JP3692664B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ、例えば、フラッシュEEPROMなどの不揮発性半導体記憶装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、不揮発性メモリ、例えば、フラッシュEEPROMでは多くの方式が提案されているが、その中で、メモリセルアレイ内のビット線とソース線を階層化し、メモリセルのドレイン、ソース拡散層を素子分離領域の下に埋め込むことにより、1ビット当たりのセル面積を小さくし、高集積化に適した構造にしたものがある。図6はこのようなメモリセルの構成を示す断面図である。
【0003】
図6において、1はpウェルまたはp基板、2は例えば、酸化シリコン(SiO2)膜からなるゲート絶縁膜、3はフローティングゲート、4は層間絶縁膜、5はコントロールゲート(制御ゲート)、6はソース拡散層、7はドレイン拡散層、8はチャネル領域、9はサイドウォール、10は素子分離(LOCOS) をそれぞれ示している。また、矢印a、bはそれぞれ消去および書き込み時の電子の遷移方向を示している。
【0004】
図6に示すメモリセルにおいて、メモリセルのフローティングゲート3に電子が注入されしきい値電圧が高い状態を消去状態とし、フローティングゲート3から電子が放出されしきい値電圧が低い状態を書き込み状態とする。
消去動作ではコントロールゲート5に正の電圧を印加し、ドレイン拡散層7、ソース拡散層6、基板1を0Vにすることにより、メモリセルのチャネル領域8よりフローティングゲート3へ電子を注入する。
書き込み動作では、選択したメモリセルのドレイン拡散層7に正の電圧、コントロールゲートに負の電圧、基板に0Vの電圧を印加し、ソース拡散層6をフローティング状態とすることにより、フローティングゲート3からドレイン拡散層7に電子が引き抜かれる。
【0005】
図6に示すメモリセルを複数用いて、行列状に配置して構成したメモリセルアレイの一例を図7に示している。
図7に示すメモリセルアレイは、ワード線m本、主ビット線n本、副ビット線および副ソース線に並列に接続されているm×n個のメモリセルにより構成されたAND型メモリセルアレイである。
【0006】
図7に示すメモリセルアレイにおいては、ビット線、ソース線を主配線と副配線とに階層化され、それぞれ主配線と副配線との間に選択トランジスタが配置され、副ソース線と副ビット線間にメモリセルトランジスタが並列に配置され、いわゆるコンタクトレスNOR型メモリセルアレイ構造を有している。
【0007】
図7のメモリアレイにおいて、WL1,WL2,…,WLmはワード線、SD1,SS1は選択ゲート線、BL1,BL2,…,BLnは主ビット線、S−DBLは副ビット線、SBLは共通ソース線、S−SBLは副ソース線、M11,M12,…,M1n、M21,M22,…,M2n,Mm1,Mm2,…,Mmnはメモリセルトランジスタ、ST11 ,ST12 ,…,ST1n 、ST21 ,ST22 ,…,ST2n は選択トランジスタをそれぞれ示している。
【0008】
図8は、図7に示すようなAND型フラッシュメモリの消去、書き込み、並びに読み出し時のバイアス条件を示す図である。
図7に示すメモリセルアレイでは、各メモリセルは副ビット線S−DBL、副ソース線S−SBLに接続され、副ビット線S−DBL、副ソース線S−SBLは複数ビットを単位とし、選択トランジスタを介してそれぞれ主ビット線BL1,BL2,…,BLn、共通ソース線SBLに接続される。
【0009】
消去は、ワード線単位で行われ、選択したワード線に正電圧(例えば、12V)、非選択ワード線を0Vとすることによりワード線単位で行われる。書き込みは、選択ワード線に負電圧(例えば、−7V)を印加し、データ書き込みを行う(“0”状態)ビット線には電源電圧VCC、例えば、3.3Vの電圧、書き込みを行わない(“1”状態)ビット線には0Vの電圧を印加し、選択したワード線に対して一括して行う。読み出し動作もワード線を選択することにより、ワード線単位で一括して行われる。例えば、選択されたワード線に電源電圧VCC、例えば、3.3Vの電圧、非選択ワード線に0Vの電圧を印加し、メモリセルの導通、非導通によりデータを判別する。
なお、図8に示すように、上述した消去、書き込みおよび読み出し動作において、共通ソース線SBLおよび基板はともに接地電位(0V)に保持されている。
【0010】
図7に示すAND型メモリセルアレイでは、ビット線、ソース線を階層化する構成となっているため、他のブロックが選択されている時は電圧が印加されず、誤書き込み、誤消去(ディスターブ)が起きにくい構造となっている。また、副ビット線S−DBL、と副ソース線S−SBLは図6に示されるように素子分離領域10の下に形成されおり、複数のメモリセルについて1つのビットコンタクトが必要とされるいわゆるコンタクトレスセル構造となっているので、1ビット当たりの占める面積が小さく、高集積化に適した構造となるメリットがある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の不揮発性半導体記憶装置においては、拡散層へ電子を引き抜くことにより書き込みを行うことから、いくつかの問題点が存在する。1つは引き抜き領域を確保するためにドレイン拡散層とゲート電極がオーバーラップする必要があることである。ゲート長が長い場合には問題ないが、ゲート長が0.35μm以下程度になってくるとオーバーラップ長がゲート長と同等になってくるために、トランジスタの形成が不可能になり、微細化ができなくなる。2つ目は、書き込み時にドレイン拡散層の電子引き抜き領域においてバンド間電流がドレインから基板に流れるため、消費電流が大きくなることである。この消費電流は、書き込み時のドレイン拡散層に印加する電圧を昇圧回路により内部で発生する時に、電流供給能力との兼ね合いから特に問題となる。3つ目は、上記バンド間電流により、ドレイン拡散層とゲートのオーバーラップ部でホットホールが発生し、ホールが酸化膜にトラップされることにより酸化膜の劣化を引き起こすことである。
【0012】
以上の3つの問題は、メモリ装置の高集積化と電源電圧の低電圧化が進むとより一層厳しくなるものであるので、今後のメモリ方式としてこれらの問題点を解決できる新しいセル方式の提案が要望されていた。
これらの問題点を解決するメモリ装置として、図9に示す消去、書き込みおよび読み出しバイアス条件による新たな動作方法が提案されている。この新しい方法では、図10に示すメモリセルにより、メモリセルアレイが構成される。そして、メモリセルアレイの構成は図7に示すAND型フラッシュメモリセルアレイと同じとし、動作方法の工夫により上記問題点を解決している。
【0013】
一つの動作例として、書き込み動作は、コントロールゲート5に正電圧、例えば、22Vの電圧を印加してチャネルからフローティングゲート3へ電子を注入することにより行い、消去は、コントロールゲート5に負の電圧、例えば、−18Vの電圧、基板1に正電圧を印加して、フローティングゲート3から基板1に電子を引き抜くことにより行う。
【0014】
図10においては、矢印cは消去時の電子の遷移方向を示し、矢印dは書き込み時の電子の遷移方向を示している。図示のように、消去および書き込みは、フローティングゲート3とチャネル領域8との間の電子の遷移により行われるので、拡散層とゲートのオーバーラップは必要がなく、メモリセルの微細化が図れる。
なお、本方式では、図8に示すバイアス状態とは、書き込みおよび消去によるメモリセルのしきい値電圧の高低関係が逆になる。即ち、本方式では、消去により、メモリセルのしきい値電圧がローレベル、例えば、電源電圧VCCレベル以下に設定され、書き込みにより、メモリセルのしきい値電圧がハイレベル、例えば、電源電圧VCCレベル以上に設定される。
【0015】
本例において、消去動作は、ワード線単位またはメモリブロック単位で行われる。メモリブロック単位で一括消去を行う場合に、図9に示すように、全ワード線WL1,WL2,…,WLmに負の電圧、例えば、−18Vの電圧を印加して、基板に正の電圧または0Vの電圧を印加して行う。この場合、フローティングゲート3からチャネル領域8に電子が引き抜かれる。
書き込み動作は、選択ワード線に正の電圧、例えば、22Vの電圧、非選択ワード線に正の電圧、例えば、11Vの電圧を印加して、書き込みメモリセルが接続された主ビット線に0Vの電圧、非書き込みメモリセルが接続された主ビット線に、例えば、非選択ワード線と同様に、11Vの電圧を印加して行う。この場合、書き込みメモリセルにおいて、チャネルからフローティングゲート3に電子が注入される。
【0016】
上述のように、消去動作では、チャネル領域に電子を引き抜くので、本質的に拡散層とゲートのオーバーラップは必要なく、また、バンド間電流も発生することはないので図8に示す方式の3つの問題点は解決され、微細化、低電圧化に適したメモリセル方式が得られることになる。
しかしながら、この方式では、非選択メモリセルの誤書き込み、誤消去が起きやすく、信頼性の保証を満足するような設計を行うのが難しいという問題がある。
【0017】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、メモリセルの誤消去および誤書き込みを防止することにより、信頼性の向上が図れる不揮発性半導体記憶装置を提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、ビット線、ソース線とも主配線と副配線とに階層化され、それぞれ主配線と副配線との間に選択トランジスタが配置されてそれぞれ主配線と副配線とが動作に応じて選択的に接続され、かつ副ソース線と副ビット線間に電荷蓄積層およびワード線に接続された制御ゲートを有するメモリセルが並列接続され、上記ビット線を複数有し、データの書き込みはワード線毎に行う半導体不揮発性記憶装置であって、書き込み時に、選択ワード線に正の第1の電圧を印加し、非選択ワード線に第1の電圧と接地電位の中間の電圧である第2の電圧を印加し、書き込みデータのビット線に接地電位の電圧を印加し、非書き込みデータのビット線に電源電圧を印加し、ビット線に接続された上記選択トランジスタの選択ゲート線に電源電圧を印加し、書き込みを行うメモリセルではファウラー・ノルドハイムトンネリングにより、チャネル全面から上記電荷蓄積層中に電荷を注入することによりデータを書き込み、書き込みを行わないメモリセルの拡散層の電位を、これらのメモリセルの制御ゲート−基板間の直列容量の電位分割で決まる電位に持ち上げさせ、データの消去はファウラー・ノルドハイムトンネリングにより、上記電荷蓄積層から上記チャネル全面に電荷を引き抜くことで行い、消去時に、基板に正の第3の電圧を印加し、選択メモリブロックのすべてのワード線に第4の電圧としての負の電圧または接地電位の電圧を印加し、上記主配線と副配線を接続する選択トランジスタを非導通状態に保持する。
【0021】
本発明によれば、書き込みは、ファウラー・ノルドハイム(以下、FNで表記する)トンネリングにより、チャネル全面から上記電荷蓄積層中に電荷を注入することによりワード線毎に行い、書き込み時、選択ワード線に第1の電圧、例えば、正の高電圧を印加し、非選択ワード線にメモリセルを導通させない第2の電圧、例えば、0Vまたはそれに近い低い電圧を印加する。また、書き込み時に、書き込みを行わないメモリセルの拡散層の電位を、これらのメモリセルのコントロールゲート−基板間の容量結合により上昇させる。
【0022】
消去は、FNトンネリングにより、上記電荷蓄積層から上記チャネル全面に電荷を引き抜くことで行い、消去時に、基板に第3の電圧、例えば、正の高電圧を印加し、ワード線に第4の電圧、例えば、負の電圧または0Vの電圧を印加し、上記主配線と副配線を接続する選択トランジスタを非導通状態に保持する。
【0023】
これにより、書き込み時に、非選択メモリセルへの誤書き込みを防止でき、また、選択ワード線毎に消去を行う時の誤消去を防止でき、メモリ装置の信頼性の向上が図れる。
【0024】
【発明の実施の形態】
第1実施形態
図1は本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第1の実施形態を示す回路図である。
図1において、WL1,WL2,…,WLmはワード線、SD1,SS1は選択ゲート線、BL1,BL2,…,BLnは主ビット線、S−DBLは副ビット線、SBLは共通ソース線、S−SBLは副ソース線、M11,M12,…,M1n、M21,M22,…,M2n,Mm1,Mm2,…,Mmnはメモリセルトランジスタ、ST11 ,ST12 ,…,ST1n 、ST21 ,ST22 ,…,ST2n は選択トランジスタをそれぞれ示している。
【0025】
図1に示すメモリセルアレイの構成自体は、図7に示すAND型フラッシュメモリアレイの構成と同じである。即ち、ビット線、ソース線とも主配線と副配線とに階層化され、それぞれ主配線と副配線との間に選択トランジスタが配置され、副ソース線と副ビット線間にメモリセルトランジスタが並列に配置された、いわゆるコンタクトレスNOR型メモリアレイ構造を有している。
しかし、図2に示すように、消去、書き込み、並びに読み出し時の各配線に対するバイアス条件が、図7および図8に示す従来のAND型メモリアレイのバイアス条件と異なる。
以下に、本発明に係るフラッシュメモリの消去、書き込み、および読み出し時の各配線に対するバイアス条件、並びに動作について、図面に関連づけて順を追って説明する。
【0026】
なお、図1に示すメモリセルアレイを構成する各メモリセルトランジスタの構造は、図10に示すメモリセルトランジスタの構造と同じものであるが、本実施形態では、消去、書き込み並びに読み出し時にメモリセルアレイの各配線に対するバイアス条件が異なるように設定される。
【0027】
図1に示すメモリセルアレイの消去動作は、選択されたメモリブロックに対して一括して行うか、または、選択ワード線毎に行うことができる。
具体的に、メモリブロック一括消去を行う場合、図2に示すように、選択されたメモリブロックの基板に正の電圧、例えば、15Vの電圧を印加して、当該メモリブロックのワード線、ビット線、共通のソース線の各配線に、0Vの電圧を印加して行う。ワード線毎に消去を行う場合、基板に同じく正の電圧、例えば、15Vの電圧を印加して、選択ワード線に、例えば、0Vの電圧を印加し、非選択ワード線に基板電圧と同程度の正の電圧、例えば、12Vの電圧を印加して行う。
【0028】
このようなバイアス条件において、選択されたメモリブロックまたは選択ワード線上の各メモリセルでは、FNトンネリングにより、フローティングゲートから基板へ電子が引き抜かれ、メモリセルのしきい値電圧がローレベル、例えば、電源電圧VCC以下のレベルに保持される。
なお、消去時に、選択ゲート線SD1,SS1を0Vにすることにより、各メモリセルトランジスタのドレイン、ソース拡散層がフローティング状態に設定される。
【0029】
書き込みは、図2に示すバイアス状態で行われる。ここで、図1に示すメモリセルアレイにおいて、ワード線WL2上のメモリセルM21,M22,…,M2nに対して、書き込みを行うとする。書き込みの結果、メモリセルM22のしきい値電圧をハイレベル、例えば、電源電圧VCC以上のレベルに設定し、メモリセルM22をいわゆる書き込み状態に設定する。また、同じワード線WL2に接続されている他のメモリセルM21,M23,…,M2nを未書き込み状態、即ち、しきい値電圧が電源電圧VCC以下の状態に保持する。
なお、以下では、書き込みを行うメモリセルM22が接続された主ビット線BL2を書き込みデータのビット線、他のビット線BL1,BL3,…,BLnを非書き込みデータのビット線という。
【0030】
図1は、このような書き込み時の各配線のバイアス状態を示している。図示のように、書き込みを行うワード線WL2に正の電圧、例えば、12Vの電圧が印加され、その他のワード線WL1,WL3,…,WLmに0Vの電圧が印加され、書き込みデータのビット線BL2に0Vの電圧、非書き込みデータのビット線BL1,BL3,…,BLnに10Vの電圧が印加される。さらに、選択ゲート線SD1に選択ワード線WL2と同様に、12Vの電圧を印加することにより、メモリブロックが選択される。また、選択ゲート線SS1に0Vの電圧を印加すことにより、選択されたメモリブロックの各メモリセルのソース拡散層がフローティング状態に設定される。
【0031】
このようなバイアス状態において、まず、選択ワード線WL2に12Vの高電圧が印加され、書き込みデータのビット線BL2に0Vの電圧が印加され、選択ゲート線SS1に0Vの電圧が印加されているので、書き込みメモリセルM22において、コントロールゲートが12Vの保持され、ドレイン拡散層が0Vに保持され、さらにソース拡散層がフローティング状態に設定されているので、FNトンネリングにより、チャネル領域からフローティングゲートに電子が注入される。
【0032】
一方、書き込みデータのビット線BL2上の非選択セルM12,M32,…,Mm2では、コントロールゲートに0Vの電圧が印加されているので、チャネルが形成されず、フローティングゲート−基板間の電位差は0Vに保持され、本質的に誤書き込みが起こることはない。
【0033】
また、非選択ワード線WL1,WL3,…,WLmへの印加電圧として、0Vあるいは非選択メモリセルが導通状態にならない程度の低電圧が印加され、非書き込みデータのビット線BL1,BL3,…,BLnに選択ワード線WL2とほぼ同じ電圧、例えば、10Vの電圧が印加されるので、選択ワード線WL2上の非書き込みメモリセルM21,M23,…,M2nの誤書き込みはほぼ完全に防止することができる。
【0034】
ここで、非選択ワード線WL1,WL3,…,WLmにおいて、非書き込みデータのビット線上のメモリセルM11,M13,…,M1n,M31,M33,…,M3n,Mm1,Mm3,…,Mmn,では、ドレイン拡散層のみに、例えば、10Vの高電圧が印加されるが、本実施形態では、ドレイン拡散層とゲート電極とのオーバーラップを小さく設定することにより、拡散層へのトンネル電流は防止することができる。
【0035】
読み出しは、従来と同様であり、選択ワード線WLに電源電圧VCC、例えば、3.3Vの電圧が印加され、選択ビット線に、例えば、2Vの電圧が印加され、選択ゲート線SD1,SS1に、例えば、電源電圧VCCが印加され、それ以外の配線にすべて0Vの電圧が印加される。
これにより、選択ワード線および選択ビット線の交差点にあるメモリセルが選択され、そのコントロールゲートに電源電圧VCCが印加されるので、選択メモリセルの導通、非導通状態により記憶データを判別する。
【0036】
以上の説明においては、非書き込みデータのビット線に印加する電圧として、選択ワード線に印加する電圧とほぼ等しい電圧を印加するとしたが、一般的にこの電圧は12V程度と高く設定されると、拡散層耐圧の設定が厳しくなりやすい。そのような場合には、誤書き込みが防げる範囲内で、非書き込みデータビット線への印加電圧を自由に下げることが可能である。
【0037】
以上説明したように、本実施形態によれば、AND型メモリセルアレイにおいて、消去はブロック一括で行い、選択メモリブロックの基板に正の高電圧(18V)を印加し、FNトンネリングによりフローティングゲートから基板へ電子を引き抜き、書き込みはワード線毎に行い、選択ワード線に正の電圧(12V)、非選択ワード線に0Vの電圧、書き込みデータのビット線に0Vの電圧、非書き込みデータのビット線に、正の電圧(10V)を印加して行うので、書き込みメモリセルではFNトンネリングによりチャネル領域からフローティングゲートに電子が注入され、選択ワード線上の非書き込みメモリセルおよび非選択ワード線上のメモリセルでは、誤書き込みを防止できる。
【0038】
第2実施形態
図3は本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第2の実施形態を示す回路図である。
なお、図3に示す回路図は、図1に示す第1の実施形態の回路図と同様であり、ここで、図1と同じ構成要素または同じ配線には、同様な符号を付して表記する。また、回路構成は図1と同様であるため、ここでは、その詳細の説明を省略する。また、本実施形態におけるメモリセルの構造は、図10に示すメモリセルトランジスタの構造と同じものとする。
【0039】
本実施形態では、書き込み動作を除き、消去および読み出し動作は、第1の実施形態と同様であり、ここでは、第1の実施形態と異なる書き込み動作を中心に、図3および図4を参照しながら説明する。
【0040】
図4は本実施形態における消去、書き込みおよび読み出し時のバイアス状態を示す図である。図示のように、本実施形態においては、消去および読み出し動作は、図2に示す第1の実施形態と同様なバイアス状態で行う。
【0041】
本実施形態における書き込み動作は、ワード線毎に行われる。図3は、書き込み時各配線のバイアス状態を示している。
なお、ここで、ワード線WL2を選択ワード線として、ワード線WL2上のメモリセルM21,M22,…,M2nに対して、書き込みを行う動作について説明する。
図示のように、書き込み時に、選択ワード線WL2に正の電圧、例えば、12Vの電圧が印加され、非選択ワード線WL1,WL3,…,WLmに選択ワード線に印加されるバイアス電圧の半分の電圧、例えば、6Vの電圧が印加される。
【0042】
ここで、例えば、書き込みにより、選択ワード線WL2上のメモリセルM21,M22,…,M2nの内、メモリセルM22を書き込み状態、即ち、しきい値電圧を電源電圧VCC以上のハイレベルに設定し、他のメモリセルM21,M23,…,M2nを未書き込み状態、即ち、しきい値電圧を電源電圧VCC以下のローレベルに保持するように設定する。
【0043】
これに応じて、ビット線BL1,BL2,…,BLnの内、ビット線BL2は書き込みデータのビット線となり、ビット線BL1,BL3,…,BLnは非書き込みデータのビット線となる。
図3に示すように、書き込みデータのビット線BL2に0Vの電圧が印加され、非書き込みデータのビット線BL1,BL3,…,BLnに、電源電圧VCC、例えば、3.3Vの電圧が印加される。
【0044】
また、選択ゲート線SD1に電源電圧VCCが印加され、選択ゲートSS1に0Vの電圧が印加される。これにより、選択トランジスタST21 ,ST22 ,…,ST2n がすべて非導通状態に設定され、各メモリセルのソース拡散層がフローティングゲート状態になる。
【0045】
上述したように、本実施形態においては、選択ワード線WL2に第1の実施形態と同様に、12V程度の高電圧が印加されるが、非選択ワード線WL1,WL3,…,WLmに選択ワード線への印加電圧のほぼ中間の電圧、例えば、約6V程度が印加される。
【0046】
一方、書き込みデータのビット線BL2の電位は0Vであるが、非書き込みデータのビット線BL1,BL3,…,BLnに、図1に示す第1の実施形態の書き込みと異なり、例えば、3.3Vの電源電圧VCCが印加される。
【0047】
メモリセルアレイにこのようなバイアス電圧が印加された場合、書き込みデータのビット線BL2の副ビット線、副ソース線にはそのまま0Vの電圧が印加されるが、非書き込みデータのビット線BL1,BL3,…,BLnの副ビット線、副ソース線は、図5のメモリセルの等価回路によって示されるように、コントロールゲート−基板間の直列容量の電位分割で決まる電位に持ち上げられる。
【0048】
図5に示すように、メモリセルにおいて、コントロールゲートとフローティングゲート間、フローティングゲートとチャネル間、さらにチャネルと基板間にそれぞれ寄生容量Cint ,Ctun およびCcha が存在する。これらの寄生容量の容量値は、メモリセルのサイズなどにより決まる。
【0049】
即ち、副ビット線、副ソース線の電位は、メモリセルのサイズなど、さまざまなパラメータにより決定されるので、一意には決まらないが、図3に示すように選択ワード線の電位を12V、非選択ワード線の電位を6Vとすると、副ビット線、副ソース線の電位はおよそ5V程度となる。
【0050】
このように、非書き込みデータのビット線BL1,BL3,…,BLnに接続されたメモリセルのソース、ドレイン拡散層の電位は、メモリセルにおけるコントロールゲート−基板間の直列寄生容量の電位分割により、コントロールゲートに印加された電圧のほぼ中間程度の電位に持ち上げられることをセルフブーストという。
【0051】
上述したセルフブーストにより、同一ワード線WL2上の非書き込みデータのメモリセルM21,M23,…,M2nのフローティングゲート−基板間の電位差は7V程度となり、誤書き込みは防止される。
一方、書き込みデータのビット線上の非選択セルM12,M32,…,Mm2のドレイン拡散層が0Vに保持され、フローティングゲート−基板間の電位差が6Vであるので、誤書き込みは防止される。
【0052】
なお、本実施形態における消去、読み出しについては、第一の実施形態と同様であるので、それについての説明を省略する。
第2の実施形態では、第1の実施形態に比べて非選択メモリセルの誤書き込みが起こりやすいが、その利点は、ビット線の電位に高電圧を必要とせず、電源電圧VCCレベルの設定で可能となることである。第1の実施形態のように、高電圧の印加が必要とされる場合、同じワード線上のメモリセル(約512ビット程度)を一括して書き込むのに、大きな充放電電流が必要とされ、また書き込み時間もかかる。しかし、本実施形態においては、電源電圧VCCで充放電が可能であれば、消費電流、書き込み時間ともに節約することができる。
【0053】
なお、上記の書き込み方法では、非選択ワード線への印加電圧として6V程度を印加して、副ビット線、副ソース線の拡散層電位が効率良く上昇するようにしているが、選択ワード線の高電圧のみで十分に電位を上げられる設定が可能であるならば、第1の実施形態と同様に非選択ワード線の電位を0Vにすることも可能である。
【0054】
以上説明したように、本実施形態によれば、AND型メモリセルアレイにおいて、消去はブロック一括で行い、選択メモリブロックの基板に正の高電圧(18V)を印加し、FNトンネリングによりフローティングゲートから基板へ電子を引き抜き、書き込みはワード線毎に行い、選択ワード線に正の電圧(12V)、非選択ワード線にその中間の電圧(6V)、書き込みデータのビット線に0Vの電圧、非書き込みデータのビット線に、電源電圧VCC(3.3V)を印加し、非書き込みデータのビット線上のメモリセルのソースおよびドレイン拡散層の電位を、セルフブーストにより約5V程度に設定するので、書き込みメモリセルではFNトンネリングによりチャネル領域からフローティングゲートに電子が注入され、選択ワード線上の非書き込みメモリセルおよび非選択ワード線上のメモリセルでは、誤書き込みを防止できる。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の不揮発性半導体記憶装置によれば、非選択メモリセルの誤書き込み、誤消去を防止でき、信頼性の向上が図れるメモリ装置を実現できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第1の実施形態を示す回路図である。
【図2】第1の実施形態における消去、書き込みおよび読み出し時のバイアス状態を示す図である。
【図3】本発明に係る不揮発性半導体記憶装置の第2の実施形態を示す回路図である。
【図4】第2の実施形態における消去、書き込みおよび読み出し時のバイアス状態を示す図である。
【図5】メモリセルの等価回路である。
【図6】従来の不揮発性メモリセルの一例を示す断面図である。
【図7】一般的なAND型メモリセルアレイの一構成例を示す回路図である。
【図8】従来の不揮発性メモリにおける消去、書き込みおよび読み出し時のバイアス状態の一例を示す図である。
【図9】従来の不揮発性メモリにおける消去、書き込みおよび読み出し時のバイアス状態のもう一例を示す図である。
【図10】従来の不揮発性メモリセルの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
WL1,WL2,…,WLm…ワード線、SD1,SS1…選択ゲート線、BL1,BL2,…,BLn…主ビット線、S−DBL…副ビット線、SBL…共通ソース線、S−SBL…副ソース線、M11,M12,…,M1n、M21,M22,…,M2n,Mm1,Mm2,…,Mmn…メモリセルトランジスタ、ST11 ,ST12 ,…,ST1n 、ST21 ,ST22 ,…,ST2n …選択トランジスタ、1…pウェルまた…p基板、2…ゲート絶縁膜、3…フローティングゲート、4…層間絶縁膜、5…コントロールゲート、6…ソース拡散層、7…ドレイン拡散層、8…チャネル領域、9…サイドウォール、10…素子分離、VCC…電源電圧、GND…接地電位。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrically rewritable nonvolatile memory, for example, a nonvolatile semiconductor memory device such as a flash EEPROM.
[0002]
[Prior art]
Currently, many methods have been proposed for nonvolatile memories such as flash EEPROMs. Among them, bit lines and source lines in a memory cell array are hierarchized, and drains and source diffusion layers of memory cells are separated into element isolation regions. In some cases, the cell area per bit is reduced by embedding under the structure, and the structure is suitable for high integration. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of such a memory cell.
[0003]
In FIG. 6, 1 is a p-well or p-substrate, 2 is, for example, silicon oxide (SiO 22) 3 is a floating gate, 4 is an interlayer insulating film, 5 is a control gate (control gate), 6 is a source diffusion layer, 7 is a drain diffusion layer, 8 is a channel region, 9 is a sidewall, Reference numeral 10 denotes element isolation (LOCOS). Arrows a and b indicate the direction of electron transition during erasing and writing, respectively.
[0004]
In the memory cell shown in FIG. 6, the state in which electrons are injected into the floating gate 3 of the memory cell and the threshold voltage is high is the erased state, and the state in which electrons are emitted from the floating gate 3 and the threshold voltage is low is the written state. To do.
In the erase operation, a positive voltage is applied to the control gate 5 to set the drain diffusion layer 7, the source diffusion layer 6, and the substrate 1 to 0 V, thereby injecting electrons from the channel region 8 of the memory cell to the floating gate 3.
In the write operation, a positive voltage is applied to the drain diffusion layer 7 of the selected memory cell, a negative voltage is applied to the control gate, and a voltage of 0 V is applied to the substrate to bring the source diffusion layer 6 into a floating state. Electrons are extracted into the drain diffusion layer 7.
[0005]
FIG. 7 shows an example of a memory cell array configured by using a plurality of memory cells shown in FIG. 6 and arranging them in a matrix.
The memory cell array shown in FIG. 7 is an AND type memory cell array composed of m × n memory cells connected in parallel to m word lines, n main bit lines, sub bit lines, and sub source lines. .
[0006]
In the memory cell array shown in FIG. 7, the bit line and the source line are hierarchized into a main wiring and a sub wiring, and a selection transistor is arranged between the main wiring and the sub wiring, respectively, between the sub source line and the sub bit line. The memory cell transistors are arranged in parallel and have a so-called contactless NOR type memory cell array structure.
[0007]
In the memory array of FIG. 7, WL1, WL2,..., WLm are word lines, SD1, SS1 are select gate lines, BL1, BL2,..., BLn are main bit lines, S-DBL is a sub bit line, and SBL is a common source. Line, S-SBL is sub-source line, M11, M12, ..., M1n, Mtwenty one, Mtwenty two, ..., M2n, Mm1, Mm2, ..., MmnIs a memory cell transistor, ST11 , ST12 , ..., ST1n, ST21, ST22, ..., ST2nIndicates selection transistors.
[0008]
FIG. 8 is a diagram showing bias conditions at the time of erasing, writing, and reading of the AND type flash memory as shown in FIG.
In the memory cell array shown in FIG. 7, each memory cell is connected to a sub-bit line S-DBL and a sub-source line S-SBL, and the sub-bit line S-DBL and the sub-source line S-SBL are selected in units of a plurality of bits. The transistors are connected to the main bit lines BL1, BL2,..., BLn and the common source line SBL through transistors.
[0009]
Erasing is performed in units of word lines, and is performed in units of word lines by setting the selected word line to a positive voltage (for example, 12V) and the non-selected word lines to 0V. For writing, a negative voltage (for example, −7 V) is applied to the selected word line, and data writing is performed (“0” state).CCFor example, a voltage of 3.3 V and a voltage of 0 V are applied to the bit lines where writing is not performed (“1” state) and the selected word lines are collectively performed. A read operation is also performed in batches in units of word lines by selecting word lines. For example, the power supply voltage V is applied to the selected word line.CCFor example, a voltage of 3.3 V and a voltage of 0 V are applied to the non-selected word lines, and data is determined by the conduction and non-conduction of the memory cells.
As shown in FIG. 8, in the erase, write, and read operations described above, the common source line SBL and the substrate are both held at the ground potential (0 V).
[0010]
Since the AND type memory cell array shown in FIG. 7 has a structure in which bit lines and source lines are hierarchized, no voltage is applied when other blocks are selected, and erroneous writing and erroneous erasure (disturb). It has a structure that is difficult to occur. Further, the sub-bit line S-DBL and the sub-source line S-SBL are formed under the element isolation region 10 as shown in FIG. 6, and one bit contact is required for a plurality of memory cells. Since it has a contactless cell structure, the area occupied by one bit is small, and there is an advantage that the structure is suitable for high integration.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional nonvolatile semiconductor memory device described above, since writing is performed by extracting electrons to the diffusion layer, there are some problems. One is that the drain diffusion layer and the gate electrode need to overlap in order to secure the extraction region. There is no problem when the gate length is long, but when the gate length is about 0.35 μm or less, the overlap length becomes equal to the gate length, so that the transistor cannot be formed and miniaturization is reduced. become unable. Second, current consumption increases because interband current flows from the drain to the substrate in the electron extraction region of the drain diffusion layer during writing. This current consumption is particularly problematic when the voltage applied to the drain diffusion layer at the time of writing is generated internally by the booster circuit in view of the current supply capability. Third, the interband current causes hot holes to be generated in the overlap portion between the drain diffusion layer and the gate, and the holes are trapped in the oxide film, thereby causing deterioration of the oxide film.
[0012]
The above three problems become more severe as the memory device is highly integrated and the power supply voltage is lowered. Therefore, as a future memory system, a new cell system that can solve these problems has been proposed. It was requested.
As a memory device that solves these problems, a new operation method based on erase, write, and read bias conditions shown in FIG. 9 has been proposed. In this new method, a memory cell array is constituted by the memory cells shown in FIG. The configuration of the memory cell array is the same as that of the AND type flash memory cell array shown in FIG. 7, and the above problem is solved by devising the operation method.
[0013]
As one example of operation, the write operation is performed by applying a positive voltage, for example, 22V, to the control gate 5 and injecting electrons from the channel to the floating gate 3, and erasing is performed by applying a negative voltage to the control gate 5. For example, a positive voltage is applied to the substrate 1 by applying a voltage of −18 V, and electrons are extracted from the floating gate 3 to the substrate 1.
[0014]
In FIG. 10, an arrow c indicates an electron transition direction at the time of erasing, and an arrow d indicates an electron transition direction at the time of writing. As shown in the figure, erasing and writing are performed by the transition of electrons between the floating gate 3 and the channel region 8, so that the diffusion layer and the gate do not need to be overlapped, and the memory cell can be miniaturized.
In this method, the level relationship of the threshold voltage of the memory cell by writing and erasing is reversed from the bias state shown in FIG. That is, in this method, the threshold voltage of the memory cell is set to a low level, for example, the power supply voltage VCCThe threshold voltage of the memory cell is set to a high level by writing, for example, the power supply voltage VCCSet above level.
[0015]
In this example, the erase operation is performed in units of word lines or memory blocks. When batch erasing is performed in units of memory blocks, as shown in FIG. 9, a negative voltage, for example, a voltage of −18 V is applied to all the word lines WL1, WL2,. This is done by applying a voltage of 0V. In this case, electrons are extracted from the floating gate 3 to the channel region 8.
In the write operation, a positive voltage, for example, 22V is applied to the selected word line, a positive voltage, for example, 11V, is applied to the non-selected word line, and 0V is applied to the main bit line to which the write memory cell is connected. For example, a voltage of 11 V is applied to the main bit line to which the voltage and non-write memory cells are connected, similarly to the non-selected word line. In this case, electrons are injected from the channel into the floating gate 3 in the write memory cell.
[0016]
As described above, in the erasing operation, electrons are extracted into the channel region, so that there is essentially no need to overlap the diffusion layer and the gate, and no interband current is generated. One problem is solved, and a memory cell system suitable for miniaturization and low voltage can be obtained.
However, this method has a problem in that erroneous writing and erroneous erasure of unselected memory cells are likely to occur, and it is difficult to perform a design that satisfies the guarantee of reliability.
[0017]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a nonvolatile semiconductor memory device capable of improving reliability by preventing erroneous erasure and erroneous writing of memory cells. .
[0018]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the present invention, both the bit line and the source line are hierarchized into a main wiring and a sub wiring, and a selection transistor is arranged between the main wiring and the sub wiring, respectively. Are connected in accordance with the operation, and memory cells having a control gate connected to the charge storage layer and the word line are connected in parallel between the sub-source line and the sub-bit line, and a plurality of the bit lines are provided. The semiconductor non-volatile memory device, in which data is written for each word line, applies a positive first voltage to the selected word line during writing, and is intermediate between the first voltage and the ground potential to the unselected word line. Is applied to the bit line for write data, the power supply voltage is applied to the bit line for non-write data, and the selection transistor connected to the bit line is selected. A memory cell in which a power supply voltage is applied to a gate line and data is written in a memory cell in which data is written by injecting charges from the entire surface of the channel into the charge storage layer by Fowler-Nordheim tunneling. The potential of the memory cell is raised to a potential determined by the potential division of the series capacitance between the control gate and the substrate of these memory cells, and data is erased from the charge storage layer to the entire channel surface by Fowler-Nordheim tunneling. At the time of erasing, a positive third voltage is applied to the substrate, and a fourth voltage is applied to all the word lines of the selected memory block.As negative voltage or ground potential voltageIs applied to hold the selection transistor connecting the main wiring and the sub wiring in a non-conductive state.
[0021]
According to the present invention, writing is performed for each word line by injecting charges from the entire surface of the channel into the charge storage layer by Fowler-Nordheim (hereinafter referred to as FN) tunneling. A first voltage, for example, a positive high voltage, is applied to the non-selected word line, and a second voltage that does not cause the memory cell to conduct, for example, 0 V or a voltage close thereto is applied. Further, at the time of writing, the potential of the diffusion layer of the memory cell to which writing is not performed is increased by capacitive coupling between the control gate and the substrate of these memory cells.
[0022]
Erasing is performed by extracting charges from the charge storage layer to the entire surface of the channel by FN tunneling. At the time of erasing, a third voltage, for example, a positive high voltage is applied to the substrate, and a fourth voltage is applied to the word line. For example, a negative voltage or a voltage of 0 V is applied, and the selection transistor that connects the main wiring and the sub wiring is held in a non-conductive state.
[0023]
Accordingly, erroneous writing to unselected memory cells can be prevented during writing, and erroneous erasing can be prevented when erasing is performed for each selected word line, thereby improving the reliability of the memory device.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First embodiment
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
1, WL1, WL2,..., WLm are word lines, SD1, SS1 are select gate lines, BL1, BL2,..., BLn are main bit lines, S-DBL is a sub bit line, SBL is a common source line, S -SBL is sub-source line, M11, M12, ..., M1n, Mtwenty one, Mtwenty two, ..., M2n, Mm1, Mm2, ..., MmnIs a memory cell transistor, ST11 , ST12 , ..., ST1n, ST21, ST22, ..., ST2nIndicates selection transistors.
[0025]
The configuration of the memory cell array shown in FIG. 1 is the same as that of the AND flash memory array shown in FIG. That is, both the bit line and the source line are hierarchized into a main wiring and a sub wiring, a selection transistor is arranged between the main wiring and the sub wiring, respectively, and memory cell transistors are arranged in parallel between the sub source line and the sub bit line. It has a so-called contactless NOR type memory array structure.
However, as shown in FIG. 2, the bias condition for each wiring at the time of erasing, writing, and reading is different from the bias condition of the conventional AND type memory array shown in FIGS.
In the following, the bias conditions and operations for each wiring at the time of erasing, writing, and reading of the flash memory according to the present invention will be described in order with reference to the drawings.
[0026]
The structure of each memory cell transistor that constitutes the memory cell array shown in FIG. 1 is the same as that of the memory cell transistor shown in FIG. The bias conditions for the wiring are set differently.
[0027]
The erase operation of the memory cell array shown in FIG. 1 can be performed on selected memory blocks at once or for each selected word line.
Specifically, when performing batch erase of a memory block, as shown in FIG. 2, a positive voltage, for example, a voltage of 15 V is applied to the substrate of the selected memory block, and the word line and bit line of the memory block are applied. The voltage of 0 V is applied to each wiring of the common source line. When erasing is performed for each word line, a positive voltage, for example, a voltage of 15 V is applied to the substrate, a voltage of, for example, 0 V is applied to the selected word line, and the unselected word line is approximately the same as the substrate voltage. A positive voltage of, for example, 12V is applied.
[0028]
Under such a bias condition, in each memory cell on the selected memory block or selected word line, electrons are extracted from the floating gate to the substrate by FN tunneling, and the threshold voltage of the memory cell is low, for example, the power supply Voltage VCCHeld at the following levels:
At the time of erasing, the drain and source diffusion layers of each memory cell transistor are set in a floating state by setting the selection gate lines SD1 and SS1 to 0V.
[0029]
Writing is performed in the bias state shown in FIG. Here, in the memory cell array shown in FIG. 1, the memory cell M on the word line WL2twenty one, Mtwenty two, ..., M2nIs written. As a result of writing, the memory cell Mtwenty twoThe threshold voltage of the power supply voltage VCCThe memory cell M is set to the above level.twenty twoIs set to a so-called write state. Further, other memory cells M connected to the same word line WL2twenty one, Mtwenty three, ..., M2nIn the unwritten state, that is, the threshold voltage is the power supply voltage VCCHold in the following state.
In the following, the memory cell M to be written is written.twenty twoAre connected to the main bit line BL2, and the other bit lines BL1, BL3,..., BLn are referred to as non-write data bit lines.
[0030]
FIG. 1 shows the bias state of each wiring during such writing. As shown in the figure, a positive voltage, for example, a voltage of 12V is applied to the word line WL2 for writing, and a voltage of 0V is applied to the other word lines WL1, WL3,. And a voltage of 10V are applied to the bit lines BL1, BL3,. Further, a memory block is selected by applying a voltage of 12V to the selection gate line SD1 as in the case of the selection word line WL2. Further, by applying a voltage of 0 V to the selection gate line SS1, the source diffusion layer of each memory cell in the selected memory block is set in a floating state.
[0031]
In such a bias state, first, a high voltage of 12V is applied to the selected word line WL2, a voltage of 0V is applied to the bit line BL2 for write data, and a voltage of 0V is applied to the selection gate line SS1. Write memory cell Mtwenty twoIn FIG. 5, since the control gate is held at 12V, the drain diffusion layer is held at 0V, and the source diffusion layer is set in a floating state, electrons are injected from the channel region into the floating gate by FN tunneling.
[0032]
On the other hand, the non-selected cell M on the bit line BL2 for write data12, M32, ..., Mm2In this case, since a voltage of 0 V is applied to the control gate, a channel is not formed, the potential difference between the floating gate and the substrate is maintained at 0 V, and no erroneous writing occurs essentially.
[0033]
In addition, as an applied voltage to the unselected word lines WL1, WL3,..., WLm, 0V or a low voltage that does not cause the unselected memory cells to become conductive is applied, and the bit lines BL1, BL3,. Since almost the same voltage as BLn, for example, 10V, is applied to BLn, the non-write memory cell M on the selected word line WL2 is applied.twenty one, Mtwenty three, ..., M2nCan be almost completely prevented.
[0034]
Here, in the non-selected word lines WL1, WL3,..., WLm, the memory cell M on the bit line of the non-write data.11, M13, ..., M1n, M31, M33, ..., M3n, Mm1, Mm3, ..., MmnIn, a high voltage of, for example, 10 V is applied only to the drain diffusion layer. In this embodiment, the tunnel current to the diffusion layer is reduced by setting the overlap between the drain diffusion layer and the gate electrode small. Can be prevented.
[0035]
Reading is the same as in the prior art, and the power supply voltage V is applied to the selected word line WL.CCFor example, a voltage of 3.3 V is applied, a voltage of 2 V, for example, is applied to the selected bit line, and a power supply voltage V, for example, is applied to the selection gate lines SD1, SS1.CCIs applied, and a voltage of 0 V is applied to all other wirings.
As a result, the memory cell at the intersection of the selected word line and the selected bit line is selected, and the power supply voltage V is applied to its control gate.CCTherefore, the stored data is discriminated based on the conduction / non-conduction state of the selected memory cell.
[0036]
In the above description, as the voltage to be applied to the bit line of non-write data, a voltage substantially equal to the voltage to be applied to the selected word line is applied. Diffusive layer breakdown voltage setting tends to be strict. In such a case, the voltage applied to the non-write data bit line can be freely reduced within a range in which erroneous writing can be prevented.
[0037]
As described above, according to the present embodiment, in the AND memory cell array, erasing is performed in a block at a time, a positive high voltage (18 V) is applied to the substrate of the selected memory block, and the substrate is removed from the floating gate by FN tunneling. Electrons are extracted and written to each word line, the positive voltage (12V) is applied to the selected word line, the voltage is 0V to the non-selected word line, the voltage is 0V to the write data bit line, and the non-write data is to the bit line. Since a positive voltage (10 V) is applied, electrons are injected from the channel region to the floating gate by FN tunneling in the write memory cell, and in the non-write memory cell on the selected word line and the memory cell on the non-selected word line, Incorrect writing can be prevented.
[0038]
Second embodiment
FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
The circuit diagram shown in FIG. 3 is the same as the circuit diagram of the first embodiment shown in FIG. 1. Here, the same constituent elements or the same wirings as those in FIG. To do. Further, since the circuit configuration is the same as that of FIG. 1, detailed description thereof is omitted here. The structure of the memory cell in this embodiment is the same as the structure of the memory cell transistor shown in FIG.
[0039]
In this embodiment, except for the write operation, the erase and read operations are the same as in the first embodiment. Here, with reference to FIGS. 3 and 4, focusing on the write operation different from the first embodiment. While explaining.
[0040]
FIG. 4 is a diagram showing a bias state at the time of erasing, writing and reading in the present embodiment. As shown in the figure, in this embodiment, the erase and read operations are performed in the same bias state as in the first embodiment shown in FIG.
[0041]
The write operation in this embodiment is performed for each word line. FIG. 3 shows a bias state of each wiring at the time of writing.
Here, the memory cell M on the word line WL2 with the word line WL2 as the selected word line.twenty one, Mtwenty two, ..., M2nOn the other hand, an operation of performing writing will be described.
As shown in the figure, at the time of writing, a positive voltage, for example, a voltage of 12V is applied to the selected word line WL2, and half of the bias voltage applied to the selected word line to the unselected word lines WL1, WL3,. A voltage, for example a voltage of 6V, is applied.
[0042]
Here, for example, by writing, the memory cell M on the selected word line WL2twenty one, Mtwenty two, ..., M2nMemory cell Mtwenty twoWrite state, that is, the threshold voltage is the power supply voltage VCCOther memory cells M are set to the above high level.twenty one, Mtwenty three, ..., M2nIs in an unwritten state, that is, the threshold voltage is the power supply voltage VCCSet to keep the following low level.
[0043]
Accordingly, of the bit lines BL1, BL2,..., BLn, the bit line BL2 becomes a write data bit line, and the bit lines BL1, BL3,.
As shown in FIG. 3, a voltage of 0 V is applied to the write data bit line BL2, and the power supply voltage V1 is applied to the non-write data bit lines BL1, BL3,.CCFor example, a voltage of 3.3 V is applied.
[0044]
Further, the power supply voltage V is applied to the selection gate line SD1.CCIs applied, and a voltage of 0 V is applied to the selection gate SS1. Thereby, the selection transistor ST21, ST22, ..., ST2nAre set in a non-conductive state, and the source diffusion layer of each memory cell is in a floating gate state.
[0045]
As described above, in this embodiment, a high voltage of about 12 V is applied to the selected word line WL2 as in the first embodiment, but the selected word line WL1, WL3,. A voltage approximately in the middle of the voltage applied to the line, for example, about 6V is applied.
[0046]
On the other hand, the potential of the write data bit line BL2 is 0V, but the non-write data bit lines BL1, BL3,..., BLn are different from the write of the first embodiment shown in FIG. Power supply voltage VCCIs applied.
[0047]
When such a bias voltage is applied to the memory cell array, a voltage of 0 V is applied as it is to the sub-bit line and sub-source line of the write data bit line BL2, but the non-write data bit lines BL1, BL3, .., BLn, the sub-bit lines and sub-source lines are raised to potentials determined by potential division of the series capacitance between the control gate and the substrate, as shown by the equivalent circuit of the memory cell in FIG.
[0048]
As shown in FIG. 5, in the memory cell, the parasitic capacitance C between the control gate and the floating gate, between the floating gate and the channel, and between the channel and the substrate, respectively.int, CtunAnd CchaExists. The capacitance values of these parasitic capacitances are determined by the size of the memory cell.
[0049]
That is, the potentials of the sub-bit line and the sub-source line are determined by various parameters such as the size of the memory cell and are not uniquely determined. However, as shown in FIG. When the potential of the selected word line is 6V, the potential of the sub bit line and the sub source line is about 5V.
[0050]
As described above, the potentials of the source and drain diffusion layers of the memory cells connected to the bit lines BL1, BL3,..., BLn for non-write data are divided by the potential division of the serial parasitic capacitance between the control gate and the substrate in the memory cells. Lifting to a potential approximately in the middle of the voltage applied to the control gate is called self-boost.
[0051]
Due to the above-described self-boost, the memory cell M for non-write data on the same word line WL2twenty one, Mtwenty three, ..., M2nThe potential difference between the floating gate and the substrate becomes about 7 V, and erroneous writing is prevented.
On the other hand, the non-selected cell M on the bit line of the write data12, M32, ..., Mm2Since the drain diffusion layer is maintained at 0V and the potential difference between the floating gate and the substrate is 6V, erroneous writing is prevented.
[0052]
Note that erasing and reading in the present embodiment are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
In the second embodiment, erroneous writing of unselected memory cells is likely to occur compared to the first embodiment. However, the advantage is that a high voltage is not required for the potential of the bit line, and the power supply voltage VCCThis is possible by setting the level. When application of a high voltage is required as in the first embodiment, a large charge / discharge current is required to collectively write memory cells (about 512 bits) on the same word line. It takes time to write. However, in this embodiment, the power supply voltage VCCIf charging and discharging are possible, both current consumption and writing time can be saved.
[0053]
In the above writing method, about 6 V is applied as the voltage applied to the non-selected word line so that the diffusion layer potential of the sub-bit line and the sub-source line is increased efficiently. If it is possible to set the potential sufficiently high only with a high voltage, the potential of the non-selected word line can be set to 0 V as in the first embodiment.
[0054]
As described above, according to the present embodiment, in the AND memory cell array, erasing is performed in a block at a time, a positive high voltage (18 V) is applied to the substrate of the selected memory block, and the substrate is removed from the floating gate by FN tunneling. Electrons are extracted and writing is performed for each word line. A positive voltage (12 V) is applied to the selected word line, an intermediate voltage (6 V) is applied to the non-selected word line, a voltage of 0 V is applied to the bit line of the write data, and the non-write data Power supply voltage VCC(3.3 V) is applied, and the potential of the source and drain diffusion layers of the memory cell on the bit line of the non-write data is set to about 5 V by self-boost, so that the write memory cell floats from the channel region by FN tunneling. Electrons are injected into the gate, and erroneous writing can be prevented in the unwritten memory cell on the selected word line and the memory cell on the unselected word line.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, there is an advantage that it is possible to realize a memory device that can prevent erroneous writing and erroneous erasure of unselected memory cells and can improve reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a bias state at the time of erasing, writing, and reading in the first embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a second embodiment of a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a bias state at the time of erasing, writing, and reading in the second embodiment.
FIG. 5 is an equivalent circuit of a memory cell.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a conventional nonvolatile memory cell.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration example of a general AND type memory cell array.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a bias state at the time of erasing, writing, and reading in a conventional nonvolatile memory.
FIG. 9 is a diagram showing another example of a bias state at the time of erasing, writing and reading in a conventional nonvolatile memory.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a conventional nonvolatile memory cell.
[Explanation of symbols]
WL1, WL2,..., WLm, word line, SD1, SS1, selection gate line, BL1, BL2,..., BLn, main bit line, S-DBL, sub bit line, SBL, common source line, S-SBL, sub. Source line, M11, M12, ..., M1n, Mtwenty one, Mtwenty two, ..., M2n, Mm1, Mm2, ..., Mmn... Memory cell transistor, ST11 , ST12 , ..., ST1n, ST21, ST22, ..., ST2n... select transistor, 1 ... p well or ... p substrate, 2 ... gate insulating film, 3 ... floating gate, 4 ... interlayer insulating film, 5 ... control gate, 6 ... source diffusion layer, 7 ... drain diffusion layer, 8 ... channel Region, 9 ... sidewall, 10 ... element isolation, VCC... power supply voltage, GND ... ground potential.

Claims (2)

ビット線、ソース線とも主配線と副配線とに階層化され、それぞれ主配線と副配線との間に選択トランジスタが配置されてそれぞれ主配線と副配線とが動作に応じて選択的に接続され、かつ副ソース線と副ビット線間に電荷蓄積層およびワード線に接続された制御ゲートを有するメモリセルが並列接続され、上記ビット線を複数有し、データの書き込みはワード線毎に行う半導体不揮発性記憶装置であって、
書き込み時に、選択ワード線に正の第1の電圧を印加し、非選択ワード線に第1の電圧と接地電位の中間の電圧である第2の電圧を印加し、書き込みデータのビット線に接地電位の電圧を印加し、非書き込みデータのビット線に電源電圧を印加し、ビット線に接続された上記選択トランジスタの選択ゲート線に電源電圧を印加し、書き込みを行うメモリセルではファウラー・ノルドハイムトンネリングにより、チャネル全面から上記電荷蓄積層中に電荷を注入することによりデータを書き込み、書き込みを行わないメモリセルの拡散層の電位を、これらのメモリセルの制御ゲート−基板間の直列容量の電位分割で決まる電位に持ち上げさせ、
データの消去はファウラー・ノルドハイムトンネリングにより、上記電荷蓄積層から上記チャネル全面に電荷を引き抜くことで行い、
消去時に、基板に正の第3の電圧を印加し、選択メモリブロックのすべてのワード線に第4の電圧としての負の電圧または接地電位の電圧を印加し、上記主配線と副配線を接続する選択トランジスタを非導通状態に保持する
不揮発性半導体記憶装置。
Both bit lines and source lines are hierarchized into main wiring and sub wiring, and select transistors are arranged between the main wiring and sub wiring, respectively, and the main wiring and sub wiring are selectively connected according to the operation. In addition, a memory cell having a charge storage layer and a control gate connected to a word line are connected in parallel between the sub-source line and the sub-bit line, a plurality of the bit lines are provided, and data writing is performed for each word line A non-volatile storage device,
At the time of writing, a positive first voltage is applied to the selected word line, a second voltage that is an intermediate voltage between the first voltage and the ground potential is applied to the non-selected word line, and the write data bit line is grounded. In a memory cell to which writing is applied, a potential voltage is applied, a power supply voltage is applied to the bit line of non-write data, a power supply voltage is applied to the selection gate line of the selection transistor connected to the bit line, and Fowler Nordheim By tunneling, data is written by injecting charges from the entire surface of the channel into the charge storage layer, and the potential of the diffusion layer of the memory cells to which data is not written is set to the potential of the series capacitance between the control gate and the substrate of these memory cells. Let the potential be determined by the division,
Data is erased by extracting charges from the charge storage layer to the entire channel surface by Fowler-Nordheim tunneling,
At the time of erasing, a positive third voltage is applied to the substrate, a negative voltage as the fourth voltage or a ground potential voltage is applied to all word lines of the selected memory block, and the main wiring and the sub wiring are connected. A non-volatile semiconductor memory device that holds a selection transistor in a non-conductive state
上記消去時に、選択ワード線に上記第4の電圧を印加し、非選択ワード線に上記基板に印加する電圧と同程度の正の電圧を印加して、選択ワード線毎に消去を行う
請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
The erasing is performed for each selected word line by applying the fourth voltage to a selected word line and applying a positive voltage equivalent to a voltage applied to the substrate to an unselected word line during the erasing. 1. The nonvolatile semiconductor memory device according to 1.
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