JP2012027988A - 半導体記憶装置およびその制御方法 - Google Patents

半導体記憶装置およびその制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 選択セルに隣接する非選択セルに十分な電流を流す。
【解決手段】 行方向に直列接続された不揮発性のメモリセルのゲートは、列方向にそれぞれワード線で接続される。データ読み出し時に選択ワード線に隣接する第1隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧、第1隣接ワード線の選択ワード線とは反対側に隣接する第2隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧より高い第2の読み出しパス電圧を、その他の非選択ワード線に第1の読み出しパス電圧より高く第2の読み出しパス電圧より低い第3の読み出しパス電圧を与える。
【選択図】 図5

Description

半導体記憶装置および半導体記憶装置の制御方法に関する
不揮発性の半導体記憶装置の一種にEEPROMがある。特にNAND型フラッシュメモリは大容量化に優れ、電子機器の記憶装置として用いられる。
NAND型フラッシュメモリのデータ読み出し動作は、NANDセルユニット内の選択セルに、そのしきい値分布を判定するに必要な読み出し電圧を与える。一方、NANDセルユニット内の残りの非選択セルに、セルデータによらずオンする読み出しパス電圧を与える。上記電圧を与えた後、プリチャージしたビット線が放電されるか否かによりデータを判定する。
特開2002−133888号公報 特開2009−193631号公報
微細化によりデータの読み出し時の信頼性への影響が課題となる。特にワードライン(WL)間距離が小さくなるに従い、隣接WLと選択セルのフローティングゲート(FG)とのカップリング容量が増大する。カップリング容量の増大は、読み出し動作に影響を与える。
例えば、選択セルに隣接する非選択セルのFG電位が、十分に高くならない場合がある。具体的には、非選択コントロールゲート(CG)の電位より、選択CGの電位は低い。すると、隣接する非選択セルのFG電位は、他の非選択セルのFG電位より低くなる。従って、十分な電流を流すことができるはずのパス電圧を隣接WLに与えても、隣接する非選択セルには十分な電流が流れない可能性がある。
従って、微細化した場合であっても、選択セルに隣接する非選択セルに十分な電流を流すことができる半導体記憶装置、および半導体記憶装置の制御方法を提供する事を目的とする。
本実施の形態に係る半導体記憶装置は、セルユニットと、複数のワード線と、複数の選択ゲート線と、昇圧部と、制御部と、を備えることを特徴とする。セルユニットは、行方向に複数個直列接続された不揮発性のメモリセルと、直列に接続されたメモリセルの両端をそれぞれビット線及びソース線に接続する複数の選択ゲートトランジスタとを有する。複数のワード線は、複数のメモリセルの制御ゲートを行方向と直交する列方向にそれぞれ接続する。複数の選択ゲート線は、選択ゲートトランジスタのゲートを列方向にそれぞれ接続する。昇圧部は、外部から供給された電源電圧を昇圧してワード線に電圧を与える。制御部は、選択ワード線に読み出し電圧が与えるデータ読み出し時に、選択ワード線に隣接する第1隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧を、第1隣接ワード線の選択ワード線とは反対側に隣接する第2隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧より高い第2の読み出しパス電圧を、その他の非選択ワード線に第1の読み出しパス電圧より高く第2の読み出しパス電圧より低い第3の読み出しパス電圧を与えるように、昇圧部を制御する。
また、本実施の形態に係る半導体記憶装置の制御方法は、第1の読み出しパス電圧と、第2の読み出しパス電圧と、第3の読み出しパス電圧を与えることを特徴とする。半導体記憶装置は、セルユニットと、複数のワード線と、複数の選択ゲート線と、昇圧部と、を備える。セルユニットは、行方向に複数個直列接続された不揮発性のメモリセルと、直列に接続されたメモリセルの両端をそれぞれビット線及びソース線に接続する複数の選択ゲートトランジスタとを有する。複数のワード線は、複数のメモリセルの制御ゲートを行方向と直交する列方向にそれぞれ接続する。複数の選択ゲート線は、選択ゲートトランジスタのゲートを列方向にそれぞれ接続する。昇圧部は、外部から供給された電源電圧を昇圧してワード線に電圧を与える。ワード線のうち選択ワード線に読み出し電圧が与えるデータ読み出し時に、選択ワード線に隣接する第1隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧を与える。第1隣接ワード線の選択ワード線とは反対側に隣接する第2隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧より高い第2の読み出しパス電圧を与える。その他の非選択ワード線に第1の読み出しパス電圧より高く第2の読み出しパス電圧より低い第3の読み出しパス電圧を与える。
微細化した場合であっても、選択セルに隣接する非選択セルに十分な電流を流すことができる半導体記憶装置、および半導体記憶装置の制御方法を提供する事ができる。
第1の実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの機能ブロック図。 メモリセルアレイの回路構成の一部を示す図。 図2におけるA−A断面の構造について模式的に表した図。 図3におけるB部の容量結合について模式的に表した拡大図。 VcgとVreadのパターンを示す図。 VcgとVreadのパターンを示す図。 VcgとVreadのパターンを示す図。 第1の実施の形態によるNAND型フラッシュメモリのフローチャート。 比較例1 比較例2 第2の実施の形態によるNAND型フラッシュメモリのVcgとVreadのパターンを示す図。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの機能ブロック図である。メモリセルアレイ1には、複数のメモリセルがアレイ状に配置されている。ロウデコーダ2は、メモリセルアレイ1に設けられたワード線および選択ゲート線を選択駆動するために設けられている。カラムデコーダ3は、メモリセルアレイ1に設けられたビット線を選択するために設けられている。
高電圧発生部4は、メモリセルアレイ1のメモリセルへ読み出し、書き込み、または消去を行う際、外部から供給された電源電圧を昇圧するために設けられている。制御部5は、ロウデコーダ2、カラムデコーダ3、高電圧発生部4、またこれらを通じてメモリセルアレイ1を制御するために設けられている。また、制御部5はNAND型フラッシュメモリの外部とデータおよびコマンドの入出力を行うために設けられている。
図2は、メモリセルアレイ1の回路構成の一部を示す図である。メモリセルアレイ1は、複数のブロック11を備える。図2は、任意のi番目のブロック11と、隣接するブロック11i−1および11i+1の一部とを図示している。
ブロック11は、複数のNANDセルユニット12を備える。1つのブロック11内に、0〜kのNANDセルユニット12を備えることができる。例えば、kは4223である。
NANDセルユニット12は、複数のメモリセル13を備える。メモリセル13はデータを記憶するために設けられている。1つのNANDセルユニット12内に、たとえば0〜65のメモリセル13を備えることができる。メモリセル13は、互いにソースとドレインとが直列に接続されている。直列に接続されたメモリセル13のうち両端のメモリセル(図2では13および1365)には、無効なデータを記憶するためのダミーセルを用いることができる。
NANDセルユニット12は、選択ゲートトランジスタ14、15をさらに備える。選択ゲートトランジスタ14は、直列に接続されたメモリセル13のドレイン側の端に直列に接続される。選択ゲートトランジスタ15は、直列に接続されたメモリセル13のソース側の端に直列に接続される。NANDセルユニット12は、選択ゲートトランジスタ14、15によって選択される。
メモリセル13のCG(コントロールゲート)は、複数のワード線16のいずれかに共通接続されている。具体的には、マトリクス状に配置されたメモリセル13のうち、NANDセルユニット12の直列方向(行方向)に直交する方向(列方向)に並んだメモリセル13が、共通のワード線16に接続されている。
従って、メモリセル13〜1365が直列に接続されている場合、1つのブロック11についてワード線16はワード線16〜1665の66本のワード線に、それぞれk+1個のメモリセル13が共通接続される。
1つのページ21は、各ワード線16〜1665にそれぞれ接続された複数のメモリセル13を有する。1つのページ21には、1つのブロック内のNANDセルユニットの個数(図2ではk+1)分のメモリセル13を含む。なお、k=4223の場合には、4096個のメモリセルを記憶領域、128個のメモリセルをリダンダンシ領域およびその他領域として使用することができる。
選択ゲートトランジスタ14のゲートは、選択ゲート線17にて共通接続されている。また、選択ゲートトランジスタ14のドレインは、ビット線19のいずれかに接続されている。
選択ゲートトランジスタ15のゲートは、選択ゲート線18にて共通接続されている。また、選択ゲートトランジスタ15のソースはソース線20に接続されている。ソース線20は、行方向に隣接するブロックで共有される。例えば図2の例では、ブロック11と11i+1とで共有される。
図3は、図2におけるA−A断面の構造について、模式的に表した図である。なお、図3において、半導体記憶装置の表面および裏面など、説明に直接関わらない部分については図示を省略する。
メモリセル13は、半導体基板上に絶縁膜を介してFG(フローティングゲート)22とCGとして機能するワード線16の一部とが積層形成されたスタックゲート構造を有している。
メモリセル13のソースとドレインは、隣接するメモリセル13および選択ゲートトランジスタ14、15と共有するソースドレイン23を介して、直列に接続されている。選択ゲートトランジスタ14のドレイン23aは、ビット線19に接続されている。選択ゲートトランジスタ15のソース23bは、ソース線20に接続されている。
図4は、図3におけるB部の容量結合について、模式的に表した拡大図である。ここで、nは自然数とし、選択された1のワード線を16として表す。選択されたワード線16には、データの読み出しの際、読み出し電圧Vcgを印加する。Vcgには、程度の弱い電圧(一例として0.85V)を用いることができる。
一方、選択されたワード線に隣接するワード線16n−1とワード線16n+1(第1隣接ワード線)には、読み出しパス電圧Vreadを印加する。Vreadには、読み出し電圧よりも高い電圧(一例として7V)を用いることができる。
この時、図4にて図示するB部に生じた隣接するFG22との容量結合により、隣接するメモリセル13n−1とメモリセル13n+1のFG22の電位が低下する。FG22の電位が低下した場合、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1との電位差は大きくなる傾向がある。電位差が大きくなると、FG22から電子が抜けやすくなり、書き込まれたデータを保持することが困難になる傾向がある。
また、FG22の電位が低下した場合、隣接するメモリセル13n−1とメモリセル13n+1は、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1にVreadを印加した場合にオンしにくくなる。これは隣接するメモリセル13n−1とメモリセル13n+1に流れる電流の減少につながり、読み出しデータの信頼性(正確性)が低下する場合がある。
特に、NAND型フラッシュメモリの微細化を進めると、ワード線16の間隔が小さくなるため、容量結合の影響が大きくなる。
図5は、各ワード線16〜1665に印加するVcgとVreadのパターンを示す図である。図5では、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1に印加する読み出しパス電圧(第1の読み出しパス電圧)をVread1、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1の選択ワード線16nとは反対側に隣接するワード線16n−2とワード線16n+2(第2隣接ワード線)に印加する読み出しパス電圧(第2の読み出しパス電圧)をVread2、その他の非選択ワード線16に印加する読み出しパス電圧(第3の読み出しパス電圧)をVread0として図示する。
図5の通り、VcgとVreadの関係は、Vcg<Vread1<Vread0<Vread2とする。Vread1<Vread0とするのは、メモリセル13n−1とメモリセル13n+1のFG22と、ワード線16n−1とワード線16n+1との電位差を小さくするためである。
また、Vread1<Vread2とするのは、ワード線16n−1とワード線16n+1とワード線16n−2とワード線16n+2との容量結合が大きいことを利用し、IPD(FG−CGゲート間絶縁膜)リークを抑制するためである。
また、Vread0<Vread2とするのは、他の非選択ワード線16に対するリードディスターブを抑制するためである。
図6は、NANDセルユニット12の両端のメモリセル13のいずれかを選択した場合のVcgとVreadのパターンを示す図である。ここで、図6では説明の都合上、メモリセル1365を選択した場合について図示する。
図6では、選択されたワード線1665に印加する読み出し電圧をVcg、隣接するワード線1664に印加する読み出しパス電圧をVread1、隣接するワード線1664の選択ワード線1665とは反対側に隣接するワード線1663に印加する読み出しパス電圧をVread2、その他の非選択ワード線16に印加する読み出しパス電圧をVread0として図示する。
図6の通り、ワード線16を選択した場合(図5に例示した場合)と同様、VcgとVreadの関係は、Vcg<Vread1<Vread0<Vread2とする。
図7は、NANDセルユニット12の両端のメモリセル13に隣接するメモリセル13のいずれかを選択した場合のVcgとVreadのパターンを示す図である。ここで、図6では説明の都合上、メモリセル1364を選択した場合について図示する。
図7では、選択されたワード線1664に印加する読み出し電圧をVcg、選択ゲート線18と隣接するワード線1665に印加する読み出しパス電圧(第4の読み出しパス電圧)をVread0、NANDセルユニット12中央側に隣接するワード線1663に印加する読み出しパス電圧をVread1、隣接するワード線1663の選択ワード線1664とは反対側に隣接するワード線1662に印加する読み出しパス電圧をVread2、その他の非選択ワード線16に印加する読み出しパス電圧をVread0として図示する。
図7の通り、ワード線16を選択した場合(図5に例示した場合)と同様、VcgとVreadの関係は、Vcg<Vread1<Vread0<Vread2とすることができる。
ここで、NANDセルユニット12端側に隣接するワード線1665に印加する読み出しパス電圧をVread0とするのは、ワード線1665に隣接するワード線が無いため、上述したIPDリークを抑制する効果を得られないためである。また、NANDセルユニット12端のメモリセル1365はダミーセルであり、Vread0を印加しても問題を生じないためである。
図8は、本実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの動作を示すフローチャートである。外部からの命令により、まずデータをメモリセル13から読み出す(S1)。この時、ワード線16に印加するVcgおよびVreadの関係を、上述の通りとする。
次に、データを書き込む必要がある場合には、メモリセル13に書き込む(S2)。1つのページ21について書き込みを行った段階で、書き込み状態が十分かどうかを検証するために、データをS2において書き込みを行ったメモリセル13から読み出す(S3)。この時、ワード線16に印加するVcgおよびVreadの関係を、上述の通りとする。
S2において書き込みを行ったデータと、S3において読み出したデータとを比較検証し、差異が無かった場合(図中のPassの場合)、一連の処理を終了する。一方、差異があった場合(図中のFailの場合)、直前のS2における書き込み電圧VpgmをΔVpgm分高い電圧に更新する(S5)。
そして、差異のあったメモリセル13について再度書き込む(S2)。比較検証において差異が無くなるまで、S2からS5を繰り返す。
図9および図10を参照して、本実施の形態と比較例とを比較して、本実施の形態の効果について説明する。ここで、図9は1種類のVread電圧を用いた比較例1、図10は2種類のVread電圧を用いた比較例2である。
比較例1では、非選択ワード線16に印加する読み出しパス電圧をVread0として図示する。
比較例1の場合、図4にて説明した通り、容量結合により、隣接するメモリセル13n−1とメモリセル13n+1のFG22の電位が低下する。従って、本実施の形態によるNAND型フラッシュメモリは、比較例1に比べ書き込まれたデータを保持することが容易となる。また、読み出しデータの信頼性も高くなる。
比較例2では、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1に印加する読み出しパス電圧をVread2、その他の非選択ワード線16に印加する読み出しパス電圧をVread0として図示する。
比較例2の場合、Vread2>Vread0であるため、比較例1に比べ隣接するメモリセル13n−1とメモリセル13n+1のFG22の電位の低下を抑制することができる。しかし、ワード線16n−1およびワード線16n+1と、メモリセル13n−1とメモリセル13n+1のFG22との電位差が大きい。従って、本実施の形態によるNAND型フラッシュメモリは、比較例2に比べIPDリークを抑制することが容易となる。
[第2の実施の形態]
図11は、第2の実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの、各ワード線16〜1665に印加するVcgとVreadのパターンを示す図である。なお、第2の実施の形態において、第1の実施の形態と同様の構成については同一符号を付し、その説明を省略する。
図11では、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1に印加する読み出しパス電圧(第1の読み出しパス電圧)をVread1、隣接するワード線16n−1とワード線16n+1の選択ワード線16nとは反対側に隣接するワード線16n−2とワード線16n+2(第2隣接ワード線)に印加する読み出しパス電圧(第2の読み出しパス電圧)をVread2、その他の非選択ワード線16のうち選択ワード線から見てドレイン側に印加する読み出しパス電圧(第3の読み出しパス電圧)をVread0、その他の非選択ワード線16のうち選択ワード線から見てソース側に印加する読み出しパス電圧(第5の読み出しパス電圧)をVread3として図示する。
図11の通り、VcgとVreadの関係は、Vcg<Vread1<Vread0<Vread3<Vread2とする。Vread0<Vread3とするのは、選択されたメモリセルから見てソース側のメモリセルの抵抗値をより低減するためである。
特に、図8に示すS3においては、Vread0<Vread3とする効果が高い。これは、NAND型フラッシュメモリは、一般的にソース側から順に書き込みを行う。選択されたメモリセルから見てドレイン側のメモリセルは書き込みがまだされていないため、書き込みが既にされているメモリセルがある場合のあるソース側のメモリセルに比べて抵抗が低いためである。
以上、NAND型フラッシュメモリの実施の形態を説明してきたが、本発明は、上記の実施の形態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内において種々の変更、追加、置換等が可能である。
例えば、図7の例では、第4の読み出しパス電圧を第3の読み出しパス電圧と同じVread0としたが、第2読み出しパス電圧以下であって第3読み出し電圧以上の任意の電圧とすることができる。
1…メモリセルアレイ、2…ロウデコーダ、3…カラムデコーダ、4…高電圧発生部、5…制御部、11…ブロック、12…NANDセルユニット、13…メモリセル、14、15…選択ゲートトランジスタ、16…ワード線、17、18…選択ゲート線、19…ビット線、20…ソース線、21…ページ、22…FG、23…ソースドレイン

Claims (4)

  1. 行方向に複数個直列接続された不揮発性のメモリセルと、直列に接続された前記メモリセルの両端をそれぞれビット線及びソース線に接続する複数の選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットと、
    複数の前記メモリセルの制御ゲートを前記行方向と直交する列方向にそれぞれ接続する複数のワード線と、
    前記選択ゲートトランジスタのゲートを前記列方向にそれぞれ接続する複数の選択ゲート線と、
    外部から供給された電源電圧を昇圧して前記ワード線に電圧を与える昇圧部と、
    選択ワード線に読み出し電圧が与えるデータ読み出し時に、前記選択ワード線に隣接する第1隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧を、前記第1隣接ワード線の選択ワード線とは反対側に隣接する第2隣接ワード線に前記第1の読み出しパス電圧より高い第2の読み出しパス電圧を、その他の非選択ワード線に前記第1の読み出しパス電圧より高く前記第2の読み出しパス電圧より低い第3の読み出しパス電圧を与えるように、前記昇圧部を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 前記制御部は、少なくとも一の前記第1隣接ワード線が前記選択ゲート線と隣接する場合には、この前記第1隣接ワード線に前記第2読み出しパス電圧より低く前記第3読み出し電圧より高い第4の読み出しパス電圧を、他の前記第1隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧を与えるように、前記昇圧部を制御することを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
  3. 前記制御部は、前記ソース線に接続する前記選択ゲート線と前記選択ワード線との間に前記非選択ワード線がある場合には、この前記選択ゲート線と前記選択ワード線との間にある前記非選択ワード線に、前記第2読み出しパス電圧より低く前記第3読み出し電圧より高い第5の読み出しパス電圧を、他の前記非選択ワード線に第3の読み出しパス電圧を与えるように、前記昇圧部を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体記憶装置。
  4. 行方向に複数個直列接続された不揮発性のメモリセルと、直列に接続された前記メモリセルの両端をそれぞれビット線及びソース線に接続する複数の選択ゲートトランジスタとを有するセルユニットと、
    複数の前記メモリセルの制御ゲートを前記行方向と直交する列方向にそれぞれ接続する複数のワード線と、
    前記選択ゲートトランジスタのゲートを前記列方向にそれぞれ接続する複数の選択ゲート線と、
    外部から供給された電源電圧を昇圧して前記ワード線に電圧を与える昇圧部と、を備える半導体記憶装置の制御方法であって、
    前記ワード線のうち選択ワード線に読み出し電圧が与えるデータ読み出し時に、前記選択ワード線に隣接する第1隣接ワード線に第1の読み出しパス電圧を与え、
    前記第1隣接ワード線の選択ワード線とは反対側に隣接する第2隣接ワード線に前記第1の読み出しパス電圧より高い第2の読み出しパス電圧を与え、
    その他の非選択ワード線に前記第1の読み出しパス電圧より高く前記第2の読み出しパス電圧より低い第3の読み出しパス電圧を与えることを特徴とする半導体記憶装置の制御方法。
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