JP2016157494A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。以下では半導体記憶装置として、メモリセルトランジスタが半導体基板上に二次元に配置された平面型NAND型フラッシュメモリを例に挙げて説明する。
1.1.1 半導体記憶装置の全体構成について
まず、半導体記憶装置の全体構成について、図1を用いて説明する。図示するようにNAND型フラッシュメモリ100は、大まかにはコア部110及び周辺回路120を備えている。
次にセンスアンプ113の構成の詳細について、図2を用いて説明する。本実施形態では、ビット線BLを流れる電流をセンスする電流センス方式のセンスアンプ113を例に説明する。
次に、本実施形態に係るデータの書き込み動作について説明する。
まず、書き込み動作の概念について、特にビット線BLとチャネルの電位に着目して、図5を用いて説明する。本実施形態における書き込み動作は、大まかには3つのステップを含む。以下では、“0”データが書き込まれるメモリセルトランジスタMTに対応するビット線をBL(“0”)と呼び、“1”データが書き込まれるメモリセルトランジスタMTに対応するビット線をBL(“1”)と呼ぶ。
まず、第1ステップについて説明する。第1ステップでは、センスアンプ113が、ビット線BLを介して、NANDストリング116内のチャネルに電圧を転送する。
第2ステップでは、ビット線BL(“0”)、ソース線SL、及び非選択ブロックBLKのセレクトゲート線SGDとの容量カップリングにより、ビット線BL(“1”)の電位が上昇される。
第3ステップでは、ワード線WLに電圧が印加されることで、メモリセルトランジスタMTにデータが書き込まれる。
次に、上記データの書き込み動作の詳細について、図6乃至図11を用いて説明する。
まず第1ステップが、時刻t1において開始される。この様子を図7に示す。図6及び図7に示すように、まず時刻t1で、シーケンサ121は、信号BLCの電圧をVBLC1(例えば1.5V+Vt)(VtはセンスアンプユニットSAU内の低耐圧nチャネルMOSトランジスタの閾値)にする。電圧VBLC1とセンスアンプユニットSAUに供給される電源電圧VDDSAとの間には、VDDSA>(VBLC1−Vt)の関係がある。
次に、時刻t2において第2ステップが開始される。時刻t2においてシーケンサ121は、信号線BLCにVSSを印加してトランジスタ41をオフ状態とし、センスアンプユニットSAUとビット線BLとを電気的に切断する。これにより、全てのビット線BL及びNANDストリング116は、電気的にフローティング状態にされる。またシーケンサ121は、ノードSRCGNDに、電圧VSRCGND1(例えば1.5V)を印加する。
次に、時刻t6において第3ステップが開始される。この様子を図11に示す。すなわち時刻t6においてロウデコーダ112は、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに電圧VPASS(例えば7V)を印加する。電圧VPASSは、書き込みの際、メモリセルトランジスタMTの閾値に関わらず、メモリセルトランジスタMTをオン状態にしつつ、非選択メモリセルトランジスタMTへの誤書き込みを防止する電圧である。すると、ワード線WLとのカップリングにより、チャネル電位Vch1は電圧Vboに上昇する。
本実施形態に係る構成であると、書き込み動作の信頼性を向上できる。本効果につき、以下説明する。
次に、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、第1実施形態を、三次元積層型NAND型フラッシュメモリに適用したものである。以下では、第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。
まず、本実施形態に係るメモリセルアレイ111の構成について、図12を用いて説明する。図12は、メモリセルアレイ111内のいずれかのブロックBLKの回路図である。
次に、本実施形態における書き込み動作について図14を用いて説明する。本実施形態の書き込み動作は、第1実施形態で説明した図5乃至図12とほぼ同様である。しかし、第1実施形態と異なる点は、第2ステップにおいて、ウェル配線CPWELLの電圧もビット線BL(“1”)の昇圧に寄与する点である。
本実施形態に係る構成であると、三次元積層型NAND型フラッシュメモリであっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。
次に、第3実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、第1及び第2実施形態において、“0”データの書き込みを、閾値の変動量が異なる複数の書き込み条件を組み合わせて行うものである。以下では、第1及び第2実施形態と異なる点についてのみ説明する。
まず、本実施形態における書き込み動作について大まかに説明する。本実施形態に係る書き込み動作は、第1の書き込み動作と第2の書き込み動作とを含む。各書き込み動作は、電荷蓄積層に電子を注入して閾値電圧を上昇させるプログラム動作と、プログラム動作の結果、目標とする値に閾値電圧が達したか否かを判定するベリファイ動作とを含む。
次に、本実施形態における書き込み動作の詳細につき、図16を用いて説明する。図16は、第1実施形態で説明した図5のフローチャートに対応しており、以下では図5と異なる点についてのみ説明する。なお以下の説明では、第1の書き込み動作において“0”データが書き込まれるメモリセルトランジスタに対応するビット線BL及びそのNANDストリング116のチャネル電位をBL(“0”)及びVch0と表記し、第2書き込み動作においてはBL(“QPW”)及びVch_QPWと表記する。“1”書き込みに関しては、いずれの動作時においてもBL(“1”)及びVch1と表記する。
第1ステップは、第1実施形態と同様である。BL(“QPW”)には、BL(“0”)と同様にセンスアンプ113からVSS(例えば0V)が印加され(ステップS1−1’)、Vch_QPWもVSSとされる(ステップS1−2’)。
第2ステップも、第1実施形態と同様である。BL(“QPW”)には、BL(“0”)と同様にセンスアンプ113から正電圧VBLL1が印加され(ステップS2−1’)、Vch_QPWもVBLL1とされる(ステップS2−2’)。
第3ステップでは、第1実施形態と異なり、センスアンプ113はビット線BL(“QPW”)に正電圧VBLL2(例えば0.5Vであり、VSS<VBLL2<VSGD2)を印加する(ステップS3−1’)。この結果、Vch_QPWもVBLL2とされる。そして、この状態でデータがプログラムされる(ステップS3−2)
次に、上記データの書き込み動作時の各配線の電圧変化について、図17を用いて説明する。図17は、第1実施形態における図6に対応し、以下では第1実施形態と異なる点にのみ着目して説明する。
第1及び第2ステップ(時刻t1〜t6)におけるビット線BL(“QPW”)の電位及びチャネル電位Vch_QPWは、ビット線BL(“0”)の電位及びチャネル電位Vch0と同じであり、第1実施形態と同様であるので説明は省略する。
第3ステップでは、まず時刻t6で、第2のプログラムを行うセンスアンプユニットSAUのラッチ回路210に保持されているデータが反転される。具体的には、シーケンサ121は、信号BLCの電圧をVSSにし、トランジスタ41をオフ状態にする。そしてシーケンサ121は、ラッチ回路210のノードLATに“H”レベル(“1”データ)を与え、ノードINVに“L”レベル(“0”データ)を与える。これにより、図5で説明したセンスアンプユニットSAUにおいて、第1のスイッチがオン状態になり、第2のスイッチがオフ状態になる。よって、時刻t6以降、ビット線BL(“QPW”)には、ビット線BL(“1”)と同様に、トランジスタ41でVDDSAがクランプされた正電圧が印加される。
本実施形態に係る構成であると、上記第1及び第2実施形態と同様の効果が得られる。
次に、第4実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、第2実施形態において、書き込みの初期段階で選択ブロックBLKの全てのNANDストリング116のチャネルの電位を容量カップリングにより上昇させるものである。以下では、第2実施形態と異なる点についてのみ説明する。
まず、書き込み動作の概念について、図18を用いて説明する。図18は、第1実施形態で説明した図5に対応しており、以下では、第1及び第2実施形態と異なる点にのみ着目して説明する。また以下では、選択ブロックBLKの非選択ストリングユニットSUのNANDストリング116のチャネル電位をVch_NSUと呼ぶ。
本実施形態では、第1ステップの前に第0ステップが行われる。第0ステップでは、まずセンスアンプ113が、全てのビット線BLを介して、選択ブロックBLKの全てのNANDストリング116のチャネルに正電圧VBLH1を転送する。すなわち、選択ブロックBLKの全てのストリングユニットSUの選択トランジスタST1がオンにされた状態で、センスアンプ113が全ビット線BLに正電圧VBLH1を印加する(ステップS0−1)。
第1〜第3ステップの動作は図5とほぼ同じである。異なる点は第1〜第3ステップにおいて、選択ブロックBLKの非選択SUのチャネルはフローティング状態にあるため、容量カップリングにより昇圧されたチャネル電位Vch_NSU=VBLH2が維持されている点である。
次に、本実施形態における書き込み時の各配線の電圧変化について、図19を用いて説明する。図19は、第2実施形態で説明した図14に対応し、以下では第2実施形態と異なる点にのみ着目して説明する。
図示するように、第0ステップが時刻t1〜t5において実行される。まず時刻t1において、シーケンサ121は、信号BLCの電圧をVBLC1(例えば1.5V+Vt)とする。また、ノードSRCGNDに電圧VSRCGND0(>1.5V)を印加する。電圧VSRCGND0は、VBLC1−Vtよりも高い電圧であり、例えばVDDSAと同電位であっても良い。
第1〜第3ステップは、第2実施形態で説明した図14とほぼ同様である。但し、選択ブロックBLKにおける非選択ストリングユニットSUのチャネル電位Vch_NSUは、時刻t3〜t13の間フローティング状態が維持されている。よって、チャネル電位Vch_NSUは、第1〜第3ステップの間、VBLH2(例えば2.5V)が維持され、時刻t10〜t11の間、チャネルブーストによりVboに上昇する。
本実施形態に係る構成であると、上記第2実施形態と同様の効果が得られる。
上記実施形態に係る半導体記憶装置は、第1メモリセルトランジスタMT(図1のブロックBLK0のメモリセルトランジスタMT0)と第1選択トランジスタST1(図1のブロックBLK0の選択トランジスタST1)とを含む第1NANDストリング116(図1のブロックBLK0のNANDストリング116)を備えた第1ブロックBLK(図1のブロックBLK0)と、第2メモリセルトランジスタMT(図1のブロックBLK1の図示せぬメモリセルトランジスタMT0)と第2選択トランジスタST1(図1のブロックBLK1の図示せぬ選択トランジスタST1)とを含む第2NANDストリング116(図1のブロックBLK1のNANDストリング116)を備えた第2ブロックBLK(図1のブロックBLK1)と、第1及び第2セレクトゲート線(図1のセレクトゲート線SGD0及びSGD1)と、第1ビット線BL(図1のビット線BL0)と、第1センスアンプユニットSAU(図1のセンスアンプユニットSAU)とを具備する。第1選択トランジスタST1には、第1セレクトゲート線SGDが接続される。第2選択トランジスタST1には第2セレクトゲート線SGDが接続される。第1及び第2NANDストリング116は第1ビット線BLに共通に接続される。第1ビット線BLは第1センスアンプユニットSAUに接続される。第1メモリセルトランジスタMTへのデータの書き込み時において、第1セレクトゲート線SGDに第1選択トランジスタST1をオン状態とする第1電圧(図6のVSGD1)が印加され、且つ第1センスアンプユニットSAUと第1ビット線BLとが電気的に遮断された状態で、第2セレクトゲート線SGDの電圧が第2電圧(図6のVUSGD1)に上昇される。第2セレクトゲート線SGDの電圧が第2電圧(図6のVUSGD1)に上昇された後、第1セレクトゲート線SGDに第1電圧より低い第3電圧(図6のVSGD2)が印加される。
読み出し動作の時間(tR)としては、例えば25μs〜38μs, 38μs〜70μs, 70μs〜80μsの間にしてもよい。
プログラム動作時に選択されたワード線に最初に印加される電圧は、例えば13.7V〜14.3Vの間である。これに限定されることなく、例えば13.7V〜14.0V, 14.0V〜14.6Vいずれかの間としてもよい。
非選択のワード線が奇数番目のワード線であるか、偶数番目のワード線であるかで、印加するパス電圧を変えてもよい。
書き込み動作の時間(tProg)としては、例えば1700μs〜1800μs, 1800μs〜1900μs, 1900μs〜2000μsの間にしてもよい。
半導体基板上部に形成され、かつ、上記メモリセルが上方に配置されたウェルに最初に印加する電圧は、例えば12V〜13.6Vの間である。この場合に限定されることなく、例えば13.6V〜14.8V, 14.8V〜19.0V, 19.0〜19.8V, 19.8V〜21Vの間であってもよい。
消去動作の時間(tErase)としては、例えば3000μs〜4000μs, 4000μs〜5000μs, 4000μs〜9000μsの間にしてもよい。
半導体基板(シリコン基板)上に膜厚が4〜10nmのトンネル絶縁膜を介して配置された電荷蓄積層を有している。この電荷蓄積層は膜厚が2〜3nmのSiN、またはSiONなどの絶縁膜と膜厚が3〜8nmのポリシリコンとの積層構造にすることができる。また、ポリシリコンにはRuなどの金属が添加されていても良い。電荷蓄積層の上には絶縁膜を有している。この絶縁膜は、例えば、膜厚が3〜10nmの下層High−k膜と膜厚が3〜10nmの上層High−k膜に挟まれた膜厚が4〜10nmのシリコン酸化膜を有している。High−k膜はHfOなどが挙げられる。また、シリコン酸化膜の膜厚はHigh−k膜の膜厚よりも厚くすることができる。絶縁膜上には膜厚が3〜10nmの仕事関数調整用の材料を介して膜厚が30nm〜70nmの制御電極が形成されている。ここで仕事関数調整用の材料はTaOなどの金属酸化膜、TaNなどの金属窒化膜である。制御電極にはWなどを用いることができる。
Claims (9)
- 第1メモリセルトランジスタと第1選択トランジスタとを含む第1NANDストリングを備えた第1ブロックと、
第2メモリセルトランジスタと第2選択トランジスタとを含む第2NANDストリングを備えた第2ブロックと、
前記第1選択トランジスタに接続された第1セレクトゲート線と、
前記第2選択トランジスタに接続された第2セレクトゲート線と、
前記第1NANDストリング及び前記第2NANDストリングに共通に接続される第1ビット線と、
前記第1ビット線に接続される第1センスアンプユニットと
を具備し、前記第1メモリセルトランジスタへのデータの書き込み時において、前記第1セレクトゲート線に前記第1選択トランジスタがオン状態とされる第1電圧が印加され、且つ前記第1センスアンプユニットと前記第1ビット線が電気的に遮断された状態で、前記第2セレクトゲート線の電圧が第2電圧に上昇され、
前記第2セレクトゲート線の電圧が前記第2電圧に上昇された後に、前記第1セレクトゲート線には前記第1電圧より低い第3電圧が印加される
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1メモリセルトランジスタに接続された第1ワード線と、
前記第2メモリセルトランジスタに接続された第2ワード線と
を更に具備し、前記データの書き込み時において、前記第1セレクトゲート線に前記第3電圧が印加された状態で、前記第1ワード線に前記第1乃至第3電圧よりも大きい第4電圧が印加されることを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置。 - 第2ビット線を更に具備し、
前記第1ブロックは、第3メモリセルトランジスタと前記第1セレクトゲート線に接続された第3選択トランジスタとを含み、前記第2ビット線に接続された第3NANDストリングを更に具備し、
前記データの書き込み時において、前記第1セレクトゲート線に前記第1電圧が印加され、且つ前記第1センスアンプユニットと前記第1ビット線が電気的に遮断された状態で、前記第1ビット線の電圧は第5電圧に上昇され、前記第2ビット線には前記第5電圧と異なる第6電圧が印加される
ことを特徴とする請求項1または2記載の半導体記憶装置。 - 前記第3電圧は、前記第1選択トランジスタをオフ状態とし、前記第3選択トランジスタをオン状態とすることを特徴とする請求項3記載の半導体記憶装置。
- 前記第1乃至第3NANDストリングに共通に接続されるソース線を更に具備し、
前記データの書き込み時において、前記第1セレクトゲート線に前記第1電圧が印加され、且つ前記第1センスアンプユニットと前記第1ビット線が電気的に遮断された状態で、前記ソース線に正の第7電圧が印加される
ことを特徴とする請求項3または4記載の半導体記憶装置。 - 前記第2ビット線に接続される第2センスアンプユニットを更に具備し、前記データの書き込み時において、
第1タイミングで、前記第1ビット線には第8電圧が印加され、前記第1セレクトゲート線には前記第1電圧が印加され、
前記第1タイミングの後の第2タイミングで、前記第1ビット線は、前記第1センスアンプユニットと電気的に遮断にされ、
前記第2タイミングの後の第3タイミングで、前記第2セレクトゲート線には前記第2電圧が印加され、前記ソース線には前記第7電圧が印加され、前記第2ビット線には前記第6電圧が印加され、
前記第1ビット線の電圧は、前記第8電圧より高い前記第5電圧に上昇され、
前記第3タイミングの後の第4タイミングで、前記第1セレクトゲート線に前記第3電圧が印加され、
前記第4タイミングの後の第5タイミングで、前記第2ビット線に前記第6電圧より低い電圧が印加される
ことを特徴とする請求項5記載の半導体記憶装置。 - 前記第3タイミングにおいて、前記ソース線に印加される前記第7電圧は、前記第1タイミング及び前記第2タイミングにおける前記ソース線の電圧よりも高い電圧であることを特徴とする請求項6記載の半導体記憶装置。
- 前記第1及び第2センスアンプユニットに電圧を供給する配線を更に具備し、前記第3タイミングにおいて、前記配線は、前記第5電圧よりも高い第9電圧を印加されることを特徴とする請求項6記載の半導体記憶装置。
- 前記第1ブロックにおいて、第4メモリセルトランジスタと第3セレクトゲート線に接続された第4選択トランジスタとを含む第4NANDストリングを更に具備し、
前記第1タイミングより前のタイミングにおいて、前記第1及び第3セレクトゲート線に前記第1電圧が印加され、且つ前記第1センスアンプユニットと前記第1ビット線が電気的に遮断され、且つ前記第2センスアンプユニットと前記第2ビット線が電気的に遮断された状態で、前記第2セレクトゲート線には前記第2電圧が印加され、
前記第2セレクトゲート線に前記第2電圧が印加された後に、前記第3セレクトゲート線には、前記第4選択トランジスタをオフ状態にする前記第1電圧よりも低い電圧が印加される
ことを特徴とする請求項6記載の半導体記憶装置。
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