JP2016170833A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】一つの実施形態は、メモリセルの検査時間を短縮することに適した半導体装置を提供することを目的とする。
【解決手段】一つの実施形態によれば、ノーマルセルとレプリカセルとワードラインと第1のビットラインとバイアス生成回路と第2のビットラインと電流生成回路とを有する半導体装置が提供される。ノーマルセルは、OTP(One Time Programmable)型のメモリセルである。レプリカセルは、ノーマルセルと等価な特性を有する。ワードラインは、ノーマルセルの制御端子とレプリカセルの制御端子とに共通に接続されている。第1のビットラインは、レプリカセルの入出力端子に接続されている。バイアス生成回路は、第1のビットラインに接続されている。第2のビットラインは、ノーマルセルの入出力端子に接続されている。電流生成回路は、バイアス生成回路及び第2のビットラインに接続されている。
【選択図】図2
【解決手段】一つの実施形態によれば、ノーマルセルとレプリカセルとワードラインと第1のビットラインとバイアス生成回路と第2のビットラインと電流生成回路とを有する半導体装置が提供される。ノーマルセルは、OTP(One Time Programmable)型のメモリセルである。レプリカセルは、ノーマルセルと等価な特性を有する。ワードラインは、ノーマルセルの制御端子とレプリカセルの制御端子とに共通に接続されている。第1のビットラインは、レプリカセルの入出力端子に接続されている。バイアス生成回路は、第1のビットラインに接続されている。第2のビットラインは、ノーマルセルの入出力端子に接続されている。電流生成回路は、バイアス生成回路及び第2のビットラインに接続されている。
【選択図】図2
Description
実施形態は、半導体装置に関する。
OTP(One Time Programmable)型のメモリセルを有する半導体装置では、出荷前の検査工程において、所定の情報がメモリセルにプログラムされる。そして、適正にプログラムが行われているかについてメモリセルが検査される。このとき、検査時間を短縮することが望まれる。
一つの実施形態は、メモリセルの検査時間を短縮することに適した半導体装置を提供することを目的とする。
一つの実施形態によれば、ノーマルセルとレプリカセルとワードラインと第1のビットラインとバイアス生成回路と第2のビットラインと電流生成回路とを有する半導体装置が提供される。ノーマルセルは、OTP(One Time Programmable)型のメモリセルである。レプリカセルは、ノーマルセルと等価な特性を有する。ワードラインは、ノーマルセルの制御端子とレプリカセルの制御端子とに共通に接続されている。第1のビットラインは、レプリカセルの入出力端子に接続されている。バイアス生成回路は、第1のビットラインに接続されている。第2のビットラインは、ノーマルセルの入出力端子に接続されている。電流生成回路は、バイアス生成回路及び第2のビットラインに接続されている。
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体装置を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(実施形態)
実施形態にかかる半導体装置1について図1を用いて説明する。図1は、半導体装置1の構成を示すブロック図である。
実施形態にかかる半導体装置1について図1を用いて説明する。図1は、半導体装置1の構成を示すブロック図である。
半導体装置1は、例えばMCU(マイコン)であり、OTP(One Time Programmable)回路10、レジスタ20、アナログ回路30、メモリ40、及び論理回路50を有する。OTP回路10は消去コマンドを受け付けないように構成されており、OTP回路10に1回書き込まれたデータは消去できないようになっている。OTP回路10には、アナログ回路30、メモリ40、及び論理回路50に対する動作パラメータが予め出荷前に記憶される。
例えば、メモリ40には、複数のメモリセル及び複数の冗長セルが配列されている。OTP回路10には、メモリ40におけるどのメモリセルを冗長セルで置き換えるかというリダンダンシ置き換え情報が記憶されている。また、OTP回路10には、チップ固有のID情報、アナログ回路30及び論理回路50のチューニング情報などが記憶されている。
半導体装置1は、電源回路(図示せず)を有しており、電源回路が起動されると、OTP回路10に記憶された動作パラメータを読み出してレジスタ20に転送し記憶する。これにより、動作パラメータは、アナログ回路30、メモリ40、及び論理回路50により使用可能な状態に設定される。アナログ回路30、メモリ40、及び論理回路50は、必要に応じて、レジスタ20から動作パラメータを取得してその動作に使用する。
そのため、半導体装置1の出荷前において、複数のOTP(One Time Programmable)型のメモリセルを含むOTP回路10における選択されたメモリセルに動作パラメータのデータを書き込む。
ここで、仮に、そのメモリセルにデータが適正にプログラムされることを補償するために、書き込みが成功したと判定(ベリファイ)されるまでプログラム電圧を増加させながら書き込み動作とベリファイ動作とが交互に繰り返されるループ処理を行う場合を考える。この場合、ループ回数が増加すると、適正にプログラムが行われているかについてのメモリセルの検査時間が長時間化する傾向にある。
そこで、実施形態では、半導体装置1において、OTP型のメモリセル(ノーマルセル)と等価な特性を有するレプリカセルを用いてバイアスを生成し、生成されたバイアスに応じたレファレンス電流を用いてプログラムの成否を判定させることで、ループ処理を行わずにメモリセルのプログラムの検査を行わせる。
具体的には、OTP回路10は、図2に示す構成を有する。図2は、OTP回路10の構成を示す回路図である。OTP回路10は、ノーマルセルアレイ11、レプリカセルアレイ12、複数のワードラインWL−1〜WL−m、複数のソースラインSL−1〜SL−(n+2)、複数のビットラインBL−1〜BL−(n+2)、バイアス生成回路13、電流生成回路14、ローデコーダ15、バイアス制御回路16、書き込み回路17、及びセンスアンプ18を有する。
ノーマルセルアレイ11では、複数のノーマルセルNC(1,1)〜NC(m,n)が複数行(m行)及び複数例(n列)を構成するように2次元的に配列されている。m,nはそれぞれ2以上の整数であり、例えばm=8、n=512である。各ノーマルセルNCは、OTP型のメモリセルであり、1回書き込まれたデータは消去できないようになっている。各ノーマルセルNCは、例えば、NMOSトランジスタであり、ゲート酸化膜に電荷を蓄積することで1ビットのデータをプログラム可能に構成されている。
複数行のノーマルセルNCは、複数のワードラインWL−1〜WL−mに対応している。各行のノーマルセルNCの制御端子Gは、対応するワードラインWLに電気的に接続されている。各行のノーマルセルNCの制御端子Gは、例えばNMOSトランジスタのゲートである。
複数列のノーマルセルNCは、複数のソースラインSL−1〜SL−nに対応している。各列のノーマルセルNCの基準端子Sは、対応するソースラインSLに電気的に接続されている。各列のノーマルセルNCの基準端子Sは、例えばNMOSトランジスタのソース又はドレインである。
複数列のノーマルセルNCは、複数のビットラインBL−1〜BL−nに対応している。各列のノーマルセルNCの入出力端子Dは、対応するビットラインBLに電気的に接続されている。各列のノーマルセルNCの入出力端子Dは、例えばNMOSトランジスタのドレイン又はソースである。
レプリカセルアレイ12では、複数のレプリカセルRC(1,n+1)〜RC(m,n+2)が複数行(m行)及び複数例(2列)を構成するように2次元的に配列されている。各レプリカセルRCは、ノーマルセルNCと等価な電気的特性を有するように構成されている。例えばノーマルセルNCがNMOSトランジスタである場合、各レプリカセルRCは、ノーマルセルNCと等価なディメンジョン(=W/L、W:チャネル幅、L:チャネル長)を有するNMOSトランジスタである。
複数行のレプリカセルRCは、複数のワードラインWL−1〜WL−mに対応している。各行のレプリカセルRCの制御端子Gは、対応するワードラインWLに電気的に接続されている。各行のレプリカセルRCの制御端子Gは、例えばNMOSトランジスタのゲートである。
複数列のレプリカセルRCは、複数のソースラインSL−(n+1),SL−(n+2)に対応している。各列のレプリカセルRCの基準端子Sは、対応するソースラインSLに電気的に接続されている。各列のレプリカセルRCの基準端子Sは、例えばNMOSトランジスタのソース又はドレインである。
複数列のレプリカセルRCは、複数のビットラインBL−(n+1),BL−(n+2)に対応している。各列のレプリカセルRCの入出力端子Dは、対応するビットラインBLに電気的に接続されている。各列のレプリカセルRCの入出力端子Dは、例えばNMOSトランジスタのドレイン又はソースである。
各ソースラインSL−1〜SL−(n+2)には、電流源19−1〜19−(n+2)が挿入されている。電流源19−1〜19−(n+2)は、例えば書き込み回路17により制御され、ノーマルセルNCからの読み出し動作時に動作して、ソースラインSL−1〜SL−(n+2)の電位をグランド電位に引き込む。電流源19−1〜19−(n+2)は、例えば、ゲートが書き込み回路17に接続されソースがグランド電位に接続されドレインがソースラインSLに接続されたNMOSトランジスタである。
バイアス生成回路13は、ノーマルセルNCからの読み出し動作時に、ビットラインBL−(n+1)に流れる電流とビットラインBL−(n+2)に流れる電流とに応じたバイアスを生成する。バイアス生成回路13は、ビットラインBL−(n+1)に流れる電流とビットラインBL−(n+2)に流れる電流とを平均化して得られるレファレンス電流に応じたバイアスを生成する。すなわち、バイアス生成回路13は、第(n+1)列のレプリカセルRCの閾値特性と第(n+2)列のレプリカセルRCの閾値特性とを平均化して得られる平均特性(平均化された閾値特性)に対応したバイアスを生成する。バイアス生成回路13は、生成されたバイアスを電流生成回路14へ供給する。電流生成回路14は、ノーマルセルNCからの読み出し動作時に、バイアス生成回路13で生成されたバイアスに応じたレファレンス電流を生成して各ビットラインBL−1〜BL−nに供給する。
例えば、バイアス生成回路13は、複数のビットラインBL−(n+1),BL−(n+2)に対応した複数のバイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)を有する。電流生成回路14は、複数のビットラインBL−1〜BL−nに対応した複数の電流源トランジスタ141−1〜141−nを有する。各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)は、各電流源トランジスタ141−1〜141−nとカレントミラー回路を形成する。これにより、ビットラインBL−(n+1)に流れる電流とビットラインBL−(n+2)に流れる電流とを平均化して得られるレファレンス電流は、所定のミラー比で各ビットラインBL−1〜BL−nにコピーされる。例えば、各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)のディメンジョンと各電流源トランジスタ141−1〜141−nのディメンジョンとが均等である場合、ミラー比が略1であり、バイアス生成回路13で平均化されるレファレンス電流と略均等なレファレンス電流が各ビットラインBL−1〜BL−nにコピーされる。
ローデコーダー15は、複数のワードラインWL−1〜WL−mに電気的に接続されている。ローデコーダー15は、各ワードラインWL−1〜WL−mの電圧を制御し、各行のノーマルセルNCの制御端子Gと各行のレプリカセルRCの制御端子Gとに印加される電圧を制御する。例えば、ノーマルセルNCへのプログラム動作では、ローデコーダー15は、選択行のワードラインWLにプログラム電圧Vwp(例えば、8V)を印加し、非選択行のワードラインWLに非選択電圧Vwu(例えば、0V)を印加する。ノーマルセルNCからの読み出し動作では、ローデコーダー15は、選択行のワードラインWLに読み出し電圧Vwr(例えば、1V)を印加し、非選択行のワードラインWLに非選択電圧Vwu(例えば、0V)を印加する。
バイアス制御回路16は、各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)の動作を制御する。例えば、バイアス制御回路16は、ノーマルセルNCへのプログラム動作において、オフレベルの基準バイアスを各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)のゲートへ供給する。これにより、ノーマルセルNCへのプログラム動作において、各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)がオフされる。バイアス制御回路16は、ノーマルセルNCからの読み出し動作において、オンレベルの基準バイアスを各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)のゲートへ供給する。これにより、ノーマルセルNCからの読み出し動作において、各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)がオンされる。
書き込み回路17は、複数のビットラインBL−1〜BL−(n+2)に電気的に接続されている。書き込み回路17は、各ビットラインBL−1〜BL−(n+2)の電圧を制御する。書き込み回路17は、ノーマルセルNCへのプログラム動作において、各ビットラインBL−1〜BL−nのうち選択行(プログラム対象の行)のビットラインBLに選択電圧Vbpを供給し、非選択行のビットラインBLに非選択電圧Vbuを供給する。それとともに、書き込み回路17は、ビットラインBL−(n+1),BL−(n+2)のうち一方に選択電圧Vbpを供給し、他方に非選択電圧Vbuを供給する。書き込み回路17は、ノーマルセルNCからの読み出し動作において、各ビットラインBL−1〜BL−(n+2)の電圧の制御を休止する。
書き込み回路17は、各ビットラインBL−1〜BL−nと各接続ラインCL−1〜CL−nとの接続を制御してもよい。複数のビットラインBL−1〜BL−nと複数の接続ラインCL−1〜CL−nとは、互いに対応している。書き込み回路17は、ノーマルセルNCへのプログラム動作において、各ビットラインBL−1〜BL−nと対応する接続ラインCL−1〜CL−nとの接続を遮断してもよい。書き込み回路17は、ノーマルセルNCからの読み出し動作において、各ビットラインBL−1〜BL−nと対応する接続ラインCL−1〜CL−nとを接続してもよい。
書き込み回路17は、電流源19−1〜19−(n+2)の制御端子(例えば、NMOSトランジスタのゲート)に接続されていてもよい。書き込み回路17は、電流源19−1〜19−(n+2)の動作を制御してもよい。書き込み回路17は、ノーマルセルNCへのプログラム動作において、電流源19−1〜19−(n+2)をオフさせ、ノーマルセルNCからの読み出し動作において、電流源19−1〜19−(n+2)をオンさせ動作させる。
センスアンプ18は、複数の接続ラインCL−1〜CL−n及び書き込み回路17を介して複数のビットラインBL−1〜BL−nに電気的に接続可能である。センスアンプ18は、レプリカセルRCに対応したビットラインBL−(n+1),BL−(n+2)に電気的に接続不可能である。センスアンプ18は、ノーマルセルNCへのプログラム動作において、書き込み回路17を介して複数のビットラインBL−1〜BL−nから電気的に遮断される。センスアンプ18は、ノーマルセルNCからの読み出し動作において、複数の接続ラインCL−1〜CL−n及び書き込み回路17を介して、複数のビットラインBL−1〜BL−nに電気的に接続される。これにより、センスアンプ18は、各ビットラインBL−1〜BL−nの電位を検知する。例えば、センスアンプ18は、各ビットラインBL−1〜BL−nにレファレンス電流が所定時間供給されたタイミングで、各ビットラインBL−1〜BL−nの電位を検知し、検知結果を外部のコントローラ(図示せず)に供給する。これにより、外部のコントローラは、各ビットラインBL−1〜BL−nの検知された電位と基準電位とを比較し、比較結果に応じて、選択行の読み出し対象のノーマルセルNCに適正にデータがプログラムされているか否か検査できる。
なお、各ノーマルセルNC及び各レプリカセルRCは、信頼性を考慮してゲート酸化膜の厚いトランジスタで形成され得るのに対して、書き込み回路17及びセンスアンプ18を構成するトランジスタは、面積縮小のためにゲート酸化膜の薄いトランジスタで形成され得る。そのため、書き込み回路17が各ビットラインBL−1〜BL−nに印加する選択電圧Vbpと非選択電圧Vbuとの差を1V程度にすることが好ましい。
次に、OTP回路10におけるノーマルセルNCへのプログラム動作について図3及び図4を用いて説明する。図3は、ノーマルセルNCへのプログラム動作を示す回路図である。図4は、ノーマルセルNCのプログラム特性を示すグラフである。図4では、ゲート及びソース・ドレイン間の電圧が5.0V,6.0V,7.0V,8.0Vの場合におけるノーマルセルNCのプログラム特性が、それぞれ、実線、破線、一点鎖線、二点鎖線で示されている。
ノーマルセルNCへのプログラム動作では、図3に示すように、バイアス制御回路16は、各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)をオフさせる。これにより、各ビットラインBL−1〜BL−(n+2)は、電流源トランジスタ141−1〜141−nにより駆動されなくなり、その電圧を容易に変更可能な状態になる。また、書き込み回路17は、各ビットラインBL−1〜BL−nと対応する接続ラインCL−1〜CL−nとの接続を遮断するとともに、各電流源19−1〜19−(n+2)をオフさせる。これにより、各ソースラインSL−1〜SL−(n+2)はフローティング状態になる。
例えば2行1列目のノーマルセルNC(2,1)にビット「1」をプログラムし他のノーマルセルNCにプログラムしない場合、ローデコーダー15は、選択行(第2行)のワードラインWL−2にプログラム電圧Vwp(例えば、8V)を印加し、非選択行(第1,3〜m行)のワードラインWL−1,WL−3〜WL−mに非選択電圧Vwu(例えば、0V)を印加する。また、書き込み回路17は、1,(n+1)列目のビットラインBL−1,BL−(n+1)に選択電圧Vbp(例えば、0V)を供給し、他の2〜n,(n+2)列目のビットラインBL−2〜BL−n,BL−(n+2)に非選択電圧Vbu(例えば、1V)を供給する。
選択行(第2行)では、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)は、オンしているので、基準端子S及び入出力端子Dがともに選択電圧Vbp(例えば、0V)になる。制御端子Gに印加されるプログラム電圧Vwp(8V)と選択電圧Vbp(例えば、0V)との電圧差で電荷がゲート酸化膜側に引き寄せられる。図4に示すように、プログラム電圧Vwpの印加時間がPT1であれば、制御端子Gと入出力端子Dと電圧差が約8VであるノーマルセルNC(2,1)において、そのゲート酸化膜に電荷が蓄積され、閾値電圧が約0.5V→約0.7Vと変化する。
図3に示す選択行(第2行)では、非プログラム対象のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)は、オンしているので、基準端子S及び入出力端子Dがともに非選択電圧Vbu(例えば、1V)になる。制御端子Gに印加されるプログラム電圧Vwp(8V)と非選択電圧Vbu(例えば、1V)との電圧差で電荷がゲート酸化膜側に引き寄せられる。図4に示すように、制御端子Gと入出力端子Dと電圧差が約7Vである他のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)において、そのゲート酸化膜に電荷が蓄積されず、閾値電圧が約0.5Vのままほとんど変化しない。
これにより、選択行(第2行)では、ノーマルセルNC(2,1)と他のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)との間で閾値電圧を異ならせることができる。すなわち、ノーマルセルNC(2,1)をプログラム状態(図3の実線の矢印参照)、他のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)を非プログラム状態(図3の破線の矢印参照)とすることができる。
このとき、レプリカセルRC(2,n+1)は、オンしているので、基準端子S及び入出力端子Dがともに選択電圧Vbp(例えば、0V)になる。制御端子Gに印加されるプログラム電圧Vwp(8V)と選択電圧Vbp(例えば、0V)との電圧差で電荷がゲート酸化膜側に引き寄せられる。このとき、図4に示すように、プログラム電圧Vwpの印加時間がPT1であれば、制御端子Gと入出力端子Dと電圧差が約8VであるレプリカセルRC(2,n+1)において、そのゲート酸化膜に電荷が蓄積され、閾値電圧が約0.5V→約0.7Vと変化する。すなわち、レプリカセルRC(2,n+1)は、ノーマルセルNC(2,1)のプログラム状態をレプリケートすることができる。
レプリカセルRC(2,n+2)は、オンしているので、基準端子S及び入出力端子Dがともに非選択電圧Vbu(例えば、1V)になる。制御端子Gに印加されるプログラム電圧Vwp(8V)と非選択電圧Vbu(例えば、1V)との電圧差で電荷がゲート酸化膜側に引き寄せられる。図4に示すように、制御端子Gと入出力端子Dと電圧差が約7VであるレプリカセルRC(2,n+2)において、そのゲート酸化膜に電荷が蓄積されず、閾値電圧が約0.5Vのままほとんど変化しない。すなわち、レプリカセルRC(2,n+2)は、ノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)の非プログラム状態をレプリケートすることができる。
一方、非選択行(第1,3〜m行)では、ノーマルセルNCがいずれもオフしている。非選択行(第1,3〜m行)且つ非選択列(第2〜n列)のノーマルセルNC(1,2)〜NC(1,n),NC(2,2)〜NC(2,n),・・・,NC(m,2)〜NC(m,n)では、制御端子Gに非選択電圧Vwu(0V)が印加され、入出力端子Dに非選択電圧Vbu(1V)が印加される。これにより、非選択行(第1,3〜m行)且つ非選択列(第2〜n列)のノーマルセルNCでは、制御端子Gと入出力端子Dとの間に逆バイアスが印加されるので、プログラム状態である場合にゲート絶縁膜から電荷が抜けるプログラムディスターブ(図3の一点鎖線の矢印参照)が発生する可能性がある。プログラムディスターブが発生すると、ノーマルセルNCの閾値特性が変化する。
このとき、非選択行(第1,3〜m行)且つ第(n+2)列のレプリカセルRC(1,n+2),RC(3,n+2)〜RC(m,n+2)では、いずれもオフしているが、制御端子Gに非選択電圧Vwu(0V)が印加され、入出力端子Dに非選択電圧Vbu(1V)が印加される。これにより、非選択行(第1,3〜m行)且つ第(n+2)列のレプリカセルRCでは、制御端子Gと入出力端子Dとの間に逆バイアスが印加されるので、プログラム状態である場合にゲート絶縁膜から電荷が抜けるプログラムディスターブ(図3の一点鎖線の矢印参照)が発生する可能性がある。すなわち、レプリカセルRC(1,n+2),RC(3,n+2)〜RC(m,n+2)は、非選択行(第1,3〜m行)且つ非選択列(第2〜n列)のノーマルセルNCのプログラムディスターブをレプリケートすることができる。
次に、OTP回路10におけるノーマルセルNCからの読み出し動作について図5を用いて説明する。図5は、ノーマルセルNCからの読み出し動作を示す回路図である。
ノーマルセルNCからの読み出し動作では、図5に示すように、バイアス制御回路16は、各電流源トランジスタ141−1〜141−n及び各バイアストランジスタ131−(n+1),131−(n+2)をオンさせる。これにより、バイアス生成回路13はビットラインBL−(n+1)に流れる電流とビットラインBL−(n+2)に流れる電流とに応じたバイアスを生成し、電流生成回路14はバイアス生成回路13で生成されたバイアスに応じたレファレンス電流Irefを生成して各ビットラインBL−1〜BL−nに供給する。また、書き込み回路17は、各ビットラインBL−1〜BL−nと対応する接続ラインCL−1〜CL−nとを接続するとともに、各電流源19−1〜19−(n+2)をオンさせる。これにより、各ソースラインSL−1〜SL−(n+2)は、その電位がグランド電位に引き込まれる。
例えば2行1列目のノーマルセルNC(2,1)にビット「1」が適正にプログラムされているか読み出し動作を行って確認したい場合、ローデコーダー15は、選択行(第2行)のワードラインWL−2に読み出し電圧Vwr(例えば、1V)を印加し、非選択行(第1,3〜m行)のワードラインWL−1,WL−3〜WL−mに非選択電圧Vwu(例えば、0V)を印加する。また、電流生成回路14は、各ビットラインBL−1〜BL−nにレファレンス電流Irefを供給する。
選択行(第2行)では、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)は、閾値電圧が約0.7V(+閾値ばらつき分)であるため、制御端子Gに印加される読み出し電圧Vwr(例えば、1V)とグランド電位(0V)に引き込まれる基準端子Sとの電圧差で弱くオンする(又はオフする)。プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)において、基準端子Sと入出力端子Dとの間の領域は、レファレンス電流Irefの流れにくい高抵抗状態(図5の破線の矢印参照)にあると見なすことができる。
選択行(第2行)では、非プログラム対象のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)は、閾値電圧が約0.5V(+閾値ばらつき分)であるため、制御端子Gに印加される読み出し電圧Vwr(例えば、1V)とグランド電位(0V)に引き込まれる基準端子Sとの電圧差でオンする。非プログラム対象のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)において、基準端子Sと入出力端子Dとの間の領域は、レファレンス電流Irefの流れやすい低抵抗状態(図5の実線の矢印参照)にあると見なすことができる。
このとき、レプリカセルRC(2,n+1)は、閾値電圧が約0.7V(+閾値ばらつき分)であるため、制御端子Gに印加される読み出し電圧Vwr(例えば、1V)とグランド電位(0V)に引き込まれる基準端子Sとの電圧差で弱くオンする(又はオフする)。プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)において、基準端子Sと入出力端子Dとの間の領域は、レファレンス電流Irefの流れにくい高抵抗状態(図5の破線の矢印参照)にあると見なすことができる。すなわち、レプリカセルRC(2,n+1)は、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)の閾値特性(プログラムセルの特性)をレプリケートすることができ、レプリケートした閾値特性に応じた電流をバイアス生成回路13に供給できる。
レプリカセルRC(2,n+2)は、閾値電圧が約0.5V(+閾値ばらつき分)であるため、制御端子Gに印加される読み出し電圧Vwr(例えば、1V)とグランド電位(0V)に引き込まれる基準端子Sとの電圧差でオンする。レプリカセルRC(2,n+2)において、基準端子Sと入出力端子Dとの間の領域は、レファレンス電流Irefの流れやすい低抵抗状態(図5の実線の矢印参照)にあると見なすことができる。すなわち、レプリカセルRC(2,n+2)は、非プログラム対象のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)の閾値特性(非プログラムセルの特性)をレプリケートすることができ、レプリケートした閾値特性に応じた電流をバイアス生成回路13に供給できる。
なお、選択行(第2行)では、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)からの読み出し動作が行われると、非プログラム対象のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)は、制御端子Gと入出力端子Dと電圧差で弱くプログラムされる読み出しディスターブ(図5の一点鎖線の矢印参照)が発生する可能性がある。読み出しディスターブが発生すると、ノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)の閾値特性が変化する。
このとき、選択行(第2行)における非プログラムセルの特性をレプリケートしているレプリカセルRC(2,n+2)は、制御端子Gと入出力端子Dと電圧差で弱くプログラムされる読み出しディスターブ(図5の一点鎖線の矢印参照)が発生する可能性がある。すなわち、レプリカセルRC(2,n+2)は、選択行(第2行)のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)の読み出しディスターブをレプリケートすることができる。
バイアス生成回路13は、プログラムセルの特性に応じた電流と非プログラムセルの特性に応じた電流とを受け、両者の平均化された特性(レプリカセルの平均特性)に応じたレファレンス電流を発生させるバイアスを生成できる(図6〜図8参照)。これにより、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、電流生成回路14は、その変化に追従して、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる。電流生成回路14は、生成されたレファレンス電流Irefを各ビットラインBL−1〜BL−nに供給できる。
読み出し動作時では、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)が高抵抗状態にあるので、ビットラインBL−1は、レファレンス電流Irefで充電されやすく電位が上昇可能である。それに対して、非プログラム対象のノーマルセルNC(2,2)〜NC(2,n)が低抵抗状態にあるので、ビットラインBL−2〜BL−nは、レファレンス電流Irefで充電されずに電位が下がりやすい。
センスアンプ18は、各ビットラインBL−1〜BL−nの電位を検知し、検知結果を外部のコントローラ(図示せず)に供給する。これにより、外部のコントローラは、各ビットラインBL−1〜BL−nの検知された電位と基準電位とを比較し、ビットラインBL−1の電位が基準電位以上であれば、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)にデータが適正にプログラムされていることを検査できる。
このとき、レファレンス電流Irefがプログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当する電流になっているので、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、各ビットラインBL−2〜BL−nの電位は、その特性の変化の影響を受けにくい。これにより、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、その変化の影響を抑制しながら、プログラム対象のノーマルセルNC(2,1)にデータが適正にプログラムされていることを検査できる。
次に、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる点について、図6〜図8に示す3つの理想的な場合を想定して説明する。図6は、読み出しディスターブに追従したレプリカセルの平均特性を示す図である。図7は、プログラムディスターブに追従したレプリカセルの平均特性を示す図である。図8は、経年変化に追従したレプリカセルの平均特性を示す図である。なお、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とは、実際には、図6〜図8に示す3つの理想的な場合が混合されたものとなる。
読み出しディスターブによりノーマルセルの閾値特性が変化する場合、図6に示すように、該当行の読み出し回数の増加に従い、プログラムセルの特性があまり変化しないのに対し、非プログラムセルの特性はプログラムセルの特性に近づくように変化する。
このとき、仮に、固定レベルのレファレンス電流が各ビットラインBL−1〜BL−nに供給されると、そのレファレンス電流に相当する特性は、図6に二点鎖線で示されるような特性になる。この場合、該当行の読み出し回数の増加に従い、レファレンス電流に相当する特性と非プログラムセルの特性との上下関係が逆転するので、本来非プログラム状態であると判定されるべき非プログラムセルがプログラム状態であると誤判定される傾向にある。この傾向は、図6に実線の矢印で示すように、プログラムセル及び非プログラムセルのそれぞれのイニシャルの特性がプログラム時の条件(温度、電圧など)に応じて変動した場合に顕著になる可能性がある。
それに対して、実施形態では、図6に一点鎖線で示すように、バイアス生成回路13が、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレプリカセルの平均特性に応じたバイアスを生成し電流生成回路14へ供給する。これにより、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、電流生成回路14は、その変化に追従して、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる。また、プログラムセル及び非プログラムセルのそれぞれのイニシャルの特性がプログラム時の条件(温度、電圧など)に応じて変動した場合でも、その変化に追従して、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる。電流生成回路14は、生成されたレファレンス電流Irefを各ビットラインBL−1〜BL−nに供給できる。
プログラムディスターブによりノーマルセルの閾値特性が変化する場合、図7に示すように、該当行のプログラム回数の増加に従い、非プログラムセルの特性があまり変化しないのに対し、プログラムセルの特性は非プログラムセルの特性に近づくように変化する。
これに対して、実施形態では、図7に一点鎖線で示すように、バイアス生成回路13が、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレプリカセルの平均特性に応じたバイアスを生成し電流生成回路14へ供給する。これにより、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、電流生成回路14は、その変化に追従して、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる。電流生成回路14は、生成されたレファレンス電流Irefを各ビットラインBL−1〜BL−nに供給できる。
経年変化によりノーマルセルの閾値特性が変化する場合、図8に示すように、時間の経過に従い、非プログラムセルの特性があまり変化しないのに対し、プログラムセルの特性は非プログラムセルの特性に近づくように変化する。すなわち、プログラムセルのゲート酸化膜に蓄積された電荷は、ゲート酸化膜の劣化等により、時間の経過に従い、ゲート酸化膜から抜けやすくなる。
これに対して、実施形態では、図8に一点鎖線で示すように、バイアス生成回路13が、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレプリカセルの平均特性に応じたバイアスを生成し電流生成回路14へ供給する。これにより、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、電流生成回路14は、その変化に追従して、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる。電流生成回路14は、生成されたレファレンス電流Irefを各ビットラインBL−1〜BL−nに供給できる。
以上のように、実施形態では、バイアス生成回路13は、読み出し動作時に、ビットラインBL−(n+1)に流れる電流とビットラインBL−(n+2)に流れる電流とに応じたバイアスを生成する。これにより、プログラムセルをレプリケートしたレプリカセルの電流と非プログラムセルをレプリケートしたレプリカセルの電流との平均化されたレファレンス電流に相当するバイアスを生成できる。電流生成回路14は、バイアス生成回路13で生成されたバイアスに応じた電流を生成して各ビットラインBL−1〜BL−nに供給する。これにより、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とがそれぞれ変化しても、電流生成回路14は、その変化に追従して、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できる。この結果、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とのそれぞれ変化に追従してノーマルセルへのプログラムの成否を判定させることができるので、ループ処理を行わずにメモリセルのプログラムの検査を行うことができる。したがって、適正にプログラムが行われているかについてのメモリセルの検査時間を容易に短縮できる。
また、ループ処理を行う場合、ベリファイ動作を行うためのベリファイ回路をOTP回路10に追加搭載する必要があるが、ベリファイ回路の回路面積はOTP回路10の数倍の面積になる可能性が高い。このため、ループ処理によるメモリセルの検査を行う場合、半導体装置1のチップ面積が顕著に増大して、半導体装置1の製造コストが顕著に増大する可能性がある。
それに対して、実施形態では、ループ処理を行わずにメモリセルのプログラムの検査を行うことができるので、ベリファイ回路をOTP回路10に追加搭載する必要がない。また、追加するレプリカセルアレイは、例えばm行×2列のレプリカセルに相当する面積なので、わずかな面積増加で済む。これにより、半導体装置1のチップ面積の増大を抑制でき、半導体装置1の製造コストの増大を抑制できる。
なお、上記の実施形態では、各ノーマルセルに2値のデータを記憶させる場合について例示しているが、各ノーマルセルに多値のデータを記憶させてもよい。例えば、図4に示すように、制御端子Gと入出力端子Nとの電圧差が7Vである場合、プログラム時間が短い時間PT1であれば、ノーマルセルNCの閾値電圧が約0.5Vのままほとんど変化しないが、プログラム時間が長い時間PT2であれば、ノーマルセルNCの閾値電圧が約0.5V→約0.57Vと変化する。
例えば、ノーマルセルNCについて、閾値電圧が約0.5Vであればビット「00」がプログラムされ(非プログラム状態にあり)、閾値電圧が約0.57Vであればビット「01」がプログラムされ、閾値電圧が約0.7Vであればビット「10」がプログラムされていると見なすことができる。
これに応じて、図9に示すように、レプリカセルアレイ12iにおいて、ビット「10」のプログラムセルをレプリケートするレプリカセルRC(1,n+1)〜RC(m,n+1)、非プログラムセルをレプリケートするレプリカセルRC(1,n+2)〜RC(m,n+2)に加えて、ビット「01」のプログラムセルをレプリケートするレプリカセルRC(1,n+3)〜RC(m,n+3)を追加することができる。
また、バイアス生成回路13iは、バイアストランジスタ131−(n+3)、スイッチSW−(n+1)〜SW−(n+3)をさらに有してもよい。各スイッチSW−(n+1)〜SW−(n+3)は、レプリカ制御回路19iによりオン・オフ制御される。複数のスイッチSW−(n+1)〜SW−(n+3)は、複数のバイアストランジスタ131−(n+1)〜131−(n+3)に対応している。各スイッチSW−(n+1)〜SW−(n+3)は、オンすることで、対応するバイアストランジスタ131を活性化し、オフすることで、対応するバイアストランジスタ131を非活性化する。各バイアストランジスタ131−(n+1)〜131−(n+3)は、対応するスイッチSWにより活性化された際に、各電流源トランジスタ141−1〜141−nとカレントミラー回路を形成する。
レプリカ制御回路19iは、外部のコントローラでどの閾値を判定したいかに応じて、オンさせるスイッチSWを選択する。例えば、ビット「00」の非プログラム状態とビット「01」のプログラム状態とのいずれであるかを外部のコントローラで判定させたい場合、レプリカ制御回路19iは、スイッチSW−(n+1)をオフさせ、スイッチSW−(n+2),SW−(n+3)をオンさせる。例えば、ビット「01」のプログラム状態とビット「10」のプログラム状態とのいずれであるかを外部のコントローラで判定させたい場合、レプリカ制御回路19iは、スイッチSW−(n+2)をオフさせ、スイッチSW−(n+1),SW−(n+3)をオンさせる。
これにより、ビット「10」のプログラムセルの特性とビット「01」のプログラムセルの特性と非プログラムセルの特性とのそれぞれ変化に追従してノーマルセルへのプログラムの成否を判定させることができるので、ループ処理を行わずにメモリセルのプログラムの検査を行うことができる。したがって、メモリセル(ノーマルセル)に多値のデータがプログラムされる場合に、適正にプログラムが行われているかについてのメモリセルの検査時間を容易に短縮できる。
あるいは、図10に示すように、レプリカセルアレイ12jで、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との一方をレプリケートさせてもよい。例えば、半導体装置1の出荷後において、OTP回路10は、主として読み出し動作が行われるという特性上、読み出しディスターブを受けることが多いと考えられる。このため、図6に示すように、変化の大きい非プログラムセルの特性をレプリケートすれば、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との変化に追従した中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成できると考えられる。そのため、レプリカセルアレイ12jでは、レプリカセルアレイ12(図2参照)から、プログラムセルをレプリケートするレプリカセルRC(1,n+1)〜RC(m,n+1)が省略された構成になっている。
また、非プログラムセルの特性からプログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との変化に追従した中間的な特性を作り出すために、バイアス生成回路13jの構成を工夫する。バイアス生成回路13jは、バイアス生成回路13(図2参照)からバイアストランジスタ131−(n+1)が省略されるとともに、バイアストランジスタ131−(n+2)に代えてバイアストランジスタ131j−(n+2)を有する。バイアストランジスタ131j−(n+2)のディメンジョンは、各電流源トランジスタ141−1〜141−nのディメンジョンより小さくなるように構成される。例えば、バイアストランジスタ131j−(n+2)のディメンジョンが各電流源トランジスタ141−1〜141−nのディメンジョンの略1/2である場合、ミラー比が略1/2である。この場合、図11に示すように、バイアス生成回路13jがビットラインBL−(n+2)経由で受ける電流に対して略1/2の大きさのレファレンス電流が各ビットラインBL−1〜BL−nにコピーされる。すなわち、電流生成回路14は、プログラムセルの特性と非プログラムセルの特性との中間的な特性に相当するレファレンス電流Irefを生成でき、生成されたレファレンス電流Irefを各ビットラインBL−1〜BL−nに供給できる。
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とその均等の範囲に含まれる。
1 半導体装置、10 OTP回路、11 ノーマルセルアレイ、12,12i,12j レプリカセルアレイ、13,13i,13j バイアス生成回路、14 電流生成回路、15 ローデコーダー、16 バイアス制御回路、17 書き込み回路、18 センスアンプ、19i レプリカ制御回路。
Claims (5)
- OTP(One Time Programmable)型のメモリセルであるノーマルセルと、
前記ノーマルセルと等価な特性を有するレプリカセルと、
前記ノーマルセルの制御端子と前記レプリカセルの制御端子とに共通に接続されたワードラインと、
前記レプリカセルの入出力端子に接続された第1のビットラインと、
前記第1のビットラインに接続されたバイアス生成回路と、
前記ノーマルセルの入出力端子に接続された第2のビットラインと、
前記バイアス生成回路及び前記第2のビットラインに接続された電流生成回路と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。 - 前記ノーマルセルと等価な特性を有し、制御端子が前記ワードラインに接続された第2のレプリカセルと、
前記第2のレプリカセルの入出力端子に接続された第3のビットラインと、
をさらに備え、
前記バイアス生成回路は、前記第1のビットライン及び前記第3のビットラインに接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 - OTP型のメモリセルであり、制御端子が前記ワードラインに接続された第2のノーマルセルと、
前記第2のノーマルセルの入出力端子に接続された第4のビットラインと、
をさらに備え、
前記電流生成回路は、前記バイアス生成回路、前記第2のビットライン、及び前記第4のビットラインに接続されている
ことを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 - OTP型のメモリセルであり、入出力端子が前記第2のビットラインに接続された第3のノーマルセルと、
前記第3のノーマルセルと等価な特性を有し、入出力端子が前記第1のビットラインに接続された第3のレプリカセルと、
前記第3のノーマルセルの制御端子と前記第3のレプリカセルの制御端子とに共通に接続された第2のワードラインと、
前記ワードラインと前記第2のワードラインとに接続されたデコーダと、
をさらに備えた
ことを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 - 前記第1のビットライン、前記第2のビットライン、前記第3のビットライン、及び前記第4のビットラインに接続された書き込み回路と、
前記書き込み回路を介して前記第2のビットライン及び前記第4のビットラインに接続可能であるセンスアンプと、
をさらに備えた
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。
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