JP2017224370A - 半導体記憶装置及びメモリシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】動作を高速化することが可能な半導体記憶装置及びメモリシステムを提供する。
【解決手段】実施形態の半導体記憶装置1は、各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイとを備える。第1ビットは少なくとも第1電圧を用いて確定され、第2ビットは第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定される。読み出し動作時において、第1及び第2ワード線に第1乃至第3電圧が印加されることにより第1ビットに関連付けられた第1ページが第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、第1ページの読み出しに平行して第2ビットに関連付けられた第2ページが第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される。
【選択図】図10
【解決手段】実施形態の半導体記憶装置1は、各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイとを備える。第1ビットは少なくとも第1電圧を用いて確定され、第2ビットは第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定される。読み出し動作時において、第1及び第2ワード線に第1乃至第3電圧が印加されることにより第1ビットに関連付けられた第1ページが第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、第1ページの読み出しに平行して第2ビットに関連付けられた第2ページが第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される。
【選択図】図10
Description
実施形態は半導体記憶装置及びメモリシステムに関する。
半導体記憶装置としてNAND型フラッシュメモリが知られている。
動作を高速化することが可能な半導体記憶装置及びメモリシステムを提供する。
実施形態の半導体記憶装置は、各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、を備える。第1ビットは、少なくとも第1電圧を用いて確定される。第2ビットは、第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定される。データの読み出し動作時において、第1及び第2ワード線に第1乃至第3電圧が印加されることにより、第1ビットに関連付けられた第1ページが第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、第1ページの読み出しに平行して、第2ビットに関連付けられた第2ページが第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。参照される図面は模式的なものである。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、共通する参照符号を付す。参照符号を構成する数字の後のアルファベットは、同じ数字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために用いられている。同じ数字を含んだ参照符号で示される要素を相互に区別する必要がない場合、これらの要素は数字のみを含んだ参照符号により参照される。
[1]第1実施形態
以下に、第1実施形態に係る半導体記憶装置及びメモリシステムについて説明する。
以下に、第1実施形態に係る半導体記憶装置及びメモリシステムについて説明する。
[1−1]構成
[1−1−1]メモリシステム3の構成
まず、図1を用いてメモリシステムの構成について説明する。図1にはメモリシステムのブロック図が示されている。図1に示すようにメモリシステム3は、半導体記憶装置1、及びコントローラ2を備えている。
[1−1−1]メモリシステム3の構成
まず、図1を用いてメモリシステムの構成について説明する。図1にはメモリシステムのブロック図が示されている。図1に示すようにメモリシステム3は、半導体記憶装置1、及びコントローラ2を備えている。
半導体記憶装置1は、データを不揮発に記憶するNAND型フラッシュメモリである。半導体記憶装置1の構成の詳細については後述する。
コントローラ2は、外部の図示せぬホスト機器からの命令に応答して、半導体記憶装置1に対して読み出し、書き込み、及び消去等を命令する。またコントローラ2は、半導体記憶装置1におけるメモリ空間を管理する。
図1に示すようにコントローラ2は、プロセッサ(CPU)20、内蔵メモリ(RAM)21、ECC回路22、NANDインターフェイス回路23、バッファメモリ24、及びホストインターフェイス回路25を備えている。
プロセッサ20は、コントローラ2全体の動作を制御する。例えばプロセッサ20は、ホスト機器から受信した書き込み命令に応答して、NANDインターフェイスに基づく読み出し命令を発行する。この動作は、書き込み及び消去の場合についても同様である。
内蔵メモリ21は、例えばDRAM等の半導体メモリであり、プロセッサ20の作業領域として使用される。内蔵メモリ21は、半導体記憶装置1を管理するためのファームウェアや、各種の管理テーブル等を保持する。
ECC回路22は、データのエラー訂正(ECC:Error Checking and Correcting)処理を行う。具体的には、ECC回路22は、データの書き込み時に書き込みデータに基づいてパリティを生成する。そしてECC回路22は、データの読み出し時にパリティからシンドロームを生成してエラーを検出し、検出したエラーを訂正する。
NANDインターフェイス回路23は、半導体記憶装置1と接続され、半導体記憶装置1との通信を司る。例えばNANDインターフェイス回路23は、半導体記憶装置1との間で入出力信号I/Oを送信及び受信する。例えば、コントローラ2が半導体記憶装置1に送信する入出力信号I/OはコマンドCMD、アドレス情報ADD、及び書き込みデータDATを含み、コントローラ2が半導体記憶装置1から受信する入出力信号I/Oはステータス情報STS、及び読み出しデータDATを含んでいる。
バッファメモリ24は、コントローラ2が半導体記憶装置1及びホスト機器から受信したデータ等を一時的に保持する。
ホストインターフェイス回路25は、図示せぬホストバスを介してホスト機器と接続され、ホスト機器との通信を司る。例えばホストインターフェイス回路25は、ホスト機器から受信した命令及びデータをそれぞれ、プロセッサ20及びバッファメモリ24に転送する。
[1−1−2]半導体記憶装置1の構成
次に、図2を用いて半導体記憶装置1の構成について説明する。図2には半導体記憶装置1のブロック図が示されている。図2に示すように半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ10A及び10B、センスアンプモジュール11A及び11B、ロウデコーダ12A及び12B、入出力回路13、レジスタ14、ロジック制御回路15、シーケンサ16、電圧生成回路17、プレーンスイッチ18、並びにレディ/ビジー制御回路19を備えている。
次に、図2を用いて半導体記憶装置1の構成について説明する。図2には半導体記憶装置1のブロック図が示されている。図2に示すように半導体記憶装置1は、メモリセルアレイ10A及び10B、センスアンプモジュール11A及び11B、ロウデコーダ12A及び12B、入出力回路13、レジスタ14、ロジック制御回路15、シーケンサ16、電圧生成回路17、プレーンスイッチ18、並びにレディ/ビジー制御回路19を備えている。
メモリセルアレイ10A及び10Bはそれぞれ、ブロックBLK0〜BLKn(nは1以上の自然数)を備えている。ブロックBLKは、ビット線及びワード線に関連付けられた複数の不揮発性メモリセルの集合であり、例えばデータの消去単位となる。また一部のブロックBLKは、半導体記憶装置1の設定情報を保持するROMフューズ領域として使用される。このメモリセルアレイ10の構成の詳細については後述する。
センスアンプモジュール11A及び11Bはそれぞれ、メモリセルアレイ10A及び10Bに対応して設けられている。センスアンプモジュール11は、メモリセルアレイ10から読み出したデータDATを、入出力回路13を介してコントローラ2に出力する。またセンスアンプモジュール11は、コントローラ2から入出力回路13を介して受け取った書き込みデータDATを、対応するメモリセルアレイ10に転送する。
ロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、メモリセルアレイ10A及び10Bに対応して設けられている。ロウデコーダ12は、読み出し動作及び書き込み動作を行う対象のメモリセルに対応するワード線を選択する。そしてロウデコーダ12は、選択したワード線とそれ以外のワード線にそれぞれ所望の電圧を印加する。
入出力回路13は、コントローラ2との間で例えば8ビット幅の入出力信号I/O(I/O1〜I/O8)を送信及び受信する。例えば入出力回路13は、コントローラ2から受信した入出力信号I/Oに含まれた書き込みデータDATを、センスアンプモジュール11に転送する。また入出力回路13は、センスアンプモジュール11から転送された読み出しデータDATを入出力信号I/Oとしてコントローラ2に送信する。
レジスタ14は、ステータスレジスタ14A、アドレスレジスタ14B、コマンドレジスタ14Cを含む。ステータスレジスタ14Aは、ステータス情報STSを保持する。またステータスレジスタ14Aは、シーケンサ16の指示に応じてこのステータス情報STSを入出力回路13に転送する。アドレスレジスタ14Bは、入出力回路13からアドレス情報ADDを受け取り、このアドレス情報ADDを保持する。そしてアドレスレジスタ14Bは、アドレス情報ADDに含まれたカラムアドレスCA、ブロックアドレスBA、及びページアドレスPAをそれぞれ、センスアンプモジュール11、ロウデコーダ12、及びプレーンスイッチ18に転送する。コマンドレジスタ14Cは、入出力回路13からコマンドCMDを受け取り、このコマンドCMDを保持する。そしてコマンドレジスタ14Cは、コマンドCMDをシーケンサ16に転送する。
ロジック制御回路15は、コントローラ2から各種制御信号を受信し、入出力回路13及びシーケンサ16を制御する。この制御信号としては、例えばチップイネーブル信号/CE、コマンドラッチイネーブル信号CLE、アドレスラッチイネーブル信号ALE、ライトイネーブル信号/WE、リードイネーブル信号/RE、及びライトプロテクト信号/WPが使用される。信号/CEは、半導体記憶装置1をイネーブルにするための信号である。信号CLEは、アサートされている信号CLEと並行して半導体記憶装置1に入力される信号がコマンドCMDであることを入出力回路13に通知する信号である。信号ALEは、アサートされている信号ALEと並行して半導体記憶装置1に入力される信号がアドレス情報ADDであることを入出力回路13に通知する信号である。信号/WE及び/REはそれぞれ、例えば入出力信号I/O1〜I/O8の入力及び出力を入出力回路13に指示する信号である。信号/WPは、例えば電源のオンオフ時に半導体記憶装置1を保護状態するための信号である。
シーケンサ16は、半導体記憶装置1全体の動作を制御する。具体的には、シーケンサ16は、コマンドレジスタ14Cから転送されたコマンドCMDに基づいてセンスアンプモジュール11、ロウデコーダ12、電圧生成回路17等を制御し(図示せず)、データの読み出し動作等を実行する。またシーケンサ16は、図示せぬレジスタを備えている。このレジスタには、半導体記憶装置1の電源投入時にROMフューズ領域から読み出された設定情報が保持され、シーケンサ16はこの設定情報に基づいた動作モードで読み出し動作を実行する。
電圧生成回路17は、シーケンサ16の指示に基づいて所望の電圧を生成する。そして電圧生成回路17は、生成した電圧をメモリセルアレイ10、センスアンプモジュール11、及びプレーンスイッチ18に供給する。
プレーンスイッチ18は、受信したページアドレスPAに基づいて、電圧生成回路17から供給された電圧をロウデコーダ12A及び12Bに転送する。このプレーンスイッチ18の詳細については後述する。
レディ/ビジー制御回路19は、シーケンサ16の動作状態に基づいてレディ/ビジー信号RY/(/BY)を生成し、この信号をコントローラ2に送信する。信号RY/(/BY)は、半導体記憶装置1がレディ状態であるか、ビジー状態であるかをコントローラ2に通知する信号であり、レディ/ビジー制御回路19がトランジスタTrのオンオフを制御することにより生成される。レディ状態は、半導体記憶装置1がコントローラ2からのコマンドを受付可能な状態であることを示し、ビジー状態は、半導体記憶装置1がコントローラ2からのコマンドを受付不可能な状態であることを示している。例えば信号RY/(/BY)は、半導体記憶装置1が読み出し動作中には“L”レベルとされ(ビジー状態)、読み出し動作が完了すると“H”レベル(レディ状態)とされる。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1は、複数のメモリセルアレイ10に対してそれぞれセンスアンプモジュール11及びロウデコーダ12が設けられた、複数のプレーンを備えた構成となっている。具体的には、半導体記憶装置1はプレーン<0>及び<1>を備え、プレーン<0>はメモリセルアレイ10A、センスアンプモジュール11A、及びロウデコーダ12Aを含み、プレーン<1>はメモリセルアレイ10A、センスアンプモジュール11A、及びロウデコーダ12Aを含んでいる。これらプレーン<0>及び<1>は、シーケンサ16の指示等に基づいて独立して動作することが可能である。
また、以下の説明において、図2に示すような各構成要素の末尾に付加された<0>及び<1>はそれぞれ、プレーン<0>及び<1>に対応することを示している。例えば、ページアドレス<0>及び<1>はそれぞれ、プレーン<0>及び<1>に対応するページアドレスであることを示している。
また、本実施形態に係る半導体記憶装置1は、コントローラ2から発行されるコマンドに基いて、複数のプレーンに対して同時に読み出し動作を実行することができる。この読み出し動作のことをマルチプレーンリードと呼び、以下の説明に用いる。
[1−1−3]メモリセルアレイ10の構成
次に、図3を用いてメモリセルアレイ10の構成について説明する。図3はメモリセルアレイ10の回路図であり、メモリセルアレイ10内の1つのブロックBLKについての詳細な回路構成が示されている。図3に示すようにブロックBLKは、複数のNANDストリングNSを備えている。
次に、図3を用いてメモリセルアレイ10の構成について説明する。図3はメモリセルアレイ10の回路図であり、メモリセルアレイ10内の1つのブロックBLKについての詳細な回路構成が示されている。図3に示すようにブロックBLKは、複数のNANDストリングNSを備えている。
各NANDストリングNSは、ビット線BL0〜BL(m−1)((m−1)は1以上の自然数)に対応して設けられ、例えば8個のメモリセルトランジスタMT(MT0〜MT7)、及び選択トランジスタST1、ST2を含んでいる。尚、1つのNANDストリングNSが含むメモリセルトランジスタMTの数はこれに限定されず、任意の数にすることが出来る。
メモリセルトランジスタMTは、制御ゲート及び電荷蓄積層を備え、データを不揮発に保持する。各メモリセルは、MLC(Multi-Level Cell)方式を適用することにより、複数ビットのデータを記憶することが出来る。本実施形態では、メモリセルが3ビットのデータを記憶するTLC(Triple-Level Cell)方式を適用した場合を例に説明する。
またメモリセルトランジスタMT0〜MT7は、選択トランジスタST1のソースと選択トランジスタST2のドレインとの間に直列接続されている。同一ブロックBLK内の選択トランジスタST1及びST2のゲートはそれぞれ、セレクトゲート線SGD及びSGSに共通接続されている。同様に、同一ブロックBLK内のメモリセルトランジスタMT0〜MT7の制御ゲートはそれぞれ、ワード線WL0〜WL7に共通接続されている。
またメモリセルアレイ10内において、同一列にあるNANDストリングNSにおける選択トランジスタST1のドレインは、ビット線BLに共通接続されている。つまりビット線BLは、複数のブロックBLK間で同一列にあるNANDストリングNSを共通に接続している。さらに、複数の選択トランジスタST2のソースは、ソース線SLに共通接続されている。
以上の構成において、共通のワード線WLに接続された複数のメモリセルの保持する1ビットデータの集合を「ページ」と呼ぶ。従って、TLC方式が適用される場合、1本のワード線WLに接続された複数のメモリセルの集合には3ページ分のデータが記憶される。また、以下の説明において3ビットのうちの上位ビットデータの集合を上位ページ、中位ビットデータの集合を中位ページ、及び下位ビットデータの集合を下位ページと呼ぶ。
TLC方式でデータを記憶させる場合のメモリセルトランジスタMTの閾値分布は、例えば図4に示すものとなる。図4には、3ビットデータを保持するメモリセルの閾値分布、及び読み出し動作時に使用される電圧が示されている。図4の縦軸及び横軸はそれぞれ、メモリセルの数及び閾値電圧Vthに対応している。
メモリセルが3ビットのデータを保持する場合、その閾値電圧の分布は、図4に示すように8個に分かれる。この8個の閾値分布にそれぞれ対応する3ビットのデータを、閾値電圧の低いものから順に“Er”レベル、“A”レベル、“B”レベル、“C”レベル、“D”レベル、“E”レベル、“F”レベル、“G”レベル、と呼ぶ。
“ER”レベルを保持するメモリセルはデータの消去状態に相当し、例えばデータ(111)(下位ビット、中位ビット、上位ビット)を保持する。“A”レベル、“B”レベル、“C”レベル、“D”レベル、“E”レベル、“F”レベル、及び“G”レベルを保持するメモリセルはそれぞれ、データの書き込み状態に相当し、例えばデ−タ(011)、(001)、(000)、(010)、(110)、(100)、及び(101)を保持する。
読み出し動作の際、読み出し対象のメモリセルトランジスタMTの閾値電圧がどのレベルに含まれているのかが判定される。この判定のために、種々の読み出し電圧が定められている。あるメモリセルトランジスタMTが“Er”レベルの閾値電圧を有するか“A”レベル以上の閾値電圧か有するかを判定するための読み出し電圧ARは、“Er”レベルの高い方の裾と“A”レベルの低い方の裾との間に設定される。あるメモリセルトランジスタMTが“A”レベル以下の閾値電圧を有するか“B”レベル以上の閾値電圧を有するかを判定するための読み出し電圧BRは、“A”レベルの高い方の裾と“B”レベルの低い方の裾との間に設定される。あるメモリセルトランジスタMTが“B”レベル以下の閾値電圧を有するか“C”レベルの閾値電圧かを判定するための読み出し電圧CRは、“B”レベルの高い方の裾と“C”レベルの低い方の裾との間に設定される。あるメモリセルトランジスタMTが“C”レベル以下の閾値電圧を有するか“D”レベルの閾値電圧かを判定するための読み出し電圧DRは、“C”レベルの高い方の裾と“D”レベルの低い方の裾との間に設定される。あるメモリセルトランジスタMTが“D”レベル以下の閾値電圧を有するか“E”レベルの閾値電圧かを判定するための読み出し電圧ERは、“D”レベルの高い方の裾と“E”レベルの低い方の裾との間に設定される。あるメモリセルトランジスタMTが“E”レベル以下の閾値電圧を有するか“F”レベルの閾値電圧かを判定するための読み出し電圧FRは、“E”レベルの高い方の裾と“F”レベルの低い方の裾との間に設定される。あるメモリセルトランジスタMTが“F”レベル以下の閾値電圧を有するか“G”レベルの閾値電圧かを判定するための読み出し電圧GRは、“F”レベルの高い方の裾と“G”レベルの低い方の裾との間に設定される。また、図4に示す読み出し電圧Vreadは、読み出しパス電圧Vreadがゲートに印加されたメモリセルトランジスタMTが、保持するデータに依らずにオンする電圧に設定される。これら電圧値の関係は、AR<BR<CR<DR<ER<FR<GR<Vreadである。
以上で説明したようなデータの割り付け及び読み出し電圧を用いる場合、センスアンプモジュール11は、電圧AR及びERにより読み出されたデータを用いて下位ページのデータを算出する。同様にセンスアンプモジュール11は、電圧BR、DR、及びFRにより読み出されたデータを用いて中位ページのデータを算出し、電圧CR及びGRにより読み出されたデータを用いて上位ページのデータを算出する。つまり、読み出し電圧AR及びERが下位ページ読み出しに対応し、読み出し電圧BR、DR、及びFRが中位ページ読み出しに対応し、読み出し電圧CR及びGRが上位ページ読み出しに対応している。
尚、データの読み出し動作はこのページ毎に行っても良いし、ワード線WL毎に行っても良い。このページ毎にデータを読み出す方式をpage-by-page readingと呼び、ワード線WL毎に一括でデータを読み出す方式をsequential readingと呼ぶ。本実施形態に係る半導体記憶装置1では、複数のプレーンで異なるデータレベルのページ(例えば、下位ページと中位ページ)を選択したpage-by-page readingを同時に実行する。本動作の詳細については後述する。
[1−1−4]センスアンプモジュール11の構成
次に、図5を用いてセンスアンプモジュール11の構成について説明する。図5は、センスアンプモジュール11の回路図である。図5に示すようにセンスアンプモジュール11は、ビット線BL毎に設けられたセンスアンプユニットSAU(SAU0〜SAU(m−1))を含んでいる。
次に、図5を用いてセンスアンプモジュール11の構成について説明する。図5は、センスアンプモジュール11の回路図である。図5に示すようにセンスアンプモジュール11は、ビット線BL毎に設けられたセンスアンプユニットSAU(SAU0〜SAU(m−1))を含んでいる。
各センスアンプユニットSAUは、センスアンプ部SA、ラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL、及びXDLを備えている。これらセンスアンプ部SA、ラッチ回路SDL、ADL、BDL、CDL、及びXDLは、互いにデータを送受信可能なように接続されている。
センスアンプ部SAは、読み出し動作時において対応するビット線BLに読み出されたデータをセンスし、読み出しデータを判定する。具体的には、センスアンプ部SAは図示せぬノードSENを含む。そして読み出し動作においてこのノードSENの電位は、読み出し電圧が印加されたメモリセルがオンした場合に下降する。また、読み出し動作においてシーケンサ16は、メモリセルに読み出し電圧が印加されている間に制御信号STBをアサートする。制御信号STBがアサートされると、センスアンプ部SAはノードSENの電位が維持されているか、下降しているかによって読み出しデータが“0”であるか“1”であるかを判定する。
ラッチ回路SDL、ADL、BDL、及びCDLは、読み出しデータを一時的に保持する。読み出し動作時にセンスアンプ部SAが判定した読み出しデータは、まず始めにラッチ回路SDLに転送される。そしてこの読み出しデータは、続く動作でラッチ回路SDLからラッチ回路ADL、BDL、CDL、又はXDLに転送される。
ラッチ回路XDLは、センスアンプユニットSAUとコントローラ2との間のデータの入出力に用いられる。つまりコントローラ2から受信したデータは、ラッチ回路XDLを介してラッチ回路SDL、ADL、BDL、又はCDLに転送される。また、ラッチ回路SDL、ADL、BDL、又はCDLに保持されたデータは、ラッチ回路XDLを介してコントローラ2に転送される。
以上で説明したセンスアンプユニットSAUの回路構成は、例えば図6に示すものとなる。図6はセンスアンプユニットSAUの回路図であり、センスアンプ部SA及びラッチ回路SDLの詳細な回路構成が示されている。
まず、センスアンプ部SAの回路構成について説明する。図6に示すようにセンスアンプ部SAは、pチャネルMOSトランジスタ30、nチャネルMOSトランジスタ31〜37、及びキャパシタ38を備えている。
トランジスタ30は、一端が電源端子に接続され、ゲートがノードINVに接続されている。トランジスタ31は、一端がトランジスタ30の他端に接続され、他端がノードCOMに接続され、ゲートに制御信号BLXが入力される。トランジスタ32は、一端がノードCOMに接続され、他端が対応するビット線BLに接続され、ゲートに制御信号BLCが入力される。トランジスタ33は、一端がノードCOMに接続され、他端がノードSRCに接続され、ゲートがノードINVに接続されている。
トランジスタ34は、一端がトランジスタ30の他端に接続され、他端がノードSENに接続され、ゲートに制御信号HLLが入力される。トランジスタ35は、一端がノードSENに接続され、他端がノードCOMに接続され、ゲートに制御信号XXLが入力される。トランジスタ36は、一端が接地端子に接続され、ゲートがノードSENに接続されている。トランジスタ37は、一端がトランジスタ36の他端に接続され、他端がバスLBUSに接続され、ゲートに制御信号STBが入力される。キャパシタ38は、一端がノードSENに接続され、他端にクロックCLKが供給される。
尚、トランジスタ30の一端に接続された電源端子に印加される電圧は例えばVddであり、ノードSRCに印加される電圧は例えばVssである。Vddは半導体記憶装置1における電源電圧であり、Vssは半導体記憶装置1における接地電圧である。
次に、ラッチ回路SDLの回路構成について説明する。図6に示すようにラッチ回路SDLは、インバータ40及び41、並びにトランジスタ42及び43を備えている。
インバータ40は、入力端子がノードLATに接続され、出力端子がノードINVに接続されている。インバータ41は、入力端子がノードINVに接続され、出力端子がノードLATに接続されている。トランジスタ42は、一端がノードINVに接続され、他端がバスLBUSに接続され、ゲートに制御信号STIが入力される。トランジスタ43は、一端がノードLATに接続され、他端がバスLBUSに接続され、ゲートに制御信号STLが入力される。
尚、ラッチ回路ADL、BDL、及びCDLの回路構成は、以上で説明したラッチ回路SDLの回路構成と同様のため、説明を省略する。
以上で説明したセンスアンプユニットSAUの構成において、各種制御信号は例えばシーケンサ16によって生成される。読み出し動作において、センスアンプユニットSAUが読み出しデータを確定するタイミングは、信号STBがアサートされるタイミングに基づく。また、各種動作においてトランジスタ32は、信号BLCに基づいてビット線BLの電圧をクランプする。
尚、センスアンプモジュール11の構成はこれに限定されず、種々変更が可能である。例えば、センスアンプユニットSAUが備えるラッチ回路の個数は、1つのメモリセルが保持するデータのビット数に基づいて設計される。
また、センスアンプモジュール11の構成には、例えば“THRESHOLD DETECTING METHOD AND VERIFY METHOD OF MEMORY CELL”という2011年3月21日に出願された米国特許出願13/052,148に記載された構成を適用することが出来る。この特許出願の内容は、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。
[1−1−5]電圧生成回路17及びプレーンスイッチ18の構成
次に、図7を用いて電圧生成回路17及びプレーンスイッチ18の構成について説明する。図7は、電圧生成回路17及びプレーンスイッチ18の詳細な構成を示すブロック図である。図7に示すように、電圧生成回路17はCGドライバ50A、50B、及びSLドライバ51を含み、プレーンスイッチ18はCGスイッチ60A及び60Bを含んでいる。
次に、図7を用いて電圧生成回路17及びプレーンスイッチ18の構成について説明する。図7は、電圧生成回路17及びプレーンスイッチ18の詳細な構成を示すブロック図である。図7に示すように、電圧生成回路17はCGドライバ50A、50B、及びSLドライバ51を含み、プレーンスイッチ18はCGスイッチ60A及び60Bを含んでいる。
CGドライバ50は、プレーンスイッチ18及びロウデコーダ12を介してワード線WLに印加する電圧を生成する。本実施形態においてCGドライバ50Aは選択ワード線WLselに印加する電圧を生成するドライバであり、CGドライバ50Bは非選択ワード線WLuselに印加する電圧を生成するドライバである。この選択ワード線WLselは、データを読み出す対象のページのワード線WLに対応し、非選択ワード線WLuselは、複数のワード線WLのうちの選択ワード線WLsel以外のワード線WLに対応している。
SLドライバ51は、各メモリセルアレイ10のソース線SLに印加する電圧を生成するドライバである。尚、電圧生成回路17は図示せぬチャージポンプを含み、このチャージポンプによって生成された電圧を元に、CGドライバ50及びSLドライバ51は所望の電圧を生成する。また電圧生成回路17は、セレクトゲート線SGDに印加する電圧を生成するSGドライバ等、図示せぬドライバも含んでいる。
CGスイッチ60は、CGドライバ50A及び50Bから供給された電圧を、ページアドレスPAに基づいてCG線CG0〜CG7に転送する。このCG線CG0〜CG7に転送された電圧はそれぞれ、ブロックアドレスBAに基づいてロウデコーダ12が選択したブロックBLKのワード線WL0〜WL7に転送される。
以上で説明したCGスイッチ60の具体的な回路構成は、例えば図8に示すものとなる。図8に示すようにCGスイッチ60A及び60Bはそれぞれ、CG線CG0〜CG7に対応させたスイッチ素子SW0〜SW7を含んでいる。
各スイッチ素子SWは2つの入力端子と1つの出力端子とを含み、CGスイッチ60に入力されたページアドレスPAに基づいて、2つのうちいずれかの入力端子と出力端子との間を電気的に接続する。各スイッチ素子SWは、一方の入力端子にCGドライバ50Aから供給された読み出し電圧AR、BR、…、又はGRが入力され、他方の入力端子にCGドライバ50Bから供給された読み出しパス電圧Vreadが入力され、出力端子が対応するCG線に接続されている。
尚、図8に示す一例は、プレーン<0>においてワード線WL0が選択され、プレーン<1>においてワード線WL1が選択された場合におけるCGスイッチ60A及び60Bの状態を示している。この場合、CGスイッチ60Aでは、スイッチ素子SW0の出力端子がCGドライバ50Aと電気的に接続され、他のスイッチ素子SWは出力端子がCGドライバ50Bと電気的に接続される。一方で、CGスイッチ60Bでは、スイッチ素子SW1の出力端子がCGドライバ50Aと電気的に接続され、他のスイッチ素子SWは出力端子がCGドライバ50Bと電気的に接続される。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1は、選択ワード線WLselに電圧を供給するCGドライバ50Aと、非選択ワード線WLuselに電圧を供給するCGドライバ50Bとを、プレーン<0>及びプレーン<1>で共有している。つまり本実施形態に係る半導体記憶装置1は、読み出し動作時において、プレーン毎の選択ワード線WLselに印加される電圧が略同一となり、同様に非選択ワード線WLuselに印加される電圧が略同一となる。また本実施形態に係る半導体記憶装置1は、プレーンスイッチ18を用いることにより、マルチプレーンリードでプレーン毎に異なるページを選択することが出来る。
[1−2]動作
次に、半導体記憶装置1及びメモリシステム3の動作について説明する。
次に、半導体記憶装置1及びメモリシステム3の動作について説明する。
[1−2−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、複数のプレーンに対するpage-by-page readingを同時に実行する。また半導体記憶装置1は、このようなマルチプレーンリードにおいて、複数のプレーンで異なるレベルのページデータを読み出すことが可能である。
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、複数のプレーンに対するpage-by-page readingを同時に実行する。また半導体記憶装置1は、このようなマルチプレーンリードにおいて、複数のプレーンで異なるレベルのページデータを読み出すことが可能である。
以下に、図9を用いて半導体記憶装置1における読み出し動作の一例について説明する。図9には、TLC方式においてプレーン<0>及び<1>からそれぞれ異なるデータレベルのページを読み出す場合の組み合わせと、それと対応して半導体記憶装置1が実行する読み出し動作の種類が示されている。
図9に示すように半導体記憶装置1は、読み出すページの組み合わせに基づいて、第1〜第3読み出し動作を実行する。第1読み出し動作は、プレーン<0>及び<1>のうちの一方のプレーンで下位ページ読み出し、他方のプレーンで中位ページ読み出しが必要な場合(ケース1及びケース2)に実行される。第2読み出し動作は、プレーン<0>及び<1>のうちの一方のプレーンで下位ページ読み出し、他方のプレーンで上位ページ読み出しが必要な場合(ケース3及びケース4)に実行される。第3読み出し動作は、プレーン<0>及び<1>のうちの一方のプレーンで中位ページ読み出し、他方のプレーンで上位ページ読み出しが必要な場合(ケース5及びケース6)に実行される。
これら第1〜第3読み出し動作に対応する波形の一例は、それぞれ図10〜図12に示すものとなる。図10〜図12には、各読み出し動作時においてプレーン<0>及び<1>にそれぞれ対応する選択ワード線WLsel<0>及び<1>に印加される電圧と、制御信号STBの波形が示されている。また、選択ワード線WLsel<0>及び<1>は、異なるデータレベルのページが指定され、且つ異なるワード線WLが指定される場合がある。
まず始めに、図10を用いて第1読み出し動作の詳細について説明する。図10に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧AR、BR、DR、ER、及びFRを順に印加する。本例ではこの読み出し電圧のうち、電圧AR及びERが下位ページ読み出しに対応し、電圧BR、DR、及びFRが中位ページ読み出しに対応している。
またシーケンサ16は、選択ワード線WLselに各読み出し電圧が印加されている間に、それぞれ制御信号STBをアサートする。すると各センスアンプユニットSAUは、信号STBがアサートされたタイミングで対応するビット線BLに読み出されたデータを判定し、このデータをラッチ回路SDLに保持する。
このように各読み出し電圧によって読み出され、ラッチ回路SDLに保持された読み出しデータは、所望のデータを得るための演算に必要な場合に他のラッチ回路に転送される。例えば、下位ページを読み出すプレーンに対応するセンスアンプユニットSAUは、電圧ARによる読み出しデータを下位ページの演算に使用するため、ラッチ回路SDLに保持されたデータを例えばラッチ回路ADLに転送する。
一方で、中位ページを読み出すプレーンのように電圧ARによる読み出しデータを演算に使用しない場合、そのプレーンに対応するセンスアンプユニットSAUは、ラッチ回路SDLに保持されたデータを他のラッチ回路に転送しても良いし、しなくても良い。このように必要の無い読み出しデータを保持するラッチ回路は、続く動作によってデータを上書きして使用される。これによりセンスアンプユニットSAUは、各ページの演算に必要なラッチ回路の個数を確保する。
また、本例において下位ページ読み出しは、下位ページのデータが電圧AR及びERにより読み出されたデータから算出されるため、電圧ERによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了する。中位ページ読み出しは、中位ページのデータが電圧BR、DR、及びERにより読み出されたデータから算出されるため、電圧FRによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了する。
以上が第1読み出し動作に対応する説明であり、これに対して第2及び第3読み出し動作は、選択ワード線WLselに印加する電圧が異なる。以下に、第2及び第3読み出し動作の詳細について、第1読み出し動作と異なる点について説明する。
第2読み出し動作では、図11に示すように選択ワード線WLsel<0、1>に読み出し電圧AR、CR、ER、及びGRが順に印加され、それぞれの電圧が印加されている間に制御信号STBがアサートされる。本例ではこの読み出し電圧のうち、電圧AR及びERが下位ページ読み出しに対応し、電圧CR及びGRが上位ページ読み出しに対応している。また、本例において下位ページ読み出しは電圧ERによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了し、上位ページ読み出しは、上位ページデータが電圧CR及びGRにより読み出されたデータから算出されるため、電圧GRによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了する。
第3読み出し動作では、図12に示すように選択ワード線WLselに読み出し電圧BR、CR、DR、FR、及びGRが順に印加され、それぞれの電圧が印加されている間に制御信号STBがアサートされる。また、本例において中位ページ読み出しは電圧FRによる読み出し動作を行ったタイミングで終了し、上位ページ読み出しは電圧GRによる読み出し動作を行ったタイミングで終了する。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎に異なるデータレベルのページを読み出す場合に、両プレーンのページデータを演算するのに必要な読み出し電圧を、両プレーンの選択ワード線WLsel<0、1>に印加する。そして、各読み出し電圧を用いて読み出されたデータから各プレーンで演算に必要なデータをそれぞれ抽出することにより、所望のレベルのページデータが算出される。このように本実施形態に係る半導体記憶装置は、1回の読み出し動作でプレーン毎に異なるデータレベルの1ページデータを読み出すことが出来る。
尚、半導体記憶装置1は、一方のプレーンが下位ページ読み出し、他方のプレーンが中位ページ読み出しを必要とする場合に、図13に示すような順番で電圧を印加しても良い。具体的には、選択ワード線WLselに対して、読み出し電圧FR、ER、DR、BR、及びARを順に印加してもよい。この場合においても、各読み出し電圧が印加されている間にシーケンサ16が制御信号STBをアサートすることにより、データを読み出すことが出来る。尚、本例においては、中位ページ読み出しが下位ページ読み出しよりも先に終了する。また、図13に示す動作は、第1読み出し動作において読み出し電圧を印加する順番を逆にしたものと同様であり、第2及び第3読み出し動作においても同様に、逆の順番で読み出し電圧を印加する場合が考えられる。
また、図10〜図13に示す各レベルのページデータの読み出しが終わるタイミングは、各読み出し電圧から次に印加する電圧に切り替わるタイミングとなっているが、これに限定されない。例えば、必要なデータが揃ってから実行される各ページデータの演算時間によっては、図10〜図13に示すタイミングからずれる場合がある。
また、以上の説明において、各ページデータの読み出しが終了する順番が、下位ページ、中位ページ、及び上位ページの順である場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、複数ビットのデータを保持させる場合のデータの割り付けを変えた場合、各ページの読み出しが終了する順番が変わる場合がある。
[1−2−2]メモリシステム3の読み出し動作
次に、メモリシステム3の読み出し動作について説明する。本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作においてコントローラ2は、複数のプレーンを備える半導体記憶装置1に対して、プレーン毎に異なるデータレベルの読み出しを含むマルチプレーンリードを指示する。そして半導体記憶装置1は、各プレーンから読み出すデータレベルに基づいたマルチプレーンリードを実行し、読み出したデータをコントローラ2の指示に応答してプレーン毎に出力する。
次に、メモリシステム3の読み出し動作について説明する。本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作においてコントローラ2は、複数のプレーンを備える半導体記憶装置1に対して、プレーン毎に異なるデータレベルの読み出しを含むマルチプレーンリードを指示する。そして半導体記憶装置1は、各プレーンから読み出すデータレベルに基づいたマルチプレーンリードを実行し、読み出したデータをコントローラ2の指示に応答してプレーン毎に出力する。
以下に、図14を用いてメモリシステム3の読み出し動作の一例について説明する。図14には、メモリシステム3の読み出し動作の一例がフローチャートで示されている。
図14に示すようにまずコントローラ2は、読み出しコマンド(コマンドCMD及びアドレス情報ADD)を発行して半導体記憶装置1に送信する(ステップS10)。この読み出しコマンドは、プレーン<0、1>に対して互いに異なるレベルのpage-by-page readingを指示するものである。そして、コントローラ2から読み出しコマンドを受信した半導体記憶装置1は、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルにして、プレーン<0、1>で指定されたページに基づく読み出し動作を開始する(ステップS11)。このステップS11における読み出し動作は、[1−2−1]で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対応している。
次に半導体記憶装置1は、プレーン<0、1>のうちいずれか一方のプレーンにおける読み出しデータが確定したことを検知すると(ステップS12)、レディ/ビジー信号を“L”レベルから“H”レベルにする。すると、半導体記憶装置1がレディ状態になったことを検知したコントローラ2は、読み出しデータが確定した一方のプレーンに対応するデータ出力コマンドを発行して(ステップS13)、半導体記憶装置1に送信する。
そして、コントローラ2からデータ出力コマンドを受信した半導体記憶装置1は、一方のプレーンの読み出しデータDATをコントローラ2に出力する(ステップS14)。このデータDATの出力中に他方のプレーンの読み出しデータが確定した場合(ステップS15)、半導体記憶装置1はレディ/ビジー信号を“H”レベルに維持する。
コントローラ2は、ステップS14における一方のプレーンのデータ出力が終了した際に、半導体記憶装置1がレディ状態を維持していることを確認すると、他方のプレーンに対応するデータ出力コマンドを発行して(ステップS16)、半導体記憶装置1に送信する。そして、コントローラ2からデータ出力コマンドを受信した半導体記憶装置1は、他方のプレーンの読み出しデータDATをコントローラ2に出力する(ステップS17)。
以上で説明したメモリシステム3の読み出し動作におけるコマンドシーケンスは、例えば図15に示すものとなる。図15に示す一例は、半導体記憶装置1に対してプレーン<0>に対する下位ページ読み出しと、プレーン<1>に対する中位ページ読み出しとを同時に実行するマルチプレーンリードを指示する場合のコマンドシーケンスであり、本例において半導体記憶装置1は第1読み出し動作を実行する。
以下に、図15を用いてメモリシステム3のコマンドシーケンスについて説明する。尚、以下の説明においてコマンド及びアドレス情報を半導体記憶装置1の入出力回路13が受信すると、入出力回路13は、受信したコマンド及びアドレス情報をそれぞれコマンドレジスタ14C及びアドレスレジスタ14Bに転送するものとする。
図15に示すように、まずコントローラ2はプレーン<0>及びプレーン<1>に対応する読み出しコマンドをそれぞれ発行する。
具体的には、まずコントローラ2はコマンド“01h”及び読み出しコマンド“00h”を続けて発行して、それぞれ半導体記憶装置1に送信する。コマンド“01h”は、半導体記憶装置1に下位ページ読み出しを命令するコマンドである。コマンド“00h”は、読み出しの為のアドレス入力受付コマンドに相当し、半導体記憶装置1にデータの読み出し動作を命令するコマンドである。
次にコントローラ2は、アドレス情報ADD1を発行して半導体記憶装置1に送信する。このアドレス情報ADD1は、プレーン<0>を指定する情報と、下位ページに対応するページアドレスPAを指定する情報とを含んでいる。続けてコントローラ2は、コマンド“32h”を発行して半導体記憶装置1に送信する。コマンド“32h”は、マルチプレーン動作を命令するコマンドであり、これまで送信されたコマンド及びアドレス情報が1つのプレーンに対応するものであることを示している。
コマンドレジスタ14Cにコマンド“32h”が格納されるとシーケンサ16は、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルにして、続けてレディ/ビジー信号を“L”レベルから“H”レベルにする。この動作は、半導体記憶装置1がコントローラ2に対して続けて読み出しコマンドを受信可能であること示すものである。
コントローラ2は、レディ/ビジー信号が“L”レベルから“H”レベルになったことを検知すると、コマンド“02h”及びリードコマンド“00h”を続けて発行して、それぞれ半導体記憶装置1に送信する。コマンド“02h”は、半導体記憶装置1に中位ページ読み出しを命令するコマンドである。
次にコントローラ2は、アドレス情報ADDを発行して半導体記憶装置1に送信する。このアドレス情報ADD2は、プレーン<1>を指定する情報と、中位ページに対応するページアドレスPAを指定する情報とを含んでいる。続けてコントローラ2は、コマンド“30h”を発行して半導体記憶装置1に送信する。コマンド“30h”は、受信した各プレーンに対応するコマンド及びアドレス情報に基づいて半導体記憶装置1に読み出し動作の開始を指示するコマンドである。本例では、プレーン<0>に関する指示とコマンド“32h”とを含むコマンドセットと、プレーン<1>に関する指示とコマンド“30h”とを含むコマンドセットとに基づいたマルチプレーンリードが実行される。
コマンドレジスタ14Cにコマンド“30h”が格納されるとシーケンサ16は、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルに変化させ、第1読み出し動作を開始する。図示するtRは、この第1読み出し動作において下位ページのデータが確定するまでの時間に対応している。
シーケンサ16は、プレーン<0>における下位ページ読み出しのデータが確定すると、レディ/ビジー信号を“H”にする。するとコントローラ2は、半導体記憶装置1がレディ状態になったことに応答して、プレーン<0>に対応するデータ転送コマンドを発行する。
具体的には、まずコントローラ2はデータ出力コマンド“05h”を発行し、半導体記憶装置1に送信する。コマンド“05h”は、半導体記憶装置1が各プレーンのキャッシュ(例えば、各センスアンプユニットSAUのラッチ回路XDL)に保持されているデータを、コントローラ2に出力するように指示するコマンドである。次にコントローラ2は、アドレス情報ADD1を発行して半導体記憶装置1に送信する。このアドレス情報ADD1は、プレーン<0>を指定する情報を含んでいる。続けてコントローラ2は、コマンド“E0h”を発行して半導体記憶装置1に送信する。コマンド“E0h”は、直前に送信されたアドレス情報に基づいて、半導体記憶装置1にコントローラ2へのデータの出力を開始させるためのコマンドである。
コマンドレジスタ14Cにコマンド“E0h”が格納されるとシーケンサ16は、プレーン<0>に対応するセンスアンプモジュール11Aに保持された下位ページの読み出しデータDoutを、入出力回路13を介してコントローラ2に出力する。そしてコントローラ2は、プレーン<0>の読み出しデータDoutを全て受信した際に半導体記憶装置1がレディ状態を維持していることを検知すると、続けてコマンド“05h”、アドレス情報ADD2、及びコマンド“E0h”を順に発行して、半導体記憶装置1に送信する。このアドレス情報ADD2は、プレーン<1>を指定する情報を含んでいる。
コマンドレジスタ14Cにコマンド“E0h”が格納されるとシーケンサ16は、プレーン<1>に対応するセンスアンプモジュール11Bに保持された中位ページの読み出しデータDoutを、入出力回路13を介してコントローラ2に出力する。
このように本例においてコントローラ2は、プレーン<0>における下位ページ読み出しがプレーン<1>における中位ページ読み出しよりも先に終了するため、プレーン<0>に対するデータ出力コマンドをプレーン<1>よりも先に発行する。
また、本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作では、コントローラ2が図16に示すように読み出しコマンドを発行した場合、データの出力が指示されるプレーンの順番が、各プレーンに対応する読み出しコマンドが発行された順番と異なることがある。図16に示す一例は、半導体記憶装置1に対してプレーン<0>に対する上位ページ読み出しと、プレーン<1>に対する下位ページ読み出しとを同時に実行するマルチプレーンリードを指示する場合のコマンドシーケンスであり、本例において半導体記憶装置1は第3読み出し動作を実行する。
図16に示す読み出しコマンドのコマンドシーケンスは、図15で説明したコマンドシーケンスにおいてプレーン<0>に対応する読み出しコマンドにおいてコマンド“01h”をコマンド“03h”に、続くプレーン<1>に対応する読み出しコマンドにおいてコマンド“02h”をコマンド“01h”に置き換えたものと同様である。コマンド“03h”は、半導体記憶装置1に上位ページ読み出しを命令するコマンドである。
本例では、上位ページの読み出しを行うプレーン<0>よりも、下位ページの読み出しを行うプレーン<1>の方が先に読み出しデータが確定する。つまり、プレーン<1>の方が先に読み出しデータを出力可能な状態になる。この場合コントローラ2は、プレーン<1>に対するデータ出力コマンドをプレーン<0>よりも先に発行する。具体的には、先に発行されるデータ出力コマンドに対応するアドレス情報ADD2が、プレーン<1>を指定するものとなり、後に発行されるデータ出力コマンドに対応するアドレス情報ADD1が、プレーン<0>を指定するものとなる。
以上のように本実施形態に係るメモリシステム3は、複数のプレーンで異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行可能であり、コントローラ2は半導体記憶装置1に対して、先に読み出しデータが確定したプレーンから順に読み出しデータを出力させることが出来る。
尚、本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作において、一方のプレーンのデータ出力が終了した際に、他方のプレーンの読み出しデータが確定していない場合がある。この場合における読み出し動作のフローチャートは、例えば図17に示すものとなる。
図17に示すステップS10〜S14までの動作は、図14を用いて説明した動作と同様である。以下に、本例の動作について図14と異なる点を説明する。
図17に示すステップS10〜S14までの動作は、図14を用いて説明した動作と同様である。以下に、本例の動作について図14と異なる点を説明する。
ステップS14における動作が終了した際に、他方のプレーンの読み出し動作が完了していない場合(ステップS20)、半導体記憶装置1はレディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルにする。つまり、先にデータが確定した一方のプレーンの読み出しデータの出力が終わったタイミングで、他方のプレーンの読み出しデータが確定していない場合に、半導体記憶装置1はコントローラ2に対してビジー状態である事を通知する。このときコントローラ2は、一方のプレーンの読み出しデータを受け取り終えたタイミングで半導体記憶装置1がビジー状態に変わったことを検知すると、次のデータ出力コマンドを発行せずに半導体記憶装置1がレディ状態になるまで待機する。
そして半導体記憶装置1は、他方のプレーンの読み出しデータが確定すると(ステップS21)、レディ/ビジー信号を“L”レベルから“H”レベルにする。するとコントローラ2は、半導体記憶装置1がレディ状態になったことに応答して、他方のプレーンに対応するデータ出力コマンドを発行して(ステップS22)、半導体記憶装置1に送信する。そして、コントローラ2からデータ出力コマンドを受信した半導体記憶装置1は、他方のプレーンの読み出しデータDATをコントローラ2に出力する(ステップS23)。
この場合における読み出し動作のコマンドシーケンスは、例えば図18に示すものとなる。図18に示すコマンドシーケンスは、図15で説明したコマンドシーケンスに対して、プレーン毎のデータ出力コマンドを発行する間に半導体記憶装置1がビジー状態となる期間が存在する点が異なっている。
具体的には、コントローラ2がプレーン<0>に対応するデータ出力コマンドを発行して半導体記憶装置1に送信し、半導体記憶装置1はこのコマンドに応答してプレーン<0>の読み出しデータをコントローラ2に出力する。そして半導体記憶装置1のシーケンサ16は、コントローラ2にプレーン<0>の読み出しデータを出力し終えた際にプレーン<1>の読み出しデータが確定していないことを検知し、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルにする。つまりシーケンサ16は、プレーン<0>のデータ出力に続いて、直ぐにプレーン<1>のデータ出力をすることが出来ない状態であることを検知すると、半導体記憶装置1をビジー状態とする。
そしてシーケンサ16は、プレーン<1>の読み出しデータが確定するとレディ/ビジー信号を“L”レベルから“H”レベルにして、プレーン<1>の読み出しデータをコントローラ2に出力可能となったことを通知する。以降の動作は、図15で説明したコマンドシーケンスと同様である。
[1−3]第1実施形態の効果
第1実施形態に係るメモリシステム3によれば、動作を高速化することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
第1実施形態に係るメモリシステム3によれば、動作を高速化することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
各々が複数ビットのデータを記憶することが可能なメモリセルアレイを含み、且つ独立して動作することが可能な複数のプレーンを備える半導体記憶装置が知られている。このような半導体記憶装置の構成の一例としては、ワード線に電圧を供給するCGドライバを複数のプレーン間で共有することが考えられる。この場合、例えば半導体記憶装置の読み出し動作時において各プレーンに対応する選択ワード線及び非選択ワード線には、各々が共有するCGドライバによってそれぞれ同じ電圧が供給される。
また、複数のプレーンを備える半導体記憶装置は、複数のプレーンから同時にデータを読み出すマルチプレーンリードという読み出し動作を実行することが出来る。例えば半導体記憶装置が2つのプレーンを備える場合、コントローラは2つのプレーンに対応する読み出しコマンドをそれぞれ発行して、続けて半導体記憶装置に送信する。すると半導体記憶装置は、コントローラから受信したコマンドに基づいて2つのプレーンを制御して、マルチプレーンリードを開始する。これにより読み出されたデータは、コントローラが発行するコマンドに基づいてプレーン毎に出力される。
さらに本実施形態に係るメモリシステム3では、複数のプレーンに対して異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行することが出来る。具体的には、例えばプレーン<0>及びプレーン<1>を備える半導体記憶装置1に対して、コントローラ2が各プレーンに異なるレベルの読み出しを指示するコマンドと対応するページアドレスを出力する。すると、コントローラ2からコマンド及びページアドレスを受信した半導体記憶装置1は、プレーン<0>及びプレーン<1>から読み出すデータレベルの組み合わせに基づいて、選択ワード線WLselに対して種々の読み出し電圧を印加する。
より具体的には、プレーン<0>及びプレーン<1>にそれぞれ対応する選択ワード線WLsel<0、1>に対して、プレーン<0>で所望のレベルのデータを算出するのに必要な読み出し電圧と、プレーン<1>から所望のレベルのデータを算出するのに必要な読み出し電圧とを印加する。そして各プレーンに対応するセンスアンプモジュール11が、各読み出し電圧により読み出されたデータのうち必要な読み出しデータのみを抽出して演算することにより、所望のレベルのページデータを得る。
例えば、プレーン<0>から下位ページのデータを読み出し、プレーン<1>から中位ページのデータを読み出す場合、読み出し電圧として、下位ページ読み出しに対応する読み出し電圧AR及びERと、中位ページ読み出しに対応する読み出し電圧BR、DR、及びFRとを、電圧値の低い方又は高い方から順に印加してそれぞれデータを読み出す。そしてセンスアンプモジュール11Aが電圧AR及びERの読み出しデータを用いて下位ページのデータを算出し、センスアンプモジュール11Bが電圧BR、DR、及びFRの読み出しデータを用いて中位ページのデータを算出する。つまり、下位ビットに関連付けられた第1ページがメモリセルアレイ10Aからページ単位で読み出され、この第1ページの読み出しに平行して、中位ビットに関連付けられた第2ページがメモリセルアレイ10Bからページ単位で読み出される。
以上のように本実施形態に係るメモリシステム3は、複数のプレーンに対して異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行することが出来る。また、本実施形態に係るメモリシステム3は、マルチプレーンリードにおいて複数のプレーンで同じデータレベルのページアドレスを入力するという制限を無くすことが出来るため、コントローラ2の制御を簡便にすることができる。これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、マルチプレーン動作時のパフォーマンスを向上することが出来、読み出し速度を高速化することが出来る。
また本実施形態に係る半導体記憶装置1は、マルチプレーンリードにおいて複数のプレーンから異なるデータレベルの読み出しを指示した場合に、読み出すデータのレベルに応じて、プレーン毎に読み出しデータが確定するタイミングが異なる。
そこで本実施形態に係るメモリシステム3は、複数のプレーンから異なるデータレベルを読み出すマルチプレーンリードにおいて、先に読み出しデータが確定したプレーンから順番にデータを出力させる。
具体的には、例えば図10に示すようなプレーン<0>に対する下位ページ読み出しとプレーン<1>に対する中位ページ読み出しとを実行するマルチプレーンリードでは、中位ページよりも先に下位ページの読み出しが終了する。
この場合、プレーン<0>の読み出しデータが確定した際に、シーケンサ16がこれを検知して半導体記憶装置1をレディ状態にする。そしてコントローラ2は、半導体記憶装置1がレディ状態になったことを検知すると、先に読み出しデータが確定するプレーン<0>に対するデータ出力コマンドを発行する。すると、このコマンドを受信した半導体記憶装置1は、プレーン<1>の中位ページ読み出しを継続する一方で、プレーン<0>で読み出された下位ページデータをコントローラ2に出力する。
このように本実施形態に係るメモリシステム3では、半導体記憶装置1がマルチプレーンリードを実行している間でも、読み出しデータが確定したプレーンからデータを出力させることができる。これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、半導体記憶装置1が読み出しデータの出力を開始するタイミングを早めることが出来るため、読み出し速度を高速化することが出来る。
尚、コントローラ2がデータ転送を指示するプレーンの順番は、当該読み出し動作を指示したコマンドに基づいて決定される。例えば、マルチプレーンリードにおいて図16に示すようにプレーン<0>に対して上位ページ読み出し、プレーン<1>に対して下位ページ読み出しを実行する場合、コントローラ2はプレーン<1>の方がプレーン<0>より先に読み出しデータが確定することを予め知ることが出来るため、コントローラ2はプレーン<1>に対して先にデータの出力を指示する。
[2]第2実施形態
次に、第2実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第2実施形態は、上記第1実施形態で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対して、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、不要なデータの読み出しを省略するものである。以下に、第1及び第2実施形態と異なる点を説明する。
次に、第2実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第2実施形態は、上記第1実施形態で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対して、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、不要なデータの読み出しを省略するものである。以下に、第1及び第2実施形態と異なる点を説明する。
[2−1]半導体記憶装置1の構成
まず、図19を用いて半導体記憶装置1の構成について説明する。図19は本実施形態に係る半導体記憶装置1のブロック図であり、第1実施形態で説明した図2に対して、シーケンサ16がプレーン毎に異なる制御信号STBを生成する点が異なっている。
まず、図19を用いて半導体記憶装置1の構成について説明する。図19は本実施形態に係る半導体記憶装置1のブロック図であり、第1実施形態で説明した図2に対して、シーケンサ16がプレーン毎に異なる制御信号STBを生成する点が異なっている。
具体的には、図19に示すようにシーケンサ16は、センスアンプモジュール11Aに対して制御信号STB<0>を生成し、センスアンプモジュール11Bに対して制御信号STB<1>を生成する。つまり本実施形態においてシーケンサ16は、読み出し動作で使用される制御信号STBを、プレーン毎に異なるタイミングでアサートしたり、アサートする時間を変えたりすることが出来る。その他の構成は第1実施形態で説明した図2と同様のため、説明を省略する。
[2−2]半導体記憶装置1の読み出し動作
次に、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、所望のページデータの演算に必要なデータのみを読み出す。
次に、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、所望のページデータの演算に必要なデータのみを読み出す。
具体的には、本実施形態において第1読み出し動作、第2読み出し動作、及び第3読み出し動作は、それぞれ図20〜図22に示すような動作となる。以下に、図20〜図22を用いて各読み出し動作の詳細についてそれぞれ説明する。
第1読み出し動作に対応する図20には、プレーン<0>から下位ページのデータ、プレーン<1>から中位ページのデータを読み出す場合の一例を示している。図20に示す選択ワード線WLselの波形は、第1実施形態で説明した図10と同様である。
図20に示すようにシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して下位ページ読み出しに対応する読み出し電圧AR及びERが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<0>をアサートする。またシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して中位ページ読み出しに対応する読み出し電圧BR、DR、及びFRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<1>をアサートする。
第2読み出し動作に対応する図21には、プレーン<0>から下位ページのデータ、プレーン<1>から上位ページのデータを読み出す場合の一例を示している。図21に示す選択ワード線WLselの波形は、第1実施形態で説明した図11と同様である。
図21に示すようにシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して下位ページ読み出しに対応する読み出し電圧AR及びERが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<0>をアサートする。またシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して上位ページ読み出しに対応する読み出し電圧CR及びGRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<1>をアサートする。
第3読み出し動作に対応する図22には、プレーン<0>から中位ページのデータ、プレーン<1>から上位ページのデータを読み出す場合の一例を示している。図22に示す選択ワード線WLselの波形は、第1実施形態で説明した図12と同様である。
図22に示すようにシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して中位ページ読み出しに対応する読み出し電圧BR、DR、及びFRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<0>をアサートする。またシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して上位ページ読み出しに対応する読み出し電圧CR及びGRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<1>をアサートする。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1は、選択ワード線WLselに対してプレーン毎に、指定されたデータレベルのページに対応する読み出し電圧が印加されている間に、シーケンサ16が制御信号STBをアサートする。つまり本実施形態においてセンスアンプモジュール11A及び11Bのセンスアンプ部SAはそれぞれ、プレーン<0>及びプレーン<1>で指定されたデータレベルの演算に必要なデータのみをセンスする。
尚、上記説明において、各プレーンに対して演算するのに必要なデータのみを読み出す場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、第1実施形態と同じように、所望のデータを得るための演算に必要のないデータを読み出して、そのデータを使用しないように動作させても良い。
[2−3]第2実施形態の効果
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3における半導体記憶装置1は、センスアンプモジュール11に各ビット線BLに読み出されたデータをセンスするタイミングを指示する制御信号STBを、プレーン毎に制御する。
これにより本実施形態に係る半導体記憶装置1は、マルチプレーンリードにおいて各ページデータの演算に使用するデータを選択的にセンスアンプモジュール11に取り込むことが可能となる。
例えば、プレーン<0>及びプレーン<1>からそれぞれ下位ページ及び上位ページのデータをマルチプレーンリードで読み出す場合、選択ワード線WLselに下位ページ読み出しに対応する電圧が印加されている間にシーケンサ16は、プレーン<0>に対応する制御信号STB<0>をアサートし、プレーン<1>に対応する制御信号STB<1>をアサートしない。同様に、選択ワード線WLselに上位ページ読み出しに対応する電圧が印加されている間にシーケンサ16は、プレーン<1>に対応する制御信号STB<1>をアサートし、プレーン<0>に対応する制御信号STB<1>をアサートしない。
このように本実施形態に係る半導体記憶装置1は、所望のデータレベルの演算に使用されない不要なデータを読み出すことなく、データレベルの異なるページに対するマルチプレーンリードを実行する事が出来る。
以上のように本実施形態に係るメモリシステム3は、第1実施形態と同様に、複数のプレーンに対して異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行することが出来、また第1実施形態よりもコントローラ2の制御を簡便にすることが出来る。これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、第1実施形態と同様にマルチプレーン動作時のパフォーマンスを向上することが出来、読み出し速度を高速化することが出来る。
[3]第3実施形態
次に、第3実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第3実施形態は、上記第1実施形態で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対して、プレーン毎にソース線の電圧を制御することにより、プレーン毎に異なる閾値レベルの判定を並列に実行するものである。以下に、第1実施形態と異なる点を説明する。
次に、第3実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第3実施形態は、上記第1実施形態で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対して、プレーン毎にソース線の電圧を制御することにより、プレーン毎に異なる閾値レベルの判定を並列に実行するものである。以下に、第1実施形態と異なる点を説明する。
[3−1]半導体記憶装置1の構成
まず、図23を用いて半導体記憶装置1の構成について説明する。図23は本実施形態に係る電圧生成回路17のブロック図であり、第1実施形態で説明した図7に対して、SLドライバ51がプレーン毎に設けられている点が異なっている。
まず、図23を用いて半導体記憶装置1の構成について説明する。図23は本実施形態に係る電圧生成回路17のブロック図であり、第1実施形態で説明した図7に対して、SLドライバ51がプレーン毎に設けられている点が異なっている。
具体的には、図23に示すように電圧生成回路17は、SLドライバ51A及び51Bを含んでいる。SLドライバ51Aは、メモリセルアレイ10Aに設けられたソース線SLに電圧を供給し、SLドライバ51Bは、メモリセルアレイ10Bに設けられたソース線SLに電圧を供給する。つまり、SLドライバ51Aはプレーン<0>に対応して設けられ、SLドライバ51Bはプレーン<1>に対応して設けられている。
これにより本実施形態において電圧生成回路17は、各種動作においてプレーン毎のソース線SLに異なる電圧を印加することが可能となる。その他の構成は第1実施形態と同様のため、説明を省略する。
[3−2]半導体記憶装置1の読み出し動作
次に、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、第1実施形態と同様に、複数プレーン間でCGドライバ50を共有した構成で、プレーン毎に異なるデータレベルを読み出すマルチプレーンリードを実行する。さらに本実施形態に係る半導体記憶装置1では、複数のSLドライバ51を用いてプレーン毎のソース線SLに異なる電圧を印加することにより、各プレーンの選択ワード線WLselに印加する1種類の読み出し電圧でプレーン毎に異なる閾値レベルの判定を実施する。
次に、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、第1実施形態と同様に、複数プレーン間でCGドライバ50を共有した構成で、プレーン毎に異なるデータレベルを読み出すマルチプレーンリードを実行する。さらに本実施形態に係る半導体記憶装置1では、複数のSLドライバ51を用いてプレーン毎のソース線SLに異なる電圧を印加することにより、各プレーンの選択ワード線WLselに印加する1種類の読み出し電圧でプレーン毎に異なる閾値レベルの判定を実施する。
具体的には、本実施形態における第1読み出し動作、第2読み出し動作、及び第3読み出し動作は、それぞれ図24〜図26に示すような動作となる。以下に、図24〜図26を用いて第1〜第3読み出し動作の詳細についてそれぞれ説明する。
第1読み出し動作に対応する図24には、プレーン<0>から下位ページのデータ、プレーン<1>から中位ページのデータを読み出す場合の一例が示されている。
図24に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧BR、ER、及びFRを順に印加する。
SLドライバ51Aはソース線<0>に対して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧BRが印加されている間に電圧AR’を印加して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧ER及びFRが印加されている間に電圧Vssを印加する。この電圧AR’は、電圧BRとの差分が電圧ARとなるように設定され、これによりプレーン<0>で選択されたメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が電圧ARとなる。
SLドライバ51Bはソース線<1>に対して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧ERが印加されている間に電圧DR’を印加して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧BR及びFRが印加されている間に電圧Vssを印加する。この電圧DR’は、電圧ERとの差分が電圧DRとなるように設定され、これによりプレーン<1>で選択されたメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が電圧DRとなる。
シーケンサ16は、まず選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧BRが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧ARによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧BRによって閾値電圧が判定される。
次にシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧ERが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧ERによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧DRによって閾値電圧が判定される。ここで電圧AR及びERによる閾値電圧の判定結果から下位ページの演算が実行され、下位ページ読み出しが終了する。
次にシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧FRが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧FRによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧FRによって閾値電圧が判定される。ここで電圧BR、DR、及びFRによる閾値電圧の判定結果から中位ページの演算が実行され、中位ページ読み出しが終了する。尚、このときプレーン<0>において読み出されたデータは、演算に使用されないものである。
このように本実施形態における第1読み出し動作では、選択ワード線WLselに印加する3種類の読み出し電圧で、下位ページ及び中位ページのデータを得ることが出来る。
第2読み出し動作に対応する図25には、プレーン<0>から下位ページのデータ、プレーン<1>から上位ページのデータを読み出す場合の一例が示されている。
図25に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧CR及びGRを順に印加する。
SLドライバ51Aはソース線<0>に対して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧CRが印加されている間に電圧AR’を印加して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧GRが印加されている間に電圧ER’を印加する。この電圧AR’は、電圧CRとの差分が電圧ARとなるように設定され、これによりプレーン<0>で選択されたメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が電圧ARとなる。また電圧ER’は、電圧GRとの差分が電圧ERとなるように設定され、これによりプレーン<0>で選択されたメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が電圧ERとなる。
SLドライバ51Bはソース線<1>に対して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧CR及びGRが印加されている間に電圧Vss印加する。
シーケンサ16は、まず選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧CR及びGRが印加されている間に、それぞれ制御信号STBをアサートする。
次にシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧BRが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧ARによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧CRによって閾値電圧が判定される。
次にシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧ERが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧ERによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧GRによって閾値電圧が判定される。ここで電圧AR及びERによる閾値電圧の判定結果から下位ページの演算が実行されて下位ページ読み出しが終了し、電圧CR及びGRによる閾値電圧の判定結果から上位ページの演算が実行されて上位ページ読み出しが終了する。
このように本実施形態における第2読み出し動作では、選択ワード線WLselに印加する2種類の読み出し電圧で、下位ページ及び上位ページのデータを得ることが出来る。
第3読み出し動作に対応する図26には、プレーン<0>から中位ページのデータ、プレーン<1>から上位ページのデータを読み出す場合の一例が示されている。
図26に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧CR、DR、及びGRを順に印加する。
SLドライバ51Aはソース線<0>に対して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧CRが印加されている間に電圧BR’を印加して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧DRが印加されている間に電圧Vssを印加して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧GRが印加されている間に電圧FR’を印加する。この電圧BR’は、電圧CRとの差分が電圧ARとなるように設定され、これによりプレーン<0>で選択されたメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が電圧ARとなる。また、電圧FR’は、電圧GRとの差分が電圧FRとなるように設定され、これによりプレーン<0>で選択されたメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が電圧FRとなる。
SLドライバ51Bはソース線<1>に対して、選択ワード線WLsel<0、1>に電圧CR、DR、及びGRが印加されている間に電圧Vss印加する。
シーケンサ16は、まず選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧CRが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧BRによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧CRによって閾値電圧が判定される。
次にシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧DRが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>及び<1>で選択されたメモリセルは、電圧DRによって閾値電圧が判定される。尚、このときプレーン<0>において読み出されたデータは、演算に使用されないものである。
次にシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧GRが印加されている間に制御信号STBをアサートする。するとプレーン<0>で選択されたメモリセルは電圧FRによって閾値電圧が判定され、プレーン<1>で選択されたメモリセルは電圧GRによって閾値電圧が判定される。ここで電圧BR及びFRによる閾値電圧の判定結果から中位ページの演算が実行されて中位ページ読み出しが終了し、電圧CR及びGRによる閾値電圧の判定結果から上位ページの演算が実行されて上位ページ読み出しが終了する。
このように本実施形態における第3読み出し動作では、選択ワード線WLselに印加する3種類の読み出し電圧で、中位ページ及び上位ページのデータを得ることが出来る。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、ソース線SLの電圧を所望のタイミング及び大きさで印加することにより、シーケンサ16が制御信号STBを1度アサートした際にプレーン毎に異なる閾値電圧の判定をする。
尚、半導体記憶装置1は、一方のプレーンが下位ページ読み出し、他方のプレーンが中位ページ読み出しを必要とする場合に、図27に示すような順番で電圧を印加しても良い。図27に示す動作は、図24で説明した第1読み出し動作に対して、選択ワード線WLselに読み出し電圧を印加する順番を逆にして、且つそれに合わせてソース線SLに印加する電圧を変更したものと同様である。
具体的には、図27に示すように選択ワード線WLselに対して読み出し電圧FR、ER、及びBRが順に印加され、ワード線WLsel<0、1>に電圧ERが印加されている間にはソース線SL<1>に電圧DR’が印加され、ワード線WLsel<0、1>に電圧BRが印加されている間にはソース線SL<0>に電圧AR’が印加される。また、図4に示すデータの割り付けの場合、図27に示すように中位ページ読み出しが下位ページ読み出しよりも先に終了する。尚、第2及び第3読み出し動作においても同様に、図25及び図26に対して選択ワード線WLselに対して印加する読み出し電圧の順番を逆にして、それに合わせてソース線SLに印加する電圧を変更するようにしても良い。
また、第1〜第3読み出し動作において選択ワード線WLselに印加される読み出し電圧の種類は、複数のプレーンから読み出すページのデータレベルに基づいて決定される。例えば第1読み出し動作の場合、下位ページの読み出しには2種類のデータを判定に使用し、中位ページの読み出しには3種類のデータを判定に使用するため、選択ワード線WLselに印加する電圧としては最低3種類の読み出し電圧が必要になる。
[3−3]第3実施形態の効果
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることが出来、さらに第1実施形態よりも動作を高速化することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることが出来、さらに第1実施形態よりも動作を高速化することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作では、半導体記憶装置1が複数のSLドライバ51を用いることで、プレーン毎にソース線SLに印加する電圧を制御する。
これにより本実施形態に係る半導体記憶装置1は、マルチプレーンリードにおいて選択ワード線WLselに印加される電圧が同じ場合でも、プレーン毎に選択されたメモリセルに対して異なる閾値の判定をすることが可能となる。
例えば、プレーン<0>で下位ページ、プレーン<1>上位ページのデータをマルチプレーンリードで読み出す場合、選択ワード線WLselに下位ページ読み出しに対応する電圧が印加されている間にSLドライバ51Aは、プレーン<0>に対応するソース線SLに例えば電圧Vssを印加する。一方でSLドライバ51Aは、プレーン<1>に対応するソース線SLに、選択ワード線WLselに印加されている電圧との差分が上位ページの読み出しに対応する電位差になるような電圧を印加する。
このように本実施形態に係る半導体記憶装置1は、各プレーンでワード線WLselに印加される電圧が同じ場合でも、ソース線SLの電圧を所望のタイミング及び大きさで印加することにより、各プレーンにおけるメモリセルのゲート−チャネル間の電位差を、各プレーンで判定したい閾値に対応する所望の電圧に調整することが出来る。また、異なるデータレベルに対応する閾値の判定を同時に実行することが出来るため、ワード線WLselに印加する読み出し電圧の種類を減らすことが出来る。
以上のように本実施形態に係るメモリシステム3は、第1実施形態と同様に複数のプレーンに対して異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行することが出来、さらに第1実施形態よりも読み出し時間を短縮することが出来る。これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、第1実施形態よりもマルチプレーン動作時のパフォーマンスを向上することが出来、読み出し速度を高速化することが出来る。
尚、本実施形態で説明した第1〜第3読み出し動作において、選択ワード線WLsel及びソース線SLに印加される電圧はあくまで一例であり、これに限定されない。本実施形態は様々なバリエーションが考えられ、選択ワード線WLselとプレーン毎のソース線SLに印加する電圧とを調整することによって、プレーン毎に所望の閾値を判定することが可能となる。
[4]第4実施形態
次に、第4実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第4実施形態は、上記第3実施形態で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対して、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、不要なデータの読み出しを省略するものである。以下に、第1乃至第3実施形態と異なる点を説明する。
次に、第4実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第4実施形態は、上記第3実施形態で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対して、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、不要なデータの読み出しを省略するものである。以下に、第1乃至第3実施形態と異なる点を説明する。
[4−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎に制御信号STBが制御され、且つ複数のSLドライバ51を用いてプレーン毎のソース線SLに異なる電圧が印加される。これにより半導体記憶装置1は、各プレーンの選択ワード線WLselに印加する1種類の読み出し電圧でプレーン毎に異なる閾値レベルの判定を実現し、且つ所望のページデータの演算に必要なデータのみを読み出す。
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎に制御信号STBが制御され、且つ複数のSLドライバ51を用いてプレーン毎のソース線SLに異なる電圧が印加される。これにより半導体記憶装置1は、各プレーンの選択ワード線WLselに印加する1種類の読み出し電圧でプレーン毎に異なる閾値レベルの判定を実現し、且つ所望のページデータの演算に必要なデータのみを読み出す。
具体的には、本実施形態において第1読み出し動作及び第3読み出し動作は、それぞれ図28及び図29に示すような動作となる。以下に、図28及び図29を用いて第1及び第3読み出し動作の詳細についてそれぞれ説明する。
第1読み出し動作に対応する図28には、プレーン<0>から下位ページのデータ、プレーン<1>から中位ページのデータを読み出す場合の一例が示されている。図28に示す選択ワード線WLsel及びソース線SLの波形は、第3実施形態で説明した図24と同様である。
図28に示すようにシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して下位ページ読み出しに対応する読み出し電圧AR及びERが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<0>をアサートする。またシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して中位ページ読み出しに対応する読み出し電圧BR、DR、及びFRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<1>をアサートする。
第3読み出し動作に対応する図29には、プレーン<0>から中位ページのデータ、プレーン<1>から上位ページのデータを読み出す場合の一例が示されている。図29に示す選択ワード線WLsel及びソース線SLの波形は、第3実施形態で説明した図26と同様である。
図29に示すようにシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して中位ページ読み出しに対応する読み出し電圧BR、DR、及びFRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<0>をアサートする。またシーケンサ16は、選択ワード線WLsel<0、1>に対して上位ページ読み出しに対応する読み出し電圧CR及びGRが印加されている間に、それぞれ制御信号STB<1>をアサートする。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1は、選択ワード線WLselに対してプレーン毎に、指定されたデータレベルのページに対応する読み出し電圧が印加されている間に、シーケンサ16が制御信号STBをアサートする。つまり本実施形態においてセンスアンプモジュール11A及び11Bはそれぞれ、プレーン<0>及びプレーン<1>で指定されたデータレベルの演算に必要なデータのみをセンスする。
尚、上記説明において、各プレーンに対して演算するのに必要なデータのみを読み出す場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、第3実施形態と同じように、所望のデータを得るための演算に必要のないデータを読み出して、そのデータを使用しないように動作させても良い。
[4−2]第4実施形態の効果
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第3実施形態と同様の効果を得ることが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第3実施形態と同様の効果を得ることが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3において半導体記憶装置1は、プレーン毎にソース線SLに印加する電圧が制御され、且つプレーン毎に制御信号STBが制御される。
これにより本実施形態に係る半導体記憶装置1は、マルチプレーンリードにおいて各ページデータの演算に使用するデータを選択的にセンスアンプモジュール11に取り込むことが可能となり、且つ選択ワード線WLselに印加される電圧が同じ場合でも異なる閾値レベルの判定をすることが可能となる。
以上のように本実施形態に係るメモリシステム3は、第3実施形態と同様のマルチプレーンリードを実行することが出来、また第3実施形態よりもコントローラ2の制御を簡便にすることが出来る。つまり本実施形態に係るメモリシステム3は、第3実施形態に対して第2実施形態を適用したものに対応する。これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、第3実施形態と同様にマルチプレーン動作時のパフォーマンスを向上することが出来、読み出し速度を高速化することが出来る。
[5]第5実施形態
次に、第5実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第5実施形態は、上記第1実施形態で説明した半導体記憶装置1の構成で、複数プレーンに対するsequential readingを同時に実行するものである。以下に、第1〜第4実施形態と異なる点を説明する。
次に、第5実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第5実施形態は、上記第1実施形態で説明した半導体記憶装置1の構成で、複数プレーンに対するsequential readingを同時に実行するものである。以下に、第1〜第4実施形態と異なる点を説明する。
[5−1]動作
[5−1−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、複数のプレーンに対するsequential readingを実行するマルチプレーンリードにおいて、読み出しデータが確定したページからデータを出力させる。以降の説明において、このような読み出し動作のことを第4読み出し動作と呼ぶ。
[5−1−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、複数のプレーンに対するsequential readingを実行するマルチプレーンリードにおいて、読み出しデータが確定したページからデータを出力させる。以降の説明において、このような読み出し動作のことを第4読み出し動作と呼ぶ。
この第4読み出し動作に対応する波形の一例は、図30に示すものとなる。図30には、TLC方式においてプレーン<0>及び<1>に対するsequential readingを実行する場合の一例が示され、各読み出し動作時においてプレーン<0>及び<1>にそれぞれ対応する選択ワード線WLsel<0>及び<1>に印加される電圧と、制御信号STBの波形が示されている。
図30に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧AR、BR、CR、DR、ER、FR、及びGRを順に印加する。本例ではこの読み出し電圧のうち、電圧AR及びERが下位ページ読み出しに対応し、電圧BR、DR、及びFRが中位ページ読み出しに対応し、電圧CR及びGRが上位ページ読み出しに対応している。
シーケンサ16は、選択ワード線WLselに各読み出し電圧が印加されている間に、それぞれ制御信号STBをアサートする。すると各センスアンプユニットSAUは、信号STBがアサートされたタイミングで対応するビット線BLに読み出されたデータを判定し、このデータをラッチ回路SDLに保持する。
このように各読み出し電圧によって読み出され、ラッチ回路SDLに保持された読み出しデータは、他のラッチ回路に転送される。尚、本実施形態においてセンスアンプユニットSAUが備えるラッチ回路は、各データレベルの演算に使用する読み出しデータを全て保持するために、センス用のラッチ回路SDLとデータ転送用のラッチ回路XDL以外に、例えば7個のラッチ回路が設けられる。このラッチ回路の個数はこれに限定されず、例えば読み出し動作の途中で演算をすることにより、必要なラッチ回路の個数を抑えることが出来る。
本例において、下位ページ読み出しは電圧ERによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了し、中位ページ読み出しは電圧FRによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了し、上位ページ読み出しは電圧FRによりデータが読み出された後の演算を終えたタイミングで終了する。
尚、確定した各ページのデータは、例えば当該ページに対応する演算の終了と共にラッチ回路XDLに転送され、半導体記憶装置1はコントローラ2からのデータ出力コマンドを待ち受ける状態になる。また各センスアンプモジュール11は、例えばラッチ回路XDLからデータが出力されたことに応答して、次に出力するレベルのデータをラッチ回路XDLに転送する。尚、センスアンプモジュール11が確定したデータをラッチ回路XDLに転送するタイミングはこれに限定されず、コントローラ2からのデータ出力コマンドに応答してからデータの転送を開始しても良い。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、複数のプレーンのsequential readingを平行して実行する。そして半導体記憶装置1は、各ページデータの演算に必要なデータが揃う度に演算を開始することにより、データが低い電圧で確定する場合のデータの確定タイミングを早めている。
尚、半導体記憶装置1は複数のプレーンに対するsequential readingを実行するマルチプレーンリードにおいて、図31に示すような順番で電圧を印加しても良い。図31に示す動作は、図30で説明した第4読み出し動作に対して、選択ワード線WLselに読み出し電圧を印加する順番を逆にしたものと同様である。
具体的には、図31に示すように選択ワード線WLselに対して読み出し電圧GR、FR、ER、DR、CR、BR、及びARが順に印加され、各読み出し電圧が印加されている間に制御信号STBがアサートされる。また、図4に示すデータの割り付けの場合、図31に示すように上位ページ、中位ページ、及び下位ページの順にデータが確定する。
[5−1−2]メモリシステム3の読み出し動作
次に、メモリシステム3の読み出し動作について説明する。本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作においてコントローラ2は、複数のプレーンを備える半導体記憶装置1に対して、共通のワード線に接続されたメモリセルに記憶された複数ビットのデータを読み出すマルチプレーンリードを指示する。そして半導体記憶装置1は、コントローラ2の指示に応答して、マルチプレーンリードにより読み出されたデータを読み出しデータが確定したページから順に出力する
以下に、図32を用いてメモリシステム3の読み出し動作の一例について説明する。図32には、メモリシステム3の読み出し動作の一例がフローチャートで示されている。
次に、メモリシステム3の読み出し動作について説明する。本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作においてコントローラ2は、複数のプレーンを備える半導体記憶装置1に対して、共通のワード線に接続されたメモリセルに記憶された複数ビットのデータを読み出すマルチプレーンリードを指示する。そして半導体記憶装置1は、コントローラ2の指示に応答して、マルチプレーンリードにより読み出されたデータを読み出しデータが確定したページから順に出力する
以下に、図32を用いてメモリシステム3の読み出し動作の一例について説明する。図32には、メモリシステム3の読み出し動作の一例がフローチャートで示されている。
図32に示すようにまずコントローラ2は、読み出しコマンド(コマンドCMD及びアドレス情報ADD)を発行して半導体記憶装置1に送信する(ステップS30)。この読み出しコマンドは、プレーン<0、1>に対するsequential readingを指示するものである。そして、コントローラ2から読み出しコマンドを受信した半導体記憶装置1は、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルにして、読み出し動作を開始する(ステップS31)。このステップS31における読み出し動作は、[5−1−1]で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対応している。
次に半導体記憶装置1は、下位ページのデータが確定したことを検知すると(ステップS32)、レディ/ビジー信号を“L”レベルから“H”レベルにする。すると、半導体記憶装置1がレディ状態になったことを検知したコントローラ2は、読み出しデータが確定した下位ページのデータを出力させるデータ出力コマンドを発行して(ステップS33)、半導体記憶装置1に送信する。
そして、コントローラ2からデータ出力コマンドを受信した半導体記憶装置1は、下位ページのデータDATをコントローラ2に出力する(ステップS34)。このデータDATの出力中に中位ページのデータが確定した場合(ステップS35)、半導体記憶装置1はレディ/ビジー信号を“H”レベルに維持する。
コントローラ2は、ステップS34における中位ページのデータ出力が終了した際に、半導体記憶装置1がレディ状態を維持していることを確認すると、中位ページのデータを出力させるデータ出力コマンドを発行して(ステップS36)、半導体記憶装置1に送信する。
そして、コントローラ2からデータ出力コマンドを受信した半導体記憶装置1は、下位ページのデータDATをコントローラ2に出力する(ステップS37)。このデータDATの出力中に上位ページのデータが確定した場合(ステップS38)、半導体記憶装置1はレディ/ビジー信号を“H”レベルに維持する。
コントローラ2は、ステップS37における中位ページのデータ出力が終了した際に、半導体記憶装置1がレディ状態を維持していることを確認すると、上位ページのデータを出力させるデータ出力コマンドを発行して(ステップS39)、半導体記憶装置1に送信する。そして、コントローラ2からデータ出力コマンドを受信した半導体記憶装置1は、上位ページのデータDATをコントローラ2に出力する(ステップS40)。
以上で説明したメモリシステム3の第4読み出し動作におけるコマンドシーケンスは、例えば図33に示すものとなる。図33に示す一例は、半導体記憶装置1に対してプレーン<0>及びプレーン<1>に対するsequential readingを指示する場合のコマンドシーケンスである。以下に、本コマンドシーケンスについて、第1実施形態で説明したpage-by-page readingのコマンドシーケンスと異なる点を説明する。
図33示すように、まずコントローラ2がプレーン<0>及びプレーン<1>に対応する読み出しコマンドをそれぞれ発行する。このコマンドシーケンスは、図15に示すコマンドシーケンスに対して、まず始めにシーケンシャルリードコマンド“50h”を発行し、さらにコマンド“01h”及び“02h”を除いたものと同様である。コマンド“50h”は、半導体記憶装置1にsequential readingを命令するコマンドである。
つまりコントローラ2は、まずコマンド“50h”、コマンド“00h”、アドレス情報ADD1、及びコマンド“32h”を発行して半導体記憶装置1に送信する。そして半導体記憶装置1が一時的にビジー状態になった後に再びレディ状態になると、コントローラ2はコマンド“00h”、アドレス情報ADD2、及びコマンド“30h”を発行して半導体記憶装置1に送信する。このように本例では、プレーン<0>及び<1>の順に対応する読み出しコマンドが送信されている。
コマンドレジスタ14Cにコマンド“30h”が格納されるとシーケンサ16は、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルに変化させ、第4読み出し動作を開始する。図示するtRは、この第4読み出し動作において下位ページのデータが確定するまでの時間に対応している。
シーケンサ16は、下位ページのデータが確定すると、レディ/ビジー信号を“H”レベルにする。するとコントローラ2は、半導体記憶装置1がレディ状態になったことに応答して、下位ページデータを出力させるデータ出力コマンドを発行する。
このデータ出力コマンドの構成とそれに応答する半導体記憶装置1の動作は第1実施形態で説明した図15と同様であり、このコマンド構成のうちのアドレス情報ADDは、下位ページを対応するページアドレスPAを含んでいる。
同様にシーケンサ16は、下位ページのデータを出力している際に中位ページのデータが確定していた場合、コントローラ2は続けて中位ページのデータを出力させるデータ出力コマンドを発行し、中位ページのデータを出力している際に上位ページのデータが確定していた場合、コントローラ2は続けて上位ページのデータを出力させるデータ出力コマンドを発行する。
以上のように本実施形態に係るメモリシステム3においてコントローラ2は、半導体記憶装置1に対して、低い読み出し電圧でデータが確定するページから順にデータの出力を指示する。尚、データを出力させるプレーンの順番は、対応する読み出しコマンドを発行した順番に限定されず、任意の順番に設定することが出来る。
尚、第1実施形態で図17及び図18を用いて説明したように、例えば下位ページのデータを出力している間に中位ページのデータが確定していない場合がある。この場合、第1実施形態と同様に、下位ページのデータの出力が終わった際に半導体記憶装置1がビジー状態とされる。そしてコントローラ2は、半導体記憶装置1が再びレディ状態に変わったことを検知して、続くページのデータ出力コマンドを発行する。
また、以上の説明では、全てのレベルのページデータを出力させる場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、sequential readingによって読み出されたデータのうち、コントローラ2に出力されないページが含まれていても良く、プレーン毎に異なるレベルのページデータを出力するようにしても良い。
例えば、プレーン<0>において下位及び中位ページのデータを出力し、プレーン<1>において中位及び上位ページのデータを出力するようにしても良い。この場合コントローラ2は、例えばプレーン<1>の下位ページのデータが不要となるため、例えばセンスアンプモジュール11内ラッチ回路間のデータ転送コマンドを発行する。するとシーケンサ16は、センスアンプモジュール11を制御してラッチ回路XDLに保持された下位ページのデータを中位ページのデータに上書き処理させる。これによりメモリシステム3は、データ出力動作を継続することが出来る。
また、以上の説明では、読み出し動作を指示するコマンドが発行されるプレーンの順番と、各レベルのページ毎にデータを出力するプレーンの順番とが同じである場合を例に説明したが、これに限定されない。コントローラ2は、対応する読み出しコマンドを発行するプレーンの順番と、データを出力させるプレーンの順番については自由に並び替えすることが可能である。
尚、以上で説明したメモリシステム3の読み出し動作において、コントローラ2が半導体記憶装置1に対して共通のワード線に接続されたメモリセルの保持する全てのデータを要求する場合には、コントローラ2が半導体記憶装置1に対してページアドレスPAを指定しない方法がある。この方法に対応するコマンドシーケンスは図34に示され、図34に示すコマンドシーケンスは、図33を用いて説明したコマンドシーケンスに対して、各データ出力コマンドに対応するアドレス情報ADDに含まれたページアドレスPAがブランクとされている。
このようにページアドレスPAを指定しない場合でもコントローラ2は、半導体記憶装置1がマルチプレーンリードにおいてデータを確定する順番を把握しているため、半導体記憶装置1が何番目に出力したデータなのかを確認することにより、出力されたデータがどのレベルのページに対応するのかを知ることが出来る。
これに対応して半導体記憶装置1は、例えばマルチプレーンリードのデータ出力時にページアドレスPAを参照しないような動作モードにしても良い。この場合メモリシステム3は、読み出し動作の前にSet featureと呼ばれるパラメータ設定シーケンスを実行して、半導体記憶装置1を所望の動作モードに切り替える。
ここで、図35を用いてSet featureのコマンドシーケンスについて説明する。図35にはSet featureのコマンドシーケンスの一例が示されている。
図35に示すように、まずコントローラ2は、Set featureコマンド“EFh”を発行し、半導体記憶装置1に送信する。コマンド“EFh”は、半導体記憶装置1に対してパラメータの変更を命令するコマンドである。
次にコントローラ2は、アドレス情報ADDを発行し、半導体記憶装置1に送信する。このアドレス情報ADDは、変更したいパラメータに対応するアドレスを指定するものである。次にコントローラ2は、複数サイクルに渡って設定データDinを半導体記憶装置1に出力する。ここで出力されたデータDinは、変更するパラメータに相当するデータである。
以上のコマンド等を受信すると、シーケンサ16はSet featureを開始する。Set featureが開始すると、半導体記憶装置1の動作モードが変更される。図示するtSetは、このSet featureが行われている期間を示している。
Set featureが終了すると、半導体記憶装置1は例えば特殊読み出しモードになる。ここで特殊書き込みモードには、上述したような例えば半導体記憶装置1がマルチプレーンリードのデータ出力時にページアドレスを無視し、所定の順番でデータを出力する動作モードが使用される。
尚、以上で説明したコマンドシーケンスにおいて、アドレス情報にプレーン情報を含ませる場合を例に説明したが、これに限定されない。例えばマルチプレーンリードにおいて、各プレーンに対応するコマンドを発行する順番を、所定の順番(例えばプレーン<0>、プレーン<1>の順)に固定する場合には、特にプレーンの指定をすること無く上記読み出し動作を実行することが出来る。
[5−2]第5実施形態の効果
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、動作を高速化することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、動作を高速化することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3では、第1実施形態で説明した構成でマルチプレーンリードによるsequential readingを実現する。そして半導体記憶装置1が、マルチプレーンリードにおいて読み出しデータを確定させたページから順に、コントローラ2が読み出しデータの出力を指示する。
具体的には、例えばTLC方式のsequential readingにおいて低い方の電圧から順に読み出し電圧を印加して閾値を判定する場合、読み出しデータは例えば図30に示すように下位ページ、中位ページ、及び上位ページの順で確定する。この場合、半導体記憶装置1は下位ページのデータが確定したタイミングでレディ状態となる。そしてコントローラ2は、半導体記憶装置1がレディ状態になったことを検知すると、始めに読み出しデータが確定した下位レベルに対するデータ出力コマンドを発行する。すると、このコマンドを受信した半導体記憶装置1は、各プレーンの中位ページ読み出しを継続する一方で、各プレーンから読み出された下位ページデータをコントローラ2に出力する。下位ページのデータ出力が終了した際に中位ページのデータが確定していたら、同様に中位ページのデータ出力と上位ページ読み出しが平行して実行され、最後に確定した上位ページのデータが出力される。
このように本実施形態に係るメモリシステム3では、半導体記憶装置1がマルチプレーンリードを実行している間でも、読み出しデータが確定したレベルのページから順にコントローラ2にデータを出力させることができる。これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、半導体記憶装置1が読み出しデータの出力を開始するタイミングを早めることが出来るため、読み出し速度を高速化することが出来る。
尚、各ページのデータが出力されるタイミングと、各ページに対する読み出し動作が実行されているタイミングは、これに限定されない。例えば、下位ページのデータ出力が終わったタイミングで中位及び上位ページの読み出しが終了している場合等が考えられる。このような場合においては、下位ページのデータ出力が終わった後に、他のページの読み出し動作と平行して動作すること無く、中位及び上位ページのデータが出力される。
[6]第6実施形態
次に、第6実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第6実施形態は、上記第5実施形態で説明した複数プレーンに対するsequential readingにおいて、プレーン毎に制御信号STBをアサートする長さを変えるものである。以下に、第1〜第5実施形態と異なる点を説明する。
次に、第6実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第6実施形態は、上記第5実施形態で説明した複数プレーンに対するsequential readingにおいて、プレーン毎に制御信号STBをアサートする長さを変えるものである。以下に、第1〜第5実施形態と異なる点を説明する。
[6−1]動作
[6−1−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、プレーン毎に異なるセンス時間を適用する。以降の説明において、このような読み出し動作のことを第5読み出し動作と呼び、以下に説明する。
[6−1−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、シーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御することにより、プレーン毎に異なるセンス時間を適用する。以降の説明において、このような読み出し動作のことを第5読み出し動作と呼び、以下に説明する。
この第5読み出し動作に対応する波形の一例は、図36に示すものとなる。図36には、TLC方式においてプレーン<0>及び<1>に対するsequential readingを実行する場合の一例が示され、各読み出し動作時においてプレーン<0>及び<1>にそれぞれ対応する選択ワード線WLsel<0>及び<1>に印加される電圧と、制御信号STB<0>及び<1>の波形が示されている。また図36には、ビット線BL及びSENノードの電圧がさらに示されている。
図36に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧AR、BR、CR、DR、ER、FR、及びGRを順に印加する。
センスアンプモジュール11は、選択ワード線WLselに読み出し電圧が印加されている間、各ビット線に電圧Vblを印加する。電圧Vblは、例えばセンスアンプモジュール11に供給された電源電圧である。このとき、SENノードの電位も例えば電圧Vblまで充電される。
SENノードの電位は、各読み出し電圧を印加して、その閾値に対応するメモリセルがオンした場合に下降し始める。このときノードSENの電位が下降する速度はメモリセルのオン状態に基づき、このメモリセルのオン状態はプレーン毎に異なる場合がある。図36に示す例では、プレーン<0>のメモリセルに流れる電流が、プレーン<1>のメモリセルに流れる電流よりも多い。つまり、プレーン<0>の対応するSENノードの方が、プレーン<1>の対応するSENノードよりも早く電位が下降している。
尚、各読み出し電圧を印加した際にメモリセルがオンして当該メモリセルの閾値が判定された場合には、当該メモリセルに対応するセンスアンプユニットSAUは、以降の読み出し動作でロックアウトされる。つまり、閾値が判定されたメモリセルに対応するビット線BLは、以降の読み出し動作で充電されなくなり、残るメモリセルの読み出し動作時におけるノイズが低減される(図示せず)。
シーケンサ16は、選択ワード線WLselに各読み出し電圧が印加されている間に、制御信号STB<0>及び<1>をアサートする。この制御信号STB<0>及びSTB<1>は、アサートされる長さが異なっている。本例においては、制御信号STB<0>のアサート時間t0よりも、制御信号<1>のアサート時間t1の方が長くなっている。つまり本例では、制御信号STB<0>を受けるセンスアンプモジュール11Aよりも、制御信号STB<0>を受けるセンスアンプモジュール11Bの方がセンスする時間が長くなる。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎に制御信号STBをアサートする時間を変更することが可能であり、この制御信号STBをアサートする時間は、例えば入力されたページアドレスPAに基づいて設定される。
[6−1−2]メモリシステム3の読み出し動作
次に、メモリシステム3の読み出し動作について説明する。本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作においてコントローラ2は、第5実施形態で説明した動作に対して、入力されるページアドレスに基づいて第5読み出し動作を実行する点が異なる。以下に第5実施形態と異なる点を説明する。
次に、メモリシステム3の読み出し動作について説明する。本実施形態に係るメモリシステム3の読み出し動作においてコントローラ2は、第5実施形態で説明した動作に対して、入力されるページアドレスに基づいて第5読み出し動作を実行する点が異なる。以下に第5実施形態と異なる点を説明する。
以下に、図37を用いてメモリシステム3の読み出し動作の一例について説明する。図37には、メモリシステム3の読み出し動作の一例がフローチャートで示されている。
図37に示すようにまずコントローラ2は、読み出しコマンド(コマンドCMD及びアドレス情報ADD)を発行して半導体記憶装置1に送信する(ステップS50)。この読み出しコマンドは、プレーン<0、1>に対するsequential readingを指示するものである。そして、コントローラ2から読み出しコマンドを受信した半導体記憶装置1は、レディ/ビジー信号を“H”レベルから“L”レベルにして、プレーン<0、1>で指定されたページアドレスPAに基づいた読み出し動作を開始する(ステップS51)。このステップS51における読み出し動作は、[6−1−1]で説明した半導体記憶装置1の読み出し動作に対応している。以降の動作は、第5実施形態で説明した図32と同様である。
[6−2]第6実施形態の効果
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第5実施形態と同様の効果を得ることが出来、さらに読み出したデータの信頼性を向上することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第5実施形態と同様の効果を得ることが出来、さらに読み出したデータの信頼性を向上することが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
半導体記憶装置は、メモリセルが形成された位置によって読み出し動作の精度にばらつきが生じる場合がある。例えば、メモリセルアレイの端部に位置するワード線と中央部に位置するワード線との間の線幅に違いによって、メモリセルの特性が異なることがある。このような半導体記憶装置では、マルチプレーンリードでプレーン毎に異なるページを指定した際に、異なる特性のメモリセルに対して同じ読み出し電圧を用いた読み出し動作を実行する場合があり、指定するページアドレスによっては読み出し動作の精度にばらつきが生じることになる。
そこで本実施形態に係るメモリシステム3では、半導体記憶装置1のシーケンサ16がプレーン毎に制御信号STBを制御する。そしてシーケンサ16は、マルチプレーンリードにおいて入力されたページアドレスに基づいて、制御信号STBをプレーン毎に異なる時間でアサートする。つまり本実施形態に係る半導体記憶装置1は、マルチプレーンリードにおいてプレーン毎に異なるセンス時間を適用する。
例えば、ある閾値の判定において、図36に示すようにプレーン<0>でオンしたメモリセルに流れる電流がプレーン<1>でオンしたメモリセルに流れる電流よりも多い場合、センスアンプユニットSAU内のSENノードにおける電位の下降速度が、プレーン<1>よりもプレーン<0>の方が早くなる。この場合、プレーン<0>に合わせたセンス時間でプレーン<1>をセンスすると、正しくデータが読み出せないことがある。
これに対して本実施形態に係る半導体記憶装置1は、図36に示すようにプレーン<1>に対するセンス時間(アサート時間t1)をプレーン<1>のセンス時間(アサート時間t0)よりも長くしている。するとセンスアンプユニットSAUは、SENノードの電位の下降が遅いプレーン<1>においても正しくデータが読み出せるようになる。
つまり、半導体記憶装置1はマルチプレーンリードにおいて、入力されたページアドレス(対応する選択ワード線WL)毎に異なるメモリセルの特性の違いに対して、それぞれ適切なセンス時間を適用することによってデータ判定精度を高めている。
これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、第5実施形態と同様に複数のプレーンに対して異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行することが出来、さらに第5実施形態よりも読み出したデータの信頼性を向上することが出来る。
尚、以上の説明では、プレーン毎に制御信号STBをアサートする時間を変更する場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、プレーン毎に制御信号STBをアサートするタイミングを変更しても良い。この場合、SENノードの下降速度が遅くなると見込まれる方のプレーンに対応する制御信号STBがアサートされるタイミングの方が遅く設定される。
[7]第7実施形態
次に、第7実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第7実施形態は、上記第3実施形態で説明した半導体記憶装置1の構成により複数プレーンに対するsequential readingを実行し、各プレーンに対してそれぞれ異なるソース線電圧を印加するものである。以下に、第1〜第6実施形態と異なる点を説明する。
次に、第7実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第7実施形態は、上記第3実施形態で説明した半導体記憶装置1の構成により複数プレーンに対するsequential readingを実行し、各プレーンに対してそれぞれ異なるソース線電圧を印加するものである。以下に、第1〜第6実施形態と異なる点を説明する。
[7−1]半導体記憶装置1の読み出し動作
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎に設けられたSLドライバ51を使用して、プレーン毎にソース線SL電圧のオフセットを加える。具体的には、読み出し動作時においてプレーン毎にソース線SLに異なる電圧を印加することにより、プレーン毎にメモリセルのゲート−チャネル間に加わる電位差を調整する。このような読み出し動作のことを第6読み出し動作と呼び、以下に説明する。
まず、半導体記憶装置1の読み出し動作について説明する。本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎に設けられたSLドライバ51を使用して、プレーン毎にソース線SL電圧のオフセットを加える。具体的には、読み出し動作時においてプレーン毎にソース線SLに異なる電圧を印加することにより、プレーン毎にメモリセルのゲート−チャネル間に加わる電位差を調整する。このような読み出し動作のことを第6読み出し動作と呼び、以下に説明する。
この第5読み出し動作に対応する波形の一例は、図38に示すものとなる。図38には、TLC方式においてプレーン<0>及び<1>に対するsequential readingを実行する場合の一例が示され、各読み出し動作時においてプレーン<0>及び<1>にそれぞれ対応する選択ワード線WLsel<0>及び<1>と、ソース線SL<0>及び<1>とに印加される電圧と、制御信号STB<0>及び<1>の波形が示されている。
図38に示すようにロウデコーダ12A及び12Bはそれぞれ、選択ワード線WLsel<0、1>に対して読み出し電圧AR、BR、CR、DR、ER、FR、及びGRを順に印加する。
SLドライバ51Aは、ソース線<0>に対して選択ワード線WLselに各読み出し電圧が印加されている間に電圧Vsl0を印加し、SLドライバ51Bは、ソース線<1>に対して選択ワード線WLselに各読み出し電圧が印加されている間に電圧Vsl1を印加する。この電圧Vsl0及びVsl1の電圧値は異なる。その他の動作は第5実施形態で説明した図30と同様である。
以上のように本実施形態に係る半導体記憶装置1の読み出し動作では、プレーン毎のソース線SLに印加する電圧を変更している。このプレーン毎のソース線SLに印加する電圧は、例えば入力されたページアドレスに基づいて設定される。
[7−2]第7実施形態の効果
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第6実施形態と同様の効果を得ることが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3によれば、第6実施形態と同様の効果を得ることが出来る。以下に、本効果の詳細について説明する。
本実施形態に係るメモリシステム3において半導体記憶装置1は、プレーン毎にソース線SLに印加する電圧を制御可能であり、マルチプレーンリードにおいて入力されたページアドレスに基づいてプレーン毎に異なるソース線SL電圧を印加する。
例えば、プレーン<0>で選択されたメモリセルの実効的なゲート−チャネル間の電位差よりも、プレーン<1>で選択されたメモリセルの実効的なゲート−チャネル間の電位差の方が大きい場合、例えばプレーン<0>に対応するソース線SL<0>に印加する電圧よりもプレーン<1>に対応するソース線<1>に印加する電圧を大きくする。すると読み出し動作時において半導体記憶装置1では、異なるプレーン間で選択されたメモリセルにおける実効的なゲート−チャネル間の電位差が揃えられ、プレーン毎にメモリセルに流れる電流量のばらつきが抑制される。
これにより本実施形態に係るメモリシステム3は、入力されたページアドレス(対応する選択ワード線WL)毎に異なるメモリセルの特性の違いから生じる実行的なゲート−チャネル間の電位差を一定にすることが出来る。つまり本実施形態に係るメモリシステム3は、複数のプレーンに対して異なるレベルのページを読み出すマルチプレーンリードを実行することが出来、また第6実施形態と同様に読み出したデータの信頼性を向上することが出来る。
[8]第8実施形態
次に、第8実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第8実施形態は、メモリセルを積層した構造の半導体記憶装置に対して上記第1〜第7実施形態を適用するものである。以下に、第1〜第7実施形態と異なる点を説明する。
次に、第8実施形態に係る半導体記憶装置1及びメモリシステム3について説明する。第8実施形態は、メモリセルを積層した構造の半導体記憶装置に対して上記第1〜第7実施形態を適用するものである。以下に、第1〜第7実施形態と異なる点を説明する。
[8−1]半導体記憶装置1の構成
[8−1−1]メモリセルアレイ10の回路構成
次に、図39を用いてメモリセルアレイ10の回路構成について説明する。図39には、メモリセルを積層した構造の半導体記憶装置1におけるメモリセルアレイ10の回路図が示されている。図39に示す回路構成は、第1実施形態で説明した図3に対してブロックBLK内の構成が異なる。以下に、本回路構成について図3と異なる点を説明する。
[8−1−1]メモリセルアレイ10の回路構成
次に、図39を用いてメモリセルアレイ10の回路構成について説明する。図39には、メモリセルを積層した構造の半導体記憶装置1におけるメモリセルアレイ10の回路図が示されている。図39に示す回路構成は、第1実施形態で説明した図3に対してブロックBLK内の構成が異なる。以下に、本回路構成について図3と異なる点を説明する。
ブロックBLKは、例えば4個のストリングユニットSUを備えている。ストリングユニットSUの各々は、m個のNANDストリングNSを備えている。このNANDストリングNSの個数は、ビット線BLの本数に対応している。またNANDストリングNSの構成は、第1実施形態で説明した図3と同様である。
ストリングユニットSU0〜SU3内の選択トランジスタST1のゲートはそれぞれ、セレクトゲート線SGD0〜SGD3に共通接続されている。同一ブロック内の選択トランジスタST2のゲートは、セレクトゲート線SGSに共通接続されている。同様に、同一ブロック内のメモリセルトランジスタMT0〜MT7の制御ゲートはそれぞれ、ワード線WL0〜WL7に共通接続されている。
また、メモリセルアレイ10内において同一列にあるNANDストリングNSの選択トランジスタST1のドレインは、ビット線BLに共通接続されている。つまりビット線BLは、複数のブロックBLK間で同一列にあるNANDストリングNSを共通に接続している。さらに、複数の選択トランジスタST2のソースは、ソース線SLに共通に接続されている。
[8−1−2]メモリセルアレイ10の断面構造
次に、図40を用いてメモリセルアレイ10の断面構造について説明する。図40にはメモリセルアレイ10の断面と、それぞれが互いに直行するX軸、Y軸、及びZ軸とが示されている。尚、図40では層間絶縁膜の図示が省略されている。
次に、図40を用いてメモリセルアレイ10の断面構造について説明する。図40にはメモリセルアレイ10の断面と、それぞれが互いに直行するX軸、Y軸、及びZ軸とが示されている。尚、図40では層間絶縁膜の図示が省略されている。
図40に示すように半導体記憶装置1は、P型ウェル領域70、配線層71〜76、複数の半導体ピラーMH、及び複数のコンタクトプラグLIを備えている。
P型ウェル領域70は、半導体基板の表面内に形成されている。P型ウェル領域70の上方には、配線層71〜73が順に積層されている。この配線層71〜73はそれぞれ、セレクトゲート線SGS、ワード線WL、及びセレクトゲート線SGDとして機能する。つまり配線層71〜73の層数はそれぞれ、セレクトゲート線SGS、ワード線WL、及びセレクトゲート線SGDの本数に対応している。
尚、セレクトゲート線SGS及びSGDにそれぞれ対応する配線層71及び73は、図40に示すように複数設けられても良い。また、配線層71〜73は、X方向とY方向に広がった板状に設けられている。
複数の半導体ピラーMHは、配線層73の上面からP型ウェル領域70の上面に達するように形成されている。つまり半導体ピラーMHは、Z方向に沿って配線層71〜73を通過するように設けられている。また半導体ピラーMHは、例えば図40に示すように上方から下方にかけて次第に細くなる形状となり、半導体ピラーMH上面の幅L1よりも半導体ピラーMH下面の幅L2の方が細くなる。
また半導体ピラーMHの側面には、ブロック絶縁膜77、絶縁膜(電荷蓄積層)78、及びトンネル酸化膜79が順に形成されている。また半導体ピラーMHにおいて、トンネル酸化膜79より内側には、導電性の材料を含む半導体材料80が埋め込まれている。
配線層73及び半導体ピラーMHの上方には、ビット線BLに対応する配線層74が形成されている。ビット線BLは、対応する半導体ピラーMHと接続されている。尚、ビット線BLと対応する半導体ピラーMHとの間には、導電性の材料を含むコンタクトプラグを形成してもよい。
配線層73及び74の間には、ソース線SL及びウェル線CPWELLにそれぞれ対応する配線層75及び76が形成されている。ソース線SLは、コンタクトプラグLIを介して、ウェル領域70の表面内に形成されたn+不純物拡散領域61に接続されている。ウェル線CPWELLは、コンタクトプラグLIを介して、ウェル領域70の表面内に形成されたp+不純物拡散領域82に接続されている。尚、コンタクトプラグLIは、X方向とZ方向に広がった板状に設けられている。
以上の構成において、1つの半導体ピラーMHが、1つのNANDストリングNSに対応している。具体的には、セレクトゲート線SGD及びSGSと、半導体ピラーMHとの交点がそれぞれ選択トランジスタST1及びST2に対応している。同様に、ワード線WLと半導体ピラーMHとの交点がメモリセルトランジスタMTに対応している。
また、以上の構成はX方向に複数配列される。例えば、1つのストリングユニットSUは、X方向に配列する複数のNANDストリングNSの集合によって構成される。同一のブロックBLK内に複数のストリングユニットSUを設ける場合、セレクトゲート線SGDに対応する配線層83は、ストリングユニットSU間で分離される。
尚、最下層の配線層71及びトンネル酸化膜79は、n+型不純物拡散領域81の近傍まで設けられている。これにより、選択トランジスタST2がオン状態になると、NANDストリングNS及びn+型不純物拡散領域81間に電流経路が形成される。
[8−2]第8実施形態の効果
本実施形態に係る半導体記憶装置1のように、メモリセルが三次元に積層された半導体記憶装置に対しても第1〜第7実施形態は適用することが可能であり、同様の効果を得ることが出来る。また、メモリセルを積層した半導体記憶装置1においては、特に第6及び第7実施形態を適用することで大きな効果を得ることが出来る。
本実施形態に係る半導体記憶装置1のように、メモリセルが三次元に積層された半導体記憶装置に対しても第1〜第7実施形態は適用することが可能であり、同様の効果を得ることが出来る。また、メモリセルを積層した半導体記憶装置1においては、特に第6及び第7実施形態を適用することで大きな効果を得ることが出来る。
例えば半導体記憶装置1は、メモリセルが三次元に積層された構造である場合、図40に示すように積層位置によってメモリセルの形状が変化することがある。この場合、メモリセルの積層位置に依存して、選択ワード線WLselに印加された電圧によりメモリセルのゲート−チャネル間に生じる実効的な電位差にばらつきが生じることがある。
これに対して第6及び第7実施形態は、メモリセルの特性ばらつきを抑制することが可能である。つまり本実施形態で説明した構造の半導体記憶装置1に対して第6及び第7実施形態を適用することにより、メモリセルが積層された構造により生じるメモリセルの特性ばらつきも抑制することが出来、読み出したデータの信頼性を向上することが出来る。
尚、メモリセルが半導体基板の上方に三次元に積層された構成は、以上で説明した構成に限定されない。このような構成については、例えば“三次元積層不揮発性半導体メモリ”という2009年3月19日に出願された米国特許出願12/407,403号に記載されている。また、“三次元積層不揮発性半導体メモリ”という2009年3月18日に出願された米国特許出願12/406,524号、“不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法”という2010年3月25日に出願された米国特許出願12/679,991号“半導体メモリ及びその製造方法”という2009年3月23日に出願された米国特許出願12/532,030号に記載されている。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。
また、以上の説明において、半導体ピラーMHが図40に示すような先細る形状である場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば半導体ピラーMHは、メモリセルの積層方向に対して中央部が太くなる場合がある。またNANDストリングNSは、複数本の半導体ピラーMHを繋げた構成にしても良い。
[9]変形例等
上記実施形態に係る半導体記憶装置<1、図1>は、各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、を備える。第1ビット<Lower page、図4>は、少なくとも第1電圧を用いて確定される。第2ビット<Middle page、図4>は、第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定される。データの読み出し動作時において、第1及び第2ワード線に第1乃至第3電圧が印加されることにより、第1ビットに関連付けられた第1ページが第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、第1ページの読み出しに平行して、第2ビットに関連付けられた第2ページが第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される。
上記実施形態に係る半導体記憶装置<1、図1>は、各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、を備える。第1ビット<Lower page、図4>は、少なくとも第1電圧を用いて確定される。第2ビット<Middle page、図4>は、第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定される。データの読み出し動作時において、第1及び第2ワード線に第1乃至第3電圧が印加されることにより、第1ビットに関連付けられた第1ページが第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、第1ページの読み出しに平行して、第2ビットに関連付けられた第2ページが第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される。
また、上記実施形態に係るメモリシステム<3、図1>は、上記実施形態に係る半導体記憶装置<1、図1>と、半導体記憶装置に対して読み出し動作を実行させるコマンドを発行することが可能なコントローラ<2、図1>と、を備える。
これにより、動作を高速化することが可能な半導体記憶装置1及びメモリシステム3を提供することが出来る。
尚、実施形態は上記第1〜第8実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施形態について、メモリセルに3ビットのデータを保持させるTLC方式を適用した場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、メモリセルに2ビットのデータを保持するMLC方式、4ビットのデータを保持するQLC(Quadruple-Level cell)方式を適用しても良い。上記実施形態で説明した読み出し動作は、各方式に合わせて様々なバリエーションを考えることが出来る。
また、上記実施形態では、TLC方式で図4に示すようなデータの割り付けをした場合を例に説明したが、これに限定されない。上記実施形態を適用する場合にデータの割り付けの制限は無く、所望のデータの割り付けを設定して各実施形態に係る読み出し動作を実行しても良い。この場合においても、各レベルのページに対応する読み出し電圧を変更すれば、上記実施形態で説明した効果を得ることが出来る。また、第3及び第4実施形態のように、プレーン毎にソース線SLに印加する電圧を変化させる場合も同様に、選択したメモリセルのゲート−チャネル間の電位差が所望の値になるようにソース線SLの電圧を設定すれば、第3及び第4実施形態と同様の効果を得ることが出来る。
また、上記実施形態は、複数のプレーンに対するマルチプレーンリードにおいて、各プレーンから読み出す対象のメモリセルが共にTLC方式でデータを保持している場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、2つのプレーンに対するマルチプレーンリードにおいて、一方のプレーンがSLC方式、他方のプレーンがTLC方式で記憶されている場合にも、上記実施形態を適用することが出来る。
また、上記実施形態において、メモリシステム3の動作について記載されていない実施形態が存在するが、これらの実施形態に対応するコマンドシーケンスは、他の実施形態に記載されたメモリシステム3におけるコマンドシーケンスと同様である。例えば、第1実施形態で説明したコマンドシーケンスは、第2〜第4実施形態で説明した半導体記憶装置1を動作させる場合にも使用することが出来る。同様に、第5実施形態で説明したコマンドシーケンスは、第6及び第7実施形態で説明した半導体記憶装置1を動作させる場合にも使用することが出来る。
また、第1〜第4実施形態では、コントローラ2が各データレベルの読み出しに対応するコマンドを発行し、半導体記憶装置1がこのコマンドを参照することにより第1〜第3読み出し動作のいずれかを実行する場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、コマンド“01h”、“02h”、及び“03h”のような読み出すページのレベルを指定するコマンドを使用せずに、アドレス情報ADD内のページアドレスを参照することによって第1〜第3読み出し動作を実行するようにしても良い。
具体的には、例えば図41に示すコマンドシーケンスのように、図15に示すコマンドシーケンスに対して、下位ページ読み出しに対応するコマンド“01h”と、中位ページ読み出しに対応する“02h”とを除いたコマンドシーケンスにしても良い。このような場合にもシーケンサ16は、例えば図41に示すように、受信したプレーン<0>に対応し、且つ下位ページを指定するアドレス情報ADD1と、プレーン<1>に対応し、且つ中位ページを指定するアドレス情報ADD2とに基づいて、第1読み出し動作を実行することが出来る。つまりシーケンサ16は、アドレス情報ADD1に含まれたページアドレスPA<0>と、アドレス情報ADD2に含まれたページアドレスPA<1>とを参照して、それぞれがどのデータレベルの読み出しに対応するのかを知ることにより、第1〜第3読み出し動作を選択的に実行することが出来る。
また、第3及び第4実施形態では、プレーン毎に異なるレベルのデータが同時に確定する場合がある。この場合コントローラ2は、確定したデータのレベルと関係なく、所望のプレーンから順に半導体記憶装置1に対してデータの出力を指示することが出来る。
また、第5〜第7実施形態は、それぞれを組み合わせて実施することが可能である。また第6実施形態は、第1〜第4実施形態に対して適用することが可能である。この場合においても、半導体記憶装置1が受信したページアドレスPAに基づいて、プレーン毎に異なる制御信号STBをアサートする長さ又はタイミングを適用すれば良く、第6実施形態と同様の効果を得ることが出来る。また第7実施形態も同様に、第1〜第4実施形態に対して適用することが可能である。つまり、第6及び第7実施形態は、マルチプレーンリードがpage-by-pageであるかsequentialであるかによらずに、いずれの場合にも適用することが可能である。
尚、上記説明において「読み出し電圧」とは、データを読み出す際に印加されている電圧に対応している。つまり、例えば図10に示す波形図では選択ワード線に対して印加される電圧が階段状に表現されているが、この電圧を連続的に増加させても良い。この場合、信号STBをアサートするタイミングを当該読み出し電圧が印加されているタイミングに合わせることにより、データが読み出される。
また、上記説明においてシーケンサ16がセンスアンプモジュール11に対してビット線BLに読み出された電圧をセンスするタイミングを指示する制御信号STBについて、アサートをする場合の電圧が“H”レベルである場合を例に説明したが、これに限定されない。例えば、センスアンプモジュール11の構成によっては、アサートに対応する電圧を“L”レベルにする場合も考えられる。
また、上記説明のコマンドシーケンスにおいて、アドレス情報を1サイクルの情報で説明したが、これに限定されない。例えば、アドレス情報を5サイクルに渡って送信し、それぞれに異なるアドレス情報(例えば、プレーン情報、ブロックアドレスBA、ページアドレスPA等)を含ませるようにしても良い。
また、上述した変形例のように、マルチプレーンリードにおいてSLC方式で書き込まれたデータを読み出すプレーンが含まれる場合には、各コマンドシーケンスにSLCコマンドが付加されることがある。
また、上記説明において「sequential reading」とは、メモリセルアレイからワード線単位でデータを読み出す動作と同じことを示している。
また、上記説明において「接続」とは電気的に接続していることを示し、直接接続される場合だけでなく、任意の素子を介して接続される場合も含んでいる。
また、上記実施形態において、ブロックBLKがデータの消去単位にならなくても良い。例えば他の消去動作は、“不揮発性半導体記憶装置”という2011年9月18日に出願された米国特許出願13/235,389号、“不揮発性半導体記憶装置”という2010年1月27日に出願された米国特許出願12/694,690号に記載されている。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。
尚、上記各実施形態において、
(1)読み出し動作では、“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0〜0.55Vの間である。これに限定されることなく、0.1〜0.24V、0.21〜0.31V、0.31〜0.4V、0.4〜0.5V、0.5〜0.55Vのいずれかの間にしてもよい。
(1)読み出し動作では、“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0〜0.55Vの間である。これに限定されることなく、0.1〜0.24V、0.21〜0.31V、0.31〜0.4V、0.4〜0.5V、0.5〜0.55V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1.5〜2.3Vの間である。これに限定されることなく、1.65〜1.8V、1.8〜1.95V、1.95〜2.1V、2.1〜2.3V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、3.0〜3.2V、3.2〜3.4V、3.4〜3.5V、3.5〜3.6V、3.6〜4.0Vのいずれかの間にしてもよい。
読み出し動作の時間(tRead)としては、例えば25〜38μs、38〜70μs、70〜80μsの間にしてもよい。
(2)書き込み動作は、上述したとおりプログラム動作と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13.7〜14.3Vの間である。これに限定されることなく、例えば13.7〜14.0V、14.0〜14.6Vのいずれかの間としてもよい。
(2)書き込み動作は、上述したとおりプログラム動作と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13.7〜14.3Vの間である。これに限定されることなく、例えば13.7〜14.0V、14.0〜14.6V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を変えてもよい。
プログラム動作をISPP方式(Incremental Step Pulse Program)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6.0〜7.3V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7.3〜8.4Vの間としてもよく、6.0V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、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1700〜1800μs、1800〜1900μs、1900〜2000μsの間にしてもよい。
(3)消去動作では、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12.0〜13.6Vの間である。この場合に限定されることなく、例えば13.6〜14.8V、14.8〜19.0V、19.0〜19.8V、19.8〜21.0Vの間であってもよい。
(3)消去動作では、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12.0〜13.6Vの間である。この場合に限定されることなく、例えば13.6〜14.8V、14.8〜19.0V、19.0〜19.8V、19.8〜21.0Vの間であってもよい。
消去動作の時間(tErase)としては、例えば3000〜4000μs、4000〜5000μs、4000〜9000μsの間にしてもよい。
(4)メモリセルの構造は、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している。この電荷蓄積層は膜厚が2〜3nmのSiN、又はSiON等の絶縁膜と膜厚が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等の金属が添加されていてもよい。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等が挙げられる。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の材料を介して膜厚が30〜70nmの制御電極が形成されている。ここで材料はTaO等の金属酸化膜、TaN等の金属窒化膜である。制御電極にはW等を用いることができる。
(4)メモリセルの構造は、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している。この電荷蓄積層は膜厚が2〜3nmのSiN、又はSiON等の絶縁膜と膜厚が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等の金属が添加されていてもよい。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等が挙げられる。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の材料を介して膜厚が30〜70nmの制御電極が形成されている。ここで材料はTaO等の金属酸化膜、TaN等の金属窒化膜である。制御電極にはW等を用いることができる。
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。
尚、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ものである。
尚、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ものである。
1…半導体記憶装置、2…コントローラ、3…メモリシステム、10…メモリセルアレイ、11…センスアンプモジュール、12…ロウデコーダ、13…入出力回路、14…レジスタ、15…ロジック制御回路、16…シーケンサ、17…電圧生成回路、17…プレーンスイッチ、19…レディ/ビジー制御回路、20…プロセッサ、21…内蔵メモリ、22…ECC回路、23…NANDインターフェイス回路、24…バッファメモリ、25…ホストインターフェイス回路、50…CGドライバ、51…SLドライバ、60…CGスイッチ。
Claims (12)
- 各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、
前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、
前記第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、
を備え、
前記第1ビットは、少なくとも第1電圧を用いて確定され、
前記第2ビットは、前記第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定され、
データの読み出し動作時において、前記第1及び第2ワード線に前記第1乃至第3電圧が印加されることにより、前記第1ビットに関連付けられた第1ページが前記第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、前記第1ページの読み出しに平行して、前記第2ビットに関連付けられた第2ページが前記第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ビット線と、
前記第1及び第2ビット線にそれぞれ接続され、第1信号に応答して前記第1及び第2ビット線にそれぞれ読み出されたデータをセンスする第1及び第2センスアンプと、
をさらに備え、
前記読み出し動作において前記第1及び第2センスアンプは、前記第1及び第2ワード線に前記第1乃至第3電圧が印加されている間に、それぞれ前記第1信号を受信する
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1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ビット線と、
前記第1ビット線に接続され、第1信号に応答して前記第1ビット線に読み出されたデータをセンスする第1センスアンプと、
前記第2ビット線に接続され、前記第1信号と異なる第2信号に応答して前記第2ビット線に読み出されたデータをセンスする第2センスアンプと、
をさらに備え、
前記読み出し動作において、前記第1センスアンプは前記第1及び第2ワード線に前記第1電圧が印加されている間に前記第1信号を受信し、前記第2センスアンプは前記第1及び第2ワード線に前記第2及び第3電圧が印加されている間にそれぞれ前記第2信号を受信する
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。 - 各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、
前記第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、
前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、
前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ソース線と、
を備え、
前記第1ビットは、少なくとも第1電圧を用いて確定され、
前記第2ビットは、前記第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定され、
データの読み出し動作時において、前記第1及び第2ワード線に前記第2及び第3電圧が印加され、且つ前記選択された第1及び第2ワード線に前記第2電圧が印加されている間に、前記第1及び第2ソース線にそれぞれ第4電圧及び前記第4電圧と異なる第5電圧が印加され、且つ前記選択された第1及び第2ワード線に前記第3電圧が印加されている間に、前記第1及び第2ソース線にそれぞれ第6電圧及び前記第6電圧と異なる第7電圧が印加されることにより、
前記第1ビットに関連付けられた第1ページが前記第1メモリセルアレイからページ単位で読み出され、前記第1ページの読み出しに平行して、前記第2ビットに関連付けられた第2ページが前記第2メモリセルアレイからページ単位で読み出される
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ビット線と、
前記第1及び第2ビット線にそれぞれ接続され、第1信号に応答して前記第1及び第2ビット線にそれぞれ読み出されたデータをセンスする第1及び第2センスアンプと、
をさらに備え、
前記読み出し動作において前記第1及び第2センスアンプは、前記第1及び第2ワード線に前記第2及び第3電圧が印加されている間に、それぞれ前記第1信号を受信する
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体記憶装置。 - 請求項1又は請求項4に記載の半導体記憶装置と、前記半導体記憶装置に対して前記読み出し動作を実行させるコマンドを発行することが可能なコントローラと、
を備えることを特徴とするメモリシステム。 - 前記コントローラが前記半導体記憶装置に前記読み出し動作を指示するコマンドシーケンスにおいて、
前記読み出し動作における読み出し動作の実行を指示するコマンドシーケンスでは、前記第1及び第2メモリセルアレイをそれぞれ指定する第1及び第2アドレス情報が、前記第1及び第2アドレス情報の順に含まれ、
前記読み出し動作における読み出しデータの出力を指示するコマンドシーケンスでは、前記第1及び第2アドレス情報が、前記第2及び第1アドレス情報の順に含まれる
ことを特徴とする請求項6に記載のメモリシステム。 - 各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、
前記第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、
前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、
前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ビット線と、
前記第1及び第2ビット線にそれぞれ接続され、第1信号に応答して前記第1及び第2ビット線にそれぞれ読み出されたデータをセンスする第1及び第2センスアンプと、
を備え、
前記第1ビットは、少なくとも第1電圧を用いて確定され、
前記第2ビットは、前記第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定され、
データの読み出し動作時において、前記第1及び第2ワード線に前記第1乃至第3電圧が印加されることにより、
前記第1及び第2ビットにそれぞれ関連付けられた第1及び第2ページが前記第1メモリセルアレイからワード線単位で読み出され、前記第1及び第2ページの読み出しに平行して、前記第1及び第2ビットに関連付けられた第3及び第4ページが前記第2メモリセルアレイからワード線単位で読み出され、
前記第1及び第2センスアンプは、前記第1及び乃至第3電圧が印加されている間にそれぞれ前記第1信号を受信し、前記第1センスアンプが前記第1信号を受信する長さと、前記第2センスアンプが前記第1信号を受信する長さとは異なっている
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 各々が第1及び第2ビットを含む2ビット以上のデータを保持可能な第1及び第2メモリセルと、
前記第1及び第2メモリセルをそれぞれ含む第1及び第2メモリセルアレイと、
前記第1及び第2メモリセルにそれぞれ接続された第1及び第2ワード線と、
を備え、
前記第1ビットは、少なくとも第1電圧を用いて確定され、
前記第2ビットは、前記第1電圧と異なる少なくとも第2及び第3電圧を用いて確定され、
データの読み出し動作時において、前記第1及び第2ワード線に前記第1乃至第3電圧が印加され、且つ前記選択された第1及び第2ワード線に前記第1乃至第3電圧が印加されている間に、前記第1及び第2ソース線にそれぞれ第4電圧及び第4電圧と異なる第5電圧が印加されることにより、
前記第1及び第2ビットにそれぞれ関連付けられた第1及び第2ページが前記第1メモリセルアレイからワード線単位で読み出され、前記第1及び第2ページの読み出しに平行して、前記第1及び第2ビットに関連付けられた第3及び第4ページが前記第2メモリセルアレイからワード線単位で読み出される
ことを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記読み出し動作は、受信した前記第1メモリセルアレイに対応する第1アドレスと、前記第2メモリセルアレイに対応する第2アドレスとに基づいて実行され、
前記第1アドレスが指定するページと、前記第2アドレスが指定するページとは異なる
ことを特徴とする請求項1、請求項4、請求項8、及び請求項9のいずれかに記載の半導体記憶装置。 - 前記読み出し動作において前記第1及び第2ワード線には、略同じ電圧が印加される
ことを特徴とする請求項1、請求項4、請求項8、及び請求項9のいずれかに記載の半導体記憶装置。 - 前記第1及び第2ワード線に印加する電圧を生成する第1回路をさらに備え、
前記読み出し動作において前記第1及び第2ワード線には、前記第1回路に含まれた共通のドライバから電圧が供給される
ことを特徴とする請求項11に記載の半導体記憶装置。
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