JP3831040B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリと中央処理装置とを含む半導体集積回路に関し、例えばフラッシュメモリと中央処理装置を内蔵した1チップ型のマイクロコンピュータ、データ処理装置又はマイクロプロセッサの外部動作電源を単一化するのに適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
フラッシュメモリを内蔵したマイクロコンピュータとして例えば株式会社日立製作所のH8/538F,H8/3048,H8/3434Fなどがある。
【0003】
フラッシュメモリのメモリセルトランジスタは、フローティングゲート、コントロールゲート、ソース及びドレインを持ち、フローティングゲート内への電荷注入状態に応じた2値の情報を保持する。例えばフローティングゲート内に電荷が注入されるとメモリセルのしきい値電圧が上昇し、コントロールゲートから見たしきい値電圧が高くされることにより、メモリセルには電流が流れなくなる。またフローティングゲートから電荷を放出してコントロールゲートから見たしきい値電圧を低くすることにより、メモリセルに電流が流れる。特に制限されないが、上記メモリセルのしきい値電圧を読み出し時のワード線選択レベルよりも高くする動作を消去動作(それによって選られるデータは論理値“1”:消去状態)、上記メモリセルのしきい値電圧を読み出し時のワード線選択レベルよりも低くする動作を書き込み動作(それによって選られるデータは論理値“0”:書き込み状態)と称する。尚、メモリセルに記憶されたデータの消去状態と書き込み状態は、上記とは逆に定義することもある。
【0004】
前記メモリセルトランジスタに対する消去や書き込みでは、フローティングゲートを高電界中に置かなければならないため、3Vや5Vのような一般的な電源電圧よりもレベルの高い消去及び書き込み用の高電圧を必要とする。そのような高電圧は従来外部電源として供給されていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのような高電圧を外部電源から得る場合には、前記マイクロコンピュータが実装される回路基板に、これらの高電圧を発生させる回路を搭載しなければならず、高電圧故に、回路基板の設計に特別な配慮が必要になり、使い勝手が悪いという問題がある。
【0006】
本発明者は、フラッシュメモリを内蔵したマイクロコンピュータを3Vや5Vのような単一電源で動作可能にすることについて検討した。すなわち、外部単一電源を内部で昇圧して書き込み及び消去のための高電圧を生成する。
【0007】
このとき、低消費電力の要請からマイクロコンピュータの動作電源は低電圧化が進み、3Vとされるものがあり、また、5V単一電源を利用するシステムもある。電源電圧を3V又は5Vの何れにするかはマイクロコンピュータが応用されるシステムの仕様によって決定される。このため、半導体メーカとしては、3Vから5Vのような比較的広い範囲の電源で動作できるようにマイクロコンピュータを設計することが得策である。
【0008】
これを考慮したとき、本発明者の検討によれば以下の点が明らかにされた。すなわち、フラッシュメモリに対する電荷注入方式には、メモリセルトランジスタのチャネルに比較的大きな電流を流してドレイン近傍にホットエレクトロンを発生させることによってフローティングゲートに電荷を注入するチャネル注入方式と、フローティングゲートとドレイン間に所定の電界強度を作用してドレイン近傍の比較的薄いトンネル酸化膜にトンネル電流を流して電荷を注入するトンネル電流方式がある。前者は相対的に大きな電流を要するので内部昇圧には適さないが、後者であっても、単に内部昇圧を行うだけでは、低電圧動作を含む比較的広い外部電源電圧範囲で安定的に内蔵フラッシュメモリの書き込み及び消去を実現できないことが明らかにされた。
【0009】
本発明の目的は、フラッシュメモリのような電気的に書き込み及び消去可能な不揮発性メモリを内蔵したマイクロコンピュータなどの半導体集積回路において、低電圧動作を含む比較的広い外部電源電圧範囲で安定的に内蔵不揮発性メモリの書き込み及び消去を可能にすることにある。
【0010】
本発明の別の目的は、フラッシュメモリのような電気的に書き込み及び消去可能な不揮発性メモリを内蔵したマイクロコンピュータのなどの半導体集積回路の使い勝手を良好にすることにある。
【0011】
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【0013】
すなわち、マイクロコンピュータなどの半導体集積回路は、電気的に消去及び書き込み可能なフラッシュメモリなどの不揮発性メモリと、前記不揮発性メモリをアクセス可能な中央処理装置とを1個の半導体基板に含み、外部電源端子に供給される単一の電源電圧を動作電源とする。そして、前記不揮発性メモリは、電源電圧依存性の小さな基準電圧を用いて前記単一の電源電圧よりレベルの低い第1の電圧に出力電圧をクランプする電圧クランプ手段と、前記電圧クランプ手段の出力電圧を正の高電圧と負の高電圧に昇圧可能な昇圧手段と、前記昇圧手段から出力される正及び負の高電圧を用いて消去及び書き込みが行われる複数個の不揮発性メモリセルとを含んで成る。
【0014】
この半導体集積回路によれば、前記電圧クランプ手段は電源電圧依存性の小さな電圧を形成し、しかも、その電圧レベルは、この半導体集積回路の許容動作電源電圧の許容範囲内で外部から供給される単一電源電圧よりも低い電圧にクランプされるから、このクランプ電圧で動作される昇圧手段が生成する昇圧電圧、即ち、書き込み及び消去電圧は、外部電源電圧に依存しない。したがって、低電圧動作を含む比較的広い外部電源電圧範囲で内蔵不揮発性メモリの消去及び書き込みを可能にする。しかもそれは単一の外部電源電圧で達成できるから、不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路の使い勝手を向上させる。
【0015】
昇圧動作効率を向上させるには、昇圧電圧が所定レベルに達したとき、チャージポンプを行うMOSトランジスタに共通の基板バイアス電圧を変更する。例えば、負の高電圧を形成する昇圧ノードにpチャンネル型のMOSトランジスタと容量が結合され、それらによるチャージポンプ作用で負の高電圧を生成するチャージポンプ回路を有し、前記MOSトランジスタに共通の基板バイアス電圧を、前記電圧クランプ手段の出力電圧から途中でそれよりもレベルの低い第2の電圧に切り換える切り換え手段を更に備える。前記第2の電圧は前記切り換え時点における昇圧電圧よりもレベルの高い電圧である。この例では、基板バイアス電圧が低下されると、所謂基板バイアス効果によってMOSトランジスタのしきい値電圧が小さくなり、これによってチャージポンプを行うMOSトランジスタを介して電荷が移動され易くなる。このことが、昇圧動作効率を向上させ、規定の昇圧電圧を得るまでの時間を短縮する。
【0016】
チャージポンプによる昇圧途上の昇圧電圧は、チャージポンプ用のMOSトランジスタのスイッチ動作に同期して上下に振れる。このようなリプル成分の影響で基板バイアス電圧が振動するのを防止するには、前記切換え手段には、基板バイアス電圧の切換え後に昇圧電圧が上下に振れても基板バイアス電圧を第2の電圧に維持するヒステリシス特性を持たせる。このようなヒステリシス特性は、ヒステリシスコンパレータを用い、或いはSRフリップフロップのような回路によって状態を保持することによって達成できる。
【0017】
同一電源で複数個のチャージポンプ回路を動作させるとき、電源の瞬間的電圧落ち込みを小さくするのは、各チャージポンプ回路の動作の位相をずらすことが望ましい。例えば、前記昇圧手段は、負の高電圧を形成する昇圧ノードに結合されたMOSトランジスタと容量とによるチャージポンプ作用で負の高電圧を生成する負昇圧用チャージポンプ回路と、正の昇圧電圧を形成する昇圧ノードに結合されたMOSトランジスタと容量とによるチャージポンプ作用で正の高電圧を生成する正昇圧用チャージポンプ回路を有するとき、前記正昇圧用チャージポンプ回路に含まれる前記MOSトランジスタと負昇圧用チャージポンプ回路に含まれる前記MOSトランジスタとのオン動作期間の位相を相違させればよい。
【0018】
不揮発性メモリに対する消去及び書き込みには比較的大きな電流を要するから、昇圧回路の電源は他の回路の電源に直結されていないことが望ましい。この観点によると、前記電圧クランプ手段は、電源電圧依存性の小さな基準電圧発生回路と、前記基準電圧発生回路から出力される基準電圧を参照電圧として出力回路を前記第1の電圧に負帰還制御する第1の定電圧発生回路と、第1の定電圧発生回路から出力される電圧を参照電圧として出力回路を前記第1の電圧に負帰還制御する第2の定電圧発生回路とを有し、第2の定電圧発生回路の出力電圧が前記正昇圧手段及び負昇圧手段に供給されるものであることが望ましい。
【0019】
前記第1の定電圧発生回路から出力される電圧を参照電圧として出力回路を負帰還制御する第3の定電圧発生回路を更に有し、第3の定電圧発生回路の出力電圧を読み出し系の動作電源電圧とすることができる。
【0020】
プロセスばらつきなどに対して前記電圧クランプ手段の出力電圧を微調整可能にするためにトリミング回路を設けることが望ましい。このとき、前記トリミング回路をトリミング調整情報に従って制御するトリミング制御手段と、前記トリミング制御手段に供給されるべきトリミング調整情報が設定されるレジスタ手段とを設ける。このレジスタ手段は、前記不揮発性メモリの特定領域から前記トリミング調整情報の転送を受ける。これにより、ソフトウェアでトリミングを自在に行うことができる。フューズを用いた場合のように一旦プログラムした後に変更できないという制約がない。
【0021】
前記トリミング調整情報が不揮発性メモリの読み出し電圧にも影響する場合、不揮発性メモリからレジスタ手段へのトリミング調整情報の転送は、不揮発性メモリに対する読み出しに規定よりも長い時間を費やせるとき行うことが、誤動作防止の上で望ましい。すなわち、そのような転送を半導体集積回路のリセット動作に同期して行行えばよい。これにより、トリミング動作の確定までの内部電圧の変動をリセット中に確定でき、リセット動作後には読み出し動作を安定させることができる。前記トリミング調整情報が不揮発性メモリの書き込み及び消去電圧にのみ影響する場合には、トリミング調整情報の転送は、リセット期間中、又はリセット解除後の最初のベクタフェッチ(命令フェッチ)前に行えばよい。
【0022】
テストモードにおけるトリミング情報の選択という点を考慮すれば、テストモードにおいて前記中央処理装置は前記レジスタ手段をアクセス可能であることが望ましい。
【0023】
半導体集積回路のウェーハ完成状態が書き込み状態(例えばしきい値電圧の低い論理値“0”の状態)で、半導体集積回路の出荷が消去状態(例えばしきい値電圧の高い論理値“1”の状態)とされる場合、書き込み状態と消去状態でトリミング状態が両極端になって電圧クランプ手段の出力電圧に大きな差が出ないようにすることが望ましい。そのために、前記トリミング制御手段は、トリミング調整情報の値に従って前記トリミング回路のトリミング位置を決定するものであって、トリミング調整情報が全ビット論理値“1”のときのトリミング位置とトリミング調整情報が全ビット論理値“0”のときのトリミング位置とを隣り合うように選択する選択論理を有し、ウェーハ完成状態において不揮発性メモリが書き込み状態にされたときと、出荷時に不揮発性メモリが消去状態にされたときとの双方において、前記電圧クランプ手段の出力電圧の相違を最小にする。
【0024】
昇圧手段で規定の昇圧電圧を得るには少なからず時間を要し、その時間はプロセスばらつきの影響も受ける。書き込み及び消去動作は昇圧電圧が規定電圧に達してから開始されなければならない。そのような管理を中央処理装置によるソフトウェアで実現する。即ち、前記不揮発性メモリを制御するためのコントロールレジスタを有し、前記コントロールレジスタは、前記昇圧手段に書き込み用の昇圧動作の開始を指示する書き込みセットアップビットと、昇圧電圧を用いた書き込み動作の開始を指示する書き込みイネーブルビットと、前記昇圧手段に消去用の昇圧動作の開始を指示する消去セットアップビットと、昇圧電圧を用いた消去動作の開始を指示する消去イネーブルビットとを有する。これにより、消去や書き込み動作が指示されてから実際に消去や書き込みを開始するタイミングを管理するタイマなどのハードウェアを削減することができる。
【0025】
更に、前記コントロールレジスタに、前記昇圧手段による昇圧動作の準備状態を指示する書き換えイネーブルビットを設け、この書き換えイネーブルビットが真値であることを条件に、前記消去セットアップビットと書き込みセットアップビットによる指示を受け付け可能にすることにより、書き込み又は消去動作は前記書き換えイネーブルビットが真値であることを条件に行うことができるので、中央処理装置の暴走などによって不揮発性メモリが不所望に書き換えられる事態の発生を阻止するのに役立つ。
【0026】
不揮発性メモリに対する不所望な書き換え阻止の信頼性を更の向上させるには、前記コントロールレジスタは外部端子の状態に応じた値が設定されるプロテクトビットを追加し、前記プロテクトビットはそれが真値(所定値)であることを条件に前記昇圧イネーブルビットの真値(所定値)への設定を可能にするインターロックを行うようにするとよい。
【0027】
消去や書き込みに際して必要な負電圧の印加が内部回路に与える負担を少なくするには、ワード線などを一旦接地電位にしてから印加電圧を切り換えるようにすることが望ましい。例えば、電気的に消去及び書き込み可能なフラッシュメモリと、前記フラッシュメモリをアクセス可能な中央処理装置とを1個の半導体基板に含み、外部電源端子に供給される単一の電源電圧を動作電源とするマイクロコンピュータにおいて、前記フラッシュメモリは、コントロールゲートがワード線に、ドレインがビット線に、そしてソースがソース線に結合された複数個のメモリセルトランジスタを有するメモリセルアレイと、メモリセルトランジスタに対する書き込み及び消去動作用の高電圧を生成する昇圧回路と、アドレス信号に基づいてワード線選択信号を形成するアドレスデコーダと、読み出し動作時のワード線選択レベルを接地電位に対して第1の極性とし、書き込み時のワード線選択レベルを接地電位に対して第2の極性とするワードドライバ回路と、書き込み動作の開始と終了に当たって全ワード線を接地電位に強制し、前記ワードドライバの動作電源を接地電位に切換え、前記アドレスデコーダの選択信号の選択レベルの極性を論理的に反転させ、ワードドライバの動作電源を切り換えるタイミング制御手段とを有する。
【0028】
【発明の実施の形態】
《マイクロコンピュータチップ》
図3には本発明の一例に係るマイクロコンピュータ(マイクロプロセッサ又はデータ処理装置)のブロック図が示される。同図に示されるマイクロコンピュータ1は、特に制限されないが、公知の半導体集積回路製造技術によって単結晶シリコンのような1個の半導体基板に形成されている。
【0029】
同図に示されるマイクロコンピュータ1は、特に制限されないが、中央処理装置(CPU)2、フラッシュメモリ(FLE0,FLE1)3、フラッシュメモリ用のコントロールレジスタ(FLC)4、ランダムアクセスメモリ(RAM)5、割り込みコントローラ(INTC)6、乗算器(MULT)7、タイマ(ATU)8、バス及びシステムコントローラ(BSC,SYS)9、ウォッチドックタイマ(WDT)10、ダイレクトメモリアクセスコントローラ(DMA)11、クロックパルスジェネレータ(CPG)12、シリアルコミュニケーションインタフェース(SCI)13、フェーズロックドループ回路(PLL)14、アナログ・ディジタルコンバータ(A/D_0,A/D_1)、そして複数個のポート入出力PA,PB,PC,PD,PE,PG,PH,PMを有する。前記各回路ブロックは図示を省略するアドレスバス、データバス及びコントロールバスなどに結合されている。
【0030】
特に制限されないが、マイクロコンピュータ1は、組み込み機器制御に利用され、CPU2の動作プログラムはフラッシュメモリ3に格納される。RAM5はCPU2のワーク領域もしくはデータの一時記憶領域とされる。
【0031】
図3のマイクロコンピュータ1は外部電源端子Pvccに供給される単一の外部電源電圧Vccを動作電源とする。Pvssは接地端子である。接地端子の供給される電位は接地電圧Vssである。前記外部電源電圧Vccは、特に制限されないが、所謂3V及び5V電源(許容誤差は±10%)に対応され、2.7V〜5.5Vの範囲の電圧が外部電源電圧の許容範囲とされる。
【0032】
図3においてRESはマイクロコンピュータのリセット端子(リセット信号)、VppMON、VssMONは内部昇圧電圧のモニタ端子、Pfweはフラッシュメモリ3に対する書き込みプロテクト端子である。特にVppMONは内部正昇圧電圧モニタ用であり、VssMONは内部負昇圧電圧モニタ用である。
【0033】
《フラッシュメモリ》
図4には前記フラッシュメモリ3の全体的なブロック図とコントロールレジスタ4が示されている。図4では図3においてFLE0で示される一つのフラッシュメモリ3を代表的に示してある。FLE1で示される他方のフラッシュメモリ3も全く同じであるから図示を省略してある。
【0034】
図4において17はデータバス、18はアドレスバスである。特に制限されないが、代表的に示されたCPU2、RAM5及びフラッシュメモリ3はアドレスバス18及びデータバス17を共有する。図3に示されるコントロールレジスタ4は、図4において消去ブロック指定レジスタEBR1、書き換え制御レジスタFLMCR1、基準電圧トリミングレジスタTRMR1,TRMR2を含んでいる。各コントロールレジスタEBR1,FLMCR1,TRMR1,TRMR2はCPU2によってアクセス可能にされる。レジスタTRMR1,TRMR2に対するCPUアクセスには後述の制限がある。
【0035】
メモリセルアレイ30には多数の不揮発性メモリセルが配置されている。不揮発性メモリセルは、特に図示はしないが、ソース、ドレイン、フローティングゲート及びコントロールゲートを持ち、ゲート酸化膜(絶縁膜)は、トンネル現象によるトンネル電流を流し得るように薄くされている。ソースはソース線に、ドレインはビット線に、コントロールゲートはワード線に結合される。Xデコーダ(X−DEC)31はアドレスバス18からアドレスバッファ32に取り込まれたXアドレス信号をデコードしてワード線の選択信号を形成する。ワードドライバ(WDRV)33はワード線選択信号で選択されたワード線を、動作モード(書き込み、消去、読み出し等)に応じた所定の選択レベルに駆動する。前記ビット線はYセレクタ34を介して選択されたものが書き込み回路35又はセンスアンプ36に接続される。センスアンプ36はメモリセルから読み出されたデータを検出し、その論理値に応じたデータを出力バッファ37に与え、出力バッファ37はデータ出力動作の指示に従ってデータバス17への出力動作を行う。書き込み回路35はデータバス17から入力バッファ38に与えられた書き込みデータに応じた書き込み電圧を、Yセレクタ34で選択されたビット線に与える。Yデコーダ(Y−DEC)31はアドレスバス18からアドレスバッファ32に取り込まれたYアドレス信号をデコードして前記Yセレクタ34の選択信号を形成する。ソース及び基板制御部39は、消去ブロック指定レジスタEBR1で指定された消去ブロックのソース線を選択する制御を行うと共に、消去や書き込み動作に応じてメモリセルアレイ30の基板電圧を制御したりする。
【0036】
図4において40はフラッシュメモリの電源回路であり、前記単一外部電源電圧Vccに基づいて書き込み及び消去のための高電圧や読み出し系の動作電圧を生成する。この電源回路40は、基準電圧回路、リード用クランプ電源回路、昇圧用クランプ電源回路、第1の正昇圧回路、第2の正昇圧回路、負昇圧回路、そして上記回路で形成された各種電圧を選択してフラッシュメモリ3の内部回路に供給する電圧供給スイッチ群を有している。
【0037】
トリミング制御部42はプロセスばらつき等に対して電源回路の特性を調整するための制御回路である。トリミング制御部42に対する制御データは前記基準電圧トリミングレジスタTRMR1及び昇圧電圧トリミングレジスタTRMR2から与えられる。前記電源回路40で生成される各種動作電源はフラッシュメモリの動作に応じて選択されてソース制御部39、書き込み回路35及びワードドライバ33などに与えられる。この時の電源供給に関する書き込みシーケンスや消去シーケンス等は電源制御部41が行う。電源制御部41は書き込みシーケンサ及び消去シーケンサなどを有する。書き込みシーケンスや消去シーケンスのための制御データは前記書き換え制御レジスタFLMCR1から与えられる。43で示される回路ブロックはフラッシュメモリ3のその他の制御論理である。
【0038】
図5には前記メモリセルアレイ30の構成例が示される。特に制限されないが、図示の構造は、ビット線は主ビット線300と副ビット線301によって構成され、不揮発性メモリセル302のドレインが副ビット線301に結合される。主ビット線300と副ビット線301は選択MOSトランジスタ303によって選択的に導通される。不揮発性メモリセル302のソースは一群ごとに所定のソース線304に共通接続されている。305はワード線、306は前記選択MOSトランジスタのセレクト線である。
【0039】
図6には消去動作の電圧印加状態の一例が示される。消去の最小単位はソース線を共通とするブロック単位である。消去選択ソース線は−9.5V、セレクト線306は−9.5V、消去選択ワード線は9.5V、消去非選択ワード線は0V(接地電位Vss)とされる。これによって消去対象ブロック307の不揮発性メモリセル302のフローティングゲートに電子が注入され、当該不揮発性メモリセルのしきい値電圧が高くされる。すなわち、データの消去は、ゲート絶縁膜を介して、ドレイン(ソース)及びチャネル部からフローティングゲートへの電子トンネリング現象を利用して行われる。
【0040】
図7には書き込み動作の電圧印加状態の一例が示される。書き込みはワード線毎に行われる。書き込み選択ワード線は−9.5V、書き込み選択ビット線は6.5V、書き込み非選択ビット線は0V、書き込み選択セレクト線は9.5V、ソース線はオープン(フローティング)にされる。これによって書き込み選択とされた不揮発性メモリセル302のフローティングゲートから電子が放出され、当該メモリセルのしきい値電圧が低くされる。すなわち、データの書き込みは、ゲート絶縁膜を介し、フローティングゲートからドレイン(ソース)及びチャネル部への電子トンネリング現象を利用して行われる。
【0041】
図8にはフラッシュメモリの各部における動作電源がブロック図で示されている。図8において33Zで示されるものは前記セレクト線306のドライバ(ZDRV)である。このドライバ33Zにはブロック選択に割り当てられたアドレス信号をデコードするZデコーダ(Z−DEC)31Zからのデコード信号が供給される。Zドライバ33ZはZデコーダ31Zから出力される選択信号に従ってセレクト線を駆動する。33Yで示されるものはYセレクトドライバであり、Yセレクタ34のスイッチ制御信号のレベルを決定する。前記図4ではYセレクトドライバ33Y、Zドライバ33Z及びZデコーダ31Zは図示を省略してある。
【0042】
図9には図8に示される各種動作電源の意味が示されている。それら各種動作電源の電圧と動作との関係は図10に例示されている。図11には前記各種動作電源が取り得る電圧を整理して示してある。9.5V及び6.5Vは正昇圧によって生成され、−9.5Vは負昇圧によって生成される。
【0043】
《電源回路》
図1には前記電源回路40の主要部が概略的に示されている。電源回路40は、電源電圧依存性の小さな基準電圧を用いて前記外部電源電圧Vcc(2.7V〜5.5V)よりレベルの低い第1の電圧Vfix(2.5V)に出力電圧をクランプする電圧クランプ手段44を有し、前記電圧Vfix(クランプ電圧Vfixとも称する)を動作電源とする昇圧回路を有する。昇圧回路は、3個のチャージポンプ回路45,46,47とそれらに共通のリングオシレータ48によって構成される。チャージポンプ回路45とリングオシレータ48は第1の正昇圧回路を構成し、クランプ電圧Vfixに基づいて9.5Vの正昇圧電圧を形成する。前記チャージポンプ回路46とリングオシレータ48は第2の正昇圧回路を構成し、クランプ電圧Vfixに基づいて6.5Vの正昇圧電圧を形成する。前記チャージポンプ回路47とリングオシレータ48は負昇圧回路を構成し、クランプ電圧Vfixに基づいて−9.5Vの負昇圧電圧を形成する。
【0044】
前記電圧クランプ手段44は電源電圧依存性の小さなクランプ電圧Vfixを形成し、しかも、クランプ電圧Vfixは、2.7V〜5.5Vの許容範囲内で外部から供給される単一電源電圧Vccよりも低い電圧(2.5V)にクランプされるから、このクランプ電圧Vfixで動作される正及び負の昇圧回路が生成する昇圧電圧、即ち、書き込み及び消去電圧は、外部電源電圧Vccに依存しない安定な電圧とされる。比較例として図2に示した構成は、リングオシレータ及びチャージポンプ回路の動作電源は外部電源電圧Vccとされるから、昇圧電圧は外部電源電圧Vccに存して変動される。
【0045】
《クランプ電源》
図12には前記電圧クランプ手段44の一例が示される。この電圧クランプ手段44は、基準電圧発生回路400、第1の定電圧発生回路401、第2の定電圧発生回路(昇圧用クランプ電源回路)402及び第3の低電圧発生回路(リード用クランプ電源回路)403から成る。
【0046】
基準電圧発生回路400は、シリコンのバンドギャップなどを利用して、電源電圧依存性及び温度依存性の小さな基準電圧Vrefを発生する回路である。基準電圧発生回路400の動作電源はVccである。このような基準電圧発生回路400は公知であるのでその詳細な回路構成については図示を省略する。この例において、前記基準電圧Vrefは、1.4V±0.3Vとされる。
【0047】
第1の定電圧発生回路401は、前記基準電圧Vrefを参照電圧として出力回路をクランプ電圧Vrefaに負帰還制御する回路である。具体的には、nチャンネル型MOSトランジスタQ1と帰還抵抗回路(ラダー抵抗回路)FBR1とによって構成されたソースフォロア回路を出力回路として備えると共に、CMOSオペアンプOP1を持ち、オペアンプOP1の非反転入力端子(+)に前記基準電圧Vrefを受け、オペアンプOP1の反転入力端子(−)に出力回路からの帰還信号を受け、オペアンプOP1の出力によって前記MOSトランジスタQ1のコンダクタンスを制御する。クランプ電圧Vrefaは、帰還抵抗回路FBR1の分圧比と基準電圧Vrefとによって決まる一定の電圧にされる。このクランプ電圧Vrefaは、論理的には電源電圧Vccに依存しない。この例に従えば、クランプ電圧Vrefaは2.5Vとなるように、帰還抵抗回路FBR1を用いて調整されることになる。
【0048】
第1の定電圧発生回路401の更に詳細な一例は図16及び図17に示されている。図16に示されるように帰還抵抗回路FBR1の分圧比はスイッチ410によって選択可能にされている。即ち、帰還抵抗回路FBR1は抵抗分圧比を調整可能なトリミング抵抗回路を構成する。図17においてBIASは差動増幅回路及び出力回路の電流源トランジスタをバイアスする信号であり、図示しないバイアス回路から出力される。FSTBYWはスタンバイ信号とされ、マイクロコンピュータ1の低消費電力モードにおける内部ノードの状態を決定し、且つ無駄な電流貫通経路をカットオフ制御する。
【0049】
第2の定電圧発生回路402は、前記クランプ電圧Vrefaを参照電圧として出力回路をクランプ電圧VfixBに負帰還制御する回路である。具体的には、nチャンネル型MOSトランジスタQ2と帰還抵抗回路FBR2とによって構成されたソースフォロア回路を出力回路として備えると共に、CMOSオペアンプOP2を持ち、オペアンプOP2の非反転入力端子(+)に前記クランプ電圧Vrefaを受け、オペアンプOP2の反転入力端子(−)に出力回路からの帰還信号を受け、オペアンプOP2の出力によって前記MOSトランジスタQ2のコンダクタンスを制御する。クランプ電圧VfixBは、帰還抵抗回路FBR2の分圧比とクランプ電圧Vrefaとによって決まる一定の電圧にされる。このクランプ電圧Vrefaは、論理的には電源電圧Vccに依存しない。この例に従えば、クランプ電圧VfixBは2.5Vとなるように、帰還抵抗回路FBR2の分圧比が決定されている。図12のクランプ電圧VfixBは図1に示されるVfixに対応される。
【0050】
第3の定電圧発生回路403は、前記クランプ電圧Vrefaを参照電圧として出力回路をクランプ電圧VfixAに負帰還制御する回路である。具体的には、nチャンネル型MOSトランジスタQ3と帰還抵抗回路FBR3とによって構成されたソースフォロア回路を出力回路として備えると共に、オペアンプOP2を持ち、オペアンプOP2の非反転入力端子(+)に前記クランプ電圧Vrefaを受け、オペアンプOP2の反転入力端子(−)に出力回路からの帰還信号を受け、オペアンプOP2の出力によって前記MOSトランジスタQ2のコンダクタンスを制御する。帰還信号は2.5V出力用のnチャンネル型MOSトランジスタQ4又は4.0V出力用のnチャンネル型MOSトランジスタQ5を通して帰還される。クランプ電圧VfixAは、帰還抵抗回路FBR2の分圧比とクランプ電圧Vrefaとによって決まるほぼ一定の電圧にされる。このクランプ電圧Vrefaは、論理的には電源電圧Vccに依存しない。この例に従えば、トランジスタQ4を選択したときクランプ電圧VfixAが2.5Vとなるように、また、トランジスタQ5を選択したときクランプ電圧VfixAが4.0Vとなるように帰還抵抗回路FBR2の分圧比が決定されている。クランプ電圧VfixAはリード系の動作電源とされる。クランプ電圧VfixAを2.5Vにするか4.0Vにするかは動作モードによって選択され、例えば、読み出し動作ではワード線ディスターブを軽減する観点からリード時のワード線選択レベルとして、VfixA=4.0Vを用いる。このときセンスアンプ電源にはVccを用いる。一方、消去ベリファイや書き込みベリファイにおいては書き込みや消去レベルが電源電圧Vccに依存しないように、Yセレクタのドライバやセンスアンプの電源にはVfixA=2.5Vを用いる。
【0051】
クランプ電圧VfixBは書き込み及び消去に利用される高電圧を昇圧するための動作電源とされ、その他のリード系動作の電源とされるクランプ電圧VfixAとは分離されている。書き込み消去には比較的大きな電流を要し、それを供給するための昇圧回路には比較的大きな電流が流れるから、昇圧系とその他の電源系を別にすることによって、昇圧動作による電源電圧の変動がその他の回路の与える影響を最小限に抑えることが可能になる。
【0052】
《昇圧回路》
図13には第1及び第2の正昇圧回路の一例としての前記チャージポンプ45,46及びそれらの周辺回路が示される。特に図示はしないが、前記チャージポンプ回路45,46は夫々MOSトランジスタと容量素子が結合された複数個の昇圧ノードを有し、前記MOSトランジスタと容量とによるチャージポンプ作用で高電圧を生成する。クロックドライバ420,421はチャージポンプ回路45,46にチャージポンプ動作を行わせるための複数相の駆動信号を生成する。前記クロックドライバ420、421の動作電源は前記クランプ電圧VfixBとされる。前記駆動信号は、位相をずらして前記複数個のMOSトランジスタをスイッチ制御すると共に容量の一方の電極に順次規則的な電圧変化を与え、これにより、容量の一方の電極に順次規則的に与えられる変化に応じて変化される他方の電極の電圧がMOSトランジスタを介して順次後段に伝達される。前記駆動信号は前記リングオシレータ48から出力されるクロック信号CLKに同期して生成される。チャージポンプ回路46,45によって生成される昇圧電圧VPP6,VPP9を規定の電圧に維持するために、比較器422,423が設けられている。比較器422,423には、昇圧電圧VPP6,VPP9を抵抗回路428,429で抵抗分圧した電圧VCMP6,VCMP9が供給され、前記クランプ電圧Vrefaと比較される。電圧VCMP6,VCMP9は昇圧電圧が規定の電圧(VPP6=6.5V、VPP9=9.5V)になったとき電圧Vrefa以上にされる。比較器422,423はその状態を検出することによって検出信号424,425をローレベルからハイレベルに反転する。検出信号424,425は論理和ゲート426,427によりクロック信号CLKと論理和が採られて、前記クロックドライバ420,421に供給される。したがって、昇圧電圧VPP6,VPP9が規定の電圧に達すると、論理和ゲート426,427の出力がハイレベルに固定され、その間、チャージポンプ回路45,46による昇圧動作が一時停止される。尚、430,431は昇圧動作の完了によってカットオフされるスイッチ回路である。
【0053】
図14には負正昇圧回路の一例としてのチャージポンプ回路47及びその周辺回路が示される。特に図示はしないが、前記チャージポンプ回路47は夫々MOSトランジスタと容量素子が結合された複数個の昇圧ノードを有し、前記MOSトランジスタと容量とによるチャージポンプ作用で負の高電圧を生成する。クロックドライバ434はチャージポンプ回路47にチャージポンプ動作を行わせるための複数相の駆動信号を生成する。前記クロックドライバ434の動作電源は前記クランプ電圧VfixBとされる。前記駆動信号は、位相をずらして前記複数個のMOSトランジスタをスイッチ制御すると共に容量の一方の電極に順次規則的な電圧変化を与え、これにより、容量の一方の電極に順次規則的に与えられる変化に応じて変化される他方の電極の電圧がMOSトランジスタを介して順次後段に伝達される。前記駆動信号は図13に示される前記リングオシレータ48から出力されるクロック信号CLKに同期して生成される。チャージポンプ回路47によって生成される負の昇圧電圧VPPMNS9を規定の電圧に維持するために、比較器435が設けられている。比較器435には、昇圧電圧VPPMNS9を抵抗回路436で抵抗分圧した電圧VPCMP9が供給され、接地電位Vssと比較される。電圧VPCMP9は昇圧電圧VPPNMSが規定の電圧(VPPMNS9=−9.5V)になったとき接地電圧Vssよりも低くされる。比較器435はその状態を検出することによって検出信号437をローレベルからハイレベルに反転する。検出信号437は論理和ゲート438によりクロック信号CLKと論理和が採られて、前記クロックドライバ434に供給される。したがって、昇圧電圧VPPMNS9が規定の電圧に達すると、論理和ゲート438の出力がハイレベルに固定され、その間、チャージポンプ回路47による昇圧動作が一時停止される。尚、439は昇圧動作の完了によってカットオフされるスイッチ回路である。
【0054】
前記チャージポンプ回路47から出力される負の昇圧電圧VPPMNS9は前記モニタ端子VssMONから観測できるようになっている。440で示される回路はテストモードにおいてオン動作されるスイッチ回路である。前記正の昇圧電圧VPP6,VPP9は図15に例示されるようにモニタ端子VCPPMONから選択的に観測することができる。441,442は正の昇圧電圧VPP6,VPP9をモニタ端子VCPPMONに伝達するスイッチ回路である。MONEはハイレベルによってモニタ端子VppMONによる昇圧電圧のモニタを指示するイネーブル信号、MONSはVPP6またはVPP9の何れをモニタするかを指示する信号であり、前記スイッチ回路441,442はテストモードにおける信号MONE,MONSの状態にしたがってオン動作が排他的に行われ、これによって所望の昇圧電圧VPP6又はVPP9を観測できる。
【0055】
図13において、OSEで示されるものはリングオシレータ48に対する発振動作の開始指示信号である。VPE1で示される信号は、クロックドライバ421及びチャージポンプ回路46に対する昇圧動作の開始を指示する信号である。VPE2で示されるものは、クロックドライバ420及びチャージポンプ回路45に対する昇圧動作の開始を指示する信号である。図14においてVPE3で示される信号は、クロックドライバ434及びチャージポンプ回路47に対する昇圧動作の開始を指示する信号である。
【0056】
前記3種類のクロックドライバ420、421及び434はその動作電源が共通のクランプ電源VfixBとされ、また、一つのリングオシレータ48をクロック源として利用する。このとき、図13に例示されるように、チャージポンプ回路46のクロックドライバ421には遅延回路444を介してクロック信号CLKが供給される。チャージポンプ回路45のクロックドライバ420には直列2段の遅延回路444、445を介してクロック信号CLKが供給される。一方、図14に例示されるようにチャージポンプ回路47のクロックドライバ434には遅延回路介せずにクロック信号CLKが供給される。したがって、図18に例示されるようにリングオシレータ48から出力されるクロック信号CLKは順次位相がずらされて、−9.5V昇圧用クロック信号、+6.5V用クロック信号及び+9.5V用クロック信号としてクロックドライバ434、421、420に供給される。クロックドライバ434、421、420で形成されるチャージポンプ回路47、46、45の駆動信号は前記夫々位相がずれたクロック信号に同期される。すなわち、クロックドライバ434、421、420は前記クロック信号の変化に同期してトランジスタがスイッチ動作され、回路に流れる電流はそのスイッチ動作に同期して変化される。したがって、クロックドライバ434、421、420に供給されるクロック信号の位相がずれているから、クロックドライバ434、421、420全体で生ずる瞬間的な電流変化は小さくされ、昇圧用クランプ電源回路402のような電源回路の負担を小さくすることができる。このことは、昇圧動作の安定化、更には書き込み及び消去動作の安定化に寄与する。
【0057】
《チャージポンプ回路の基板バイアス電圧変更》
図19には前記負電圧昇圧用のチャージポンプ回路47及びクロックドライバ434の一例が示される。図19にその一部のみ示されたチャージポンプ回路47においてNPで示されるものは昇圧ノードである。隣接する昇圧ノードの間には電荷転送用のpチャンネル型MOSトランジスタQ10が配置されている。また、各昇圧ノードNPにはチャージポンプ用の容量素子C1の一方の電極が結合されている。前記MOSトランジスタQ10のゲートには別の容量素子C2の一方の電極が結合されている。MOSトランジスタQ10のゲートとその前段の昇圧ノードNPとの間にはPチャンネル型のトランスファMOSトランジスタQ11,Q12が並列配置され、MOSトランジスタQ11のゲートは昇圧ノードNPに、MOSトランジスタQ12のゲートはMOSトランジスタQ10のゲートに結合されている。MOSトランジスタQ13,Q14は昇圧ノードNPを初期化するためのトランジスタである。容量素子C1の容量値はC2の容量値よりも大きくされている。このように、チャージポンプ回路47は、前記MOSトランジスタQ10〜Q13と容量素子C1,C2を一組とする単位回路が複数個直列接続されて構成されている。
【0058】
クロックドライバ434は、クロック信号CLKを順次遅延させて位相の異なる3相のクロック信号φa〜φcを生成し、その3相のクロック信号φa〜φcに基づいて4本の駆動信号DS1〜DS4を出力する。図20には図19に示されたクロックドライバ434の論理構成によって生成されるクロック信号φa〜φc及び駆動信号DS1〜DS4の波形が示される。
【0059】
前記駆動信号DS1,DS2は前記容量素子C1の他方の電極に交互に供給され、前記駆動信号DS3,DS4は前記容量素子C2の他方の電極に交互に供給される。例えばDS4のハイレベル(t1)によってMOSトランジスタQ10がオフされ、DS2のハイレベル(t1)によって昇圧ノードのレベルが持ち上げられた状態において、その前段の昇圧ノードNPがDS1のローレベル(t2)によって低下されると、トランジスタQ11を介してその隣のMOSトランジスタQ10のゲートもレベル低下され、その直後にDS3がローレベル(t3)に変化されることによって当該昇圧ノードNPのレベルが更に低下される。低下されたレベルはMOSトランジスタQ10を介して次段の昇圧ノードNPに移される。このようなチャージポンプ動作によって電圧VPPMNS9は徐々に負電圧に昇圧される。
【0060】
尚、図19に示されるノアゲート450は図14で説明したオアゲート438の機能を代替する。
【0061】
前記駆動信号D1〜D4は接地電位Vssとクランプ電圧VfixBとの間で変化される。昇圧動作の開始時点においてチャージポンプ回路47のMOSトランジスタQ10,Q11,Q12のゲートにはクランプ電圧VfixBが印加される。昇圧動作が進むに従って当該ゲート電圧は低下される。したがって、昇圧動作の開始時点において、それらMOSトランジスタQ10,Q11,Q12に共通の基板バイアス電圧は少なくともクランプ電圧VfixBにされなければ、当該トランジスタのpn接合部分が不所望に順方向バイアス状態にされて誤動作を生ずる虞がある。
【0062】
この例では、前記MOSトランジスタQ10,Q11,Q12はそれらに共通のウェル領域に形成されている。それらMOSトランジスタQ10,Q11,Q12に共通の基板バイアス電圧(ウェルバイアス電圧)は、昇圧動作の開始時点でクランプ電圧VfixBにされ、途中で接地電圧Vssに切り換える。
【0063】
図21にはチャージポンプ回路の前記基板バイアス電圧を切り換えるための構成が示されている。図21において460で示されるものは基板バイアス電圧をクランプ電圧VfixB又は接地電圧Vssに切り換えるスイッチ手段である。このスイッチ手段460のスイッチ状態は、特に制限されないが、セット・リセット型のフリップフロップ(SR−FF)461の出力端子Qの状態によって決定される。このフリップフロップ461のリセット端子Rには昇圧イネーブル信号VPE3の反転信号が供給され、昇圧動作が行われない状態においてリセット状態にされる。このリセット状態においてスイッチ手段460はクランプ電圧VfixBを基板バイアス電圧462として選択する。前記フリップフロップ461のセット端子Sは比較器463の出力信号464を受ける。この比較器463は、前記抵抗回路436の分圧点ND1の電位が接地電位Vss以下であるかを監視する。分圧点ND1は昇圧電圧VPPMNS9が接地電位Vssよりも低い所定の電圧になったとき、接地電位Vssにされる。したがって、昇圧電圧Vssが接地電位Vssよりも低い所定の電圧になったとき、フリップフロップ461はセット状態にされ、これによってスイッチ手段460は基板バイアス電圧462として接地電圧Vssを選択する。尚、図14において前記スイッチ手段460はクランプ電圧VfixBと接地電圧Vssを動作電源とするインバータによって構成されている。
【0064】
負電圧昇圧の途中で基板バイアス電圧462をクランプ電圧VfixBよりもレベルの低い接地電圧Vssに切り換えると、所謂基板バイアス効果によってMOSトランジスタQ10,Q11,Q12のしきい値電圧が小さくなり、これによってチャージポンプを行うMOSトランジスタQ10,Q11,Q12を介して電荷が移動され易くなる。したがって、動作電源(VfixB=2.5V)に対して目的とする昇圧電圧(VPPMNS9=−9.5V)のレベル差が最も大きい負電圧昇圧動作の効率を向上させることができ、規定の負昇圧電圧を得るまでの時間を短縮することができる。
【0065】
例えば図22には負電圧昇圧動作における昇圧電圧VPPMNS9遷移状態が示される。同図において(a)は前記基板バイアス電圧を切り換えずにクランプ電圧VfixBに固定したときの昇圧電圧VPPMNS9の遷移状態を示す。(b)は基板バイアス電圧を途中で切り換えたときの遷移状態を示す。(a)に比べて(b)の場合には負電圧昇圧動作効率が向上され、規定の負昇圧電圧を得るまでの時間が短縮されている。
【0066】
前記基板バイアス電圧が一旦接地電位Vssに切り換えられると、その後で比較器463の出力が反転されてもフリップフロップ461はセット状態を維持する。すなわち、フリップフロップ461は、基板バイアス電圧の切換え後に昇圧電圧VPPMNS9が上下に振れても基板バイアス電圧を接地電位Vssに維持するヒステリシス特性を持つということができる。このようなヒステリシス特性は、SRフリップフロップ461に代えて、比較器463にヒステリシスコンパレータを用いても実現できる。
【0067】
図22に示されるように、チャージポンプによる昇圧途上の昇圧電圧は、チャージポンプ用のMOSトランジスタQ10,Q11,Q12のスイッチ動作に同期して上下に振れる。前記フリップフロップ461に代表されるヒステリシス特性を有する回路の出力信号によってチャージポンプ回路47の基板バイアス電圧の切換えを行うことにより、負昇圧電圧のリプル成分の影響で一旦変更した基板バイアス電圧が元の基板バイアスへ再び変更される様な基板バイアスの不所望な振動を防止することができる。
【0068】
《電源回路のソフトウェアトリミング》
図12及び図16に示される前記定電圧発生回路401の帰還抵抗回路FBR1、図14に示される抵抗回路436は、トリミング可能な抵抗回路(トリミング抵抗回路)とされる。その構成は、図16で説明したように、多数のスイッチ410の中から一つのスイッチをオン動作させて、出力ノードとして採用する分圧点を決定する、所謂ラダー抵抗回路のような回路である。帰還抵抗回路FBR1においては、スイッチ410で選択された出力ノードにおける抵抗分圧比に応じて帰還抵抗値が決定される。同様に、抵抗回路436においては、スイッチ410で選択されたノード(ND1)における抵抗分圧比に応じた電圧が比較器463に与えられる。前記帰還抵抗回路FBR1をトリミング可能にするのは、プロセスばらつきに対し電源回路40の大元の電圧Vrefaを所要のレベルに合わせて、クランプ電圧VfixA,VfixBを望ましい電圧にするという意義を有する。また、負昇圧回路側の抵抗回路436をトリミング可能にするのは、最も昇圧幅の大きな負昇圧電圧VPPMNS9に関する昇圧レベル制御とウェルバイアス電圧切換えポイントを特に調整可能にして、負昇圧動作を最適化する意義を有する。尚、正昇圧回路側の抵抗回路428,429に対してもトリミング可能にしてもよい。
【0069】
前記抵抗回路(トリミング抵抗回路とも称する)FBR1,436の出力ノードにおける抵抗分圧比を決定するためのスイッチ410の選択信号は図23に例示されるようにセレクタ470によって生成される。図23の例に従えば、セレクタ470はトリミング情報をデコードし、1本のスイッチ選択信号を選択レベルにする。セレクタ470はトリミング抵抗回路FBR1とトリミング抵抗回路436に個別化されており、図4に示されるトリミング制御部42に含まれている。
【0070】
抵抗回路FBR1のトリミング情報は基準電圧トリミングレジスタTRMR1から抵抗回路FBR1のセレクタ470に供給され、抵抗回路436のトリミング情報は昇圧電圧トリミングレジスタTRMR2から抵抗回路436のセレクタ470に供給される。図25に例示されるように、基準電圧トリミングレジスタTRMR1に設定されるトリミング情報(基準電圧トリミング情報)はVR0〜VR4,TEVRとされる。昇圧電圧トリミングレジスタTRMR2に設定されるトリミング情報(昇圧電圧トリミング情報)はVM0〜VM4,TEVMとされる。
【0071】
図23に例示されるようにフラッシュメモリ3のメモリセルアレイ30には前記基準電圧トリミング情報と昇圧電圧トリミング情報を格納するための専用の記憶領域300が割り当てられている。この例に従えば、領域300の情報は、マイクロコンピュータ1のリセット動作に同期して前記レジスタTRMR1,TRMR2に転送される。この転送制御は、特に制限されないが、図24に示されるように、ハードウェアによって自動的に行われる。即ち、リセット信号RSTがアサートされると、フラッシュメモリ3の制御部43は前記領域300のデータをデータバス17に読み出すために、アドレスバッファ32、センスアンプ36、出力バッファ37などを制御して、自動的に前記領域300のデータを外部に読み出させる。一方、前記レジスタTRMR1,TRM2はリセット信号RSTのアサートに同期してデータバス17からデータを入力可能に制御される。これによって、領域300のデータがレジスタTRMR1,TRMR2に自動的に転送される。
【0072】
前記基準電圧トリミング情報と昇圧電圧トリミング情報は、プロセスばらつきなどを吸収するためにデバイステスト時に決定される。図24に基づいて説明したデータ転送はマイクロコンピュータ1にテストモードが設定される場合にも行われる。デバイステストの初期の段階では、ウェーハ完成状態においてフラッシュメモリ3が書き込み状態(領域300のトリミング情報は全ビット論理値“0”の状態)であるから、レジスタTRMR1,TRMR2のトリミング情報は全ビット論理値“0”にされている。テストモードにおいて前記レジスタTRMR1,TRMR2はCPU2によってリード・ライト可能にされる。デバイステスト時には、前記モニタ端子VppMON,VssMONから正及び負の昇圧電圧をモニタして、それが規定の電圧になるように基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報を決定する。このように決定された基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報は、所定のテストモード下でCPU2により前記フラッシュメモリ3の所定領域300に格納される。その後、マイクロコンピュータ1がリセットされる毎に、前記最適に決定された基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報にしたがって電源回路40が制御される。前記所定領域300は通常動作モード(もしくはユーザモード)ではアクセスが禁止される。所定のテストモードを再度設定すれば、前記領域をアクセスして基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報を再設定することも可能である。半導体メーカによるデバイステストはウェーハ段階のテストのほかに出荷時のテストもある。各テスト段階で基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報を設定することも可能である。出荷段階のテストを経て最後に基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報を前記所定領域300に書き込むことが想定される。
【0073】
この例に従えば、マイクロコンピュータのウェーハ完成状態においてフラッシュメモリ3は書き込み状態(例えばしきい値電圧の低い論理値“0”の状態)とされる。マイクロコンピュータの出荷時においてフラッシュメモリは消去状態(例えばしきい値電圧の高い論理値“1”の状態)にされる。書き込み状態と消去状態でトリミング状態が両極端になって電源回路の出力電圧に大きな差が出ないようにすることが望ましい。例えば、出荷段階のテストを経て最後に基準電圧トリミング情報及び昇圧電圧トリミング情報を前記所定領域300に書き込む場合、ウェーハ段階のテストに際して初期的に得られる昇圧電圧と、出荷時のテストに際して初期的に得られる昇圧電圧との間に無視し得ない大きな差がある場合にはテストもしくは検査効率が低下することが考えられる。また、トリミング不要なマイクロコンピュータチップの場合には消去状態のまま出荷できる。
【0074】
そのために、前記セレクタ470は、図23に例示されるように、トリミング調整情報が全ビット論理値“1”のときのトリミング位置とトリミング調整情報が全ビット論理値“0”のときのトリミング位置とを隣り合うように選択する選択論理を有する。これにより、ウェーハ完成状態においてフラッシュメモリ3が書き込み状態にされたときと、出荷時にフラッシュメモリが消去状態にされたときとの双方において、前記電源回路の出力電圧の相違を最小にすることができる。例えば図23の例に従えば、ウェーハ完成状態においてフラッシュメモリ3が書き込み状態(領域300のトリミング情報は全ビット論理値“0”の状態)のとき、“000”で示されトリミング位置でスイッチが選択され、マイクロコンピュータの出荷時においてフラッシュメモリが消去状態(領域300のトリミング情報は全ビット論理値“1”の状態)のとき、“111”で示されトリミング位置でスイッチが選択される。
【0075】
図12から明らかなように、前記トリミング調整情報はフラッシュメモリ3の読み出し電圧にも影響する。即ち、トリミング対象とされる帰還抵抗回路FBR1を含む定電圧回路401が出力するクランプ電圧Vrefaは、読み出し電源を生成するリード用クランプ電源回路403の参照電圧とされる。このとき、フラッシュメモリ3からレジスタTRMR1へのトリミング調整情報の転送は、フラッシュメモリ3に対する読み出し動作の規定アクセス時間よりも長い時間を費やして読み出しアクセスを行なえるとき行うことが、誤動作を防止する上で望ましい。なぜなら、読み出し電圧が多少規定された値より低い場合でも、読み出し時間を長くすれば、正確にメモリアレイからデータを読み出せるからである。この点においてマイクロコンピュータ1は、トリミング調整情報の初期的な転送をリセット動作に同期して行うようになっている。したがって、トリミング動作の確定までの内部電圧の変動をリセット中に確定でき、リセット動作後には読み出し動作を安定させることができる。前記トリミング調整情報がフラッシュメモリ3の書き込み及び消去電圧にのみ影響する場合には、トリミング調整情報の転送は、リセット期間中、又はリセット解除後の最初のベクタフェッチ(命令フェッチ)前に行えばよい。
【0076】
《フラッシュメモリに対する書き換えシーケンス》
前記フラッシュメモリ3の書き換え制御レジスタFLMCR1及び消去ブロック指定レジスタEBR1の詳細な一例は図25に示されている。消去ブロック指定レジスタEBR1のビットEB0〜EB7は消去ブロック指定データである。
【0077】
書き換え制御レジスタFLMCR1はP,E,PV,EV,PSU,ESU,SWE,FWEの各制御ビットを有し、それらの真値は特に制限されないが、論理値“1”とされる。
【0078】
書き換えイネーブルビットSWEは前記電源回路40による昇圧動作の準備状態を指示する。例えば、書き換えイネーブルビットSWEが論理値“1”にされると、図13に示される制御信号OSEがアサートされ、これによってリングオシレータ48が発振動作を開始し、クロック信号CLKを出力する。さらに、昇圧用クランプ電源VfixBが活性化する。
【0079】
書き込みセットアップビットPSUは前記電源回路40に書き込み用の昇圧動作の開始を指示する。この例に従えば、書き込みセットアップビットPSUが論理値“1”にされると、図13に示される制御信号VPE1,VPE2、VPE3がアサートされ、クロックドライバ420,421、434とチャージポンプ回路45,46,47の動作が開始され、電圧VPP6,VPP9、VPPMNS9は+6.5V,+9.5V,−9.5Vへの昇圧動作が開始される。実質的に昇圧動作が行われるためにはリングオシレータ48からのクロック信号CLKの供給が前提である。
【0080】
書き込みイネーブルビットPは、昇圧電圧VPP6,VPP9、VPPMNS9を用いた書き込み動作の開始を指示する。
【0081】
消去セットアップビットESUは前記電源回路40に消去用の昇圧動作の開始を指示する。この例に従えば、消去セットアップビットESUが論理値“1”にされると、図13に示される制御信号VPE2と図14に示される制御信号VPE3がアサートされ、クロックドライバ420,434とチャージポンプ回路45,47の動作が開始され、電圧VPP9,VPPMNS9は+9.5V,−9.5Vへの昇圧動作が開始される。実質的に昇圧動作が行われるためにはリングオシレータ48からのクロック信号CLKの供給が前提である。
【0082】
消去イネーブルビットEは、昇圧電圧VPP9,VPPMNS9を用いた消去動作の開始を指示する。
【0083】
昇圧手段で規定の昇圧電圧を得るには少なからず時間を要し、その時間はプロセスばらつきの影響を受ける。書き込み及び消去動作は昇圧電圧が規定電圧に達してから開始されなければならない。このとき、昇圧動作の開始から書き込みを開始するまでの時間は、ビットPSUを論理値“1”に設定してからビットPを論理値“1”に設定するまでの時間によって決定することができる。同様に、昇圧動作の開始から消去を開始するまでの時間は、ビットESUを論理値“1”に設定してからビットEを論理値“1”に設定するまでの時間によって決定することができる。それらビットの設定は、CPU2によるソフトウェアの実行で実現する。これにより、消去や書き込み動作が指示されてから実際に消去や書き込みを開始するタイミングを管理するタイマなどのハードウェアを削減することができる。また、回路特性に応じてそのような時間設定を任意に決定できる。
【0084】
また、書き換えイネーブルビットSWEが真値であることを条件に、前記消去セットアップビットESUと書き込みセットアップビットPSUによる昇圧動作の開始が実質的に受け付け可能になるから、書き込み又は消去動作は前記書き換えイネーブルビットSWEが真値であることを条件に実行可能にされる。したがって、CPU2の暴走などによってフラッシュメモリ3が不所望に書き換えられる事態の発生を阻止するのに役立つ。
【0085】
前記書き換え制御レジスタFLMCR1のプロテクトビットFWEは外部端子Pfweの状態に応じた値が設定される。FWEは読み出し専用ビットとされる。このプロテクトビットFWEはそれが真値例えば論理値“1”であることを条件に、前記昇圧イネーブルビットSWEの論理値“1”への設定を可能にするインターロックを行う。すなわち、昇圧イネーブルビットSWEの初期化信号のひとつとしてプロテクトビットFWEを用いる。FWE=1のときのみ昇圧イネーブルビットSWEのセット・クリアが可能とされ、FWE=0では昇圧イネーブルビットは初期状態となる。例えば、データバスからの対応信号線と前記プロテクトビットFWEとの論理積を採る図示を省略する論理積ゲートを設け、昇圧イネーブルビットSWEビットはその論理積ゲートの出力とすることができる。これによってインターロックを実現できる。プロテクトビットFWEによるインターロックを追加することにより、SWEとFWEによる書き換えプロテクトを二重にすることができ、フラッシュメモリ3に対する不所望な書き換え阻止の信頼性を更の向上させることができる。
【0086】
図26及び図27にはCPU2による消去動作の制御フローチャートの一例が示される。CPU2はレジスタFLMCR1のSWEビットを論理値“1”に設定する(S1)。この設定が可能にされるためには、外部端子Pfweに論理値“1”の信号が印加されてプロテクトビットFWEが論理値“1”にされていることが必要である。これによってリングオシレータが発振開始される。そして適宜のレジスタにn=1を代入し(S2)、レジスタEBR1に消去ブロックを設定する(S3)。次にレジスタFLMCR1のESUビットの論理値“1”を設定する(S4)。これによってクロックドライバ420、434とチャージポンプ回路45,47によるの昇圧動作が開始される。一定時間経過後、FLMCR1のEビットを論理値“1”にセットすると、消去動作が開始される(S5)。消去動作の終了後、FLMCR1のEビットを論理値“0”にクリアすると、消去動作が停止される(S6)。そして、FLMCR1のESUビット2を論理値“0”にクリアして昇圧動作を停止させる(S7)この後、FLMCR1のEVビットを論理値“1”にセットすることにより(S8)、前記消去動作に対する消去ベリファイが行われることになる。消去ベリファイ動作では、ベリファイアドレスへのダミーライト(S9)とベリファイデータのリード(S10)を行った後、リードしたベリファイデータが全ビット論理値“1”であるかの判定を行う(S11)。全ビット論理値“1”であれば、ラストアドレスに到達するまでアドレスインクリメントを行い(S12,S13)、アドレスインクリメント毎に前記処理を繰り返す。S11でリードしたデータが論理値“1”でない場合には、消去動作が不十分であるから、EVビットをクリアし(S14)、消去の繰り返し回数が上限(N)に達していない場合には(S15のNG)、再度S4に戻って消去状態を進める。S12においてラストアドレスまで処理が進行した場合には、消去ベリファイは正常完了とされる。S15において、消去回数が上限に達した場合には消去ベリファイは異常終了とされる。
【0087】
図28及び図29にはCPU2による書き込み動作の制御フローチャートの一例が示される。CPU2はレジスタFLMCR1のSWEビットを論理値“1”に設定する(T1)。この設定が可能にされるためには、外部端子Pfweに論理値“1”の信号が印加されてプロテクトビットFWEが論理値“1”にされていることが必要である。これによってリングオシレータが発振開始される。そして適宜のレジスタにn=1を代入し(T2)、適宜のフラグflagをクリア(=0)する(T3)。そして、例えば32バイトの書き込みデータをフラッシュメモリ3に連続ライトする(T4)。ライトデータはフラッシュメモリ3の書き込み回路に含まれるデータレジスタに保持される。次にレジスタFLMCR1のPSUビットの論理値“1”を設定する(T5)。これによってクロックドライバ420、421、434、とチャージポンプ回路45、46、47によるの昇圧動作が開始される。一定時間経過後、FLMCR1のPビットを論理値“1”にセットすると、書き込み動作が開始される(T6)。書き込み動作の終了後、FLMCR1のPビットを論理値“0”にクリアすると、書き込み動作が停止される(T7)。そして、FLMCR1のPSUビット2を論理値“0”にクリアして昇圧動作を停止させる(T8)。
【0088】
この後、FLMCR1のPVビットを論理値“1”にセットすることにより(T9)、前記書き込み動作に対する書き込みベリファイが行われることになる。書き込みベリファイ動作では、ベリファイアドレスへのダミーライト(T10)とベリファイデータのリード(T11)を行った後、リードしたベリファイデータと書き込みの元データに基づいて再書き込みデータを演算し、演算された再書き込みデータが全ビット論理値“1”かの判定を行う(T12)。再書き込みデータの演算は図30に示されるようにして行う。再書き込みデータが全ビット“1”であれば再書き込みデータをRAMに転送し(T13)、32バイトのデータのベリファイが完了するまでアドレスインクリメントを行い(T14,T15)、アドレスインクリメント毎に前記処理を繰り返す。ステップT12で再書き込みデータが全ビット“1”でない場合には、フラグflagを“1”にセットして(T16)、前記ステップT14へ進む。32バイトのベリファイ動作を完了すると、PVビットをクリアし(S17)、フラグflagを判定する(T18)。flag=0であれば32バイトの書き込みは正常であるから、SWEビットをクリアして(T19)、書き込み動作を終了する。ステップT18においてflag=1であれば書き込み回数が既定の上限値Nに達していないかを判定し(T20)、既定値に達しているときはSWEビットをクリアして(T21)、異常終了とされる。書き込み動作の繰り返し回数が上限(N)に達していない場合には、カウンタnをインクリメントして(T22)、前記ステップT3に戻る。
【0089】
図31には書き込みに際して必要な高電圧の印加が内部回路に与える負担を少なくするためワード線駆動電圧切換え方式の一例が示される。概略的には、ワード線を一旦接地電位Vssにしてから動作電圧を切り換える。即ち、PSUビットによって書き込み用昇圧回路の昇圧動作が指示されたとき、図31の(B)で示される期間に全てのワード線が接地電位Vssに強制される。次に、図31の(C)で示される期間に、ワードドライバWDRVの電源VPPX2,VSSXW,VSSXSが夫々接地電位Vssに切り換えられる。次にアドレス制御の欄に記載されるように、ワード線選択の極性が反転される。例えばアドレス信号に基づいてワード線選択信号を形成するXアドレスデコーダの選択レベルをハイレベル(読み出し動作時)からローレベル(書き込み動作時)に論理反転させる。その後で、図31の(E)に示されるように、ワードドライバの電源を書き込み用の電源に切り換える。書き込みを終了するときも同様に、全ワード線を接地電位Vssに強制し、ドライバの電源VPPX1,VSSXW,VSSXSを接地電位Vssに切換え、ワード線選択論理の極性を変更し、電源の切換えを行う。上記電源の切換えは電源回路40に含まれる電源供給スイッチ群で行い、その制御は、電源制御部41の書き込みシーケンサが行う。
【0090】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
【0091】
例えば、外部単一電源は2.7〜5.5Vに限定されない。昇圧電圧は6.5V,9.5V,−9.5Vに限定されず変更可能である。同様にクランプ電圧も2.5Vに限定されない。更に、書き込み及び消去の電圧印加態様も上記に限定されない。また、昇圧回路やクランプ回路の構成は適宜変更できる。また、電流供給能力が大きければリード系と昇圧系で分けたクランプ電源を共通化することも可能である。マイクロコンピュータの内蔵モジュールは適宜変更できる。また、フラッシュメモリは、NOR、ANDなどの適宜の回路形式を採用することが可能である。フラッシュメモリはプログラムメモリを代替する用途に限定されず、もっぱらデータ格納用途に用いるものであってもよい。
【0092】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野である機器組み込み制御用とのマイクロコンピュータに適用した場合について説明したが、本発明はそれに限定されず、汎用用途のマイクロコンピュータ、その他の専用コントローラLSIなど半導体集積回路に広く適用することができる。
【0093】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。
【0094】
すなわち、電圧クランプ手段は電源電圧依存性の小さな電圧を形成し、しかも、その電圧レベルは、許容範囲内で外部から供給される単一電源電圧よりも低い電圧にクランプされるから、このクランプ電圧で動作される昇圧手段が生成する昇圧電圧、即ち、書き込み及び消去電圧は、外部電源電圧に依存しない。したがって、低電圧動作を含む比較的広い外部電源電圧範囲で内蔵不揮発性メモリの消去及び書き込みを可能にする。しかもそれは単一の外部電源電圧で達成できるから、不揮発性メモリを内蔵した半導体集積回路の使い勝手を向上させることができる。
【0095】
昇圧電圧が所定レベルに達したとき、チャージポンプを行うMOSトランジスタに共通の基板バイアス電圧を変更することにより、昇圧動作効率を向上させることができる。
【0096】
前記基板バイアス電圧の切換え後に昇圧電圧が上下に振れても基板バイアス電圧を切換え後の電圧に維持するヒステリシス特性を持たせることにより、チャージポンプによる昇圧途上の昇圧電圧がチャージポンプ用のMOSトランジスタのスイッチ動作に同期して上下に振れるときのリプル成分の影響で基板バイアス電圧が振動するのを防止することができる。
【0097】
各チャージポンプ回路の動作の位相をずらすことにより、同一電源で複数個のチャージポンプ回路を動作させるときに電源の瞬間的電圧落ち込みを小さくすることができる。
【0098】
前記不揮発性メモリの特定領域からトリミング調整情報の転送を受けるレジスタ手段の値によって電圧クランプ手段の出力電圧をトリミング可能にすることにより、ソフトウェアでトリミングを自在に行うことができ、チップ毎にプロセスばらつきの影響を吸収することも可能になる。
【0099】
トリミング調整情報のレジスタ手段への転送を半導体集積回路のリセット動作に同期して行うことにより、トリミング動作の確定までの内部電圧の変動をリセット中に確定でき、信頼性を向上させることができる。
【0100】
テストモードにおいて前記中央処理装置が前記レジスタ手段をアクセス可能にすれば、テストモードにおいてトリミング情報をた易く決定できる。
【0101】
半導体集積回路のウェーハ完成状態が書き込み状態(例えばしきい値電圧の低い論理値“0”の状態)で、半導体集積回路の出荷が消去状態(例えばしきい値電圧の高い論理値“1”の状態)とされる場合、トリミング調整情報が全ビット論理値“1”のときのトリミング位置とトリミング調整情報が全ビット論理値“0”のときのトリミング位置とを隣り合うように選択する選択論理を採用することにより、書き込み状態と消去状態でトリミング状態が両極端になって電圧クランプ手段の出力電圧に大きな差が出ないようにできる。
【0102】
昇圧手段で規定の昇圧電圧を得た後に書き込みや消去を開始するための管理を書き込みセットアップビットや消去セットアップビットを用いて中央処理装置によるソフトウェアで実現することにより、タイマなどのハードウェアを削減することができる。
【0103】
コントロールレジスタに、前記昇圧手段による昇圧動作の準備状態を指示する書き換えイネーブルビットを設け、この書き換えイネーブルビットが真値であることを条件に、前記消去セットアップビットと書き込みセットアップビットによる指示を受け付け可能にすることにより、書き込み又は消去動作は前記書き換えイネーブルビットが真値であることを条件に行うことができるので、中央処理装置の暴走などによって不揮発性メモリが不所望に書き換えられる事態の発生を阻止するのに役立つ。
【0104】
コントロールレジスタは外部端子の状態に応じた値が設定されるプロテクトビットを追加し、前記プロテクトビットはそれが真値であることを条件に前記昇圧イネーブルビットの真値への設定を可能にするインターロックを行うようにすると、不揮発性メモリに対する不所望な書き換え阻止の信頼性を更の向上させることができる。
【0105】
ワード線などを一旦接地電位にしてから印加電圧を切り換えるようにすれば、消去や書き込みに際して必要な高電圧の印加が内部回路に与える負担を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電源回路の主要部を概略的に示すブロック図である。
【図2】図1の比較例を示すブロック図である。
【図3】本発明の一例に係るマイクロコンピュータのブロック図である。
【図4】マイクロコンピュータに内蔵されるフラッシュメモリの全体的なブロック図である。
【図5】メモリセルアレイの構成例を示す回路図である。
【図6】消去動作の電圧印加状態の一例を示す回路図である。
【図7】書き込み動作の電圧印加状態の一例を示す回路図である。
【図8】フラッシュメモリの各部における動作電源を示すブロック図である。
【図9】図8に示される各種動作電源の意味を示す説明図である。
【図10】図8に示される各種動作電源の電圧と動作との関係を示す説明図である。
【図11】図8の各種動作電源が採り得る電圧を整理して示した説明図である。
【図12】電圧クランプ手段の一例回路図である。
【図13】第1及び第2の正昇圧回路の一例回路図である。
【図14】負正昇圧回路の一例回路図である。
【図15】正の昇圧電圧を選択的にモニタ可能にする回路の説明図である。
【図16】第1の定電圧発生回路のトリミング抵抗回路の説明図である。
【図17】第1の定電圧発生回路の詳細な一例回路図である。
【図18】昇圧動作クロック信号の波形説明図である。
【図19】負電圧昇圧用のチャージポンプ回路及びクロックドライバの一例回路図である。
【図20】図19に示されたクロックドライバの論理構成によって生成されるクロック信号及び駆動信号の波形説明図である。
【図21】チャージポンプ回路の前記基板バイアス電圧を切り換えるための構成を概略的に示すブロック図である。
【図22】負電圧昇圧動作における昇圧電圧の遷移状態を示す説明図である。
【図23】トリミング抵抗回路におけるトリミング方式の概念図である。
【図24】マイクロコンピュータのリセット動作に同期してトリミング調整情報をフラッシュメモリからコントロールレジスタに転送する方式の説明図である。
【図25】コントロールレジスタの一例フォーマット図である。
【図26】CPUによる消去動作制御の一部を示すフローチャートである。
【図27】CPUによる消去動作制御の残りを示すフローチャートである。
【図28】CPUによる書き込み動作制御の一部を示すフローチャートである。
【図29】CPUによる書き込み動作制御の残りを示すフローチャートである。
【図30】再書き込みデータの演算手法の説明図である
【図31】書き込みに際して必要な高電圧の印加が内部回路に与える負担を少なくするためワード線駆動電圧切換え処理の一例を示すタイミング図である。
【符号の説明】
1 マイクロコンピュータ
2 中央処理装置
3 フラッシュメモリ
4 フラッシュメモリ用のコントロールレジスタ
FLMCR1 書き換え制御レジスタ
TRMR1 基準電圧トリミングレジスタ
TRMR2 昇圧電圧トリミングレジスタ
Vcc 外部単一電源電圧
Vss 接地電圧
Pvcc Vcc外部端子
Pvss Vss外部端子
VppMON、VssMON モニタ端子
Pfwe 書き込みプロテクト端子
RES リセット端子
30 メモリセルアレイ
31 Xデコーダ
31Y Yデコーダ
33 ワードドライバ
40 電源回路
41 電源制御部
42 トリミング制御部
44 電圧クランプ手段
45、46 正昇圧用チャージポンプ回路
47 負昇圧用チャージポンプ回路
48 リングオシレータ
300 主ビット線
301副ビット線
302 不揮発性メモリセル
304 ソース線
305 ワード線
400 基準電圧発生回路
401 第1の定電圧回路
402 第2の定電圧回路
403 第3の定電圧回路
FBR1 帰還抵抗回路(トリミング抵抗回路)
FBR2,FBR3 帰還抵抗回路
Vref 基準電圧
Vrefa,VfixA,VfixB クランプ電圧
CLK クロック信号
420,421,434 クロックドライバ
436 トリミング抵抗回路
444,445 遅延回路
VPP6,VPP9 正の昇圧電圧
460 基板バイアス電圧の切換え手段
VPPMNS9 負の昇圧電圧
461 SRフリップフロップ
464 比較器
NP 昇圧ノード
Q10,Q11,Q12 負昇圧用pチャンネル型MOSトランジスタ
C1,C2 負昇圧用容量素子
DS1〜DS4 駆動信号
470 セレクタ
330 フラッシュメモリにおけるトリミング情報格納領域
FWE プロテクトビット
SWE 書き換えイネーブルビット
ESU 消去セットアップビット
PSU 書き込みセットアップビット
E 消去イネーブルビット
P 書き込みイネーブルビット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit including a non-volatile memory and a central processing unit. For example, a single-chip microcomputer incorporating a flash memory and a central processing unit, a data processing unit, or an external operation power source of a microprocessor is unified. It relates to a technology that is effective when applied.
[0002]
[Prior art]
Examples of microcomputers with built-in flash memory include H8 / 538F, H8 / 3048, and H8 / 3434F manufactured by Hitachi, Ltd.
[0003]
A memory cell transistor of a flash memory has a floating gate, a control gate, a source, and a drain, and holds binary information according to the state of charge injection into the floating gate. For example, when charge is injected into the floating gate, the threshold voltage of the memory cell increases, and the threshold voltage viewed from the control gate is increased, so that no current flows through the memory cell. Further, by discharging charges from the floating gate and lowering the threshold voltage viewed from the control gate, a current flows through the memory cell. Although not particularly limited, an operation for raising the threshold voltage of the memory cell higher than the word line selection level at the time of reading is an erase operation (the data selected by the logic value is “1”: erased state). The operation of lowering the threshold voltage below the word line selection level at the time of reading is referred to as a write operation (the data selected thereby is a logical value “0”: write state). Note that the erased state and the written state of the data stored in the memory cell may be defined oppositely to the above.
[0004]
In erasing and writing to the memory cell transistor, since the floating gate must be placed in a high electric field, a high voltage for erasing and writing that is higher than a general power supply voltage such as 3 V or 5 V is required. . Such a high voltage has been conventionally supplied as an external power source.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when such a high voltage is obtained from an external power supply, a circuit for generating the high voltage must be mounted on the circuit board on which the microcomputer is mounted. There is a problem that special consideration is required for the design and the usability is poor.
[0006]
The present inventor has studied to enable a microcomputer incorporating a flash memory to operate with a single power source such as 3V or 5V. That is, the external single power supply is boosted internally to generate a high voltage for writing and erasing.
[0007]
At this time, the operating power supply of the microcomputer is lowered to 3V due to the demand for low power consumption, and there is a system that uses 3V, and there is a system that uses a single 5V power supply. Whether the power supply voltage is 3V or 5V is determined by the specifications of the system to which the microcomputer is applied. For this reason, it is a good idea for a semiconductor manufacturer to design a microcomputer so that it can operate with a relatively wide range of power supplies such as 3V to 5V.
[0008]
In consideration of this, the following points were made clear by the inventors' investigation. That is, the charge injection method for the flash memory includes a channel injection method in which charges are injected into the floating gate by flowing a relatively large current through the channel of the memory cell transistor to generate hot electrons in the vicinity of the drain, and a floating gate and drain. There is a tunnel current system in which a predetermined electric field strength is applied between them to flow a tunnel current through a relatively thin tunnel oxide film near the drain to inject charges. The former requires a relatively large current and is not suitable for internal boosting, but the latter can be stably built-in flash over a relatively wide external power supply voltage range including low-voltage operation by simply performing internal boosting. It has been clarified that memory writing and erasing cannot be realized.
[0009]
An object of the present invention is to stably operate in a relatively wide external power supply voltage range including low voltage operation in a semiconductor integrated circuit such as a microcomputer incorporating a nonvolatile memory such as a flash memory that can be electrically written and erased. It is to enable writing and erasing of the built-in nonvolatile memory.
[0010]
Another object of the present invention is to improve the usability of a semiconductor integrated circuit such as a microcomputer incorporating a nonvolatile memory such as a flash memory which can be electrically written and erased.
[0011]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The outline of typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0013]
That is, a semiconductor integrated circuit such as a microcomputer includes a non-volatile memory such as an electrically erasable and writable flash memory, and a central processing unit capable of accessing the non-volatile memory on a single semiconductor substrate. A single power supply voltage supplied to the power supply terminal is used as an operating power supply. The nonvolatile memory includes a voltage clamping unit that clamps an output voltage to a first voltage having a level lower than the single power supply voltage using a reference voltage having a small power supply voltage dependency, and an output of the voltage clamping unit Boosting means capable of boosting the voltage to a positive high voltage and a negative high voltage, and a plurality of nonvolatile memory cells that are erased and written using the positive and negative high voltages output from the boosting means. Comprising.
[0014]
According to this semiconductor integrated circuit, the voltage clamping means forms a voltage having a small power supply voltage dependency, and the voltage level is supplied from the outside within an allowable range of the allowable operating power supply voltage of the semiconductor integrated circuit. Since it is clamped to a voltage lower than the single power supply voltage, the boosted voltage generated by the boosting means operated with this clamp voltage, that is, the write and erase voltages do not depend on the external power supply voltage. Therefore, the built-in nonvolatile memory can be erased and written in a relatively wide external power supply voltage range including low voltage operation. In addition, since this can be achieved with a single external power supply voltage, the usability of the semiconductor integrated circuit incorporating the nonvolatile memory is improved.
[0015]
In order to improve the boosting operation efficiency, when the boosted voltage reaches a predetermined level, the substrate bias voltage common to the MOS transistors that perform the charge pump is changed. For example, a p-channel MOS transistor and a capacitor are coupled to a boosting node that forms a negative high voltage, and has a charge pump circuit that generates a negative high voltage by a charge pump action by them, which is common to the MOS transistors. There is further provided switching means for switching the substrate bias voltage from the output voltage of the voltage clamping means to a second voltage having a level lower than that. The second voltage is a voltage having a higher level than the boosted voltage at the time of switching. In this example, when the substrate bias voltage is lowered, the threshold voltage of the MOS transistor is reduced due to the so-called substrate bias effect, and this facilitates the movement of charges through the MOS transistor that performs charge pumping. This improves the boosting operation efficiency and shortens the time required to obtain a specified boosted voltage.
[0016]
The boosted voltage during boosting by the charge pump swings up and down in synchronization with the switching operation of the charge pump MOS transistor. In order to prevent the substrate bias voltage from oscillating due to the influence of the ripple component, the switching means causes the substrate bias voltage to become the second voltage even if the boosted voltage fluctuates up and down after the substrate bias voltage is switched. Provide hysteresis characteristics to maintain. Such a hysteresis characteristic can be achieved by using a hysteresis comparator or holding the state by a circuit such as an SR flip-flop.
[0017]
When operating a plurality of charge pump circuits with the same power supply, it is desirable to shift the phase of operation of each charge pump circuit in order to reduce the instantaneous voltage drop of the power supply. For example, the boosting means includes a negative boosting charge pump circuit that generates a negative high voltage by a charge pumping action of a MOS transistor coupled to a boosting node that forms a negative high voltage and a capacitor, and a positive boosting voltage. When having a positive boosting charge pump circuit that generates a positive high voltage by a charge pumping action by a MOS transistor coupled to the boosting node to be formed and a capacitor, the MOS transistor included in the positive boosting charge pump circuit is negative The phase of the ON operation period may be different from that of the MOS transistor included in the boosting charge pump circuit.
[0018]
Since a relatively large current is required for erasing and writing to the nonvolatile memory, it is desirable that the power supply of the booster circuit is not directly connected to the power supplies of other circuits. According to this aspect, the voltage clamping means includes a reference voltage generation circuit having a small power supply voltage dependency, and negative feedback control of the output circuit to the first voltage using the reference voltage output from the reference voltage generation circuit as a reference voltage. And a second constant voltage generation circuit that performs negative feedback control of the output circuit to the first voltage using the voltage output from the first constant voltage generation circuit as a reference voltage. It is desirable that the output voltage of the second constant voltage generating circuit is supplied to the positive booster and the negative booster.
[0019]
A third constant voltage generating circuit for performing negative feedback control of the output circuit using the voltage output from the first constant voltage generating circuit as a reference voltage, and reading out the output voltage of the third constant voltage generating circuit; The operating power supply voltage can be used.
[0020]
It is desirable to provide a trimming circuit so that the output voltage of the voltage clamp means can be finely adjusted for process variations. At this time, trimming control means for controlling the trimming circuit in accordance with trimming adjustment information and register means for setting trimming adjustment information to be supplied to the trimming control means are provided. The register means receives the trimming adjustment information from a specific area of the nonvolatile memory. Thereby, trimming can be performed freely by software. There is no restriction that it cannot be changed once programmed, as in the case of using a fuse.
[0021]
When the trimming adjustment information also affects the read voltage of the non-volatile memory, the transfer of the trimming adjustment information from the non-volatile memory to the register means may be performed when it takes a longer time than usual to read from the non-volatile memory. It is desirable for preventing malfunction. That is, such transfer may be performed in synchronization with the reset operation of the semiconductor integrated circuit. Thereby, the fluctuation of the internal voltage until the trimming operation is confirmed can be confirmed during the reset, and the read operation can be stabilized after the reset operation. When the trimming adjustment information affects only the write and erase voltages of the nonvolatile memory, the trimming adjustment information may be transferred during the reset period or before the first vector fetch (instruction fetch) after the reset is released. .
[0022]
Considering the point of selecting trimming information in the test mode, it is preferable that the central processing unit can access the register means in the test mode.
[0023]
The wafer completion state of the semiconductor integrated circuit is a write state (for example, a logic value “0” with a low threshold voltage), and shipment of the semiconductor integrated circuit is an erased state (for example, a logic value “1” with a high threshold voltage). It is desirable that the trimming state becomes extreme between the writing state and the erasing state so that there is no significant difference in the output voltage of the voltage clamping means. Therefore, the trimming control means determines the trimming position of the trimming circuit according to the value of the trimming adjustment information, and the trimming position and the trimming adjustment information when the trimming adjustment information is the all-bit logical value “1”. It has selection logic that selects the trimming position when all bit logical values are “0” so that they are adjacent to each other. When the nonvolatile memory is in the write state in the wafer completion state, the nonvolatile memory is in the erased state at the time of shipment. The difference in the output voltage of the voltage clamping means is minimized.
[0024]
It takes time to obtain a specified boosted voltage by the boosting means, and this time is also affected by process variations. Write and erase operations must be started after the boosted voltage reaches a specified voltage. Such management is realized by software by a central processing unit. That is, it has a control register for controlling the nonvolatile memory, and the control register starts a write operation using a write setup bit for instructing the booster to start a boost operation for writing and a boost voltage. A write enable bit for instructing the booster, an erase setup bit for instructing the boosting means to start the boost operation for erasure, and an erase enable bit for instructing the start of the erase operation using the boosted voltage. As a result, it is possible to reduce hardware such as a timer that manages the timing of actually starting erase or write after an erase or write operation is instructed.
[0025]
Further, the control register is provided with a rewrite enable bit for instructing a preparation state of the boost operation by the boosting means, and the erase setup bit and the write setup bit are instructed on condition that the rewrite enable bit is a true value. By making it acceptable, the write or erase operation can be performed on condition that the rewrite enable bit is a true value, so that the nonvolatile memory may be undesirably rewritten due to a runaway of the central processing unit or the like. Help to prevent.
[0026]
In order to further improve the reliability of preventing undesired rewriting of the nonvolatile memory, the control register adds a protect bit in which a value is set according to the state of the external terminal, and the protect bit is a true value. It is preferable to perform an interlock that enables the boost enable bit to be set to a true value (predetermined value) on condition that it is (predetermined value).
[0027]
In order to reduce the burden imposed on the internal circuit by the application of a negative voltage necessary for erasing or writing, it is desirable to switch the applied voltage after once setting the word line or the like to the ground potential. For example, an electrically erasable and writable flash memory and a central processing unit capable of accessing the flash memory are included in one semiconductor substrate, and a single power supply voltage supplied to an external power supply terminal is used as an operation power supply. In the microcomputer, the flash memory includes a memory cell array having a plurality of memory cell transistors each having a control gate connected to a word line, a drain connected to a bit line, and a source connected to a source line; A booster circuit that generates a high voltage for an erase operation, an address decoder that forms a word line selection signal based on an address signal, and a word line selection level during a read operation having a first polarity with respect to the ground potential, and writing The word line selection level is set to the second polarity with respect to the ground potential. Word driver circuit and all word lines are forced to the ground potential at the start and end of the write operation, the operation power supply of the word driver is switched to the ground potential, and the polarity of the selection level of the selection signal of the address decoder is logically inverted And timing control means for switching the operating power supply of the word driver.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Microcomputer chip>
FIG. 3 is a block diagram of a microcomputer (microprocessor or data processing apparatus) according to an example of the present invention. The
[0029]
The
[0030]
Although not particularly limited, the
[0031]
The
[0032]
In FIG. 3, RES is a reset terminal (reset signal) of the microcomputer, VppMON and VssMON are monitor terminals for the internal boosted voltage, and Pfwe is a write protect terminal for the
[0033]
<Flash memory>
FIG. 4 shows an overall block diagram of the
[0034]
In FIG. 4, 17 is a data bus and 18 is an address bus. Although not particularly limited, the
[0035]
A large number of nonvolatile memory cells are arranged in the
[0036]
In FIG. 4,
[0037]
The trimming
[0038]
FIG. 5 shows a configuration example of the
[0039]
FIG. 6 shows an example of a voltage application state in the erase operation. The minimum unit of erasing is a block unit that shares a source line. The erase selection source line is -9.5V, the
[0040]
FIG. 7 shows an example of a voltage application state in the write operation. Writing is performed for each word line. The write selection word line is −9.5 V, the write selection bit line is 6.5 V, the write non-selection bit line is 0 V, the write selection select line is 9.5 V, and the source line is open (floating). As a result, electrons are emitted from the floating gate of the
[0041]
FIG. 8 is a block diagram showing the operating power supply in each part of the flash memory. In FIG. 8, what is indicated by 33Z is the driver (ZDRV) of the
[0042]
FIG. 9 shows the meanings of the various operation power supplies shown in FIG. The relationship between the voltage and operation of these various operating power supplies is illustrated in FIG. FIG. 11 shows the voltages that can be taken by the various operating power supplies. 9.5V and 6.5V are generated by positive boosting, and -9.5V is generated by negative boosting.
[0043]
<Power supply circuit>
FIG. 1 schematically shows the main part of the
[0044]
The voltage clamp means 44 forms a clamp voltage Vfix having a small power supply voltage dependency, and the clamp voltage Vfix is higher than the single power supply voltage Vcc supplied from the outside within an allowable range of 2.7 V to 5.5 V. Since the voltage is clamped at a low voltage (2.5 V), the boosted voltage generated by the positive and negative booster circuits operated by the clamp voltage Vfix, that is, the write and erase voltages are stable without depending on the external power supply voltage Vcc. The voltage. In the configuration shown in FIG. 2 as a comparative example, the operating power supply of the ring oscillator and the charge pump circuit is the external power supply voltage Vcc, and the boosted voltage is varied depending on the external power supply voltage Vcc.
[0045]
<Clamp power supply>
FIG. 12 shows an example of the voltage clamp means 44. The voltage clamp means 44 includes a reference
[0046]
The reference
[0047]
The first constant
[0048]
A more detailed example of the first constant
[0049]
The second constant
[0050]
The third constant
[0051]
The clamp voltage VfixB is an operation power source for boosting a high voltage used for writing and erasing, and is separated from the clamp voltage VfixA which is a power source for other read system operations. A relatively large current is required for programming and erasing, and a relatively large current flows through the booster circuit for supplying it. Therefore, the power supply voltage fluctuates due to the boosting operation by separating the boosting system from other power supply systems. Can minimize the influence of other circuits.
[0052]
《Boost circuit》
FIG. 13 shows the charge pumps 45 and 46 as an example of the first and second positive booster circuits and their peripheral circuits. Although not specifically shown, the
[0053]
FIG. 14 shows a
[0054]
The negative boosted voltage VPPMNS9 output from the
[0055]
In FIG. 13, what is indicated by OSE is an oscillation operation start instruction signal for the
[0056]
The three types of
[0057]
<Change of substrate bias voltage of charge pump circuit>
FIG. 19 shows an example of the
[0058]
The
[0059]
The drive signals DS1 and DS2 are alternately supplied to the other electrode of the capacitive element C1, and the drive signals DS3 and DS4 are supplied alternately to the other electrode of the capacitive element C2. For example, in a state where the MOS transistor Q10 is turned off by the high level (t1) of DS4 and the level of the boosting node is raised by the high level (t1) of DS2, the previous boosting node NP is driven by the low level (t2) of DS1. When the voltage is lowered, the level of the gate of the adjacent MOS transistor Q10 is also lowered through the transistor Q11. Immediately thereafter, the level of the boosting node NP is further lowered by changing DS3 to the low level (t3). . The lowered level is transferred to boosting node NP in the next stage via MOS transistor Q10. By such a charge pump operation, the voltage VPPMNS9 is gradually boosted to a negative voltage.
[0060]
The NOR
[0061]
The drive signals D1 to D4 are changed between the ground potential Vss and the clamp voltage VfixB. At the start of the boosting operation, the clamp voltage VfixB is applied to the gates of the MOS transistors Q10, Q11, Q12 of the
[0062]
In this example, the MOS transistors Q10, Q11, Q12 are formed in a common well region. The substrate bias voltage (well bias voltage) common to these MOS transistors Q10, Q11, and Q12 is set to the clamp voltage VfixB at the start of the boosting operation, and is switched to the ground voltage Vss in the middle.
[0063]
FIG. 21 shows a configuration for switching the substrate bias voltage of the charge pump circuit. In FIG. 21,
[0064]
When the
[0065]
For example, FIG. 22 shows a transition state of the boosted voltage VPPMNS9 in the negative voltage boosting operation. FIG. 5A shows a transition state of the boosted voltage VPPMNS9 when the substrate bias voltage is fixed to the clamp voltage VfixB without switching. (B) shows a transition state when the substrate bias voltage is switched halfway. Compared to (a), in the case of (b), the negative voltage boosting operation efficiency is improved, and the time required to obtain the specified negative boosted voltage is shortened.
[0066]
Once the substrate bias voltage is switched to the ground potential Vss, the flip-
[0067]
As shown in FIG. 22, the boosted voltage in the course of boosting by the charge pump fluctuates up and down in synchronization with the switching operation of the charge pump MOS transistors Q10, Q11, and Q12. By switching the substrate bias voltage of the
[0068]
<Software trimming of power supply circuit>
The feedback resistor circuit FBR1 of the constant
[0069]
The selection signal of the
[0070]
The trimming information of the resistor circuit FBR1 is supplied from the reference voltage trimming register TRMR1 to the
[0071]
As illustrated in FIG. 23, a
[0072]
The reference voltage trimming information and the boost voltage trimming information are determined at the time of a device test in order to absorb process variations and the like. The data transfer described with reference to FIG. 24 is also performed when the test mode is set in the
[0073]
According to this example, the
[0074]
Therefore, as illustrated in FIG. 23, the
[0075]
As is apparent from FIG. 12, the trimming adjustment information also affects the read voltage of the
[0076]
<Rewrite sequence for flash memory>
A detailed example of the rewrite control register FLMCR1 and the erase block designation register EBR1 of the
[0077]
The rewrite control register FLMCR1 has control bits of P, E, PV, EV, PSU, ESU, SWE, and FWE, and their true values are not particularly limited, but are set to a logical value “1”.
[0078]
The rewrite enable bit SWE indicates a preparation state for the boosting operation by the
[0079]
The write setup bit PSU instructs the
[0080]
The write enable bit P instructs the start of a write operation using the boosted voltages VPP6, VPP9, and VPPMNS9.
[0081]
The erase setup bit ESU instructs the
[0082]
The erase enable bit E instructs the start of the erase operation using the boosted voltages VPP9 and VPPMNS9.
[0083]
It takes time to obtain a specified boosted voltage by the boosting means, and the time is affected by process variations. Write and erase operations must be started after the boosted voltage reaches a specified voltage. At this time, the time from the start of the boost operation to the start of writing can be determined by the time from the setting of the bit PSU to the logical value “1” to the setting of the bit P to the logical value “1”. . Similarly, the time from the start of the boost operation to the start of erasing can be determined by the time from setting the bit ESU to the logical value “1” to setting the bit E to the logical value “1”. . These bits are set by executing software by the
[0084]
In addition, on the condition that the rewrite enable bit SWE is a true value, the start of the boost operation by the erase setup bit ESU and the write setup bit PSU can be substantially accepted. Execution is possible on condition that SWE is a true value. Therefore, it is useful for preventing the occurrence of a situation where the
[0085]
The protect bit FWE of the rewrite control register FLMCR1 is set to a value corresponding to the state of the external terminal Pfwe. FWE is a read-only bit. The protect bit FWE performs an interlock that enables the boost enable bit SWE to be set to a logical value “1” on the condition that it is a true value, for example, a logical value “1”. That is, the protect bit FWE is used as one of the initialization signals of the boost enable bit SWE. Only when FWE = 1, the boost enable bit SWE can be set / cleared. When FWE = 0, the boost enable bit is in the initial state. For example, an unillustrated AND gate that takes the logical product of the corresponding signal line from the data bus and the protect bit FWE is provided, and the boost enable bit SWE bit can be the output of the AND gate. As a result, an interlock can be realized. By adding an interlock by the protect bit FWE, the rewrite protection by the SWE and the FWE can be doubled, and the reliability of the undesired rewrite prevention for the
[0086]
FIG. 26 and FIG. 27 show an example of a control flowchart of the erase operation by the
[0087]
FIG. 28 and FIG. 29 show an example of a control flowchart of the write operation by the
[0088]
Thereafter, by setting the PV bit of FLMCR1 to the logical value “1” (T9), the write verify for the write operation is performed. In the write verify operation, after performing dummy write (T10) to the verify address and verify data read (T11), the rewrite data is calculated based on the read verify data and the original data of the write, It is determined whether the write data is all bit logical values “1” (T12). The calculation of rewrite data is performed as shown in FIG. If the rewrite data is all bits “1”, the rewrite data is transferred to the RAM (T13), and the address increment is performed until the verification of the 32-byte data is completed (T14, T15). repeat. If the rewritten data is not all bits “1” in step T12, the flag flag is set to “1” (T16), and the process proceeds to step T14. When the 32-byte verify operation is completed, the PV bit is cleared (S17), and the flag flag is determined (T18). If flag = 0, writing of 32 bytes is normal, so the SWE bit is cleared (T19) and the writing operation is terminated. If flag = 1 in step T18, it is determined whether the number of writes has reached the predetermined upper limit value N (T20). If the predetermined number has been reached, the SWE bit is cleared (T21), and an abnormal end is determined. Is done. If the number of repetitions of the write operation has not reached the upper limit (N), the counter n is incremented (T22), and the process returns to step T3.
[0089]
FIG. 31 shows an example of a word line drive voltage switching system in order to reduce the burden imposed on the internal circuit by the application of a high voltage necessary for writing. Schematically, the operating voltage is switched after the word line is once set to the ground potential Vss. That is, when the boosting operation of the write boosting circuit is instructed by the PSU bit, all word lines are forced to the ground potential Vss during the period shown in FIG. Next, the power sources VPPX2, VSSXW, and VSSXS of the word driver WDRV are respectively switched to the ground potential Vss during the period shown in FIG. Next, as described in the column of address control, the polarity of the word line selection is reversed. For example, the selection level of the X address decoder that forms the word line selection signal based on the address signal is logically inverted from a high level (during a read operation) to a low level (during a write operation). After that, as shown in FIG. 31E, the power supply of the word driver is switched to the power supply for writing. Similarly, when writing is finished, all word lines are forced to the ground potential Vss, the driver power supplies VPPX1, VSSXW, VSSXS are switched to the ground potential Vss, the polarity of the word line selection logic is changed, and the power supply is switched. . The switching of the power is performed by a power supply switch group included in the
[0090]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof.
[0091]
For example, the external single power source is not limited to 2.7 to 5.5V. The boosted voltage is not limited to 6.5V, 9.5V, and -9.5V, and can be changed. Similarly, the clamp voltage is not limited to 2.5V. Furthermore, the voltage application mode for writing and erasing is not limited to the above. The configurations of the booster circuit and the clamp circuit can be changed as appropriate. In addition, if the current supply capability is large, it is possible to share a clamp power source divided into a lead system and a boost system. The built-in module of the microcomputer can be changed as appropriate. The flash memory can adopt an appropriate circuit format such as NOR or AND. The flash memory is not limited to the use replacing the program memory, and may be used exclusively for data storage.
[0092]
In the above description, the case where the invention made mainly by the present inventor is applied to a microcomputer for device embedded control, which is a field of use that is the background of the invention, has been described. The present invention can be widely applied to semiconductor integrated circuits such as microcomputers and other dedicated controller LSIs.
[0093]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0094]
That is, the voltage clamping means forms a voltage having a small power supply voltage dependency, and the voltage level is clamped to a voltage lower than the single power supply voltage supplied from the outside within an allowable range. The boosted voltage generated by the boosting means operated in
[0095]
When the boosted voltage reaches a predetermined level, the boosting operation efficiency can be improved by changing the substrate bias voltage common to the MOS transistors that perform charge pumping.
[0096]
Even if the boosted voltage fluctuates up and down after the substrate bias voltage is switched, a hysteresis characteristic is maintained to maintain the substrate bias voltage at the switched voltage. It is possible to prevent the substrate bias voltage from vibrating due to the influence of the ripple component when it swings up and down in synchronization with the switch operation.
[0097]
By shifting the phase of the operation of each charge pump circuit, the instantaneous voltage drop of the power supply can be reduced when a plurality of charge pump circuits are operated with the same power supply.
[0098]
The output voltage of the voltage clamp means can be trimmed according to the value of the register means that receives the transfer of trimming adjustment information from a specific area of the non-volatile memory. It is also possible to absorb the effects of.
[0099]
By transferring the trimming adjustment information to the register means in synchronization with the reset operation of the semiconductor integrated circuit, the fluctuation of the internal voltage until the trimming operation is confirmed can be determined during the reset, and the reliability can be improved.
[0100]
If the central processing unit makes the register means accessible in the test mode, the trimming information can be easily determined in the test mode.
[0101]
The wafer completion state of the semiconductor integrated circuit is a write state (for example, a logic value “0” with a low threshold voltage), and shipment of the semiconductor integrated circuit is an erased state (for example, a logic value “1” with a high threshold voltage) State), the selection logic for selecting adjacently the trimming position when the trimming adjustment information is all-bit logical value “1” and the trimming position when the trimming adjustment information is all-bit logical value “0”. By adopting, it is possible to prevent the trimming state from becoming extreme between the writing state and the erasing state and causing a large difference in the output voltage of the voltage clamping means.
[0102]
Reduces hardware such as timers by implementing management to start writing and erasing after obtaining the specified boosted voltage with the boosting means using software by the central processing unit using the write setup bit and erase setup bit be able to.
[0103]
The control register is provided with a rewrite enable bit for instructing the preparation state of the boosting operation by the boosting means, and the instruction by the erase setup bit and the write setup bit can be accepted on condition that the rewrite enable bit is a true value. By doing so, the write or erase operation can be performed on condition that the rewrite enable bit is a true value, so that it is possible to prevent the nonvolatile memory from being undesirably rewritten due to a runaway of the central processing unit or the like. To help.
[0104]
The control register adds a protect bit whose value is set according to the state of the external terminal, and the protect bit is an interface that enables the boost enable bit to be set to a true value on condition that it is a true value. When locking is performed, the reliability of preventing undesired rewriting of the nonvolatile memory can be further improved.
[0105]
If the applied voltage is switched after the word line or the like is once set to the ground potential, the burden imposed on the internal circuit by the application of the high voltage necessary for erasing or writing can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram schematically showing main parts of a power supply circuit.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a comparative example of FIG.
FIG. 3 is a block diagram of a microcomputer according to an example of the present invention.
FIG. 4 is an overall block diagram of a flash memory built in a microcomputer.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of a memory cell array.
FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of a voltage application state in an erase operation.
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a voltage application state in a write operation.
FIG. 8 is a block diagram showing an operating power supply in each part of the flash memory.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the meaning of various operation power supplies shown in FIG. 8;
10 is an explanatory diagram showing the relationship between the voltage and operation of various operation power supplies shown in FIG.
11 is an explanatory diagram showing organized voltages that can be taken by the various operation power supplies in FIG. 8; FIG.
FIG. 12 is a circuit diagram of an example of voltage clamping means.
FIG. 13 is a circuit diagram of an example of first and second positive booster circuits.
FIG. 14 is a circuit diagram of an example of a negative and positive booster circuit.
FIG. 15 is an explanatory diagram of a circuit that enables a positive boosted voltage to be selectively monitored.
FIG. 16 is an explanatory diagram of a trimming resistor circuit of a first constant voltage generation circuit.
FIG. 17 is a detailed example circuit diagram of a first constant voltage generation circuit;
FIG. 18 is a waveform explanatory diagram of a boosting operation clock signal.
FIG. 19 is a circuit diagram illustrating an example of a charge pump circuit and a clock driver for boosting a negative voltage.
20 is a waveform explanatory diagram of a clock signal and a drive signal generated by the logic configuration of the clock driver shown in FIG. 19;
FIG. 21 is a block diagram schematically showing a configuration for switching the substrate bias voltage of a charge pump circuit.
FIG. 22 is an explanatory diagram showing a transition state of a boosted voltage in a negative voltage boosting operation.
FIG. 23 is a conceptual diagram of a trimming method in a trimming resistor circuit.
FIG. 24 is an explanatory diagram of a system for transferring trimming adjustment information from the flash memory to the control register in synchronization with the reset operation of the microcomputer.
FIG. 25 is a format diagram of an example of a control register.
FIG. 26 is a flowchart showing a part of the erase operation control by the CPU.
FIG. 27 is a flowchart showing the remainder of the erase operation control by the CPU.
FIG. 28 is a flowchart showing a part of write operation control by a CPU.
FIG. 29 is a flowchart showing the rest of the write operation control by the CPU.
FIG. 30 is an explanatory diagram of a rewrite data calculation method;
FIG. 31 is a timing chart showing an example of a word line drive voltage switching process in order to reduce a load imposed on an internal circuit by application of a high voltage necessary for writing.
[Explanation of symbols]
1 Microcomputer
2 Central processing unit
3 Flash memory
4 Control register for flash memory
FLMCR1 rewrite control register
TRMR1 reference voltage trimming register
TRMR2 boost voltage trimming register
Vcc External single power supply voltage
Vss Ground voltage
Pvcc Vcc external terminal
Pvss Vss external terminal
VppMON, VssMON Monitor terminal
Pfwe write protect terminal
RES reset terminal
30 memory cell array
31 X decoder
31Y Y decoder
33 Word driver
40 Power supply circuit
41 Power control unit
42 Trimming controller
44 Voltage clamping means
45, 46 Charge pump circuit for positive boost
47 Charge pump circuit for negative boost
48 Ring Oscillator
300 Main bit line
301 sub-bit line
302 Nonvolatile memory cell
304 source line
305 word line
400 Reference voltage generator
401 First constant voltage circuit
402 Second constant voltage circuit
403 Third constant voltage circuit
FBR1 feedback resistor circuit (trimming resistor circuit)
FBR2, FBR3 feedback resistor circuit
Vref reference voltage
Vrefa, VfixA, VfixB Clamp voltage
CLK clock signal
420, 421, 434 clock driver
436 Trimming resistor circuit
444, 445 delay circuit
VPP6, VPP9 Positive boost voltage
460 Substrate bias voltage switching means
VPPMNS9 negative boost voltage
461 SR flip-flop
464 comparator
NP boost node
Q10, Q11, Q12 Negative channel boosting p-channel MOS transistor
C1, C2 Capacitor for negative boost
DS1 to DS4 drive signal
470 selector
330 Trimming Information Storage Area in Flash Memory
FWE protect bit
SWE rewrite enable bit
ESU erase setup bit
PSU write setup bit
E Erase enable bit
P Write enable bit
Claims (14)
前記半導体集積回路は、電圧クランプ手段と、昇圧回路とを具備し、前記半導体基板の外部から供給される単一の外部電源電圧を動作電源とするとともに、前記半導体集積回路の前記外部電源電圧の許容範囲が第1電圧から前記第1電圧より小さい第2電圧までとされ、
前記電圧クランプ手段は、前記外部電源電圧を受けて、前記第2電圧より小さい電圧を発生し、
前記昇圧回路は、前記電圧クランプ手段から出力された電圧を受けて、前記電圧クランプ手段から出力された電圧より大きい内部正昇圧電圧又は内部負昇圧電圧を発生し、
前記不揮発性メモリは、前記内部正昇圧電圧又は前記内部負昇圧電圧を用いてデータの消去又は書き込みを行う複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記電圧クランプ手段は、前記外部電源電圧を受けて、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、前記基準電圧を参照電圧として第1クランプ電圧を出力する第1定電圧発生回路と、前記第1定電圧発生回路から出力された電圧を参照電圧として第2クランプ電圧を出力する第2定電圧発生回路と、前記第1定電圧発生回路から出力される電圧を参照電圧として第3クランプ電圧を出力する第3定電圧発生回路とを有し、
前記第1定電圧発生回路は、前記第1クランプ電圧を負帰還する回路を含み、
前記第2定電圧発生回路は、前記第2クランプ電圧を負帰還する回路を含み、
前記第3定電圧発生回路は、前記第3クランプ電圧を負帰還する回路を含み、
前記昇圧回路は、前記第2クランプ電圧が供給され、
前記第3クランプ電圧は、読出し系の動作電源電圧とされることを特徴とする半導体集積回路。A semiconductor integrated circuit in which an electrically writable and erasable nonvolatile memory and a central processing unit accessible to the nonvolatile memory are formed on a single semiconductor substrate,
The semiconductor integrated circuit includes a voltage clamping unit and a booster circuit, and uses a single external power supply voltage supplied from the outside of the semiconductor substrate as an operation power supply, and the external power supply voltage of the semiconductor integrated circuit. The allowable range is from the first voltage to the second voltage smaller than the first voltage,
The voltage clamping means receives the external power supply voltage and generates a voltage smaller than the second voltage;
The booster circuit receives the voltage output from the voltage clamp unit and generates an internal positive boosted voltage or an internal negative boosted voltage that is greater than the voltage output from the voltage clamp unit,
The nonvolatile memory has a plurality of nonvolatile memory cells that erase or write data using the internal positive boosted voltage or the internal negative boosted voltage ,
The voltage clamp means receives the external power supply voltage, generates a reference voltage, a first constant voltage generation circuit that outputs a first clamp voltage using the reference voltage as a reference voltage, and the first A second constant voltage generation circuit that outputs a second clamp voltage using the voltage output from the constant voltage generation circuit as a reference voltage, and a third clamp voltage that uses the voltage output from the first constant voltage generation circuit as a reference voltage And a third constant voltage generating circuit that
The first constant voltage generation circuit includes a circuit that negatively feeds back the first clamp voltage,
The second constant voltage generation circuit includes a circuit that negatively feeds back the second clamp voltage,
The third constant voltage generation circuit includes a circuit that negatively feeds back the third clamp voltage,
The booster circuit is supplied with the second clamp voltage;
The semiconductor integrated circuit according to claim 3, wherein the third clamp voltage is an operating power supply voltage for a read system .
前記昇圧回路は、
前記内部負昇圧電圧を発生するために、P型MOSトランジスタとキャパシタとに接続される昇圧ノードを有するチャージポンプ回路と、
昇圧動作開始から前記昇圧回路が出力する電圧が前記内部負昇圧電圧まで達する途中に、前記P型MOSトランジスタのしきい値が小さくなるように基板バイアス電圧を切り替えるためのスイッチ手段とを有することを特徴とする半導体集積回路。In claim 1 ,
The booster circuit includes:
A charge pump circuit having a boost node connected to a P-type MOS transistor and a capacitor to generate the internal negative boost voltage;
Switch means for switching the substrate bias voltage so that the threshold value of the P-type MOS transistor becomes small while the voltage output from the boosting circuit reaches the internal negative boosted voltage from the start of boosting operation. A semiconductor integrated circuit.
前記P型MOSトランジスタの基板バイアス電圧は、前記昇圧動作開始後、前記スイッチ手段により切り替えられた場合は、前記昇圧動作中は切り替えられないことを特徴とする半導体集積回路。In claim 2 ,
A substrate integrated voltage of the P-type MOS transistor is not switched during the boosting operation when switched by the switch means after the boosting operation is started.
前記昇圧回路は、前記内部負昇圧電圧を発生するためにMOSトランジスタとキャパシタとに接続される昇圧ノードを有する負電圧昇圧回路と、前記内部正昇圧電圧を発生するためにMOSトランジスタとキャパシタとに接続される昇圧ノードを有する正電圧昇圧回路とを有することを特徴とする半導体集積回路。In claim 1,
The booster circuit includes a negative voltage booster circuit having a boosting node connected to a MOS transistor and a capacitor for generating the internal negative boosted voltage, and a MOS transistor and a capacitor for generating the internal positive boosted voltage. A semiconductor integrated circuit comprising: a positive voltage boosting circuit having a boosting node connected thereto.
前記半導体集積回路は、前記昇圧回路が出力する電圧を微調整するためのトリミング回路と、トリミング調整情報に応じて前記トリミング回路を制御するためのトリミング制御部と、前記トリミング調整情報を前記トリミング制御部に供給するために前記トリミング調整情報が設定されるレジスタとを有し、
前記レジスタは、前記トリミング調整情報を前記不揮発性メモリの特定の領域から供給されることを特徴とする半導体集積回路。In claim 1,
The semiconductor integrated circuit includes a trimming circuit for finely adjusting a voltage output from the booster circuit, a trimming control unit for controlling the trimming circuit according to trimming adjustment information, and trimming control for the trimming adjustment information. A register in which the trimming adjustment information is set to be supplied to the unit,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the register is supplied with the trimming adjustment information from a specific area of the nonvolatile memory.
前記レジスタは、前記半導体集積回路のリセット動作において、前記トリミング調整情報が設定されることを特徴とする半導体集積回路。In claim 5 ,
In the semiconductor integrated circuit, the trimming adjustment information is set in the register in a reset operation of the semiconductor integrated circuit.
前記中央処理装置は、前記レジスタにアクセス可能であることを特徴とする半導体集積回路。In claim 6 ,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the central processing unit is accessible to the register.
前記半導体集積回路は、電圧クランプ手段と、昇圧回路とを具備し、前記半導体基板の外部から供給される単一の外部電源電圧を動作電源とし、
前記電圧クランプ手段は、前記外部電源電圧を受けて、前記外部電源電圧に対する依存性が小さい基準電圧を参照電圧として前記外部電源電圧より小さい内部電圧を発生し、
前記昇圧回路は、前記電圧クランプ手段から出力された電圧を受けて、前記電圧クランプ手段から出力された電圧より大きい内部正昇圧電圧又は内部負昇圧電圧を発生し、
前記不揮発性メモリは、前記内部正昇圧電圧又は前記内部負昇圧電圧を用いてデータの消去又は書き込みを行う複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記電圧クランプ手段は、前記外部電源電圧を受けて、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、前記基準電圧を参照電圧として第1クランプ電圧を出力する第1定電圧発生回路と、前記第1定電圧発生回路から出力された電圧を参照電圧として第2クランプ電圧を出力する第2定電圧発生回路と、前記前記第1定電圧発生回路から出力される電圧を参照電圧として第3クランプ電圧を出力する第3定電圧発生回路とを有し、
前記第1定電圧発生回路は、前記第1クランプ電圧を負帰還する回路を含み、
前記第2定電圧発生回路は、前記第2クランプ電圧を負帰還する回路を含み、
前記第3定電圧発生回路は、前記第3クランプ電圧を負帰還する回路を含み、
前記昇圧回路は、前記第2クランプ電圧が供給され、
前記第3クランプ電圧は、読出し系の動作電源電圧とされることを特徴とする半導体集積回路。A semiconductor integrated circuit in which an electrically writable and erasable nonvolatile memory and a central processing unit accessible to the nonvolatile memory are formed on a single semiconductor substrate,
The semiconductor integrated circuit includes a voltage clamping unit and a booster circuit, and a single external power supply voltage supplied from the outside of the semiconductor substrate is used as an operation power supply.
The voltage clamp means receives the external power supply voltage and generates an internal voltage smaller than the external power supply voltage with a reference voltage having a small dependency on the external power supply voltage as a reference voltage,
The booster circuit receives the voltage output from the voltage clamp unit and generates an internal positive boosted voltage or an internal negative boosted voltage that is greater than the voltage output from the voltage clamp unit,
The nonvolatile memory has a plurality of nonvolatile memory cells that erase or write data using the internal positive boosted voltage or the internal negative boosted voltage ,
The voltage clamp means receives the external power supply voltage, generates a reference voltage, a first constant voltage generation circuit that outputs a first clamp voltage using the reference voltage as a reference voltage, and the first A second constant voltage generation circuit that outputs a second clamp voltage using the voltage output from the constant voltage generation circuit as a reference voltage, and a third clamp voltage using the voltage output from the first constant voltage generation circuit as a reference voltage A third constant voltage generating circuit for outputting,
The first constant voltage generation circuit includes a circuit that negatively feeds back the first clamp voltage,
The second constant voltage generation circuit includes a circuit that negatively feeds back the second clamp voltage,
The third constant voltage generation circuit includes a circuit that negatively feeds back the third clamp voltage,
The booster circuit is supplied with the second clamp voltage;
The semiconductor integrated circuit according to claim 3, wherein the third clamp voltage is an operating power supply voltage for a read system .
前記昇圧回路は、
前記内部負昇圧電圧を発生するために、P型MOSトランジスタとキャパシタとに接続される昇圧ノードを有するチャージポンプ回路と、
昇圧動作開始から前記昇圧回路が出力する電圧が前記内部負昇圧電圧まで達する途中に、前記P型MOSトランジスタのしきい値が小さくなるように基板バイアス電圧を切り替えるためのスイッチ手段とを有することを特徴とする半導体集積回路。In claim 8 ,
The booster circuit includes:
A charge pump circuit having a boost node connected to a P-type MOS transistor and a capacitor to generate the internal negative boost voltage;
Switch means for switching the substrate bias voltage so that the threshold value of the P-type MOS transistor becomes small while the voltage output from the boosting circuit reaches the internal negative boosted voltage from the start of boosting operation. A semiconductor integrated circuit.
前記P型MOSトランジスタの基板バイアス電圧は、前記昇圧動作開始後、前記スイッチ手段により切り替えられた場合は、前記昇圧動作中は切り替えられないことを特徴とする半導体集積回路。In claim 9 ,
A substrate integrated voltage of the P-type MOS transistor is not switched during the boosting operation when switched by the switch means after the boosting operation is started.
前記昇圧回路は、前記内部負昇圧電圧を発生するためにMOSトランジスタとキャパシタとに接続される昇圧ノードを有する負電圧昇圧回路と、前記内部正昇圧電圧を発生するためにMOSトランジスタとキャパシタとに接続される昇圧ノードを有する正電圧昇圧回路とを有することを特徴とする半導体集積回路。In claim 8 ,
The booster circuit includes a negative voltage booster circuit having a boosting node connected to a MOS transistor and a capacitor for generating the internal negative boosted voltage, and a MOS transistor and a capacitor for generating the internal positive boosted voltage. A semiconductor integrated circuit comprising: a positive voltage boosting circuit having a boosting node connected thereto.
前記半導体集積回路は、前記昇圧回路が出力する電圧を微調整するためのトリミング回路と、トリミング調整情報に応じて前記トリミング回路を制御するためのトリミング制御部と、前記トリミング調整情報を前記トリミング制御部に供給するために前記トリミング調整情報が設定されるレジスタとを有し、
前記レジスタは、前記トリミング調整情報を前記不揮発性メモリの特定の領域から供給されることを特徴とする半導体集積回路。In claim 8 ,
The semiconductor integrated circuit includes a trimming circuit for finely adjusting a voltage output from the booster circuit, a trimming control unit for controlling the trimming circuit according to trimming adjustment information, and trimming control for the trimming adjustment information. A register in which the trimming adjustment information is set to be supplied to the unit,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the register is supplied with the trimming adjustment information from a specific area of the nonvolatile memory.
前記レジスタは、前記半導体集積回路のリセット動作において、前記トリミング調整情報が設定されることを特徴とする半導体集積回路。In claim 12 ,
In the semiconductor integrated circuit, the trimming adjustment information is set in the register in a reset operation of the semiconductor integrated circuit.
前記中央処理装置は、前記レジスタにアクセス可能であることを特徴とする半導体集積回路。In claim 13 ,
The semiconductor integrated circuit according to claim 1, wherein the central processing unit is accessible to the register.
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