JP3563452B2 - セル閾値分布検知回路およびセル閾値分布検知方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置(不揮発性メモリ)に係り、特にメモリセルアレイにおける同一ワード線に接続されている複数個の不揮発性メモリセルのそれぞれの閾値電圧の分布を検知するための検知回路および検知方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的書込み・消去可能な不揮発性メモリセルのアレイを持つEEPROMや紫外線消去・電気的書込み可能な不揮発性メモリセルのアレイを持つEPROMでは、浮遊ゲートおよび制御ゲートが絶縁膜を介して積層されたゲート構造を有するセルトランジスタを用い、記憶情報の”1” 、”0” に応じてセルトランジスタの閾値電圧を異ならせて保持している。
【0003】
上記したような積層ゲート構造を有するセルトランジスタは、浮遊ゲート中に電荷を蓄積すると閾値が高くなってセルトランジスタを流れるセル電流が減少し、浮遊ゲート中の電荷を抜き取ると閾値は低くなってセル電流が増大する。
【0004】
上記セルトランジスタの記憶内容を読み出すための読み出し回路は、セル電流を電圧に変換するための負荷回路とセンス増幅回路とを組合わせたものであり、閾値がある判定基準電圧を越えたセルの記憶情報を”0” データ、閾値が判定基準電圧以下になったセルの記憶情報を”1” とし、連続的な閾値の情報をデジタルな記憶情報に変換して読み出しを行なっている。
【0005】
一方、不揮発性メモリの開発に際しては、セルトランジスタの様々な特性を測定し、その信頼性を評価する。この測定・評価としては、セルトランジスタの静特性の測定は勿論のこと、書込み・消去特性やデータの保持特性、閾値分布など多くの評価項目があり、様々なプロセス条件で形成されたセルトランジスタについて評価を行ない、最適条件の決定や不良原因の解析などを行なう。
【0006】
また、これらの評価は、単体のメモリセルについても行なうが、アレイ状に構成されたメモリセル群は様々な点で単体のメモリセルとは異なる影響を受けることが考えられ、また、大量のセルについて特性の分布を測定する必要があることから、アレイ状に構成されたメモリセル群の特性を測定することが重要である。
【0007】
ところで、前記セルアレイのセルトランジスタの閾値分布はできるだけ狭い範囲に分布していることが望ましく、かつ、読みだし判定基準電圧からマージンを持って分布している必要がある。
【0008】
しかし、セルトランジスタの閾値分布は、一般に書込み・消去を繰り返すうちに広がり、これが原因となって判定基準電圧からの余裕が少なくなり、読み出しにおける余裕が少なくなるので、読み出し速度の低下、ひいては誤動作をまねくおそれも生じる。
【0009】
上述のような理由から、不揮発性メモリでは、セルトランジスタの閾値分布を基準電圧から余裕を持って分布させるために、書込み・消去後に閾値分布の最大値、もしくは最小値が判定基準電圧に対して所望の余裕を確保できているかどうか判定し、確保できていなければ書き込み、もしくは消去動作を繰り返す工夫がなされている。
【0010】
例えばNOR 型EEPROMにおいては、消去動作時にセルトランジスタの閾値分布の最大値と判定基準電圧の余裕を確保するために、ワード線電圧をメモリの外部供給電源電位VCCより所定の余裕分だけ低目に設定して読み出し動作を行なう。この時、全てのセルが”1” であれば閾値分布の最大値は判定基準電圧からの余裕が確保されていることになる。このため、全て”1” になるまで消去を続け、読み出し判定基準電圧からの余裕を確保する。同様に、書き込み時の閾値分布の最小値の余裕の確保も行ない、信頼性の向上を図っている。
【0011】
従来、不揮発性メモリセルの信頼性を評価する方法の1つとして、書込み・消去を何度も繰り返し、その時の閾値分布の変化を測定する方法があり、この測定によりセルのゲート酸化膜などの劣化を評価することができる。この際、書込み・消去動作によりセルのゲート酸化膜が劣化すると、浮遊ゲートへの電荷の出入りが生じ易くなり、書込み・消去が早くなり、セルの書込み・消去特性のばらつきが大きくなり、結果として閾値分布が広くなることが知られている。
【0012】
このようなセルのゲート酸化膜の劣化を極力低減させることがプロセス技術として要求されるので、セルの信頼性評価テストを容易に行なうことができる手段が用意されているのが一般的である。セルの閾値を測定する手段の最も簡単な例として、ワード線電圧を制御して読み出しを行なう方法がある。
【0013】
即ち、選択セルのワード線電圧を外部から制御し、低い電圧から高い電圧へと変化させながら読み出し動作を行なう。この時、”0” データから”1” データに変わった時のワード線電圧が選択セルの閾値であると言える。これを全セルについて繰り返し行なえば、全セルの閾値分布を得ることができる。
【0014】
これに対して、セルの通常の読み出し動作では、選択セルのワード線に外部供給電源電位VCCを供給し、この時のセル電流と基準セルに流れる基準セル電流とを比較し、セル電流が多いと”1” 、基準セル電流が多いと”0” と判断する。
【0015】
また、選択セルのワード線電圧は外部供給電源電位VCCとしておき、基準セルのゲート電圧を外部から制御して読み出し動作を行ない、これを全セルについて繰り返し行なっても、全セルの閾値分布を得ることができる。
【0016】
しかし、上述したように選択セルのワード線電位、もしくは基準セルのゲート電圧を外部から制御しながら1ビットの読み出し動作を全セルアレイにわたって繰り返す検知方法は、全ビット数と同じだけの読み出し回数が必要であり、セルの閾値分布測定に長時間が必要となる。
【0017】
また、1ビットづつ読み出し動作を行なうためには、メモリセルアレイのアドレスを高速に順次選択する必要があり、これにはAC的な測定が可能な高価な測定器が必要となり、評価にかかる費用が増大する。
【0018】
また、メモリセルアレイのメモリ容量が増加すると、セルトランジスタの閾値分布は一般に広がってくるので信頼性を評価するための閾値分布特性測定の重要性が高まってくるが、上記したように測定に長時間が必要となるという問題はメモリ容量の増大に伴って顕著に現れてくる。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように不揮発性メモリのメモリセルアレイのセルトランジスタの閾値分布を測定する場合、従来は単一ビットの読み出し動作を繰り返し行うので、閾値分布測定に長時間が必要となるという問題があった。
【0020】
本発明は上記の問題点を解決すべくなされたもので、不揮発性メモリのメモリセルアレイの1行のセルトランジスタの閾値分布を1回のI− V特性測定で簡単に測定し得るセル閾値分布検知回路およびセル閾値分布検知方法を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明のセル閾値分布検知回路は、半導体基板上に形成され、不揮発性メモリセルを構成するセルトランジスタが行列状に配置されたメモリセルアレイと、上記メモリセルアレイのそれぞれ同一行のセルトランジスタに共通に接続され、行選択を行うためのワード線電圧が選択的に印加され、かつ、上記ワード線電圧が連続的に制御される複数本のワード線と、それぞれ前記メモリセルアレイのセルトランジスタとの間でデータの授受を行うための複数本のビット線と、上記メモリセルアレイにおける各ビット線と第1の外部電圧供給端子との間にそれぞれ接続された複数個のビット線負荷と、前記各ビット線に対応して設けられ、それぞれ、ドレインが第2の外部電圧供給端子に接続され、ゲートがビット線に接続された第1のNMOSトランジスタと、ドレインが第3の外部電圧供給端子に接続され、ゲートが基準電圧に接続され、ソースが前記第1のNMOSトランジスタのソースに共通に接続された第2のNMOSトランジスタと、上記2個のNMOSトランジスタのソース共通接続ノードと接地ノードとの間に接続された定電流源とからなり、それぞれ対応するビット線の電圧を基準電圧と比較する複数個の電圧比較回路と、前記複数本の各ワード線の電圧を選択的にかつ連続的に制御可能なワード線電圧制御手段とを具備することを特徴とする。
【0022】
また、本発明のセル閾値分布検知方法は、上記したようなセル閾値分布検知回路を形成する第1のステップと、前記メモリセルアレイにおける非選択行のワード線に接続されている全てのメモリセルをオフ状態に制御するように上記非選択行のワード線の電圧を制御した状態で、上記メモリセルアレイにおける選択行のワード線の電圧を上記選択行に接続されている全てのメモリセルがオフ状態になる電圧から全てのメモリセルがオン状態になる電圧まで徐々に上げていき、上記選択行のワード線の電圧の変化に伴って前記第2の外部電圧供給端子に流れる電流および第3の外部電圧供給端子に流れる電流のうちの少なくとも一方を微分することによりセル閾値分布を検知する第2のステップとを具備することを特徴とする。
【0024】
本発明のセル閾値分布検知方法を用いて、前記メモリセルアレイにおける非選択行のワード線に接続されている全てのメモリセルをオフ状態に制御するように上記非選択行のワード線の電圧を制御した状態で、上記メモリセルアレイにおける選択行のワード線の電圧を上記選択行に接続されている全てのメモリセルがオフ状態になる電圧から全てのメモリセルがオン状態になる電圧まで徐々に上げていくと、閾値の低いセルに接続されているビット線から閾値の高いセルに接続されているビット線の順にビット線電位が低下していき、各ビット線にそれぞれ接続されている電圧比較回路が順に反転し、第2の外部電圧供給端子に流れる電流が徐々に減少し、第3の外部電圧供給端子に流れる電流が徐々に増加する。この場合、1行のセルトランジスタの閾値がガウス分布で分布しているものと仮定すると、上記選択行のワード線の電圧の変化に伴って第2の外部電圧供給端子に流れる電流および第3の外部電圧供給端子に流れる電流の少なくとも一方を微分することにより、同一ワード線に接続されている複数個の不揮発性メモリセルのそれぞれの閾値電圧の分布を検知することが可能になる。
【0025】
このように1回のI− V特性測定で1行のセルトランジスタの閾値分布を測定できるので、何度も何度も読み出し動作を繰り返す従来の方法に比べて格段に簡単に測定ができる。この特長は、メモリ容量が増加するにつれて問題になってくる評価、テストの時間の増大に対して非常に有用であり、評価のコストの低減やテスト時間の短縮を図ることができる。
【0026】
また、本発明のセル閾値分布検知回路を用いた測定では、メモリセルアレイのアドレスを1行単位で順次選択すればよく、ACテスタのような高価な測定機器を用いなくても安価なDC測定装置を用いて閾値分布を測定することができるので、評価コストを低減することができる。さらに、閾値分布を波形として出力することができるので、大量の記憶装置は必要なく、その分の評価コストも低減することができる。
【0027】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明をNOR 型EEPROMに適用した第1実施例の一部を示している。
図1において、10はNOR 型EEPROMのメモリセルを構成するセルトランジスタM21が行列状に配置されたメモリセルアレイ、WLは上記メモリセルアレイ10のそれぞれ同一行のセルトランジスタに共通に接続された複数本のワード線と、BLは上記メモリセルアレイ10のそれぞれ前記メモリセルアレイのセルトランジスタとの間でデータの授受を行うための複数本のビット線であり、それぞれ代表的に3本づつ示す。
【0028】
M11は上記各ビット線BLと第1の外部電圧供給端子である第1のパッド11との間にそれぞれ接続された複数個のビット線負荷であり、本例ではNMOSトランジスタが用いられている。
【0029】
CPは前記各ビット線BLに対応して設けられ、それぞれ対応するビット線BLの電圧Vbit を基準電圧VREF と比較し、比較結果に応じた電流を流す複数個の電圧比較回路である。
【0030】
上記各電圧比較回路CPは、ビット線電圧Vbit が基準電圧VREF より大きい場合に第1の電流を流す第1の電流ノードおよびビット線電圧Vbit が基準電圧VREF より小さい場合に第2の電流を流す第2の電流ノードを有し、それぞれの第1の電流ノードは第2の外部電圧供給端子である第2のパッド12に共通に接続され、それぞれの第2の電流ノードは第3の外部電圧供給端子である第3のパッド13に共通に接続されている。
【0031】
上記各電圧比較回路CPの一具体例は、ドレインが第2のパッド12に接続され、ゲートがビット線BLに接続された第1のNMOSトランジスタM31と、ドレインが第3のパッド13に接続され、ゲートが外部制御可能な基準電圧VREF に接続され、ソースが前記第1のNMOSトランジスタM31のソースに共通に接続された第2のNMOSトランジスタM32と、上記2個のNMOSトランジスタM31、M32のソース共通接続ノードAと接地電位ノードとの間に接続された定電流源M33とからなる。
【0032】
つまり、各ビット線BLに対応して設けられた複数の電圧比較回路CPは、それぞれ第1のNMOSトランジスタM31のドレインが第2のパッド12に共通に接続され、それぞれ第2のNMOSトランジスタM32のドレインが第3のパッド13に共通に接続されている。
【0033】
上記複数個のビット線負荷M11および複数個の電圧比較回路CPは、メモリセルアレイ10における同一ワード線WLに接続されている複数個のセルトランジスタM21のそれぞれの閾値電圧の分布を検知するためのセル閾値分布検知回路の一部を構成している。
【0034】
上記セル閾値分布検知回路は、半導体基板ウエハー上のテストエレメントグループ(TEG)の領域に形成される場合と、メモリチップの領域に形成される場合とがある。
【0035】
なお、メモリセルアレイの各行のセルトランジスタの閾値分布を検知する際に各ワード線電圧VWLを選択的にかつ連続的に制御するために、上記実施例では、各ワード線WLをそれぞれ対応して第4の外部電圧供給端子である第4のパッド17に引き出しておき、外部から直接に各ワード線電圧VWLを選択的にかつ連続的に制御するようにしているが、各ワード線電圧VWLを選択的にかつ連続的に制御するワード線電圧制御手段をウエハー上に形成しておいてもよい。
【0036】
このワード線電圧制御手段の一例としては、複数ビットの行アドレス信号が入力するアドレス入力端子と、このアドレス入力端子に入力する行アドレス信号をデコードするワード線選択回路と、このワード線選択回路の出力信号に応じて対応するワード線を選択し、選択したワード線に連続的に変化するワード線駆動電圧を供給するためのワード線駆動回路とを設けておけばよい。
【0037】
図2(a)、(b)は、図1中のメモリセルアレイ10における特定の1本のビット線BLとそのビット線負荷M11に注目した回路図を示し、この特定のビット線BLの電圧の変化を説明するための特性図を示している。
【0038】
図2(b)中、特性1はビット線負荷トランジスタM11の特性を示す。ビット線電位Vbit がビット線負荷トランジスタM11のゲート電圧VDRV と同じ時にはセル電流ICELLは流れないが、ビット線電位Vbit が低下するにつれてセル電流ICELLは増加する。上記特性1の傾きは、ビット線負荷トランジスタM11の相互コンダクタンスgmによって決定され、ビット線負荷トランジスタM11のチャネル幅/チャネル長(W/L)が小さく、その抵抗が大きい程、上記特性1の傾きは緩やかになる。
【0039】
図2(b)中、特性2〜特性4はセルトランジスタM21のビット線電位Vbit に対する特性を示す。セルトランジスタM21のゲート電圧(ワード線電圧VWL)がセルトランジスタM21の閾値より低い場合、特性2を示し、ワード線電圧VWLを上げるにつれて特性3、4へと変化する。
【0040】
ここで、特性2の時のワード線電圧をVWL1 とし、特性4の時のワード線電圧をVWL2 とすると、ワード線電圧をVWL1 からVWL2 に変化させるとビット線電圧はVbit1からVbit2へと変化する。このワード線電圧VWL対ビット線電圧Vbit の特性の一例を図3に示した。
【0041】
次に、セルトランジスタM21の閾値によりビット線電位Vbit がどのように影響を受けるかについて図4を参照しながら説明する。
図4に示すVWL対Vbit の特性図において、特性5はセルトランジスタM21の閾値が例えば1Vのように低い場合、特性6はセルトランジスタM21の閾値が例えば5Vのように閾値が高い場合を示している。
【0042】
この図4の特性図は、ワード線電圧VWLが同じ場合には、閾値の低いセルトランジスタの方が閾値の高いセルトランジスタよりもセル電流ICELLを多く流すことができ、閾値の低いセルトランジスタに接続されているビット線BLの電位Vbit が閾値の高いセルトランジスタに接続されているビット線BLの電位Vbit よりも低くなることを示している。
【0043】
次に、図1中の電圧比較回路CPについて図5を参照しながら説明する。
この電圧比較回路CPにおいて、2個のNMOSトランジスタM31、M32のソース共通接続ノードAには電流I0 を流すための定電流源M33が接続されている。ノードAにおいてキルヒホッフの法則を適用すると、NMOSトランジスタM31、M32に流れる電流I1 、I2 と定電流源M33に流れる電流I0 の関係はI1 +I2 =I0 の関係がある。NMOSトランジスタM31、M32のゲート電圧Vin, VREF が全く同じ場合、この電圧比較回路CPは構成が対称的であるので、I1 =I2 が成り立ち、I1 =I2 =I0 /2 となる。
【0044】
また、ビット線入力側のゲート電圧Vinが基準入力側のゲート電圧VREF より閾値電圧Vth以上高い時には、NMOSトランジスタM32はオフ状態になり、I2 =0となる。つまり、I1 =I0 が成り立つ。上記とは逆に、基準入力側のゲート電圧VREF の方がビット線入力側のゲート電圧Vinより閾値電圧Vth以上高い時には、I1 =0となり、I2 =I0 となる。この特性を図6に示す。
【0045】
次に、図1中のメモリセルアレイにおける単一のビット線BLに着目して動作を説明する。ここで、特定の選択行だけ考え、他の非選択行には全て0Vを加えておき、非選択行に接続されている全てのセルトランジスタM21をオフ状態に制御しているものとする。
【0046】
初期状態として、選択行のワード線電位を0Vとする。この時、上記選択行のセルトランジスタM21は、オフしているので、図3中の動作点aに相当し、それに接続されているビット線BLの電位Vbit はVbit1である。この後、上記セルトランジスタM21のゲートに接続されているワード線WLの電圧VWLを徐々に上昇させると、セルトランジスタM21の動作点はbからcへと移っていく。
【0047】
なお、電圧比較回路CPの基準電圧VREF を図3中のVbit1とVbit2の間に設定しておくものとする。動作点aの時には、VREF よりVbit1のほうが高電位であるので、I1 =I0 となる。ワード線電圧VWLを上げ、動作点がbを経てcになった場合、VREF の方がVbit2より高くなるので、I1 =0、I2 =I0 となる。
【0048】
また、各ビット線BLにそれぞれ接続されている電圧比較回路CPは、第1のNMOSトランジスタM31のドレインに接続されている第2のパッド12が全カラムで共通に接続されており、第2のNMOSトランジスタM32のドレインに接続されている第3のパッド13が全カラムで共通に接続されている。これにより、各カラムに対応する第1のNMOSトランジスタM31の電流I1 をそれぞれ合計した電流Ileftが第2のパッド12に流れ、各カラムに対応する第2のNMOSトランジスタM32の電流I2 をそれぞれ合計した電流Iright が第3のパッド13に流れる。
【0049】
次に、図1のNOR 型EEPROMにおける各行毎のセルトランジスタの閾値分布検知方法について、図7を参照しながら説明する。
まず、非選択行には全て0Vを加えておき、非選択行に接続されている全てのセルトランジスタM21をオフ状態に制御しておく。この状態で、選択行のワード線電圧VWLを0Vとして選択行の全てのセルトランジスタM21をオフ状態にした場合には、全てのビット線BLのビット線電位Vbit が基準電圧VREF より高くなり、全ての電圧比較回路CPにおいてI1 =I0 となるので、Ileft=I0 ×カラム数となり、Iright =0となる。
【0050】
この後、上記選択行のワード線電圧VWLを0Vから徐々に上げていくと、図4中の特性にしたがって、閾値の低いセルM21に接続されているビット線BLから閾値の高いセルM21に接続されているビット線BLの順にビット線電位Vbit が低下していき、各ビット線BLにそれぞれ接続されている電圧比較回路CPが順に反転し、Ileftが徐々に減少し、Iright が徐々に増加する。この様子を図7に示す。
【0051】
図7は、1行分のセルトランジスタM21の閾値がガウス分布で分布しているものと仮定した場合のVWL対Ileft, Iright の特性を示す。
この特性において、Ileft/I0 がオンしたセルの数であり、Iright /I0 がオフしているセルの数である。つまり、Ileftの微分値またはIright の微分値が1行分のセルトランジスタM21の閾値分布になる。
【0052】
なお、電圧比較回路CPの定電流源M33の電流値I0 は、図7の特性の全体のスケールに関係する。この定電流源M33は、図5中に示したようにNMOSトランジスタM33で簡単に構成することができ、この定電流源用トランジスタM33のゲート電圧VIOを第5のパッド14から直接に制御し得るように構成しておくことが望ましい。これにより、定電流源M33の電流値を制御することが可能になり、この電流値を制御することにより、閾値分布測定の感度(精度)を調整でき、ウエハー上のチップ間、製造ロット間のばらつきを吸収できる。
【0053】
上記と同様に、ビット線負荷トランジスタM11のゲート電圧VDRV を第6のパッド15から直接に制御し得るように構成しておけば、その電流値を制御することにより、セル電流に関するウエハー上のチップ間、製造ロット間のばらつきを吸収できるようになる。
【0054】
また、図5に示した電圧比較回路CPの基準電圧VREF を第7のパッド16から直接に制御し得るように構成しておくことが望ましい。
即ち、上記第1実施例のメモリセル閾値分布検知回路およびメモリセル閾値分布検知方法によれば、メモリセルアレイ10における非選択行のワード線WLに接続されている全てのメモリセルM21をオフ状態に制御するように上記非選択行のワード線WLの電圧を制御した状態で、上記メモリセルアレイ10における選択行のワード線WLの電圧を上記選択行に接続されている全てのメモリセルM21がオフ状態になる電圧から全てのメモリセルM21がオン状態になる電圧まで徐々に上げていくと、閾値の低いセルM21に接続されているビット線BLから閾値の高いセルM21に接続されているビット線BLの順にビット線電位Vbit が低下していき、各ビット線BLにそれぞれ接続されている電圧比較回路CPが順に反転し、第2のパッド12に流れる電流Ileftが徐々に減少し、第3のパッド13に流れる電流Iright が徐々に増加する。この場合、1行分のセルトランジスタM21の閾値がガウス分布で分布しているものと仮定すると、上記選択行のワード線WLの電圧の変化に伴って第2のパッド12に流れる電流Ileftあるいは第3のパッド13に流れる電流Iright を微分することにより、同一ワード線WLに接続されている複数個のメモリセルM21のそれぞれの閾値電圧の分布を検知することが可能になる。
【0055】
なお、上記したようにIleftあるいはIright を微分する際、その電流値が小さい領域の方が大きい領域よりも正確な測定が可能である。そこで、前記第2のパッド12に流れる電流Ileftと第3のパッド13に流れる電流Iright との大小関係を比較し、小さい方の電流を微分するように切り換えることが望ましい。
【0056】
また、図7の特性において、ワード線電圧VWLが低い領域においてIleftは厳密には一定ではなく、ワード線電圧VWLが高い領域においてIright は厳密には一定ではない。そこで、前記したようにIleftの微分に代えてIleft/(Ileft+Iright )を微分し、Iright の微分に代えてIright /(Ileft+Iright )を微分するように正規化処理を行うことが望ましい。
【0057】
このように不揮発性メモリのメモリセルアレイ10の1行分のセルトランジスタM21の閾値分布を1回のI− V特性測定で測定できるので、何度も何度も読み出し動作を繰り返す従来の方法に比べて格段に簡単に測定ができる。この特長は、メモリ容量が増加するにつれて問題になってくる評価、テストの時間の増大に対して非常に有用であり、評価のコストの低減やテスト時間の短縮を図ることができる。
【0058】
また、上記第1実施例のメモリセル閾値分布検知回路を用いた測定では、メモリセルアレイ10のアドレスを1行単位で順次選択すればよいので、従来のような読み出し動作を用いた閾値分布の測定をする場合に比べて、ACテスタのような高価な測定機器を用いなくても安価なDC測定装置を用いて閾値分布を測定することができるので、評価コストを低減することができる。
【0059】
さらに、従来のような読み出し動作を用いた閾値分布の測定をする場合には、大量のメモリに各ビットの閾値情報を記憶しておく必要があるが、上記第1実施例のメモリセル閾値分布検知回路を用いた測定では、閾値分布を波形として出力することができるので、大量の記憶装置は必要なく、その分の評価コストも低減することができる。
【0060】
また、上記第1実施例のメモリセル閾値分布検知回路は、1つのビット線BLにつき4つのNMOSトランジスタM11、M31、M32、M33で構成することができるので、他のセルアレイ周辺回路をNMOSのみで構成すればPMOS用の工程を行なわなくても回路を実現することができる。
【0061】
また、上記4つのトランジスタM11、M31、M32、M33のうち、ビット線負荷トランジスタM11は電流を絞るためにある程度のチャネル長Lが必要であるが、その他のトランジスタM31、M32、M33は小さなサイズで構成できるので、面積は小さくて済むという利点がある。
【0062】
実際に大容量のメモリ集積回路を開発する場合には、セルアレイの設計、評価とセルアレイ周辺回路の設計、評価は分離して行なうことも多く、セルアレイの評価を行なう時には工程をできるだけ簡略化して評価したい。この場合に、上記メモリセル閾値分布検知回路はNMOSのみで構成でき、PMOS工程を行なわなくて済むので適している。
【0063】
また、前記したようなセルアレイの評価はセルアレイ周辺回路のトランジスタの特性が確定する前に評価することが多いが、上記メモリセル閾値分布検知回路はトランジスタの閾値が変動しても、ビット線負荷トランジスタM11のゲート電圧VDRV や、電圧比較回路CPの基準電圧VREF および定電流源用NMOSトランジスタM33のゲート電圧VIOなどの電圧を外部から制御することにより上記変動を補うことができるので、開発初期の評価に適している。
【0064】
さらに、大容量のメモリの開発初期には低コストのプロセスでセルアレイの評価を行なうことができ、セルアレイ周辺回路の設計が完成した後にセルアレイと組み合わせて本体回路(メモリ回路)を構成する際、上記メモリセル閾値分布検知回路を組み込むことにより開発初期の評価結果と相関のとれた評価を行なうことができ、効率的な開発を行なうことができる。
【0065】
この場合には、PMOS工程を行うので、前記ビット線負荷トランジスタM11としてPMOSトランジスタを用いてもよく、また、閾値分布検知回路の一部を本体回路と兼用するようにしてもよい。
【0066】
図8は、本発明をNAND型EEPROMに適用した第2実施例の一部を示している。
図8に示すNAND型EEPROMのメモリセルアレイ80においては、前述のNOR 型EEPROMにおけるセルトランジスタM21と異なり、ナンド束が各ビット線BLに複数組(本例では代表的に1組を示す。)接続されている。
【0067】
このナンド束は、ビット線BLとソース線(図示せず)との間に、ビット線側選択ゲート用トランジスタM41と、複数個のセルトランジスタM42と、ソース側選択ゲート用トランジスタM43とが直列に接続されており、各ナンド束のソース線は共通に接続されて共通ソース線(図示せず)となっている。
【0068】
なお、図8において、CPは図5中に示したものと同様の電圧比較回路である。また、NMOSトランジスタM11は図2中に示したものと同様の負荷トランジスタである。
【0069】
このNAND型EEPROMのメモリセルアレイにおいて、ワード線電圧VWLとビット線電圧Vbit との関係は、基本的には図2を参照して説明したのと同じ関係にある。但し、選択されたナンド束のうち、選択行のセルトランジスタM42に直列に接続されている非選択行の複数個のセルトランジスタM42については、そのワード線電圧VWLを第1のパッド11に印加される電源電圧VCC以上の十分に高い電圧にしておき、パストランジスタとして動作させる。
【0070】
通常、NAND型EEPROMのメモリセルアレイは複数のブロックに分割されているが、選択されたブロックのビット線側選択ゲート用トランジスタM41のゲート電圧V SELBやソース線側選択ゲート用トランジスタM43のゲート電圧VSELSもワード線電圧VWLと同様に十分高い電圧を加え、抵抗成分が極力発生しないようにすると、図2(b)と同様の特性が得られる。
【0071】
なお、直列に接続された複数個のトランジスタM41、M42、M43の抵抗成分やこれに伴うバックバイアス効果により、セル電流ICELLはNOR 型EEPROMよりもかなり少なくなるので、ビット線負荷トランジスタM11の抵抗成分(図2b中の特性1の傾きに相当)を十分大きくとる必要がある。
【0072】
また、電圧比較回路CPの動作はNOR 型EEPROMの場合と全く同じであるので、最終的にVWL対Ileft, Iright の特性は図7に示すような関係になり、前記実施例と同様にワード線電圧を変化させつつ電流の微分をとることにより、1行分のセルトランジスタM42の閾値分布を簡単に、かつ、短時間で測定することができる。
【0073】
但し、NAND型EEPROMではセルトランジスタM42の閾値の分布は−2V〜2V程度に分布しているので、VWL対Ileft, Iright 特性を測定する時にはワード線電圧VWLを負の電圧から制御しなくていはならない。
【0074】
即ち、上記第2実施例においても、非選択のナンド束をオフ状態に制御した状態で、選択されたナンド束における非選択行のワード線電圧VWLをVCC以上の十分に高い電圧にして非選択行のセルトランジスタM42をパストランジスタとして動作させておき、この状態で選択行のセルトランジスタM42に対して前記した第1実施例に準じた検知方法を採用することにより、第1実施例と同様な閾値分布検知動作が得られるので、第1実施例と同様な効果が得られる。
【0075】
なお、本発明において、選択行のセルトランジスタの閾値分布を測定する際に、ワード線電圧VWLを選択行の全てのセルトランジスタがオフする電圧から徐々に増加させていき、選択行の全てのセルトランジスタがオンする電圧まで増加させていく。この場合、閾値分布が広いと、閾値の低いセルトランジスタはワード線電圧を上げ過ぎるとセル電流が流れ過ぎてしまうおそれがある。
【0076】
しかし、NAND型セルアレイの場合には、ナンド束をなすトランジスタ群のソース側にもソース線側選択ゲート用トランジスタM43が接続されているので、このトランジスタM43のゲート電圧VSELSを制御することによりセルトランジスタM42に流れる最大電流値を制限することができ、この問題を回避することができる。つまり、上記ソース側選択ゲート用トランジスタM43は、ゲート電圧VSELSで決まるある一定電流以上は流さないように動作するので、セルトランジスタM42にセル電流ICELLが流れ過ぎるのを防ぐことができる。
【0077】
なお、NOR 型セルアレイのセルトランジスタM21にセル電流ICELLが流れ過ぎるのを防ぐための解決法としては、ビット線負荷M11の抵抗成分を大きくすることで実現できる。図2(b)中の特性1で分かる通り、セル電流ICELLの最大値は上記ビット線負荷M11の特性で決まる。ビット線負荷にトランジスタM11を用いた場合には、この負荷トランジスタM11のゲート電圧VDRV を低くすることでセル電流ICELLの最大値を低く抑えることもできる。
なお、上記実施例は、EEPROMを示したが、本発明は、EPROMやマスクROMなどにも適用可能である。
【0078】
【発明の効果】
上述したように本発明のメモリセル閾値分布検知回路およびメモリセル閾値分布検知方法によれば、1回のI− V特性の測定で不揮発性メモリのメモリセルアレイの1行のセルトランジスタの閾値分布を測定できるので、何度も何度も読み出し動作を繰り返す従来の方法に比べて格段に簡単に測定ができる。この特長は、メモリ容量が増加するにつれて問題になってくる評価、テストの時間の増大に対して非常に有用であり、評価のコストの低減やテスト時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセル閾値分布検知回路をNOR 型EEPROMに適用した第1実施例の一部を示す回路図。
【図2】図1中のメモリセルアレイにおける特定のビット線とそのビット線負荷に注目した回路図および特定のビット線の電圧の変化を説明するために示す特性図。
【図3】図2中の特性図におけるワード線電圧対ビット線電圧の特性の一例を示す図。
【図4】図3中の特性図においてセルトランジスタの閾値によりビット線電位がどのように影響を受けるかを説明するために示す特性図。
【図5】図1中の電圧比較回路の1個分を取り出して一例を示す回路図。
【図6】図1のNOR 型EEPROMにおける電圧比較回路の動作を示す特性図。
【図7】図1のNOR 型EEPROMにおける各行毎のセルトランジスタの閾値分布がガウス分布で分布しているものと仮定した場合の閾値分布検知方法を説明するために示す特性図。
【図8】本発明のセル閾値分布検知回路をNAND型EEPROMに適用した第2実施例の一部を示す回路図。
【符号の説明】
10…メモリセルアレイ、11…第1のパッド、12…第2のパッド、13…第3のパッド、14…第4のパッド、15…第5のパッド、16…第6のパッド、M11…ビット線負荷、M21…メモリセル、CP…電圧比較回路。
Claims (10)
- 半導体基板上に形成され、不揮発性メモリセルを構成するセルトランジスタが行列状に配置されたメモリセルアレイと、
上記メモリセルアレイのそれぞれ同一行のセルトランジスタに共通に接続され、行選択を行うためのワード線電圧が選択的に印加され、かつ、上記ワード線電圧が連続的に制御される複数本のワード線と、
それぞれ前記メモリセルアレイのセルトランジスタとの間でデータの授受を行うための複数本のビット線と、
上記メモリセルアレイにおける各ビット線と第1の外部電圧供給端子との間にそれぞれ接続された複数個のビット線負荷と、
前記各ビット線に対応して設けられ、それぞれ、ドレインが第2の外部電圧供給端子に接続され、ゲートがビット線に接続された第1のNMOSトランジスタと、ドレインが第3の外部電圧供給端子に接続され、ゲートが基準電圧に接続され、ソースが前記第1のNMOSトランジスタのソースに共通に接続された第2のNMOSトランジスタと、上記2個のNMOSトランジスタのソース共通接続ノードと接地ノードとの間に接続された定電流源とからなり、それぞれ対応するビット線の電圧を基準電圧と比較する複数個の電圧比較回路と、
前記複数本の各ワード線の電圧を選択的にかつ連続的に制御可能なワード線電圧制御手段
とを具備することを特徴とするセル閾値分布検知回路。 - 半導体基板上に形成され、不揮発性メモリセルを構成する複数のセルトランジスタが行列状に配置されたメモリセルアレイと、
上記メモリセルアレイの対応する行のセルトランジスタに接続された複数のワード線と、
上記メモリセルアレイのセルトランジスタとの間でデータの授受を行う複数のビット線と、
上記ビット線に対応して接続され、それぞれ、ドレインが第2の外部電圧供給端子に接続され、ゲートがビット線に接続された第1のNMOSトランジスタと、ドレインが第3の外部電圧供給端子に接続され、ゲートが基準電圧に接続され、ソースが前記第1のNMOSトランジスタのソースに共通に接続された第2のNMOSトランジスタと、上記2個のNMOSトランジスタのソース共通接続ノードと接地ノードとの間に接続された定電流源とからなり、それぞれ対応するビット線の電圧を基準電圧と比較する複数個の電圧比較回路と、
上記ワード線のそれぞれに対応するよう接続された複数の第4の外部電圧供給端子と、
上記複数の第4の外部電圧供給端子に接続され、前記複数本の各ワード線の電圧を選択的にかつ連続的に制御可能なワード線電圧制御手段
とを具備することを特徴とするセル閾値分布検知回路。 - 請求項1または2記載のセル閾値分布検知回路において、
前記定電流源は、NMOSトランジスタで構成されており、そのゲート電圧は第5の外部電圧供給端子から直接に制御可能であることを特徴とするセル閾値分布検知回路。 - 請求項1記載のセル閾値分布検知回路において、
前記ビット線負荷は、NMOSトランジスタで構成されている
ことを特徴とするセル閾値分布検知回路。 - 請求項4記載のセル閾値分布検知回路において、
前記ビット線負荷用のNMOSトランジスタは、そのゲート電圧が第6の外部電圧供給端子から直接に制御可能である
ことを特徴とするセル閾値分布検知回路。 - 請求項1または2記載のセル閾値分布検知回路において、
前記基準電圧は、第7の外部電圧供給端子から直接に制御可能である
ことを特徴とするセル閾値分布検知回路。 - 半導体ウエハー上に、
不揮発性メモリセルを構成するセルトランジスタが行列状に配置されたメモリセルアレイと、上記メモリセルアレイのそれぞれ同一行のセルトランジスタに共通に接続された複数本のワード線およびそれぞれ前記メモリセルアレイのセルトランジスタとの間でデータの授受を行うための複数本のビット線と、上記メモリセルアレイにおける各ビット線と第1の外部電圧供給端子との間にそれぞれ接続された複数個のビット線負荷と、前記各ビット線に対応して設けられ、それぞれ、ドレインが第2の外部電圧供給端子に接続され、ゲートがビット線に接続された第1のNMOSトランジスタと、ドレインが第3の外部電圧供給端子に接続され、ゲートが基準電圧に接続され、ソースが前記第1のNMOSトランジスタのソースに共通に接続された第2のNMOSトランジスタと、上記2個のNMOSトランジスタのソース共通接続ノードと接地ノードとの間に接続された定電流源とからなり、それぞれ対応するビット線の電圧を基準電圧と比較する複数個の電圧比較回路
とを形成する第1のステップと、
前記メモリセルアレイにおける非選択行のワード線に接続されている全てのメモリセルをオフ状態に制御するように上記非選択行のワード線の電圧を制御した状態で、上記メモリセルアレイにおける選択行のワード線の電圧を上記選択行に接続されている全てのメモリセルがオフ状態になる電圧から全てのメモリセルがオン状態になる電圧まで徐々に上げていき、上記選択行のワード線の電圧の変化に伴って前記第2の外部電圧供給端子に流れる電流および第3の外部電圧供給端子に流れる電流のうちの少なくとも一方を微分することによりセル閾値分布を検知する第2のステップ
とを具備することを特徴とするセル閾値分布検知方法。 - 請求項7記載のセル閾値分布検知方法において、
前記第2のステップにおいて、前記第2の外部電圧供給端子に流れる電流と前記第3の外部電圧供給端子に流れる電流との大小関係を比較し、小さい方の電流を微分する
ことを特徴とするセル閾値分布検知方法。 - 半導体ウエハー上に、
それぞれ不揮発性メモリセルを構成する複数個のセルトランジスタおよび選択ゲート用トランジスタが直列に接続されてなるナンド束が行列状に配置されたメモリセルアレイと、上記メモリセルアレイのそれぞれ同一行のセルトランジスタに共通に接続された複数本のワード線およびそれぞれ前記メモリセルアレイのセルトランジスタとの間でデータの授受を行うための複数本のビット線と、上記メモリセルアレイにおける各ビット線と第1の外部電圧供給端子との間にそれぞれ接続された複数個のビット線負荷と、前記各ビット線に対応して設けられ、それぞれ、ドレインが第2の外部電圧供給端子に接続され、ゲートがビット線に接続された第1のNMOSトランジスタと、ドレインが第3の外部電圧供給端子に接続され、ゲートが基準電圧に接続され、ソースが前記第1のNMOSトランジスタのソースに共通に接続された第2のNMOSトランジスタと、上記2個のNMOSトランジスタのソース共通接続ノードと接地ノードとの間に接続された定電流源とからなり、それぞれ対応するビット線の電圧を基準電圧と比較する複数個の電圧比較回路
とを形成する第1のステップと、
前記メモリセルアレイにおける非選択のナンド束をオフ状態に制御し、選択されたナンド束中の非選択行のワード線に接続されている全てのメモリセルをオン状態に制御するように上記非選択行のワード線の電圧を制御した状態で、上記選択されたナンド束中の選択行のワード線の電圧を上記選択行に接続されている全てのメモリセルがオフ状態になる電圧から全てのメモリセルがオン状態になる電圧まで徐々に上げていき、上記選択行のワード線の電圧の変化に伴って前記第2の外部電圧供給端子に流れる電流および第3の外部電圧供給端子に流れる電流のうちの少なくとも一方を微分することによりセル閾値分布を検知する第2のステップ
とを具備することを特徴とするセル閾値分布検知方法。 - 請求項9記載のセル閾値分布検知方法において、
前記第2のステップにおいて、前記第2の外部電圧供給端子に流れる電流と前記第3の外部電圧供給端子に流れる電流との大小関係を比較し、小さい方の電流を微分する
ことを特徴とするセル閾値分布検知方法。
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