメモリセルがその目標状態にプログラムされるとすぐに、そのセルは、そのページの全てのセルのプログラム−ベリファイが完了するまで、他のセルがプログラムされ続けている間、プログラムが禁止される。
メモリ状態区分の例
図7(1)は、接地状態「Gr」としての消去状態と漸次プログラムが進んだプログラムメモリ状態「A」、「B」および「C」とを備える4状態メモリアレイの例のしきい値電圧分布を示している。読み出しの間、4つの状態は3つの境界ブレークポイント、DA 〜DC によって境界が定められる。
図7(2)は、図7(1)に示される4つのあり得るメモリ状態を表す好ましい2ビットLM符号化を示している。メモリ状態(つまり、「Gr」、「A」、「B」および「C」)の各々は、一対の「上位、下位」符号ビット、すなわち「11」、「01」、「00」および「10」でそれぞれ表される。「LM」符号は、米国特許第6,657,891号(特許文献15)に開示され、電荷の大幅な変更を必要とするプログラム動作を回避することによって、隣接フローティングゲート間の電界効果結合を低減する利点がある。符号化は、2つの符号ビット、「下位」および「上位」ビットが別々にプログラムされ読み出されてもよいように設計される。下位ビットをプログラムするとき、セルのしきい値レベルは「消去」領域にとどまるかまたはしきい値窓の「下側中央」領域へ移動される。上位ビットをプログラムするときに、これらの2つの領域のうちのいずれかにあるセルのしきい値レベルは、しきい値窓の「下側中間」領域内の少し高いレベルへさらに進められる。
図8(1)は、8状態メモリアレイの例のしきい値電圧分布を示している。各メモリセルのあり得るしきい値電圧は、8つのあり得るメモリ状態、「Gr」、「A」、「B」、「C」、「D」、「E」、「F」および「G」の境界を定める8つの領域に区分されるしきい値窓にわたり広がる。「Gr」は厳しく制限された分布内の消去状態である接地状態であり、「A」〜「G」は7つの漸次プログラムが進んだプログラム状態である。読み出しの間、8つの状態は7つの境界ブレークポイント、DA 〜DG によって境界が定められる。
図8(2)は、図8(1)に示される8つのあり得るメモリ状態を表す好ましい3ビットLM符号化を示している。8つのメモリ状態の各々は、「上位、中位、下位」ビットのトリプレット、すなわち「111」、「011」、「001」、「101」、「100」、「000」、「010」および「110」によってそれぞれ表される。符号化は、3つの符号ビット、「下位」、「中位」および「上位」ビットが別々にプログラムされたり読み出されたりしてもよいように設計される。従って、1回目の下位ページプログラムは、下位ビットが「1」ならばセルが「消去」すなわち「Gr」状態にとどまるようにし、または下位ビットが「0」ならばセルが「下側中間」状態にプログラムされるようにする。基本的に、「Gr」すなわち「接地」状態は、完全に消去された状態が狭いしきい値の幅内にプログラムされることによって、厳しく制限された分布を有する「消去」状態である。「下側中間」状態は、メモリ状態「B」と「D」との間に跨る、しきい値電圧の広い分布を有するものであればよい。プログラムの間、「下側中間」状態は、DB等の粗いブレークポイントしきい値レベルに対してベリファイを受けることができる。中位ビットをプログラムするときに、セルのしきい値レベルは、下位ページのプログラムの結果できる2つの領域のうちの一方から開始して、4つのあり得る領域のうちの1つに移動することになる。上位ビットをプログラムするときに、セルのしきい値レベルは、中位ページのプログラムの結果できる4つのあり得る領域のうちの1つから開始して、8つのあり得るメモリ状態のうちの1つに移動することになる。
検知回路および技法
図9は、メモリセルのアレイにわたってp個の検知モジュールのバンクを包含する、図1に示される読み出し/書き込み回路270Aおよび270Bを示している。p個の検知モジュール480のバンク全体が並列に動作することにより、行に沿ったp個のセル10のブロック(またはページ)が並列に読み出しまたはプログラムを受けることができる。基本として、検知モジュール1がセル1内の電流I1 を検知する、検知モジュール2がセル2内の電流I2 を検知する・・・検知モジュールpがセルp内の電流Ip を検知する等ということになる。ソース線34から流出して集約ノードCLSRCへ流入しさらにそこから接地へ流れる、ページの総セル電流iTOT は、p個のセル内の全電流の合計になる。従来のメモリアーキテクチャでは、共通ワード線を有するメモリセルの行が2つ以上のページを形成し、ページ内のメモリセルは並列に読み出しおよびプログラムを受ける。2つのページを有する行の場合、一方のページは偶数ビット線によってアクセスされ、もう一方のページは奇数ビット線によってアクセスされる。任意の時点において、検出回路のページが偶数ビット線または奇数ビット線のいずれかに結合されている。そのような場合には、ページマルチプレクサ250Aおよび250Bが設けられて、読み出し/書き込み回路270Aおよび270Bをそれぞれ個々のページに多重送信する。
現在、56nm技術に基づいて生産されているチップではp>64,000であり、43nm32Gbit×4チップではp>150,000である。好ましい実施形態では、ブロックは一続きになったセルの行全体である。これは、連続したビット線にそれぞれ結合される連続したメモリセルの行でページが構成される、いわゆる「全ビット線」アーキテクチャである。別の実施形態では、ブロックは行内のセルのサブセットである。例えば、セルのサブセットは行全体の半分または行全体の4分の1とすることができる。セルのサブセットは一続きになった連続セルまたは1つおきのセル、あるいは所定の数おきのセルとすることができる。各検知モジュールは、ビット線を経由してメモリセルに結合され、メモリセルの導通電流検知用のセンス増幅器を含む。一般的に、読み出し/書き込み回路がメモリアレイの両側に配される場合、p個の検知モジュールのバンクは2組の読み出し/書き込み回路270Aと270Bとの間に配されることになる。
図10は、図9に示される検知モジュールの好ましい編成を概略的に示している。p個の検知モジュールを包含する読み出し/書き込み回路270Aおよび270Bは読み出し/書き込みスタック400のバンクにグループ化される。
図11は、図10で示される読み出し/書き込みスタックをより詳細に示している。各読み出し/書き込みスタック400はk本のビット線のグループ上で並列に動作する。ページがp=r×k本のビット線を有する場合、r個の読み出し/書き込みスタック、400−1・・・400−rが存在することになる。スペースを節約するために、基本的に、アーキテクチャは、k個の検知モジュールの各スタックが共通プロセッサ500によって処理されるようになっている。共通プロセッサ500は、検知モジュール480にあるラッチ内およびデータラッチ430にあるラッチ内に格納される更新データを、それらのラッチ内の現在値および状態マシン112からの制御に基づいて計算する。共通プロセッサの詳細な説明が、2006年6月29日に出願された米国公開特許出願第2006−0140007号(特許文献16)に開示され、その全体が本願明細書において参照により援用されている。
区分された読み出し/書き込みスタック400のバンク全体が並列に動作することにより、行に沿ったp個のセルのブロック(またはページ)が並列に読み出しまたはプログラムを受けることができる。従って、セルの行全体にはp個の読み出し/書き込みモジュールが存在することになる。各スタックはk個のメモリセルを提供しているので、バンク内の読み出し/書き込みスタックの総数はr=p/kで与えられる。例えば、rがバンク内のスタックの数ならば、p=r×kである。メモリアレイの一例では、p=150,000、k=8、従ってr=18,750であってもよい。
基本的に、400−1等の各読み出し/書き込みスタックは、k個のメモリセルのセグメントを並列に処理する検知モジュール480−1〜480−kのスタックを包含する。ページコントローラ410は線411を経由して読み出し/書き込み回路370に制御およびタイミング信号を提供する。ページコントローラ自体は線311を経由してメモリコントローラ310に依存する。各読み出し/書き込みスタック400間の通信は相互接続スタックバス431によって達成されて、ページコントローラ410によって制御される。制御線411はページコントローラ410からの制御およびクロック信号を読み出し/書き込みスタック400−1のコンポーネントに提供する。
好ましい配列では、スタックバスは、共通プロセッサ500と検知モジュール480のスタックとの間の通信用のSAバス422と、プロセッサとデータラッチ430のスタックとの間の通信用のDバス423とに区分される。
データラッチ430のスタックは、スタックに関連付けられる各メモリセルにそれぞれ1つデータラッチ430−1〜430−kを備える。I/Oモジュール440により、データラッチはI/Oバス231を経由して外部とデータを交換できる。
共通プロセッサは、エラー状況等のメモリ動作のステータスを示すステータス信号の出力用の出力507も含む。ステータス信号は、ワイヤードOR構成におけるフラグバス509と結ばれるn形トランジスタ550のゲートの駆動に用いられる。フラグバスは、好ましくは、コントローラ310によってプリチャージされ、ステータス信号が任意の読み出し/書き込みスタックによってアサートされたときにプルダウンされることになる。
低ノイズ検知モジュールアレイ
その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許第7,046,568号(特許文献17)には、低い供給電圧で動作可能な低ノイズ検知回路を備える不揮発性メモリ素子が開示されている。
以前の検知回路と異なり、米国特許第7,046,568号(特許文献17)の低ノイズ検知回路は、コンデンサの役割を果たすビット線ではなく専用コンデンサをセルが放電させる速度によってセル電流を計測する。このようにすれば、検知中のビット線電圧を一定に保つことができるので、ビット線上の時間変動する電圧が原因でノイズがビット線間で結合してしまうことを防止できる。セル電流の判定に用いられる電圧放電のダイナミックレンジを効果的に拡大する電圧昇圧回路を組み込むことによって、検知回路は低い供給電圧で動作することもできる。
本発明の一態様によれば、メモリセルのページが、検知モジュールの対応するアレイによって並列に検知され、任意のメモリセル用の検知モジュール内で生じたノイズがアレイ内の他の検知モジュールに干渉することを防止する。特に、既存の検知モジュールがページの高導電メモリセルを特定してロックアウトした後は、検知モジュールがアレイ内の他の検知モジュールに対する深刻なノイズ源になる。本発明は、ロックアウトされたメモリセルに関連付けられる検知モジュールが、アレイ内でまだ検知を行っている他の検知モジュールにノイズを伝播することを防止する。このようにして、検知精度が高められ、その結果、性能が向上するとともに、より多くのデータビットを各メモリセル内に格納可能となる。
図12Aは、図9〜図11に示される検知モジュールの既存の実施例を概略的に示している。既存の検知モジュール480’は、米国特許第7,046,568号(特許文献17)に開示されている検知モジュールと同様である。図10に示される各読み出し/書き込みスタック400は、k本のビット線を経由し対応するk個のメモリセルを処理するk個の検知モジュールの組を包含することが理解されはずである。1つの共通プロセッサ500によって処理されるk個の検知モジュール480−1〜480−kおよびk個のデータラッチ430−1〜430−kが存在することになる。単純化のために、図12Aは、共通プロセッサ500とともに動作しているk個の検知モジュール480−1〜480−kの組のいずれかを表す検知モジュール480’の1つおよびk個のデータラッチ430−1〜430−kの組のいずれかを表すデータラッチ430を明示している。図10および図11に関連して説明したように、合計r個の読み出し/書き込みスタックを並列に動作させることによってp個のメモリセルのページが提供される。
既存の検知モジュール480’は、信号BLSによって制御される結合トランジスタ482を経由し、ビット線36を経由してメモリセルに結合される。メモリセルの一例がNANDチェーン50の中にあるメモリトランジスタである。検知モジュール480’は、センス増幅器600’、ビット線電圧クランプ610およびプルダウン回路550を含む。検知モジュール480’は、信号NC0によって制御される転送ゲート488を経由し、SAバス422等のバスを利用して他の周辺回路と通信する。
前述したように、検知モジュールのスタックは、SAバス422を経由して共通プロセッサ500およびデータラッチ430の組と通信する。共通プロセッサ500は、検知モジュール480’のラッチ内およびラッチ430内に格納されたデータにアクセスする。共通プロセッサ500は、その現在値および状態マシン112からの制御に基づいて更新値を計算する。更新値は検知モジュール480’および/またはデータラッチ430内のラッチに戻されて格納される。共通プロセッサ500はDバス423を経由してk個のデータラッチに結合される。データラッチ430の組はI/Oバス231を経由して外部に接続される。検知モジュール480’、共通プロセッサ500、およびデータラッチ430の組の動作は、状態マシン112(図11を参照)によって、制御線411を通じて制御およびタイミング信号を出すページコントローラ410を経由して制御される。
検知モジュール480’は、信号COM1を伝達するノード481を有する。ノード481により、センス増幅器600’はビット線36および/またはSAバス422に選択的に結合されることができる。
検知は、ビット線36を用いて、ビット線電圧クランプ610によってクランプされる固定電圧において行われる。ビット線電圧クランプは、ソースおよびドレインがビット線とCOM1ノード481との間に直列に配されるn形トランジスタ612によって実現される。n形トランジスタ612のゲート上のアナログ電圧がビット線上のクランプ電圧を決定する。検知動作の間、ビット線電圧が一定であるおかげで、ビット線上の変動電圧のために生じ得るビット線間の結合が解消される。
ページのメモリセルが参照電流よりも高い導通電流を有すると判定されると、そのセルに対する検知は終了され、ページの残りは引き続き検知を受けてもよいが、その間、そのセルは後の検知動作からロックアウトされる。これは、ビット線36を接地にプルダウンしてそのセルの電流をオフにすることによって達成される。ビット線36を選択的に接地にプルするために、プルダウン回路550が設けられる。プルダウン回路550は、2つのn形トランジスタ552および486を基本的にビット線および接地間に直列に含む。2つのn形トランジスタはそれぞれ信号GRSおよびINVによって制御される。信号GRSおよびINVがどちらも高(HIGH)である場合、プルダウン回路550はアクティベートされてノード481(COM1)を接地にプルする。信号BLSも高の場合は、ビット線36も接地にプルされる。このようにして、セルのソースおよびドレインが短絡されるためにセル電流はオフにされる。
信号GRSはプログラム中に用いられ、状態マシン112(図11を参照)から制御され、ページコントローラ411からの制御およびタイミング信号の一部として供給される。検知中、GRSは常に高であり、センス増幅器600’が、セル電流が参照電流よりも高いと検知すると、信号INVもセンス増幅器600’によって高にセットされる。
センス増幅器600’は、電圧クランプ620、プリチャージ回路640’、セル電流弁別器650およびセンス増幅器ラッチ660を含む。検知は、セル電流弁別器650によってノード631における信号SENを検出することによって行われる。SENノード631は、プリチャージ回路640’によって、信号HLLによって制御される分離トランジスタ642を経由してプリチャージされることができる。次に、SENノード631は、信号XXLによって制御される分離トランジスタ630を経由してCOM1ノード481に結合されると、メモリセルにも結合されることができる。
電圧クランプ620はプリチャージ回路とCOM1ノード481との間のトランジスタ622によって実現される。トランジスタ622は、ビット線電圧クランプ610が適切に機能するようにノード481における信号COM1を所定のレベルより高く保つための信号BLXによって駆動される。
プリチャージ回路640’により、検知モジュールの種々の動作の間、COM1ノード481およびSENノード631を経由するビット線をVddへプルアップすることができる。プリチャージ回路640’は、信号INVによって有効にされるp形トランジスタ644によって実現される。
SENノード631とCOM1ノード481との間に分離トランジスタ630があるため、その2つのノード上には異なる電圧が存在できる。ビット線36が既定電圧までプリチャージされる必要があるときに、ビット線36を、信号BLS、BLC、XXL、HLLおよびINVによってそれぞれ制御されるトランジスタ482、612、630、642および644によって有効にされる経路を経由してプルアップすることができる。同様に、ノード481におけるCOM1信号およびノード631におけるSEN信号を、信号XXL、HLLおよびINVによってそれぞれ制御して、実質的にVddまでプルアップすることができる。
実施例によっては、Vddは、低い値へ変換される前に外部電圧源Vextから直接供給される。これはプルアップされた電圧に100mV余分のマージンを与えることができ、特に、負のVT の領域にあるメモリセルを検知する場合に有用である。
セル電流弁別器650は、基本的には、メモリセルの導通電流を参照電流と比較する。セル電流が参照電流よりも高ければ、センス増幅器は高状態の信号INVを出力し、逆も同様である。信号INVは、セットされると、センス増幅器ラッチ660によってラッチされる。
検知の前に、選択されたメモリセルの電極への電圧は、1回またはそれを超えるプリチャージ動作の間に、適当なワード線およびビット線を経由してセットされなければならない。
例えば、図12Aに示されるように、NANDチェーン50と交差するワード線WL1に沿ったメモリセルのページが検知対象に選択されてもよい。プリチャージ動作は、非選択のワード線WL0、WL2〜WL31が電圧Vreadまで充電され、選択ワード線WL1が、対象の任意のメモリ状態に対する所定のしきい値電圧VT(i)まで充電されることから開始する。
ビット線36およびCOM1ノード481、SENノード631は、プリチャージ回路640’によって、それぞれ検知を行うのに適当な所定の電圧までプリチャージされる。NANDチェーン50にワード線電圧およびビット線電圧が印加されると、選択ワード線がオンにされることになる。すると、メモリセル内にソース−ドレイン導通電流が流れることになる。メモリセルのソースおよびドレイン間の公称電圧差が存在する場合、導通電流は、選択メモリセル内にプログラムされている電荷および選択ワード線に印加されるVT (i)の関数である。
ワード線およびビット線上の電圧が安定すれば、選択メモリセルの導通電流またはプログラムされたしきい値電圧はセンス増幅器600’によってSENノードにおいて検知を受けることができる。
セル電流弁別器650は、基本的には、セル電流がノード631においてコンデンサ652上の信号SENを放電させている速度を検出することによってセル電流を計測する。従って、SENが放電である速度が測定されると、導通電流の指標が得られることになる。放電の前に、SENはプリチャージ回路640’によってVddまでプリチャージされる。検知は、セル電流がコンデンサを放電させることをできるようになった時間(HLL低(LOW)およびXXL高)から、セル電流が遮断される時間(XXL低)までによって与えられる所定の期間にわたり行われる。
検知の間、ビット線内のメモリ記憶ユニットの導通電流はコンデンサ652を放電させることになる。セルの導電性が高いほど放電は速い。その結果、SENノード631内の電圧はVddから導通電流に依存する速度で減少することになる。所定の放電期間の最後で、分離トランジスタ630は、XXLが低になることによってオフにされる(期間は参照電流に対応する)。これがセル電流のSENノード631への接続を断ち、それ以上の放電を停止させることになる。信号SENはある値まで降下することになるが、この値は計測用p形トランジスタ656をオフにするかもしれないし、しないかもしれない。
検知期間の後、信号SEN内の電圧はp形トランジスタのしきい値(Vdd−|VT |)と比較される(VTPはp形トランジスタのしきい値電圧である)。SENはp形トランジスタ656のゲートに印加される。p形トランジスタがオンにされれば、SENはVdd−|VT |未満まで放電された、すなわち導通電流は参照電流よりも大きいということである。p形トランジスタがオンにされなければ、導通電流は参照電流よりも小さいため、SENをVdd−|VT |未満まで放電させることができないということである。
接続用トランジスタ654がゲート信号STBによってオンにされると、p形トランジスタ656のソース側はVddに接続される。SENがp形トランジスタ656をオンにするのに十分降下していなければ、トランジスタ656のドレイン側における信号INVを出力するノード657は低のままにとどまることになる。一方、SENがVdd−|VTP|未満まで降下していれば、p形トランジスタ656はオンにされることになり、INVノード657はVddまでプルアップされてラッチされることになる。
セル電流弁別器650は、セルの導通電流が既定境界電流値よりも高いか低いかを効果的に判定する。既定境界電流値は所定放電時間に対応する。検知された電流が境界電流値よりも高ければ、当該メモリセルはコントロールゲートにおける印加電圧VT (i)よりも小さいしきい値を有している。従って、セル電流が参照境界レベルよりも低い場合は、INVの形の検知結果は低のままにとどまる。逆に、セル電流が参照レベルよりも高い場合は、INVは高になる。INV信号は、センス増幅器ラッチ660によってラッチされると、CMOS論理レベルに変換される。
電圧昇圧回路
図12Aおよび前述した説明により、ビット線電圧がビット線クランプ610によって所定のVBLにクランプされる場合、クランプが機能するためには、クランプ用n形トランジスタ612のドレイン側はソース側よりも少し(例えば、約0.2V)電圧が高くなければならないことがわかる。従って、COM1はVBLよりも約0.2V高くなければならず、これは電圧クランプ622によって保証される。これは、SENの電圧レベルは最大でもCOM1よりも高いVT 以内までしか降下し得ないことをも意味する。従って、ノード631におけるSEN信号の放電は、上限がVddで与えられ、下限が、COM1よりも少し(例えば、約VT )高いVLIMIT で与えられる制限されたダイナミックレンジでのみ動作できる。しかし、Vddの電圧源である供給電圧がもっと低い場合、VLIMIT の存在を既定とし、(Vdd−|VTP|)<VLIMIT であるならば、p形トランジスタはオンにならない。
比較回路650’は、キャパシタ652の一方のプレートに線703を経由して昇圧電圧VB を供給する電圧シフタ700の形で電圧昇圧回路を設けることによって、低電圧動作に適合されている。電圧シフタのタイミングはページコントローラ498によって線702を経由して制御される。
動作時、プリチャージ回路640’は検知ノードSEN631をVddまでプルする。電圧シフタは、ノードSENが分離トランジスタ636によってVddから切り離された後にアクティベートされる。基本的に、電圧シフタはVB 信号レベルをΔV増加させるので、ノードSEN631におけるコンデンサのもう一方のプレート上の電圧は同じ量昇圧されることになる。これは、適度な導通電流に対応する最終電圧がVdd−VLIMIT よりも高くなっても構わないように、ダイナミックレンジの上限をΔV効果的に増加させる。放電期間の最後に、検知ノードSEN631は分離トランジスタ634を通じてノードSEN2から切り離され、これによりVLIMIT の制限を取り除く。すると、SEN631上の電圧は同じΔV低下して、参照電圧(Vdd−|VTP|)と比較される前の初期昇圧を相殺する。これにより、VLIMIT より低いレベルでも電圧比較を行うことができる。
ロックアウト検知モジュールから他の検知モジュールへのノイズ
電圧昇圧回路700は検知期間の間、VB を漸増させるが、そのために検知モジュール480’内のノイズ源になってしまう可能性がある。ノイズはコンデンサ652を経由してSENノード631およびさらにその先へ伝播することができる。検知動作中に検知モジュールがアクティブになっているときはノイズの影響は大きくない。なぜならば、セルは電流シンクの役割を果たし、センス増幅器内のビット線電圧クランプ610および電圧クランプ620はどちらもノイズを軽減する動作をしているからである。
前述したように、検知モジュールは、高電流のセルを検出して信号INVを高にラッチした後、ロックアウトモードに入る。これにより、セル電流は、セルのビット線がプルダウン回路550によって接地にプルダウンされた後、シャットダウンされる。そのロックアウト検知モジュールはもはや検知に加わらず非アクティブになる。一方、他の検知モジュールはアクティブのままページ内の未ロックアウトのメモリセルの検知を続ける。しかし、ロックアウト検知モジュールは、非アクティブモードであっても、依然としてアクティブである他の検知モジュールに対する大きなノイズ源となる。
図12Bは、ロックアウトモードに入っている図12Aに示される検知モジュールのノイズ経路を示している。ロックアウトモードは、センス増幅器600’が参照電流よりも高いセル電流を検出して信号INVを高にセットするときである。INVが高になるのに応じて、検知モジュール480’はビット線を接地にプルダウンし、同時にプリチャージ回路640’を経由したVddへのアクセスは遮断される。これは、電圧クランプ620がもはや機能を果たすことができないこと、従ってビット線電圧クランプ610ももはや機能を果たすことができないことを意味する。メモリセルのページが並列に検知されているときに、XXLならびにBLSおよびVB 等の制御信号は、ロックアウトモードに入っている検知モジュールを含む、全ての検知モジュールに一様に印加される。従って、INVが高になっている検知モジュール480’において、電圧昇圧回路700によって生じるノイズは経路711に沿ってビット線36に伝播することができる。ページ内の各メモリセルのソースが、信号CLSRCを有するページソース線に結合され、さらにページソース線が接地に結合される場合、ノイズは接地ループを経由して伝播しCLSRCに影響を及ぼすこともできる。
図13は、ロックアウトモードに入っている図12Bに示される既存の検知モジュールのための制御信号のタイミングを示している。ロックアウトモードにおいて、検知モジュール480’は、電圧昇圧回路700からのノイズがページソース線にもビット線にも達するのを許してしまう。図13および図12Bの両方を参照すると、全検知モジュールの検知期間は、HLL(図13(a))がプリチャージ回路640’をSENノード631から遮断することから開始し、XXL(図13(b))がセル電流を遮断してSENノードをそれ以上放電させないようにすることで終了する。検知期間の間、検知ノードは電圧昇圧回路から供給されるVB によって昇圧される。ロックアウトモードになっている検知モジュールにおいて、SENノード631は、プルダウン回路550を経由してCLSRCページソース線34にも結合されているビット線36に結合される。セル電流がオフにされると、検知期間開始時におけるVB の電圧レベルの急激なシフト(図13(c))のために、SENノードでリップルが生じる(図13(d))。このリップルがノイズとしてノイズ経路711に沿って伝播し、結合されたビット線(図13(e))およびCLSRCページソース線(図13(f))に達する。
ビット線に対するノイズの影響
検知モジュール480’は、時間変動電流が1つのビット線から別のビット線へ結合するのを回避するために、一定のビット線電圧で検知するように設計されたものである。セル電流とは無関係の電流はいずれもただのノイズとなり、セル電流の検知におけるエラーの一因となる。前述したように、ロックアウト検知モジュールは、時間変動電流であるノイズをロックアウトビット線内へ放出することができる。たとえロックアウトメモリセルがもはや検知されていなくても、ロックアウトビット線内の変動電流は、セルが依然として検知を受けているかもしれない近隣のビット線に結合され得る。この種の結合ノイズは、ロックアウトセルの近くの検知されているセルに大きな影響を与え、検知におけるエラーの原因となる。
ページソース線に対するノイズの影響
もう一つの問題は、メモリセルのソース側電圧における不確実性によってもたらされるエラーと関係する。例えば、ソース側エラーの1つの症状は、ソース線とチップの接地パッドとの間の有限抵抗が原因である。メモリセルの検知の1つの潜在的問題は、有限抵抗間のソース負荷によって生じるソース線バイアスである。多数のメモリセルが並列に検知されると、それらの合成電流は、有限抵抗を有する接地ループ内に大きな電圧降下を生じさせ得る。これが、しきい値電圧検知を用いた読み出し動作におけるエラーの原因となるソース線バイアスを生じさせる。
図14は、有限接地抵抗を有するソース線内の電流フローのために生じるソース電圧エラーの問題を示している。読み出し/書き込み回路270Aおよび270Bはメモリセルのページ上で同時に動作する。読み出し/書き込み回路内の各検知モジュール480は、ビット線36を経由して、対応するセルに結合される。例えば、検知モジュール480はメモリセル10の導通電流i1 (ソース−ドレイン電流)を検知する。導通電流は検知モジュールからビット線36を通じてメモリセル10のドレインに流入し、ソース14から流出した末、ソース線34を通じて接地へ流れる。集積回路チップでは、メモリアレイ内のセルのソースは全て、メモリチップのいくつかの外部接地パッド(例えば、Vssパッド)に接続されるソース線34の多重ブランチとして互いに結ばれている。ソース線の抵抗を低減するために金属ストラップが用いられる場合でも、メモリセルのソース電極と接地パッドとの間の有限抵抗、Rが残る。通常、接地ループ抵抗Rは50オーム前後である。
並列に検知されているメモリのページ全体において、ソース線34を流れる総電流は全導通電流の合計、すなわちiTOT =i1 +i2 +・・・+ip である。一般的に、各メモリセルは、その電荷蓄積要素内にプログラムされた電荷の量に依存する導通電流を有する。メモリセルの既定のコントロールゲート電圧において、小さい電荷が比較的高めの導通電流を生むことになる(図3を参照)。メモリセルのソース電極と接地パッドとの間に有限抵抗が存在する場合、抵抗における電圧降下はVdrop=iTOT Rで与えられる。
例えば、24,000本のビット線がそれぞれ0.25μAの電流をもって同時に放電すれば、ソース線電圧降下は24,000線×0.25μA/線×50オーム、約0.3Vに等しくなる。その主たる影響が、ソース電圧における0.3Vの上昇がしきい値電圧における0.45Vの上昇を生じさせるというものだとすれば、このソース線バイアスは、メモリセルのしきい値電圧が検知される際、0.45ボルトの検知エラーに寄与することになる。
図15は、ソース線電圧降下によって引き起こされるメモリセルのしきい値電圧レベルのエラーを示している。メモリセル10のコントロールゲート30に供給されるしきい値電圧VT はGNDに対するものである。しかし、メモリセルにより見られる実効的なVT はそのコントロールゲート30とソース14との間の電圧差である。供給されるVT と実効的なVT との間には約1.5×Vdropの差がある(ソース14からソース線への電圧降下の小さな寄与は無視している)。このVdropすなわちソース線バイアスが、メモリセルのしきい値電圧が検知される際、例えば0.45ボルトの検知エラーに寄与することになる。このバイアスはデータに依存する、すなわち、ページのメモリセルのメモリ状態に依存するので、容易に除去することはできない。
米国特許第7,173,854号(特許文献18)には、接地ループのために生じるソースバイアスエラーの問題を緩和するために、ページ内の各メモリセルのソースの近くのワード線電圧を参照する方法が開示されている。
その全体が本願明細書において参照により援用されている、2007年6月29日に出願されたNguyenらによる「METHOD FOR SENSING NEGATIVE THRESHOLD VOLTAGES IN NON-VOLATILE STORAGE USING CURRENT SENSING」という米国特許出願第11/771,982号(特許文献19)には、ページに沿った各メモリセルのソースを所定のページソース電圧に調節するメモリ素子および方法が開示されている。
図15は、ロックアウト検知モジュールのために生じるノイズが、検知を受けている個々の検知モジュールのページソース線およびビット線の両方にもたらされることも概略的に示している。ノイズには通常、ページソース線に調節器を備えても、調節器が追随できないほど急速な変動がある。前述した開示より、ページソース線34における信号CLSRCにノイズがもたらされると、そのページソース線に結合されたどのメモリセルの検知中にもエラーを生じさせることになることが明らかになっている。
改良形検知モジュールアレイ
低い供給電圧で動作可能な検知モジュールの好ましい実施例では、電圧昇圧回路を用いて、検知される放電電圧のダイナミックレンジを増大させる。検知モジュールが参照電流よりも高い導通電流を有するセルを特定したならば、そのセルはその後の検知からロックアウトされ、ロックアウトセルをオフにするために関連ビット線はページのソース線に短絡される。このロックアウトモードでは、電圧昇圧回路によって生成されるステップアップ電圧がノイズ源となり、セルのビット線に伝播しやすく、ページのソース線にも伝播しやすい。その結果、動作中の他の検知モジュールに干渉してしまう。このノイズ源は、検知モジュールがロックアウトモードに入ったらすぐに、ビット線およびソース線に達しないように分離される。ノイズ源と、ビット線およびソース線を電圧昇圧回路に結合する中間回路との間に分離回路が配置される。
一般的な実施形態では、分離回路として転送ゲートが用いられる。転送ゲートは、参照電流よりも高い導通電流を有すると特定されたメモリセルから生じる、ロックアウトモードを示すラッチ信号によってオフにされ、ページのその後の検知動作からロックアウトされている。転送ゲートをオフにすることにより、メモリセルのビット線およびページのソース線へのノイズ経路が断たれる。
好ましい実施形態では、転送ゲートは、中間回路と、放電電圧が検知され昇圧電圧が印加されるノードとの間に配置される。
図16は、好ましい実施形態による、ロックアウト検知モジュールからのノイズ分離の改良形を備える検知モジュールスタックを示している。検知モジュールスタックは、共通SAバス422を共有する検知モジュール480−1〜480−kから成る。動作時、メモリセルのページは並列に検知される。図11に示されるように、p本のビット線を経由してp個のメモリセルのページに接続するp個の検知モジュールがある。従って、図16に示される検知モジュールスタックは、ページの検知モジュールのセット全体を形成するp/k個のスタックの1つを表すものである。メモリセルのページは、各メモリセルのソースを、電圧CLSRCを有するページソース線34(図14および図15を参照)に結合されている。
各検知モジュール480は、図12Aおよび図12Bに示される既存の検知モジュール480’と同様である。1つの相違点は、メモリセルの検知結果によってセットされる信号INVによって制御される転送ゲート750を組み込んでいることである。好ましい実施例では、転送ゲート750はp形トランジスタ752およびn形トランジスタ754を備える。転送ゲートの第1のノードがp形トランジスタ752のソースをn形トランジスタ754のドレインに結合させる。転送ゲートの第2のノードがp形トランジスタのドレインをn形トランジスタ754のソースに結合させる。2つのノードはCOM1ノード481およびノード482に接続されている。ノード482は信号COM2を伝達し、転送ゲート750とビット線電圧クランプ610との間に位置する。p形トランジスタ752は信号INVによってゲート制御され、n形トランジスタ754は、INVの反転であるINV*によってゲート制御される。
センス増幅器600によってセル電流が参照電流よりも高いと判定されると、INVは高にセットされてラッチされる。ビット線はページソース線34におけるCLSRCにプルされる(図14および図15を参照)。ソースおよびドレインが実質的に同電位になることで、セル電流はオフにされ、検知モジュールはロックアウトモードに入って、他の検知モジュールがそれぞれのメモリセルの検知を引き続き行う間、非アクティブになる。ロックアウトモードでは、INVが高になると転送ゲート750をオフにすることになる。従って、VB における電圧のシフトのために生じるノイズはSENノード631およびCOM1ノード481までは伝播できるものの、検知モジュールがロックアウトモードになっているときは必ず、結局は転送ゲートによって遮断されることになる。このようにして、いずれのロックアウト検知モジュールからのノイズも、依然として検知を行っている検知モジュールに干渉することができなくなる。
図16に示される転送ゲートに関する好ましい実施形態のもう一つの特徴は、ビット線と最終的にはVddとの間の経路内の転送ゲート750内にp形トランジスタ752を備える構成とすることによって、p形トランジスタは、図12Aに示される前述したプリチャージ回路640’内の前述したp形トランジスタ644のプルアップ機能を果たすことである。従って、図16において、改良形検知モジュール480内のプリチャージ回路640はもはやプルアップ用のp形トランジスタを必要としない。プリチャージ回路640は単なるVddへの接続部である。Vddまでプルアップを行うプリチャージ動作の間、転送ゲートはオンにされる。
図17は、ロックアウトモードに入っている図16に示される改良形検知モジュールのための制御信号のタイミングを示している。ロックアウトモードにおいて、検知モジュール480の転送ゲート750は、電圧昇圧回路からのノイズがページソース線にもビット線にも達するのを阻止する。図17および図16の両方を参照すると、全検知モジュールの検知期間は、HLL(図17(a))がプリチャージ回路640’をSENノード631から遮断することから開始し、XXL(図17(b))がセル電流を遮断してSENノードをそれ以上放電させないようにすることで終了する。検知期間の間、検知ノードは電圧昇圧回路から供給されるVB によって昇圧される。ロックアウトモードになっている検知モジュールにおいて、SENノード631は、介在する転送ゲート750を除いて、プルダウン回路550を経由してCLSRCページソース線34にも結合されるビット線36に結合される。セル電流がオフにされると、検知期間開始時におけるVB の電圧レベルの急激なシフト(図17(c))のために、SENノードでリップルが生じる(図17(d))。このリップルがノイズとして伝播するが、オフにされている転送ゲート750によって、結合されたビット線(図17(e))およびCLSRCページソース線(図17(f))に達することを阻まれる。図13(e)および図13(f)に示される対応するものと比較すると、ロックアウト改良形検知モジュールのビット線内にもページ全体のページソース線内にもノイズはない。
別の好ましい実施形態では、転送ゲートは、電圧昇圧回路と、放電電圧が検知されているノードとの間に配置される。
図18は、別の好ましい実施形態による、ロックアウト検知モジュールからのノイズ分離の改良形を備える検知モジュールスタックを示している。別の実施形態における検知モジュール480”は、転送ゲート750が類似の転送ゲート760に置き換えられて電圧昇圧回路700とSENノード631との間に移されている点を除いて、図16に示される好ましい実施形態の検知モジュール480と同様である。転送ゲート760は、VB が経路703を経由してコンデンサ652に達する前にVB をゲート制御する位置にある。
図19は、ロックアウト検知モジュールからのノイズを分離して、ページの検知中で依然としてアクティブである他の検知モジュールにノイズが干渉しないようにする方法を示すフロー図である。
ステップ810:不揮発性メモリセルの導通電流をそのグループを並列に検知する間に検知するために、メモリセルが中間回路を経由してアクセス可能なノードを設ける。
ステップ820:ノードを初期電圧までプリチャージする。
ステップ830:ノードに結合される電圧昇圧回路を設ける。
ステップ832:ノード上の初期電圧を所定量昇圧する。
ステップ840:ノードにおける電圧放電の速度によって導通電流を計測する。
ステップ850:導通電流が所定値よりも高いと判定されるとすぐに、少なくともメモリセルのグループに対する検知が完了するまで電圧昇圧回路をメモリセルの中間回路から分離する。
本願明細書において参照されている特許、特許出願、記事、書籍、仕様書、その他の出版物、文書および事物は全て、その全体があらゆる目的のために本願明細書において参照により援用されている。援用されている出版物、文書または事物と本願明細書の本文との間に用語の定義または用法における矛盾または不一致がある場合は、本願明細書の用語の定義または用法を優先させるものとする。
本発明の種々の態様は特定の実施形態に関連して説明されているが、本発明は添付の特許請求の範囲の全ての範囲内で保護を受ける権利があることが理解される。

Claims (24)

  1. 不揮発性メモリの導通電流をそのグループを並列に検知する間に検知する方法であって、
    前記メモリセルによって中間回路を経由してアクセス可能なノードを設けるステップと、
    前記ノードを初期電圧までプリチャージするステップと、
    前記ノードに結合される電圧昇圧回路を設けるステップと、
    前記ノード上の前記初期電圧を所定量昇圧するステップと、
    前記導通電流を前記ノードにおける電圧放電の速度によって計測するステップと、
    前記導通電流が所定値よりも高いと判定されるとすぐに、少なくともメモリセルの前記グループに対する検知が完了するまで前記電圧昇圧回路を前記メモリセルの前記中間回路から分離するステップと、
    を含む方法。
  2. 請求項1記載の方法において、
    前記グループの各メモリセルが関連ビット線によってアクセス可能であり、前記中間回路が前記関連ビット線に結合される方法。
  3. 請求項1記載の方法において、
    前記グループの各メモリセルが、前記グループ用の共通ソース線に結合されるソースを含み、
    前記中間回路が、前記共通ソース線に結合される方法。
  4. 請求項1記載の方法において、
    前記電圧昇圧回路を分離するステップが、前記ノードと前記中間回路との間に配置される転送ゲート回路を無効にするステップを含む方法。
  5. 請求項2記載の方法において、
    前記電圧昇圧回路を分離するステップが、前記ノードと前記中間回路との間に配置される転送ゲート回路を無効にするステップを含む方法。
  6. 請求項3記載の方法において、
    前記電圧昇圧回路を分離するステップが、前記ノードと前記中間回路との間に配置される転送ゲート回路を無効にするステップを含む方法。
  7. 請求項1記載の方法において、
    前記電圧昇圧回路を分離するステップが、前記電圧昇圧回路と前記ノードとの間に配置される転送ゲート回路を無効にするステップを含む方法。
  8. 請求項2記載の方法において、
    前記電圧昇圧回路を分離するステップが、前記電圧昇圧回路と前記ノードとの間に配置される転送ゲート回路を無効にするステップを含む方法。
  9. 請求項3記載の方法において、
    前記電圧昇圧回路を分離するステップが、前記電圧昇圧回路と前記ノードとの間に配置される転送ゲート回路を無効にするステップを含む方法。
  10. 請求項4記載の方法において、
    前記転送ゲート回路を無効にするステップが、前記転送ゲート回路内のn形トランジスタおよびp形トランジスタの並列対を無効にするステップを含む方法。
  11. 請求項1記載の方法において、
    前記検知するステップが、前記メモリセルのいずれかが目標状態にプログラムされているかどうかをベリファイするプログラム動作の一部である方法。
  12. 並列に検知された不揮発性メモリセルのグループ内のメモリセルの導通電流を検知するための検知回路であって、
    ノードと、
    前記メモリセルと前記ノードとの間に結合される中間回路と、
    前記ノードを初期電圧まで充電するべく前記ノードに結合されるプリチャージ回路と、
    前記ノード上の前記初期電圧を所定量昇圧するために前記ノードに結合される電圧昇圧回路と、
    前記電圧昇圧回路と前記中間回路との間に配置される転送ゲートと、
    前記ノードにおける電圧放電の速度によって前記導通電流を判定するためのコンパレータと、を備え、
    前記転送ゲートは前記導通電流が所定値よりも高いと判定されることに応答してオフになり、それにより前記電圧昇圧回路を前記メモリセルの前記中間回路から分離し、前記転送ゲートは少なくともメモリセルの前記グループに対する検知が完了するまでオフのままにとどまる検知回路。
  13. 請求項12記載の検知回路において、
    前記グループの各メモリセルが関連ビット線によってアクセス可能であり、前記中間回路が前記関連ビット線に結合される検知回路。
  14. 請求項12記載の検知回路において、
    前記グループの各メモリセルが、前記グループ用の共通ソース線に結合されるソースを含み、
    前記中間回路が、前記共通ソース線に結合される検知回路。
  15. 請求項12記載の検知回路において、
    前記転送ゲート回路が、前記電圧昇圧回路と前記ノードとの間に配置される検知回路。
  16. 請求項12記載の検知回路において、
    前記転送ゲートが、
    ソース、ドレインおよびゲートをそれぞれ有する対になったp形トランジスタおよびn形トランジスタと、
    前記p形トランジスタの前記ソースを前記n形トランジスタの前記ドレインに結合することによって形成される第1のノードと、
    前記p形トランジスタの前記ドレインを前記n形トランジスタの前記ソースに結合することによって形成される第2のノードと、をさらに備え、
    これによって、前記対になったp形トランジスタおよびn形トランジスタの前記ゲート上の対になった相補信号が前記第1のノードと前記第2のノードとの間の流路を制御する検知回路。
  17. 請求項16記載の検知回路において、
    プリチャージ動作用の供給電圧源をさらに備え、
    前記転送ゲートが前記供給電圧源にも結合されると、前記p形トランジスタは、前記対になった相補信号によって有効にされると、前記プリチャージ動作の間に前記第1および第2のノードを前記供給電圧源までプルアップする役割を果たす検知回路。
  18. 請求項12記載の検知回路において、
    前記転送ゲート回路が、前記ノードと前記中間回路との間に配置される検知回路。
  19. 請求項12記載の検知回路において、
    不揮発性メモリセルの前記グループが、フラッシュEEPROMの一部である検知回路。
  20. 請求項19記載の検知回路において、
    前記フラッシュEEPROMが、NAND形である検知回路。
  21. 請求項12記載の検知回路において、
    個々の不揮発性メモリセルが、それぞれ電荷蓄積要素を包含する検知回路。
  22. 請求項21記載の検知回路において、
    前記電荷蓄積要素が、フローティングゲートである検知回路。
  23. 請求項21記載の検知回路において、
    前記電荷蓄積要素が、誘電体層である検知回路。
  24. 請求項12記載の検知回路において、
    前記不揮発性メモリセルが、メモリカードに具体化される検知回路。
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