JP2016170837A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 動作性能が向上した半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 実施形態の半導体記憶装置は、第1および第2ストリングを含む。第1ストリングは、ビット線と接続された第1トランジスタと、ソース線と接続された第2トランジスタと、前記第1および第2トランジスタの間で直列接続された第1セルトランジスタと、を含む。第2ストリングは、前記ビット線と接続された第3トランジスタと、前記ソース線と接続された第4トランジスタと、前記第3および第4トランジスタの間で直列接続された第2セルトランジスタと、を具備する第2ストリングと、を含む。読み出しのとき、前記第1セルトランジスタのゲートへの電圧の印加の開始の時点で前記第4トランジスタはオフされており、前記ビット線に印加される電圧より高い電圧が前記ソース線に印加されている間前記第2トランジスタのゲートは前記ソース線に印加されている電圧を印加されている。
【選択図】 図3
【解決手段】 実施形態の半導体記憶装置は、第1および第2ストリングを含む。第1ストリングは、ビット線と接続された第1トランジスタと、ソース線と接続された第2トランジスタと、前記第1および第2トランジスタの間で直列接続された第1セルトランジスタと、を含む。第2ストリングは、前記ビット線と接続された第3トランジスタと、前記ソース線と接続された第4トランジスタと、前記第3および第4トランジスタの間で直列接続された第2セルトランジスタと、を具備する第2ストリングと、を含む。読み出しのとき、前記第1セルトランジスタのゲートへの電圧の印加の開始の時点で前記第4トランジスタはオフされており、前記ビット線に印加される電圧より高い電圧が前記ソース線に印加されている間前記第2トランジスタのゲートは前記ソース線に印加されている電圧を印加されている。
【選択図】 図3
Description
実施形態は、半導体記憶装置に関する。
3次元構造のNAND型フラッシュメモリが知られている。
動作性能が向上した半導体記憶装置を提供しようとするものである。
一実施形態による半導体記憶装置は、第1および第2ストリングを含む。第1ストリングは、ビット線と接続された第1トランジスタと、ソース線と接続された第2トランジスタと、前記第1および第2トランジスタの間で直列接続された第1セルトランジスタと、を含む。第2ストリングは、前記ビット線と接続された第3トランジスタと、前記ソース線と接続された第4トランジスタと、前記第3および第4トランジスタの間で直列接続された第2セルトランジスタと、を具備する第2ストリングと、を含む。読み出しのとき、前記第1セルトランジスタのゲートへの電圧の印加の開始の時点で前記第4トランジスタはオフされており、前記ビット線に印加される電圧より高い電圧が前記ソース線に印加されている間前記第2トランジスタのゲートは前記ソース線に印加されている電圧を印加されている。
以下に実施形態が図面を参照して記述される。以下の記述において、略同一の機能及び構成を有する構成要素は同一符号を付され、繰り返しの説明は省略される。また、ある実施形態についての記述はすべて、明示的にまたは自明的に排除されない限り、別の実施形態の記述としても当てはまる。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なり得る。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。
(第1実施形態)
図1に示されているように、メモリシステム1は、半導体記憶装置100、およびメモリコントローラ200を含む。
図1に示されているように、メモリシステム1は、半導体記憶装置100、およびメモリコントローラ200を含む。
メモリコントローラ200は、例えばホスト装置(図示せず)から命令を受け取り、受け取られた命令に基づいて半導体記憶装置100を制御する。メモリコントローラ200は、例えばCPU(central processing unit)等のプロセッサ210、ROM(read only memory)220、RAM(random access memory)230、メモリインターフェイス240、ホストインターフェイス250等の要素を含む。
ROM220に保持されているプログラムがプロセッサ210によって実行されることによって、メモリコントローラ200は種々の動作を行う。RAM230は、一時的なデータを保持する。メモリインターフェイス240は、半導体記憶装置100と接続され、メモリコントローラ200と半導体記憶装置100との通信を司る。ホストインターフェイス250は、バスを介してホスト装置と接続され、メモリコントローラ200とホスト装置との通信を司る。
半導体記憶装置100は、図2に示されているように、複数のプレーン110、入出力回路120、アドレスおよびコマンドレジスタ130、シーケンサ(コントローラ)140、電圧発生回路150、コアドライバ160等の要素を含む。
図2は、2つのプレーン110の例を示す。プレーン110は、同じ要素を含んでいる。各プレーン110は、セルアレイ111、ロウデコーダ112、データ回路およびページバッファ113、カラムデコーダ114を含んでいる。
セルアレイ111は、複数のブロックBLKを含んでいる。各ブロックBLKは、複数のフィンガFGR(FGR0、FGR1、…)を含んでいる。各フィンガFGRは、複数の(NAND)ストリングSTRを含んでいる。各ストリングSTRは複数のメモリセルを含んでいる。セルアレイ111中には、ワード線WL、ビット線BL、ソース線SL、選択ゲート線等の要素が設けられている。
入出力回路120は、メモリコントローラ200のメモリインターフェイス240と接続されている。入出力回路120は、コマンド、アドレス信号、データ、制御信号等の信号のメモリコントローラ200からの入力またはメモリコントローラ200への出力を制御する。
入出力回路120からコマンドを受け取り、コマンドに基づくシーケンスに従って電圧発生回路150およびコアドライバ160を制御する。電圧発生回路150は、シーケンサ140の指示に従って、種々の電圧(電位)を発生する。
入出力回路120からコマンドを受け取り、コマンドに基づくシーケンスに従って電圧発生回路150およびコアドライバ160を制御する。電圧発生回路150は、シーケンサ140の指示に従って、種々の電圧(電位)を発生する。
コアドライバ160は、電圧発生回路150からの電圧を用いて、アドレス信号に基づいて、ワード線WL、選択ゲート線、およびソース線SL等に印加される種々の電圧を生成する。
ロウデコーダ112は、入出力回路120からアドレス信号を受け取り、アドレス信号に基づいて、プレーン110、ブロックBLK、ストリングSTR、ワード線WLを選択する。
データ回路およびページバッファ113は、セルアレイ111から読み出されたデータを一時的に保持し、また半導体記憶装置100の外部から書き込みデータを受け取り、選択されたメモリセルに受け取ったデータを書き込む。カラムデコーダ114は、アドレス信号を受け取り、アドレス信号に基づいて、データ回路およびページバッファ113のデータの入出力を制御する。
セルアレイの一部および関連する要素は、図3のように接続されている。各ブロックBLKは、複数のフィンガFGR0〜FGRkを含んでいる。kは、自然数であり、例えば3である。図3では、一部、例えばフィンガFGR2およびそれに関連する要素が省略されている。
各ビット線BL(BL0〜BLm)は、各ブロックBLKにおいて4つのストリングSTRと接続されている。
各ストリングSTRは、複数のセルトランジスタMT(MT0〜MT7)、選択ゲートトランジスタSST(SST0〜SST3)、SSTb(SSTb0〜SSTb3)、およびSDT(SDT0〜SDT3)を含んでいる。トランジスタSSTb、SST、MT、SDTは、この順で、ソース線SLと1つのビット線との間に直列に接続されている。トランジスタSSTbが設けられずに、トランジスタSSTがソース線SLと接続されていてもよい。
相違する複数のビット線BLの各々の1つのストリングSTRの組は1つのフィンガFGRを構成する。各フィンガFGRにおいて、各x(xは0および7以下の自然数のいずれか)について、セルトランジスタMTxのゲートは、ワード線WLxに共通に接続されている。さらに、各ブロックBLKにおいて、相違するフィンガFGR中のワード線WLxも相互に接続されている。
各フィンガFGRにおいて、各y(yは0およびk以下の自然数のいずれか)について、各フィンガFGRyの複数のストリングSTRの各々のトランジスタSDTyのゲートは選択ゲート線SGDLyに共通に接続されている。
フィンガFGRyおよびFGR(y+1)の各トランジスタSSTのゲートは選択ゲート線SGSL(y/2)に共通に接続されている。フィンガFGRyおよびFGR(y+1)の各トランジスタSSTbのゲートは選択ゲート線SGSbL(y/2)に共通に接続されている。
ロウデコーダ112は、選択された1つのブロックBLKでのみ、選択ゲート線SGDLkをSG線SGDkに接続し、選択ゲート線SGSLkをSG線SGSkに接続し、選択ゲート線SGSbLkをSG線SGSbkに接続し、ワード線WLxをCG線xに接続する。
SG線SGDyはドライバSGDdrvyにより駆動される。SG線SGSz(zは0および((k−1)/2)以下の自然数)はドライバSGSdrvzにより駆動される。SG線SGSbzはドライバSGSbdrvzにより駆動される。CG線CGxはドライバCGdrvxにより駆動される。ソース線SLは、ドライバSLdrvにより駆動される。
ドライバSGDdrv、SGSdrv、SGSbdrv、CGdrv、ならびにSLdrvは、シーケンサ140の制御に従って、データの読み出し、書き込み、または消去の際に、接続された配線に種々の電圧を印加する。
セルアレイ111は、図4および図5に示されている構造を有する。図4は、x軸に沿って4つのフィンガFGRを示している。図5は、図4の一部を詳細に示している。
基板subの表面にp型のウェル領域pWが設けられており、ウェル領域pW上に半導体柱SPが設けられている。半導体柱SPの側面はトンネル絶縁膜TIにより覆われている。トンネル絶縁膜TIの側面は、電荷蓄積膜CIにより覆われている。電荷蓄積膜CIの側面は、ブロック絶縁膜BIにより覆われている。半導体柱SPは、ストリングSTRの電流経路として機能し、セルトランジスタMTおよび選択ゲートトランジスタSST、SDTのためのチャネルが形成される領域を提供する。トンネル絶縁膜TI、絶縁性の電荷蓄積膜CI、およびブロック絶縁膜BIは、図5にのみ示されている。
ウェル領域pWの上方において、導電性の配線層SSbCおよびSSC、導電性の複数の配線層WC、および導電性の複数の配線層SDCがD12面に沿って広がっている。配線層SSbCおよびSSC、配線層WCの組、および配線層SDCの組は、この順にD3軸に沿って並んでおり、D3軸に沿って間隔を有している。配線層SSbCおよびSSC、配線層WC、および配線層SDCは、ブロック絶縁膜BIと接している。配線層SSCは選択ゲート線SGSLとして機能する。配線層SSbCは、選択ゲート線SGSbLとして機能する。配線層WCは、ワード線WLとして機能する。配線層SDCは、選択ゲート線SGDLとして機能する。
半導体柱SP、トンネル絶縁膜TI、電荷蓄積膜CI、およびブロック絶縁膜BIのうちの配線層SSbCと交わる部分は選択ゲートトランジスタSSTbとして機能し、配線層SSCと交わる部分は選択ゲートトランジスタSSTとして機能し、配線層WCと交わる部分はセルトランジスタMTとして機能する。
D3軸に沿って並ぶトランジスタSSTb、SST、MT、SDTが1つのストリングSTRに含まれているトランジスタに相当する。
半導体柱SPのD3軸に沿って上方に配線層BLCが設けられている。配線層BLCは、ビット線BLとして機能し、D1軸に沿って延び、D2軸に沿って間隔を有している。1つの配線層BLCは、プラグVP1およびVP2を介して複数のストリングSTRの上端と接続されている。
複数のストリングSTRがD2軸上の異なる座標に設けられている。このようなD2軸上の異なる座標に設けられている複数のストリングSTRが、フィンガFGRに含まれるストリングSTRに相当する。
ストリングSTRb、STRc、およびSTRdは、ストリングSTRaが示されている図4の面と異なる面に位置するが、便宜上、図4に描かれている。
各フィンガFGRにおいて、配線層SDCは、このフィンガFGR中の全ての半導体柱SPの側面上のブロック絶縁膜BIを囲んでおり、フィンガFGRごとに独立している。
一方、配線層WCは、配線層SSCは、配線層SSbCは、隣り合う2つのフィンガに亘っており、これら2つのフィンガFGR中の全ての半導体柱SPの側面上のブロック絶縁膜を囲んでいる。例えば、配線層WC、配線層SSC、配線層SSbCは、フィンガFGR0およびFGR1に亘っている。さらに、別の配線層WC、SSC、およびSSbCは、フィンガFGR2およびFGR3に亘っている。
配線層SSCが2つのフィンガFGRに亘っており、よって、フィンガFGR0のトランジスタSST0のゲートとフィンガFGR1のトランジスタSST1のゲートは接続されている。同様に、配線層SSbCが2つのフィンガFGRに亘っており、よって、フィンガFGR0のトランジスタSSTb0のゲートとフィンガFGR1のトランジスタSSTb1のゲートは接続されている。
ウェル領域pWの表面の領域内には、n+型不純物の拡散層ndがさらに設けられている。拡散層ndはコンタクトプラグCP1の下端と接続されている。コンタクトプラグCP1は、D2軸とD3軸とからなる面に沿って広がっており、配線層WC、SSC、SSbCを共有する2つのフィンガFGRの各組の間に設けられている。コンタクトプラグCP1の上端は配線層SLCと接続されている。配線層SLCはソース線SLとして機能する。配線層SLCは、図4では省略されている。
セルアレイ100の構成については、例えば、“三次元積層不揮発性半導体メモリ”という米国特許出願公開2009/0267128号公報に記載されている。また、“三次元積層不揮発性半導体メモリ”という米国特許出願公開2009/0268522号公報、“不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法”という米国特許出願公開2010/0207195号公報、“半導体メモリ及びその製造方法”という米国特許出願公開2011/0284946号公報に記載されている。これらの特許出願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている。
(第1実施形態の動作)
記憶装置100は、1つのセルトランジスタMTにおいて1ビット以上のデータを保持できる。各セルトランジスタMTは、保持するデータに応じて、種々の閾値電圧を取り得る。閾値電圧は、セルトランジスタMTの電荷蓄積膜CIの電子の量に基づいて定まる。読み出し対象のセルトランジスタMTによって保持されているデータの判別のために、1または複数の読み出し電圧が用いられる。読み出し対象のセルトランジスタMTがある読み出し電圧を超えているか下回っているかが、このセルトランジスタMTの閾値電圧の判定に用いられる。
(第1実施形態の動作)
記憶装置100は、1つのセルトランジスタMTにおいて1ビット以上のデータを保持できる。各セルトランジスタMTは、保持するデータに応じて、種々の閾値電圧を取り得る。閾値電圧は、セルトランジスタMTの電荷蓄積膜CIの電子の量に基づいて定まる。読み出し対象のセルトランジスタMTによって保持されているデータの判別のために、1または複数の読み出し電圧が用いられる。読み出し対象のセルトランジスタMTがある読み出し電圧を超えているか下回っているかが、このセルトランジスタMTの閾値電圧の判定に用いられる。
図6は、第1実施形態に係るセルトランジスタに保持されるデータと閾値電圧との関係の例を示している。図6および以下の記述は、2ビット/セルトランジスタの記憶の例に基づく。2ビット/セルトランジスタの記憶の場合、各セルトランジスタMTは、4つの閾値電圧のうちのいずれかを有し得る。同じ2ビットデータを保持する複数のセルトランジスタMTであっても、セルトランジスタMT相互間の特性のばらつきに起因して互いに相違する閾値電圧を有する。このため、閾値電圧は、図6に示されるように分布を有する。閾値分布は、例えば、Er、A、B、およびCレベルと称される。Aレベル中の閾値電圧は、Erレベル中の閾値電圧より高い。Bレベル中の閾値電圧は、Aレベル中の閾値電圧より高い、Cレベル中の閾値電圧はBレベル中の閾値電圧より高い。
レベルの判定のために、読み出し電圧VA、VB、およびVCが用いられる。読み出し電圧VAは、ErレベルとAレベルとの間に位置する。読み出し電圧VBは、AレベルとBレベルとの間に位置する。読み出し電圧VCは、BレベルとCレベルとの間に位置する。読み出し電圧は、Vcgrvと総称される場合がある。
次に、図7および図8を参照して、第1実施形態の半導体記憶装置の動作が記述される。図7は、1つのブロックBLKからのデータの読み出しの間の幾つかノードに印加される電圧の波形を示している。図7および図8は、フィンガFGR0中のセルトランジスタMTからの読み出しの例を示している。なお、データの読み出しは、プログラムベリファイのための読み出しを含む。プログラムベリファイとは、書き込み(プログラム)対象のセルトランジスタMTが、データに応じて、ある閾値電圧を超えているかを確認することを指す。
半導体記憶装置100がメモリコントローラ200から読み出しコマンドを受け取ると、読み出し(リード)が開始する。読み出しの開始の時点で、図7に示されている全てのノードは、接地(共通)電圧を印加されている。
図7および図8に示されているように、時刻t1において、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、選択されたフィンガ(選択フィンガ)FGR0の選択ゲート線SGDL0に電圧VSGdを印加する。電圧VSGdは、トランジスタSDTをオンさせる大きさを有し、トランジスタSSTbもオンさせる大きさを有する。選択ゲート線SGDL0への電圧VSGdの印加により、トランジスタSDT0がオンする。この結果、選択フィンガFGR0のストリングSTRがビット線BLと電気的に接続される。
一方、時刻t1においても、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、選択されていないフィンガ(非選択フィンガ)FGR1、FGR2、およびFGR3の選択ゲート線SGDL1、SGDL2、SGDL3での電圧VSSを維持する。このため、トランジスタSDT1、SDT2、およびSDT3はオフを維持する。この結果、フィンガFGR1、FGR2、およびFGR3のストリングは、ビット線BLから電気的に切断されている。なお、選択ゲート線SGDL1、SGDl2、およびSGDL3での電圧VSSの維持は、図7に示されている最終の時刻まで継続する。
シーケンサ140はまた、時刻t1において、コアドライバ160を制御して、選択ゲート線SGSbL0に電圧VSGを印加する。電圧VSGの印加により、トランジスタSSTb0およびSSTb1がオンする。また、選択ゲート線SGSbL0への電圧VSGの印加により、フィンガFGR0およびFGR1中の両側の2つの拡散層ndの間がn型領域により接続される。
一方、シーケンサ140は、時刻t1においても、選択ゲート線SGSL0を電圧VSSに維持する。このため、トランジスタSST0およびSST1はオフしている。
このように、トランジスタSST0およびSST1はともにオフしていてともにFGR0およびFGR1はともにソース線SLから電気的に切断されている。他方、トランジスタSGT0がオンし、トランジスタSGT1がオフしている。このため、フィンガFGR0のチャネルはビット線BLに電気的に接続されており、他方、フィンガFGR1のチャネルはフローティング状態である。
非選択フィンガFGR2およびFGR3においては、シーケンサ140は、読み出しの間、選択ゲート線SGSL2、SGSL3、SGSbL2、およびSGSbL3を電圧VSSに維持する。よって、フィンガFGR2およびFGR3の全てのストリングSTR、ひいてはフィンガFGR2およびFGR3のチャネルは、読み出しの間、フローティング状態である。このフローティングの状態は、選択ゲート線SGSL2、SGSL3、SGSLbL2、SGSbL3に、選択ゲート線SGSL0およびSGSbL0と同じ電圧を印加することによっても可能である。
時刻t2において、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、非選択ワード線WLに電圧VREADを印加する。時刻t2での非選択ワード線WLおよび選択ワード線WLへの電圧VREADの印加は、時刻t1で開始されてもよい。電圧VREADは、セルトランジスタMTを、その状態によらずにオンさせる大きさを有する。非選択ワード線WLへの電圧VREADの印加は、図7に示されている最終の時刻まで継続する。
時刻t2の時点で非選択フィンガFGR1、FGR2、およびFGR3のチャネルはフローディング状態であり、また、同じアドレスのワード線WLは、1つのブロックBLK中の相違するフィンガFGRによって共有されている。よって、フィンガFGR1、FGR2、およびFGR3の半導体柱SP中の(すなわち、チャネルの)電圧は、チャネルと非選択ワード線WLとの容量結合に起因して、電圧VREADに近い電圧まで上昇する。
時刻t2において、さらに、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、選択ワード線WLにも電圧VREADを短時間、印加する。この目的は、各ストリングSTR中のセルトランジスタMTのチャネルの電位を一様に、このストリングSTRと接続されたビット線BLの電位と同じにすることである。
時刻t2において、さらに、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、選択ワード線WLにも電圧VREADを短時間、印加する。この目的は、各ストリングSTR中のセルトランジスタMTのチャネルの電位を一様に、このストリングSTRと接続されたビット線BLの電位と同じにすることである。
選択ワード線WLへの電圧VREADの印加の後、時刻t3において、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、選択ワード線WLに読み出し電圧Vcgrvを印加する。読み出し電圧Vcgrvの印加により、選択ワード線WLに接続されている全てのセルトランジスタ(選択セルトランジスタ)MTのうち、読み出し電圧Vcgrvより高い閾値電圧を有するものはオフを維持し、読み出し電圧Vcgrvより低い閾値電圧を有するものはオンする。
選択ワード線WLの電位の上昇の完了後の時刻t4において、シーケンサ140は、コアドライバ160と、データ回路およびページバッファ113を制御して、ビット線BLを電圧VBLへとプリチャージする。
また、時刻t4において、シーケンサ140は、コアドライバ160を制御して、ソース線SLに電圧VBL+VSRCを印加する。電圧VSRCは、電圧VSSより大きい。よって、ソース線SLの電位は、ビット線BLの電位より高くなる。
さらに、シーケンサ140は、時刻t4において、コアドライバ160を制御して、選択ゲート線SGSbL0に電圧VBL+VSRCを印加する。電圧VBL+VSRCは、ソース線SLに印加される電圧と同じである。よって、選択フィンガFGR0のトランジスタSSTbは、ソースおよびゲートにおいて同じ電圧VBL+VSRCを受け取っていることになり、ソース線SLの側をアノードとしかつセルトランジスタMTの側をカソードとするダイオード接続のバイアス状態となっている。このため、トランジスタSST0を、ソース線SLからビット線BLに向かって電流が流れることが可能である。同じく、トランジスタSST1もダイオード接続された状態である。
時刻t4の後の幾つかのノードに印加されている電圧が、図8に示されている。図8は、図4に基づいており、図8では、図4の記載に、印加されている電圧が付加されている。
図7に戻る。時刻t4での電圧の印加により、ソース線SLとビット線BLとの間に電位差が形成される。この電位差が形成された時点で、選択フィンガFGR0では、トランジスタSDT0がオンしている。このため、選択フィンガFGR0では、オンしている選択セルトランジスタMTを有するストリングSTR中を、ソース線SLから、このストリングSTRと接続されているビット線BLに向かってセル電流IcellがトランジスタSST0を介して流れる。この電流により、データ回路およびページバッファ113中のセンスアンプ中のあるノード(センスノード)の電圧が上昇する。一方、選択フィンガFGR0中の、オフしている選択セルトランジスタMTを有するストリングSTRと接続されているセンスアンプでは、センスノードの電圧は上昇しない。この電圧の上昇の有無が、センスアンプにより検出され、選択フィンガFGR0中の選択ワード線WLと接続されているセルトランジスタMTにより保持されているデータが判別される。
一方、非選択フィンガFGR1では、時刻t4の時点でもチャネルは容量結合によって依然電圧VREADである。電圧VREADは、ソース線SLの電圧VBL+VSRCより高い。このため、例えば、フィンガFGR1ではダイオード接続のバイアス状態のトランジスタSSTを介してセル電流Icellは流れず、また、チャネルはフローティング状態に維持される。なお、仮に時刻t4の時点でフィンガFGR1のチャネルの電圧が電圧VBL+VSRCより低くても、ソース線SLからの電流の流入によりフィンガFGR1のチャネルの電圧が電圧VBL+VSRCより高くなった時点でフィンガFGR1ではトランジスタSSTはオフする。この結果、フィンガFGR1のチャネルはフローティング状態になる。
(第1実施形態の効果)
以上記述されたように、第1実施形態の半導体記憶装置によれば、ワード線WLのための配線層WCが2つのフィンガFGRに亘っている。これは、1つのフィンガFGRに亘っている図9の比較例と異なる。第1実施形態と比較例とで1つのフィンガFGR中のストリングSTRの数が同じであるなら、第1実施形態の配線層WCの面積は、比較例でのワード線のための配線層304の面積より大きい。このため、第1実施形態のワード線WLは、比較例でのワード線よりも小さな抵抗を有する。このことは、ワード線WLの充電に要する電力を削減し得、第1実施形態の半導体記憶装置による消費電力を減じ得る。
(第1実施形態の効果)
以上記述されたように、第1実施形態の半導体記憶装置によれば、ワード線WLのための配線層WCが2つのフィンガFGRに亘っている。これは、1つのフィンガFGRに亘っている図9の比較例と異なる。第1実施形態と比較例とで1つのフィンガFGR中のストリングSTRの数が同じであるなら、第1実施形態の配線層WCの面積は、比較例でのワード線のための配線層304の面積より大きい。このため、第1実施形態のワード線WLは、比較例でのワード線よりも小さな抵抗を有する。このことは、ワード線WLの充電に要する電力を削減し得、第1実施形態の半導体記憶装置による消費電力を減じ得る。
また、第1実施形態によれば、ワード線WLと同様に、配線層SSCおよび配線層SSbCも2つのフィンガFGRに亘っている。これにより、導電層WCを2つのフィンガFGRで共有しつつ配線SSCおよびSSbCをフィンガFGRに独立させるためのプロセスを回避して、半導体記憶装置100の製造コストを抑制できる。また、プラグCP1の数の減少を通じて、チップ面積の抑制が可能である。さらに、選択ゲート線SGLならびにSGSbLの抵抗が低下し、半導体記憶装置100の性能が向上し得る。
しかしながら、2つのフィンガFGRが配線層SSCおよびSSbCを単に共有しただけでは、このような2つのフィンガFGRをソース線SLに独立して電気的に接続することができない。以下、このことについて説明する。
まず、第1実施形態との比較として、図9に示されているように、フィンガ301ごとに独立してソース側の選択ゲート線302を制御できれば、非選択フィンガ301bのストリング303をフローティング状態にできる。フローティング状態のストリング303のチャネルの電位は、ワード線304の電位の上昇とともに上昇する。このため、ワード線304の充電が容易である。また、非選択フィンガ301bのストリング303のチャネルとワード線304との間の電位差は実質的にゼロである。よって、このような電位差がある場合に生じ得るリードディスターブが回避されることが可能である。
一方、2つのフィンガFGRが配線層SSCおよびSSbCを共有していると、読み出しの際のトランジスタSST0のオンにより、フィンガFGR1もソース線SLに電気的に接続される。このため、プリチャージされたビット線BLからソース線SLにセル電流Icellが流れる構成であると、フィンガFGR1のストリングSTRのチャネルはフローティング状態にならない。よって、ワード線WLに容量が付加されることになり、ワード線WLの充電のための電流が増大する。さらに、フィンガFGR1のストリングSTRのチャネルとワード線WLとの間の電位差により、誤書き込み、リードディスターブ、セルトランジスタMTへのダメージが生じ得る。
そこで、第1実施形態の半導体記憶装置100での読み出しではソース線SLからビット線BLにセル電流Icellが流れるように構成されている。具体的には以下の通りである。
すなわち、まず、時刻t1において、トランジスタSDT0はオンしているため、フィンガFGR0のチャネルはビット線BLに接続されている。一方、トランジスタトランジスタSDT1およびトランジスタSST1はオフであるため、フィンガFGR1のチャネルはフローティング状態である。すなわち、ワード線WLにフィンガFGR1のチャネルの分の容量が付加されておらず、ワード線WLに付加される容量が低減される。
また、時刻t4において、トランジスタSDT0はオンしており、トランジスタSST0は、ダイオード接続のバイアス状態である。すなわち、ソース線SLの電位をビット線BLの電位より高くすることにより、セル電流IcellがフィンガFGR0中を流れることが可能である。一方、トランジスタSDT1はオフしており、トランジスタSST1もダイオード接続状態である。すなわち、フィンガFGR1中をセル電流Icellは流れない。
したがって、配線層WCを複数のフィンガFGRで共有してもデータの読み出しと非選択フィンガをフローティング状態にすることを両立できる。すなわち、選択フィンガFGR0での読み出しが可能なままで、非選択フィンガFGR1をフローティング状態にできる。このため、読み出しのためのフィンガFGRの選択と、配線層WCの共有化によるワード線WLの駆動のための電流の消費の量の減少および非選択フィンガFGR1のストリングSTRのチャネルとワード線WLとの間の電圧の印加の抑制が可能である。
また、時刻t2において、選択ワード線WLにも電圧VREADが印加される。例えば選択セルトランジスタMTのうちの幾つかは、その閾値電圧によっては、時刻t3で読み出し電圧Vcgrvを受け取ってもオンしない。このようなセルトランジスタMTを含んだストリングSTRでは、電圧Vcgrvを受け取るセルトランジスタMTよりもトランジスタSSTの側のセルトランジスタMTのチャネルが、ゲートにおいて電圧VREADを受け取ることにより、電圧VREADへとブーストされる。この結果、ストリングSTR中のチャネルの電位が一様に、対応するビット線BLと同じ電位にならない。このような状況が選択ワード線WLに短時間電圧VREADを印加することで回避されて、ストリングSTR中のチャネルの電位が一様にされることが可能である。また、選択ワード線WLへの電圧VREADの印加により、読み出し電圧Vcgrvの印加の前に、選択フィンガFGR0のストリングSTRのチャネル中の余計な電子をチャネルから追い出すことが可能である。例えば書き込み後に長時間経過してから読み出しが行われる時点で、電子の拡散の結果、チャネル中に意図されない形で電子が分布している場合がある。そこで、選択ワード線WLへの電圧VREADの印加を通じて選択フィンガFGR0中の全てのセルトランジスタMTがオンされて、選択フィンガFGR0のチャネル中の、読み出し対象のセルトランジスタMTよりも基板subの側の部分の電子がビット線BLへと追い出される。
(その他)
その他、選択ゲートトランジスタSSTおよびSSTbの閾値電圧は、例えば、その電荷蓄積膜CI中の電子の量で調整されることが可能であることが知られている。この調整の機序は、セルトランジスタMTでのデータの書き込みのための電荷蓄積膜CIへの電子の注入と同じである。そのためのトランジスタSSTおよび/またはSSTbへの書き込みコマンド(以下、SST書き込みコマンドと称される)が知られている。半導体記憶装置100は、SST書き込みコマンドを認識および実行できる。
(その他)
その他、選択ゲートトランジスタSSTおよびSSTbの閾値電圧は、例えば、その電荷蓄積膜CI中の電子の量で調整されることが可能であることが知られている。この調整の機序は、セルトランジスタMTでのデータの書き込みのための電荷蓄積膜CIへの電子の注入と同じである。そのためのトランジスタSSTおよび/またはSSTbへの書き込みコマンド(以下、SST書き込みコマンドと称される)が知られている。半導体記憶装置100は、SST書き込みコマンドを認識および実行できる。
SST書き込みコマンドは、トランジスタSSTおよび/またはSSTbの電荷蓄積膜CI中への電子を指示する。SST書き込みコマンドは、書き込み対象のトランジスタSSTおよび/またはSSTbのアドレスを示す信号を伴う。半導体記憶装置100がSST書き込みコマンドおよび対象のアドレスを示す信号を受け取ると、シーケンサ140は、コアドライバ160、ロウデコーダ112を制御して、指示されたトランジスタSST/およびまたはSSTbの電荷蓄積膜CIに電子を注入する。
(第2実施形態)
第2実施形態は、第1実施形態に基づく。
第2実施形態は、第1実施形態に基づく。
ワード線WLおよび選択ゲート線SGSLならびにSGSbLは、第1実施形態のように2つのフィンガFGRではなく、3つ以上のフィンガFGRに亘っていてもよい。第2実施形態は、そのような例に関する。図10に示されているように、ワード線WL(配線層WC)、選択ゲート線SGSL(配線層SSC)ならびに選択ゲート線SGSbL(配線層SSbC)は、3つのフィンガFGR0、FGR1、およびFGR2に亘っている。同様に、別のワード線WLおよび選択ゲート線SGSLならびにSGSbLは、別の3つのフィンガFGR3、FGR4、およびFGR5に亘っている。
一方、選択ゲート線SGDL(配線層SD)は、フィンガFGRごとに独立している。この点は、第1実施形態と同じである。
ワード線WLおよび選択ゲート線SGSLならびにSGSbLを共有する3つのフィンガFGRの各組の間に、コンタクトプラグCP1および拡散層ndが位置する。
第2実施形態での読み出しの際の電圧の印加については、第1実施形態でのものと同じである。
さらに、ワード線WL(配線層WC)、選択ゲート線SGSL(配線層SSC)ならびに選択ゲート線SGSbL(配線層SSbC)は、4つ以上のフィンガFGRに亘っていてもよい。
第2実施形態によっても、第1実施形態と同じく、ワード線WLのための配線層WC、選択ゲート線SGSLのための配線SSC、選択ゲート線SGSbLのための配線SSbCが複数のフィンガに亘っており、ワード線WLの電位上昇の間選択フィンガFGRのトランジスタSSTはオフに維持され、セル電流Icellはソース線SLからビット線BLに向かって流され、セル電流Icellが流れる間、選択フィンガFGRのトランジスタSSTはダイオード接続状態にされる。このため、第1実施形態と同じ利点を得られる。さらに、第2実施形態のように、配線層WCが亘るフィンガの数を第1実施形態より多くすることにより、配線層WCの抵抗がより減じられることが可能である。
(第3実施形態)
第3実施形態は、第1実施形態に基づいており、セルアレイの構造の点で第1実施形態と異なる。
第3実施形態は、第1実施形態に基づいており、セルアレイの構造の点で第1実施形態と異なる。
図11〜図13に示されているように、基板sub上に絶縁膜21が設けられている。絶縁膜21上には、例えば4つのフィン型構造24(24−0〜24−3)が設けられている。フィン型構造24は、D2軸に沿って延び、D1軸に沿って間隔を有する。D1軸およびD2軸は、例えば基板subと平行であり、基板subに垂直なD3軸に直交する。D1軸およびD2軸は互いに直交する。
各フィン型構造24は、交互に積層された絶縁膜22(22−1〜22−4)および半導体膜23(23−1〜23−3)を含む。各半導体膜23は、半導体柱SPと同様に、1つのストリングSTRのためのチャネル領域を提供する。そして、1つのフィン型構造24中の半導体膜23の組は、図4の構造の1つのフィンガFGR中の半導体柱SPの組に相当する。したがって、図11〜図13の構造は、4つのフィンガFGR(FGR0〜FGR3)を示している。
各フィン型構造24の上面上および側面上には、トンネル絶縁膜TI2、絶縁性の電荷蓄積膜CI2、ブロック絶縁膜BI2、および導電性の配線層WC2の組が設けられている。トンネル絶縁膜TI2、電荷蓄積膜CI2、ブロック絶縁膜BI2、および配線層WC2の組は、D1軸に沿って延びる帯状の形状を有し、D2軸に沿って相互に間隔を有し、各フィン型構造24の側面および上面を覆う。すなわち、トンネル絶縁膜TI2、電荷蓄積膜CI2、ブロック絶縁膜BI2、および配線層WC2の1つの組は、4つのフィンガFGR0〜FGR3に亘っている。
各トンネル絶縁膜TI2は、D1軸に沿って延びるとともに、各フィン型構造24の上面および側面を覆う。各トンネル絶縁膜TI2の上に、このトンネル絶縁膜TI2に沿って1つの電荷蓄積膜CI2が設けられている。各電荷蓄積膜CI2の上に、この電荷蓄積膜CI2に沿って、1つのブロック絶縁膜BI2が設けられている。各ブロック絶縁膜BI2の上に、このブロック絶縁膜BI2に沿って、1つの配線層WC2が設けられている。
D2軸に沿って最も手前の配線層WC2は、選択ゲート線SGSLとして機能する。選択ゲート線SGSLのための各配線層WC2と半導体膜23とに囲まれた領域は、選択ゲートトランジスタSSTとして機能する。選択ゲート線SGSLとして機能する配線層WC2よりもD2軸に沿って奥の複数(図14では4つ)の配線層WC2は、ワード線WL(WL0〜WL3)として機能する。ワード線WLための各配線層WC2と半導体膜23とに囲まれた領域はセルトランジスタMTとして機能する。
D2軸に沿って最も奥の配線層WC2(ワード線WL4のための配線層WC2)のさらに奥にも、トンネル絶縁膜TI2、電荷蓄積膜CI2、ブロック絶縁膜BI2の組が設けられ、ブロック絶縁膜BI2上に、複数の導電膜WC3が設けられている。各導電膜WC3は、1つのフィンガFGRの上面および側面を、トンネル絶縁膜TI2、電荷蓄積膜CI2、ブロック絶縁膜BI2を介して覆う。したがって、導電膜WC3は、フィンガFGRごとに独立している。各導電膜WC3は、選択ゲート線SGDLとして機能する。各導電膜WC3とフィン型構造24とに囲まれた領域は、選択ゲートトランジスタSDTとして機能する。
選択ゲート線SGSLのための配線層WC2の、ワード線WL1のための配線層WC2と反対側には、コンタクトプラグCP2が設けられている。1つのコンタクトプラグCP2が、1つのフィン型構造24の上面に設けられている。各コンタクトプラグCP2は、対応するフィン型構造24の中を通って、このフィン型構造24中の全ての半導体膜23と接している。各コンタクトプラグCP2の上端はみな、ソース線SLと接続されている。
フィン型構造24−0〜24−3は、一端において相互に接続されている。半導体膜23−1の上面は、コンタクトプラグCP10を介して、ビット線BL0と接続されている。半導体膜23−2の上面は、コンタクトプラグCP11を介して、ビット線BL1と接続されている。半導体膜23−3の上面は、コンタクトプラグCP12を介して、ビット線BL2と接続されている。
図11〜図13に示されている構造によっても、図3に示されているセルアレイ111と同様の構造が実現されることが可能である。ただし、以下の幾つかの点で、図3の回路図と異なる。まず、第3実施形態では、選択ゲートトランジスタSSTbは設けられておらず、選択ゲートトランジスタSSTがソース線SLに直接接続されている。また、図11〜図13は、1つのストリングが4つのセルトランジスタMTを含む例を示している。また、図11〜図13は、4つのフィンガFGRが選択ゲート線SGSLを共有する例を示している。
読み出しの間の各ノードへの電圧の印加については、第1実施形態と同じである。よって、第3実施形態によっても、第1実施形態と同じ利点を得られる。
その他、各実施形態において、以下の事項が適用されることが可能である。
多値レベルの読み出し動作(リード)において、Aレベルの読み出し動作に選択されたワード線に印加される電圧は、例えば0V〜0.55Vの間である。これに限定されることなく、0.1V〜0.24V、0.21V〜0.31V、0.31V〜0.4V、0.4V〜0.5V、および0.5V〜0.55Vのいずれかの間にしてもよい。
Bレベルの読み出し動作に選択されたワード線に印加される電圧は、例えば1.5V〜2.3Vの間である。これに限定されることなく、1.75V〜1.8V、1.8V〜1.95V、1.95V〜2.1V、および2.1V〜2.3Vのいずれかの間にしてもよい。
Cレベルの読み出し動作に選択されたワード線に印加される電圧は、例えば3.0V〜4.0Vの間である。これに限定されることなく、3.0V〜3.2V、3.2V〜3.4V、3.4V〜3.5V、3.5V〜3.7V、および3.7V〜4.0Vのいずれかの間にしてもよい。
読み出し動作の時間(tR)としては、例えば25μs〜38μs、38μs〜70μs、および70μs〜80μsのいずれかの間にしてもよい。
書き込み動作は、プログラム動作およびベリファイ動作を含む。書き込み動作では、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、および14.0V〜14.7Vのいずれかの間としてもよい。
奇数番目のワード線を書き込む際の、選択されたワード線に最初に印加される電圧と、偶数番目のワード線を書き込む際の、選択されたワード線に最初に印加される電圧とを変えてもよい。
プログラム動作をISPP(Incremental Step Pulse Program)方式としたとき、ステップアップの電圧として、例えば0.5V程度が挙げられる。
非選択のワード線に印加される電圧としては、例えば7.0V〜7.3Vの間としてもよい。この場合に限定されることなく、例えば7.3V〜8.4Vの間としてもよく、7.0V以下としてもよい。
非選択のワード線が奇数番目のワード線であるか、または偶数番目のワード線であるかによって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、および1900μs〜2000μsのいずれかの間にしてもよい。
消去動作では、半導体基板上部に形成され、かつ、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〜13.7Vの間である。この場合に限定されることなく、例えば13.7V〜14.8V、14.8V〜19.0V, 19.0〜19.8V、および19.8V〜21Vのいずれか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、および4000μs〜9000μsのいずれかの間にしてもよい。
メモリセルは、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する。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であってもよい。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よい。電荷蓄積層上には、絶縁膜が形成される。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膜とに挟まれた膜厚が4〜10nmのシリコン酸化膜を有する。High−k膜としては、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してもよい。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る。ここで、仕事関数調整用の材料は、TaOなどの金属酸化膜、またはTaNなどの金属窒化膜である。制御電極としては、Wなどを用いてもよい。
また、メモリセル間にはエアギャップを形成することができる。
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同様に、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ものである。
MT セルトランジスタ、SDT、SST、SSTb 選択ゲートトランジスタ、CS…セルセット、BLK ブロック、FGR フィンガ、SGDL、SGSL、SGSbL 選択ゲート線、WL ワード線、SGD、SGS、SGSb SG線、CG CG線、SDC、WC、SSC、SSbC 配線層。
Claims (5)
- ビット線と接続された第1トランジスタと、ソース線と接続された第2トランジスタと、前記第1および第2トランジスタの間で直列接続された第1セルトランジスタと、を具備する第1ストリングと、
前記ビット線と接続された第3トランジスタと、前記ソース線と接続された第4トランジスタと、前記第3および第4トランジスタの間で直列接続された第2セルトランジスタと、を具備する第2ストリングと、
を具備し、
読み出しのとき、前記第1セルトランジスタのゲートへの電圧の印加の開始の時点で前記第4トランジスタはオフされており、前記ビット線に印加される電圧より高い電圧が前記ソース線に印加されている間前記第2トランジスタのゲートは前記ソース線に印加されている電圧を印加される、
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1セルトランジスタの1つのゲートおよび前記第2セルトランジスタの1つのゲートは、1つの導電層からなる、
ことを特徴とする、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記ソース線は、前記第1セルトランジスタのゲートへの読み出し電圧の印加の後に、前記ビット線に印加される電圧より高い電圧を印加され、前記第2トランジスタのゲートのゲートは前記ソース線に印加される電圧を印加される、
ことを特徴とする、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 読み出しのとき、前記第1トランジスタはオンされ、前記第3トランジスタはオフに維持される、
ことを特徴とする、請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 前記第2トランジスタのゲートおよび前記第4トランジスタのゲートは、1つの導電層からなる、
ことを特徴とする、請求項1に記載の半導体記憶装置。
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