JP2014010875A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】消費電流が少ない半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る半導体記憶装置は、一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、第2の電源電位に接続されるソース線と、複数本のワード線と、を備える。前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタからデータを読み出すときに、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加される電位は、経時的に増加する。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態に係る半導体記憶装置は、一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、第2の電源電位に接続されるソース線と、複数本のワード線と、を備える。前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタからデータを読み出すときに、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加される電位は、経時的に増加する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体記憶装置に関する。
半導体記憶装置の一種であるNAND型フラッシュメモリにおいては、浮遊ゲート電極に電荷を蓄積させてメモリセルトランジスタの閾値を変化させることにより、データを書き込んでいる。一方、メモリセルトランジスタの制御電極に所定の電位を印加し、このメモリセルトランジスタがオン状態となり電流を流すかオフ状態となり電流を流さないかを判定することにより、書き込まれたデータを読み出している。
本実施形態は、消費電流が少ない半導体記憶装置を提供する。
実施形態に係る半導体記憶装置は、一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、第2の電源電位に接続されるソース線と、複数本のワード線と、を備える。前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタからデータを読み出すときに、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加される制御電位は、経時的に増加する。
実施形態に係る半導体記憶装置は、一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、第2の電源電位に接続されるソース線と、複数本のワード線と、を備える。前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタからデータを読み出すときに、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加される制御電位は、各前記ワード線を共有する複数のメモリセルトランジスタからなる組毎に設定される。
実施形態に係る半導体記憶装置は、一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、第2の電源電位に接続されるソース線と、複数本のワード線と、を備える。前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタにデータを書き込む直前の期間に、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加する制御電位を変化させていき、前記期間の最後に前記制御電極に印加された制御電位を、前記メモリセルトランジスタからデータを読み出すときに前記制御電極に印加する。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体記憶装置を例示する回路図であり、
図2(a)及び(b)は、本実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルトランジスタを例示する断面図である。
本実施形態に係る半導体記憶装置は、NAND型フラッシュメモリである。
先ず、第1の実施形態について説明する。
図1は、本実施形態に係る半導体記憶装置を例示する回路図であり、
図2(a)及び(b)は、本実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルトランジスタを例示する断面図である。
本実施形態に係る半導体記憶装置は、NAND型フラッシュメモリである。
図1に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置1は、メモリセル部20、センスアンプ21、ソース電位調整回路22、センスアンプ制御回路23、セル電流検知部24及びコントローラ25を有する。メモリセル部20は、複数のNANDストリングを有する。各NANDストリングは、直列接続された複数のメモリセルトランジスタMTと、これらの複数のメモリセルトランジスタMTからなる列の両端に接続された一対の選択トランジスタSTを有する。
なお、本実施形態では、ビット線BL及びワード線WLはそれぞれ複数本ずつ設けられているが、図示の便宜上、図1ではビット線BLを1本のみ図示した。ソース線CELSRCは、1ブロックに1本のみ設けられている。以下、各部の構成について説明する。
なお、本実施形態では、ビット線BL及びワード線WLはそれぞれ複数本ずつ設けられているが、図示の便宜上、図1ではビット線BLを1本のみ図示した。ソース線CELSRCは、1ブロックに1本のみ設けられている。以下、各部の構成について説明する。
1.メモリセル部20について
図2(a)及び(b)に示すように、半導体記憶装置1においては、シリコン基板10が設けられている。メモリセル部20においては、シリコン基板10の上層部分に一方向(以下、「X方向」という)に延びる複数本のSTI(shallow trench isolation)11が形成されており、シリコン基板10の上層部分におけるSTI11間の部分がアクティブエリア12となっている。アクティブエリア12上にはゲート絶縁膜13が設けられており、その上には電荷蓄積層14が設けられている。電荷蓄積層14は、例えば不純物が添加されたポリシリコンからなる浮遊ゲート電極であるが、シリコン窒化物からなる膜であってもよい。この場合は、MONOS(metal-oxide-nitride-oxide-silicon)構造が実現される。各アクティブエリア12の直上域において、電荷蓄積層14はX方向に沿って断続的に配列されており、従って、複数本のアクティブエリア12の直上域において、電荷蓄積層14は、X方向及びX方向に対して直交する方向(以下、「Y方向」という)の双方に沿ってマトリクス状に配列されている。
図2(a)及び(b)に示すように、半導体記憶装置1においては、シリコン基板10が設けられている。メモリセル部20においては、シリコン基板10の上層部分に一方向(以下、「X方向」という)に延びる複数本のSTI(shallow trench isolation)11が形成されており、シリコン基板10の上層部分におけるSTI11間の部分がアクティブエリア12となっている。アクティブエリア12上にはゲート絶縁膜13が設けられており、その上には電荷蓄積層14が設けられている。電荷蓄積層14は、例えば不純物が添加されたポリシリコンからなる浮遊ゲート電極であるが、シリコン窒化物からなる膜であってもよい。この場合は、MONOS(metal-oxide-nitride-oxide-silicon)構造が実現される。各アクティブエリア12の直上域において、電荷蓄積層14はX方向に沿って断続的に配列されており、従って、複数本のアクティブエリア12の直上域において、電荷蓄積層14は、X方向及びX方向に対して直交する方向(以下、「Y方向」という)の双方に沿ってマトリクス状に配列されている。
電荷蓄積層14上には、Y方向に延びるワード線WLが複数本設けられている。また、複数本のワード線WLからなる組の両側には、Y方向に延びる選択ゲート線SGが設けられている。更に、複数本のワード線WLからなる組及びその両側に配置された一対の選択ゲート線SGを含むグループから見て一方の側には、X方向及びY方向に対して直交する方向(以下、「Z方向」という)に延びるビット線コンタクト15が設けられており、その下端はアクティブエリア12に接続されている。一方、上述のグループから見て他方の側には、Y方向に延びるソース線CELSRCが設けられており、その下端はアクティブエリア12に接続されている。ワード線WL、選択ゲート線SG及びソース線CELSRCの上方における各アクティブエリア12の直上域には、X方向に延びるビット線BLが設けられており、ビット線コンタクト15の上端に接続されている。シリコン基板10上には、電荷蓄積層14、ワード線WL、選択ゲート線SG、ビット線コンタクト15、ソース線CELSRC及びビット線BLを覆うように、層間絶縁膜16が設けられている。
これにより、メモリセル部20においては、上面視したとき、各アクティブエリア12と各ワード線WLとの交差部分毎に、1枚の電荷蓄積層14を含むメモリセルトランジスタMTが構成される。従って、メモリアレイ領域においては、複数のメモリセルトランジスタMTがX方向及びY方向に沿ってマトリクス状に配列されている。また、各アクティブエリア12と各選択ゲート線SGとの交差部分毎に、選択トランジスタSTが構成されている。従って、ビット線BLとソース線CELSRCとの間には、選択トランジスタST、複数のメモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタSTがこの順に直列に接続されている。メモリセルトランジスタMT及び選択トランジスタSTは、例えばnチャネル形トランジスタである。
1本のワード線WLを共有する複数のメモリセルトランジスタMTからなる組を「ページ」といい、1本のソース線に接続された複数のメモリセルトランジスタMTからなるグループを「ブロック」という。また、データの読出動作時に、複数本のビット線BLからメモリセルトランジスタMTを介して1本のソース線CELSRCに流れる電流を「セル電流iCELL」という。更に、各ビット線BLからソース線CELSRCに流れる電流のうち、読出対象とするメモリセルトランジスタMTがオン状態である場合に流れる電流を「ONセル電流」といい、オフ状態である場合に流れる電流を「OFFセル電流」という。セル電流iCELLは、ソース線CELSRCに接続された全てのビット線BLに流れるONセル電流及びOFFセル電流の総和である。
2.センスアンプ21について
次に、図1に戻って、センスアンプ21について説明する。
センスアンプ21は、ビット線BLと同数設けられており、例えば、256K個設けられている。
センスアンプ21は、ページサイズのデータを保持することができる。読出動作のとき、センスアンプ21は、例えば読出対象のメモリセルトランジスタに接続された1ページ分のビット線BLに流れるセル電流を検知・増幅してデータをセンスし、このセンスしたデータをページバッファ(図示せず)に転送する。また、書込動作のとき、センスアンプ21は、1ページのデータをページバッファから受け取り、各ビットのデータに応じてビット線BLに所望の電圧を転送する。
次に、図1に戻って、センスアンプ21について説明する。
センスアンプ21は、ビット線BLと同数設けられており、例えば、256K個設けられている。
センスアンプ21は、ページサイズのデータを保持することができる。読出動作のとき、センスアンプ21は、例えば読出対象のメモリセルトランジスタに接続された1ページ分のビット線BLに流れるセル電流を検知・増幅してデータをセンスし、このセンスしたデータをページバッファ(図示せず)に転送する。また、書込動作のとき、センスアンプ21は、1ページのデータをページバッファから受け取り、各ビットのデータに応じてビット線BLに所望の電圧を転送する。
センスアンプ21は、pチャネル形のPMOSトランジスタMP0、nチャネル形のNMOSトランジスタMN0及びラッチ回路(図示せず)を有する。PMOSトランジスタMP0のソースは正極の電源電位VDD(第1の電源電位)に接続されており、PMOSトランジスタMP0のドレインはNMOSトランジスタMN0のドレインに接続されている。NMOSトランジスタMN0のソースはビット線BLに接続されており、ゲートには電圧VBLCが供給される。
これにより、電源電位VDD、PMOSトランジスタMP0、NMOSトランジスタMN0及びビット線BLが、この順に直列に接続されている。PMOSトランジスタMP0は、電源電位VDDをビット線BLに接続するか否かを切り替えるスイッチング素子であり、NMOSトランジスタMN0は、ビット線BLの電位を制御することにより、ビット線BLに流す電流の大きさを制御する電流制御用トランジスタ(第1の電流制御用トランジスタ)である。
また、ラッチ回路は、メモリセルトランジスタMTのデータを保持することができる。
これにより、電源電位VDD、PMOSトランジスタMP0、NMOSトランジスタMN0及びビット線BLが、この順に直列に接続されている。PMOSトランジスタMP0は、電源電位VDDをビット線BLに接続するか否かを切り替えるスイッチング素子であり、NMOSトランジスタMN0は、ビット線BLの電位を制御することにより、ビット線BLに流す電流の大きさを制御する電流制御用トランジスタ(第1の電流制御用トランジスタ)である。
また、ラッチ回路は、メモリセルトランジスタMTのデータを保持することができる。
3.ソース電位調整回路22について
ソース電位調整回路22は、ソース線CELSRCの電位を所定の電位に維持する回路である。ソース電位調整回路22は、ソース線CELSRCと同数設けられており、例えば、1ブロックに1つずつ設けられている。ソース電位調整回路22は、定電流源SRCCG、NMOSトランジスタMN1(第2の電流制御用トランジスタ)及びオペアンプSRCAMP(電位印加手段)を有する。
定電流源SRCCGは、ソース線CELSRCにキーパー電流iSRCPREを供給する機能を有する。定電流源SRCCGは、電源電位VDDとソース線CELSRCとの間に接続されている。
NMOSトランジスタMN1のドレインはソース線CELSRCに接続され、ソースは接地電位GND(第2の電源電位)に接続されている。オペアンプSRCAMPの正極入力端子はソース線CELSRCに接続され、負極入力端子には参照電位VREFが入力され、出力端子はNMOSトランジスタMN1のゲート電極(制御電極)に接続されている。
ソース電位調整回路22は、ソース線CELSRCの電位を所定の電位に維持する回路である。ソース電位調整回路22は、ソース線CELSRCと同数設けられており、例えば、1ブロックに1つずつ設けられている。ソース電位調整回路22は、定電流源SRCCG、NMOSトランジスタMN1(第2の電流制御用トランジスタ)及びオペアンプSRCAMP(電位印加手段)を有する。
定電流源SRCCGは、ソース線CELSRCにキーパー電流iSRCPREを供給する機能を有する。定電流源SRCCGは、電源電位VDDとソース線CELSRCとの間に接続されている。
NMOSトランジスタMN1のドレインはソース線CELSRCに接続され、ソースは接地電位GND(第2の電源電位)に接続されている。オペアンプSRCAMPの正極入力端子はソース線CELSRCに接続され、負極入力端子には参照電位VREFが入力され、出力端子はNMOSトランジスタMN1のゲート電極(制御電極)に接続されている。
4.センスアンプ制御回路23について
センスアンプ制御回路23は、ビット線BLに転送する電位を制御する回路である。センスアンプ制御回路23は、ソース線CELSRCと同数設けられており、例えば、1ブロックに1つずつ設けられている。センスアンプ制御回路23は、ソース線CELSRCの電位、及び、ビット線BLに転送する電位を表す信号VBL_DACを受け取り、センスアンプ21に対して基準電位SASRC、及び、ビット線BLに転送する電位VBLを供給する。
ここで、信号VBL_DACは、例えば4ビットのデジタル信号である。センスアンプ制御回路23は、ソース線CELSRCの電位及び信号VBL_DACに基づいて、ビット線BLに印加する電位VBL及びセンスアンプ21の基準電位SASRCを生成する。
センスアンプ制御回路23は、ビット線BLに転送する電位を制御する回路である。センスアンプ制御回路23は、ソース線CELSRCと同数設けられており、例えば、1ブロックに1つずつ設けられている。センスアンプ制御回路23は、ソース線CELSRCの電位、及び、ビット線BLに転送する電位を表す信号VBL_DACを受け取り、センスアンプ21に対して基準電位SASRC、及び、ビット線BLに転送する電位VBLを供給する。
ここで、信号VBL_DACは、例えば4ビットのデジタル信号である。センスアンプ制御回路23は、ソース線CELSRCの電位及び信号VBL_DACに基づいて、ビット線BLに印加する電位VBL及びセンスアンプ21の基準電位SASRCを生成する。
5.セル電流検知部24について
セル電流検知部24は、セル電流iCELLの大きさを参照電流iTARGETの大きさと比較する回路である。セル電流検知部24は、ソース線CELSRCと同数設けられており、例えば、1ブロックに1つずつ設けられている。セル電流検知部24は、疑似ソース線SRC_MON、参照電流源REFCG、NMOSトランジスタMN2、及び、オペアンプAMPを有する。疑似ソース線SRC_MONには、参照電流源REFCG、NMOSトランジスタMN2及びオペアンプAMPがそれぞれ独立に接続されており、これら以外の部分からは電気的に分離されている。なお、疑似ソース線SRC_MONは、何らかの電位を持ちうるノードであればよく、必ずしも配線形状の導電部材である必要はない。
セル電流検知部24は、セル電流iCELLの大きさを参照電流iTARGETの大きさと比較する回路である。セル電流検知部24は、ソース線CELSRCと同数設けられており、例えば、1ブロックに1つずつ設けられている。セル電流検知部24は、疑似ソース線SRC_MON、参照電流源REFCG、NMOSトランジスタMN2、及び、オペアンプAMPを有する。疑似ソース線SRC_MONには、参照電流源REFCG、NMOSトランジスタMN2及びオペアンプAMPがそれぞれ独立に接続されており、これら以外の部分からは電気的に分離されている。なお、疑似ソース線SRC_MONは、何らかの電位を持ちうるノードであればよく、必ずしも配線形状の導電部材である必要はない。
参照電流源REFCGは、電源電位VDDと疑似ソース線SRC_MONとの間に接続され、疑似ソース線SRC_MONに対して参照電流iTARGETを供給する回路である。NMOSトランジスタMN2のドレインは疑似ソース線SRC_MONに接続され、ソースは接地電位GNDに接続され、ゲート電極(制御電極)にはNMOSトランジスタMN1のゲート電極と同じ電位、すなわち、オペアンプSRCAMPの出力電位が印加される。これにより、NMOSトランジスタMN2は、疑似ソース線SRC_MONから接地電位GNDに流れる電流を制御する電流制御用トランジスタ(第3の電流制御用トランジスタ)として機能する。NMOSトランジスタMN2の導電形及び特性は、NMOSトランジスタMN1の導電形及び特性と同じである。オペアンプAMPは、その正極入力端子が疑似ソース線SRC_MONに接続され、負極入力端子には参照電位VREFが入力され、疑似ソース線SRC_MONの電位と参照電位VREFとの比較結果を出力信号FLAGとして出力する比較手段である。出力信号FLAGは、例えば、2値のデジタル信号である。
6.コントローラ25について
コントローラ25は、出力信号FLAGの値に基づいて信号VBL_DACを生成し、センスアンプ制御回路23に対して出力する回路である。コントローラ25は、例えば、半導体記憶装置1全体の制御回路であり、半導体記憶装置1全体に1つ設けられている。
コントローラ25は、出力信号FLAGの値に基づいて信号VBL_DACを生成し、センスアンプ制御回路23に対して出力する回路である。コントローラ25は、例えば、半導体記憶装置1全体の制御回路であり、半導体記憶装置1全体に1つ設けられている。
次に、本実施形態に係る半導体記憶装置1の動作について説明する。
<1>書込動作及び読出動作
先ず、メモリとしての基本的な動作、すなわち、データの書込動作及び読出動作について説明する。
<1>書込動作及び読出動作
先ず、メモリとしての基本的な動作、すなわち、データの書込動作及び読出動作について説明する。
図1並びに図2(a)及び(b)に示すように、メモリセルトランジスタMTに対してデータを書き込む際には、アクティブエリア12から電荷蓄積層14に対して電子を注入することにより、電荷蓄積層14に電荷を蓄積させて、メモリセルトランジスタMTの閾値を変化させる。例えば、nチャネル形のメモリセルトランジスタMTに2値のデータを書き込む場合は、値「1」を書き込むメモリセルトランジスタMTの電荷蓄積層14には電荷を注入せず、閾値を低い値のままとする。一方、値「0」を書き込むメモリセルトランジスタMTの電荷蓄積層14には電荷を注入し、閾値を高くする。これにより、メモリセルトランジスタMTの閾値を2水準とする。また、メモリセルトランジスタMTに多値、例えば、4値のデータを書き込む場合は、注入する電荷量を3水準に区別し、メモリセルトランジスタMTの閾値を4水準とする。なお、メモリセルトランジスタMTに新たなデータを上書きする際には、その前に書き込まれていたデータを消去する。例えば、電荷蓄積層14から電荷を抜き、閾値を最も低い水準とする。
一方、あるメモリセルトランジスタMTに書き込まれたデータを読み出す際には、このメモリセルトランジスタMTの制御電極、すなわち、ワード線WLに所定の読出電位を印加する。この読出電位は、値「1」が書き込まれたメモリセルトランジスタMTの閾値より低く、値「0」が書き込まれたメモリセルトランジスタMTの閾値より高い電位とする。また、残りのワード線WLには、メモリセルトランジスタMTがオン状態となるような十分に高い電位を印加する。この状態で、センスアンプ21において、PMOSトランジスタMP0のゲート電極に接地電位GNDを印加してPMOSトランジスタMP0をオン状態とすることにより、全てのビット線BLに一斉に電位を印加する。この結果、センスアンプ21から、ビット線BL、ビット線コンタクト15、アクティブエリア12を経由して、ソース線CELSRCに電流が流れる。後述するように、本実施形態においては、読出動作の際にNMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLC(制御電位)を制御することにより、NMOSトランジスタMP0の導通の程度を制御し、ビット線BLの電位を制御する。
読出対象としたメモリセルトランジスタMTに値「1」が書き込まれていれば、このメモリセルトランジスタMTはオン状態となるため、流れる電流(ONセル電流)は相対的に大きくなる。一方、メモリセルトランジスタMTに値「0」が書き込まれていれば、このメモリセルトランジスタMTはオフ状態となるため、流れる電流(OFFセル電流)は相対的に小さくなる。従って、センスアンプ21がビット線BLに流れる電流の大きさを検出することにより、メモリセルトランジスタMTに書き込まれた値を読み出すことができる。また、メモリセルトランジスタMTに4値のデータが書き込まれている場合は、ワード線WLに印加する読出電位を3水準とし、各水準について、メモリセルトランジスタMTがオン状態になるかオフ状態になるかを判定することにより、4つの値を区別する。なお、セル電流iCELLの大きさは、各ビット線BLに流れる電流(ONセル電流又はOFFセル電流)の総和であるため、データパターンによって変動する。
<2>ビット線電位が固定されている場合の問題点
次に、上述の読出動作において、ビット線電位が固定されている場合の問題点について説明する。
仮に、読出動作時におけるビット線BLとソース線CELSRCとの間の電圧が固定されていると、データの書込及び消去(W/E)の繰り返しに伴う素子の劣化により、ONセル電流が経時的に減少してしまう。以下、この現象について説明する。
次に、上述の読出動作において、ビット線電位が固定されている場合の問題点について説明する。
仮に、読出動作時におけるビット線BLとソース線CELSRCとの間の電圧が固定されていると、データの書込及び消去(W/E)の繰り返しに伴う素子の劣化により、ONセル電流が経時的に減少してしまう。以下、この現象について説明する。
図3(a)は、横軸にW/E回数をとり、縦軸にONセル電流の大きさをとって、電流分布の経時変化を例示するグラフ図であり、(b)及び(c)は横軸に頻度をとり、縦軸に電流をとって、ONセル電流及びOFFセル電流の分布を例示するグラフ図であり、(b)は未使用状態S0を示し、(c)は既使用状態S1を示す。
図3(a)〜(c)に示すように、通常、ONセル電流及びOFFセル電流の大きさは正規分布に従っている。未使用状態S0、例えば、工場出荷時においては、ONセル電流の中央値が300nA(ナノアンペア)であり、OFFセル電流の中央値が0nAであり、それぞれの分布幅が片側80nm程度であるとする。この場合、ONセル電流の分布とOFFセル電流の分布とは実質的に重ならないため、両分布の間に判定境界を設定すれば、データの値を正確に判定することができる。
しかしながら、既使用状態S1において、ONセル電流の中央値が150nAまで低下したとすると、ONセル電流の分布の下裾とOFFセル電流の分布の上裾とが重なるようになり、判定境界をどのように設定しても、一定の割合で読出エラーが発生してしまう。そして、W/E回数が増加すると、ONセル電流が全体的に低下し、ONセル電流の分布とOFFセル電流の分布との重なり部分が大きくなり、読出エラーの発生率が増加する。読出エラーの発生率がECCによる訂正が可能な許容限度を超えると、このNAND型フラッシュメモリは使用不能となる。逆に言えば、読出エラーの発生率が許容限度に達するまでのW/E回数が、このメモリのW/E回数の実力値である。NAND型フラッシュメモリにおいては、W/E回数の実力値が製品の信頼性スペックとして定義されており、一定値以上とする必要がある。
W/E回数の実力値を増加させるためには、W/E回数に対するONセル電流の低下率、すなわち、図3(a)のグラフの傾きの絶対値を低減するか、ONセル電流の低下を見越してビット線電位を高く設定しておくことが考えられる。しかしながら、W/E回数に対するONセル電流の低下率は、メモリを構成する材料及び製造プロセスにおける加工精度等の物理的な要因に依存するため、大幅に改善することは困難である。一方、ビット線電位を高く設定すると、W/E回数の実力値は増加するものの、ONセル電流が大きくなり、消費電流が大きくなってしまう。特に、未使用状態S0を含むW/E回数が少ない状態では、消費電流が不必要に大きくなってしまう。
また、本実施形態においては、データのスループットを向上させるために、全てのビット線BLに一斉に電位を印加して、あるワード線WLを共有する複数のメモリセルトランジスタMTから一斉にデータを読み出している。この方式をABLセンス方式という。このため、1つのメモリセルトランジスタが流すONセル電流の大きさは300nmであるとしても、仮に、1本のワード線を共有するメモリセルトランジスタの数が256K個であるとすると、セル電流iCELLは80mA(ミリアンペア)に達してしまう。更に、ABLセンス方式においては、ビット線同士が互いに電位干渉を受けないように、読出動作中においては、全てのビット線の電位を等しくする必要がある。逆に言えば、ビット線BLの電位が平衡状態に達した後で、読出動作を開始する。このため、セル電流は、ビット線の充電開始から読出終了までの20〜30μs(マイクロ秒)程度の期間にわたって流れ続けることになり、読出動作及びベリファイ動作における消費電流の大部分を占めてしまう。
<3>問題点の解決方法
そこで、本実施形態に係る半導体記憶装置1においては、図1に示すように、ソース電位調整回路22、センスアンプ制御回路23、セル電流検知部24及びコントローラ25を設けることにより、セル電流iCELLの大きさを参照電流iTARGETの大きさと比較すると共に、セル電流iCELLの大きさを制御できるようにしている。以下、この動作について説明する。
そこで、本実施形態に係る半導体記憶装置1においては、図1に示すように、ソース電位調整回路22、センスアンプ制御回路23、セル電流検知部24及びコントローラ25を設けることにより、セル電流iCELLの大きさを参照電流iTARGETの大きさと比較すると共に、セル電流iCELLの大きさを制御できるようにしている。以下、この動作について説明する。
<3−1>セル電流の大きさの判定
先ず、セル電流iCELLの大きさを判定する方法について説明する。
図1に示すように、ソース電位調整回路22の定電流源SRCCGは、ソース線CELSRCに対して一定のキーパー電流iSRCPREを供給する。これにより、ソース線CELSRCには、複数本のビット線BLからセル電流iCELLが流入すると共に、定電流源SRCCGからキーパー電流iSRCPREが流入する。一方、ソース線CELSRCからは、NMOSトランジスタMN1を介して、放電電流iSRCDISが接地電位GNDに向けて流出している。このため、ソース線CELSRCの電位は、流入するセル電流iCELL及びキーパー電流iSRCPREと、流出する放電電流iSRCDISとのバランスによって変動する。
先ず、セル電流iCELLの大きさを判定する方法について説明する。
図1に示すように、ソース電位調整回路22の定電流源SRCCGは、ソース線CELSRCに対して一定のキーパー電流iSRCPREを供給する。これにより、ソース線CELSRCには、複数本のビット線BLからセル電流iCELLが流入すると共に、定電流源SRCCGからキーパー電流iSRCPREが流入する。一方、ソース線CELSRCからは、NMOSトランジスタMN1を介して、放電電流iSRCDISが接地電位GNDに向けて流出している。このため、ソース線CELSRCの電位は、流入するセル電流iCELL及びキーパー電流iSRCPREと、流出する放電電流iSRCDISとのバランスによって変動する。
キーパー電流iSRCPREは、同時に読み出す複数のメモリセルトランジスタMT、すなわち、1本のワード線WLを共有する複数のメモリセルトランジスタMTに記憶された値の全部又は大部分が「0」であり、セル電流iCELLが極めて小さくなったときに、ソース線CELSRCの電位を所定の電位に維持するための充電電流であり、常に供給されている。通常、キーパー電流iSRCPREはセル電流iCELLと比較して著しく小さいため、ソース線CELSRCの電位が一定電位であるときは、セル電流iCELLは放電電流iSRCDISとほぼ等しい。一例では、セル電流iCELLの大きさは最大80mA程度であるのに対し、キーパー電流iSRCPREの大きさは数百μA(マイクロアンペア)であり、セル電流iCELLの最大値の100分の1程度である。
放電電流iSRCDISの大きさは、NMOSトランジスタMN1によって制御される。NMOSトランジスタMN1の導通の程度は、オペアンプSRCAMPの出力信号GSRCによって制御される。出力信号GSRCは、オペアンプSRCAMPによるソース線CELSRCの電位と参照電位VREFとの比較結果を表すアナログ信号である。従って、参照電位VREFと比較してソース線CELSRCの電位が高いほど、出力信号GSRCの値が正に大となり、NMOSトランジスタMN1の導通の程度が高くなり、放電電流iSRCDISが大きくなり、その結果、ソース線CELSRCの電位が低下する。逆に、参照電位VREFと比較してソース線CELSRCの電位が低いほど、出力信号GSRCの値が負に大となり、NMOSトランジスタMN1の導通の程度が低くなり、放電電流iSRCDISが小さくなり、その結果、ソース線CELSRCの電位が上昇する。このようにして、ソース線CELSRCの電位は、常に参照電位VREFに近づくようにフィードバック制御され続ける。
一方、セル電流検知部24においては、参照電流源REFCGから疑似ソース線SRC_MONに参照電流iTARGETが流れ込む。一方、疑似ソース線SRC_MONからは、NMOSトランジスタMN2を介して、放電電流iDISが流出する。このため、疑似ソース線SRC_MONの電位は、流入する参照電流iTARGETと、流出する放電電流iDISとのバランスによって変動する。疑似ソース線SRC_MONの電位が参照電位VREFよりも高いと、オペアンプAMPの出力信号FLAGは「H」となる。一方、疑似ソース線SRC_MONの電位が参照電位VREFよりも低いと、オペアンプAMPの出力信号FLAGは「L」となる。
そして、参照電流iTARGETの大きさは、セル電流iCELLの目標値に設定されている。また、オペアンプSRCAMPの出力信号GSRCは、NMOSトランジスタMN1のゲート電極に入力されると共に、NMOSトランジスタMN2のゲート電極にも入力されるため、NMOSトランジスタMN2はNMOSトランジスタMN1と連動する。また、NMOSトランジスタMN2の特性はNMOSトランジスタMN1の特性と等しいため、放電電流iDISは放電電流iSRCDISと等しい。このため、セル電流iCELLの大きさが参照電流iTARGETの大きさと等しければ、疑似ソース線SRC_MONに対する流入電流と流出電流の比は、ソース線CELSRCに対する流入電流と流出電流の比とほぼ等しくなるため、疑似ソース線SRC_MONの電位は参照電位VREFとほぼ等しくなる。
以上の説明をまとめると、NMOSトランジスタMN1及びオペアンプSRCAMPによりソース線CELSRCの電位はほぼ一定に保たれるため、セル電流iCELLは放電電流iSRCDISとほぼ等しくなる。また、上述の如く、放電電流iSRCDISは放電電流iDISと等しい。このため、仮に、セル電流iCELLが参照電流iTARGETよりも大きいと、参照電流iTARGETよりも放電電流iDISが大きくなり、疑似ソース線SRC_MONの電位が低下し、参照電位VREFよりも低くなる。この結果、オペアンプAMPの出力信号FLAGの値は「L」となる。一方、仮に、セル電流iCELLが参照電流iTARGETよりも小さいと、参照電流iTARGETよりも放電電流iDISが小さくなり、疑似ソース線SRC_MONの電位が上昇し、参照電位VREFよりも高くなる。この結果、オペアンプAMPの出力信号FLAGの値は「H」となる。このように、出力信号FLAGの値により、参照電流iTARGETの大きさを基準として、セル電流iCELLの大きさを判定することができる。
<3−2>セル電流の大きさの制御
次に、上述のセル電流の大きさの判定結果に基づいて、セル電流の大きさを制御する方法について説明する。
セル電流検知部24のオペアンプAMPから出力された出力信号FLAGは、コントローラ25に入力される。そして、コントローラ25が、出力信号FLAGの値に基づいて、ビット線BLに印加する電位を表す信号VBL_DACを生成し、センスアンプ制御回路23に対して出力する。センスアンプ制御回路23は、信号VBL_DAC及びソース線CELSRCの電位に基づいて、ビット線BLに印加する電位VBL及びセンスアンプ21の基準電位SASRCを生成し、これらをセンスアンプ21に対して出力する。センスアンプ21は、電位VBLに基づいて、NMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLCを制御する。これにより、NMOSトランジスタMP0の導通の程度が制御され、ビット線BLの電位(ビット線電位)が電位VBLに制御される。すなわち、センスアンプ制御回路23が生成した電位VBLが、実際にビット線BLに印加される。ビット線電位が制御されると、読出対象としているメモリセルトランジスタのドレイン−ソース間電圧が制御されるため、ドレイン−ソース間電流が制御され、ONセル電流が制御される。
次に、上述のセル電流の大きさの判定結果に基づいて、セル電流の大きさを制御する方法について説明する。
セル電流検知部24のオペアンプAMPから出力された出力信号FLAGは、コントローラ25に入力される。そして、コントローラ25が、出力信号FLAGの値に基づいて、ビット線BLに印加する電位を表す信号VBL_DACを生成し、センスアンプ制御回路23に対して出力する。センスアンプ制御回路23は、信号VBL_DAC及びソース線CELSRCの電位に基づいて、ビット線BLに印加する電位VBL及びセンスアンプ21の基準電位SASRCを生成し、これらをセンスアンプ21に対して出力する。センスアンプ21は、電位VBLに基づいて、NMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLCを制御する。これにより、NMOSトランジスタMP0の導通の程度が制御され、ビット線BLの電位(ビット線電位)が電位VBLに制御される。すなわち、センスアンプ制御回路23が生成した電位VBLが、実際にビット線BLに印加される。ビット線電位が制御されると、読出対象としているメモリセルトランジスタのドレイン−ソース間電圧が制御されるため、ドレイン−ソース間電流が制御され、ONセル電流が制御される。
より具体的には、出力信号FLAGの値が「L」であるとき、すなわち、セル電流iCELLが参照電流iTARGETよりも大きいときは、コントローラ25が信号VBL_DACの値を連続的に減少させることにより、センスアンプ制御回路23が電位VBLを低下させていく。これにより、センスアンプ21がNMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLCを低下させて、ビット線電位を低くする。この結果、セル電流iCELLが小さくなる。セル電流iCELLが小さくなると、放電電流iSRCDISも小さくなり、これに連動して放電電流iDISも小さくなり、疑似ソース線SRC_MONの電位が上昇し、出力信号FLAGの値が「L」から「H」に切り替わる。この時点で、コントローラ25は、信号VBL_DACの値を固定する。
一方、出力信号FLAGの値が「H」であるとき、すなわち、セル電流iCELLが参照電流iTARGETよりも小さいときは、コントローラ25が信号VBL_DACの値を連続的に増加させることにより、センスアンプ制御回路23が電位VBLを上昇させていく。これにより、センスアンプ21がNMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLCを上昇させ、ビット線BLの電位を高くする。この結果、セル電流iCELLが大きくなる。セル電流iCELLが大きくなると、放電電流iDISも大きくなり、疑似ソース線SRC_MONの電位が低下し、出力信号FLAGの値が「H」から「L」に切り替わる。この時点で、コントローラ25は、信号VBL_DACの値を固定する。
このようにして、出力信号FLAGの値が切り替わるまで信号VBL_DACの値を変化させることにより、適切なビット線電位を見出し、セル電流iCELLの大きさを参照電流iTARGETの大きさに収斂させることができる。この結果、図3(a)に示すように、W/E回数がまだ少ない段階においては、ビット線電位を低くしてセル電流iCELLを抑え、W/E回数の増加に伴ってメモリが劣化してきたら、ビット線電位を高くして必要なセル電流iCELLを確保することができる。この場合、制御電位、すなわち、メモリセルトランジスタMTからデータを読み出すときにNMOSトランジスタMN0の制御電極に印加されるゲート電位VBLCは、半導体記憶装置1の耐用期間全体にわたって、経時的に、NMOSトランジスタMN0の導通の程度が増加する方向に変化する。また、本実施形態においては、1ページ、すなわち、1本のワード線WLを共有する複数個のメモリセルトランジスタMTからなる組毎に、セル電流の大きさを判定し、セル電流の大きさを制御している。このため、ゲート電位VBLCも、1本のワード線WLを共有する複数個のメモリセルトランジスタMTからなる組毎に設定される。
<4>ポジティブCELSRC方式
次に、各メモリセルトランジスタMTが多値(3値以上)のデータを記憶する場合に、ワード線WLに負電位を印加することなく、読出電位の一部を負電位とする動作について説明する。
図4(a)及び(b)は、横軸に閾値をとり、縦軸に頻度をとって、メモリセルトランジスタの閾値分布を例示するグラフ図であり、(a)はポジティブセンス方式を示し、(b)はネガティブセンス方式を示す。
次に、各メモリセルトランジスタMTが多値(3値以上)のデータを記憶する場合に、ワード線WLに負電位を印加することなく、読出電位の一部を負電位とする動作について説明する。
図4(a)及び(b)は、横軸に閾値をとり、縦軸に頻度をとって、メモリセルトランジスタの閾値分布を例示するグラフ図であり、(a)はポジティブセンス方式を示し、(b)はネガティブセンス方式を示す。
以下、メモリセルトランジスタMTに4値(2ビット)のデータを記憶させる場合を例に挙げて説明する。
図4(a)及び(b)に示すように、メモリセルトランジスタMTに4値のデータを記憶させる場合、メモリセルトランジスタMTの閾値分布は、4水準に分離される。すなわち、電荷蓄積層14に電荷が蓄積されていない閾値分布Eと、電荷蓄積層14に電荷が注入されることによって生成される3つの閾値分布A、B、Cが存在する。閾値分布Eと閾値分布Aとを判別するための読出電位を読出電位αとし、閾値分布Aと閾値分布Bとを判別するための読出電位を読出電位βとし、閾値分布Bと閾値分布Cとを判別するための読出電位を読出電位γとする。
図4(a)及び(b)に示すように、メモリセルトランジスタMTに4値のデータを記憶させる場合、メモリセルトランジスタMTの閾値分布は、4水準に分離される。すなわち、電荷蓄積層14に電荷が蓄積されていない閾値分布Eと、電荷蓄積層14に電荷が注入されることによって生成される3つの閾値分布A、B、Cが存在する。閾値分布Eと閾値分布Aとを判別するための読出電位を読出電位αとし、閾値分布Aと閾値分布Bとを判別するための読出電位を読出電位βとし、閾値分布Bと閾値分布Cとを判別するための読出電位を読出電位γとする。
図4(a)は、ポジティブセンス方式を示している。ポジティブセンス方式とは、電荷を注入することにより生成される閾値分布、すなわち、閾値分布E以外の閾値分布A、B、Cを、全て0V以上とする方法である。これにより、読出電位α、β、γを全て0V以上とすることができる。なお、閾値分布の中央値は、書込電圧を調整することにより、制御可能である。
ポジティブセンス方式においては、読出電位α、β、γを全て0V以上にできるため、負電位の昇圧回路を設ける必要がない。また、負電位が印加されるp形ウェルを接地電位が印加されるp形ウェルから分離するために、製造プロセスを変更する必要がない。このように、ポジティブセンス方式は、半導体記憶装置の構成及び製造プロセスが簡略であり、従って低コストであるというメリットがある。
一方で、ポジティブセンス方式においては、高電位側の閾値分布が中性状態から大きく隔たってしまうため、メモリセルトランジスタを微細化すると、長期間にわたって電荷を保持することが困難になる。例えば、図4(a)に破線で示すように、メモリセルトランジスタが長期間放置されると、最も高い閾値分布Cが下方にシフトしてしまい、閾値分布Bと重なってしまう。この場合、読出電位γを用いてデータの読み出しを行うと、読出エラーが発生する。このように、ポジティブセンス方式には、メモリセルの微細化及び多値化が進むと、信頼性の確保が困難になるというデメリットがある。
一方、図4(b)は、ネガティブセンス方式を示している。ネガティブセンス方式とは、閾値分布A、B、Cの電位を全体的に低下させることにより、閾値分布の一部を負電位とする方法である。図4(b)に示す例では、閾値分布Aの一部を負電位としている。これにより、ポジティブセンス方式と比較して、閾値分布A、B、Cの絶対電位を低く抑えることができる。但し、読出電位αは負電位となる。
ネガティブセンス方式においては、最も高い閾値分布Cの絶対電位を低くすることができるため、長期間放置しても閾値分布Cがシフトしにくく、読出エラーが生じにくい。このため、メモリセルの微細化及び多値化を進めても、信頼性を確保しやすいというメリットがある。
一方で、ネガティブセンス方式においては、読出電位αが負電位となるため、半導体記憶装置内に負電位の昇圧回路を設ける必要がある。また、負電位が印加されるp形ウェルを接地電位が印加されるp形ウェルから分離するために、製造プロセスを変更する必要がある。このように、ネガティブセンス方式は、半導体記憶装置の構成及び製造プロセスが複雑になり、コストが増加するというデメリットがある。
そこで、本実施形態においては、負電位を使わないネガティブセンス方式として、ポジティブCELSRC方式を採用する。ポジティブCELSRC方式は、ソース電位調整回路22及びセンスアンプ制御回路23を設けることにより、実現することができる。以下、この動作について説明する。
上述の如く、本実施形態に係る半導体記憶装置1においては、ソース電位調整回路22の動作により、ソース線CELSRCの電位が正の参照電位VREFに維持されている。また、センスアンプ制御回路23の動作により、ビット線BLの電位VBLが、ソース線CELSRCの電位に基づいて生成されている。そこで、図4(b)に示すように、閾値分布A、B、Cをネガティブセンス方式で設定した上で、参照電位VREFを、負の読出電位αの反数(−α)に設定する。すなわち、VREF=−α(>0)とする。これにより、ソース線CELSRCの電位が−α(>0)となり、ビット線BLの電位VBLがこのソース線CELSRCの電位を基準に設定される。この状態で、ワード線WLに接地電位(0V)を印加すれば、ソース線及びビット線に対して、ワード線WLの電位を相対的に負(α)とすることができるため、相対的に負の読出電位αを実現できる。
このように、本実施形態によれば、回路系全体の基準電位となるソース線CELSRCの電位を、−α(>0)だけ持ち上げることにより、ワード線WLの電位が0Vであっても、ネガティブセンスを実現することができる。これにより、負電位の昇圧回路及びp形ウェルの分離構造等を形成することなく、閾値分布Cの絶対電位を低下させて、信頼性を確保することができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、本実施形態においては、参照電流iTARGETを基準として、セル電流iCELLの大小を判定することができる。そして、この判定結果に基づいて、NMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLCを制御することにより、ビット線BLの電位を制御し、セル電流iCELLを制御することができる。これにより、ONセル電流を一定の分布に保ち、読出エラーの発生を抑制しつつ、消費電流を抑えることができる。例えば、W/E回数が少ない段階においてはビット線電位を低くして、過剰なセル電流を流すことを防止し、W/E回数が増えた状態においてはビット線電位を高くして、ONセル電流を確保し読み出しの信頼性を担保することができる。この結果、製品に要求されるW/E回数の実力値を担保しつつ、半導体記憶装置1の使用期間全体で見ると、消費電流を低減することができる。
上述の如く、本実施形態においては、参照電流iTARGETを基準として、セル電流iCELLの大小を判定することができる。そして、この判定結果に基づいて、NMOSトランジスタMP0のゲート電位VBLCを制御することにより、ビット線BLの電位を制御し、セル電流iCELLを制御することができる。これにより、ONセル電流を一定の分布に保ち、読出エラーの発生を抑制しつつ、消費電流を抑えることができる。例えば、W/E回数が少ない段階においてはビット線電位を低くして、過剰なセル電流を流すことを防止し、W/E回数が増えた状態においてはビット線電位を高くして、ONセル電流を確保し読み出しの信頼性を担保することができる。この結果、製品に要求されるW/E回数の実力値を担保しつつ、半導体記憶装置1の使用期間全体で見ると、消費電流を低減することができる。
また、本実施形態によれば、ONセル電流の大きさが常に一定となるため、ビット線の充電時間等の時間パラメータも一意に決定することができる。これにより、半導体記憶装置1の動作の高速化を図ると共に、消費電流をより一層低減することができる。
更に、本実施形態においては、上述のポジティブCELSRC方式を実現することができるため、半導体記憶装置のコストを抑えつつ、信頼性を確保することができる。また、ソース線CELSRCにキーパー電流iSRCPREを供給することにより、セル電流iCELLの大きさにかかわらずソース線CELSRCの電位を一定電位(−α)に維持することができるため、ポジティブCELSRC方式を確実に実現することができる。
なお、本実施形態においては、参照電流iTARGETをセル電流iCELLの目標値に設定する例を示したが、これには限定されない。参照電流iTARGET及びNMOSトランジスタMN2を、セル電流iCELL及びNMOSトランジスタMN1に対して、一定の比率で縮小してもよい。これにより、セル電流検知部24に流れる電流を抑えつつ、セル電流iCELLの大きさを判定することができる。上述の如く、セル電流iCELLは例えば最大80mA程度の大きな電流であるため、参照電流iTARGETをセル電流iCELLに対して一定の比率で縮小することにより、消費電流を効果的に低減することができる。
また、本実施形態においては、コントローラ25が出力信号FLAGに基づいて信号VBL_DACを生成する例を示したが、これには限定されない。例えば、半導体記憶装置1の使用者が、出力信号FLAGに基づいて、信号VBL_DACを手動で設定してもよい。例えば、信号VBL_DACの値を連続的に変化させながら、信号FLAGの値が遷移するポイントを探してもよい。
次に、第2の実施形態について説明する。
図5は、本実施形態に係る半導体記憶装置を例示する回路図である。
図5に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置2は、前述の第1の実施形態に係る半導体記憶装置1(図1参照)と比較して、コントローラ25(図1参照)の替わりに、ビット線電位調整部26を有する点が異なっている。本実施形態においては、出力信号FLAGはコントローラ25(図1参照)ではなくビット線電位調整部26に入力され、信号VBL_DACはコントローラ25ではなくビット線電位調整部26によって生成される。
図5は、本実施形態に係る半導体記憶装置を例示する回路図である。
図5に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置2は、前述の第1の実施形態に係る半導体記憶装置1(図1参照)と比較して、コントローラ25(図1参照)の替わりに、ビット線電位調整部26を有する点が異なっている。本実施形態においては、出力信号FLAGはコントローラ25(図1参照)ではなくビット線電位調整部26に入力され、信号VBL_DACはコントローラ25ではなくビット線電位調整部26によって生成される。
7.ビット線電位調整部26について
ビット線電位調整部26は、アンドゲート回路AND及びカウンタCNTを有する。アンドゲート回路ANDには、半導体記憶装置2の基本クロックBASE_CLK及びオペアンプAMPの出力信号FLAGが入力される。アンドゲート回路ANDは、基本クロックBASE_CLK及び出力信号FLAGの論理積として、カウントクロックCNT_CLKを出力する。カウンタCNTには、このカウントクロックCNT_CLKの他に、ビット線電位を調整する期間にアサートされる信号MEAS_ENBが入力される。カウンタCNTは、信号MEAS_ENBの値が「H」である期間中にカウントクロックCNT_CLKに同期して信号VBL_DACの値をインクリメント(カウントアップ)し、センスアンプ制御回路23に対して出力する。信号VBL_DACは、例えば4ビットのデジタル信号である。センスアンプ制御回路23は、信号VBL_DACの値が大きいほど、NMOSトランジスタMN0を流れる電流が大きくなるように電位VBLを設定し、センスアンプ21は、この電位VBLに応じてゲート電位VBLCを設定する。
本実施形態における上記以外の構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
ビット線電位調整部26は、アンドゲート回路AND及びカウンタCNTを有する。アンドゲート回路ANDには、半導体記憶装置2の基本クロックBASE_CLK及びオペアンプAMPの出力信号FLAGが入力される。アンドゲート回路ANDは、基本クロックBASE_CLK及び出力信号FLAGの論理積として、カウントクロックCNT_CLKを出力する。カウンタCNTには、このカウントクロックCNT_CLKの他に、ビット線電位を調整する期間にアサートされる信号MEAS_ENBが入力される。カウンタCNTは、信号MEAS_ENBの値が「H」である期間中にカウントクロックCNT_CLKに同期して信号VBL_DACの値をインクリメント(カウントアップ)し、センスアンプ制御回路23に対して出力する。信号VBL_DACは、例えば4ビットのデジタル信号である。センスアンプ制御回路23は、信号VBL_DACの値が大きいほど、NMOSトランジスタMN0を流れる電流が大きくなるように電位VBLを設定し、センスアンプ21は、この電位VBLに応じてゲート電位VBLCを設定する。
本実施形態における上記以外の構成は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、本実施形態に係る半導体記憶装置の動作について説明する。
前述の第1の実施形態において説明した<1>〜<4>の動作は、本実施形態においても実行される。以下、本実施形態に独自の動作について説明する。
前述の第1の実施形態において説明した<1>〜<4>の動作は、本実施形態においても実行される。以下、本実施形態に独自の動作について説明する。
<5>セル電流の大きさの制御
先ず、ビット線電位調整部26、センスアンプ制御回路23及びセンスアンプ21が、セル電流の大きさの判定結果を表す出力信号FLAGに基づいてセル電流の大きさを制御する方法について説明する。
図6は、横軸に時間をとり、縦軸に各信号、電位及び電流をとって、本実施形態に係る半導体記憶装置の動作を示すタイミングチャート図である。
先ず、ビット線電位調整部26、センスアンプ制御回路23及びセンスアンプ21が、セル電流の大きさの判定結果を表す出力信号FLAGに基づいてセル電流の大きさを制御する方法について説明する。
図6は、横軸に時間をとり、縦軸に各信号、電位及び電流をとって、本実施形態に係る半導体記憶装置の動作を示すタイミングチャート図である。
図5及び図6に示すように、前提条件として、基本クロックBASE_CLKは恒常的にアンドゲート回路ANDに入力されている。また、初期状態においては、信号MEAS_ENBの値は「L」であり、信号VBL_DACの値は「0」である。更に、ビット線BLの電位VBLはソース線CELSRCの電位に等しく、従って、セル電流iCELLは流れていない。
前述の如く、セル電流iCELLが参照電流iTARGETよりも小さいと、オペアンプAMPの出力信号FLAGの値は「H」となる。出力信号FLAGの値が「H」であると、アンドゲート回路ANDは、基本クロックBASE_CLKと同じ周期のカウントクロックCNT_CLKを出力する。但し、この段階では、信号MEAS_ENBの値は「L」であるため、信号VBL_DACの値は「0」のままである。
この状態で、ビット線電位の調整を開始する。このとき、信号MEAS_ENBの値が「L」から「H」に切り替わる。これにより、カウンタCNTがカウントクロックCNT_CLKに同期して信号VBL_DACのインクリメントを開始し、信号VBL_DACの値を1ずつ増加させる。
センスアンプ制御回路23は、信号VBL_DACの値が増加すると、これに対応させてビット線に印加する電位VBLを増加させ、センスアンプ21に対して出力する。センスアンプ21は、電位VBLの増加に対応させてゲート電位VBLCを段階的に増加させることにより、NMOSトランジスタMN0の導通の程度を段階的に向上させる。これにより、ビット線BLの電位が段階的に向上する。すなわち、センスアンプ制御回路23が生成した電位VBLと同じ電位が、実際にビット線BLに印加される。この結果、セル電流iCELLが流れ始め、段階的に増加する。
そして、セル電流iCELLが参照電流iTARGETよりも大きくなると、オペアンプAMPの出力信号FLAGの値が「H」から「L」に切り替わる。これにより、アンドゲート回路ANDがカウントクロックCNT_CLKの出力を停止し、カウンタCNTが信号VBL_DACのインクリメントを停止する。この結果、信号VBL_DACの値が固定され、カウンタCNTに保持される。図6に示す例では、信号VBL_DACの値は「8」で固定される。従って、電位VBLも固定され、ゲート電位VBLCも固定され、実際のビット線電位も固定される。この結果、ONセル電流の大きさも固定される。このようにして、出力信号FLAGに基づいてビット線電位が自動的に調整され、ONセル電流の大きさが制御される。
<6>セル電流の判定及び制御を行うタイミング
次に、NAND型フラッシュメモリの書込動作及び読出動作の中で、上述のセル電流の大きさの判定及び制御を行うタイミングについて説明する。
図7(a)は本実施形態の書込動作のシーケンスを例示する図であり、(b)は読出動作のシーケンスを例示する図である。
次に、NAND型フラッシュメモリの書込動作及び読出動作の中で、上述のセル電流の大きさの判定及び制御を行うタイミングについて説明する。
図7(a)は本実施形態の書込動作のシーケンスを例示する図であり、(b)は読出動作のシーケンスを例示する図である。
NAND型フラッシュメモリにおいて、データの書込動作は、メモリセルトランジスタへのデータの書き込み(プログラム)と、メモリセルトランジスタにデータが書き込まれたか否かの検証(ベリファイ)とを交互に行う。そして、ベリファイ動作は、データの読出動作と同じ条件で行う。このため、ベリファイ動作及び読出動作において、個別にビット線電位を調整すると、読出結果にズレが生じてしまう。従って、いずれか一方の動作において調整したビット線電位を、共通で使用することが好ましい。また、メモリセルトランジスタに実際のデータが書き込まれた状態でセル電流の大きさを判定すると、読出対象となるページに書き込まれたデータパターンによってセル電流の大きさが異なってしまうため、調整されるビット線電位に誤差が生じる。このため、常に同一のデータパターンを用いてビット線電位を調整することが好ましい。
これらの条件を考慮すると、図7(a)に示すように、セル電流の大きさの判定及び制御は、書込動作のシーケンスの最初のステップW0、すなわち、ステップW1に示す最初のプログラム工程の直前に行うことが好ましい。その理由は、ステップW0においては、読出対象となるページを構成する全てのメモリセルトランジスタが消去状態にあることが保証されているからである。このため、常に同じデータパターンを用いて、セル電流の大きさの判定及び制御を行うことができる。なお、図4(a)及び(b)に示すように、消去状態にあるメモリセルトランジスタの閾値は、閾値分布Eに従っている。このため、ステップW0に示す状態は、セル電流が最も大きくなる状態である。
そして、ステップW0においてセル電流の大きさの判定及び制御を行った後、メモリセルトランジスタへのデータの書き込み(プログラム)及び検証(ベリファイ)を交互に行う。このとき、ステップW1に示す最初のプログラム工程において、ステップW0において決定したビット線電位を表す信号VBL_DACの値(例えば「8」)を、同じページに属するメモリセルトランジスタに書き込む。一方、ステップW2、W4、W6、・・・に示すベリファイ動作においては、カウンタCNTに保持された信号VBL_DACの値を用いて、ビット線電位を調整する。
一方、データの読出動作においては、カウンタCNTに保持された信号VBL_DACの値を使用することはできない。なぜならば、NANDフラッシュメモリは不揮発性メモリであるため、書込動作と読出動作との間で電源供給が断たれる可能性があり、カウンタCNTがカウント値を保持できないからである。
このため、本実施形態においては、図7(b)に示すように、読出動作を2段階に分けて実行する。先ず、ステップR1に示すように、読出対象となるページから信号VBL_DACの値を読み出す。この値は、上述のステップW1において書き込まれたものである。このとき、ビット線電位は調整されていない固定電位とする。次に、ステップR2に示すように、ステップR1において読み出された信号VBL_DACの値を用いてビット線電位を調整した上で、このページに属するメモリセルトランジスタから、実際のデータを読み出す。
なお、ステップW1において信号VBL_DACの値を書き込む際には、閾値分布E及びCのみを使用し、閾値分布A及びBを使用せずに書き込んでもよい。これにより、データの記録密度は低下するが、読出動作が容易になる。この結果、ステップR1において信号VBL_DACの値を読み出す際に、ビット線が完全に充電される前に読み出すことができ、読出動作に要する時間を短縮できると共に、消費電流を低減することができる。本実施形態における上記以外の動作は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、本実施形態の効果について説明する。
上述の如く、本実施形態においては、ビット線電位調整部26を設けることにより、外部からビット線電位を操作することなく、適切なビット線電位を自動的に調整することができる。これにより、セル電流を頻繁に精度良く制御し、消費電流をより効果的に低減することができる。また、セル電流の大きさの判定及び制御を書込動作のシーケンスの最初に行うことにより、常に同一のデータパターンでセル電流の大きさを判定することができ、ビット線電位を精度良く調整することができる。更に、あるページについてのビット線電位の調整結果を同じページに書き込んでおくことにより、この調整結果をデータの読出動作においても使用することができる。この結果、ベリファイ動作と読出動作との間で、共通のビット線電位を使用することができ、読出動作の精度が向上する。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
上述の如く、本実施形態においては、ビット線電位調整部26を設けることにより、外部からビット線電位を操作することなく、適切なビット線電位を自動的に調整することができる。これにより、セル電流を頻繁に精度良く制御し、消費電流をより効果的に低減することができる。また、セル電流の大きさの判定及び制御を書込動作のシーケンスの最初に行うことにより、常に同一のデータパターンでセル電流の大きさを判定することができ、ビット線電位を精度良く調整することができる。更に、あるページについてのビット線電位の調整結果を同じページに書き込んでおくことにより、この調整結果をデータの読出動作においても使用することができる。この結果、ベリファイ動作と読出動作との間で、共通のビット線電位を使用することができ、読出動作の精度が向上する。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第1の実施形態と同様である。
次に、第3の実施形態について説明する。
図8は、本実施形態に係る半導体記憶装置を例示する回路図である。
図8に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置3は、前述の第1の実施形態に係る半導体記憶装置1(図1参照)と比較して、ソース電位調整回路22がPMOSトランジスタMP1及びインバータINVを有する点が異なっている。PMOSトランジスタMP1は、電源電位VDDと定電流源SRCCGとの間に接続されて、キーパー電流iSRCPREのオン/オフを制御するスイッチング素子である。PMOSトランジスタMP1のゲート電極にはインバータINVの出力が入力される。インバータINVの入力端子にはオペアンプAMPの出力信号FLAGが入力される。
図8は、本実施形態に係る半導体記憶装置を例示する回路図である。
図8に示すように、本実施形態に係る半導体記憶装置3は、前述の第1の実施形態に係る半導体記憶装置1(図1参照)と比較して、ソース電位調整回路22がPMOSトランジスタMP1及びインバータINVを有する点が異なっている。PMOSトランジスタMP1は、電源電位VDDと定電流源SRCCGとの間に接続されて、キーパー電流iSRCPREのオン/オフを制御するスイッチング素子である。PMOSトランジスタMP1のゲート電極にはインバータINVの出力が入力される。インバータINVの入力端子にはオペアンプAMPの出力信号FLAGが入力される。
次に、本実施形態に係る半導体記憶装置の動作について説明する。
前述の第1の実施形態において説明した<1>書込動作及び読出動作と、<4>ポジティブCELSRC方式は、本実施形態においても実行される。以下、本実施形態に独自の動作について説明する。
前述の第1の実施形態において説明した<1>書込動作及び読出動作と、<4>ポジティブCELSRC方式は、本実施形態においても実行される。以下、本実施形態に独自の動作について説明する。
<7>キーパー電流のオン/オフ制御
上述の如く、キーパー電流iSRCPREは、セル電流iCELLが極めて小さい場合に、ソース線CELSRCの電位を維持するための最低保障電流である。このため、キーパー電流iSRCPREは、セル電流iCELLがある程度大きい場合には不要である。キーパー電流iSRCPREはセル電流iCELLと比較すると小さいものの、前述の第1及び第2の実施形態においては恒常的に流れているため、全体としては無視できない量となる。そこで、本実施形態においては、セル電流iCELLが大きいときは、キーパー電流iSRCPREを停止する。
上述の如く、キーパー電流iSRCPREは、セル電流iCELLが極めて小さい場合に、ソース線CELSRCの電位を維持するための最低保障電流である。このため、キーパー電流iSRCPREは、セル電流iCELLがある程度大きい場合には不要である。キーパー電流iSRCPREはセル電流iCELLと比較すると小さいものの、前述の第1及び第2の実施形態においては恒常的に流れているため、全体としては無視できない量となる。そこで、本実施形態においては、セル電流iCELLが大きいときは、キーパー電流iSRCPREを停止する。
具体的には、セル電流検知部24において、参照電流iTARGETの大きさを、キーパー電流iSRCPREを必要とするか不要とするかのセル電流iCELLの境界値、すなわち、キーパー電流iSRCPREが不要であるセル電流iCELLの範囲の下限値に相当する大きさに設定する。
そうすると、セル電流iCELLがこの参照電流iTARGETに相当する大きさよりも大きい場合には、放電電流iSRCDISも大きく、これに連動して、放電電流iDISも参照電流iTARGETよりも大きい。このため、疑似ソース線SRC_MONの電位が低下し、信号FLAGの値が「L」となる。これにより、インバータINVの出力信号の値が「H」となり、PMOSトランジスタMP1がオフ状態となり、ソース線CELSRCに対するキーパー電流iSRCPREの供給が停止する。一方、セル電流iCELLが参照電流iTARGET相当量よりも小さい場合には、信号FLAGの値が「H」となり、PMOSトランジスタMP1がオン状態となり、ソース線CELSRCにキーパー電流iSRCPREが供給される。このようにして、キーパー電流iSRCPREのオン/オフを制御することができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態においては、セル電流が大きいときにはキーパー電流を停止することができる。これにより、消費電流を低減することができる。
本実施形態においては、セル電流が大きいときにはキーパー電流を停止することができる。これにより、消費電流を低減することができる。
なお、本実施形態においては、オペアンプAMPの入力側の接続を逆にしてもよい。すなわち、オペアンプAMPの正極側入力端子に参照電位VREFを入力し、負極側入力端子を疑似ソース線SRC_MONに接続してもよい。これにより、インバータINVを省略することができる。
また、本実施形態は、前述の第1又は第2の実施形態と組み合わせることもできる。但し、第1及び第2の実施形態において設定する参照電流iTARGETの大きさは、セル電流iCELLの目標値に相当し、本実施形態において設定する参照電流iTARGETの大きさは、キーパー電流iSRCPREの要/不要の境界のセル電流iCELLに相当するため、両者は相互に異なっている。このため、本実施形態を第1又は第2の実施形態と組み合わせる場合には、セル電流検知部24を2つ設け、一方では参照電流iTARGETの大きさをセル電流iCELLの目標値相当量とすると共に出力信号FLAGをコントローラ25又はビット線電位調整部26に対して出力させ、他方では参照電流iTARGETの大きさをキーパー電流iSRCPREの要不要の境界値相当量とすると共に出力信号FLAGをインバータINVに対して出力させる。
本実施形態を前述の第1の実施形態と組み合わせれば、前述の<1>〜<4>及び<7>の動作が実行される。また、本実施形態を前述の第2の実施形態と組み合わせれば、前述の<1>〜<7>の動作が全て実行される。このように、本実施形態を前述の第1又は第2の実施形態と組み合わせることにより、本実施形態の効果に加えて、第1又は第2の実施形態の効果も得ることができる。
以上説明した実施形態によれば、消費電流が少ない半導体記憶装置を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。
1、2、3:半導体記憶装置、10:シリコン基板、11:STI、12:アクティブエリア、13:ゲート絶縁膜、14:電荷蓄積層、15:ビット線コンタクト、16:層間絶縁膜、20:メモリセル部、21:センスアンプ、22:ソース電位調整回路、23:センスアンプ制御回路、24:セル電流検知部、25:コントローラ、26:ビット線電位調整部、AMP:オペアンプ、AND:アンドゲート回路、BASE_CLK:基本クロック、BL:ビット線、CELSRC:ソース線、CNT:カウンタ、CNT_CLK:カウントクロック、FLAG:出力信号、GND:接地電位、GSRC:出力信号、iCELL:セル電流、iDIS:放電電流、INV:インバータ、iSRCDIS:放電電流、iSRCPRE:キーパー電流、iTARGET:参照電流、MEAS_ENB:信号、MN0、MN1、MN2:NMOSトランジスタ、MP0、MP1:PMOSトランジスタ、MT:メモリセルトランジスタ、REFCG:参照電流源、SASRC:基準電位、SG:選択ゲート線、SRCAMP:オペアンプ、SRCCG:定電流源、SRC_MON:疑似ソース線、ST:選択トランジスタ、VBL:電位、VBLC:ゲート電位、VBL_DAC:信号、VDD:電源電位、VREF:参照電位、WL:ワード線
Claims (10)
- 一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、
前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、
一端が前記ビット線に接続されるメモリセルトランジスタと、
前記メモリセルトランジスタの他端に接続されるソース線と、
前記メモリセルトランジスタのゲートに接続される複数本のワード線と、
一端が前記ソース線に接続され、他端が第2の電源電位に接続される第2の電流制御用トランジスタと、
前記第2の電流制御用トランジスタの制御電極に、前記ソース線の電位が参照電位に近づくような電位を印加する電位印加手段と、
前記ビット線から前記ソース線に流れるセル電流の大きさを第1の参照電流の大きさと比較するセル電流検知部と、
前記セル電流検知部の比較結果に基づいて、前記セル電流の大きさが前記第1の参照電流の大きさに近づくように前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極の電位を設定するセル電流制御部と、
前記ソース線に対して一定電流を供給する一定電流源と、
前記ビット線から前記ソース線に流れるセル電流の大きさを第2の参照電流の大きさと比較する他のセル電流検知部と、
前記他のセル電流検知部が、前記セル電流が前記第2の参照電流よりも大きいと判定したときに、前記一定電流を停止させるスイッチング素子と、
を備え、
前記セル電流検知部は、
疑似ソース線と、
前記疑似ソース線に対して前記第1の参照電流を供給する参照電流源と、
導電形が前記第2の電流制御用トランジスタの導電形と同じであり、一端が前記疑似ソース線に接続され、他端が前記第2の電源電位に接続され、制御電極に前記第2の電流制御用トランジスタの制御電極と同じ電位が印加される第3の電流制御用トランジスタと、
前記疑似ソース線の電位を前記参照電位と比較する比較手段と、
を有し、
前記セル電流制御部は、
クロック信号に基づいてカウンタ値を順次変化させ、前記セル電流検知部の出力が遷移したときにカウンタの動作を停止するビット線電位調整部と、
前記カウンタ値に応じて前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極の電位を設定する回路と、
を有し、
前記メモリセルトランジスタにデータを書き込む直前の期間に、前記カウンタ値に応じて前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加する制御電位を変化させ、前記セル電流検知部の出力が遷移したときの電位を前記メモリセルトランジスタからデータを読み出すときに前記制御電極に印加し、
前記制御電位は、各前記ワード線を共有する複数のメモリセルトランジスタからなる組毎に設定され、前記設定された制御電位を表す情報を、前記制御電位が設定された組に属する前記メモリセルトランジスタに記憶し、
前記制御電位は、その耐用期間全体にわたって、経時的に増加する半導体記憶装置。 - 一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、
前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、
第2の電源電位に接続されるソース線と、
複数本のワード線と、
を備え、
前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタからデータを読み出すときに、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加される制御電位は、経時的に増加する半導体記憶装置。 - 一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、
前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、
第2の電源電位に接続されるソース線と、
複数本のワード線と、
を備え、
前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタからデータを読み出すときに、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加される制御電位は、各前記ワード線を共有する複数のメモリセルトランジスタからなる組毎に設定される半導体記憶装置。 - 前記設定された制御電位を表す情報を、前記電位が設定された組に属する前記メモリセルトランジスタに記憶する請求項3記載の半導体記憶装置。
- 一端が第1の電源電位に接続される第1の電流制御用トランジスタと、
前記第1の電流制御用トランジスタの他端に接続されるビット線と、
第2の電源電位に接続されるソース線と、
複数本のワード線と、
を備え、
前記ビット線と前記ソース線との間に接続され前記ワード線を制御ゲート電極としたメモリセルトランジスタにデータを書き込む直前の期間に、前記第1の電流制御用トランジスタの制御電極に印加する制御電位を変化させていき、
前記期間の最後に前記制御電極に印加された制御電位を、前記メモリセルトランジスタからデータを読み出すときに前記制御電極に印加する半導体記憶装置。 - 前記ビット線から前記ソース線に流れるセル電流の大きさを参照電流の大きさと比較するセル電流検知部をさらに備えた請求項2〜5のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
- 一端が前記ソース線に接続され、他端が前記第2の電源電位に接続される第2の電流制御用トランジスタと、
前記第2の電流制御用トランジスタの制御電極に、前記ソース線の電位が参照電位に近づくような電位を印加する電位印加手段と、
をさらに備え、
前記セル電流検知部は、
疑似ソース線と、
前記疑似ソース線に対して前記参照電流を供給する参照電流源と、
導電形が前記第2の電流制御用トランジスタの導電形と同じであり、一端が前記疑似ソース線に接続され、他端が前記第2の電源電位に接続され、制御電極に前記第2の電流制御用トランジスタの制御電極と同じ電位が印加される第3の電流制御用トランジスタと、
前記疑似ソース線の電位を前記参照電位と比較する比較手段と、
を有した請求項6記載の半導体記憶装置。 - 前記セル電流検知部の比較結果に基づいて、前記セル電流の大きさが前記参照電流の大きさに近づくように前記制御電位を設定するセル電流制御部をさらに備えた請求項6または7に記載の半導体記憶装置。
- 前記セル電流制御部は、
クロック信号に基づいてカウンタ値を順次変化させ、前記セル電流検知部の出力が遷移したときにカウンタの動作を停止するビット線電位調整部と、
前記カウンタ値に応じて前記制御電位を設定する回路と、
を有した請求項8記載の半導体記憶装置。 - 前記ソース線に対して一定電流を供給する一定電流源と、
前記ビット線から前記ソース線に流れるセル電流の大きさを参照電流の大きさと比較する他のセル電流検知部と、
前記他のセル電流検知部が、前記セル電流が前記参照電流よりも大きいと判定したときに、前記一定電流を停止させるスイッチング素子と、
をさらに備えた請求項2〜9のいずれか1つに記載の半導体記憶装置。
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