JP3662725B2 - 単一ビットセル及び多量ビットセル動作の同時的な遂行が可能な不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents
単一ビットセル及び多量ビットセル動作の同時的な遂行が可能な不揮発性半導体メモリ装置 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は不揮発性半導体メモリ装置(nonvolatile semiconductor memory device)に係り、より具体的には、一つの基板(a substrate)上から単一ビットセル動作(single bit cell operation)と多重ビット(multibit)セル動作とが同時に遂行可能なNANDフラッシュEEPROM(flash electrically erasable and programmable read−only memory)に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、高集積度(high density)不揮発性メモリ装置、特に、その中でもフラッシュEEPROM装置は高いプログラミング速度(higherprogramming speed)、そして、低い電力消費(lowerpower consumption)等の長所を持つので、ディジタルカメラ(digital camera)、PCカード等のようなポータブルハンディターミナル(portable handy terminal)用の大量貯蔵用媒体(media for mass storage)として、又は、従来のハードディスク(hard disk)の代りとして使用されている。
【0003】
フラッシュEEPROM装置は、メモリセル構造の観点で、一般的にNAND構造になる(structured)装置とNOR構造になる装置とに区分される。これらの中、集積度の観点で優秀な特性を持つのはNAND構造装置であり、ランダムアクセス(random access)時間特性が優秀なものはNOR構造装置である。NOR構造装置は、メモリセル各々が独立的にビットライン(bit line)とワードライン(word line)とに連結される構造を持つので、あるセルの書込動作(writing operation)や読出動作(reading operation)の間に、該当セルが他のセルにより干渉をあまり受けない長所を持つ。しかし、NOR構造装置は、各セルとこれに対応するビットラインとの間に、それらを相互連結するためのコンタクト(contact)を必要とするので、集積度の観点で、複数のセルが直列に連結された一つのユニット(unit)、すなわち、ストリング(string)あたり、一つのコンタムだけを必要とするNAND構造装置と比較する時、短所を持つ。
【0004】
最近、このようなフラッシュEEPROM装置の集積度向上のため、一つのメモリセルに多数のビットのデータを貯蔵する技術として、多重ビット(multibit)、多重レベル(multilevel)、あるいは、多重状態(multistate)フラッシュEEPROM技術による研究が活発に行なわれている。大量貯蔵用装置の重要な必須要件はビット当りの値段(low costper bit)を低減させなければならないことである。このような要求により、フラッシュEEPROM装置のビット当りの値段を画期的に減らすことができる技術が1995年2月、IEEE,ISSCC Digest of Technical Papers,pp.132−133に、M.Bauer外の多数により、“A Multilevel−Cell 32Mb FlashMemory”という題目で掲載されたことがある。前記文献に開示されたフラッシュメモリ装置はNOR構造のセルアレイを持つ装置であり、セルの大きさの減少と共に、2ビット当り4レベル(4 levels per 2 bits)を持つ。フラッシュメモリ装置において、2ビット当り4レベルに該当するデータを2進法で示すと、“00”、“01”、“10”、“11”になり、各々のデータには特定なスレッショルド電圧レベル(threshold voltage level)、たとえば、“00”=2.5V、“01”=1.5V、“10”=0.5V、“11”=−3Vが付与される。各メモリセルが4レベルのスレッショルド電圧中、特定な一つのスレッショルド電圧レベルを持つことにより、00、01、10、11の2進データ中、特定スレッショルド電圧に該当する一つの2進データが各メモリセルに貯蔵される。このように、多重状態フラッシュメモリ装置は、通常的に2つ以上のスレッショルド電圧分布(threshold voltage distribution)と各々のスレッショルド電圧(Vth)に対応する状態を持つ。
【0005】
一方、文献に開示された多重状態(あるいは多重ビット)フラッシュメモリ装置は、16メガビット(Mb)の物理的なセルアレイ(physical cell array)を持つが、多重ビットセル動作モード(multibit cell operation mode)では、32Mbの仮想的なセルアレイ(virtual cell array)を持つ。この装置では、モード選択信号(mode option signal)により、セルアレイ全体が択一的に単一あるいは多重ビットセル動作モードになり、16Mbあるいは32Mbの容量を持つ。なお詳細については、前記文献を参照することが望ましい。これらは、本発明の範囲外であるので、ここではこれ以上の説明は省略する。
【0006】
多重状態フラッシュメモリで、隣接した状態の間のウィンドゥ(stage−to−state window)は、一般フラッシュメモリ装置(normal flash memory device)に比較して、その幅が狭く(たとえば、4状態フラッシュメモリの場合には、約0.6V程度)、読出し動作の間に選択されたワードライン(selected word line)に印加される電圧と、スレッショルド電圧分布の端(edge)との間のマージン(margin)はウィンドゥの中間(たとえば、約0.3V程度)になる。従って、多重ビットセルアレイの場合、工程変化(process variation)や選択されたワードラインの電圧レベル、動作電圧、温度等の変化による無効感知(invalid sensing)の可能性が一般フラッシュメモリ装置に比べてより高くなる。そこで、バイオス(basic input/output system;BIOS)情報、フォント(font)情報等のように、優秀な保存特性(storage characteristic)が要求される情報の貯蔵のための装置としては、一般フラッシュメモリが有利であるが、音声情報等のように大量の連続的な情報中で一つのビットあるいはいくつのビットについて情報の貯蔵失敗(storage failure)が発生したとしても大きな問題がない情報の貯蔵のための大容量の装置としては、多重状態フラッシュメモリが有利である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、一般フラッシュメモリの特性と多重状態フラッシュメモリの特性とが適切な比率で必要となる場合がたびたび発生する。このような場合、従来は単一ビットメモリ基板と多重ビットメモリ基板とを各々別に使用してきた。前述の文献に開示された多重状態フラッシュメモリ装置でも、チップ(chip)のセルアレイ全体を対象に、単一あるいは多重ビット動作のための選択が行なわれるので、チップの局部的なセルアレイだけで、単一あるいは多重ビット動作を遂行することは不可能である。
【0008】
本発明の目的は、一つの基板上の局部的なセルアレイ領域で、単一ビットセル動作あるいは多重ビットセル動作の遂行が可能な不揮発性半導体メモリを提供することである。
【0009】
本発明の他の目的は一つの基板上で、単一ビットセル動作及び多重ビットセル動作の同時的な遂行が可能な不揮発性半導体メモリを提供することである。
【0010】
【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の本発明の一つの特徴によると、不揮発性半導体メモリ装置は:行と列とを定義するように基板上に形成されたメモリセルのアレイと;各行に従って伸張する複数のワードラインと;各列に従って伸張する複数のビットライン対と;各ビットライン対に各々対応する複数の各部データライン対と;前記各ビットライン対及び前記各外部データライン対に対応し、プログラミング及びプログラミング検証動作の間に前記対応するビットライン対に対応する前記外部データライン対からのデータを伝達し、プログラミング状態に検証し、読出動作の間に対応する前記外部データライン対で対応する前記ビットライン対上のデータを伝達する複数のページバッファとを含み;前記各ページバッファは、第1ノードと、第2ノードと、対応するビットライン対中の第1ビットラインと第1ノードとの間に連結され、第1制御信号に応答し、選択的に前記第1ビットラインと前記第1ノードとを電気的に連結する第1分離手段と、対応するビットライン対中の第2ビットラインと第2ノードとの間に連結され、前記第1制御信号に応答し、選択的に前記第2ビットラインと前記第2ノードとを電気的に連結する第2分離手段と、第2及び第3制御信号に応答し、プログラミング動作の間に前記第1及び第2ノードに選択的にプログラム防止電圧を供給すると共に、読出動作の間に前記第1及び第2ノードに選択的に接地電圧を供給する第1電圧供給手段と、第3ノード、第4ノードと、第1及び第3ノード間に連結され、第2制御信号に応答し、選択的に第1ノードと前記第3ノードとを相互に電気的に連結する第3分離手段と、前記第2及び第4ノードの間に連結され、第3制御信号に応答し、選択的に第2ノードと前記第4ノードとを相互に電気的に連結する第4分離手段と、対応する外部データライン対中の第1データラインに連結される第5ノードと、対応する外部データライン対中の第2データラインに連結される第6ノードと、前記第3及び第5ノードの間に連結され、第4制御信号に応答し、選択的に第3ノードと前記第5ノードとを相互に電気的に連結する第5分離手段と、前記第4及び第6ノードの間に連結され、第5制御信号に応答し、選択的に前記第4ノードと前記第6ノードとを相互に電気的に連結する第6分離手段と、第6制御信号に応答し、選択的に前記第3ノードと前記第4ノードとに前記接地電圧を供給する第2電圧供給手段と、第7制御信号に応答し、選択的に前記第3ノードと前記第4ノードとに定電流を供給する電流供給手段と、第8制御信号に応答し、選択的に前記第3ノードと前記第4ノードとを相互に電気的に連結する第7分離手段と、第7ノードと、第8ノードと、前記第5ノードと前記第7ノードとの間に連結され、前記第5及び第7ノード上の情報をラッチすると共に、前記第5及び第7ノードに相補的な信号を各々出力する第1ラッチと、前記第6ノードと前記第8ノードとの間に連結され、前記第6及び第8ノード上の情報をラッチすると共に、前記第6及び第8ノードに相補的な信号を各々出力する第2ラッチと、第9ないし第11制御信号に応答し、前記プログラミング動作と、前記プログラミング検証動作及び読出動作との間に前記第1及び第2ラッチの出力状態を各々制御するラッチ制御手段とを含む。
【0011】
このように、第7分離手段により、多重ビット動作モードの間に、第1及び第2ラッチが相互に電気的に連結され、単一ビット動作モードの間に、それらが相互に電気的に分離されることにより、一つの基板上の局部的な領域で、多重ビット動作モードと単一ビット動作モードとの同時的な遂行が可能になる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態に係る不揮発性半導体メモリ装置について詳細に説明する。以下の説明において、増加型MOS電界効果トランジスタ(enhancement mode metal oxide semiconductorfield effect tansistor)は単純にMOSトランジスタと記述し、空乏型(depletion mode)MOS電界効果トランジスタは空乏型MOSトランジスタと記述する。
【0013】
図1は本発明の望ましい実施形態によるNAND構造のセルを持つフラッシュEEPROM装置を示している。図1を参照すると、本発明の実施形態による新規なフラッシュメモリ装置はビットライン対(bit line pair)BL1,BL2に連結されたラッチ311、311aが動作モードにより、伝達ゲート(transmission gate)360によって相互に電気的に分離されたり、連結されたりする構造を持つ。この装置では、2つのラッチ311、311a中の一つにより、他の一つが制御されることにより、多重ビットデータ読出及びプログラミング検証動作が遂行される。この装置では、多重ビット読出動作の間に、一定量のビットライン電流と階段波形(staircase waveform)のワードライン電圧とにより、選択されたメモリセルを通じて流れるセル電流の差により、多重ビットデータが感知される。又、多重ビットプログラム検証動作の間の選択されたワードラインの電圧が、多重ビット読出動作の間の選択されたワードラインの電圧より一定な電位差だけより高く設定され、読出動作の間のワードライン電圧レベルよりプログラムされるセルのスレッショルド電圧レベルをより高く分布させ、読出動作マージンを改善する。
【0014】
図1を参照すると、行と列を定義する基板上には、行に従って伸長する複数のワードラインWL1〜WLmと、列に従って伸張する複数のビットラインBL1〜BLnと、基板上に形成された複数のメモリセルのアレイ100とが形成されている。メモリセルアレイ100はNAND構造のフラッシュEEPROM装置の典型的なメモリセルアレイ構造を有している。このNAND構造メモリセルアレイ100は複数のメモリブロックに区分され、各メモリブロックは複数のビットラインBL1〜BLnに各々対応する複数のセルストリング110(cellstrings)を持つ。前記メモリセルアレイ100の行によっては、ストリング選択ラインSSLと共通ソースライン及び複数のワードラインWL1〜WLmが伸張し、それらの列に従って、メモリストリングに各々対応するように、複数のビットラインBL1〜BLnが伸張する。各ストリング110はNMOSトランジスタからなる2つの選択トランジスタST1、ST2と、この選択トランジスタST1、ST2の間に各々のソースドレインチャンネル、すなわち、電流通路が直列に連結される。各々はフローティングゲートとコントロールゲートとを持つ複数のセルトランジスタM1〜Mmで構成される。各ストリング110のストリング選択トランジスタST1の電流通路は対応するビットラインとセルトランジスタM1の電流通路と連結され、接地選択トランジスタST2の電流通路は仮想接地ライン(virtual ground line)である共通ソースライン(common source line)CSLとセルトランジスタMmとの電流通路の間に連結される。各ストリング110のストリング選択トランジスタST1のゲート、メモリセルトランジスタM1〜Mmのコントロールゲート及び接地選択トランジスタST2のゲートは各々ストリング選択ラインSSL、ワードラインWL1〜WLm及び、共通ソースラインCSLに連結される。このような、メモリセルトランジスタの構造は、一例に過ぎないし、この技術分野に通常的な知識を持つ者は、ストリングが多様な構造を持つことが出来ることをよく理解しなければならない。
【0015】
再度、図1を参照すると、メモリセルアレイ100の一方には、ストリング選択ラインSSL、ワードラインWL1〜WLm及び、共通ソースラインCSLと連結されるよく知られている行ディコーダ回路200が位置する。又、メモリセルアレイ100の他方側には、複数のビットラインBL1〜BLnに連結されるページバッファ回路300が位置する。図1には、一対のビットラインBL1、BL2に対応するページバッファ回路だけが図示されている。図面を参照すると、ビットラインBL1にはラッチ感知増幅器310が対応し、ビットラインBL2にはラッチ感知増幅器310aが対応する。
【0016】
各ラッチ感知増幅器310あるいは310aは外部から電流通路を介して送られてきたデータをラッチし、プログラミング動作の間には、対応するビットラインBL1(あるいはBL2)にラッチした情報に該当する電圧を供給するページバッファとして、プログラミング検証動作の間には、プログラミングが適正に行なわれたか判断するための検証検出器として、読出動作の間には、対応するビットライン上の情報を感知して増幅する増幅器として各々動作する。各ラッチ感知増幅器310あるいは310aは交差接続された2つのインバータからで構成されるラッチ311あるいは311aを具備している。各ラッチ311あるいは311aの一方のノード312あるいは312aは対応するビットラインBL1あるいはBL2と、外部回路との間のデータ交換のための対応する入出力データラインIO1あるいはIO2とに共通的に連結され、それらの他方のノード313あるいは313aはラッチ制御器320あるいは320aに連結される。又、各ラッチ感知増幅器310あるいは310aは、ノード315あるいは315aとノード312あるいは312aとの間に連結される電流通路を持つ分離ゲートトランジスタ314あるいは314aと、ノード315あるいは315aと接地電圧との間に連結される電流通路を持つNMOSトランジスタ316あるいは316aと、電源電圧とノード315あるいは315aとの間に連結される電流通路を持つPMOSトランジスタ317あるいは317aとを具備している。NMOSトランジスタ316あるいは316aは読出動作の遂行の前にラッチ311あるいは311aを初期化させるとともに、ビットラインBL1あるいはBL2に接地電圧を供給する。トランジスタ316あるいは316aのゲートは制御信号DCBに連結される。PMOSトランジスタ317あるいは317aは読出動作の間に選択されたビットラインに定電流を供給するためのもので、そのゲートは制御信号(Vref)に連結される。一方、ラッチ感知増幅器310、310aで、分離ゲートトランジスタ314、314aのゲートは制御信号PGM1、PGM2に各々連結される。分離ゲートトランジスタ314、314aはプログラミング動作の間にターンオンし、ラッチ310、310aによりラッチされたデータをビットラインに伝達する。
【0017】
ラッチ制御器320はNMOSトランジスタ321〜325で構成される。トランジスタ321、322、323の電流通路はラッチ311のノード313と接地電圧との間に直列に連結される。トランジスタ324、325の電流通路はトランジスタ321のソースとトランジスタ322とのドレイン接続ノード326と、接地電圧との間に直列に連結される。トランジスタ321のゲートはラッチ感知増幅器310のノード315と連結される。トランジスタ322のゲートはラッチ311aの一方のノード312aと連結され、トランジスタ324のゲートはラッチ311aの他方のノード313aと連結される。トランジスタ323、325のゲートはラッチ制御信号φV1、φR1に各々連結される。
【0018】
ラッチ制御器320aはNMOSトランジスタ321a、322aで構成される。NMOSトランジスタ321a、322aの電流通路はラッチ311aのノード313aと接地電圧との間に直列に連結される。トランジスタ321aのゲートはラッチ感知増幅器310aのノード315aと連結され、トランジスタ322aのゲートはラッチ制御信号φV2に連結される。
【0019】
ラッチ制御器320、320aは読出動作の間にビットラインレベルにより対応するラッチ311、311aの状態を反転させたり、あるいはそのまま維持させる機能を持つ。ラッチ制御器320、320aに入力されるラッチ制御信号φV1、φV2、φR1は読出動作の開始から所定の時間が経過した後、すなわち、ラッチ311、311aの状態を反転させる時間になった時、エンネーブルされるパルス波形を持つ。
【0020】
各ラッチ感知増幅器310あるいは310aのノード315あるいは315aは分離ゲートトランジスタ330、340あるいは330a、340aを通じて対応するビットラインBL1あるいはBL2に連結される。分離ゲートトランジスタ330、330aは空乏型NMOSトランジスタで構成され、これらのゲートは制御信号(BLSHF)に共通的に連結される。分離ゲートトランジスタ340、340aはビットライン対BL1、BL2中、一つのビットラインを選択するためのものであり、それらのゲートはアドレス信号Ai、Ai/バーに各々連結される。
【0021】
各ビットラインBL1あるいはBL2に対応する分離ゲートトランジスタ330、340あるいは330a、340aの間には動作モードにより、対応するビットラインで必要とする電圧を供給するトランジスタ350あるいは350aが連結される。このトランジスタ350、350aのゲートは制御信号Inhibit1、Inhibit2に各々連結される。トランジスタ350、350aはプログラミング動作の間には一対のビットラインBL1、BL2中、非選択された一つのビットラインBL1あるいはBL2にプログラミング防止電圧を供給し、読出動作の間には、非選択された一つのビットラインBL1あるいはBL2に接地電圧を供給し、消去動作の間には全てのビットラインをフローティング状態にする。
【0022】
ラッチ感知増幅器310のノード315と、ラッチ感知増幅器310aのノード315aとの間にはCMOS伝達ゲート360が連結される。この伝達ゲート360は制御信号(Seperate)により制御される。
【0023】
この実施の形態のメモリ装置で、与えられたアドレスにより該当メモリブロックを選択するディコーディングと一つの選択されたストリング内のワードラインWL1〜WLm中、一つのワードラインを選択するディコーディングとの組合せにより、ワードライン選択が成立する。
【0024】
次に、本実施の形態によるフラッシュメモリ装置の消去、読出、プログラミング及び、プログラミング検証動作を、添付したタイミング図を参照して説明する。ここでは、3.3Vの動作電圧を持つ装置の動作を例として説明する。
【0025】
まず、多重ビット動作モードに対して説明する。
図2はメモリセルの各データに対応するスレッショルド電圧分布を示している。まず、図2(A)はビット読出動作の間の選択されたワードラインの電圧レベルを示している。この多重ビット読出動作の間に選択されたワードラインとしては、スレッショルド電圧分布が図2(A)に示すように、区分することができるように各スレッショルド電圧分布の中間値の電圧2V、1V、0Vがワードライン電圧として順次印加される。図2(A)に示されたようなスレッショルド電圧分布を得るため、効果的なプログラミング方法を使用すると、各状態のスレッショルド電圧は−2.7V以下、0.3V〜0.7V、1.3V〜1.7V、2.3V〜2.7Vの分布を持つようになるので、互いに他の4つの状態を一つのメモリセルに貯蔵することができる。次に、図2(B)はプログラミング検証動作の間の選択されたワードラインの電圧レベルを示している。この多重ビットプログラミング検出動作の間に選択されたワードラインとしては、スレッショルド電圧分布が図2(B)に示すように、電圧0.3V、1.3V、2.3Vが順次印加される。
【0026】
I.多重ビット読出動作
図3は本実施の形態による多重ビット読出動作のタイミングを示している。図3を参照すると、読出動作は2つのラッチ311、311aをリセットさせることに(期間▲1▼参照)により開始される。この時、伝達ゲート360の制御信号(Separate)はローレベルに維持される。従って、ノード315、315aは相互に電気的に連結される。次に、与えられた行アドレスにより、一対のビットラインBL1、BL2中の一方を選択するためのアドレス信号AiあるいはAi/バーがパンピングレベル(動作電圧3.3Vの装置では、約6V)に遷移する。ここで、パンピングレベルとはチップ内部のチャージパンプにより動作電圧(3.3V)より昇圧された電圧レベルを言う。図3には、アドレス信号(Ai)がパンピングレベルに遷移し、ビットラインBL2が選択される場合が例として図示されている。図示したように、アドレス信号Aiがパンピングレベルに遷移すると、それの相補信号Ai/バーはローレベルに維持され、プログラミング防止信号Inhibit1、Inhibit2も、又、ローレベルに各々維持される。従って、非選択されたビットラインBL1の電圧レベルは仮想接地ラインのそれと同一になる。選択されたメモリブロックで、非選択されたビットラインは選択されたビットラインに対し、シールド線として作用し、選択されたビットラインがカップリングされるのを防止する。一方、感知が必要なビットライン、すなわち、選択されたビットラインBL2を通じて感知電流が流れるようにするため、トランジスタ317、317aのゲートには所定レベルの基準電圧(Vref)が各々印加される。基準電圧(Vref)はよく知られているように基準電圧発生装置から供給される。ここでは、これに対する詳細な説明は省略する。ただし、この多重ビット動作モードの間に、活性化されるビットラインの数は単一ビット動作モードの間に活性化されるビットラインの数の半分であるので、この時の基準電圧(Vref)はトランジスタ317、317aを通じて流れるロード電流が単一ビット動作モードの間のロード電流の半分になるレベルで維持するのが望ましい。
【0027】
与えられた行アドレスにより、選択されたメモリブロックのストリング選択ラインSSLと共通接地ラインGSL及び、非選択されたワードラインにはパンピンレベルのパス電圧(Vpass)(たとえば、6V)が各々印加される。メモリセルデータの感知は3つのサイクルにかけて遂行される。この時、選択されたワードラインの電圧レベルは一定した感知時間(たとえば、8μs)を単位として2V→1V→0Vの順序に変わる。選択されたセルのスレッショルド電圧レベルにより、該当セルがターンオフするワードライン電圧レベルが変り、ノード342aが電源電圧(Vcc)レベルにチャージされる時点も変わる。この時、各ワードライン電圧レベル2V、1V、0Vで、ラッチ制御信号φR1、φV2が図3に示すように印加されると、4つの状態のセルデータの感知が可能になる。これを、具体的に説明すると、次のようである。
【0028】
まず、選択されたワードラインに2Vの電圧が印加される一番目のサイクルでは、データQ1/バー、Q2/バーが“00”であるかが感知される。図2(A)を参照すると、選択されたワードラインに2Vの電圧が印加される時、選択されたワードラインに連結されたセルトランジスタがデータ“00”以外のデータが書込まれた(あるいはプログラムされた)セルである場合、該当セルトランジスタはターンオン条件で動作する。従って、ラッチ制御信号φR1、φV2が、図3に示されるように、エンネーブルされ、パルス形態を各々持つ時点で、トランジスタ321a、324がターンオフされることにより、ラッチ311、311aのデータは変わらない。しかし、選択されたワードラインに連結されたセルトランジスタに“00”のデータがプログラムされたセルの場合、該当セルトランジスタがターンオフし、選択されたビットラインBL2の電圧レベルが上昇する。この時、選択されたビットラインBL2の電圧は空乏型NMOSトランジスタ330aのシャット・オフレベルまで上昇する。選択されたビットラインBL2の電圧がシャット・オフレベルに到達すると、空乏型トランジスタ330aはターンオフされる。これで、トランジスタ317aを通じて選択されたビットラインBL2に供給される電荷はビットラインBL2に比べて、相対的に小さいローディングのノード315bに大部分供給される。その結果、ノード315bは速く電源電圧(Vcc)レベルにチャージされる。この時、ラッチ制御信号φR1、φV2がエンネーブルされ、パルス形態を各々持つ時点で、トランジスタ321a、324がターンオンされることにより、ラッチ311、311aの出力Q1、Q1/バー、Q2、Q2/バーが各々反転される。だが、この時、ラッチ制御信号φV2がエンネーブルされ、ラッチ311aの出力Q2/バーがまず、ローレベルに反転されると、トランジスタ324がターンオフされ、他のラッチ311の出力Q1、Q1/バーが反転できない。従って、ラッチ制御信号φR1のパルスをラッチ制御信号φV2のパルスより先行して発生させ、ラッチ311の出力Q1、Q1/バーが先に反転するようにした後、ラッチ制御信号φV2により、ラッチ311aの出力Q2、Q2/バーを反転させる。
【0029】
次に選択されたセルトランジスタに“01”のデータが書込されたセルの場合、選択されたワードラインに1Vの電圧が印加される時、該当セルトランジスタはターンオフされる。従って、図3の期間▲4▼の間、ノード342aは電源電圧(Vcc)レベルに変る。前記期間▲4▼の間には、ラッチ制御信号φV2だけがエンネーブルされ、これでラッチ311aの出力Q2/バーがローレベルに反転される。このように、ラッチ311aの出力Q2/バーがローレベルになると、期間▲5▼の間、ラッチ制御信号φR1がエンネーブルされても、トランジスタ324がターンオフ状態に維持されるので、期間▲4▼でラッチされたラッチ311aの出力がそのまま維持される。
【0030】
次に選択されたセルトランジスタに“10”のデータが書込されたセルの場合、選択されたワードラインに0Vの電圧が印加される時、該当セルトランジスタはターンオフされる。従って、図3の期間▲5▼の間、ノード342aはVccレベルに変わる。期間▲5▼の間には、ラッチ制御信号φR1だけがエンネーブルされ、これでラッチ311の出力Q1/バーが反転され、ローレベルになる。
【0031】
最後に選択されたセルトランジスタに“11”のデータがプログラムされたセルである場合には、図2(A)を参照すると、セルトランジスタのスレッショルド電圧が−2.7V以下であるので、該当セルトランジスタは感知動作の全期間でターンオンされる。従って、ラッチ制御信号φR1、φV2に関係なしに、ノード342aはトランジスタ321a、324のターンオン電圧以下に維持され、ラッチ311、311aの出力Q1、Q1/バー、Q2、Q2/バーは変わらない。
【0032】
II.多重ビットプログラミング及びプログラミング検証動作
図4は本実施の形態による多重ビットプログラミング及びプログラミング検証動作のタイミングを示している。図4を参照すると、各プログラミングサイクルは選択されたメモリ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するプログラミング動作と、プログラムされたメモリセルトランジスタが適定スレッショルド電圧に到達したかを検証するプログラミング検証動作とからなる。プログラミングとプログラミング検証動作とはあらかじめ定められたプログラミング反復回数の範囲内で選択された全てのメモリセル各々が所定のスレッショルド電圧に到達するまで、反復的に遂行される。F−Nトンネリングを利用して選択されたメモリセルをプログラミングするためには、該当セルのゲートに所定のプログラム電圧(Vpgm)(たとえば、14V〜19V)が各々印加されるようにし、該当セルのチャンネルには接地電圧が各々印加されるようにする。従って、プログラムされるセルのフローティングゲートとチャンネルとの間には、高い電界が印加される。このような電界によりチャンネルの電子がフローティングゲートとチャンネルとの間の酸化膜を通過するトンネリングが発生し、該当セルのフローティングゲートに電子が蓄積され、このようなフローティングゲートからの電子の蓄積により、プログラムされるセルのスレッショルド電圧が上昇する。
【0033】
複数のメモリセルからなる不揮発性半導体メモリ装置で、プログラミング動作により各メモリセルがプログラムされる程度には差がある。従って、選択された各メモリセルに対して一回目のプログラミング動作が遂行された後、各セルが所望の状態に到達したか否かを検証し、すでに、所望状態に到達したセルには影響を与えることなく、所望状態に到達しない残りのセルに対してだけ、再びプログラミング動作が遂行されるようにしなければならない。このような、プログラミング及びプログラミング検証動作は選択された全てのメモリセルが所望のスレッショルド電圧に到達するまで、反復的に遂行される。
【0034】
図1に示された本実施の形態の不揮発性メモリ装置は、選択されたワードラインに連結されたセル中、半分だけがプログラムされる構造を持つ。すなわち、アドレス選択信号Ai、Ai/バー一対のビットラインBL1、BL2中、1つのビットライン、例えば、BL1が選択される場合、選択されない他のビットラインBL2には、対応するプログラミング防止信号Inhibit2により、電源電圧(Vcc)が印加され、非選択されたビットラインBL2の選択されたワードラインに連結されたセルがプログラミングされるのが防止される。これとは反対の場合にも同一である。
【0035】
一方、プログラミング動作の間、外部から与えられるプログラミングデータ情報は2つのビットラインと各々連結される2つのラッチで入力される。図1に示された本実施の形態の回路では、プログラムされているあるセルのスレッショルド電圧がそれに対応するラッチ感知増幅器により、ラッチされたデータに該当するレベルに到達すると、2つのラッチ311、311aの出力Q1、Q2は各々ハイレベルに変わる。これにより、プログラミングが完了されたメモリセルが連結されたビットラインは、対応するラッチから供給される電源電圧(Vcc)により、チャージされるため、充分にプログラムされていないセルのために、プログラミング動作が継続的に進行しても、すでにプログラミングが完了された各セルのスレッショルド電圧は影響を受けない。
【0036】
次に、図4のタイミング図を参照し、プログラミング動作とプログラミング検証動作とを具体的に説明する。
【0037】
図4で、サイクルAは一つのプログラミング期間と一つのプログラミング検証期間とからなり、このサイクルの間にはラッチ311にラッチされたデータによるプログラミング動作が進行される。サイクルAは、設計する時、定められた回数(たとえば、16回)くらい反復され、各プログラミングサイクルで、次のプログラミングサイクルに進行しながら、プログラミング電圧は設計時、定められた電圧、たとえば、0.2Vぐらいずつ増加される。
【0038】
プログラミング検証のための感知動作は、前述した読出動作とほとんど類似するが、図2(A)に示すように、読出動作の間、選択されたワードラインの電圧とスレッショルド電圧との間のマージンを確保するため、選択されたワードラインとしては読出動作の間に、それに印加される電圧より、所定レベル、たとえば、0.3V位高い電圧が印加される。又、サイクルAの間には、ラッチ311に出力Q1によるプログラミング動作が遂行されるので、プログラミング検証の間にはラッチ311と関連するラッチ制御信号φV1だけがエンネーブルされる。このような、サイクルAに対する16回のルーピングが完了すると、次のサイクルBに対する16回のルーピングが進行される。この時は、分離ゲート314aの制御信号PGM2がエンネーブルされ、ハイレベルになる。これで、ラッチ311aの出力Q2によるプログラミング動作が進行される。このサイクルのプログラミング検証の間には、ラッチ制御信号φV2だけがエンネーブルされる。サイクルBに対するルーピングが完了すると、最後のサイクルCに対するルーピングが進行され、このサイクルCのルーピングが完了すると、プログラミングが完了する。
【0039】
図5は本発明の実施の形態による多重ビットプログラミング動作の各サイクルに対するルーピングが順次に進行される間、各データ状態に各々対応するスレッショルド電圧とラッチ311、311aの出力Q1、Q2とが変わる状態を示したものである。
【0040】
まず、データ“11”の状態、図5(A)を参照すると、ラッチ311、311aの出力Q1、Q2が全て‘論理値1’であるので、全体プログラミング期間の間、二つのビットラインは電源電圧レベルにチャージされる。従って、このような場合には、メモリセルのプログラミングが防止される。
【0041】
次に、データ“10”の場合、図5(B)を参照すると、ラッチ311の出力Q1だけが‘論理値0’であるので、サイクルAの間だけ、プログラミングが遂行される。サイクルAで、該当メモリセルのスレッショルド電圧が所望のレベルに移ると、すなわち、プログラミングが完了すると、ラッチ311の出力Q1が‘論理値1’に変わって、残りのサイクルB、Cの間は、プログラミングが防止され、それ以上のプログラミング動作は遂行されない。
【0042】
次にデータ“01”の場合、図5(C)を参照すると、ラッチ311の出力Q1が‘論理値1’であるので、一番目のサイクルAの間には、プログラミング動作は遂行されないが、次のサイクルBの間にプログラミングが遂行される。前の場合と同じように、サイクルBで、プログラミングが完了すると、ラッチ311aの出力Q2が‘論理値1’に変わって、最後のサイクルCの間は、プログラミングが防止され、それ以上のプログラミング動作は遂行されない。
【0043】
最後に、データ“00”の場合、図5(D)を参照すると、まず、サイクルAの間には、ラッチ311の出力Q1によるプログラミングが遂行される。これは、たとえ該当メモリセルのスレッショルド電圧がプログラミング検証の基準電圧、たとえば、0.3V以上になっても、ラッチ311aの出力Q2が‘論理値0’により、トランジスタ322がターンオフされ、ラッチ311の出力Q1が‘論理値1’に変わらないからである。それで、プログラミング速度が速いメモリセルの場合には、図5(D)に示されたように、セルのスレッショルド電圧が0.7V以上である場合にも存在する。つづいて、サイクルBの間に、ラッチ311aの出力Q2によるプログラミングが遂行される。この時、メモリセルのスレッショルド電圧が1.3V以上になると、プログラミング検証段階でラッチ311aの出力Q2が‘論理値1’に変わり、プログラミングが防止される。しかし、この時は該当メモリセルのスレッショルド電圧はまだデータ“00”に対応するレベルまで到達できない状態にある。再び、最後のサイクルCの間に、ラッチ311の出力Q1によるプログラミングループが進行しながら、該当メモリセルのスレッショルド電圧は正(+)の値に増加する。この時、スレッショルド電圧が2.3V以上になると、ラッチ311の出力Q1は‘論理値1’に変わり、残りのルーピング期間の間にはプログラミングが防止され、それ以上のプログラミング動作は遂行されない。これで、該当メモリセルのプログラミングが完了する。
【0044】
III.多重ビット消去及び消去検証動作
図6及び図7は本発明の実施の形態による多重ビット消去及び消去検証動作のタイミングを各々示している。消去動作はメモリブロックを単位として遂行される。消去動作の間に、ストリング選択ライン(SSL)及び接地選択ライン(GSL)が各々フローティングされ、選択されたブロックのワードラインWL1〜WLmには接地電圧0Vが印加される。選択された複数のワードラインWL1〜WLmに連結されたメモリセルM1〜Mmは同時に消去される。この時、メモリセルが形成されている基板には、消去電圧(Vers)(通常的に21V〜24V)が印加される。これにより、各セルのフローティングゲートと基板との間に高電界が形成される。従って、フローティングゲートに貯蔵されていた電子は高電界によるF−Nトンネリングにより、フローティングゲートから基板に流出される。これにより、各々の選択されたメモリセルのスレッショルド電圧は負(−)の値に移動する。この消去動作でもプログラミング動作と類似して、消去動作と消去検証動作とが反復的に遂行され、各々の選択されたメモリセルが所望のスレッショルド電圧に到達すると、消去動作は終了する。
【0045】
図6を参照すると、消去動作の間に、基板に高い消去電圧(Vers)が印加されると、ストリング選択トランジスタST1のソースのP−N接合が順方向バイアスされ、該当ビットラインの電圧レベルも消去電圧ほど上昇する。この消去動作の間に、ビットライン選択信号であるアドレス信号Ai、Ai/バーは接地電圧レベルに、そして、空乏型トランジスタ330、330aの制御信号FBLSHFは所定のバイアスレベル、たとえば、6Vに各々維持される。
【0046】
図7を参照すると、消去検証動作の間、選択されたメモリブロックのストリング選択ラインSSL及び接地選択ラインGSLには6Vの電圧が印加され、選択されたブロックの全てのワードラインには接地電圧0Vが印加される。消去検証動作は前述した読出動作と類似するが、消去検証動作ではストリング内の全てのメモリセルによりビットラインの電圧レベルが決定される。上述したように、消去動作は選択されたブロック内の全てのビットラインに対して同時に遂行されるので、消去検証も、又、偶数番目のビットラインと奇数番目のビットラインとに対して全て遂行しなければならないので、図7に示されたように2番目の読出動作が遂行される。まず、ラッチ311、311aがリセットされた状態で、ハイレベルのアドレス信号Ai/バーにより、ビットラインBL1が選択され、これに対する消去検証動作が開始される。万一、ビットラインBL1に連結されたストリング内の全てのセルトランジスタが消去された状態であると、各ワードラインの電圧が0Vである時、ストリング内の全てのセルはターンオンされる。従って、ノード342はローレベルになる。このような状態は一般的にパス状態と呼ばれる。反対に、ストリング内にある一つのセルでも完全に消去されないと、ノード342はハイレベルになり、ラッチ制御信号φR1がエンネーブルされた時、ラッチ311の出力Q1がハイレベルに変わり、消去失敗状態が表示される。以上のような、プログラム検証動作はハイレベルのアドレス信号Aiにより、ビットラインBL2が選択された場合にも、同様に遂行される。消去検証は一つの消去状態データ“11”に対する読出動作であるので、一つのビットラインで、一つのデータだけを読出すればよい。従って、消去検証のための読出の結果は、各ビットラインに連結された各々のラッチ感知増幅器に貯蔵することができる。
【0047】
以上、多重ビット動作モードからの読出、プログラミング、プログラミング検証、消去、消去検証動作について説明した。このモードでは伝達ゲート360がいつもターンオン状態にあり、ノード315、315aが相互に電気的に連結される。
【0048】
しかし、単一ビット動作モードでは、伝達ゲート360がハイレベルの制御信号(Separate)により、いつもターンオフ状態にあるようになる。この時、ラッチ制御信号φV1、φV2、φR1がいつも同時にエンネーブルされる。
【0049】
図8は本発明の実施の形態による単一ビット読出動作のタイミングを示し、図9は本発明の実施の形態による単一ビットプログラミング及びプログラミング動作のタイミングを示し、図10は本発明の実施の形態による単一ビット消去動作のタイミングをそれぞれ示している。
【0050】
図8ないし図10を参照すると、この単一ビットの読出、プログラミング、プログラミング検証、消去、消去検証動作は伝達ゲート360により、2つのラッチ311、311aが電気的に分離され、ラッチ311、311aの制御信号φV1、φV2、φR1が同時にエンネーブルされることを除外しては、すでによく知られている従来の単一ビットナンドフラッシュメモリの動作と同一である。従って、ここではこれらに対する詳細な説明は省略する。
【0051】
【発明の効果】
本発明によると、ビットライン対に連結された2つのラッチが、動作モードにより、伝達ゲートにより相互に電気的に分離されたり連結されたりするので、多重ビット動作と単一ビット動作とがメモリセルアレイの局部的な領域で同時に遂行することができる。又、多重ビットプログラム検証動作の間の選択されたワードラインの電圧が多重ビット読出動作の間の選択されたワードラインの電圧より一定の電位差だけ、高く設定され、読出動作の間のワードライン電圧レベルより、プログラムされるセルのスレッショルド電圧レベルをより高く分布させ、読出動作マージンが改善される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による不揮発性半導体メモリ装置の望しい実施の形態を示す回路図。
【図2】本発明の実施の形態による多重ビット動作の間、データ状態に各々対応するスレッショルド電圧の分布と選択されたワードラインの電圧レベルとを各々示す図で、図2(A)は多重ビット読出動作の間の選択されたワードラインの電圧レベルを、図2(B)は多重ビットプログラミング検証動作の間の選択されたワードラインの電圧レベルをそれぞれ示す図。
【図3】本発明の実施の形態による多重ビット読出動作のタイミング図。
【図4】本発明の実施の形態による多重ビットプログラミング動作及びプログラミング検証動作のタイミング図。
【図5】本発明の実施の形態による多重ビットプログラミング動作の間、各データ状態に各々対応するスレッショルド電圧と、ラッチ感知増幅器の出力とが変る様相を示す図。
【図6】本発明の実施の形態による多重ビット消去動作のタイミング図。
【図7】本発明の実施の形態による多重ビット消去検証動作のタイミング図。
【図8】本発明の実施の形態による単一ビット読出動作のタイミング図。
【図9】本発明の実施の形態による単一ビットプログラミング及びプログラミング動作のタイミング図。
【図10】本発明の実施の形態による単一ビット消去動作のタイミング図。
【符号の説明】
100 メモリセルアレイ
200 行ディコーダ回路
300 ページバッファ回路
310,310a ラッチ感知増幅器
320,320a ラッチ制御器
360 伝達ゲート
Claims (16)
- 行と列とを定義するように基板上に形成されたメモリセルのアレイと;
各行に従って伸張する複数のワードラインと;
各列に従って伸張する複数のビットライン対と;
各ビットライン対に各々対応する複数の外部データライン対と;
前記各ビットライン対及び前記各外部データライン対に対応し、プログラミング及びプログラミング検証動作の間に前記対応するビットライン対に対応する前記外部データライン対からのデータを伝達し、プログラミング状態を検証し、読出動作の間に対応する前記外部データライン対に対応する前記ビットライン対上のデータを伝達する複数のページバッファとを含み;
前記各ページバッファは、
第1ノードと、
第2ノードと、
対応するビットライン対中の第1ビットラインと第1ノードとの間に連結され、第1制御信号(BLSHF)に応答し、選択的に前記第1ビットラインと前記第1ノードとを電気的に連結する第1分離手段と、
対応するビットライン対中の第2ビットラインと第2ノードとの間に連結され、前記第1制御信号に応答し、選択的に前記第2ビットラインと前記第2ノードとを電気的に連結する第2分離手段と、
第2及び第3制御信号Inhibit1、Inhibit2に応答し、前記プログラミング動作の間に前記第1及び第2ノードに選択的にプログラム防止電圧を供給すると共に、前記読出動作の間に前記第1及び第2ノードに選択的に接地電圧を供給する第1電圧供給手段と、
第3ノード及び第4ノードと、
前記第1及び第3ノードの間に連結され、第2制御信号Ai/バーに応答し、選択的に前記第1ノードと前記第3ノードとを相互に電気的に連結する第3分離手段と、
前記第2及び第4ノードの間に連結され、第3制御信号Aiに応答し、選択的に前記第2ノードと前記第4ノードとを相互に電気的に連結する第4分離手段と、
前記対応する外部データライン対中の第1データラインに連結される第5ノードと、
前記対応する外部データライン対中の第2データラインに連結される第6ノードと、
前記第3及び第5ノードの間に連結され、第4制御信号PGM1に応答し、選択的に前記第3ノードと前記第5ノードとを相互に電気的に連結する第5分離手段と、
前記第4及び第6ノードの間に連結され、第5制御信号GPM2に応答し、選択的に前記第4ノードと前記第6ノードとを相互に電気的に連結する第6分離手段と、
第6制御信号DCBに応答し、選択的に前記第3ノードと前記第4ノードとに前記接地電圧を供給する第2電圧供給手段と、
第7制御信号(Vref)に応答し、選択的に前記第3ノードと前記第4ノードとに定電流を供給する電流供給手段と、
第8制御信号(Separate)に応答し、選択的に前記第3ノードと前記第4ノードとを相互に電気的に連結する第7分離手段と、
第7ノードと、
第8ノードと、
前記第5ノードと前記第7ノードとの間に連結され、前記第5及び第7ノード上の情報をラッチすると共に、前記第5及び第7ノードに相補的な信号を各々出力する第1ラッチと、
前記第6ノードと前記第8ノードとの間に連結され、前記第6及び第8ノード上の情報をラッチすると共に、前記第6及び第8ノードに相補的な信号を各々出力する第2ラッチと、
第9ないし第11制御信号φV1、φR1、φV2に応答し、前記プログラミング動作と、前記プログラミング検証動作及び前記読出動作との間に前記第1及び第2ラッチの出力状態を各々制御するラッチ制御手段と
を具備することを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記第1分離手段は、前記第1ビットラインと前記第1ノードとの間に連結される電流通路と前記第1制御信号に連結される制御端子とを持つトランジスタを含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記トランジスタは、空乏型NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記第2分離手段は、前記第2ビットラインと前記第2ノードとの間に連結される電流通路と前記第1制御信号に連結される制御端子とを持つトランジスタを含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記トランジスタは、空乏型NMOSトランジスタであることを特徴とする請求項4に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記第7分離手段は、前記第8制御信号に応答して多重ビット動作モードの間に前記第3及び第4ノードを相互に電気的に連結し、単一ビット動作モードの間に前記第3及び第4ノードを相互に電気的に分離することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 第7分離手段は、前記第3及び第4ノードの間に連結される電流通路と前記第8制御信号に連結される相補的なゲートとを持つCMOS伝達ゲートを含むことを特徴とする請求項6に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記ラッチ制御手段は、
前記第7ノードに連結される電流通路と前記第3ノードに連結される制御端子とを持つ第1トランジスタと、
前記第1トランジスタの前記電流通路に連結される電流通路と前記第6ノードに連結される制御端子とを持つ第2トランジスタと、
前記第2トランジスタの前記電流通路と前記接地電圧との間に連結される電流通路と前記第9制御信号φV1に連結される制御端子とを持つ第3トランジスタと、
前記第1トランジスタの前記電流通路に連結される電流通路と前記第8ノードに連結される制御端子とを持つ第4トランジスタと、
前記第4トランジスタの前記電流通路と前記接地電圧との間に連結される電流通路と前記第10制御信号φR1に連結される制御端子とを持つ第5トランジスタと、
前記第8ノードに連結される電流通路と前記第4ノードに連結される制御端子とを持つ第6トランジスタと、
前記第6トランジスタの前記電流通路と前記接地電圧との間に連結される電流通路と前記第11制御信号φV2に連結される制御端子とを持つ第7トランジスタと、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記第9ないし第11制御信号の各々は、パルス波形を持つことを特徴とする請求項8に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記メモリセルアレイは、NAND構造であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 多重ビット読出動作モードの間に、階段波形の第1ワードライン信号が選択されたワードラインに印加され、パンピンでレベルの第2ワードライン信号が非選択されたワードラインに各々印加されることを特徴とする請求項10に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記第1ワードライン信号は、所定の時間間隔に第1電圧レベルから第3電圧レベルに順次遷移することを特徴とする請求項11に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記第1電圧レベルは前記第2電圧レベルより高く、前記第2電圧レベルは前記第3電圧レベルより高いことを特徴とする請求項12に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 前記第1ないし第3電圧レベルは各々2V、1V、0Vであることを特徴とする請求項13に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 多重ビットプログラミング動作の間、前記ラッチ中の一つによりラッチされたデータを利用したプログラミングが完了された後、他の一つによりラッチされたデータを利用したプログラミングが遂行されることを特徴とする請求項10に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
- 多重ビットプログラミング検証動作の間、選択されたワードラインに印加される電圧は、前記多重ビット読出動作の間に前記選択されたワードラインに印加される電圧より高いことを特徴とする請求項10に記載の不揮発性半導体メモリ装置。
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