JP2568792B2 - 電気的消去可能でプログラム可能な読出し専用メモリの消去方法 - Google Patents

電気的消去可能でプログラム可能な読出し専用メモリの消去方法

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JP2568792B2
JP2568792B2 JP21695092A JP21695092A JP2568792B2 JP 2568792 B2 JP2568792 B2 JP 2568792B2 JP 21695092 A JP21695092 A JP 21695092A JP 21695092 A JP21695092 A JP 21695092A JP 2568792 B2 JP2568792 B2 JP 2568792B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的消去可能でプラ
グラム可能な読出し専用メモリ(EEPROM)、特に
NAND論理型の一括消去型電気的消去可能でプログラ
ム可能な読出し専用メモリ(Flash−EEPRO
M)に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、不揮発性メモリデバイスの一つ
であるEEPROMは、メモリデバイスの高集積化に伴
って、NAND論理の構造を用いる傾向にある。このよ
うなNAND型構造は、それぞれが1つのビットを発生
するストリングを備えてなっている。1単位のストリン
グはストリング選択トランジスタと接地接続トランジス
タとの間に直列接続されたセルトランジスタ(8又は1
6個)を有している。
【0003】このセルトランジスタは制御ゲート及びフ
ローティングゲートを有しており、情報の記憶は、フロ
ーティングゲートに電子を注入するか、そこから電子を
放出することによりセルトランジスタのしきい電圧を変
化させて行われる。
【0004】このような従来のNAND型のEEPRO
Mとして、IEEE Journals ofSolid - State Circu
it の89年8月号1238〜1243頁及び90年4
月号417〜424頁に開示の技術がある。この論文に
開示のNAND型EEPROMの1単位のストリングの
等価回路を図11に示す。
【0005】同図に示すように、ストリングはビットラ
インBLと接地電圧Vss端の間に設けられ、直列接続
された8個のセルトランジスタCT1〜CT8を備えて
おり、また、ストリングを選択するストリング選択トラ
ンジスタSTと、プログラム(書込み)時にセル電流が
流れることを防止し、読出し時にセル電流を接地電圧V
ss端に流す接地接続トランジスタGTとが設けられて
いる。そして、ストリング選択トランジスタSTのゲー
トにはストリング選択ラインSSLが接続され、またセ
ルトランジスタCT1〜CT8のゲートにはワードライ
ンWL1〜WL8が接続されており、そして接地接続ト
ランジスタGTのゲートには接地選択ラインGSLが接
続されている。
【0006】図12の動作別ゲート電圧一覧表を参照し
て図11の回路の動作を説明する。この種のメモリには
動作状態として、プログラム、読出し、消去の3種があ
るので、順を追って説明する。
【0007】まず、消去動作においては、ビットライン
BLに0V、接地選択ラインGSLに5V、ワードライ
ンWL1〜WL8には消去電圧Verとして13Vが印
加される。これにより、トンネル現象によるF−N電流
(Fowler-Nordhim 電流)で、セルトランジスタの基板
から電子がストリング内の全てのフローティングゲート
に注入されて、すべてのセルの情報は消去される。この
とき、セルトランジスタのしきい電圧は2〜3Vにな
る。
【0008】次に、6番目のセルトランジスタCT6を
選択してプログラム(書込み)する場合を説明する。選
択されるセルトランジスタCT6より図中上方のストリ
ング選択ラインSSLと5番目までのワードラインWL
1〜WL5には20Vのプログラム電圧Vprが印加さ
れ、一方、選択されるセルトランジスタCT6のワード
ラインWL6とそれより図中下方のワードラインWL
7、WL8、及び接地選択ラインGSLには0Vが印加
される。これにより、選択されたセルトランジスタCT
6においてフローティングゲートからドレインに高電界
が形成され、フローティングゲートにあった電子がドレ
インに抜出される。このときのセルトランジスタCT6
のしきい電圧は−4〜−3V程度になる。
【0009】そして、選択されたセルトランジスタCT
6の情報を読出す場合を説明すると、選択されたセルト
ランジスタCT6のワードラインWL6にのみ0Vを印
加し、一方、残りのワードラインWL1〜WL5、WL
7、WL8とストリング選択ラインSSL及び接地選択
ラインGSLに5Vを印加し、そしてビットラインBL
に通電する。この結果、選択されたセルトランジスタC
T6のソースとドレインとの間の電圧差(しきい電圧)
がビットラインBL上に現われる。この電圧が2〜3V
であればデータ“1”として読出され(フローティング
ゲートに電子が存在する)、−4〜−3Vであればデー
タ“0”として読出される(フローティングゲートに電
子が存在しない)。
【0010】図13に、消去されたセル(曲線12)と
プログラムされたセル(曲線11)の電流−電圧特性を
示す。消去されたセルのしきい電圧Vtherは2〜3
Vの範囲に、プログラムされたセルのしきい電圧Vth
prは−4〜−3Vの範囲に設定されていることが分か
る。
【0011】上記のようにして消去されたセルのしきい
電圧の分布の詳細を図14に示した。消去後には2〜3
Vの範囲にしきい電圧が設定されなければならないにも
かかわらず、2V以下又は3V以上のしきい電圧を有す
るセル21、22、23が存在する。これは、高集積に
よるセルの不均一性のために誘発されたものである。す
なわち、消去動作は単位ストリング内にあるすべてのセ
ルに対して同時に行なわれるので、セルが不均一である
と、消去不足(under-erased;しきい電圧2V以下)の
セルと過剰消去(over-erased;しきい電圧3V以上)の
セルを生じてしまう。そこで、これらを適正なしきい電
圧に調整するため消去時間を増すことが考えられるが、
しかしこの場合、過剰消去されたセルはさらに高いしき
い電圧となってしまう。このような状態、例えば、図1
1において3番目のセルトランジスタCT3が過剰消去
されてしきい電圧が5V以上となってしまった状態を仮
定してみると、読出し時にセルトランジスタCT3では
ゲート電圧がしきい電圧より低くなり、したがってター
ンオンできず選択されたセルトランジスタCT6の状態
を読出すことができない結果となる。また、過剰消去さ
れたセルをプログラムしようとしても、希望するデータ
が記憶されないことになる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の目
的は、セルの不均一性にかかわらすしきい電圧を略一定
とできるようにすることにある。また、消去されたセル
のしきい電圧を最適の状態とすることができるようなデ
バイスを提供することも目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明では、ビットラインから接地電圧端の間
にチャネルが直列に接続され、そして各ワードラインに
制御ゲートがそれぞれ接続された複数のフローティング
ゲート形セルトランジスタを有するメモリストリング
と、ビットラインとメモリストリングとの間に接続され
たストリング選択トランジスタと、メモリストリングと
接地電圧端との間に接続された接地接続トランジスタ
と、高電圧をビットラインへ供給する高電圧供給手段
と、この高電圧供給手段とビットラインとの間にチャネ
ルが接続されたビットライン選択トランジスタと、を備
えたEEPROMの消去方法について、ビットライン選
択トランジスタをオフ、またストリング選択トランジス
タ及び接地接続トランジスタをオンにしておいて、各セ
ルトランジスタの制御ゲートに消去電圧を印加すること
でセルトランジスタのフローティングゲートに電子を注
入し、セルトランジスタを一括消去する第1消去過程
と、この第1消去動作で過剰消去されたセルトランジス
タの制御ゲートに最適しきい電圧対応電圧を印加し、そ
して、この過剰消去されたセルトランジスタとストリン
グ選択トランジスタとの間に位置したセルトランジスタ
の制御ゲート、ビットライン選択トランジスタのゲー
ト、及びストリング選択トランジスタのゲートにゲーテ
ィング用高電圧を印加してオンとし、更に、前記過剰消
去されたセルトランジスタよりも接地側に位置した各ト
ランジスタをオンとして、高電圧供給手段による高電圧
を前記過剰消去されたセルトランジスタへ伝え該セルト
ランジスタのフローティングゲートにある過剰電子を放
出させて最適しきい電圧を設定する第2消去過程と、を
行うことを特徴とする。
【0014】
【作用】このような2段階の消去を用い、フローティン
グゲート上の電子をF−N電流により移動させることで
セルトランジスタのしきい電圧を調整できる。すなわ
ち、まず第1消去では、セルトランジスタのソースを低
電位、ゲートを高電位にして、フローティングゲートに
基板側から電子を吸い寄せて正常消去あるいは過剰消去
をする。次いで第2消去では、ソースを低電位、ゲート
を消去しきい電圧に対応する中間電位に設定し、ドレイ
ンには高電位を定電流源から供給して、過剰消去回復の
ためドレイン側に電子を吸い出し、定電流源より供給さ
れる電流によって中和する。
【0015】特にNAND型構造に適用する場合は、直
列に接続されたセルトランジスタを低電位側から高電位
側に、順次1個づつ回復させる。このとき、未処理の高
電位側セルトランジスタには十分高いゲート電位を与え
て導通状態にし、処理済みの低電位側セルトランジスタ
には読出し時と同じ低い導通ゲート電位を与えておくよ
うになっている。
【0016】より具体的に説明すると、第1消去動作で
は、高電位のゲートと低電位のソースによって形成され
る電界により中間位置に配置されたフローティングゲー
トに基板側から電子が注入される。これは Fowlor-Nord
heim型トンネル効果(すなわちF−N電流)によって生
じる。これをNAND型構造に適用すると、直列に接続
されたセルトランジスタの全部が導通状態のため、全部
同時に消去動作が実行される。このとき、一部のセルト
ランジスタではフローティングゲートに過剰量の電子が
蓄積されてしきい電圧が過大になってしまう場合があ
る。この現象を過剰消去と呼んでいる。
【0017】第2消去動作において、あるセルトランジ
スタが過剰消去状態であると仮定すると、該セルトラン
ジスタは、そのゲート電位が上記のように消去しきい電
圧に対応する中間電位に設定されると非導通状態とな
り、このときドレインには定電流電源の電源電圧である
高電位が印加される。したがって、トンネル効果により
フローティングゲート上の過剰電子がドレイン側に吸い
出されて過剰消去が回復・正常化し、その結果、導通状
態になる。このようにして正常化すると(又は初めから
正常であると)、ドレイン−ソース間の抵抗が低下する
のでドレイン電圧は降下する。この結果、電子の吸い出
しは停止し、そのときゲート電位に対応したしきい電圧
が自動的に得られる。
【0018】以上のようにする結果、しきい電圧のバラ
ツキを軽減できるから、微細加工を利用した大容量メモ
リの実用化に好適である。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付の図面を参照し
て詳細に説明する。図1に本発明の実施例によるNAN
D型EEPROMの1単位のメモリストリングの等価回
路を示す。尚、図11に示す従来例と同様の部分には同
じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【0020】図示のように、ストリング選択トランジス
タST、接地接続トランジスタGT、及び8個のセルト
ランジスタCT1〜CT8の構成は図11のそれと同様
のものであるが、これに加えて、高電圧Vpb端とビッ
トラインBLとの間に高電圧供給手段100とビットラ
イン選択トランジスタ200とが直列に接続されてい
る。
【0021】ただし、同図では高電圧供給手段100と
して独立電流源を使用しているが、図3に示すような電
流−電圧特性を有するものであれば、どの様なものでも
よい。尚、図3中のIpbは電源に適用される高電圧の
電流を示し、VBLはビットラインの電圧を示す。
【0022】図2には本実施例の回路の消去動作時に使
用される印加電圧の状態を示す。同図より、消去動作は
第1消去動作(全体消去)と第2消去動作(消去調整)
とに分かれていることがわかる。すなわち、第1消去動
作は図11に示した従来例と同様にメモリストリング単
位でセルを消去する過程であり、第2消去動作は前述の
ように過剰消去されたセルトランジスタのしきい電圧を
適切なレベル(2〜3V)に調整するための過程であ
る。
【0023】図8はセルトランジスタの動作を示す説明
図であり、図中のトンネル部絶縁膜は厚さ100Åの酸
化膜である。
【0024】図2及び図8Aを参照すると分かるよう
に、第1消去動作においてはビットラインBL及びビッ
トライン選択トランジスタ200のゲート(SBG)に
は0Vが供給される。したがってビットライン選択トラ
ンジスタ200はターンオフしているので、高電圧供給
手段100の出力である高電圧VpbはビットラインB
Lに影響を与えない。ストリング選択トランジスタST
及び接地接続トランジスタGTのゲートには5Vが印加
され、結果としてソース電位は約0Vになっている。そ
してすべてのセルトランジスタCT1〜CT8のゲート
には13Vの消去電圧Verが印加される。その結果、
基板側よりフローティングゲートに電子が注入される。
【0025】このようにして第1消去動作が完了された
後の、各セルの電流−電圧特性及びしきい電圧の分布が
図4及び図5にそれぞれ示されている。ただし、図中の
IDSはドレインとソースとの間の電流、VGはゲート
電圧、Vtはセルのしきい電圧を示す。図示のように、
消去されたセルのしきい電圧は適正なしきい電圧Vth
ecより高くなっていることがわかる。これはすなわ
ち、過剰消去された状態にあるものである。尚、図4及
び図5においては説明のためにストリングにあるすべて
のセルが過剰消去された場合を表しているが、一部のセ
ルのみを過剰消去することも勿論可能である。
【0026】第2消去動作は、第1消去動作によって過
剰消去されたセルのしきい電圧を適正なしきい電圧Vt
hec、例えば2V〜3Vに最適化する動作である。こ
れは8番目のセルトランジスタCT8から1番目のセル
トランジスタCT1まで順次行われる。
【0027】まず、セルトランジスタCT8のしきい電
圧を最適しきい電圧Vthecに調整するために、ビッ
トライン選択トランジスタ200のゲートにゲーティン
グ用高電圧Vppbを印加し、1番目から7番目までの
セルトランジスタCT1〜CT7のゲートにもVpp
b、例えば消去電圧Verと同値の13Vを印加する。
勿論、ストリング選択トランジスタSTのゲートにもV
ppbが印加される。この結果、高電圧供給手段100
による高電圧VpbがセルトランジスタCT8のドレイ
ンに印加される。このとき、セルトランジスタCT8の
ゲートには最適しきい電圧対応電圧Vthg、例えば4
Vが供給される。この場合、ゲーティング用高電圧Vp
pbのレベルは、高電圧VpbがセルトランジスタCT
8のドレインまで達するのに十分なレベルにある必要が
ある。そして、最適しきい電圧Vthecのレベルは2
〜3Vのレベルに設定される。
【0028】これをより明確に理解するために、図8B
を用いて説明する。セルトランジスタCT8のドレイン
に印加される高電圧Vpbのレベルがゲートに印加され
るVthgより高いので、フローティングゲートにある
過剰電子(第1消去後にしきい電圧を高くする要因であ
る)がドレインの方に、トンネル現象により100Åの
酸化膜(トンネル部絶縁膜)を通って移動する。すなわ
ち、しきい電圧が最適しきい電圧Vthecになるまで
プログラム動作が遂行されるものである。
【0029】セルトランジスタCT8のしきい電圧が最
適しきい電圧Vthecのレベルに到達すると、セルト
ランジスタCT8はターンオンして高電圧供給手段10
0による電流Ipbを流すようになる。この電流Ipb
がターンオンされたセルトランジスタCT8を通じて接
地電圧Vss端に流れるので、セルトランジスタCT8
のドレインに印加された高電圧Vpbのレベルは図3示
した高電圧供給手段100の電流−電圧特性にしたがっ
て低下する。したがって、セルトランジスタCT8にお
いてはこれ以上の自動プログラム動作は行われないこと
がわかる。
【0030】その次に順次遂行されていくセルトランジ
スタCT7、…、CT1に対する動作過程も上記と同様
に行なわれる。すなわち、第2消去動作が行なわれるセ
ルトランジスタのゲートにのみ最適しきい電圧対応電圧
Vthgが印加され、一方、該セルトランジスタとビッ
トラインとの間に位置したセルトランジスタのゲートに
はゲーティング用高電圧Vppbが印加されると共に、
該セルトランジスタと接地電圧端との間に位置したセル
トランジスタ(既に第2消去動作が完了して適正のしき
い電圧を有するものである)のゲートにはターンオン電
圧5Vが印加されるものである。このような操作によっ
て、図7に示すように、セルトランジスタのしきい電圧
は適正なレベルVthecに最適化されることがわか
る。
【0031】図9は、実際のEEPROMセルアレイ上
での本発明の実施例を示す。そして図10で、図9の実
施例において使用される信号の電圧波形とそのタイミン
グを示す。図9のメモリセルアレイの等価回路図におい
ては、高電圧供給手段100としてP形MOSトランジ
スタを使用している。このP形MOSトランジスタのゲ
ートを制御する回路110はクロックΦにより出力が決
定される。Vrefは所定の基準電圧である。図10か
らわかるように、クロックΦのレベルが5VとなってN
MOSトランジスタ101をターンオンさせなければ第
2消去動作は遂行されない。1つのワードラインに連結
されたセルトランジスタは1つのページを成しており、
前述の第2消去動作は8ページから1ページまでページ
単位で順次行われる。
【0032】上述の本発明の実施例で使用されたゲーテ
ィング用高電圧VppbはEEPROM内で通常的に使
用される高電圧発生回路を利用して発生させることがで
きるものである。
【0033】以上の説明では、NAND論理型のEEP
ROMのメモリセルの消去動作に伴う過剰消去を回復さ
せる目的についてのみ述べたが、本発明はこのような消
去動作に限定されるものではない。
【0034】
【発明の効果】以上述べてきたように本発明によるNA
ND型EEPROMは、過剰消去されたセルを最適のし
きい電圧に調整できるので、セルの不均一性による影響
を受けることがなく、高集積化に大変有利であるばかり
でなく、過剰消去を確実に防止できるのでデバイスの信
頼性が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるNAND型EEPROM
の1単位のストリングの等価回路図。
【図2】図1の実施例において第1消去動作及び第2消
去動作を行う場合の実施例を示す電圧状態図。
【図3】図1の実施例における高電圧供給手段の電流−
電圧特性図。
【図4】図1の実施例の第1消去動作後のセルの電流−
電圧特性図。
【図5】図1の実施例の第1消去動作後のセルのしきい
電圧分布図。
【図6】図1の実施例における第2消去動作時に選択さ
れたセルの等価回路図。
【図7】図1の実施例の第2消去動作後のセルのしきい
電圧分布図。
【図8】セルトランジスタ内での電子の移動状態を示す
説明図。
【図9】本発明をEEPROMのメモリセルアレイに適
用した場合の実施例を示す回路図。
【図10】図9の実施例の第1消去動作時及び第2消去
動作時の各要部の電圧波形図。
【図11】従来のNAND型EEPROMの単位ストリ
ングの等価回路図。
【図12】図11の回路における消去、書込み、及び読
出し時の電圧の状態を示す説明図。
【図13】図11の回路における消去されたセル及びプ
ログラムされたセルの電流−電圧特性図。
【図14】図11の回路における消去されたセルのしき
い電圧分布図。
【符号の説明】
CT1〜CT8 セルトランジスタ ST ストリング選択トランジスタ GT 接地接続トランジスタ BL ビットライン WL1〜WL8 ワードライン 100 高電圧供給手段 200 ビットライン選択トランジスタ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ビットラインから接地電圧端の間にチャ
    ネルが直列に接続され、そして各ワードラインに制御ゲ
    ートがそれぞれ接続された複数のフローティングゲート
    形セルトランジスタを有するメモリストリングと、ビッ
    トラインとメモリストリングとの間に接続されたストリ
    ング選択トランジスタと、メモリストリングと接地電圧
    端との間に接続された接地接続トランジスタと、高電圧
    をビットラインへ供給する高電圧供給手段と、この高電
    圧供給手段とビットラインとの間にチャネルが接続され
    たビットライン選択トランジスタと、を備えた電気的消
    去可能でプログラム可能な読出し専用メモリの消去方法
    であって、 ビットライン選択トランジスタをオフ、またストリング
    選択トランジスタ及び接地接続トランジスタをオンにし
    ておいて、各セルトランジスタの制御ゲートに消去電圧
    を印加することでセルトランジスタのフローティングゲ
    ートに電子を注入し、セルトランジスタを一括消去する
    第1消去過程と、 この第1消去動作で過剰消去されたセルトランジスタの
    制御ゲートに最適しきい電圧対応電圧を印加し、そし
    て、この過剰消去されたセルトランジスタとストリング
    選択トランジスタとの間に位置したセルトランジスタの
    制御ゲート、ビットライン選択トランジスタのゲート、
    及びストリング選択トランジスタのゲートにゲーティン
    グ用高電圧を印加してオンとし、更に、前記過剰消去さ
    れたセルトランジスタよりも接地側に位置した各トラン
    ジスタをオンとして、高電圧供給手段による高電圧を前
    記過剰消去されたセルトランジスタへ伝え該セルトラン
    ジスタのフローティングゲートにある過剰電子を放出さ
    せて最適しきい電圧を設定する第2消去過程と、を行う
    ことを特徴とする消去方法。
  2. 【請求項2】 第2消去過程を、接地接続トランジスタ
    に接続した一番接地側のセルトランジスタから順にスト
    リング選択トランジスタに接続したセルトランジスタま
    で連続的に実施していく請求項1記載の消去方法。
  3. 【請求項3】 半導体基板に連続して配置されたソース
    拡散領域、チャネル領域、ドレイン拡散領域の3領域上
    に、トンネル絶縁膜、フローティングゲート、第2絶縁
    膜、制御ゲートを順次形成してなる電界効果形トランジ
    スタをメモリセルとし、該メモリセルを所定数直列接続
    してなるNAND型構造のセルアレイを備えた電気的消
    去可能でプログラム可能な読出し専用メモリの消去方法
    において、消去後の過剰消去メモリセルに最適しきい電
    圧を設定するために、その過剰消去メモリセルの前記ド
    レイン拡散領域を少なくとも定電流型電流制限装置を通
    して第1電圧源の正極に接続すると共に該過剰消去メモ
    リセルの前記ソース拡散領域を間接的に該第1電圧源の
    負極に接続して第1電圧源の電流経路を形成し、そして
    この過剰消去メモリセルの前記制御ゲートに、当該メモ
    リセルの目的とする消去しきい電圧に対応した、第1電
    圧源によるドレイン拡散領域の初期電位より低いゲート
    電位を印加し、このゲート電位により前記チャネル領域
    が導通するまで時間を経過させることを特徴とする消去
    方法
JP21695092A 1991-08-14 1992-08-14 電気的消去可能でプログラム可能な読出し専用メモリの消去方法 Expired - Fee Related JP2568792B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1991P14096 1991-08-14
KR1019910014096A KR940008204B1 (ko) 1991-08-14 1991-08-14 낸드형 플래쉬 메모리의 과도소거 방지장치 및 방법

Publications (2)

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