JP2022050043A - 半導体記憶装置 - Google Patents

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基彦 藤松
Motohiko Fujimatsu
昇 柴田
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Abstract

【課題】信頼性の高い半導体記憶装置を提供する。【解決手段】半導体記憶装置は、第1メモリセルを含む第1メモリストリングと、第2メモリセルを含む第2メモリストリングと、第1メモリストリングに接続された第1ビット線と、第2メモリストリングに接続された第2ビット線と、を備える。第1プログラム動作において、第1ビット線及び第2ビット線に第1ビット線電圧が供給される。第2プログラム動作において、第1ビット線及び第2ビット線に、第1ビット線電圧より大きい第2ビット線電圧又は第2ビット線電圧より大きい第3ビット線電圧が供給される。第3プログラム動作において、第1ビット線に第2ビット線電圧が供給され、第2ビット線に第3ビット線電圧が供給される。第4プログラム動作において、第1ビット線に第3ビット線電圧が供給され、第2ビット線に第2ビット線電圧が供給される。【選択図】図19

Description

本実施形態は、半導体記憶装置に関する。
メモリトランジスタを備える複数のメモリストリングを備える半導体記憶装置が知られている。
特開2017-157260号公報
信頼性の高い半導体記憶装置を提供する。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1メモリセルを含む第1メモリストリングと、第2メモリセルを含む第2メモリストリングと、第1メモリストリングに接続された第1ビット線と、第2メモリストリングに接続された第2ビット線と、第1メモリセル及び第2メモリセルに接続された第1ワード線と、第1ビット線、第2ビット線及び第1ワード線に電気的に接続された制御回路と、を備える。制御回路は、第1メモリセル及び第2メモリセルに対する第1書込シーケンスの、第1プログラム動作において、第1ビット線及び第2ビット線に第1ビット線電圧を供給する。また、第1プログラム動作よりも後に実行される第2プログラム動作において、第1ビット線及び第2ビット線に、第1ビット線電圧よりも大きい第2ビット線電圧、又は、第2ビット線電圧よりも大きい第3ビット線電圧を供給する。また、第2プログラム動作よりも後に実行される第3プログラム動作において、第1ビット線に第2ビット線電圧を供給し、第2ビット線に第3ビット線電圧を供給する。また、第3プログラム動作よりも後に実行される第4プログラム動作において、第1ビット線に第3ビット線電圧を供給し、第2ビット線に第2ビット線電圧を供給する。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1メモリセルを含む第1メモリストリングと、第2メモリセルを含む第2メモリストリングと、第1メモリストリングに接続された第1ビット線と、第2メモリストリングに接続された第2ビット線と、第1メモリセル及び第2メモリセルに接続された第1ワード線と、第1ビット線及び第2ビット線に電気的に接続された第1電圧供給線と、第1ビット線及び第2ビット線に電気的に接続された第2電圧供給線と、第1信号の入力に応じて第1ビット線を第1電圧供給線と導通させ、第2信号の入力に応じて第1ビット線を第2電圧供給線と導通させる第1電圧転送回路と、第3信号の入力に応じて第2ビット線を第1電圧供給線と導通させ、第4信号の入力に応じて第2ビット線を第2電圧供給線と導通させる第2電圧転送回路と、第1電圧供給線、第2電圧供給線、第1電圧転送回路、第2電圧転送回路、及び、第1ワード線に電気的に接続された制御回路と、を備える。制御回路は、第1メモリセル及び第2メモリセルに対する第1書込シーケンスの、第1プログラム動作において、第1電圧転送回路に第1信号を供給し、第2電圧転送回路に第3信号を供給する。また、第1プログラム動作よりも後に実行される第2プログラム動作において、第1電圧転送回路に第2信号を供給し、第2電圧転送回路に第4信号を供給する。また、第2プログラム動作よりも後に実行される第3プログラム動作において、第1電圧転送回路に第1信号を供給し、第2電圧転送回路に第4信号を供給した状態で、第1電圧転送回路に供給する信号を第1信号から第2信号に切り替える。また、第3プログラム動作よりも後に実行される第4プログラム動作において、第1電圧転送回路に第2信号を供給し、第2電圧転送回路に第3信号を供給した状態で、第2電圧転送回路に供給する信号を第3信号から第4信号に切り替える。
第1実施形態に係るメモリシステム10の構成を示す模式的なブロック図である。 同メモリシステム10の構成例を示す模式的な側面図である。 同構成例を示す模式的な平面図である。 第1実施形態に係るメモリダイMDの構成を示す模式的なブロック図である。 同メモリダイMDの一部の構成を示す模式的な回路図である。 同メモリダイMDの一部の構成を示す模式的な回路図である。 同メモリダイMDの一部の構成を示す模式的な回路図である。 同メモリダイMDの模式的な平面図である。 同メモリダイMDの一部の構成を示す模式的な斜視図である。 図9のAで示した部分の模式的な拡大図である。 メモリセルMCのしきい値電圧について説明するための模式的なヒストグラムである。 読出動作について説明するための模式的な波形図である。 読出動作について説明するための模式的な断面図である。 書込シーケンスについて説明するための模式的なフローチャートである。 書込シーケンスについて説明するための模式的な波形図である。 プログラム動作について説明するための模式的な断面図である。 ベリファイ動作について説明するための模式的な断面図である。 書込シーケンスについて説明するための模式的な図である。 書込シーケンスについて説明するための模式的な波形図である。 第2実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的な波形図である。 第2実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的な図である。 第2実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的な波形図である。 第3実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的な表である。 第3実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的なヒストグラムである。 第3実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的なヒストグラムである。 その他の実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的なヒストグラムである。 その他の実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的なヒストグラムである。 その他の実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な斜視図である。 その他の実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な斜視図である。 その他の実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な斜視図である。 その他の実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な斜視図である。
次に、実施形態に係る半導体記憶装置を、図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施形態はあくまでも一例であり、本発明を限定する意図で示されるものではない。また、以下の図面は模式的なものであり、説明の都合上、一部の構成等が省略される場合がある。また、複数の実施形態について共通する部分には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
また、本明細書において「半導体記憶装置」と言った場合には、メモリダイを意味する事もあるし、メモリチップ、メモリカード、SSD(Solid State Drive)等の、コントローラダイを含むメモリシステムを意味する事もある。更に、スマートホン、タブレット端末、パーソナルコンピュータ等の、ホストコンピュータを含む構成を意味する事もある。
また、本明細書において「制御回路」と言った場合には、メモリダイに設けられたシーケンサ等の周辺回路を意味する事もあるし、メモリダイに接続されたコントローラダイ又はコントローラチップ等を意味する事もあるし、これらの双方を含む構成を意味する事もある。
また、本明細書において、第1の構成が第2の構成に「電気的に接続されている」と言った場合、第1の構成は第2の構成に直接接続されていても良いし、第1の構成が第2の構成に配線、半導体部材又はトランジスタ等を介して接続されていても良い。例えば、3つのトランジスタを直列に接続した場合には、2つ目のトランジスタがOFF状態であったとしても、1つ目のトランジスタは3つ目のトランジスタに「電気的に接続」されている。
また、本明細書において、第1の構成が第2の構成及び第3の構成の「間に接続されている」と言った場合、第1の構成、第2の構成及び第3の構成が直列に接続され、且つ、第2の構成が第1の構成を介して第3の構成に接続されていることを意味する場合がある。
また、本明細書において、回路等が2つの配線等を「導通させる」と言った場合には、例えば、この回路等がトランジスタ等を含んでおり、このトランジスタ等が2つの配線の間の電流経路に設けられており、このトランジスタ等がON状態となることを意味する事がある。
また、本明細書においては、基板の上面に対して平行な所定の方向をX方向、基板の上面に対して平行で、X方向と垂直な方向をY方向、基板の上面に対して垂直な方向をZ方向と呼ぶ。
また、本明細書においては、所定の面に沿った方向を第1方向、この所定の面に沿って第1方向と交差する方向を第2方向、この所定の面と交差する方向を第3方向と呼ぶことがある。これら第1方向、第2方向及び第3方向は、X方向、Y方向及びZ方向のいずれかと対応していても良いし、対応していなくても良い。
また、本明細書において、「上」や「下」等の表現は、基板を基準とする。例えば、上記Z方向に沿って基板から離れる向きを上と、Z方向に沿って基板に近付く向きを下と呼ぶ。また、ある構成について下面や下端と言う場合には、この構成の基板側の面や端部を意味する事とし、上面や上端と言う場合には、この構成の基板と反対側の面や端部を意味する事とする。また、X方向又はY方向と交差する面を側面等と呼ぶ。
[第1実施形態]
[メモリシステム10]
図1は、第1実施形態に係るメモリシステム10の構成を示す模式的なブロック図である。
メモリシステム10は、ホストコンピュータ20から送信された信号に応じて、ユーザデータの読出し、書込み、消去等を行う。メモリシステム10は、例えば、メモリチップ、メモリカード、SSD又はその他のユーザデータを記憶可能なシステムである。メモリシステム10は、ユーザデータを記憶する複数のメモリダイMDと、これら複数のメモリダイMD及びホストコンピュータ20に接続されるコントローラダイCDと、を備える。コントローラダイCDは、例えば、プロセッサ、RAM等を備え、論理アドレスと物理アドレスの変換、ビット誤り検出/訂正、ガベージコレクション(コンパクション)、ウェアレベリング等の処理を行う。
図2は、本実施形態に係るメモリシステム10の構成例を示す模式的な側面図である。図3は、同構成例を示す模式的な平面図である。説明の都合上、図2及び図3では一部の構成を省略する。
図2に示す様に、本実施形態に係るメモリシステム10は、実装基板MSBと、実装基板MSBに積層された複数のメモリダイMDと、メモリダイMDに積層されたコントローラダイCDと、を備える。実装基板MSBの上面のうち、Y方向の端部の領域にはパッド電極Pが設けられ、その他の一部の領域は接着剤等を介してメモリダイMDの下面に接着されている。メモリダイMDの上面のうち、Y方向の端部の領域にはパッド電極Pが設けられ、その他の領域は接着剤等を介して他のメモリダイMD又はコントローラダイCDの下面に接着されている。コントローラダイCDの上面のうち、Y方向の端部の領域にはパッド電極Pが設けられている。
図3に示す様に、実装基板MSB、複数のメモリダイMD、及び、コントローラダイCDは、それぞれ、X方向に並ぶ複数のパッド電極Pを備えている。実装基板MSB、複数のメモリダイMD、及び、コントローラダイCDに設けられた複数のパッド電極Pは、それぞれ、ボンディングワイヤBを介してお互いに接続されている。
尚、図2及び図3に示した構成は例示に過ぎず、具体的な構成は適宜調整可能である。例えば、図2及び図3に示す例では、複数のメモリダイMD上にコントローラダイCDが積層され、これらの構成がボンディングワイヤBによって接続されている。この様な構成では、複数のメモリダイMD及びコントローラダイCDが一つのパッケージ内に含まれる。しかしながら、コントローラダイCDは、メモリダイMDとは別のパッケージに含まれていても良い。また、複数のメモリダイMD及びコントローラダイCDは、ボンディングワイヤBではなく、貫通電極等を介してお互いに接続されていても良い。
[メモリダイMDの回路構成]
図4は、第1実施形態に係るメモリダイMDの構成を示す模式的なブロック図である。図5~図7は、メモリダイMDの一部の構成を示す模式的な回路図である。
尚、図4には、複数の制御端子等を図示している。これら複数の制御端子は、ハイアクティブ信号(正論理信号)に対応する制御端子として表される場合と、ローアクティブ信号(負論理信号)に対応する制御端子として表される場合と、ハイアクティブ信号及びローアクティブ信号の双方に対応する制御端子として表される場合と、がある。図4において、ローアクティブ信号に対応する制御端子の符号は、オーバーライン(上線)を含んでいる。本明細書において、ローアクティブ信号に対応する制御端子の符号は、スラッシュ(“/”)を含んでいる。尚、図4の記載は例示であり、具体的な態様は適宜調整可能である。例えば、一部又は全部のハイアクティブ信号をローアクティブ信号としたり、一部又は全部のローアクティブ信号をハイアクティブ信号としたりすることも可能である。
図4に示す様に、メモリダイMDは、データを記憶するメモリセルアレイMCAと、メモリセルアレイMCAに接続された周辺回路PCと、を備える。周辺回路PCは、電圧生成回路VGと、ロウデコーダRDと、センスアンプモジュールSAMと、シーケンサSQCと、を備える。また、周辺回路PCは、キャッシュメモリCMと、アドレスレジスタADRと、コマンドレジスタCMRと、ステータスレジスタSTRと、を備える。また、周辺回路PCは、入出力制御回路I/Oと、論理回路CTRと、を備える。
[メモリセルアレイMCAの回路構成]
メモリセルアレイMCAは、図5に示す様に、複数のメモリブロックBLKを備える。これら複数のメモリブロックBLKは、それぞれ、複数のストリングユニットSUを備える。これら複数のストリングユニットSUは、それぞれ、複数のメモリストリングMSを備える。これら複数のメモリストリングMSの一端は、それぞれ、ビット線BLを介して周辺回路PCに接続される。また、これら複数のメモリストリングMSの他端は、それぞれ、共通のソース線SLを介して周辺回路PCに接続される。
メモリストリングMSは、ビット線BL及びソース線SLの間に直列に接続されたドレイン側選択トランジスタSTD、複数のメモリセルMC(メモリトランジスタ)、ソース側選択トランジスタSTS、及び、ソース側選択トランジスタSTSbを備える。以下、ドレイン側選択トランジスタSTD、ソース側選択トランジスタSTS、及び、ソース側選択トランジスタSTSbを、単に選択トランジスタ(STD、STS、STSb)と呼ぶ事がある。
メモリセルMCは、チャネル領域として機能する半導体層、電荷蓄積膜を含むゲート絶縁膜、及び、ゲート電極を備える電界効果型のトランジスタである。メモリセルMCのしきい値電圧は、電荷蓄積膜中の電荷量に応じて変化する。メモリセルMCは、1ビット又は複数ビットのデータを記憶する。尚、1のメモリストリングMSに対応する複数のメモリセルMCには、それぞれ、ワード線WLが接続される。これらワード線WLは、それぞれ、1のメモリブロックBLK中の全てのメモリストリングMSに含まれるメモリセルMCのゲート電極として機能する。
選択トランジスタ(STD、STS、STSb)は、チャネル領域として機能する半導体層、ゲート絶縁膜及びゲート電極を備える電界効果型のトランジスタである。選択トランジスタ(STD、STS、STSb)のゲート電極には、それぞれ、選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)が接続される。ドレイン側選択ゲート線SGDは、ストリングユニットSUに対応して設けられ、1のストリングユニットSU中の全てのメモリストリングMSに含まれるドレイン側選択トランジスタSTDのゲート電極として機能する。ソース側選択ゲート線SGSは、複数のストリングユニットSU中の全てのメモリストリングMSに含まれるソース側選択トランジスタSTSのゲート電極として機能する。ソース側選択ゲート線SGSbは、複数のストリングユニットSU中の全てのメモリストリングMSに含まれるソース側選択トランジスタSTSbのゲート電極として機能する。
[電圧生成回路VGの回路構成]
電圧生成回路VG(図4)は、例えば図5に示す様に、複数の電圧供給線31に接続されている。電圧生成回路VGは、例えば、レギュレータ等の降圧回路及びチャージポンプ回路32等の昇圧回路を含む。これら降圧回路及び昇圧回路は、それぞれ、電源電圧VCC及び接地電圧VSS(図4)が供給される電圧供給線に接続されている。これらの電圧供給線は、例えば、図2、図3を参照して説明したパッド電極Pに接続されている。電圧生成回路VGは、例えば、シーケンサSQCからの制御信号に従って、メモリセルアレイMCAに対する読出動作、書込動作及び消去動作に際してビット線BL、ソース線SL、ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に印加される複数通りの動作電圧を生成し、複数の電圧供給線31に同時に出力する。電圧供給線31から出力される動作電圧は、シーケンサSQCからの制御信号に従って適宜調整される。
[ロウデコーダRDの回路構成]
ロウデコーダRD(図4)は、例えば図5に示す様に、アドレスデータDADDをデコードするアドレスデコーダ22と、アドレスデコーダ22の出力信号に応じてメモリセルアレイMCAに動作電圧を転送するブロック選択回路23及び電圧選択回路24と、を備える。
アドレスデコーダ22は、複数のブロック選択線BLKSEL及び複数の電圧選択線33を備える。アドレスデコーダ22は、例えば、シーケンサSQCからの制御信号に従って順次アドレスレジスタADR(図4)のロウアドレスRAを参照し、このロウアドレスRAをデコードして、ロウアドレスRAに対応する所定のブロック選択トランジスタ35及び電圧選択トランジスタ37をON状態とし、それ以外のブロック選択トランジスタ35及び電圧選択トランジスタ37をOFF状態とする。例えば、所定のブロック選択線BLKSEL及び電圧選択線33の電圧を“H”状態とし、それ以外の電圧を“L”状態とする。尚、Nチャネル型でなくPチャネル型のトランジスタを用いる場合には、これらの配線に逆の電圧を印加する。
尚、図示の例において、アドレスデコーダ22には、1つのメモリブロックBLKについて1つずつブロック選択線BLKSELが設けられている。しかしながら、この構成は適宜変更可能である。例えば、2以上のメモリブロックBLKについて1つずつブロック選択線BLKSELを備えていても良い。
ブロック選択回路23は、メモリブロックBLKに対応する複数のブロック選択部34を備える。これら複数のブロック選択部34は、それぞれ、ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に対応する複数のブロック選択トランジスタ35を備える。ブロック選択トランジスタ35は、例えば、電界効果型の耐圧トランジスタである。ブロック選択トランジスタ35のドレイン電極は、それぞれ、対応するワード線WL又は選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に電気的に接続される。ソース電極は、それぞれ、配線CG及び電圧選択回路24を介して電圧供給線31に電気的に接続される。ゲート電極は、対応するブロック選択線BLKSELに共通に接続される。
尚、ブロック選択回路23は、図示しない複数のトランジスタを更に備える。これら複数のトランジスタは、選択ゲート線(SGD,SGS、SGSb)及び接地電圧VSSが供給される電圧供給線の間に接続された電界効果型の耐圧トランジスタである。これら複数のトランジスタは、非選択のメモリブロックBLKに含まれる選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に接地電圧VSSを供給する。尚、非選択のメモリブロックBLKに含まれる複数のワード線WLは、フローティング状態となる。
電圧選択回路24は、ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に対応する複数の電圧選択部36を備える。これら複数の電圧選択部36は、それぞれ、複数の電圧選択トランジスタ37を備える。電圧選択トランジスタ37は、例えば、電界効果型の耐圧トランジスタである。電圧選択トランジスタ37のドレイン端子は、それぞれ、配線CG及びブロック選択回路23を介して、対応するワード線WL又は選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に電気的に接続される。ソース端子は、それぞれ、対応する電圧供給線31に電気的に接続される。ゲート電極は、それぞれ、対応する電圧選択線33に接続される。
尚、図示の例では、配線CGが一つの電圧選択トランジスタ37を介して電圧供給線31に接続される例を示した。しかしながら、この様な構成は例示に過ぎず、具体的な構成は適宜調整可能である。例えば、配線CGは、2以上の電圧選択トランジスタ37を介して電圧供給線31に接続されても良い。
[センスアンプモジュールSAMの回路構成]
センスアンプモジュールSAM(図4)は、例えば図6に示す様に、複数のビット線BLに対応する複数のセンスアンプユニットSAUを備える。センスアンプユニットSAUは、それぞれ、ビット線BLに接続されたセンスアンプSAと、センスアンプSAに接続された配線LBUSと、配線LBUSに接続されたラッチ回路SDL,DL0~DLn(nは自然数)と、配線LBUSに接続されたプリチャージ用の充電トランジスタ55(図7)と、を備える。センスアンプユニットSAU内の配線LBUSは、スイッチトランジスタDSWを介して配線DBUSに接続されている。
センスアンプSAは、図7に示す様に、ビット線BLに流れる電流に応じて配線LBUSの電荷を放電するセンストランジスタ41を備える。センストランジスタ41のソース電極は接地電圧VSSが供給される電圧供給線に接続される。ドレイン電極は、スイッチトランジスタ42を介して配線LBUSに接続される。ゲート電極は、センスノードSEN、放電トランジスタ43、ノードCOM、クランプトランジスタ44及び耐圧トランジスタ45を介してビット線BLに接続される。尚、センスノードSENは、キャパシタ48を介して内部制御信号線CLKSAに接続される。
また、センスアンプSAは、ラッチ回路SDLにラッチされたデータに応じて、ノードCOM及びセンスノードSENを、電圧VDDが供給される電圧供給線又は電圧VSRCが供給される電圧供給線と選択的に導通させる電圧転送回路を備える。この電圧転送回路は、ノードN1と、ノードN1及びセンスノードSENの間に接続された充電トランジスタ46と、ノードN1及びノードCOMの間に接続された充電トランジスタ49と、ノードN1及び電圧VDDが供給される電圧供給線の間に接続された充電トランジスタ47と、ノードN1及び電圧VSRCが供給される電圧供給線の間に接続された放電トランジスタ50と、を備える。尚、充電トランジスタ47及び放電トランジスタ50のゲート電極は、ラッチ回路SDLのノードINV_Sに共通に接続されている。
尚、センストランジスタ41、スイッチトランジスタ42、放電トランジスタ43、クランプトランジスタ44、充電トランジスタ46、充電トランジスタ49及び放電トランジスタ50は、例えば、エンハンスメント型のNMOSトランジスタである。耐圧トランジスタ45は、例えば、デプレッション型のNMOSトランジスタである。充電トランジスタ47は、例えば、PMOSトランジスタである。
また、スイッチトランジスタ42のゲート電極は、信号線STBに接続されている。放電トランジスタ43のゲート電極は、信号線XXLに接続されている。クランプトランジスタ44のゲート電極は、信号線BLCに接続されている。耐圧トランジスタ45のゲート電極は、信号線BLSに接続されている。充電トランジスタ46のゲート電極は、信号線HLLに接続されている。充電トランジスタ49のゲート電極は、信号線BLXに接続されている。これらの信号線STB,XXL,BLC,BLS,HLL,BLXは、シーケンサSQCに接続されている。
ラッチ回路SDLは、ノードLAT_S,INV_Sと、ノードLAT_Sに接続された出力端子及びノードINV_Sに接続された入力端子を備えるインバータ51と、ノードLAT_Sに接続された入力端子及びノードINV_Sに接続された出力端子を備えるインバータ52と、ノードLAT_S及び配線LBUSに接続されたスイッチトランジスタ53と、ノードINV_S及び配線LBUSに接続されたスイッチトランジスタ54と、を備える。スイッチトランジスタ53,54は、例えば、NMOSトランジスタである。スイッチトランジスタ53のゲート電極は、信号線STLを介してシーケンサSQCに接続されている。スイッチトランジスタ54のゲート電極は、信号線STIを介してシーケンサSQCに接続されている。
ラッチ回路DL0~DLnは、ラッチ回路SDLとほぼ同様に構成されている。ただし、上述の通り、ラッチ回路SDLのノードINV_SはセンスアンプSA中の充電トランジスタ47及び放電トランジスタ50のゲート電極と導通している。ラッチ回路DL0~DLnは、この点においてラッチ回路SDLと異なる。
スイッチトランジスタDSWは、例えば、NMOSトランジスタである。スイッチトランジスタDSWは、配線LBUS及び配線DBUSの間に接続されている。スイッチトランジスタDSWのゲート電極は、信号線DBS(図6)を介してシーケンサSQCに接続されている。
尚、図6に例示する様に、上述の信号線STB,HLL,XXL,BLX,BLC,BLSは、それぞれ、センスアンプモジュールSAMに含まれる全てのセンスアンプユニットSAUの間で共通に接続されている。また、上述の電圧VDDが供給される電圧供給線及び電圧VSRCが供給される電圧供給線は、それぞれ、センスアンプモジュールSAMに含まれる全てのセンスアンプユニットSAUの間で共通に接続されている。また、ラッチ回路SDLの信号線STI及び信号線STLは、それぞれ、センスアンプモジュールSAMに含まれる全てのセンスアンプユニットSAUの間で共通に接続されている。同様に、ラッチ回路DL0~DLn中の信号線STI及び信号線STLに対応する信号線TI0~TIn,TL0~TLnは、それぞれ、センスアンプモジュールSAMに含まれる全てのセンスアンプユニットSAUの間で共通に接続されている。一方、上述の信号線DBSは、それぞれ、センスアンプモジュールSAMに含まれる全てのセンスアンプユニットSAUに対応して複数設けられている。
[キャッシュメモリCMの回路構成]
キャッシュメモリCM(図4)は、配線DBUSを介してセンスアンプモジュールSAM内のラッチ回路DL0~DLnに接続された複数のラッチ回路を備える。これら複数のラッチ回路に含まれるデータDATは、順次センスアンプモジュールSAM又は入出力制御回路I/Oに転送される。
また、キャッシュメモリCMには、図示しないデコード回路及びスイッチ回路が接続されている。デコード回路は、アドレスレジスタADR(図4)に保持されたカラムアドレスCAをデコードする。スイッチ回路は、デコード回路の出力信号に応じて、カラムアドレスCAに対応するラッチ回路をバスDB(図4)と導通させる。
[シーケンサSQCの回路構成]
シーケンサSQC(図4)は、コマンドレジスタCMRに保持されたコマンドデータDCMDに従い、ロウデコーダRD、センスアンプモジュールSAM、及び、電圧生成回路VGに内部制御信号を出力する。また、シーケンサSQCは、適宜自身の状態を示すステータスデータDSTをステータスレジスタSTRに出力する。
また、シーケンサSQCは、レディ/ビジー信号を生成し、端子RY//BYに出力する。端子RY//BYが“L”状態の期間(ビジー期間)では、メモリダイMDへのアクセスが基本的には禁止される。また、端子RY//BYが“H”状態の期間(レディ期間)においては、メモリダイMDへのアクセスが許可される。尚、端子RY//BYは、例えば、図2、図3を参照して説明したパッド電極Pによって実現される。
[入出力制御回路I/Oの回路構成]
入出力制御回路I/Oは、データ信号入出力端子DQ0~DQ7と、クロック信号入出力端子DQS,/DQSと、データ信号入出力端子DQ0~DQ7に接続されたコンパレータ等の入力回路及びOCD(Off Chip Driver)回路等の出力回路と、を備える。また、入出力回路I/Oは、これら入力回路及び出力回路に接続されたシフトレジスタと、バッファ回路と、を備える。入力回路、出力回路、シフトレジスタ及びバッファ回路は、それぞれ、電源電圧VCCQ及び接地電圧VSSが供給される端子に接続されている。データ信号入出力端子DQ0~DQ7、クロック信号入出力端子DQS,/DQS及び電源電圧VCCQが供給される端子は、例えば、図2、図3を参照して説明したパッド電極Pによって実現される。データ信号入出力端子DQ0~DQ7を介して入力されたデータは、論理回路CTRからの内部制御信号に応じて、バッファ回路から、キャッシュメモリCM、アドレスレジスタADR又はコマンドレジスタCMRに出力される。また、データ信号入出力端子DQ0~DQ7を介して出力されるデータは、論理回路CTRからの内部制御信号に応じて、キャッシュメモリCM又はステータスレジスタSTRからバッファ回路に入力される。
[論理回路CTRの回路構成]
論理回路CTR(図4)は、外部制御端子/CEn,CLE,ALE,/WE,RE,/REを介してコントローラダイCDから外部制御信号を受信し、これに応じて入出力制御回路I/Oに内部制御信号を出力する。尚、外部制御端子/CEn,CLE,ALE,/WE,RE,/REは、例えば、図2、図3を参照して説明したパッド電極Pによって実現される。
[メモリダイMDの構造]
図8は、メモリダイMDの模式的な平面図である。図9は、メモリダイMDの一部の構成を示す模式的な斜視図である。図10は、図9のAで示した部分の模式的な拡大図である。
図8に示す様に、メモリダイMDは、半導体基板100を備える。図示の例において、半導体基板100にはX方向に並ぶ2つのメモリセルアレイ領域RMCAが設けられる。メモリセルアレイ領域RMCAには、Y方向に並ぶ複数のメモリブロックBLKが設けられている。Y方向において隣り合う2つのメモリブロックBLKの間には、ブロック間構造ST(図9)が設けられる。また、これら2つのメモリセルアレイ領域RMCAの外の領域には、周辺回路領域RPC(図8)が設けられている。
半導体基板100は、例えば、ホウ素(B)等のP型の不純物を含むP型のシリコン(Si)からなる半導体基板である。半導体基板100の表面には、例えば、リン(P)等のN型の不純物を含むN型ウェル領域と、ホウ素(B)等のP型の不純物を含むP型ウェル領域と、N型ウェル領域及びP型ウェル領域が設けられていない半導体基板領域と、絶縁領域と、が設けられている。N型ウェル領域、P型ウェル領域及び半導体基板領域は、それぞれ、周辺回路PCを構成する複数のトランジスタ、及び、複数のキャパシタ等の一部として機能する。
メモリブロックBLKは、例えば図9に示す様に、Z方向に並ぶ複数の導電層110と、Z方向に延伸する複数の半導体層120と、複数の導電層110及び複数の半導体層120の間にそれぞれ設けられた複数のゲート絶縁膜130と、を備える。
導電層110は、X方向に延伸する略板状の導電層である。導電層110は、窒化チタン(TiN)等のバリア導電膜及びタングステン(W)等の金属膜の積層膜等を含んでいても良い。また、導電層110は、例えば、リン(P)又はホウ素(B)等の不純物を含む多結晶シリコン等を含んでいても良い。Z方向に並ぶ複数の導電層110の間には、酸化シリコン(SiO)等の絶縁層101が設けられている。
導電層110の下方には、導電層111が設けられている。導電層111は、例えば、窒化チタン(TiN)等のバリア導電膜及びタングステン(W)等の金属膜の積層膜等を含んでいても良い。また、導電層111及び導電層110の間には、酸化シリコン(SiO)等の絶縁層101が設けられている。
導電層111は、ソース側選択ゲート線SGSb(図5)及びこれに接続された複数のソース側選択トランジスタSTSbのゲート電極として機能する。導電層111は、メモリブロックBLK毎に電気的に独立している。
また、複数の導電層110のうち、最下層に位置する一又は複数の導電層110は、ソース側選択ゲート線SGS(図5)及びこれに接続された複数のソース側選択トランジスタSTSのゲート電極として機能する。
また、これよりも上方に位置する複数の導電層110は、ワード線WL(図5)及びこれに接続された複数のメモリセルMC(図5)のゲート電極として機能する。これら複数の導電層110は、それぞれ、X方向において隣り合う複数の導電層110と電気的に接続されている。また、これら複数の導電層110は、それぞれ、メモリブロックBLK毎に電気的に独立している。
また、これよりも上方に位置する一又は複数の導電層110は、ドレイン側選択ゲート線SGD及びこれに接続された複数のドレイン側選択トランジスタSTD(図5)のゲート電極として機能する。例えば図9に示す様に、Y方向において隣り合う2つの導電層110の間には、ストリングユニット間絶縁層SHEが設けられている。これら複数の導電層110は、それぞれ、ストリングユニットSU毎に電気的に独立している。
尚、これら複数の導電層110のX方向の端部には、複数のコンタクトCCとの接続部が設けられている。これら複数のコンタクトCCはZ方向に延伸し、下端において導電層110と接続されている。コンタクトCCは、例えば、窒化チタン(TiN)等のバリア導電膜及びタングステン(W)等の金属膜の積層膜等を含んでいても良い。
半導体層120は、X方向及びY方向に所定のパターンで並ぶ。半導体層120は、1つのメモリストリングMS(図1)に含まれる複数のメモリセルMC及び選択トランジスタ(STD、STS、STSb)のチャネル領域として機能する。半導体層120は、例えば、多結晶シリコン(Si)等の半導体層である。半導体層120は、例えば、略有底円筒状の形状を有し、中心部分には酸化シリコン等の絶縁層125が設けられている。また、半導体層120の外周面は、それぞれ導電層110によって囲われており、導電層110と対向している。
半導体層120の上端部には、リン(P)等のN型の不純物を含む不純物領域121が設けられている。不純物領域121は、コンタクトCh及びコンタクトCbを介して、Y方向に延伸するビット線BLに接続される。
半導体層120の下端部は、単結晶シリコン(Si)等からなる半導体層122を介して、半導体基板100のP型ウェル領域に接続されている。半導体層122は、ソース側選択トランジスタSTSbのチャネル領域として機能する。半導体層122の外周面は、導電層111によって囲われており、導電層111と対向している。半導体層122と導電層111との間には、酸化シリコン等の絶縁層123が設けられている。
ゲート絶縁膜130は、半導体層120の外周面を覆う略円筒状の形状を有する。
ゲート絶縁膜130は、例えば図10に示す様に、半導体層120及び導電層110の間に積層されたトンネル絶縁膜131、電荷蓄積膜132及びブロック絶縁膜133を備える。トンネル絶縁膜131及びブロック絶縁膜133は、例えば、酸化シリコン(SiO)等の絶縁膜である。電荷蓄積膜132は、例えば、窒化シリコン(Si)等の電荷を蓄積可能な膜である。トンネル絶縁膜131、電荷蓄積膜132、及び、ブロック絶縁膜133は略円筒状の形状を有し、半導体層120の外周面に沿ってZ方向に延伸する。
尚、図10には、ゲート絶縁膜130が窒化シリコン等の電荷蓄積膜132を備える例を示した。しかしながら、ゲート絶縁膜130は、例えば、N型又はP型の不純物を含む多結晶シリコン等のフローティングゲートを備えていても良い。
ブロック間構造STは、例えば図9に示す様に、Z方向及びX方向に延伸する導電層140と、導電層140の側面に設けられた絶縁層141と、を備える。導電層140は、半導体基板100のP型ウェル領域に設けられたN型の不純物領域に接続されている。導電層140は、例えば、窒化チタン(TiN)等のバリア導電膜及びタングステン(W)等の金属膜の積層膜等を含んでいても良い。導電層140は、例えば、ソース線SL(図5)の一部として機能する。
[メモリセルMCのしきい値電圧]
次に、図11を参照して、メモリセルMCのしきい値電圧について説明する。
上述の通り、メモリセルアレイMCAは、複数のメモリセルMCを備える。これら複数のメモリセルMCに書込シーケンスが行われた場合、これらメモリセルMCのしきい値電圧は複数通りのステートに制御される。
図11は、4ビットのデータが記録されるメモリセルMCのしきい値電圧について説明するための模式的なヒストグラムである。横軸はワード線WLの電圧を示しており、縦軸はメモリセルMCの数を示している。
図11の例では、メモリセルMCのしきい値電圧が、16通りのステートに制御されている。例えば、S1ステートに制御されたメモリセルMCのしきい値電圧は、図11の読出電圧VCG1R及びベリファイ電圧VVFY1より大きく、読出電圧VCG2R及びベリファイ電圧VVFY2より小さい。また、全てのメモリセルMCのしきい値電圧は、図11の読出パス電圧VREADより小さい。
例えば、Erステートは、最も低いしきい値電圧(消去状態のメモリセルMCのしきい値電圧)に対応している。Erステートに対応するメモリセルMCには、例えば、データ“1111”が割り当てられても良い。
また、S1ステートは、上記Erステートに対応するしきい値電圧よりも高いしきい値電圧に対応している。S1ステートに対応するメモリセルMCには、例えば、データ“1011”が割り当てられても良い。
また、S2ステートは、上記S1ステートに対応するしきい値電圧よりも高いしきい値電圧に対応している。S2ステートに対応するメモリセルMCには、例えば、データ“0011”が割り当てられても良い。
以下同様に、図中のS3ステート~S15ステートは、S2ステート~S14ステートに対応するしきい値電圧よりも高いしきい値電圧に対応している。これらの分布に対応するメモリセルMCには、例えば、上述した“1111”,“1011”,“0011”以外の4ビットのデータが割り当てられても良い。
尚、メモリセルMCに記録するデータのビット数、ステートの数、各ステートに対するデータの割り当て等は、適宜変更可能である。
例えば、Erステート及びS1ステート~S7ステートの全ての4番目のビットに“1”が割り当てられており、S8ステート~S15ステートの全ての4番目のビットに“0”が割り当てられている場合には、4番目のビットのデータの読み出しに際して、ワード線WLに読出電圧VCG8Rを供給する。
また、例えば、Erステート及びS1ステート~S3ステートの全ての3番目のビットに“1”が割り当てられており、S4ステート~S11ステートの全ての3番目のビットに“0”が割り当てられており、S12ステート~S15ステートの全ての3番目のビットに“1”が割り当てられている場合には、3番目のビットのデータの読み出しに際して、ワード線WLに読出電圧VCG4R,VCG12Rを供給する。
[読出動作]
次に、図12及び図13を参照して、本実施形態に係る半導体記憶装置の読出動作について説明する。図12は、読出動作について説明するための模式的な波形図である。図13は、読出動作について説明するための模式的な断面図である。
尚、以下の説明では、動作の対象となっているワード線WLを選択ワード線WLと呼び、それ以外のワード線WLを非選択ワード線WLと呼ぶ場合がある。また、以下の説明では、動作の対象となっているストリングユニットSUに含まれる複数のメモリセルMCのうち、選択ワード線WLに接続されたもの(以下、「選択メモリセルMC」と呼ぶ場合がある。)に対して読出動作を実行する例について説明する。また、一つのストリングユニットSUに属し、且つ、同一のワード線WLに対応する全てのメモリセルMCを含む構成を、ページPGと呼ぶ場合がある。
読出動作の実行に際しては、コントローラダイCDからメモリダイMDに、読出動作を実行させる旨のコマンドセットを入力する。このコマンドセットは、読出動作を実行させる旨のコマンドデータDCMD、及び、読出動作の対象となるページPG、メモリブロックBLK、メモリダイMD等を指定するアドレスデータDADDを含む。
読出動作のタイミングt101においては、端子RY//BY(図4)が“L”状態となる。また、タイミングt101においては、例えば、ビット線BLの充電等を行う。例えば、図7のラッチ回路SDLに“H”をラッチさせ、信号線STB,XXL,BLC,BLS,HLL,BLXの状態を“L,L,H,H,H,H”とする。これにより、ビット線BL及びセンスノードSENに電圧VDDが供給され、これらの充電が開始される。また、例えば、ソース線SL(図5)に電圧VSRCを供給して、これらの充電を開始する。電圧VSRCは、例えば、接地電圧VSSと同程度の大きさを有する。電圧VSRCは、例えば、接地電圧VSSより大きく、電圧VDDより小さい。
読出動作のタイミングt102においては、例えば図12に示す様に、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに読出パス電圧VREADを供給して、全てのメモリセルMCをON状態とする。また、選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に電圧VSGを供給して、選択トランジスタ(STD、STS、STSb)をON状態とする。
読出動作のタイミングt103においては、選択ワード線WLに読出電圧VCGR(VCG1R~VCG15Rのいずれか)を供給する。これにより、例えば図13に示す様に、一部の選択メモリセルMCはON状態となり、残りの選択メモリセルMCはOFF状態となる。
読出動作のタイミングt104~タイミングt105においては、例えば図12に示す様に、センスアンプモジュールSAM(図6)によって、選択メモリセルMCのON状態/OFF状態を検出する。例えば、図7の充電トランジスタ55を介して配線LBUSを充電する。また、タイミングt104において信号線STB,XXL,BLC,BLS,HLL,BLXの状態を“L,H,H,H,L,H”とし、センスノードSENの電荷をビット線BLに放出する。ここで、ON状態のメモリセルMCに対応するビット線BLに接続されたセンスノードSENの電圧は比較的大きく減少する。一方、OFF状態のメモリセルMCに対応するビット線BLに接続されたセンスノードSENの電圧はあまり大きく減少しない。また、タイミングt105において信号線STB,XXL,BLC,BLS,HLL,BLXの状態を“H,L,H,H,L,H”とし、配線LBUSの電荷を放出又は維持する。また、信号線STLを“H”状態とし、選択メモリセルMCの状態を示すデータを、ラッチ回路DL0~DLnのいずれかにラッチさせる。
読出動作のタイミングt106~タイミングt108においては、選択ワード線WLに他の読出電圧VCGR(VCG1R~VCG15Rのいずれか)を供給し、センスアンプモジュールSAM(図6)によって、選択メモリセルMCのON状態/OFF状態を検出し、選択メモリセルMCの状態を示すデータを取得する。この際、タイミングt106において信号線XXLが“H”状態となり、タイミングt107において信号線XXLが“L”状態となる。
読出動作のタイミングt108においては、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに読出パス電圧VREADを供給して、全てのメモリセルMCをON状態とする。また、選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に電圧VSGを供給して、選択トランジスタ(STD、STS、STSb)をON状態とする。
読出動作のタイミングt109においては、選択ワード線WL、非選択ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に接地電圧VSSを供給する。
その後、ラッチ回路DL0~DLnにラッチされたデータにAND,OR等の論理演算等を適宜実行することにより、メモリセルMCに記録されていたデータを算出し、キャッシュメモリCM(図4)に転送する。
尚、図12の例では、読出動作において選択ワード線WLに2通りの読出電圧VCGRが供給される例を示した。しかしながら、読出動作において選択ワード線WLに供給される読出電圧VCGRの数は、1通りでも良いし、3通り以上でも良い。
[書込シーケンス]
次に、図14~図17を参照して、半導体記憶装置の書込シーケンスについて説明する。図14は、書込シーケンスについて説明するための模式的なフローチャートである。図15は、書込シーケンスについて説明するための模式的な波形図である。図16は、書込シーケンスに含まれるプログラム動作について説明するための模式的な断面図である。図17は、書込シーケンスに含まれるベリファイ動作について説明するための模式的な断面図である。
書込シーケンスの実行に際しては、コントローラダイCDからメモリダイMDに、書込シーケンスを実行させる旨のコマンドセットを入力する。このコマンドセットは、書込シーケンスを実行させる旨のコマンドデータDCMD、書込シーケンスの対象となるページPG、メモリブロックBLK、メモリダイMD等を指定するアドレスデータDADD、及び、ページPG内のメモリセルMCに書き込まれるデータDATを含む。これに伴い、タイミングt201において、端子RY//BYが“L”状態となる(図15)。
ステップS101(図14)では、ループ回数nを1に設定する。ループ回数nは、書込ループ(ステップS102及びステップS103を含む処理)の回数を示す変数である。ループ回数nは、レジスタ等に記録される。また、このステップでは、書込シーケンスにおいて選択メモリセルMCに記録される、ビット線BL数×4ビットのデータを、ラッチ回路DL0~DLnにラッチさせる。
ステップS102では、プログラム動作を行う。
プログラム動作のタイミングt211(図15)においては、例えば、複数の選択メモリセルMCのうちしきい値電圧の調整を行うもの(以下、「書込メモリセルMC」と呼ぶ場合がある。)に接続されたビット線BLに電圧VSRCを供給し、複数の選択メモリセルMCのうちしきい値電圧の調整を行わないもの(以下、「禁止メモリセルMC」と呼ぶ場合がある。)に接続されたビット線BLに電圧VDDを供給する。例えば、ビット線BLに対応するラッチ回路SDL(図7)に“L”をラッチさせ、ビット線BLに対応するラッチ回路SDL(図7)に“H”をラッチさせる。また、信号線STB,XXL,BLC,BLS,HLL,BLXの状態を“L,L,H,H,L,H”とする。
プログラム動作のタイミングt212(図15)においては、書込メモリセルMCを、選択的にビット線BLと導通させる。例えば、ドレイン側選択ゲート線SGDに電圧VSGDを供給する。電圧VSGDは、例えば、図12の電圧VSGより小さい。これにより、電圧VSRCが供給されたビット線BLに対応するドレイン側選択トランジスタSTDはON状態となり、電圧VDDが供給されたビット線BLに対応するドレイン側選択トランジスタSTDはOFF状態となる。
また、プログラム動作のタイミングt212においては、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに書込パス電圧VPASSを供給して、全てのメモリセルMCをON状態とする。書込パス電圧VPASSは、例えば、図12の読出パス電圧VREADより大きい。
プログラム動作のタイミングt213においては、複数の書込メモリセルMCのうち、しきい値電圧がある程度目標値に近づいたもの(以下、「弱書込メモリセルMC」と呼ぶ場合がある。)に接続されたビット線BLQPWに、電圧VQPWを供給する。例えば、タイミングt213よりも前に、予め図7のクランプトランジスタ44のゲート電圧を調整しておく。この際、ビット線BLには放電トランジスタ50を介して電圧VSRCが供給されているため、ビット線BLの電圧は変動しない。また、ビット線BLはクランプトランジスタ44によってセンスアンプSA(図7)から切り離される。次に、タイミングt213において、ビット線BLQPWに対応するラッチ回路SDL(図7)にラッチされたデータを、“L”から“H”に切り替える。これにより、弱書込メモリセルMCに対応するセンスアンプSAのノードCOM(図7)の電圧が、電圧VSRCから電圧VDDに切り替わる。また、これに対応するビット線BLの電圧は、クランプトランジスタ44によってクランプされ、電圧VSRCから電圧VQPWに切り替わる。
プログラム動作のタイミングt214においては、選択ワード線WLにプログラム電圧VPGMを供給する。プログラム電圧VPGMは、書込パス電圧VPASSよりも大きい。
ここで、例えば図16に示す様に、ビット線BLに接続された半導体層120のチャネルには、電圧VSRCが供給されている。この様な半導体層120と選択ワード線WLとの間には、比較的大きい電界が発生する。これにより、半導体層120のチャネル中の電子がトンネル絶縁膜131(図10)を介して電荷蓄積膜132(図10)中にトンネルする。これにより、書込メモリセルMCのしきい値電圧は比較的大きく増大する。
また、ビット線BLQPWに接続された半導体層120のチャネルには、電圧VQPWが供給されている。この様な半導体層120と選択ワード線WLとの間には、上記電界よりも小さい電界が発生する。これにより、半導体層120のチャネル中の電子がトンネル絶縁膜131(図10)を介して電荷蓄積膜132(図10)中にトンネルする。これにより、弱書込メモリセルMCのしきい値電圧は比較的小さく増大する。
また、ビット線BLに接続された半導体層120のチャネルは、電気的にフローティング状態となっており、このチャネルの電位は非選択ワード線WLとの容量結合によって書込パス電圧VPASS程度まで上昇している。この様な半導体層120と選択ワード線WLとの間には、上記したいずれの電界よりも小さい電界しか発生しない。従って、半導体層120のチャネル中の電子が電荷蓄積膜132(図10)中にトンネルしない。従って、禁止メモリセルMCのしきい値電圧は増大しない。
プログラム動作のタイミングt215においては、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに書込パス電圧VPASSを供給して、全てのメモリセルMCをON状態とする。
プログラム動作のタイミングt216においては、選択ワード線WL、非選択ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に接地電圧VSSを供給する。
ステップS103(図14)では、ベリファイ動作を行う。
ベリファイ動作のタイミングt221においては、例えば図15に示す様に、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに読出パス電圧VREADを供給して、全てのメモリセルMCをON状態とする。また、選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に電圧VSGを供給して、選択トランジスタ(STD、STS、STSb)をON状態とする。
ベリファイ動作のタイミングt222においては、選択ワード線WLに、所定のベリファイ電圧(図15の例では、ベリファイ電圧VVFY1)を供給する。これにより、例えば図17に示す様に、一部の選択メモリセルMCはON状態となり、残りの選択メモリセルMCはOFF状態となる。
また、タイミングt222においては、例えば、ビット線BLの充電等を行う。この際、例えば、ラッチ回路DL0~DLn内のデータに基づき、特定のステート(図15の例では、S1ステート)に対応するメモリセルMCに接続されたビット線BL(図15の例では、ビット線BLS1)に電圧VBL+VSLを供給し、その他のビット線BLには電圧VSRCを供給する。
ベリファイ動作のタイミングt223~タイミングt224においては、例えば図15に示す様に、センスアンプモジュールSAM(図6)によって、ビット線BLS1に接続されたメモリセルMCのON状態/OFF状態を検出し、このメモリセルMCの状態を示すデータを取得する。この際、ラッチ回路DL0~DLnに、メモリセルMCのON状態/OFF状態を示すデータ等をラッチさせても良い。
ベリファイ動作のタイミングt225~タイミングt226においては、例えば図15に示す様に、センスアンプモジュールSAM(図6)によって、ビット線BLS1に接続されたメモリセルMCのON状態/OFF状態を検出し、このメモリセルMCの状態を示すデータを取得する。この際、ラッチ回路DL0~DLnに、メモリセルMCのON状態/OFF状態を示すデータ等をラッチさせても良い。
尚、タイミングt223~タイミングt224の間の時間t1は、タイミングt225~タイミングt226の間の時間t2よりも短い。従って、タイミングt223~タイミングt224においてセンスノードSEN(図7)から放出される電荷は、タイミングt225~タイミングt226においてセンスノードSEN(図7)から放出される電荷よりも少ない。
例えば、タイミングt225~タイミングt226の間に検出されたデータにおいてOFF状態と判定されたメモリセルMCは、しきい値電圧が目標値に達している可能性が高い。この様なメモリセルMCの少なくとも一部は、次回以降の書込ループにおいて、禁止メモリセルMCとされる。
また、例えば、タイミングt225~タイミングt226の間に検出されたデータにおいてON状態と判定され、且つ、タイミングt223~タイミングt224の間に検出されたデータにおいてOFF状態と判定されたメモリセルMCは、しきい値電圧がある程度目標値に近づいている可能性が高い。この様なメモリセルMCの少なくとも一部は、次回の書込ループにおいて、弱書込メモリセルMCとされる。
また、例えば、タイミングt223~タイミングt224の間に検出されたデータにおいてON状態と判定されたメモリセルMCは、しきい値電圧がある程度目標値から離れている可能性が高い。この様なメモリセルMCの少なくとも一部は、次回の書込ループにおいて、書込メモリセルMCとされる。
ベリファイ動作のタイミングt227~タイミングt231においては、他のステートのメモリセルMC(図15の例では、S2ステート)について、タイミングt222~タイミングt226と同様の処理を行う。尚、図15においては、S2ステートに対応するメモリセルMCに接続されたビット線BLを、ビット線BLS2と記載している。
ベリファイ動作のタイミングt232~タイミングt236においては、他のステートのメモリセルMC(図15の例では、S3ステート)について、タイミングt222~タイミングt226と同様の処理を行う。尚、図15においては、S3ステートに対応するメモリセルMCに接続されたビット線BLを、ビット線BLS3と記載している。
タイミングt237においては、選択ワード線WL及び非選択ワード線WLに読出パス電圧VREADを供給して、全てのメモリセルMCをON状態とする。また、選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に電圧VSGを供給して、選択トランジスタ(STD、STS、STSb)をON状態とする。
ベリファイ動作のタイミングt238においては、選択ワード線WL、非選択ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS、SGSb)に接地電圧VSSを供給する。
その後、ラッチ回路SDLにラッチされたデータを図示しないカウンタ回路に転送して、しきい値電圧が目標値に到達したメモリセルMCの数、又は、しきい値電圧が目標値に到達していないメモリセルMCの数を計数する。
尚、図15の例では、ベリファイ動作において選択ワード線WLに3通りのベリファイ電圧VVFYが供給される例を示した。しかしながら、ベリファイ動作において選択ワード線WLに供給されるベリファイ電圧VVFYの数は、2通り以下でも良いし、4通り以上でも良いし、ループ回数nに応じて変化しても良い。
ステップS104(図14)では、ベリファイ動作の結果を判定する。例えば、上記カウンタ回路を参照して、しきい値電圧が目標値に到達していないメモリセルMCの数が一定数以上であった場合等にはベリファイFAILと判定し、ステップS105に進む。一方、しきい値電圧が目標値に到達していないメモリセルMCの数が一定数以下であった場合等にはベリファイPASSと判定し、ステップS107に進む。
ステップS105では、ループ回数nが所定の回数Nに達したか否かを判定する。達していなかった場合にはステップS106に進む。達していた場合にはステップS108に進む。
ステップS106では、ループ回数nに1を加算して、ステップS102に進む。また、ステップS106では、例えば、プログラム電圧VPGMに所定の電圧ΔVを加算する。従って、プログラム電圧VPGMは、ループ回数nの増大と共に増大する。
ステップS107では、ステータスレジスタSTR(図4)に、書込シーケンスが正常に終了した旨のステータスデータDSTを格納し、書込シーケンスを終了する。尚、ステータスデータDSTは、ステータスリード動作によってコントローラダイCD(図1)に出力される。
ステップS108では、ステータスレジスタSTR(図2)に、書込シーケンスが正常に終了しなかった旨のステータスデータDSTを格納し、書込シーケンスを終了する。
[しきい値電圧の判定方法]
次に、図18及び図19を参照して、書込シーケンスにおけるしきい値電圧の判定方法等について説明する。図18は、同方法を例示する図である。図19は、同方法について説明するための模式的な波形図である。
図18のα-1~α-3、β-1~β-3、及び、γは、それぞれ、S1ステートに対応するメモリセルMCのうちの一つである。また、図19のビット線BLα-1~ビット線BLα-3は、それぞれ、α-1~α-3に接続されたビット線BLである。また、図19のビット線BLγは、γに接続されたビット線BLである。
k(kは自然数)回目の書込ループ(Loop k)のプログラム動作では、図18に示す様に、α-1~α-3、β-1~β-3、及び、γが、全て書込メモリセルMCとされる。従って、図19の例では、このプログラム動作に対応するタイミングt310~t311において、ビット線BLα-1~ビット線BLα-3及びビット線BLγに電圧VSRCが供給されている。
k回目の書込ループ(Loop k)のベリファイ動作では、例えば図19に例示する様に、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY1が供給されるタイミングt312~t313において、α-1~α-3、β-1~β-3、及び、γに対応するビット線BLに電圧VBL+VSLが供給される。また、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY2及びベリファイ電圧VVFY3が供給されるタイミングt313~t315において、これらのビット線BLには、電圧VSRCが供給される。尚、図18に示す様に、k回目の書込ループのタイミングt223~t224(図15)に対応する処理(VL)では、α-1~α-3、及び、β-1~β-3がOFF状態と判定され、γがON状態と判定されている。また、タイミングt225~t226(図15)に対応する処理(VH)では、α-1~α-3がOFF状態と判定され、β-1~β-3、及び、γがON状態と判定されている。
k+1回目の書込ループ(Loop k+1)のプログラム動作では、図18に示す様に、α-1~α-3、及び、β-1~β-3が一時的に禁止メモリセルMCとされ、γが書込メモリセルMCとされる。従って、図19の例では、このプログラム動作に対応するタイミングt320~t321において、ビット線BLα-1~ビット線BLα-3に電圧VDDが供給され、ビット線BLγに電圧VSRCが供給されている。
k+1回目の書込ループ(Loop k+1)のベリファイ動作では、例えば図19に例示する様に、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY1が供給されるタイミングt322~t323において、α-1~α-3、β-1~β-3、及び、γに対応するビット線BLに電圧VBL+VSLが供給される。また、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY2~ベリファイ電圧VVFY4が供給されるタイミングt323~t326において、これらのビット線BLには、電圧VSRCが供給される。尚、図18に示す様に、k+1回目の書込ループのタイミングt223~t224(図15)に対応する処理(VL)では、α-1、α-2、β-1及びβ-2がOFF状態と判定され、α-3、β-3及びγがON状態と判定されている。また、タイミングt225~t226(図15)に対応する処理(VH)では、α-1及びβ-1がOFF状態と判定され、α-2、α-3、β-2、β-3及びγがON状態と判定されている。
k+2回目の書込ループ(Loop k+2)のプログラム動作では、図18に示す様に、α-1が禁止メモリセルMCとされ、α-2、β-1及びβ-2が弱書込メモリセルMCとされ、α-3及びβ-3が一時的に禁止メモリセルMCとされ、γが書込メモリセルMCとされる。従って、図19の例では、このプログラム動作に対応するタイミングt330~t331において、ビット線BLα-1及びビット線BLα-3に電圧VDDが供給され、ビット線BLα-2に電圧VQPWが供給され、ビット線BLγに電圧VSRCが供給されている。
k+2回目の書込ループ(Loop k+2)のベリファイ動作では、例えば図19に例示する様に、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY1が供給されるタイミングt332~t333において、α-1~α-3、β-1~β-3に対応するビット線BLに電圧VSRCが供給され、γに対応するビット線BLに電圧VBL+VSLが供給される。また、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY2~ベリファイ電圧VVFY5が供給されるタイミングt333~t337において、これらのビット線BLには、電圧VSRCが供給される。尚、k+2回目の書込ループのタイミングt223~t224(図15)に対応する処理(VL)では、γがON状態と判定されている。また、タイミングt225~t226(図15)に対応する処理(VH)では、γがON状態と判定されている。
k+3回目の書込ループ(Loop k+3)のプログラム動作では、図18に示す様に、α-1、α-2、β-1及びβ-2が禁止メモリセルMCとされ、α-3及びβ-3が弱書込メモリセルMCとされ、γが書込メモリセルMCとされる。従って、図19の例では、このプログラム動作に対応するタイミングt340~t341において、ビット線BLα-1及びビット線BLα-2に電圧VDDが供給され、ビット線BLα-3に電圧VQPWが供給され、ビット線BLγに電圧VSRCが供給されている。
k+3回目の書込ループ(Loop k+3)のベリファイ動作では、例えば図19に例示する様に、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY1が供給されるタイミングt342~t343において、α-1~α-3、β-1~β-3に対応するビット線BLに電圧VSRCが供給され、γに対応するビット線BLに電圧VBL+VSLが供給される。また、選択ワード線WLにベリファイ電圧VVFY2~ベリファイ電圧VVFY6が供給されるタイミングt343~t348において、これらのビット線BLには、電圧VSRCが供給される。尚、k+3回目の書込ループのタイミングt223~t224(図15)に対応する処理(VL)では、γがON状態と判定されている。また、タイミングt225~t226(図15)に対応する処理(VH)では、γがON状態と判定されている。
ここで、α-1は、k回目の書込ループのベリファイ動作のタイミングt223~t224に対応する処理(図18のVL)及びタイミングt225~t226に対応する処理(図18のVH)の双方においてOFF状態と判定されている。また、α-1は、k+1回目の書込ループのベリファイ動作のタイミングt223~t224に対応する処理(図18のVL)及びタイミングt225~t226に対応する処理(図18のVH)の双方においてOFF状態と判定されている。この様なメモリセルMCは、しきい値電圧が実際に目標値に達している可能性が高い。従って、本実施形態では、書込シーケンスにおけるこれ以降の処理において、α-1を禁止メモリセルMCとしている。
また、α-2は、k回目の書込ループのベリファイ動作のタイミングt223~t224に対応する処理(図18のVL)及びタイミングt225~t226に対応する処理(図18のVH)の双方においてOFF状態と判定されている。また、α-2は、k+1回目の書込ループのベリファイ動作のタイミングt223~t224に対応する処理(図18のVL)においてはOFF状態と判定されているものの、タイミングt225~t226に対応する処理(図18のVH)ではON状態と判定されている。この様なメモリセルMCは、しきい値電圧がある程度目標値に近づいている可能性が高い。しかしながら、しきい値電圧が実際には目標値に達していない可能性もある。従って、本実施形態では、k+2回目の書込ループのプログラム動作においてα-2を弱書込メモリセルMCとし、それ以降の処理において、α-2を禁止メモリセルMCとしている。
また、α-3は、k回目の書込ループのベリファイ動作のタイミングt223~t224に対応する処理(図18のVL)及びタイミングt225~t226に対応する処理(図18のVH)の双方においてOFF状態と判定されている。しかしながら、α-3は、k+1回目の書込ループのベリファイ動作のタイミングt223~t224に対応する処理(図18のVL)及びタイミングt225~t226に対応する処理(図18のVH)ではON状態と判定されている。この様なメモリセルMCは、例えば、γと比較して、しきい値電圧が目標値に近い可能性がある。しかしながら、しきい値電圧が実際には目標値に達していない可能性が高い。従って、本実施形態では、k+2回目のプログラム動作においてα-3を一時的に禁止メモリセルMCとし、k+3回目の書込ループのプログラム動作においてα-3を弱書込メモリセルMCとし、それ以降の処理において、α-3を禁止メモリセルMCとしている。図19に示す様に、k+3回目の書込ループにおけるプログラム電圧VPGMは、k+2回目の書込ループにおけるプログラム電圧VPGMよりも大きい。従って、α-3の電荷蓄積膜132には、α-2の電荷蓄積膜132よりも多くの電荷が蓄積される。
また、本実施形態においては、β-1及びβ-2に対して、α-2と同様の処理を行っている。また、本実施形態においては、β-3に対して、α-3と同様の処理を行っている。
[リードディスターブ]
図11の例では、メモリセルMCのしきい値電圧を16通りのステートに制御することにより、1つのメモリセルMCに4ビットのデータを記録している。この様な態様においては、メモリセルMCのしきい値電圧を正確に制御することが好ましい。
ここで、上述のベリファイ動作(図14のステップS103)においては、メモリセルMCの実際のしきい値電圧よりも高いしきい値電圧が検出されてしまったり、メモリセルMCの実際のしきい値電圧よりも低いしきい値電圧が検出されてしまったりする場合がある。以下、この様な現象を、「リードディスターブ」と呼ぶ場合がある。
リードディスターブが発生すると、例えば、しきい値電圧が目標値に到達していないメモリセルMCについて、しきい値電圧が目標値に到達した旨の判定が行われてしまう場合がある。この様なメモリセルMCのしきい値電圧は、図11に例示した様な所望のしきい値分布の幅に収まらない場合がある。この様なメモリセルMCの数が増大してしまうと、図11に例示した様なしきい値分布の幅が広がってしまい、ビット誤り率が増大してしまう場合がある。
[複数回のベリファイ動作によるビット誤り率の改善]
ビット誤り率を改善するためには、例えば、上述のベリファイ動作(図14のステップS103)を複数回実行することが考えられる。しかしながら、例えば、1回の書込ループにおけるベリファイ動作の実行回数を増大させた場合、書込シーケンスに要する時間が大幅に増大してしまう恐れがある。
書込シーケンスに要する時間を増大させることなく、ベリファイ動作を複数回実行するためには、例えば、複数の書込ループにわたってベリファイ動作を実行することが考えられる。例えば、k回目の書込ループに対応するベリファイ動作においてあるメモリセルMCのしきい値電圧が目標値に達したと判定された場合、k+1回目の書込ループに対応するプログラム動作においてこのメモリセルMCを一時的に禁止メモリセルMCとし、k+1回目の書込ループに対応するベリファイ動作においてこのメモリセルMCに再度ベリファイ動作を実行することが考えられる。また、k+1回目の書込ループに対応するベリファイ動作においてこのメモリセルMCのしきい値電圧が目標値に達していないと判定された場合、k+2回目の書込ループに対応するプログラム動作においてこのメモリセルMCを書込メモリセルMCとすることが考えられる。
しかしながら、上述の通り、プログラム電圧VPGMは、ループ回数nの増大と共に増大する。従って、上述の様な場合、k+2回目の書込ループに対応するプログラム動作において、上記メモリセルMCに適切な大きさを超えたプログラム電圧VPGMが供給されてしまい、このメモリセルMCのしきい値電圧が所望の範囲を超えて増大してしまう恐れがある。この様なメモリセルMCの数が増大してしまうと、図11に例示した様なしきい値分布の幅が広がってしまい、ビット誤り率が増大してしまう場合がある。
この様な現象を抑制するためには、例えば、上記k+2回目の書込ループに対応するプログラム動作において上述の様なメモリセルMCを書込メモリセルMCではなく弱書込メモリセルMCとすることが考えられる。また、プログラム動作においてビット線BLQPWに供給される電圧VQPWを比較的大きい電圧とすることが考えられる。また、ある書込ループにおいてこの弱書込メモリセルMCのしきい値電圧が目標値に達したと判定された場合に、これ以降の書込ループにおいてこのメモリセルMCを禁止メモリセルMCとすることが考えられる。この様な方法によれば、上記k+2回目の書込ループに対応するプログラム動作において上述の様なメモリセルMCの電荷蓄積膜132にトンネルする電子の数が大幅に減少する。従って、しきい値電圧が所望の範囲を超えて増大してしまうことを抑制可能である。
しかしながら、この様な方法では、しきい値電圧がある程度目標値に近づいたメモリセルMCについて、ベリファイ動作が複数回実行されることとなる。この様な状態でリードディスターブが発生した場合、この様なメモリセルMCについて、しきい値電圧が目標値に到達した旨の判定が行われてしまう可能性が高い。
[第1実施形態の効果]
第1実施形態に係る書込シーケンスでは、ベリファイ動作が複数回実行されるため、ベリファイ動作が1回しか実行されない場合と比較して、リードディスターブの影響を抑制可能である。
また、本実施形態に係る書込シーケンスでは、複数回のベリファイ動作が複数の書込ループにわたって実行されるため、上述の様な、書込シーケンスに要する時間の大幅な増大が生じない。
また、本実施形態に係る書込シーケンスでは、複数回のベリファイ動作の結果に応じてメモリセルMCをいくつかの種類に分類し、これらの分類に応じて適切なタイミングで書込を実行することにより、書込の強さを調整している。この様な方法によれば、リードディスターブの影響を好適に抑制して、しきい値電圧がある程度目標値に近づいたメモリセルMCの電荷蓄積膜132に、適切な量の電荷を蓄積させることが可能である。
[第2実施形態]
次に、図20~図22を参照して、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。図20は、第2実施形態に係る書込シーケンスについて説明するための模式的な波形図である。
第2実施形態に係る書込シーケンスは、基本的には第1実施形態と同様に実行される。
ただし、図20に示す様に、第2実施形態においては、信号線XXLに相当する信号(図7の放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号)が、2通りのパターン(XXL_A,XXL_B)で制御されている。例えば、本実施形態においては、この様な信号が、ラッチ回路DL0~DLnのいずれかにラッチされたデータに応じて、2通りに制御可能に構成されている。例えば、第2実施形態に係るセンスアンプSAは、放電トランジスタ43のゲート電極とシーケンサSQCとの間に接続されたMOSトランジスタ等のスイッチ回路と、放電トランジスタ43のゲート電極とラッチ回路DL0~DLnとの間に接続されたMOSトランジスタ等のスイッチ回路と、を備えていても良い。
XXL_Aのパターンでは、放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、第1実施形態に係る信号線XXLと同様に制御されている。即ち、ベリファイ動作のタイミングt223~タイミングt224、タイミングt228~タイミングt229、及び、タイミングt233~タイミングt234にかけて、時間t1の間“H”状態となっている。また、ベリファイ動作のタイミングt225~タイミングt226、タイミングt230~タイミングt231、及び、タイミングt235~タイミングt236にかけて、時間t2の間“H”状態となっている。
また、XXL_Bのパターンでは、放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、基本的には第1実施形態に係る信号線XXLと同様に制御されている。また、XXL_Bのパターンでも、放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、第1実施形態に係る信号線XXLと同様に、ベリファイ動作のタイミングt223、タイミングt228、及び、タイミングt233において“H”状態となっている。ただし、XXL_Bのパターンでは、放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が“H”状態となってから“L”状態となるまでの時間t1´が、時間t1よりも短い。また、XXL_Bのパターンでも、放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、第1実施形態に係る信号線XXLと同様に、ベリファイ動作のタイミングt225、タイミングt230、及び、タイミングt235において“H”状態となっている。ただし、XXL_Bのパターンでは、放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が“H”状態となってから“L”状態となるまでの時間t2´が、時間t2よりも短い。
本実施形態では、書込シーケンスの実行開始のタイミングにおいて、全ての書込メモリセルMCに対応する放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、XXL_Bのパターンで制御される。いずれかの書込ループに対応するベリファイ動作の、タイミングt223、タイミングt228、及び、タイミングt233に対応する処理において、いずれかのメモリセルMCがOFF状態と判定された場合、これらのメモリセルMCに対応するラッチ回路DL0~DLnにおいて、データが反転する。また、この次の書込ループにおいて、これらのメモリセルMCに対応する放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号は、XXL_Aのパターンで制御される。
次に、図21及び図22を参照して、第2実施形態に係る書込シーケンスにおけるしきい値電圧の判定方法等について説明する。図21は、同方法を例示する図である。図22は、同方法について説明するための模式的な波形図である。
図示の様に、第2実施形態に係るしきい値電圧の判定方法は、基本的には第1実施形態と同様に実行される。
ただし、第2実施形態に係るk+1回目の書込ループ(Loop k+1)のプログラム動作では、図21に示す様に、α-1~α-3、及び、β-1~β-3が禁止メモリセルMCではなく弱書込メモリセルMCとされている。従って、図22の例では、このプログラム動作に対応するタイミングt320~t321において、ビット線BLα-1~ビット線BLα-3に電圧VQPWが供給されている。
[ドレイン側選択トランジスタSTDのしきい値電圧のばらつき]
第1実施形態においては、ビット線BLQPWに供給される電圧VQPWを比較的大きい電圧とすることが好ましい。これにより、プログラム動作において選択ワード線WLに供給されるプログラム電圧VPGMがある程度大きい電圧になっていた場合でも、ビット線BLQPWに接続された半導体層120と選択ワード線WLとの間に供給される電圧が小さくなり、メモリセルMCのしきい値電圧の増加量が抑制される。これにより、例えば図18のk+2回目の書込ループにおいて、メモリセルMCのしきい値電圧が所望の範囲を超えて増大することを抑制可能である。
しかしながら、電圧VQPWを比較的大きい電圧とする場合、ドレイン側選択トランジスタSTDのしきい値電圧のばらつきを、より厳密に制御する必要が生じる場合がある。
即ち、上述の通り、プログラム動作のタイミングt212(図15)においては、ビット線BLに電圧VSRCが供給され、ビット線BLに電圧VDDが供給された状態で、ドレイン側選択ゲート線SGDに電圧VSGDを供給している。これにより、電圧VSRCが供給されたビット線BLに対応するドレイン側選択トランジスタSTDをON状態とし、電圧VDDが供給されたビット線BLに対応するドレイン側選択トランジスタSTDをOFF状態とする。
この様な状態を実現するためには、メモリセルアレイMCAに含まれる複数のドレイン側選択トランジスタSTDについて、電圧VSGDからドレイン側選択トランジスタSTDのしきい値電圧を減算した大きさを、電圧VSRCと電圧VDDとの間の範囲に調整する必要がある。
更に、プログラム動作のタイミングt213においては、ビット線BLQPWに電圧VQPWを供給し、これに接続された半導体層120にも電圧VQPWを供給している。
この様な状態を実現するためには、メモリセルアレイMCAに含まれる複数のドレイン側選択トランジスタSTDについて、電圧VSGDからドレイン側選択トランジスタSTDのしきい値電圧を減算した大きさを、電圧VQPWと電圧VDDとの間の範囲に調整する必要がある。従って、上記電圧VQPWが大きければ大きい程、ドレイン側選択トランジスタSTDのしきい値電圧のばらつきを、より厳密に制御する必要が生じてしまう。
[第2実施形態の効果]
第2実施形態に係る書込シーケンスでは、図22を参照して説明した様に、書込シーケンスの実行開始のタイミングにおいて、全ての書込メモリセルMCに対応する放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、XXL_Bのパターンで制御される。ここで、XXL_Bのパターンに対応する時間t1´は、XXL_Aのパターンに対応する時間t1よりも短い。従って、XXL_Bのパターンで制御されるメモリセルMCは、ベリファイ動作において、OFF状態と判定されやすい。即ち、XXL_Bのパターンで制御されるメモリセルMCの、ベリファイ動作によって観察されるしきい値電圧は、見かけ上、実際のしきい値電圧よりも大きく見える。
また、第2実施形態に係る書込シーケンスでは、いずれかの書込ループに対応するベリファイ動作の、タイミングt223、タイミングt228、及び、タイミングt233に対応する処理において、いずれかのメモリセルMCがOFF状態と判定された場合、図21を参照して説明した様に、その次の書込ループ(図21のLoop k+1に対応する書込ループ)においてこれらのメモリセルMCが弱書込メモリセルMCとされ、これらのメモリセルMCに対する書込が実行される。これにより、これらのメモリセルMCのしきい値電圧が上昇する。
また、第2実施形態に係る書込シーケンスでは、図21のLoop k+1に対応する書込ループにおいて、上記メモリセルMCに対応する放電トランジスタ43のゲート電極に入力される信号が、XXL_Aのパターンで制御される。ここで、XXL_Aのパターンで制御されるメモリセルMCの、ベリファイ動作によって観察されるしきい値電圧は、実際のしきい値と同等である。従って、この書込ループでは、ベリファイ動作によって観察されるしきい値電圧が、見かけ上、小さくなった様に見える。これにより、この直前のブログラム動作におけるしきい値電圧の増加分が相殺される。従って、図21のLoop k+1に対応するベリファイ動作では、見かけ上、これらのメモリセルMCのしきい値電圧が変化していない様に見える。
この様な方法によれば、第1実施形態よりも少ない書込ループ数で、しきい値電圧がある程度目標値に近づいたメモリセルMCを検知することが出来る。従って、プログラム電圧VPGMが必要以上に大きくなる前に、各メモリセルMCを弱書込メモリセルMCとすることが可能である。従って、第1実施形態と比較して、ビット線BLQPWに供給される電圧VQPWを小さくすることが出来る。
[第3実施形態]
次に、図23~図25を参照して、第3実施形態に係る半導体記憶装置について説明する。
第3実施形態に係る半導体記憶装置は、基本的には第1実施形態又は第2実施形態に係る半導体記憶装置と同様に構成されている。ただし、第3実施形態に係る半導体記憶装置では、フォギーファイン書込を実行する。フォギーファイン書込では、フォギー書込及びファイン書込を実行する。
図23に示す様に、フォギー書込及びファイン書込は、次の様な順序で実行される。即ち、まず、ページPG0に対して、フォギー書込が実行される。次に、ページPG1に対してフォギー書込が実行され、ページPG0に対してファイン書込が実行される。次に、ページPG2に対してフォギー書込が実行され、ページPG1に対してファイン書込が実行される。以下同様に、2n(nは自然数)番目の書込シーケンスとしてページPGnに対するフォギー書込が実行され、2n+1番目の書込シーケンスとしてページPGn-1に対するファイン書込が実行される。
図24に示す様に、フォギー書込は、消去状態のページPGに対して実行される。フォギー書込では、図24に示す様に、1回の書込シーケンスによって、ページPG内のメモリセルMCのしきい値電圧を、FogS1ステート~FogS15ステートに対応するしきい値電圧まで制御する。
フォギー書込は、基本的には、第1実施形態又は第2実施形態に係る書込シーケンスと同様に実行される。
ただし、フォギー書込において使用されるベリファイ電圧VVFY1´~ベリファイ電圧VVFY15´は、図11を参照して説明したベリファイ電圧VVFY1~ベリファイ電圧VVFY15よりも小さい。
また、フォギー書込においては、図14のステップS106においてプログラム電圧VPGMに加算される電圧ΔVが、ファイン書込における電圧ΔVより大きくても良い。
また、例えば図15の例では、ベリファイ動作において、各ステートに対応するメモリセルMCのON状態/OFF状態が2回ずつ検出されていた。一方、フォギー書込においては、各ステートに対応するメモリセルMCのON状態/OFF状態が2回ずつ検出されても良いし、1回のみ検出されても良い。後者の場合、プログラム動作においてビット線BLに供給される電圧は、電圧VDD又は電圧VSRCの2通りであっても良い。
図25に示す様に、ファイン書込は、ページPGn及びページPGn+1に対して既にフォギー書込が実行されている場合に、ページPGnに対して実行される。ファイン書込では、図25に示す様に、ページPGn内のFogS1ステート~FogS15ステートのメモリセルMCを、それぞれ、S1ステート~S15ステートまで制御する。
ファイン書込は、第1実施形態又は第2実施形態に係る書込シーケンスと同様に実行される。
尚、第3実施形態に係る半導体記憶装置においては、データの書込に際してフォギーファイン書込を採用する。しかしながら、フォギーファイン書込以外の書込方法であっても、選択メモリセルMC及び隣接メモリセルMCのしきい値電圧を予めある程度調整し、その後で選択メモリセルMCのしきい値電圧を調整する様な方法を採用することも可能である。
例えば、図26及び図27には、第3実施形態において例示した方法を、フォギーファイン書込ではなく2ステージ書込に適用した例を示している。2ステージ書込では、1stステージ書込及び2ndステージ書込を実行する。
1stステージ書込及び2ndステージ書込は、例えば、図23に例示したフォギー書込及びファイン書込の順序と同様の順序で実行される。例えば、2n番目の書込シーケンスとしてページPGnに対する1stステージ書込が実行され、2n+1番目の書込シーケンスとしてページPGn-1に対する2ndステージ書込が実行される。
図26に示す様に、1stステージ書込は、消去状態のページPGに対して実行される。1stステージ書込では、図26に示す様に、1回の書込シーケンスによって、ページPG内のメモリセルMCS8~メモリセルMCS15を、Mステートに対応するしきい値電圧まで制御する。
1stステージ書込は、基本的には、上述のフォギー書込と同様の方法によって実行される。ただし、1stステージ書込においては、各書込ループにおいて1通りのベリファイ電圧のみが使用される。このベリファイ電圧は、例えば、S8ステートに対応するベリファイ電圧VVFY8よりも小さい。
2ndステージ書込は、例えば図27に示す様に、上述のファイン書込と同様に実行される。
[その他の実施形態]
以上、第1実施形態~第3実施形態に係る半導体記憶装置について説明した。しかしながら、この様な構成は例示に過ぎず、具体的な構成、方法等は適宜調整可能である。
例えば、図18及び図21の例では、k回目の書込ループのベリファイ動作においてOFF状態と判定されたメモリセルMCが、k+2回目以降の書込ループにおいて禁止メモリセルMCとされ、又は、k+2回目若しくはk+3回目の書込ループにおいて弱書込メモリセルMCとされていた。しかしながら、この様な方法はあくまでも例示に過ぎず、具体的な方法等は適宜調整可能である。例えば、これらのメモリセルMCは、k+2回目又はk+3回目でなく、k+4回目以降の書込ループのいずれかにおいて弱書込メモリセルMCとされても良い。また、これらのメモリセルMCは、2以上の書込ループにおいて弱書込メモリセルとされても良い。
また、例えば、図18及び図21の例では、k回目の書込ループのベリファイ動作においてOFF状態と判定されたメモリセルMCについて、k+1回目の書込ループのベリファイ動作がさらに実行され、これら2回分のベリファイ動作の結果に応じて、メモリセルMCを複数の種類に分類していた。しかしながら、この様な方法はあくまでも例示に過ぎず、具体的な方法等は適宜調整可能である。例えば、k回目の書込ループのベリファイ動作においてOFF状態と判定されたメモリセルMCについて、k+1回目以降の2以上の書込ループのベリファイ動作を実行し、これら3回分以上のベリファイ動作の結果に応じて、メモリセルMCを複数の種類に分類しても良い。
また、第1実施形態~第3実施形態に係る半導体記憶装置においては、半導体層120の下端が半導体基板100に接続されていた。また、半導体基板100の上面に、周辺回路PCに含まれる全てのトランジスタが形成されていた。しかしながら、この様な構成はあくまでも例示に過ぎない。以上において説明した様な書込シーケンス等の方法は、他の構造を有する半導体記憶装置に対しても適用可能である。以下、この様な半導体記憶装置の構造について例示する。
例えば、図28に示す半導体記憶装置は、半導体基板100と、半導体基板100の上方に設けられたトランジスタ層LTRと、トランジスタ層LTRの上方に設けられたメモリセルアレイ層LMCAと、を備える。
トランジスタ層LTRは、複数のトランジスタTrを備える。これら複数のトランジスタTrは、半導体基板100の上面をチャネル領域とする電界効果型のトランジスタである。図示の構成においては、これら複数のトランジスタTrによって周辺回路PCが構成される。
メモリセルアレイ層LMCAは、基本的には図9等を参照して説明した半導体基板100上の構成と同様に構成されている。ただし、メモリセルアレイ層LMCAは、複数の導電層110の下方に設けられた導電層112を備える。また、半導体層120の下端が、半導体基板100ではなく導電層112に接続されている。
また、例えば、図29に例示するメモリダイMD´は、チップCMCAと、チップCTRと、を備えている。これらチップCMCA及びチップCTRは、銅(Cu)等を含む複数の貼合電極Pを備え、これら複数の貼合電極Pを介して電気的、物理的に接続されている。
チップCMCAは、例えば図30に示す様に、図9を参照して説明した半導体基板100上の構成を含んでいても良いし、図28のメモリセルアレイ層LMCA中の構成を含んでいても良い。また、チップCMCAは、トランジスタTrを含んでいなくても良いし、含んでいても良い。チップCMCAがトランジスタTrを含まない場合、チップCMCAは、半導体基板100を含んでいても良いし、含んでいなくても良い。また、チップCMCAがトランジスタTrを含む場合、チップCMCAは、図31に示す様に、図28を参照して説明した様なトランジスタ層LTR及びメモリセルアレイ層LMCAを含んでいても良い。
チップCTRは、半導体基板200と、複数のトランジスタTr´と、を備える。半導体基板200は、例えば、半導体基板100とほぼ同様に構成されていても良い。複数のトランジスタTr´は、半導体基板200の上面をチャネル領域とする電界効果型のトランジスタである。図30及び図31の例では、チップCMCA及びチップCTRに含まれる複数のトランジスタTr,Tr´によって周辺回路PCが構成される。
尚、図31に示す様な構造を採用する場合には、例えば、図4等を参照して説明したロウデコーダRD及び電圧生成回路VG中の構成を、チップCMCA中のトランジスタTrによって実現しても良い。また、例えば、図4等を参照して説明したセンスアンプモジュールSAM、シーケンサSQC、キャッシュメモリCM、アドレスレジスタADR、コマンドレジスタCMR、ステータスレジスタSTR、入出力制御回路I/O、及び、論理回路CTRを、チップCTR中のトランジスタTr´によって実現しても良い。
[その他]
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。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共に、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。
MC…メモリセル、MCA…メモリセルアレイ、BL…ビット線、WL…ワード線。

Claims (12)

  1. 第1メモリセルを含む第1メモリストリングと、
    第2メモリセルを含む第2メモリストリングと、
    前記第1メモリストリングに接続された第1ビット線と、
    前記第2メモリストリングに接続された第2ビット線と、
    前記第1メモリセル及び前記第2メモリセルに接続された第1ワード線と、
    前記第1ビット線、前記第2ビット線及び前記第1ワード線に電気的に接続された制御回路と
    を備え、
    前記制御回路は、前記第1メモリセル及び前記第2メモリセルに対する第1書込シーケンスの、
    第1プログラム動作において、前記第1ビット線及び前記第2ビット線に第1ビット線電圧を供給し、
    前記第1プログラム動作よりも後に実行される第2プログラム動作において、前記第1ビット線及び前記第2ビット線に、前記第1ビット線電圧よりも大きい第2ビット線電圧、又は、前記第2ビット線電圧よりも大きい第3ビット線電圧を供給し、
    前記第2プログラム動作よりも後に実行される第3プログラム動作において、前記第1ビット線に前記第2ビット線電圧を供給し、前記第2ビット線に前記第3ビット線電圧を供給し、
    前記第3プログラム動作よりも後に実行される第4プログラム動作において、前記第1ビット線に前記第3ビット線電圧を供給し、前記第2ビット線に前記第2ビット線電圧を供給する
    半導体記憶装置。
  2. 第3メモリセルを含む第3メモリストリングと、
    前記第3メモリストリングに接続された第3ビット線と
    を備え、
    前記第1ワード線は、前記第3メモリセルに接続され、
    前記制御回路は、前記第3ビット線に電気的に接続され、
    前記制御回路は、
    前記第1プログラム動作において、前記第3ビット線に前記第1ビット線電圧を供給し、
    前記第2プログラム動作において、前記第3ビット線に前記第2ビット線電圧又は前記第3ビット線電圧を供給し、
    前記第3プログラム動作において、前記第3ビット線に前記第3ビット線電圧を供給し、
    前記第4プログラム動作において、前記第3ビット線に前記第3ビット線電圧を供給する
    請求項1記載の半導体記憶装置。
  3. 前記第1ワード線に電気的に接続された第1配線を備え、
    前記制御回路は、
    前記第1プログラム動作において、前記第1配線に第1プログラム電圧を供給し、
    前記第2プログラム動作において、前記第1配線に、前記第1プログラム電圧よりも大きい第2プログラム電圧を供給し、
    前記第3プログラム動作において、前記第1配線に、前記第2プログラム電圧よりも大きい第3プログラム電圧を供給し、
    前記第4プログラム動作において、前記第1配線に、前記第3プログラム電圧よりも大きい第4プログラム電圧を供給する
    請求項1又は2記載の半導体記憶装置。
  4. 前記制御回路は、
    前記第1プログラム動作よりも後、前記第2プログラム動作よりも前に実行される第1ベリファイ動作において、前記第1ビット線及び前記第2ビット線に、前記第2ビット線電圧よりも大きい第4ビット線電圧を供給し、前記第1配線に前記第1プログラム電圧よりも小さいベリファイ電圧を供給し、
    前記第2プログラム動作よりも後、前記第3プログラム動作よりも前に実行される第2ベリファイ動作において、前記第1ビット線及び前記第2ビット線に前記第4ビット線電圧を供給し、前記第1配線に前記ベリファイ電圧を供給し、
    前記第3プログラム動作よりも後、前記第4プログラム動作よりも前に実行される第3ベリファイ動作において、前記第1ビット線及び前記第2ビット線に前記第1ビット線電圧を供給し、前記第1配線に前記ベリファイ電圧を供給する
    請求項3記載の半導体記憶装置。
  5. 第3メモリセルを含む第3メモリストリングと、
    前記第3メモリストリングに接続された第3ビット線と
    を備え、
    前記第1ワード線は、前記第3メモリセルに接続され、
    前記制御回路は、前記第3ビット線に電気的に接続され、
    前記制御回路は、
    前記第1ベリファイ動作において、前記第3ビット線に前記第4ビット線電圧を供給し、
    前記第2ベリファイ動作において、前記第3ビット線に前記第4ビット線電圧を供給し、
    前記第3ベリファイ動作において、前記第3ビット線に前記第1ビット線電圧を供給する
    請求項4記載の半導体記憶装置。
  6. 第1メモリセルを含む第1メモリストリングと、
    第2メモリセルを含む第2メモリストリングと、
    前記第1メモリストリングに接続された第1ビット線と、
    前記第2メモリストリングに接続された第2ビット線と、
    前記第1メモリセル及び前記第2メモリセルに接続された第1ワード線と、
    前記第1ビット線及び前記第2ビット線に電気的に接続された第1電圧供給線と、
    前記第1ビット線及び前記第2ビット線に電気的に接続された第2電圧供給線と、
    第1信号の入力に応じて前記第1ビット線を前記第1電圧供給線と導通させ、第2信号の入力に応じて前記第1ビット線を前記第2電圧供給線と導通させる第1電圧転送回路と、
    第3信号の入力に応じて前記第2ビット線を前記第1電圧供給線と導通させ、第4信号の入力に応じて前記第2ビット線を前記第2電圧供給線と導通させる第2電圧転送回路と、
    前記第1電圧供給線、前記第2電圧供給線、前記第1電圧転送回路、前記第2電圧転送回路、及び、前記第1ワード線に電気的に接続された制御回路と
    を備え、
    前記制御回路は、前記第1メモリセル及び前記第2メモリセルに対する第1書込シーケンスの、
    第1プログラム動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第1信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第3信号を供給し、
    前記第1プログラム動作よりも後に実行される第2プログラム動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第2信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第4信号を供給し、
    前記第2プログラム動作よりも後に実行される第3プログラム動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第1信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第4信号を供給した状態で、
    前記第1電圧転送回路に供給する信号を前記第1信号から前記第2信号に切り替え、
    前記第3プログラム動作よりも後に実行される第4プログラム動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第2信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第3信号を供給した状態で、
    前記第2電圧転送回路に供給する信号を前記第3信号から前記第4信号に切り替える
    半導体記憶装置。
  7. 前記制御回路は、
    前記第2プログラム動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第1信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第3信号を供給した状態で、
    前記第1電圧転送回路に供給する信号を前記第1信号から前記第2信号に切り替え、
    前記第2電圧転送回路に供給する信号を前記第3信号から前記第4信号に切り替える
    請求項6記載の半導体記憶装置。
  8. 第3メモリセルを含む第3メモリストリングと、
    前記第3メモリストリングに接続された第3ビット線と、
    第5信号の入力に応じて前記第3ビット線を前記第1電圧供給線と導通させ、第6信号の入力に応じて前記第3ビット線を前記第2電圧供給線と導通させる第3電圧転送回路を備え
    を備え、
    前記第1ワード線は、前記第3メモリセルに電気的に接続され、
    前記制御回路は、
    前記第1プログラム動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第5信号を供給し、
    前記第2プログラム動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第6信号を供給し、
    前記第3プログラム動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第6信号を供給し、
    前記第4プログラム動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第6信号を供給する
    請求項6又は7記載の半導体記憶装置。
  9. 前記第1ワード線に電気的に接続された第1配線を備え、
    前記制御回路は、
    前記第1プログラム動作において、前記第1配線に第1プログラム電圧を供給し、
    前記第2プログラム動作において、前記第1配線に、前記第1プログラム電圧よりも大きい第2プログラム電圧を供給し、
    前記第3プログラム動作において、前記第1配線に、前記第2プログラム電圧よりも大きい第3プログラム電圧を供給し、
    前記第4プログラム動作において、前記第1配線に、前記第3プログラム電圧よりも大きい第4プログラム電圧を供給する
    請求項6~8のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
  10. 前記制御回路は、
    前記第1プログラム動作よりも後、前記第2プログラム動作よりも前に実行される第1ベリファイ動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第2信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第4信号を供給し、
    前記第1配線に前記第1プログラム電圧よりも小さいベリファイ電圧を供給し、
    前記第2プログラム動作よりも後、前記第3プログラム動作よりも前に実行される第2ベリファイ動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第2信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第4信号を供給し、
    前記第1配線に前記ベリファイ電圧を供給し、
    前記第3プログラム動作よりも後、前記第4プログラム動作よりも前に実行される第3ベリファイ動作において、
    前記第1電圧転送回路に前記第1信号を供給し、
    前記第2電圧転送回路に前記第3信号を供給し、
    前記第1配線に前記ベリファイ電圧を供給する
    請求項9記載の半導体記憶装置。
  11. 第3メモリセルを含む第3メモリストリングと、
    前記第3メモリストリングに接続された第3ビット線と、
    第5信号の入力に応じて前記第3ビット線を前記第1電圧供給線と導通させ、第6信号の入力に応じて前記第3ビット線を前記第2電圧供給線と導通させる第3電圧転送回路を備え
    を備え、
    前記第1ワード線は、前記第3メモリセルに電気的に接続され、
    前記制御回路は、
    前記第1ベリファイ動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第6信号を供給し、
    前記第2ベリファイ動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第6信号を供給し、
    前記第3ベリファイ動作において、
    前記第3電圧転送回路に前記第5信号を供給する
    請求項10記載の半導体記憶装置。
  12. 前記第1ビット線に接続された第1ゲート電極を備える第1トランジスタと、
    前記第2ビット線に接続された第2ゲート電極を備える第2トランジスタと、
    前記第1トランジスタに電気的に接続された第1ラッチ回路と、
    前記第2トランジスタに電気的に接続された第2ラッチ回路と
    を備え、
    前記第1ベリファイ動作又は前記第2ベリファイ動作において、前記第1ラッチ回路にラッチされたデータ及び前記第2ラッチ回路にラッチされたデータの一方のみが切り替わる
    請求項10又は11記載の半導体記憶装置。
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