JP3554572B2 - Non-volatile semiconductor circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気的書込み消去機能を備えた不揮発性半導体記憶装置に係り、特に、データ保持特性を向上させた不揮発性半導体回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、不揮発性半導体記憶装置としては、例えば、特開平3−219496 号公報に示される電気的一括消去型のNOR型フラッシュメモリと呼ばれる記憶装置が開発されている。従来のNOR型フラッシュメモリは浮遊ゲート型電界効果トランジスタ構造のメモリセルをマトリックス状に配列することにより構成されていた。ここで、データ線にドレイン端子が直接接続された各々のメモリセルの制御ゲートは相異なるワード線に接続されており、全てのメモリセルのソース端子は共通のソース線に直接接続されていた。
【0003】
メモリセルデータの消去はワード線単位で行い、メモリセルの制御ゲートに負電圧を加え、データ線をオープン状態とし、ソース端子に正電圧を加えることにより行う。このとき、メモリセルのソース端子側のゲート酸化膜に高電界が加わり、フォーラー・ノードハイム(Fowler−Nordheim)トンネル現象により、浮遊ゲートに蓄積されていた電子がソース端子に引き抜かれる。その結果、メモリセルのしきい値電圧は低くなり、消去動作が完了する。
【0004】
消去動作においてソース線に加えられる正電圧は、消去命令を受けて選択されたメモリセル以外の非選択メモリセルのソース端子にも加えられる。非選択メモリセルでは、ゲート酸化膜に浮遊ゲートからソース端子方向に弱い電界が加わり、浮遊ゲート中に蓄積された電子が徐々に抜けるというソース端子に関するディスターブ現象が生じる。そこで、電子の放出によるしきい値電圧の低下を防止するため、非選択メモリセルの制御ゲートに正電圧を加えることが必要となっていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
消去動作を行うと、非選択メモリセルでは、制御ゲートとソース端子に各々異なった正電圧が加えられるため、非選択メモリセルがオン状態となり、非選択メモリセルを介してソース端子からドレイン端子にドレイン線の容量を充電する充電電流が流れる。また、消去動作終了時にもソース端子に加えられた正電圧が0Vとなるため、ドレイン線に蓄積された電荷が非選択メモリセルを介してソース端子側に放電する放電電流が流れる。充放電電流により非選択メモリセルにおいてホットエレクトロンが発生し、浮遊ゲートに電子が注入される。消去の回数に比例してホットエレクトロン注入量が増加し、しきい値電圧が増加するという問題があった。
【0006】
この消去動作にかかわらず、一般に、メモリセルのソース端子ないしドレイン端子の拡散層端を用いて浮遊ゲートから電子を引き抜く動作では、非選択メモリセルの制御ゲートに正電圧を加えることが必要となり、書込み消去回数の増加につれて、ホットエレクトロン注入量が増加し、しきい値電圧が増加するという問題が生じていた。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は次のような回路構成,方式を備えている。
【0008】
例えば、図1に示すように、浮遊ゲートを備えた不揮発性半導体メモリセルをマトリックス状に配置したメモリアレイにおいて、データ線とソース線の間に並列接続で配置された複数個のメモリセルと、それらのメモリセルと並列に配置されたMOSトランジスタを備え、各データ線が前記MOSトランジスタを介してソース線に接続されている。
【0009】
さらに、メモリセルの浮遊ゲートから電子を引き抜く動作において、予め、ソース線に正電圧を与え、前記MOSトランジスタのゲートに正電圧を印加し、
MOSトランジスタをオン状態とすることにより、ドレイン端子の電圧をソース端子の電圧と概ね等しくしている。その後、非選択メモリセルの制御ゲートに前述のソース端子に関するディスターブ阻止用の正電圧を加え、選択メモリセルの制御ゲートに負電圧を加えて、浮遊ゲートから電子を引き抜く。
【0010】
一方、引き抜く動作が完了した後は、まず、選択メモリセルの制御ゲートの電圧を0Vとし、非選択メモリセルの制御ゲートの電圧を0Vにした後、ソースの電圧を0Vとして、ドレイン線に充電された電荷をソース線側に引き抜き、ドレイン線側の電圧を概ね0Vとする。さらに、並列に挿入したMOSトランジスタのゲートの電圧を0Vとして、ドレイン領域をソース領域から電気的に分離する。
【0011】
【作用】
本発明では浮遊ゲートから電子を引き抜く動作を開始する以前に、メモリセルに並列に接続されたMOSトランジスタにより、非選択メモリセルのドレイン端子とソース端子が概ね同一電圧に設定されている。このため、非選択メモリセルの制御ゲートに正電圧を加えた場合、非選択メモリセルのしきい値電圧が低い状態の時でも、非選択メモリセルを通して過渡的な電流が流れることがない。その結果、非選択メモリセルにおけるホットエレクトロンの発生が抑制され、浮遊ゲートへの電子注入は生じない。
【0012】
また、浮遊ゲートからの電子の引き抜き動作完了時にも、先ず、選択メモリセルおよび非選択メモリセルの制御ゲートの電圧を0Vに戻すため、ドレイン端子とソース端子が概ね同一電圧に保たれた状態となっているので、非選択メモリセルを通して過渡的な電流が流れることがない。その後、ソース端子電圧を0Vとして、MOSトランジスタを介してドレイン端子の蓄積電荷を放電した後、MOSトランジスタのゲート電圧を0Vに戻す。
【0013】
このように、ドレイン端子の充電及び放電がメモリセルに対して並列に設けられたMOSトランジスタを介して行われるため、メモリセルにおいてホットエレクトロン注入が生じず、しきい値電圧は変動しない。
【0014】
【実施例】
本発明の第一の実施例を図1を用いて説明する。図1は不揮発性半導体メモリセルの回路構成を示している。ここで、不揮発性半導体メモリセルとしてNOR型メモリセルを用い、ワード線2ビット分,データ線2ビット分を示しているが、メモリセル及び配置はこのかぎりでない。
【0015】
データ線D1に接続されたメモリセルM11,M21の制御ゲートは、相異なるワード線W1,W2に接続され、ソース端子はメモリセルM12,M22のソース端子と共に共通ソース線に接続されている。メモリセルと並列にn型MOSトランジスタ1,2がデータ線とソース線間に配置され、n型MOSトランジスタ1及び2のゲートは共通の制御線SGに接続されている。各データ線はデコーダ及びセンスアンプの周辺回路3に接続され、各ワード線はデコーダ4に接続されている。NOR型メモリセルはデータの書込みをドレイン端でのホットエレクトロン注入により行い、消去はワード線単位でソース端子側からの電子のトンネル放出により行っている。
【0016】
メモリセルM11データの書換え及び読み出し時における制御線SGの電圧関係並びに消去時のタイミングの一例を以下に示す。データの書込み時には、データ線D1の電圧を、例えば、5Vに設定し、ワード線W1を10Vに設定する。尚、共通ソース線は0Vである。ここで、制御線SGを0Vに保持し、MOSトランジスタ1,2をオフ状態としている。データ線からメモリセルM11を介して電流がソース線に流れ、ホットエレクトロン注入によりメモリセルM11に電子が注入される。読み出しでは、データ線電圧を、例えば、1Vに設定し、ワード線W1に5Vを加え、制御線SGを0Vとする。メモリセルのしきい値電圧に応じてデータ線電圧が変動し、この変動値をセンスアンプにより読み取る。
【0017】
消去動作では、図2に示す電圧のタイミングチャートに従い各信号線に電圧を与える。ワード線W1に接続された全てのメモリセルのデータを一括して消去することができる。データ線D1,D2はデコーダ側で開放状態とし、ソース線に約5Vの電圧を加える。概ね同時に制御線SGに5Vを加え、ソース線側からMOSトランジスタ1,2を介してデータ線D1及びD2を充電する。各データ線が充電された後、非選択メモリセルに関するワード線W2に、例えば、5Vを加え、ワード線W1に−8Vを加える。M11及びM12に関し、浮遊ゲートから電子をソース端子側にトンネル現象により放出するための時間が経過した後、ワード線W1及びW2を0Vに戻す。さらに、ソース端子を0Vとし、MOSトランジスタ1,2を介してデータ線に蓄積した電荷をソース線に引き抜いた後に、制御線SGを0Vとする。
【0018】
本発明の第二の実施例を図3を用いて説明する。図3は、トンネル現象を用いてデータの書換えを行う不揮発性半導体メモリセルを用いた場合の回路図を示している。本実施例では、消去をメモリセルのチャネル全面のトンネル現象を用い、電子を浮遊ゲートに注入することにより行い、書込みを浮遊ゲートからドレイン端子側の拡散層への電子のトンネル放出現象を用いて行う。ここで、ソース線S1,S2は信号線SSに接続されたMOSトランジスタにより分離されている。第一の実施例と同様に、各メモリセルに並列にMOSトランジスタ1,2を配置している。
【0019】
メモリセルM11のデータの書換え及び読み出し時における制御線SGの電圧関係並びに書込み時のタイミングの一例を以下に示す。データの消去時には、ソース線S1,S2の電圧を0Vに設定し、ワード線W1を、例えば、15Vに設定する。ここで、制御線SGは0Vないし5Vの何れでもよい。ワード線W1上の全てのメモリセルの浮遊ゲートにチャネル側から電子が注入され、高いしきい値電圧状態の消去状態となる。読み出しでは、データ線電圧を、例えば、1Vに設定し、ワード線W1に5Vを加え、制御線SGを0Vとする。メモリセルのしきい値電圧に応じてデータ線電圧D1が変動し、この変動値をセンスアンプにより読み取る。
【0020】
書込み動作に関する各信号線に加える電圧のタイミングチャートを図4に示す。メモリセルM11にデータを書込み、M12では消去状態を保つ場合には、データ線D1,D2にはデコーダ側からそれぞれ5V及び0Vの電圧が与えられる。この時、SSは0Vとし、ソース線S1及びS2を開放状態とする。また、
SDは7Vとし、データ線の電圧を各メモリセルのドレイン端子に与える。次に、制御線SGに5Vを加え、MOSトランジスタ1,2を介してデータ線D1,D2からソース線S1,S2が充電される。各データ線が充電された後、非選択メモリセルに関するワード線Wnに、例えば、5Vを加え、ワード線W1に−8Vを加える。M11及びM12に関して、浮遊ゲートから電子をドレイン端子側にトンネル現象により放出するための時間が経過した後、ワード線W1及びWnを0Vに戻す。さらに、データ線D1,D2を0Vとし、MOSトランジスタ1,2を介してデータ線に蓄積した電荷をデータ線に引き抜き、最後に制御線SGを0Vとする。
【0021】
本実施例では、ドレイン側の拡散層領域と浮遊ゲート間のトンネル現象を用いてメモリセルのしきい値電圧を低下させることにより、データの書込みを行っている。この場合でも、第一の実施例に示したように、非選択ワード線の電圧を例えば5Vに設定する必要があり、非選択ワード線に接続されたメモリセルを介してソース線が充電される。この時、メモリセルにおいて発生するホットエレクトロンが浮遊ゲートに注入されることにより、しきい値電圧の変動の生じる可能性があるが、本実施例に示されたように、MOSトランジスタ1,2を介して予めソース線を充電することで、メモリセルにおけるホットエレクトロンの発生が防止できる。
【0022】
本発明の第三の実施例を図3から図5を用いて説明する。図5はメモリセルの断面図とその動作の概略を示している。第二の実施例では、メモリセルへのデータの書込みを浮遊ゲートからドレイン側の拡散層への電子のトンネル放出現象を用いて行っていたが、本実施例では、浮遊ゲートからソース拡散層側への電子のトンネル放出現象を用いて行っている。
【0023】
すなわち、図4に示したように、書込み動作の命令を受付けた後、データ線
D1に5V、制御線SSに0V、SDに7Vを加える。ここで、ブロック内のドレイン線はデータ線に接続され、ソース線は共通ソース線から切り離されている。次に、制御線SGに7Vを与え、メモリセルのドレイン側の電圧がMOSトランジスタ1を介してソース線S1に現われる。続いて、選択されたワード線に
−8V、非選択のワード線に5Vを加える。選択されたワード線W1上のメモリセルM1では、ソース端子と浮遊ゲート間に高電界が加わる。
【0024】
ここで、図5に示すメモリセル構造を採用すると、ソース側の拡散層18の不純物濃度をドレイン側の拡散層16の不純物濃度より一桁以上高くすることにより、ドレイン端子側よりもソース端子側に浮遊ゲートからトンネル現象に従って電子が放出され、メモリセルのしきい値電圧が低い状態となる。すなわち、浮遊ゲートからソース拡散層側への電子のトンネル放出現象を用いて、データの書込みが行われている。
【0025】
本実施例では、ドレイン端子側からの電子のトンネル放出量が抑制できるため、不揮発性メモリセルでは、一般に10年間の連続的なデータの読み出しに対しても浮遊ゲート中の電荷量の変動が抑えられなければならない。しかし、読み出し時には、データ線に電圧を加え、その電圧の変動をセンスアンプ等により読み出すため、データ線に接続されたメモリセルのドレイン端子と浮遊ゲート電極間に弱い電界が加わり、徐々に浮遊ゲート中の電子がドレイン端子に放出する(ドレイン端子側のディスターブ現象)。
【0026】
これによるしきい値電圧の変動を抑制するために、従来、ドレイン端子の電圧は1V程度が限界であった。本実施例に示すようなMOSトランジスタ1,2を回路に付加することにより、ソース端子側からの電子のトンネル放出が可能になるため、ドレイン側の拡散層濃度の低濃度化が可能になり、読み出し時における浮遊ゲート中電子のドレイン端子への放出量を抑制することが可能となった。その結果、ドレイン端子電圧の制限が3V程度にまで緩和され、センスアンプの設計を容易にできる。
【0027】
本発明の第四の実施例を図6を用いて説明する。図6に用いているメモリセルは、図5に示した断面図を備えている。第三の実施例と同様な書換え方式を採用している。その結果、ドレインディスターブ現象の影響が緩和され、同一ワード線W1上の二つのメモリセルM11,M12のドレイン端子が共通のデータ線D1に接続できる。ここで、二本のソース線S1,S2に対して、MOSトランジスタ1,2を設けている。
【0028】
書込み時に、M11にデータを書込む場合には、MOSトランジスタ1をオン状態とし、M12にデータを書込む場合には、MOSトランジスタ2をオン状態とする。また、読み出し時の誤動作を防止するために、ソース側の制御線を二本のSS1とSS2に分離する。
【0029】
本実施例では、第三の実施例に示した効果とともに、データ線の本数を減少させることが可能となり、実効的なメモリセルの面積を低減化できる。
【0030】
本発明の第五の実施例を図7を用いて説明する。本実施例では、第四の実施例においてソース側の制御線SS及びSGを各々1本としている。このため、ソース線S1,S2に接続されるメモリセルのワード線を各々分離している。本実施例でも、第三の実施例に示した効果とともに、データ線の本数を減少させることが可能となり、実効的なメモリセルの面積を低減化できる。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、浮遊ゲート電極とドレインないしはソース拡散層間の電子のトンネル放出現象を用いてメモリセルのしきい値電圧を変動させる不揮発性半導体記憶装置において、電子のトンネル放出時に、選択されていないワード線上のメモリセルを介してドレイン線ないしはソース線を充電する際のホットエレクトロン発生に伴うメモリセルのしきい値電圧の変動が抑制でき、メモリセルのデータ保持特性が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例におけるメモリセルの構成を表す説明図。
【図2】本発明の第一の実施例における各信号線のタイミングチャート。
【図3】本発明の第二の実施例におけるメモリセルの構成を表す説明図。
【図4】本発明の第二の実施例における各信号線のタイミングチャート。
【図5】本発明の第三の実施例におけるフラッシュメモリセルの断面図。
【図6】本発明の第四の実施例におけるメモリセルの構成を表す説明図。
【図7】本発明の第五の実施例におけるメモリセルの構成を表す説明図。
【符号の説明】
1,2…MOS型トランジスタ、3…センスアンプ等の周辺回路、4…デコーダ回路。
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having an electric write / erase function, and more particularly to a nonvolatile semiconductor circuit having improved data retention characteristics.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a nonvolatile semiconductor memory device, for example, a storage device called an electrically-erasable NOR flash memory disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-219496 has been developed. A conventional NOR type flash memory has been configured by arranging memory cells having a floating gate type field effect transistor structure in a matrix. Here, the control gate of each memory cell whose drain terminal is directly connected to the data line is connected to a different word line, and the source terminals of all the memory cells are directly connected to a common source line.
[0003]
Erasing of memory cell data is performed in word line units, by applying a negative voltage to the control gate of the memory cell, opening the data line, and applying a positive voltage to the source terminal. At this time, a high electric field is applied to the gate oxide film on the source terminal side of the memory cell, and electrons accumulated in the floating gate are pulled out to the source terminal by the Fowler-Nordheim tunnel phenomenon. As a result, the threshold voltage of the memory cell decreases, and the erase operation is completed.
[0004]
The positive voltage applied to the source line in the erase operation is also applied to the source terminals of non-selected memory cells other than the memory cell selected in response to the erase command. In a non-selected memory cell, a weak electric field is applied to the gate oxide film from the floating gate in the direction of the source terminal, and a disturb phenomenon relating to the source terminal occurs in which electrons accumulated in the floating gate gradually escape. Therefore, it has been necessary to apply a positive voltage to the control gate of the non-selected memory cell in order to prevent the threshold voltage from lowering due to the emission of electrons.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When an erase operation is performed, in a non-selected memory cell, different positive voltages are applied to the control gate and the source terminal, respectively, so that the non-selected memory cell is turned on, and the source terminal is connected to the drain terminal via the non-selected memory cell. A charging current for charging the capacity of the drain line flows. At the end of the erasing operation, the positive voltage applied to the source terminal becomes 0 V, so that a discharge current flows, in which the charges accumulated in the drain line are discharged to the source terminal side through the non-selected memory cells. Hot electrons are generated in the non-selected memory cells by the charge / discharge current, and electrons are injected into the floating gate. There is a problem that the injection amount of hot electrons increases in proportion to the number of times of erasing, and the threshold voltage increases.
[0006]
Regardless of the erase operation, generally, in the operation of extracting electrons from the floating gate using the diffusion layer end of the source terminal or the drain terminal of the memory cell, it is necessary to apply a positive voltage to the control gate of the unselected memory cell. As the number of times of writing and erasing increases, the amount of hot electrons injected increases, causing a problem that the threshold voltage increases.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following circuit configuration and system.
[0008]
For example, as shown in FIG. 1, in a memory array in which nonvolatile semiconductor memory cells having floating gates are arranged in a matrix, a plurality of memory cells arranged in parallel between data lines and source lines; MOS transistors are arranged in parallel with the memory cells, and each data line is connected to a source line via the MOS transistor.
[0009]
Further, in the operation of extracting electrons from the floating gate of the memory cell, a positive voltage is applied to the source line in advance, and a positive voltage is applied to the gate of the MOS transistor.
By turning on the MOS transistor, the voltage at the drain terminal is made substantially equal to the voltage at the source terminal. Thereafter, a positive voltage for disturb prevention relating to the above-mentioned source terminal is applied to the control gate of the unselected memory cell, and a negative voltage is applied to the control gate of the selected memory cell, thereby extracting electrons from the floating gate.
[0010]
On the other hand, after the pull-out operation is completed, first, the voltage of the control gate of the selected memory cell is set to 0 V, the voltage of the control gate of the non-selected memory cell is set to 0 V, and the voltage of the source is set to 0 V to charge the drain line. The generated charges are drawn to the source line side, and the voltage on the drain line side is set to approximately 0V. Further, the voltage of the gate of the MOS transistor inserted in parallel is set to 0 V, and the drain region is electrically separated from the source region.
[0011]
[Action]
In the present invention, before the operation of extracting electrons from the floating gate is started, the drain terminal and the source terminal of the non-selected memory cell are set to substantially the same voltage by the MOS transistor connected in parallel to the memory cell. Therefore, when a positive voltage is applied to the control gate of the unselected memory cell, a transient current does not flow through the unselected memory cell even when the threshold voltage of the unselected memory cell is low. As a result, the generation of hot electrons in unselected memory cells is suppressed, and no electron is injected into the floating gate.
[0012]
Also, when the operation of extracting electrons from the floating gate is completed, first, the voltage of the control gate of the selected memory cell and the non-selected memory cell is returned to 0 V, so that the drain terminal and the source terminal are kept at substantially the same voltage. Therefore, no transient current flows through the unselected memory cells. Thereafter, the source terminal voltage is set to 0 V, and the accumulated charge at the drain terminal is discharged via the MOS transistor. Then, the gate voltage of the MOS transistor is returned to 0 V.
[0013]
As described above, since charging and discharging of the drain terminal are performed through the MOS transistor provided in parallel with the memory cell, hot electron injection does not occur in the memory cell, and the threshold voltage does not change.
[0014]
【Example】
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a circuit configuration of a nonvolatile semiconductor memory cell. Here, a NOR type memory cell is used as a nonvolatile semiconductor memory cell, and two bits for a word line and two bits for a data line are shown. However, the memory cells and the arrangement are not limited thereto.
[0015]
The control gates of the memory cells M11 and M21 connected to the data line D1 are connected to different word lines W1 and W2, and the source terminals are connected to the common source line together with the source terminals of the memory cells M12 and M22. N-type MOS transistors 1 and 2 are arranged between the data line and the source line in parallel with the memory cell, and the gates of the n-type MOS transistors 1 and 2 are connected to a common control line SG. Each data line is connected to a peripheral circuit 3 of a decoder and a sense amplifier, and each word line is connected to a decoder 4. In the NOR type memory cell, data writing is performed by hot electron injection at the drain end, and erasing is performed by tunnel emission of electrons from the source terminal side in word line units.
[0016]
An example of the voltage relationship of the control line SG at the time of rewriting and reading data of the memory cell M11 and an example of the timing at the time of erasing are shown below. At the time of writing data, the voltage of the data line D1 is set to, for example, 5V, and the word line W1 is set to 10V. Note that the common source line is at 0V. Here, the control line SG is maintained at 0 V, and the MOS transistors 1 and 2 are turned off. A current flows from the data line to the source line via the memory cell M11, and electrons are injected into the memory cell M11 by hot electron injection. In reading, the data line voltage is set to, for example, 1V, 5V is applied to the word line W1, and the control line SG is set to 0V. The data line voltage fluctuates according to the threshold voltage of the memory cell, and the fluctuation value is read by a sense amplifier.
[0017]
In the erase operation, a voltage is applied to each signal line according to the voltage timing chart shown in FIG. The data of all the memory cells connected to the word line W1 can be erased collectively. The data lines D1 and D2 are left open on the decoder side, and a voltage of about 5 V is applied to the source lines. At about the same time, 5V is applied to the control line SG, and the data lines D1 and D2 are charged from the source line side via the MOS transistors 1 and 2. After each data line is charged, for example, 5 V is applied to the word line W2 for the unselected memory cell, and -8 V is applied to the word line W1. With respect to M11 and M12, the word lines W1 and W2 are returned to 0 V after the time for emitting electrons from the floating gate to the source terminal side by the tunnel phenomenon has elapsed. Further, the source terminal is set to 0V, and after the electric charge accumulated in the data line via the MOS transistors 1 and 2 is drawn out to the source line, the control line SG is set to 0V.
[0018]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a circuit diagram in the case of using a nonvolatile semiconductor memory cell that rewrites data using a tunnel phenomenon. In this embodiment, erasing is performed by injecting electrons into the floating gate using the tunneling phenomenon on the entire channel of the memory cell, and writing is performed using the tunneling phenomenon of electrons from the floating gate to the diffusion layer on the drain terminal side. Do. Here, the source lines S1 and S2 are separated by a MOS transistor connected to the signal line SS. As in the first embodiment, MOS transistors 1 and 2 are arranged in parallel with each memory cell.
[0019]
An example of a voltage relationship of the control line SG at the time of rewriting and reading data of the memory cell M11 and an example of a timing at the time of writing are shown below. When erasing data, the voltages of the source lines S1 and S2 are set to 0V, and the word line W1 is set to, for example, 15V. Here, the control line SG may be any of 0V to 5V. Electrons are injected from the channel side into the floating gates of all the memory cells on the word line W1, and the memory cell enters an erased state with a high threshold voltage state. In reading, the data line voltage is set to, for example, 1V, 5V is applied to the word line W1, and the control line SG is set to 0V. The data line voltage D1 fluctuates according to the threshold voltage of the memory cell, and this fluctuation value is read by the sense amplifier.
[0020]
FIG. 4 shows a timing chart of the voltage applied to each signal line for the write operation. When data is written to the memory cell M11 and the erase state is maintained in the memory cell M12, voltages of 5 V and 0 V are applied to the data lines D1 and D2 from the decoder side. At this time, SS is set to 0 V, and the source lines S1 and S2 are opened. Also,
SD is set to 7 V, and the voltage of the data line is applied to the drain terminal of each memory cell. Next, 5V is applied to the control line SG, and the data lines D1 and D2 are charged through the MOS transistors 1 and 2 to the source lines S1 and S2. After each data line is charged, for example, 5 V is applied to the word line Wn for the unselected memory cell, and -8 V is applied to the word line W1. With respect to M11 and M12, the word lines W1 and Wn are returned to 0 V after the time for emitting electrons from the floating gate to the drain terminal side by the tunnel phenomenon has elapsed. Further, the data lines D1 and D2 are set to 0V, the charges accumulated in the data lines via the MOS transistors 1 and 2 are drawn out to the data line, and finally the control line SG is set to 0V.
[0021]
In this embodiment, data writing is performed by lowering the threshold voltage of the memory cell by using a tunnel phenomenon between the drain-side diffusion layer region and the floating gate. Even in this case, as shown in the first embodiment, the voltage of the unselected word line needs to be set to, for example, 5 V, and the source line is charged via the memory cell connected to the unselected word line. . At this time, the threshold voltage may fluctuate due to the injection of hot electrons generated in the memory cell into the floating gate. However, as shown in the present embodiment, the MOS transistors 1 and 2 are turned off. By hot-charging the source line in advance, generation of hot electrons in the memory cell can be prevented.
[0022]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows a cross-sectional view of a memory cell and an outline of its operation. In the second embodiment, the writing of data into the memory cell is performed by using the phenomenon of electron tunneling from the floating gate to the diffusion layer on the drain side. In this embodiment, however, the data is written from the floating gate to the source diffusion layer side. This is done using the phenomenon of electron tunneling.
[0023]
That is, as shown in FIG. 4, after receiving a write operation command, 5V is applied to the data line D1, 0V is applied to the control line SS, and 7V is applied to SD. Here, the drain line in the block is connected to the data line, and the source line is separated from the common source line. Next, 7V is applied to the control line SG, and the voltage on the drain side of the memory cell appears on the source line S1 via the MOS transistor 1. Subsequently, -8 V is applied to a selected word line and 5 V is applied to an unselected word line. In the memory cell M1 on the selected word line W1, a high electric field is applied between the source terminal and the floating gate.
[0024]
Here, when the memory cell structure shown in FIG. 5 is adopted, the impurity concentration of the diffusion layer 18 on the source side is set to be higher than the impurity concentration of the diffusion layer 16 on the drain side by one digit or more. Then, electrons are emitted from the floating gate according to the tunnel phenomenon, and the threshold voltage of the memory cell becomes low. That is, data is written using the phenomenon of electron tunneling from the floating gate to the source diffusion layer side.
[0025]
In this embodiment, since the amount of tunneling of electrons from the drain terminal side can be suppressed, in the nonvolatile memory cell, the fluctuation in the amount of charge in the floating gate is suppressed even in general for 10 years of continuous data reading. Must be done. However, at the time of reading, a voltage is applied to the data line, and a change in the voltage is read by a sense amplifier or the like. Therefore, a weak electric field is applied between the drain terminal and the floating gate electrode of the memory cell connected to the data line, and the floating gate is gradually increased. The electrons inside are emitted to the drain terminal (disturb phenomenon on the drain terminal side).
[0026]
In order to suppress the fluctuation of the threshold voltage due to this, conventionally, the voltage of the drain terminal has been limited to about 1V. By adding the MOS transistors 1 and 2 as shown in this embodiment to the circuit, electrons can be tunneled from the source terminal side, so that the concentration of the diffusion layer on the drain side can be reduced. This makes it possible to suppress the amount of electrons emitted from the floating gate to the drain terminal during reading. As a result, the limitation on the drain terminal voltage is relaxed to about 3 V, and the design of the sense amplifier can be facilitated.
[0027]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The memory cell used in FIG. 6 has the cross-sectional view shown in FIG. A rewriting method similar to that of the third embodiment is employed. As a result, the influence of the drain disturb phenomenon is reduced, and the drain terminals of the two memory cells M11 and M12 on the same word line W1 can be connected to the common data line D1. Here, MOS transistors 1 and 2 are provided for the two source lines S1 and S2.
[0028]
At the time of writing, the MOS transistor 1 is turned on when writing data to M11, and the MOS transistor 2 is turned on when writing data to M12. Further, in order to prevent a malfunction at the time of reading, the control line on the source side is separated into two SS1 and SS2.
[0029]
In this embodiment, in addition to the effects shown in the third embodiment, the number of data lines can be reduced, and the effective memory cell area can be reduced.
[0030]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, each of the source-side control lines SS and SG is one in the fourth embodiment. Therefore, the word lines of the memory cells connected to the source lines S1 and S2 are separated from each other. Also in this embodiment, in addition to the effects shown in the third embodiment, the number of data lines can be reduced, and the effective memory cell area can be reduced.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a nonvolatile semiconductor memory device in which a threshold voltage of a memory cell is changed by using a tunnel emission phenomenon of electrons between a floating gate electrode and a drain or a source diffusion layer, a memory cell is selected at the time of electron tunnel emission. Variations in the threshold voltage of the memory cell due to the generation of hot electrons when charging the drain line or the source line via the memory cell on the non-word line can be suppressed, and the data retention characteristics of the memory cell can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a memory cell according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a timing chart of each signal line in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a memory cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a timing chart of each signal line in a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of a flash memory cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of a memory cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of a memory cell according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference numerals 1, 2,... MOS transistors, 3.... Peripheral circuits such as sense amplifiers, 4..

Claims (3)

電気的に浮遊ゲートへの書込み消去が可能な不揮発性半導体メモリセルをマトリックス状に配置したメモリアレイを備え、データ線とソース線の間に複数個の前記不揮発性半導体メモリセルが接続され、前記不揮発性半導体メモリセルに対して並列に接続された第1のMOSトランジスタを介して各データ線がソース線に接続され、各ソース線が第2のMOSトランジスタを介して共通ソース線に接続され、前記不揮発性半導体メモリセルの前記浮遊ゲートから電子を引き抜く動作において、予め、前記第2のMOSトランジスタをオフ状態としてソース線を共通ソース線から電気的に分離し、前記第1のMOSトランジスタを用いて前記データ線の電圧と前記ソース線を電気的に接続することを特徴とする不揮発性半導体回路。A memory array in which nonvolatile semiconductor memory cells capable of electrically writing and erasing data to a floating gate are arranged in a matrix, wherein a plurality of the nonvolatile semiconductor memory cells are connected between a data line and a source line; Each data line is connected to a source line via a first MOS transistor connected in parallel to the nonvolatile semiconductor memory cell, and each source line is connected to a common source line via a second MOS transistor; In the operation of extracting electrons from the floating gate of the nonvolatile semiconductor memory cell, the second MOS transistor is turned off in advance to electrically separate a source line from a common source line, and to use the first MOS transistor. And electrically connecting the voltage of the data line and the source line. 請求項1において、前記不揮発性半導体メモリセルの前記不揮発性半導体浮遊ゲートから電子を引き抜く動作において、電子を引き抜く動作が完了後、前記不揮発性半導体メモリセルのゲートに接続されたワード線の電圧を0Vとした後、前記第1のMOSトランジスタをオフ状態として前記データ線を前記ソース線から電気的に分離する不揮発性半導体回路。2. The operation according to claim 1, wherein in the operation of extracting electrons from the nonvolatile semiconductor floating gate of the nonvolatile semiconductor memory cell, after the operation of extracting electrons is completed, the voltage of a word line connected to the gate of the nonvolatile semiconductor memory cell is reduced. A non-volatile semiconductor circuit that electrically disconnects the data line from the source line by turning off the first MOS transistor after setting the voltage to 0V; 請求項1において、前記不揮発性半導体メモリセルの前記浮遊ゲートから電子を引き抜く動作において、予め、前記第1のMOSトランジスタを用いて、データ線の電圧とソース線を電気的に接続し、続いて前記不揮発性半導体メモリセルのゲートに接続されたワード線の電圧を消去に必要な所定の電圧とし、さらに、電子を引き抜く動作が完了後、前記ワード線の電圧を0Vとした後、前記第1のMOSトランジスタをオフ状態としてデータ線をソース線から電気的に分離する不揮発性半導体回路。2. The operation according to claim 1, wherein in the operation of extracting electrons from the floating gate of the nonvolatile semiconductor memory cell, a voltage of a data line and a source line are electrically connected in advance using the first MOS transistor. After the voltage of the word line connected to the gate of the nonvolatile semiconductor memory cell is set to a predetermined voltage necessary for erasing, and after the operation of extracting electrons is completed, the voltage of the word line is set to 0 V, A non-volatile semiconductor circuit that electrically separates a data line from a source line by turning off the MOS transistor.
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