JP2020135915A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
Description
第1実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。以下では、半導体記憶装置としてNAND型フラッシュメモリを備えたメモリシステムを例に挙げて説明する。
まず、本実施形態に係るメモリシステムの構成について説明する。
はじめに、本実施形態に係るメモリシステムの大まかな全体構成について、図1を用いて説明する。
引き続き図1を用いて、コントローラ200の構成の詳細について説明する。図1に示すようにコントローラ200は、ホストインターフェース回路210、内蔵メモリ(RAM)220、プロセッサ(CPU)230、バッファメモリ240、NANDインターフェース回路250、及びECC(Error Checking and Correcting)回路260を備えている。
1.1.3.1 NAND型フラッシュメモリ100の全体構成について
次に、NAND型フラッシュメモリ100の構成について説明する。図1に示すようにNAND型フラッシュメモリ100は、メモリセルアレイ110、ロウデコーダ120、ドライバ回路130、センスアンプ140、アドレスレジスタ150、コマンドレジスタ160、及びシーケンサ170を備える。
次に、本実施形態に係るメモリセルアレイ110の構成について説明する。
まず、メモリセルアレイ110の回路構成について、図2を用いて説明する。図2は、ブロックBLKの等価回路図である。図示するように、ブロックBLKは複数のストリングユニットSU(SU0、SU1、SU2、…)を含む。また各々のストリングユニットSUは、複数のNANDストリング50を含む。以下では、偶数番目のストリングユニットSUe(SU0、SU2、SU4、…)のNANDストリングと奇数番目のストリングユニットSUo(SU1、SU3、SU5、…)のNANDストリングとを区別する場合に、それぞれをNANDストリング50e及び50oと呼ぶ。
次に、メモリセルアレイ110の平面構成について説明する。図3は、あるブロックBLKの、半導体基板面内(これをXY平面と呼ぶ)における、セレクトゲート線SGDの平面レイアウトを示している。本例では、1つのブロックBLK内にセレクトゲート線SGDが8本含まれる場合について説明する。
次に、メモリセルアレイ110の断面構造について説明する。図5は、Y方向に沿ったブロックBLKの断面図であり、一例として図3におけるビット線BL0に沿った領域の断面構造を示している。
次に、メモリピラーMP及びメモリセルトランジスタMTの構造について説明する。図6はメモリピラーMPのXY平面における断面図であり、図7はYZ平面における断面図であり、特に2つのメモリセルトランジスタMTが設けられる領域について示している。
本例では、1つのメモリセルトランジスタMTは、例えば2ビットデータを保持可能である。この2ビットデータを、下位ビットからそれぞれlower及びupperビットと呼ぶことにする。そして、同一のワード線に接続されたメモリセルの保持するlowerビットの集合をlowerページと呼び、upperビットの集合をupperページと呼ぶ。つまり、1本のワード線WLには2ページが割り当てられ、8本のワード線WLを含むストリングユニットSUは16ページ分の容量を有する。あるいは言い換えるならば、「ページ」とは、同一ワード線に接続されたメモリセルによって形成されるメモリ空間の一部、と定義することも出来る。データの書き込み及び読み出しは、このページ毎に行っても良い。
“Er”状態:“11”(“upper/lower”の順で表記)
“A”状態:“01”
“B”状態:“00”
“C”状態:“10”
このように、閾値分布において隣り合う2つの状態に対応するデータ間では、2ビットのうちの1ビットのみが変化する。
次に、上記構成のNAND型フラッシュメモリにおけるデータの書き込み順序について説明する。なお、本実施形態に係るデータのプログラム方法は、図9で説明した2ページ分のデータを受信し、このデータに基づいてプログラムを行うことにより、メモリセルトランジスタMTの閾値を“Er”状態から目標とする閾値へ直接に変動させるものである。本方法を、以下ではFull sequence方式と呼ぶ。図10は、あるブロックBLKにデータを書き込む際の、ストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムであり、横軸のストリングユニットSU0〜SU7と縦軸のワード線WL0〜WL7との交点に記載した“0”〜“63”の数字が選択順序を示している。
次に、本実施形態に係るデータの読み出し方法について説明する。図11は一例として、ストリングユニットSU0のメモリセルトランジスタMTi(iは0〜7の整数)からデータを読み出す際の各種配線の電圧変化を示している。
本実施形態に係る読み出し方法によれば、NAND型フラッシュメモリの動作信頼性を
向上できる。本効果につき、以下説明する。
次に、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、上記第1実施形態と異なるデータ書き込み方法を用いることで、先読み動作が必要なストリングユニット数を削減するものである。以下では第1実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図14は、あるブロックBLKにデータを書き込む際の、ストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図15は、本実施形態に係る読み出し方法において、ストリングユニットSU0〜SU7からデータを読み出す際の先読み出しストリングユニットSUと、対象ビット線とを示している。
本実施形態によれば、書き込み順序を変更することにより、先読み出し動作を、偶数ストリングユニットと奇数ストリングユニットのいずれか一方だけに行えばよい。従って、読み出し動作を高速化できる。
次に、第3実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、上記第1及び第2実施形態において、ワード線WL(i+1)からの影響を更に考慮したものである。以下では、第1及び第2実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図18Aは、本実施形態に係る読み出し方法について示しており、第1実施形態で説明した図11に対応する。
(1)ストリングユニットSU0につき、ワード線WL(i+1)に対して先読み出し動作が行われる。この様子を示しているのが、図18Aのt0’〜t0の期間である。
上記のように本実施形態によれば、ワード線WL(i+1)に接続されたメモリセルトランジスタMT(i+1)に対しても先読み出し動作を行う。これにより、XY平面内で隣り合うストリングユニットSUからのセル間干渉効果だけでなく、Z軸方向で隣り合うメモリセルトランジスタからのセル間干渉効果の影響を抑制できる。よって、データの読み出し動作信頼性を更に向上できる。
次に、第4実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、上記第1乃至第3実施形態を、2段階に分けてデータを書き込む方式に適用したものである。この書き込み方式を、以下では2-stage programと呼ぶ。以下では、第1乃至第3実施形態と異なる点についてのみ説明する。
本例では、1つのメモリセルトランジスタMTが例えば3ビットデータを保持可能である。この3ビットデータを、下位ビットからそれぞれlowerビット、middleビット、及びupperビットと呼ぶことにする。そして、同一のワード線に接続されたメモリセルの保持するlowerビットの集合をlowerページと呼び、middleビットの集合をmiddleページと呼び、upperビットの集合をupperページと呼ぶ。つまり、1本のワード線WLには3ページが割り当てられ、8本のワード線WLを含むストリングユニットSUは24ページ分の容量を有する。
“Er”状態:“111”(“upper/middle/lower”の順で表記)
“A”状態:“110”
“B”状態:“100”
“C”状態:“000”
“D”状態:“010”
“E”状態:“011”
“F”状態:“001”
“G”状態:“101”
前述の通り、データの読み出しはページ単位で行われる。すなわち、lowerページは、読み出し電圧として例えば電圧VA及びVEを用いて読み出され、各動作をそれぞれ読み出し動作AR及びERと呼ぶ。またmiddleページは、読み出し電圧として例えば電圧VB、VD、及びVFを用いて読み出され、各動作をそれぞれ読み出し動作BR、DR、及びFRと呼ぶ。そしてupperページは、読み出し電圧として例えば電圧VC及びVGを用いて読み出され、各動作をそれぞれ読み出し動作CR及びGRと呼ぶ。
次に、本実施形態に係る2-stage programについて、2つの例を挙げて説明する。
<第1の例>
図20は、第1の例に係る2-stage programにおけるワード線WLi及びWL(i+1)に接続されたメモリセルトランジスタMTの閾値分布を示すグラフであり、ワード線WLi及びWL(i+1)にデータを書き込む際に実行される処理ステップを順次示している。
次に、2-stage programの第2の例について説明する。図21は、第2の例に係る2-stage programにおけるワード線WLi及びWL(i+1)に接続されたメモリセルトランジスタMTの閾値分布を示すグラフであり、ワード線WLi及びWL(i+1)にデータを書き込む際に実行される処理ステップを順次示している。
図22は、あるブロックBLKにデータを書き込む際の、ストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。図中の“1st”及び“2nd”はそれぞれ1st stage program及び2nd stage programが行われる順番を示す。
次に、本実施形態に係るデータの読み出し方法について説明する。図23は一例として、ストリングユニットSU0のメモリセルトランジスタMTi(iは0〜7の整数)からmiddleページデータを読み出す際の各種配線の電圧変化を示している。
上記のように、第1実施形態で説明した書き込み方法は、2-stage programにも適用できる。もちろん、第2乃至第4実施形態を適用してもよい。
次に、第5実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、上記第4実施形態で説明した書き込み順序の変形例に関するものである。以下では、第4実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図24は、第1例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図25は、第2例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図26は、第3例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図27は、第4例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図28は、第5例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図29は、第6例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図30は、第7例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図31は、第8例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
以上のように、2-stage programの場合には、種々の書き込み順序が可能である。そして、これらの書き込み順序を採用することにより、背面セルや、隣接ワード線からのセル間干渉効果の影響を低減できる。
次に、第6実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、第5実施形態と同様に、上記第4実施形態で説明した書き込み順序の変形例に関するものであり、特に第4実施形態において図21を用いて説明した第2の例に係る書き込み方法に適用可能なものである。以下では、第4及び第5実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図32は、本実施形態の第1例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図33は、本実施形態の第2例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
図34は、本実施形態の第3例に係るストリングユニットSU0〜SU7とワード線WL0〜WL7の選択順序を示すダイアグラムである。
以上のように、第2の例に係る書き込み方法には、種々の書き込み順序が可能である。また本実施形態に係る書き込み順序であると、例えば単純にストリングユニットSU順にデータを書き込む図22のような場合に比べて、2nd stage programを速やかに実行できる。従って、コントローラ200が書き込みデータを保持している期間を短くでき、コントローラのバッファメモリ容量を削減できる。
次に、第7実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、第4実施形態で説明した2-stage programの第1の例を用いてデータを書き込み、第3実施形態で説明したワード線WL(i+1)からのセル間干渉効果を考慮した際におけるデータ読み出し方法に関する。以下では特に、ワード線WL(i+1)からのセル間干渉効果について説明する。
まず、第4実施形態の図19を用いて説明したように、メモリセルの各々が3ビットデータを保持可能な場合について説明する。図35は、図20を用いて説明した2-stage programにおける2nd stage programの様子を示している。2-stage programでは、ドレイン側で隣り合うメモリセルの1st stage programを行った後に2nd stage programが行われる。従って、2nd stage programは、隣接セルからのセル間干渉効果の影響を低減できる。
VCGLA_A4>VCGLA_A1、
VCGLA_B4>VCGLA_B1、
VCGLA_C4>VCGLA_C1、
VCGLA_D4>VCGLA_D1、
VCGLA_E4>VCGLA_E1、
VCGLA_F4>VCGLA_F1、及び
VCGLA_G4>VCGLA_G1。
VCGLA_A4>VCGLA_A2>VCGLA_A1、
VCGLA_B4>VCGLA_B2>VCGLA_B1、
VCGLA_C4>VCGLA_C2>VCGLA_C1、
VCGLA_D4>VCGLA_D2>VCGLA_D1、
VCGLA_E4>VCGLA_E2>VCGLA_E1、
VCGLA_F4>VCGLA_F2>VCGLA_F1、及び
VCGLA_G4>VCGLA_G2>VCGLA_G1。
VCGLA_A4>VCGLA_A3>VCGLA_A1、
VCGLA_B4>VCGLA_B3>VCGLA_B1、
VCGLA_C4>VCGLA_C3>VCGLA_C1、
VCGLA_D4>VCGLA_D3>VCGLA_D1、
VCGLA_E4>VCGLA_E3>VCGLA_E1、
VCGLA_F4>VCGLA_F3>VCGLA_F1、及び
VCGLA_G4>VCGLA_G3>VCGLA_G1。
また、電圧VCGLA_A3、VCGLA_B3、VCGLA_C3、VCGLA_D3、VCGLA_E3、VCGLA_F3、及びVCGLA_G3はそれぞれ、電圧VCGLA_A2、VCGLA_B2、VCGLA_C2、VCGLA_D2、VCGLA_E2、VCGLA_F2、及びVCGLA_G2よりも大きくてもよいし、小さくてもよいし、同じであってもよい。
次に、第1実施形態の図9を用いて説明したように、メモリセルの各々が2ビットデータを保持可能な場合について説明する。図38は、図38と同様に2-stage programにおける2nd stage programの様子を示している。メモリセルが2ビットデータを保持する場合、“Er”状態から“A”状態へのプログラム動作、及び“LM”状態から“C”状態へのプログラム動作時に、セル間干渉効果により、既にデータの書き込みが完了しているソース側で隣接するメモリセルの閾値が変動するおそれがある。
上記のように、書き込み方法によってセル間干渉効果の影響は異なる。例えば図20で説明したような2-stage programによれば、セル間干渉効果の影響の大きさは、2nd stage programにおける書き込みデータによって異なる。より具体的には、背面セルや隣接セルにおける2nd stage programでの閾値変動量が大きい場合に、選択セルが受けるセル間干渉効果の影響が大きい。このように、書き込み方法によるセル間干渉効果の影響を考慮して読み出し電圧VCGLAを決定することで、より読み出し精度を向上できる。
次に、第8実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。本実施形態は、上記第1乃至第7実施形態で説明した先読み出し動作及び本読み出し動作におけるセンスアンプの動作に関するものである。以下では、第1乃至第7実施形態と異なる点についてのみ説明する。
まず、本実施形態に係るセンスアンプ140の構成について、図41を用いて説明する。図41は、本実施形態に係るセンスアンプ140とストリングユニットSU0の回路図である。
引き続き、上記第1乃至第7実施形態で説明した先読み出し動作及び本読み出し動作におけるセンスアンプ140の動作について説明する。
まず第1の例として、背面セルからのセル間干渉効果の影響は補正するが、ワード線WL(i+1)に接続された隣接セルからのセル間干渉効果の影響は無視する場合につき説明する。第1の例では、メモリセルの各々が2ビットデータを保持するものとする。また本例は、第1実施形態で説明した図10の順序でデータ書き込まれ、図12で説明した方法によりデータが読み出される場合に関する。
・読み出し動作AR=ARL+ARH
・VCGLA_A1=VA
・VCGLA_A2=VAh
・読み出し動作CR=CRL+CRH
・VCGLA_C1=VC
・VCGLA_C2=VCh
図43は、図12の動作を実行する際のセンスアンプ140内の動作を示す。図43の縦軸には、上から下に向かって行われる処理が記載され、横軸にはビット線BL(4j)と、各ケースについてのビット線BL(4j+1)、BL(4j+2)、及びBL(4j+3)と、各ケースにおけるストリングユニットSU2、SU3、及びSU4のワード線WLiに接続されたメモリセルの保持データが記載されている。そして、これらの縦軸と横軸との交点に記載した“0”または“1”が、縦軸に記載したSA、DL0、及びXDLに格納されるデータである。
・CASE I:選択メモリセルが“Er”状態であり、背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。
・CASE II:選択メモリセルが“Erh”状態であり、背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合である。つまり、背面セルからのセル間干渉効果の影響によって、選択メモリセルが“Er”状態から“Erh”状態に遷移したケース。
・CASE III:選択メモリセルが“A”状態であり、背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。
・CASE IV:選択メモリセルが“Ah”状態であり、背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合である。つまり、背面セルからのセル間干渉効果の影響によって、選択メモリセルが“A”状態から“Ah”状態に遷移したケース。
・CASE V:選択メモリセルが“B”状態であり、背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。
・CASE VI:選択メモリセルが“Bh”状態であり、背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合である。つまり、背面セルからのセル間干渉効果の影響によって、選択メモリセルが“B”状態から“Bh”状態に遷移したケース。
・CASE VII:選択メモリセルが“C”状態であり、背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。
・CASE VIII:選択メモリセルが“Ch”状態であり、背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合である。つまり、背面セルからのセル間干渉効果の影響によって、選択メモリセルが“C”状態から“Ch”状態に遷移したケース。
次に、順次、センスアンプ140の動作について説明する。
~SA & ~DL0
但し、~はデータの反転を意味し、&は論理積(AND)演算を意味する。この結果、ビット線BL(4j)及びCASE Iのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE II〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
~SA & DL0|XDL
但し、|は論理和(OR)演算を意味する。この結果、ビット線BL(4j)及びCASE I及びCASE IIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
SA & ~DL0|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I、CASE II、及びCASE VIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III〜CASE VI及びCASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
SA & DL0|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I、CASE II、CASE VII、及びCASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III〜CASE VIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
次に、上記8.2において、更にワード線WL(i+1)に接続された隣接セルからの影響を考慮する場合を、第2の例として説明する。すなわち本例は、背面セルと隣接セルの両方からの影響を補正するものである。また以下では一例として、第1実施形態で説明した図4の順序でデータ書き込まれ、第3実施形態で説明した図18Aの動作が実行される際のセンスアンプ140の動作について説明する。
・読み出し動作AR=ARL+ARH+ARH’+ARHH’
・VCGLA_A1=VA
・VCGLA_A2=VAh
・VCGLA_A3=VAh’
・VCGLA_A4=VAhh’
・読み出し動作CR=CRL+CRH+CRH’+CRHH’
・VCGLA_C1=VC
・VCGLA_C2=VCh
・VCGLA_C3=VCh’
・VCGLA_C4=VChh’
図45は、図18Aの動作を実行する際のセンスアンプ140内の動作を示す。図43と同様に図45の縦軸には、上から下に向かって行われる処理が記載され、横軸にはビット線BL(4j)と、各ケースについてのビット線BL(4j+1)、BL(4j+2)、及びBL(4j+3)と、各ケースにおけるストリングユニットSU2、SU3、SU4のワード線WLiに接続されたメモリセルの保持データ、並びにストリングユニットSU3のワード線WL(i+1)に接続されたメモリセルの保持データが記載されている。
・CASE I:背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“Er”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Erh’”状態である。
・CASE II:背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“Erh”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Erhh’”状態である。
・CASE III:背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“A”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Ah’”状態である。
・CASE IV:背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“Ah”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Ahh’”状態である。
・CASE V:背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“B”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Bh’”状態である。
・CASE VI:背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“Bh”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Bhh’”状態である。
・CASE VII:背面セル(SU4)が“Er”状態または“A”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“C”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Ch’”状態である。
・CASE VIII:背面セル(SU4)が“B”状態または“C”状態である場合。選択メモリセルは、ワード線WL(i+1)が“Er”状態または“A”状態であれば、“Ch”状態であり、ワード線WL(i+1)が“B”状態または“C”状態であれば、“Chh’”状態である。
次に、順次、センスアンプ140の動作について説明する。
まず図43の場合と同様に、ストリングユニットSU4のワード線WLnに接続されたメモリセルに対する先読み出し動作BRが実施され、センス部SA内のデータがラッチ回路DL0に転送される。そして、ビット線BL(4j)に対応するセンスユニットSAU(4j)のラッチ回路DL0に“0”を保持される。
~SA & ~DL0 & ~DL1
この結果、ビット線BL(4j)及びCASE Iのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”または“1”データが保持され、CASE II〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
~SA & DL0 & ~DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I及びCASE IIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”または“1”データが保持され、CASE III〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”データが保持される。
~SA & DL0 & ~DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I〜CASE IVのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”または“1”データが保持され、CASE V〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持される。
~SA & DL0 & DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I及びCASE IIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
SA & ~DL0 & ~DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I及びCASE IIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III、CASE IV、CASE VI、及びCASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。そして、CASE V及びCASE VIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”または“1”データが保持される。
SA & DL0 & ~DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I及びCASE IIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III及びCASE IVのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。そして、CASE V〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには、“0”または“1”データが保持される。
SA & ~DL0 & DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I及びCASE IIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III及びCASE IVのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。そして、CASE V〜CASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには、“0”または“1”データが保持される。
SA & DL0 & DL1|XDL
この結果、ビット線BL(4j)並びにCASE I〜CASE III、CASE VII、及びCASE VIIIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“1”が保持され、CASE III乃至CASE VIのビット線BLに対応するラッチ回路XDLには“0”が保持される。
上記8.2及び8.3の項では、図10に示す順序で書き込まれたデータをストリングユニットSU3から読み出す場合について説明した。この場合には、先に述べたとおり、隣接するストリングユニットSU2及びSU4のうち、ストリングユニットSU2からのセル間干渉効果の影響を無視できる。従って、ストリングユニットSU2に対する先読み出し動作を行う必要がない。
その他は、図43で説明した通りであるので、説明は省略する。
次に、上記8.4の項で説明した場合において、更にワード線WL(i+1)に接続された隣接セルからの影響を考慮する場合を、第4の例として説明する。図47は、図18Aの動作を実行する際のセンスアンプ140内の動作を示し、8.3の項で説明した図45に対応する。但し、図47では、ストリングユニットSU3からデータが読み出される場合を示している。
例えばセンスアンプ140は、上記のように動作することで、背面セルや隣接セルの影響を考慮しつつ、データを判別できる。
以上のように、上記実施形態に係る半導体記憶装置は、データを保持可能な第1メモリセル(ex.SU2)と第2メモリセル(ex.SU3)と、第1メモリセルに接続された第1ワード線(ex.SU2,WLi)と、第2メモリセルに接続された第2ワード線(ex.SU3,WLi)と、第1メモリセルと第2メモリセルの両方に電気的に接続可能な第1ビット線とを具備する。そして、第1メモリセルと第2メモリセルは、互いに第1半導体層を共有し、且つ該第1半導体層を挟んで対向して設けられる。データの読み出し動作は、第1動作(ex.背面cell先読み)及び第2動作(ex.選択cell本読み)を含む。第1メモリセルからデータを読み出す際には、第1動作(ex.先読み)においては、第1ワード線(ex.SU2,WLi)に第1電圧(ex.Vcut1)が印加され、前記第2ワード線(ex.SU3,WLi)に前記第1電圧より大きい第2電圧(ex.VB)が印加される。また第2動作(ex.本読み)は第1動作後に行われ、第1ワード線(ex.SU2,WLi)に、第1電圧より大きい第3電圧(ex.VCGLA_A1)と、第3電圧と異なる第4電圧(ex.VCGLA_A2)が印加され、第2ワード線(ex.SU3,WLi)に前記第2乃至第4電圧より小さい第5電圧(ex.Vcut1)が印加される。そして、第1電圧(ex.Vcut1)と第5電圧(ex.Vcut1)は、メモリセルをオフ状態とする電圧である。
メモリセルトランジスタMTは、上記のような構成を有していても良い。
(1)例えばメモリセルトランジスタMTが2ビットデータを保持可能であって、その閾値電圧が低いものから順に“Er”、“A”、“B”、“C”状態であって、“Er”状態が消去状態であった場合に、“A”状態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, 0.5V〜0.55Vいずれかの間にしてもよい。
“B”状態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、1.65V〜1.8V, 1.8V〜1.95V, 1.95V〜2.1V, 2.1V〜2.3Vいずれかの間にしてもよい。
“C”状態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〜3.6V, 3.6V〜4.0V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, 70μs〜80μsの間にしてもよい。
(2)書き込み動作は、プログラム動作とベリファイ動作を含む。プログラム動作時に選択されたワード線に最初に印加される電圧は、例えば13.7V〜14.3Vの間である。これに限定されることなく、例えば13.7V〜14.0V, 14.0V〜14.6Vいずれかの間としてもよい。
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6.0V〜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、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1700μs〜1800μs, 1800μs〜1900μs, 1900μs〜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12V〜13.6Vの間である。この場合に限定されることなく、例えば13.6V〜14.8V, 14.8V〜19.0V, 19.0〜19.8V, 19.8V〜21Vの間であってもよい。
消去動作の時間(tErase)としては、例えば3000μs〜4000μs, 4000μs〜5000μs, 4000μs〜9000μsの間にしてもよい。
(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、またはSiONなどの絶縁膜と膜厚が3〜8nmのポリシリコンとの積層構造にすることができる。また、ポリシリコンにはRuなどの金属が添加されていても良い。電荷蓄積層の上には絶縁膜を有している。この絶縁膜は、例えば、膜厚が3〜10nmの下層High−k膜と膜厚が3〜10nmの上層High−k膜に挟まれた膜厚が4〜10nmのシリコン酸化膜を有している。High−k膜はHfOなどが挙げられる。また、シリコン酸化膜の膜厚はHigh−k膜の膜厚よりも厚くすることができる。絶縁膜上には膜厚が3〜10nmの仕事関数調整用の材料を介して膜厚が30nm〜70nmの制御電極が形成されている。ここで仕事関数調整用の材料はTaOなどの金属酸化膜、TaNなどの金属窒化膜である。制御電極にはWなどを用いることができる。
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。
Claims (19)
- データを保持可能な第1メモリセルと第2メモリセルと、
前記第1メモリセルに接続された第1ワード線と、
前記第2メモリセルに接続された第2ワード線と、
前記第1メモリセルと前記第2メモリセルの両方に電気的に接続可能な第1ビット線と
を具備し、前記第1メモリセルと前記第2メモリセルは、互いに第1半導体層を共有し、且つ該第1半導体層を挟んで対向して設けられ、
前記データの読み出し動作は、第1動作及び第2動作を含み、前記第1メモリセルからデータを読み出す際には、
前記第1動作においては、前記第1ワード線に第1電圧が印加され、前記第2ワード線に前記第1電圧より大きい第2電圧が印加され、
前記第2動作は前記第1動作後に行われ、前記第1ワード線に、前記第1電圧より大きい第3電圧と、前記第3電圧と異なる第4電圧が印加され、前記第2ワード線に前記第2乃至第4電圧より小さい第5電圧が印加され、
前記第1電圧と前記第5電圧は、メモリセルをオフ状態とする電圧である、半導体記憶装置。 - 前記データの読み出し動作時において、前記第1ビット線の電圧、または前記第1ビット線に流れる電流に基づいてデータを判別可能な第1センスアンプを更に備え、
前記第1メモリセルからデータを読み出す際に前記第1センスアンプは、
前記第1動作において前記第2メモリセルがオン状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第3電圧が印加された期間に基づいてデータを判別し、
前記第1動作において前記第2メモリセルがオフ状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第4電圧が印加された期間に基づいてデータを判別する、請求項1記載の半導体記憶装置。 - データを保持可能な第3メモリセルと、
データを保持可能であり、前記第1ワード線に接続された第4メモリセルと、
前記第3メモリセルに接続された第3ワード線と、
前記第3メモリセルと前記第4メモリセルの両方に電気的に接続可能な第2ビット線と、
前記第1メモリセルと前記第1ビット線とを接続可能な第1トランジスタと、
前記第2メモリセルと前記第1ビット線とを接続可能な第2トランジスタと、
前記第3メモリセルと前記第2ビット線とを接続可能な第3トランジスタと、
前記第4メモリセルと前記第2ビット線とを接続可能な第4トランジスタと
を更に備え、前記第3メモリセルと前記第4メモリセルは、互いに第2半導体層を共有し、且つ該第2半導体層を挟んで対向して設けられ、
前記第1メモリセルと前記第4メモリセルの保持するデータは、時間的に並行して読み出され、該第1メモリセルと該第4メモリセルからデータを読み出す際には、
前記第1動作においては、前記第2トランジスタがオン状態とされて、前記第2メモリセルからデータが読み出され、
前記第2動作においては、前記第1トランジスタ及び前記第4トランジスタがオン状態とされて、前記第1メモリセル及び前記第4メモリセルからデータが読み出され、
前記第1メモリセル及び前記第4メモリセルに対するデータの読み出し動作の期間、前記第3トランジスタはオフ状態を維持する、請求項2記載の半導体記憶装置。 - 前記第1メモリセルと前記第4メモリセルに対するデータの書き込みは、時間的に並行して実行され、
前記第2メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルと前記第4メモリセルに対するデータの書き込みの後に実行され、
前記第3メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルと前記第4メモリセルに対するデータの書き込みの前に実行される、請求項3記載の半導体記憶装置。 - データを保持可能な第3メモリセルと、
データを保持可能であり、前記第1ワード線に接続された第4メモリセルと、
前記第3メモリセルに接続された第3ワード線と、
前記第3メモリセルと前記第4メモリセルの両方に電気的に接続可能な第2ビット線と、
を更に備え、前記第3メモリセルと前記第4メモリセルは、互いに第2半導体層を共有し、且つ該第2半導体層を挟んで対向して設けられ、
前記データの読み出し動作は、前記第2動作より前に行われる第3動作を更に含み、
前記第1メモリセルと前記第4メモリセルの保持するデータは、時間的に並行して読み出され、該第1メモリセルと該第4メモリセルからデータを読み出す際には、
前記第3動作において、前記第1ワード線に第6電圧が印加され、前記第3ワード線に前記第6電圧より大きい第7電圧が印加され、
前記第2動作においては、前記第3ワード線に前記第2乃至第4電圧及び第7電圧より小さい第8電圧が印加され、
前記第6電圧と前記第8電圧は、メモリセルをオフ状態とする電圧である、請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記データの読み出し動作時において、前記第2ビット線の電圧、または前記第2ビット線に流れる電流に基づいてデータを判別可能な第2センスアンプを更に備え、
前記第4メモリセルからデータを読み出す際に前記第2センスアンプは、
前記第3動作において前記第3メモリセルがオン状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第3電圧が印加された期間に基づいてデータを判別し、
前記第3動作において前記第3メモリセルがオフ状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第4電圧が印加された期間に基づいてデータを判別する、請求項5記載の半導体記憶装置。 - 前記第1メモリセルと前記第4メモリセルに対するデータの書き込みは、時間的に並行して実行され、
前記第2メモリセル及び前記第3メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルと前記第4メモリセルに対するデータの書き込みの後に実行される、請求項6記載の半導体記憶装置。 - データを保持可能な第3メモリセルと第4メモリセルと、
前記第3メモリセルに接続された第3ワード線と、
前記第4メモリセルに接続された第4ワード線と
を更に備え、前記第3メモリセルと前記第4メモリセルは、互いに第2半導体層を共有し、且つ該第2半導体層を挟んで対向して設けられ、
前記第1ビット線は、前記第3メモリセルと前記第4メモリセルの両方に電気的に接続可能であり、
前記データの読み出し動作は、前記第2動作より前に行われる第3動作を更に含み、前記第1メモリセルからデータを読み出す際には、
前記第3動作において、前記第3ワード線に第6電圧が印加され、前記第1ワード線に前記第6電圧より大きい第7電圧が印加され、前記第2ワード線に第8電圧が印加され、前記第4ワード線に第9電圧が印加され、
前記第2動作において、前記第1ワード線には前記第3電圧及び前記第4電圧と異なる第10電圧と、前記第3乃至第5電圧と異なる第11電圧とが、更に印加され、
前記第7電圧は、メモリセルをオン状態とする電圧であり、
前記第8電圧と前記第9電圧は、メモリセルをオフ状態とする電圧である、請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第3メモリセルは、前記第1メモリセルと前記第1ビット線との間に電気的に接続され、
前記第4メモリセルは、前記第2メモリセルと前記第1ビット線との間に電気的に接続される、請求項8記載の半導体記憶装置。 - 前記データの読み出し動作時において、前記第1ビット線の電圧、または前記第1ビット線に流れる電流に基づいてデータを判別可能な第1センスアンプを更に備え、
前記第1メモリセルからデータを読み出す際に前記第1センスアンプは、
前記第1動作において前記第2メモリセルがオン状態であり、前記第3動作において前記第3メモリセルがオン状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第3電圧が印加された期間に基づいてデータ判別し、
前記第1動作において前記第2メモリセルがオフ状態であり、前記第3動作において前記第3メモリセルがオフ状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第11電圧が印加された期間に基づいてデータ判別する、請求項8記載の半導体記憶装置。 - 前記第11電圧は、前記第3電圧よりも大きい、請求項10記載の半導体記憶装置。
- 前記第1センスアンプは、
前記第1動作において前記第2メモリセルがオン状態であり、前記第3動作において前記第3メモリセルがオフ状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第4電圧が印加された期間に基づいてデータ判別し、
前記第1動作において前記第2メモリセルがオフ状態であり、前記第3動作において前記第3メモリセルがオン状態であった際には、前記第2動作において、前記第1ワード線に前記第10電圧が印加された期間に基づいてデータ判別する、請求項10記載の半導体記憶装置。 - データを保持可能な第1メモリセルと第2メモリセルとを含むメモリセルセットと、
前記メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルに電気的に接続可能なビット線と
を具備し、前記第1メモリセルと前記第2メモリセルは、互いに半導体層を共有し、且つ該半導体層を挟んで対向して設けられ、
前記メモリセルセットに対する読み出し動作は、前記第1メモリセルと前記第2メモリセルのいずれか一方からデータが読み出される第1動作と、前記第1メモリセルと前記第2メモリセルのいずれか他方からデータが読み出される第2動作とを実行可能であり、
前記メモリセルセットにおいて、前記第1メモリセルが選択された場合、
前記第1動作においては、前記第2メモリセルからデータが読み出され、
前記第1動作後に前記第2動作が行われ、該第2動作においては、前記第1メモリセルからデータが読み出され、
前記メモリセルセットにおいて、前記第2メモリセルが選択された場合、
前記第1動作が行われることなく、前記第2動作において前記第2メモリセルからデータが読み出される、半導体記憶装置。 - 前記第1メモリセルに接続された第1ワード線と、
前記第2メモリセルに接続された第2ワード線と、
前記第1メモリセルと前記第2メモリセルとのいずれかから前記ビット線に読み出されたデータを判別可能なセンスアンプと
を更に備え、前記データの読み出し動作において前記第1メモリセルが選択された場合、
前記第1動作においては、前記第1ワード線に第1電圧が印加され、前記第2ワード線に前記第1電圧より大きい第2電圧が印加され、
前記第2動作においては、前記第1ワード線に、前記第1電圧より大きい第3電圧と、前記第3電圧と異なる第4電圧が印加され、前記第2ワード線に前記第2乃至第4電圧より小さい第5電圧が印加され、
前記第1電圧と前記第5電圧は、メモリセルをオフ状態とする電圧である、請求項13記載の半導体記憶装置。 - 第1ワード線と、
第2ワード線と、
第3ワード線と
を更に備え、前記メモリセルセットは、第1メモリセルセットと第2メモリセルセットとを含み、
前記ビット線は、第1ビット線と第2ビット線とを含み、
前記第1メモリセルセットの第1メモリセルと、前記第2メモリセルセットの第1メモリセルは、前記第1ワード線に接続され、
前記第1メモリセルセットの第2メモリセルは、前記第2ワード線に接続され、
前記第2メモリセルセットの第2メモリセルは、前記第3ワード線に接続され、
前記読み出し動作時において、
前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルが選択された場合には、前記第1メモリセルセットに対して前記第1動作及び前記第2動作が実行され、
前記第1メモリセルセットの前記第2メモリセルが選択された場合には、前記第1メモリセルセットに対して前記第1動作が行われることなく前記第2動作が実行され、
前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルが選択された場合には、前記第2メモリセルセットに対して前記第1動作が行われることなく前記第2動作が実行され、
前記第2メモリセルセットの前記第2メモリセルが選択された場合には、前記第2メモリセルセットに対して前記第1動作及び前記第2動作が実行される、請求項13記載の半導体記憶装置。 - 前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルに対するデータの書き込みは、時間的に並行して実行され、
前記第1メモリセルセットの前記第2メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルに対するデータの書き込みの後に実行され、
前記第2メモリセルセットの前記第2メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルに対するデータの書き込みの前に実行される、請求項15記載の半導体記憶装置。 - 第1ワード線と、
第2ワード線と、
第3ワード線と
を更に備え、前記メモリセルセットは、第1メモリセルセットと第2メモリセルセットとを含み、
前記ビット線は、第1ビット線と第2ビット線とを含み、
前記第1メモリセルセットの第1メモリセルと、前記第2メモリセルセットの第1メモリセルは、前記第1ワード線に接続され、
前記第1メモリセルセットの第2メモリセルは、前記第2ワード線に接続され、
前記第2メモリセルセットの第2メモリセルは、前記第3ワード線に接続され、
前記読み出し動作時において、
前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルが選択された場合には、前記第1メモリセルセットに対して前記第1動作及び前記第2動作が実行され、
前記第1メモリセルセットの前記第2メモリセルが選択された場合には、前記第1メモリセルセットに対して前記第1動作が行われることなく前記第2動作が実行され、
前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルが選択された場合には、前記第2メモリセルセットに対して前記第1動作及び前記第2動作が実行され、
前記第2メモリセルセットの前記第2メモリセルが選択された場合には、前記第2メモリセルセットに対して前記第1動作が行われること無く前記第2動作が実行される、請求項13記載の半導体記憶装置。 - 前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルに対するデータの書き込みは、時間的に並行して実行され、
前記第1メモリセルセットの前記第2メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルに対するデータの書き込みの後に実行され、
前記第2メモリセルセットの前記第2メモリセルに対するデータの書き込みは、前記第1メモリセルセットの前記第1メモリセルと前記第2メモリセルセットの前記第1メモリセルに対するデータの書き込みの後に実行される、請求項15記載の半導体記憶装置。 - 前記第1ワード線は、前記第2ワード線と前記第3ワード線との間に位置する、請求項15乃至18いずれか1項記載の半導体記憶装置。
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