JP2015109121A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 メモリセルのしきい値のバラツキを抑制する半導体記憶装置を提供する。【解決手段】 本発明のフラッシュメモリのプログラム方法は、プログラムデータに基づきビット線にプログラムのための電圧またはプログラム禁止のための電圧を設定し、選択されたページにプログラムパルスを印加し、選択されたページのプログラムのベリファイを行うステップを有する。さらに、ベリファイの結果、合格から不合格に変化した不合格シフトメモリセルが発生した場合には、当該不合格シフトメモリセルのビット線に次のプログラムパルスによる電圧を緩和する緩和電圧を設定するステップを含む。【選択図】 図7

Description

本発明は、不揮発性の半導体記憶装置に関し、特に、NAND型フラッシュメモリのプログラム(書込み)に関する。
フラッシュメモリは、ストレージデバイスとして、デジタルカメラ、スマートフォン、等の電子機器に広く利用されている。こうした市場では、フラッシュメモリは、小型化、大容量化を要求され、かつ高速化、低消費電力化が求められている。さらにフラッシュメモリには、一定のデータの書き換え可能な回数やデータ保持特性なども求められている。
典型的なフラッシュメモリは、N型MOS構造のメモリセルから構成される。メモリセルの電荷蓄積層に電子が蓄積されると、メモリセルのしきい値は正方向にシフトし、この状態を、例えば「0」とする。他方、電荷蓄積層から電子が放出されると、しきい値は0または負方向にシフトし、この状態を「1」とする。図1は、メモリセルの「0」、「1」のしきい値の分布幅を示し、メモリセルのしきい値がこの分布幅内になるように書込みが制御される。
各メモリセルのトンネル酸化膜や電荷蓄積層には、製造工程のパラメータの変動や経時変化等の要因によってバラツキがあるため、すべてのメモリセルが必ずしも均一とは限らない。つまり、あるメモリセルでは電子が注入され易く、あるメモリセルでは電子の注入がされ難く、両者に同一の書込み電圧を印加しても、両者のしきい値のシフト量(変動量)は相対的に異なる。従って、例えば、ページ書込みを行うとき、あるメモリセルには十分に電子が蓄積され、「0」のしきい値分布幅内に到達するが、あるメモリセルには十分な電子が蓄積されず、「0」のしきい値分布幅内に到達しない事態が生じる。通常、書込みベリファイにより、電子の注入が不十分なメモリセルには、再度、書込み電圧を印加し、「0」のしきい値分布幅内に到達させている。
特許文献1は、メモリセルのしきい値分布幅を狭くすることができ、かつ高速に電子注入を行うことができるフラッシュメモリを開示している。このフラッシュメモリでは、書込み電圧を複数のパルスに分割し、これをメモリセルのゲートに印加している。図2(A)に示すように、コントロールゲートに印加される最初のVppパルス電圧は、Vcg0であり、書込みパルスは、徐々にΔVppだけ高められる。パルス幅は一定時間Δtであり、1回の電子注入動作でのメモリセルのしきい値の最大変化量ΔVthがΔVppと等しくなるようにされる。また、図2(B)に示す書込みパルスでは、各Vppパルスが一定のdVpp/dtを持ち、連続的にΔVppだけ上昇する。これにより、電子注入中の浮遊ゲート電位をほぼ一定にすることができ、トンネル酸化膜の劣化を最小に抑えている。
特許第3626221号公報
フラッシュメモリにおいて、ブロック内のページプログラムが完了された後、いくつかの要因によってメモリセルのしきい値の分布幅が変動することがある。しきい値を変動させる主な要因には、バックグランドパターン依存性(BPD)、フローティングゲートの容量結合、ベリファイ対リードのオフセットなどがある。図3Aは、このような寄生的な影響によりメモリセルのしきい値が変動する例を説明している。理想的(ideal)なメモリセルでは、プログラムされた後のしきい値の分布幅が0.15Vの範囲内に収まるのに対し、ベリファイ対リードのオフセット、BPD、フローティングゲートの容量結合(FG coupling)などによって分布幅が広がってしまう。
また、回路線幅が微細化されると、ランダムテレグラフノイズ(Random Telegraph Noise:RTN)によってトランジスタのしきい値にバラツキが生じすることが知られている。さらに、ページプログラムのベリファイでは、消去状態のメモリセルが減少するためソース電流が低下し、すなわちソースのバウンスが低下し、これがメモリセルのしきい値にバラつきを及ぼす可能性がある。こうしたRTNやソースの副次的な影響(ソースのフローティング/バウシング)によって、プログラムのベリファイにおいて、本来“パス(合格)”すべきでないビットが“パス”を表してしまうことがある。このようなビットは、プログラムが完了したときに、図3Bに示すように、しきい値が分布幅に到達していない領域Qに分布してしまうことになる。
本発明は、このような従来の課題を解決し、メモリセルのしきい値のバラツキを抑制する半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明に係るフラッシュメモリは、NAND型の複数のメモリセルが形成されたメモリアレイを有するものであって、メモリアレイのページを選択するページ選択手段と、ビット線にプログラムまたはプログラム禁止のビット線電圧を設定する設定手段と、選択されたページにプログラムパルスを印加する印加手段と、プログラムの合否を判定するベリファイ手段と、ベリファイの結果に基づき合格から不合格に変化した不合格シフトメモリセルの有無を判定する判定手段と、前記不合格シフトメモリセルがあると判定されたとき、前記設定手段は、前記不合格シフトメモリセルのビット線電圧として次のプログラムパルスの電圧を緩和する緩和電圧を設定する。
好ましくは前記緩和電圧は、プログラムパルス間のステップ電圧である。好ましくは前記緩和電圧は、プログラムのときの電圧とプログラム禁止のときの電圧の間である。好ましくは前記判定手段は、プログラムパルスの印加の前後のベリファイ結果を比較することにより不合格シフトメモリセルの有無を判定する。好ましくは前記判定手段は、前記ベリファイ手段によるベリファイ結果を記憶する記憶手段を有し、前記記憶されたベリファイ結果を用いて不合格シフトメモリセルの有無を判定する。
本発明のプログラム方法は、NAND型の複数のメモリセルが形成されたメモリアレイを有するフラッシュメモリにおいて行われるものであって、プログラムデータに基づきビット線にプログラムのための電圧またはプログラム禁止のための電圧を設定し、選択されたページにプログラムパルスを印加し、前記選択されたページのプログラムのベリファイを行い、ベリファイの結果、合格から不合格に変化した不合格シフトメモリセルが発生した場合には、当該不合格シフトメモリセルのビット線に次のプログラムパルスによる電圧を緩和する緩和電圧を設定する。
好ましくは前記緩和電圧は、プログラムパルス間のステップ電圧である。好ましくはプログラムパルスの印加の前後のベリファイ結果を比較することにより前記不合格シフトメモリセルの有無を判定する。
本発明によれば、RTNやソースのバウンス等によるメモリセルのしきい値のバラツキの影響を低減させることができる。
フラッシュメモリの消去状態と書込み状態のしきい値分布を示す図である。 従来のフラッシュメモリのメモリセルへの書込みパルスの印加例を説明する図である。 メモリセルのしきい値の分布幅のバラツキの要因を説明する図である。 従来のフラッシュメモリのプログラムの課題を説明する図である。 本発明の実施例に係るフラッシュメモリの一構成例を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るメモリセルアレイのNANDストリングの構成を示す回路図である。 本実施例に係るフラッシュメモリのプログラム時に各部に印加される電圧の一例を示す図である。 本実施例に係るフラッシュメモリのプログラム動作を説明するフローチャートである。 プログラムパルスを印加したときのしきい値のシフトを示す図である。 プログラムパルスを印加したときのベリファイ結果とビット線電圧との関係を示す図である。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の好ましい形態では、NAND型のフラッシュメモリを例示する。なお、図面は、分かり易くするために各部を強調して示してあり、実際のデバイスのスケールとは異なることに留意すべきである。
図4は、本発明の実施例に係るフラッシュメモリの構成を示すブロック図である。但し、ここに示すフラッシュメモリの構成は、例示であって、本発明は、必ずしもこのような構成に限定されるものではない。
本実施例のフラッシュメモリ100は、行列状に配列された複数のメモリセルが形成されたメモリアレイ110と、外部入出力端子I/Oに接続され入出力データを保持する入出力バッファ120と、入出力バッファ120からのアドレスデータを受け取るアドレスレジスタ130と、入出力されるデータを保持するデータレジスタ140、入出力バッファ120からのコマンドデータおよび外部制御信号(図示されないチップイネーブルやアドレスラッチイネーブル等)に基づき各部を制御する制御信号C1、C2、C3等を供給するコントローラ150と、プログラムベリファイの結果等を記憶するベリファイメモリ152と、アドレスレジスタ130からの行アドレス情報Axをデコードしデコード結果に基づきブロックの選択およびワード線の選択等を行うワード線選択回路160と、ワード線選択回路160によって選択されたページから読み出されたデータを保持したり、選択されたページへの書込みデータを保持するページバッファ/センス回路170と、アドレスレジスタ130からの列アドレス情報Ayをデコードし当該デコード結果に基づきページバッファ170内の列データを選択する列選択回路180と、データの読出し、プログラムおよび消去等のために必要な電圧(プログラム電圧Vpgm、パス電圧Vpass、読出し電圧Vread、消去電圧Versなど)を生成する内部電圧発生回路190とを含んで構成される。
メモリアレイ110は、列方向に配置された複数のブロックBLK(0)、BLK(1)、・・・、BLK(m)を有する。ブロックの一方の端部には、ページバッファ/センス回路170が配置される。但し、ページバッファ/センス回路170は、ブロックの他方の端部、あるいは両側の端部に配置されるものであってもよい。
1つのメモリブロックには、図5に示すように、複数のメモリセルを直列に接続したNANDストリングユニットNUが複数形成され、1つのメモリブロック内にn+1個のストリングユニットNUが行方向に配列されている。セルユニットNUは、直列に接続された複数のメモリセルMCi(i=0、1、・・・、31)と、一方の端部であるメモリセルMC31のドレイン側に接続された選択トランジスタTDと、他方の端部であるメモリセルMC0のソース側に接続された選択トランジスタTSとを含み、選択トランジスタTDのドレインは、対応する1つのビット線GBLに接続され、選択トランジスタTSのソースは、共通のソース線SLに接続される。
メモリセルMCiのコントロールゲートは、ワード線WLiに接続され、選択トランジスタTD、TSのゲートは、ワード線WLと並行する選択ゲート線SGD、SGSに接続される。ワード線選択回路160は、行アドレスAxに基づきメモリブロックを選択するとき、当該メモリブロックの選択ゲート信号SGS、SGDを介して選択トランジスタTD、TSを選択的に駆動する。なお、図5は、典型的なセルユニットの構成を示しているが、セルユニットは、ダミーセルを包含するものであってもよい。
メモリセルは、典型的に、Pウエル内に形成されたN型の拡散領域であるソース/ドレインと、ソース/ドレイン間のチャンネル上に形成されたトンネル酸化膜と、トンネル酸化膜上に形成されたフローティングゲート(電荷蓄積層)と、フローティングゲート上に誘電体膜を介して形成されたコントロールゲートとを含むMOS構造を有する。フローティングゲートに電荷が蓄積されていないとき、つまりデータ「1」が書込まれているとき、しきい値は負状態にあり、メモリセルは、ノーマリオンである。フローティングゲートに電子が蓄積されたとき、つまりデータ「0」が書込まれているとき、しきい値は正にシフトし、メモリセルは、ノーマリオフである。
図6は、フラッシュメモリの各動作時に印加されるバイアス電圧の一例を示したテーブルである。読出し動作では、ビット線に或る正の電圧を印加し、選択されたワード線に或る電圧(例えば0V)を印加し、非選択ワード線にパス電圧Vpass(例えば4.5V)を印加し、選択ゲート線SGD、SGSに正の電圧(例えば4.5V)を印加し、ビット線選択トランジスタTD、ソース線選択トランジスタTSをオンし、共通ソース線に0Vを印加する。プログラム(書込み)動作では、選択されたワード線に高電圧のプログラム電圧Vprog(15〜20V)を印加し、非選択のワード線に中間電位(例えば10V)を印加し、ビット線選択トランジスタTDをオンさせ、ソース線選択トランジスタTSをオフさせ、「0」または「1」のデータに応じた電位をビット線GBLに供給する。消去動作では、ブロック内の選択されたワード線に0Vを印加し、Pウエルに高電圧(例えば20V)を印加し、フローティングゲートの電子を基板に引き抜くことで、ブロック単位でデータを消去する。
次に、本実施例に係るフラッシュメモリのプログラム動作について説明する。外部コントローラからのコマンドおよびプログラムデータおよびアドレスが入出力バッファ120に受け取られ、また外部制御信号が入力端子に受け取られる。コントローラ150は、受け取ったコマンドを解読してプログラムを実行し、書込み動作の制御する。ページバッファ/センス回路170は、受け取ったプログラムデータをデータレジスタ140を介して保持し、ワード線選択回路160は、受け取ったアドレスに基づきページを選択する。
ワード線選択回路160は、行アドレスデータAxに基づき選択ページにプログラムパルスを印加する。プログラムパルスVpgmは、図4に示す内部発生回路190によって生成され、ベリファイ結果に応じて図2に示すようにステップ電圧が増分されたプログラムパルスを生成する。選択ページには、約15〜20Vの範囲でプログラムパルスVpgmが印加され、非選択ページには、10Vのパス電圧Vpassが印加され、選択ゲートSGDにはVccが印加され、選択ゲートSGSには0Vが印加される。また、「0」をプログラムするためのビット線には0Vが印加され、「1」すなわち書込み禁止のビット線にはVddまたはVccが印加される。
図7は、本実施例によるプログラム動作を説明するフローチャートである。上記したように、ページバッファ/センス回路170は、受け取ったプログラムデータに基づきプログラムするメモリセルのビット線BLには0Vを設定し、書込み禁止のメモリセルのビット線BLにはVddを設定する(S100)。
次に、コントローラ150は、ページプログラムのベリファイ結果に基づきページプログラムの前後において合格(Pass)から不合格(Fail)に変化したメモリセル(以下、不合格シフトメモリセルという)が存在するか否かを判定する(S102)。1つのプログラムパルスを印加した後に行われるベリファイ結果は、ベリファイメモリ152に保存され、次のプログラムパルスを印加した後に行われるベリファイ結果との比較に利用される。すなわち、プログラムパルスの印加の前後のベリファイ結果を比較することでによって、不合格シフトメモリセルの有無の判定が行われる。従って、この判定は、事実上、2回目のプログラムパルスが印加された後のベリファイから行われることになる。
次に、不合格シフトメモリセルが有りと判定された場合には、不合格シフトメモリセルのビット線BLに+ΔVpgmが設定され、次に印加されるプログラムパルスによるプログラム電圧を緩和するような補正が行われる(S104)。不合格シフトメモリセルの有無が判定されるのは、2回目のプログラムパルスが印加された後のベリファイであるため、不合格シフトメモリセルへのプログラム電圧の補正は、事実上、3回目以降のプログラムパルスの印加が対象となる。
次に、ワード線選択回路160は、選択されたページにプログラムパルスを印加し(S106)、選択ページへのプログラムが実施される。次いで、プログラムの合否を判定すべくベイファイが行われる(S108)。すなわち、ベリファイでは、選択ページのメモリセルのしきい値が「0」の分布幅に到達しているか否か判定される。ベリファイでは、選択ページにベリファイ電圧(または読み出し電圧)が印加され、パージバッファ/センス回路170によってビット線の電位または電流が検出され、その検出結果に基づき、選択されたメモリセルが導通すればプログラム不足(不合格)であると判定され、メモリセルが導通しなければ、正常にデータがプログラムされた(合格)と判定される。コントローラ150は、このベリファイ結果をベリファイメモリ152に記憶する(S110)。
コントローラ150は、選択ページをベリファイした結果、選択ページのすべてのメモリセルが合格しているか否かを判定する(S112)。すべてが合格していれば、選択ページのプログラムが終了される。
選択メモリセルのすべてが合格していない場合には、前のプログラムパルスにステップ電圧ΔVpgmが増加されたプログラムパルスが生成され(S114)、これが選択ページに印加される。これと並行して、ベリファイにより合格と判定されたメモリセルのビット線BLにはプログラム禁止のためのVddが設定され、依然として不合格のメモリセルのビット線BLには0Vの設定が継続される。
このようなステップS100からS114までのルーチンが繰り返される。2回目以降のプログラムパルスが印加された後において、コントローラ150は、ベリファイメモリ152に記憶されたベリファイ結果を比較し、過去に合格と判定されていながら次に不合格と判定されたメモリセルが存在するか否かを判定する(S102)。このような事象は、上記したようにメモリセルの超微細化に伴いRTNによってしきい値が急に変動したり、ソースバウンスによってしきい値が変動することによって発生するものであり、図3Bに示すにように、結果的にしきい値が「0」の分布幅に到達していない領域Qにしきい値が分布してしまう。
このような不合格シフトメモリセルが見つかった場合には、コントローラ150の制御下において、不合格シフトメモリセルのビット線BLを再びプログラム可能な電圧に設定するが、通常のプログラムのための電圧(0V)ではなく、それよりも幾分大きな電圧、好ましくはプログラムパルスの増加分のステップ電圧ΔVpgmが設定される。その理由は、ビット線BLの電圧を0Vに設定すると、不合格シフトメモリセルが合格したときのプログラムパルスよりも2×ΔVpgmだけ大きな電圧が印加されることになり、不合格シフトメモリセルへのプログラム電圧が強すぎ、オーバープログラムになるおそれがあるためである。そのため、2×ΔVpgmの電圧を緩和するため、ビット線BLにΔVpgmを印加することでその差分を補償している。なお、不合格シフトメモリセルのビット線に設定する電圧は、必ずしもΔVpgmに限らず、プログラムするための電圧(0V)よりも大きくプログラム禁止のための電圧(Vdd)の間に設定してもよい。好ましい態様では、不合格シフトメモリセルのビット線BLへの電圧設定はページバッファ/センス回路170によって行われる。また、不合格シフトメモリセルへの電圧としてΔVpgmを設定する場合には、ページバッファ/センス回路170は、内部電圧発生回路190によって生成されたΔVpgmをビット線に供給するようにしてもよい。
図8は、プログラムパルスP1、P2、P3、P4、P5が印加されたときのプログラムされたメモリセル(データ「0」)のしきい値分布幅のシフトを示している。プログラムパルスP2までは、ベリファイ電圧よりも大きなしきい値Vtにシフトされたメモリセル、すなわちベリファイにおいて合格したメモリセルは存在しないが、プログラムパルスP3を印加したとき、一部のメモリセルがベリファイ電圧よりも大きくなり、合格と判定される。プログラムパルスP4を印加した後のベリファイにおいて、前回のベリファイで合格とされた一部のメモリセルが、分布幅下限値よりも小さい領域Qに分布し、不合格と判定される。すなわち、不合格シフトメモリセルが発生する。次に、プログラムパルスP5を印加したとき、領域Qの不合格シフトメモリセルへ緩和されたプログラムが行われ、不合格シフトメモリセルのしきい値がデータ0の分布幅内にシフトされる。
図9は、図8に対応し、プログラムパルスP1、P2、P3、P4、P5が印加されたときのベリファイ結果とビット線電圧との関係が示されている。プログラムパルスのステップ電圧は、ΔVpgmであり、理想的なメモリセルは、ΔVpgmに応じてΔVthをシフトさせる。
プログラムパルスP3を印加した後のベリファイで合格と判定されたメモリセルについて、プログラムの禁止のためにビット線電圧がVddまたはVccに設定される。次に、プログラムパルスP4が印加され、プログラムパルスP4の印加後のベリファイにおいて、前回のベリファイで合格と判定されたが今回のベリファイで不合格と判定された不合格シフトメモリセルが発見された場合、この不合格シフトメモリセルにはプログラムパルスP5が印加される。プログラムパルスP5は、プログラムパルスP3に比較して、2×ΔVpgmだけ大きいため、2×ΔVthのシフトが予想され、オーバープログラムのおそれがある。そこで、ビット線電圧を0VからΔVpgmに設定する。これにより、不合格シフトメモリセルのチャンネル電位が0VからΔVpgmに上昇され、プログラムパルスP5の電圧との差分をΔVpgm分だけ緩和することができる。これにより、RTNやソースバウンス等によってしきい値にバラツキが生じたとしてもこれを是正し、しきい値を目的の分布幅内に収めることができる。
上記実施例では、1つのメモリセルに2値データを記憶する例を示したが、多値データを記憶するメモリセルのフラッシュメモリにも適用することができる。さらに、当業者であれば、プログラムパルスの生成は、公知の回路技術を用いて容易に成し得るものであり、また、プログラムパルスの数、パルス電圧、パルス幅時間は、フラッシュメモリの設計仕様に応じて適宜決定することが可能である。
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
100:フラッシュメモリ
110:メモリアレイ
120:入出力バッファ
130:アドレスレジスタ
140:データレジスタ
150:コントローラ
152:ベリファイメモリ
160:ワード線選択回路
170:ページバッファ/センス回路
180:列選択回路

Claims (8)

  1. NAND型の複数のメモリセルが形成されたメモリアレイを有するフラッシュメモリであって、
    メモリアレイのページを選択するページ選択手段と、
    ビット線にプログラムまたはプログラム禁止のビット線電圧を設定する設定手段と、
    選択されたページにプログラムパルスを印加する印加手段と、
    プログラムの合否を判定するベリファイ手段と、
    ベリファイの結果に基づき合格から不合格に変化した不合格シフトメモリセルの有無を判定する判定手段と、
    前記不合格シフトメモリセルがあると判定されたとき、前記設定手段は、前記不合格シフトメモリセルのビット線電圧として次のプログラムパルスの電圧を緩和する緩和電圧を設定する、フラッシュメモリ。
  2. 前記緩和電圧は、プログラムパルス間のステップ電圧である、請求項1に記載のフラッシュメモリ。
  3. 前記緩和電圧は、プログラムのときの電圧とプログラム禁止のときの電圧の間である、請求項1に記載のフラッシュメモリ。
  4. 前記判定手段は、プログラムパルスの印加の前後のベリファイ結果を比較することにより不合格シフトメモリセルの有無を判定する、請求項1に記載のフラッシュメモリ。
  5. 前記判定手段は、前記ベリファイ手段によるベリファイ結果を記憶する記憶手段を有し、前記記憶されたベリファイ結果を用いて不合格シフトメモリセルの有無を判定する、請求項4に記載のフラッシュメモリ。
  6. NAND型の複数のメモリセルが形成されたメモリアレイを有するフラッシュメモリのプログラム方法であって、
    プログラムデータに基づきビット線にプログラムのための電圧またはプログラム禁止のための電圧を設定し、選択されたページにプログラムパルスを印加し、
    前記選択されたページのプログラムのベリファイを行い、
    ベリファイの結果、合格から不合格に変化した不合格シフトメモリセルが発生した場合には、当該不合格シフトメモリセルのビット線に次のプログラムパルスによる電圧を緩和する緩和電圧を設定する、プログラム方法。
  7. 前記緩和電圧は、プログラムパルス間のステップ電圧である、請求項6に記載のプログラム方法。
  8. プログラムパルスの印加の前後のベリファイ結果を比較することにより前記不合格シフトメモリセルの有無を判定する、請求項6に記載のプログラム方法。
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