JP3137993B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置

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JP3137993B2
JP3137993B2 JP327291A JP327291A JP3137993B2 JP 3137993 B2 JP3137993 B2 JP 3137993B2 JP 327291 A JP327291 A JP 327291A JP 327291 A JP327291 A JP 327291A JP 3137993 B2 JP3137993 B2 JP 3137993B2
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    • G11C16/08Address circuits; Decoders; Word-line control circuits

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  • Semiconductor Memories (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は不揮発性半導体記憶装
置に関するものである。近年、パーソナルコンピュータ
が低価格化されて一般普及が進み、これにともなって益
々動作の高速化が図られている。このような状況におい
てCPUの磁気ディスクで構成される補助記憶装置への
アクセス時間が動作高速化の障害となり、これを解決す
るために補助記憶装置として半導体記憶装置を使用する
ようになりつつある。
【0002】ところが、現在補助記憶装置として使用さ
れている半導体記憶装置は主にDRAM(稀にSRAM
も使用されることもある。)であって、電源切断時には
格納データが消去されてしまうため、電源バックアップ
用の電池が必要となっている。一方、上記のような補助
記憶装置として電気的に書き換え可能な不揮発性半導体
記憶装置であるEEPROM(Electrical Eraseable P
rogrammable Read Only Memory)が注目されはじめてい
るが、このEEPROMは1セルで2トランジスタを必
要とする構成であるため、1セル当たりの占有面積が大
きくなって製造コストが高いという問題点がある。そこ
で、セル占有面積が紫外線消去型のEPROM(Erasea
ble Programmable Read Only Memory )と同程度の一括
消去型(フラッシュ消去型)のEEPROMの使用検討
がなされている。
【0003】
【従来の技術】EEPROMを構成するセルトランジス
タは図8に示すようにフローティングゲートを有する二
重ゲート構造のトンネル消去ーアバランシュ書き込み型
のセルトランジスタCで構成され、このセルトランジス
タにデータ「0」を書き込む場合には図9に示すように
ドレイン及びコントロールゲートに書き込み用高電圧V
ppを印加するとともにソースをグランドGNDに接続し
てフローティングゲートに電子を注入する。このような
動作によりデータ「0」が書き込まれたセルトランジス
タCでは図7に示す特性曲線D0 で動作し、コントロー
ルゲートに1/0判定電圧V0/1 すなわちセル選択信号
が入力されてもドレインーソース間に電流IDSは流れず
オフ状態となる。
【0004】一方、書き込まれたデータ「0」を消去す
る場合には図8に示すようにドレインを開放状態として
ゲートをグランドGNDに接続し、ソースには前記高電
圧Vppを印加してフローティングゲートの電子を抜く。
このような動作によりデータ「0」が消去されたセルト
ランジスタCでは図7に示す特性曲線D1 で動作し、コ
ントロールゲートに1/0判定電圧V0/1 が入力される
とオン状態となり、データ「1」が格納されたことにな
る。
【0005】このようなセルトランジスタを使用して構
成されるセルアレイの一例を図6に従って説明すると、
行方向に並設された多数のセルトランジスタCのコント
ロールゲートには例えばセルトランジスタC11〜C1jに
はワード線WL1 というように共通のワード線WLm が
接続され、列方向に並設された多数のセルトランジスタ
Cのドレインには共通のビット線BLn が接続され、各
セルトランジスタCのソースはグランドGNDに接続さ
れる。なお、各ビット線BL1 〜BLj には各セルトラ
ンジスタにデータが書き込まれているか否かにより電位
が確定されるように例えば負荷抵抗R21 〜R2j を介
して電源Vccを印加する。
【0006】従って、多数のワード線WL1 〜WLi 及
びビット線BL1 〜BLj の中からそれぞれ1本ずつが
選択されると、選択されたワード線WLm 及びビット線
BLn が交差する位置のセルトランジスタCmnが選択さ
れ、そのセルトランジスタCmnに前記データ「0」が格
納されていれば同セルトランジスタCmnがオフされて選
択されたビット線がHレベルとなる。また、選択された
セルトランジスタCmnにデータ「1」が格納されていれ
ば、同セルトランジスタCmnがオンされて選択されたビ
ット線BLn がLレベルとなり、このようなビット線電
位がセル情報としてセンスアンプで読み出される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上記のようなセルトラ
ンジスタCではデータ「0」の消去動作時にフローティ
ングゲートから電子を抜き過ぎて過剰消去状態となる
と、同セルトランジスタCは例えば図7に示す特性曲線
D1oで動作してしきい値電圧が負になるため、常時オン
状態となる。従って、このようなセルトランジスタCが
発生すると、そのセルトランジスタに接続されたビット
線BLの電位は常にLレベルとなって当該ビット線BL
に接続された他のセルトランジスタを選択してもそのセ
ル情報を読み出すことができなくなって読出し不良が発
生するという問題点がある。
【0008】そこで、このような不具合を解決するため
に電気的消去と読出しを繰り返し行なって、消去された
セルトランジスタのしきい値が負にならないように監視
しながらしきい値が一定の値になるまでこの動作を繰り
返すような消去方法も提案されているが、消去時間にか
なりの時間を必要とするとともにこの動作を制御するC
PUがバスを占有するため、システムの動作速度を低下
させるという問題点がある。
【0009】この発明の目的は、フローティングゲート
を有する二重ゲート構造のトンネル消去ーアバランシュ
書き込み型のセルトランジスタでセルアレイが構成され
る不揮発性半導体記憶装置でセルトランジスタが過剰消
去されても読出し不良を発生させることのない不揮発性
半導体記憶装置を提供するにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】すなわち、図1に示すよ
うに電気的に消去及び書換え可能な不揮発性セルトラン
ジスタCijを行方向及び列方向に多数並設して構成する
セルアレイ1は、行方向に並設されたセルトランジスタ
Cmjには共通のワード線WLm がそれぞれ接続され、列
方向に並設されたセルトランジスタCinには共通のビッ
ト線BLn が接続され、ワード線WLm 及びビット線B
Ln を選択することによりセルトランジスタCmnを選択
してセル情報の書き込みあるいは読出しが行われる。そ
して、行方向に並設されたセルトランジスタCmjの各ソ
ースには選択された該セルトランジスタCmjを活性化可
能とする共通の第一の選択素子E1m が接続され、該第
一の選択素子E1m には当該行を選択するワード線WL
m の選択と同期した第一の選択信号SG1m により該第
一の選択素子E1m をオン動作させ、セルトランジスタ
Cmjのドレインを電源Vs1と電気的に接続させる構成と
した。
【0011】また、図2に示すように行方向に並設され
たセルトランジスタCmjの各ソースには前記第一の選択
素子E1m のオフ動作時に該セルトランジスタCmjを非
活性化する電源Vs2が抵抗R1m を介して供給される構
成とした。また、図4に示すように行方向に並設された
セルトランジスタCmjの各ソースには前記第一の選択素
子E1m のオフ動作時に該セルトランジスタCmjを非活
性化する電源Vs2が第二の選択素子E2m を介して供給
され、該第二の選択素子E2m のゲートには前記第一の
選択信号SG1m と同期する第二の選択信号SG2mが
入力される構成とした。
【0012】
【作用】m番目のワード線WLm を選択すると、当該ワ
ード線WLm に対応する第一の選択素子E1m のオン動
作により選択されたワード線WLm に接続されたセルト
ランジスタCmjだけが活性化可能となる。従って、この
状態でn番目のビット線BLn を選択すると選択された
セルトランジスタCmnのセル情報だけがビット線BLn
に読み出される。
【0013】また、ワード線WLm の非選択時には当該
ワード線に対応する第一の選択素子E1m がオフされ、
その第一の選択素子E1m のオフ動作時には抵抗R1m
あるいは第二の選択素子E2m により当該ワード線WL
m に接続されたセルトランジスタCmjの各ソースに電源
Vs2が供給されて、該セルトランジスタCmjが確実に不
活性化される。
【0014】
【実施例】以下、この発明を具体化した第一の実施例を
図2及び図3に従って説明する。図2に示すセルアレイ
1aは前記従来例と同様に行方向にi行、列方向にj列
のセルトランジスタC11〜Cijで構成され、各行のセル
トランジスタのコントロールゲートはワード線WL1 〜
WLi にそれぞれ接続され、各列のセルトランジスタの
ドレインはビット線BL1 〜BLj にそれぞれ接続され
ている。
【0015】各行のセルトランジスタのソースは第一の
選択素子としての共通のNチャネルMOSトランジスタ
E11 〜E1i のドレインに接続されるとともに抵抗R
11 〜R1i を介して電源Vs2が供給されている。そし
て、各トランジスタE11 〜E1i のゲートには対応す
るワード線WL1 〜WLi の選択と同期した第一の選択
信号SG11 〜SG1i が入力され、ソースは電源Vs1
すなわちこの実施例ではグランドに接続されている。
【0016】さて、このようなセルアレイ1aでは例え
ばワード線WL1 が選択されるとセルトランジスタC11
〜C1jのコントロールゲートにセル選択信号が入力され
る。この時、トランジスタE11 〜E1i の中からトラ
ンジスタE11 のゲートだけに選択信号SG11 が同期
して入力されれば同トランジスタE11 がオンされ、各
セルトランジスタC11〜C1jのソースがグランドレベル
まで低下する。この状態で例えばビット線BL1 が選択
されるとセルトランジスタC11が選択されてそのセル情
報がビット線BL1 に読み出され、セルトランジスタC
11にデータ「0」が書き込まれていれば同セルトランジ
スタC11がオフされてビット線BL1 はHレベルとな
り、データ「1」が書き込まれている場合には同セルト
ランジスタC11がオンされてビット線BL1はLレベル
となる。そして、トランジスタE11 以外はオンされて
いないので、ビット線BL1 に接続される他のセルトラ
ンジスタC21〜Ci1のいずれかが過剰消去されて常時オ
ン状態となっていても同セルトランジスタC21〜Ci1の
ソースはグランドに接続されていないので、セルトラン
ジスタC11のセル情報の読出しに影響を及ぼすことはな
い。
【0017】従って、このセルアレイ1aでは各セルト
ランジスタC11〜Cijのいずれかが過剰消去状態であっ
ても、選択されたセルトランジスタのセル情報を正確
読み出すことができる。上記のようなセルアレイ1aは
例えば図3に示す周辺回路に基づいてデータ書き込み及
び読出し動作と書き込みデータの消去動作とが行われ、
次にその動作を説明する。なお、図3においては説明を
簡略化するためにアドレス信号の入力端子はワード線の
選択信号入力端子A0とビット線の選択信号入力端子A
1の2端子のみを記載し、2a〜2gはAND回路、T
r1〜Tr6はNチャネルMOSトランジスタ、3aはイン
バータである。また、セルアレイ1aの端子Vs1はグラ
ンドGNDに接続され、セルアレイ1a内で前記トラン
ジスタE11〜E1iのソースに接続されている。AN
D回路2b,2cはセルトランジスタへのデータ書き込
み時には高電圧Vppを出力し、AND回路2f,2gは
データ消去時に高電圧Vppを出力する。
【0018】さて、読出し動作時には図3においてイレ
ーズ信号バーE及びライト信号バーWはそれぞれHレベ
ルが入力される。すると、AND回路2aの出力信号は
HレベルとなってトランジスタTr2はオンされ、インバ
ータ3aの出力信号はLレベルとなってトランジスタT
r1はオフされてセルアレイ1aの電源供給端子Vs2に前
記0/1判定電圧に等しいバイアス電圧Bが供給され
る。ここで例えばアドレス信号A0がHレベルとなると
AND回路2bの出力信号がHレベルとなるとともにA
ND回路2cの出力信号はLレベルとなり、ワード線W
L1 が選択されてHレベルとなると同時にセルアレイ1
a内の前記トランジスタE11 のゲートにHレベルの選
択信号SG11 が入力される。
【0019】一方、アドレス信号A1がHレベルとなる
とAND回路2dの出力信号がHレベルとなるとともに
AND回路2eの出力信号はLレベルとなり、この結果
トランジスタTr3がオンされることによりビット線BL
1 が選択されてセンスアンプ4に接続され、選択された
セルトランジスタのセル情報がセンスアンプ4で増幅さ
れて出力信号Dout として出力される。従って、アドレ
ス信号A0,A1に基づいて選択されたセルトランジス
タのセル情報が読出し可能となる。
【0020】また、書き込み動作時にはイレーズ信号バ
ーEはHレベル、ライト信号バーWはLレベルが入力さ
れる。すると、AND回路2a及びインバータ3aの出
力信号はともにLレベルとなってトランジスタTr1,T
r2はオフされるため、セルアレイ1aの電源電圧供給端
子には電源が供給されない。この状態で例えばアドレス
信号A0がHレベルとなるとAND回路2bから書き込
み用の高電圧電源Vppがワード線WL1 及びトランジス
タE11 のゲートに出力され、ワード線WL1 に接続さ
れたセルトランジスタC11〜C1jのコントロールゲート
には電源電圧Vppが印加され、ソースはグランドGND
に接続された状態となる。
【0021】AND回路2d,2eはLレベルのライト
信号バーWによりその出力信号がともにLレベルとな
る。Hレベルの入力データDinが入力されるとアドレス
信号A1に基づいてAND回路2f,2gのいずれか一
方がHレベル、他方がLレベルとなり、トランジスタT
r5,もしくは同Tr6を介してビット線BL1,BL2の
いずれかに電源電圧Vppが供給される。従って、選択さ
れたセルトランジスタはコントロールゲート及びドレイ
ンに電源Vppが供給され、ソースはグランドGNDに接
続されることにより書き込み動作が行われる。なお、こ
の時センスアンプ4は入力信号として電源電圧Vccが抵
抗R2を介して入力されるため、出力信号はHレベルに
固定された状態となる。
【0022】また、消去動作時にはイレーズ信号バーE
がLレベルとなる。すると、AND回路2aの出力信号
はLレベル、インバータ3aの出力信号はHレベルとな
るため、セルアレイ1の電源電圧供給端子Vs2には高電
圧電源Vppが供給される。AND回路2b〜2gの出力
信号はアドレス信号A0,A1及び入力データDinに関
わらずLレベルとなり、トランジスタTr3〜Tr6はオフ
状態となる。従って、セルアレイ1内の各セルトランジ
スタのドレインはオープン状態となり、コントロールゲ
ートにはLレベルが入力され、ソースには高電圧電源V
ppが入力されて各セルトランジスタにおいて同時に消去
動作が行われる。
【0023】次に、この発明を具体化した第二の実施例
を図4及び図5に従って説明する。図4に示すセルアレ
イ1bは前記実施例のセルアレイ1aの抵抗R11 〜R
1i を第二の選択素子としてのPチャネルMOSトラン
ジスタE21 〜E2i 置き換えたものであり、同トラン
ジスタE21〜E2i のゲートには選択信号SG21 〜
SG22 が入力され、図5に示す周辺回路で各動作が行
われる。なお、図5においてTr7,Tr8はNチャネルM
OSトランジスタ、2h〜2iはAND回路、5a,5
bはOR回路、3bはインバータ、6aはNAND回路
であり、セルアレイ1bの端子Vs2には前記バイアス電
圧Bが常時供給され、セルアレイ1b内でトランジスタ
E21 〜E2i のソースに同バイアス電圧Bが供給され
ている。
【0024】このような構成により、読出し動作時にイ
レーズ信号バーE及びライト信号バーWがHレベルとな
ると、トランジスタTr7はオフされるとともにトランジ
スタTr8はオンされてセルアレイ1bの端子Vs1にはグ
ランドGNDのレベルが供給され、セルアレイ1b内で
各トランジスタE11 〜E1i のソースはグランド電位
となる。また、NAND回路6aはLレベルの信号を出
力するためセルアレイ1b内でトランジスタE21 〜E
2i はオンされ、各セルトランジスタのソースにはバイ
アス電圧Bが供給される。
【0025】この状態で例えばアドレス信号A0,A1
がHレベルとなるとAND回路2h及びOR回路5aの
出力信号はHレベルとなるとともにAND回路2i及び
OR回路5bの出力信号はLレベルとなるため、ワード
線WL1 が選択されるとともに、ワード線WL1 に対応
するトランジスタE11 に選択信号SG11 が入力され
てオンされる。この結果セルトランジスタC11〜C1jが
活性化されるとともにトランジスタE11 がオンされて
各セルトランジスタC11〜C1jのソースはグランドレベ
ルとなる。また、AND回路2dの出力信号はHレベ
ル、AND回路2e〜2gの出力信号はLレベルとなっ
てトランジスタTr3がオンされることによりビット線B
L1 が選択されてセルトランジスタC11が選択され、同
セルトランジスタC11のセル情報がビット線BL1 を介
して読み出され、センスアンプで増幅されて出力信号D
out として出力される。
【0026】この時、ビット線BL1 に接続される他の
セルトランジスタC21〜Ci1のいずれかが過剰消去状態
であってもトランジスタE12 〜E1i はオフ状態とな
るので、セルトランジスタC11のセル情報の読出しに影
響することはなく、同様にしてアドレス信号に基づいて
他のセルトランジスタのセル情報が読み出される。一
方、消去動作時にはイレーズ信号バーEがLレベルとな
るため、トランジスタTr7がオンされてセルアレイ1b
の端子Vs1には高電圧電源Vppが供給され、各OR回路
5a,5bの出力信号がHレベルとなるとともにAND
回路2h,2i,2d,2e,2f,2gの出力信号は
全てLレベルとなる。この結果、セルアレイ1b内で各
セルトランジスタに消去動作が行われる。
【0027】また、書き込み動作時にはイレーズ信号バ
ーEはHレベル、ライト信号バーWはLレベルとなるた
め、セルアレイの端子Vs1にはグランド電位が供給さ
れ、アドレス信号A1でいずれかのワード線が選択され
るとともにアドレス信号A0でいずれかのビット線が選
択され、入力データDinがHレベルとなると選択された
ビット線に高電圧電源Vppが供給される。この結果、セ
ルアレイ1b内では選択されたセルトランジスタのドレ
イン及びゲートに高電圧電源Vppが供給され、ソースに
グランド電位が供給されて書き込み動作が行われる。
【0028】
【発明の効果】以上詳述したように、この発明はフロー
ティングゲートを有する二重ゲート構造のトンネル消去
型のセルトランジスタでセルアレイが構成される不揮発
性半導体記憶装置で、セルトランジスタが過剰消去され
ても読出し不良の発生を未然に防止することができる優
れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の請求項1の原理説明図である。
【図2】本発明の請求項2の原理説明図である。
【図3】請求項2のセルアレイを使用した半導体記憶装
置の主要部を示す回路図である。
【図4】本発明の請求項3の原理説明図である。
【図5】請求項3のセルアレイを使用した半導体記憶装
置の主要部を示す回路図である。
【図6】セルアレイの従来例を示す回路図である。
【図7】トンネル消去型EEPROMのセルトランジス
タの特性図である。
【図8】データ消去時のセルトランジスタへの電圧印加
状態を示す説明図である。
【図9】データ書き込み時のセルトランジスタへの電圧
印加状態を示す説明図である。
【符号の説明】
1 セルアレイ C セルトランジスタ WL ワード線 BL ビット線 E1 第一の選択素子 E2 第一の選択素子 SG1 第一の選択信号 SG2 第二の選択信号 R1 抵抗 電源 Vs1
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−60266(JP,A) 特開 昭57−150192(JP,A) 特開 昭58−28875(JP,A) 特開 昭59−29448(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 16/00 - 16/34 G11C 17/00 - 17/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電気的に消去及び書換え可能な不揮発性
    セルトランジスタ(Cij)を行方向及び列方向に多数並
    設してセルアレイ(1)を構成し、行方向に並設された
    セルトランジスタ(Cmj)には共通のワード線(WLm
    )をそれぞれ接続し、列方向に並設されたセルトラン
    ジスタ(Cin)には共通のビット線(BLn )を接続
    し、ワード線(WLm )及びビット線(BLn )を選択
    することによりセルトランジスタ(Cmn)を選択してセ
    ル情報の書き込みあるいは読出しを行う不揮発性半導体
    記憶装置であって、 前記した行方向に並設されたセルトランジスタ(Cmj)
    の各ソースには選択された該セルトランジスタ(Cmj)
    を活性化可能とする共通の第一の選択素子(E1m )を
    接続するとともに、前記選択素子(E1m )のオフ動作
    時に該セルトランジスタ(Cmj)を非活性化する電源
    (Vs2)を素子を介して供給し前記 選択素子(E1m )には当該行を選択するワード線
    (WLm )の選択と同期した第一の選択信号(SG1m
    )て該選択素子(E1m )をオン動作させ、セルトラ
    ンジスタ(Cmj)のドレインを電源(Vs1)と電気的に
    接続させることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】 前記行方向に並設されたセルトランジス
    タ(Cmj)の各ソースには前記選択素子(E1m )のオ
    フ動作時に該セルトランジスタ(Cmj)を非活性化する
    電源(Vs2)を素子としての抵抗(R1m )を介して供
    給したことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体
    記憶装置。
  3. 【請求項3】 前記行方向に並設されたセルトランジス
    タ(Cmj)の各ソースには前記選択素子(E1m )のオ
    フ動作時に該セルトランジスタ(Cmj)を非活性化する
    電源(Vs2)を素子としての第二の選択素子(E2m )
    を介して供給し、該第二の選択素子(E2m )のゲート
    には前記第一の選択信号(SG1m )と同期する第二の
    選択信号(SG2m )を入力したことを特徴とする請求
    項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
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