JP3840994B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ツインメモリセルが配列されたレギュラーセルアレイに冗長セルを備えた不揮発性半導体記憶装置に関する。
【0002】
【背景技術】
不揮発性半導体記憶装置の一例として、チャネルとゲートとの間のゲート絶縁層が、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜及び酸化シリコン膜の積層体からなり、窒化シリコン膜に電荷がトラップされるMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide -Semiconductorまたは-substrate)型が知られている。
【0003】
このMONOS型不揮発性半導体記憶装置は、文献(Y.Hayashi,et al,2000 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers p.122-p.123)に開示されている。この文献には、1つのワードゲートと、2つのコントロールゲートにより制御される2つの不揮発性メモリセル(MONOSメモリセルともいう)を備えたツインMONOSフラッシュメモリセルが開示されている。すなわち、1つのフラッシュメモリセルが、電荷のトラップサイトを2つ有している。
【0004】
このような構造を有する複数のツインMONOSフラッシュメモリセルを行方向及び列方向にそれぞれ複数配列させて、レギュラーセルアレイが構成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
レギュラーセルアレイには、冗長セルが設けられる。冗長セルは、メモリセルに不良が発見された場合に、その不良セルの代わりに用いられる。
【0006】
ここで、例えば16ビット同時にデータリードを行うメモリ装置について例を挙げれば、16個の入出力端子I/O0〜I/O15に対応させて、16分割のメモリブロックが設けられる。
【0007】
従来、冗長セルは、16個のメモリブロックにそれぞれ設けられていた。例えば、各メモリブロックには、複数本の正規メモリセル列に対して1本の冗長メモリセル列が設けられる。そして、1本の正規メモリセル列のいずれかのメモリセルに不良が生じると、この正規メモリセル列に代えて冗長メモリセル列が使用される。
【0008】
このような従来構造では、同時アクセスビット数が増えるにつれ、冗長メモリセル列も増大してしまう。冗長メモリセル列が、同時アクセスビット数だけ設けられたメモリブロックにそれぞれ配置されるからである。
【0009】
また、不良セルを含む正規メモリセル列を冗長メモリセル列に切り換えるスイッチが、センスアンプの入力段側に必要となる。このスイッチの存在により信号遅延が生じ、アクセスタイムが遅くなってしまう。
【0010】
本発明の目的は、冗長セルの配置を工夫して、同時アクセスビット数が増えたとしても、チップ面積に対する冗長セル専有面積を最小限に止めることができる不揮発性半導体装置を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、不良セルから冗長セルに切り換え可能であっても、アクセスタイムが増大しない不揮発性半導体記憶装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る不揮発性半導体記憶装置は、1つのワードゲートと、第1,第2のコントロールゲートにより制御される第1,第2の不揮発性メモリセルとを有するツインメモリセルを、列方向及び行方向にそれぞれ複数配列してなるレギュラーセルアレイを有する。このレギュラーセルアレイは、行方向で分割されたN個のセクタ領域を有する。N個のセクタ領域の各々は、行方向で分割されたn個の第1メモリブロックを有する。そして、n個の第1メモリブロックの一つが複数の冗長ツインメモリセルを有する冗長メモリブロックとされる。
【0013】
このセルレイアウトであると、同時ビット数である(n−1)の数が増大しても、冗長メモリブロックは常に一つあれば足りる。
【0014】
本発明では、n個の第1メモリブロックに対応して設けられたn個のセンスアンプと、n個の第1メモリブロックの各々にて選択されたセルから読み出された電流をn個のセンスアンプにそれぞれ供給するパス回路とをさらに設けることができる。すなわち、冗長メモリブロックに専用のセンスアンプを設けることができる。こうすると、不良セルを含むメモリブロックから冗長メモリブロックに切り換えるためのスイッチを、センスアンプの入力段側に設ける必要がない。よって、センスアンプの入力段側で信号遅延が生じないので、アクセスタイムは増大しない。
【0015】
本発明は、(n−1)個のデータ出力端子と、n個のセンスアンプの中の(n−1)個をセンスアンプ出力を選択し、選択された(n−1)個のセンスアンプ出力の各々を、(n−1)個の出力端子にそれぞれ供給するマルチプレクス回路とをさらに有することができる。
【0016】
このように、センスアンプの出力段側にて、不良セルを含むメモリブロックから冗長メモリブロックに切り換えるためのスイッチングを行うことができる。ここでのスイッチングはアクセスタイムを増大させない。
【0017】
本発明では、n個のセンスアンプにリファレンス電流を供給する少なくとも一つのリファレンス用ツインセルメモリを含むリファレンスセル領域をさらに有することができる。
【0018】
このリファレンスセル領域は、行方向で分割されたn個の第2メモリブロックを有し、n個の第2メモリブロックの一つが冗長メモリブロックとされ、n個の第2メモリブロックよりn個のセンスアンプにリファレンス電流をそれぞれ供給可能とすることができる。
【0019】
n個の第1メモリブロック及びn個の第2メモリブロックの各々は、行方向に配列されるツインメモリセルの個数を同一とすることが好ましい。少なくとも行方向でのセル位置に依存したセル電流の特性(温度特性、電圧特性など)が、第1,第2ブロック間でばらつくことを低減できる。これにより、第1,第2ブロックにて同時に選択されたセルからのセル電流(一方はリファレンスセル電流)のセル位置に依存した特性差が少なくなるので、メモリ状態の判定を正確に行うことができる。
【0020】
ここで、N個のセクタ領域の各々は、列方向で分割されたM個のラージブロックを有し、M個のラージブロックの各々は、列方向で細分割されたm個のスモールブロックを有することができる。n個の第2メモリブロックの各々は、列方向に配列されるツインメモリセルの個数が、m個のスモールブックの各々にて列方向に配列されるツインメモリセルの個数よりも少なくすることができる。
【0021】
即ち、スモールブロックは、レギュラーセル内のツインメモリセル群を製造する時の最小単位となるが、リファレンスセル領域の第2メモリブロックのセル列数をその最小単位のセル列数よりも少なくしてもよい。
【0022】
データリード時のレギュラーセルアレイ及びリファレンスセル領域での選択セルの指定は、次の通りである。このデータリード時にレギュラーセルアレイのセル選択に用いられる行アドレス及び列アドレスのうちの下位アドレスを用いて、リファレンスセル領域にてセル選択が実施することができる。
【0023】
n個の第1メモリブロックの各々は、列方向に沿って延びる4本のビット線を有し、n個の第1メモリブロックの各々にて行方向に配列されるツインメモリセルの個数を4個とすることができる。4個のツインメモリセルはメモリ駆動上の最小単位であり、冗長メモリブロックの面積専有率を最小とできる。
【0024】
N個のセクタ領域の各々を、データ消去の単位とすることができる。この場合、レギュラーセルアレイ内の複数のツインメモリセルの各々の第1,第2のコントロールゲートを駆動するコントロールゲート駆動部は、N個のセクタ領域の各一つにそれぞれ対応するN個のローカルコントロールゲートドライバを有する。このN個のローカルコントロールゲートドライバの各々は、対応する一つのセクタ領域内の第1,第2のコントロールゲートの電位を、他のセクタ領域とは独立して設定可能である。そして、データ消去時にN個のコントロールゲートドライバの一つが選択されて、N個のセクタ領域の中から選択された一つのセクタ領域内の第1,第2のコントロールゲートに消去用高電位を供給する。こうして、一つのセクタ領域毎にデータを消去することが可能となる。
【0025】
なお、不揮発性メモリセルの各々が、酸化膜(O)、窒化膜(N)及び酸化膜(O)からなるONO膜を電荷のトラップサイトとして有することができる。ただし、トラップサイトの構造はこれに限定されない。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【0027】
(ツインメモリセル構造)
図1は不揮発性半導体記憶装置の一断面を示している。図1において、1つのツインメモリセル100は、P型ウェル102上にゲート酸化膜を介して例えばポリシリコンを含む材料から形成されるワードゲート104と、第1,第2のコントロールゲート106A,106Bと、第1,第2のメモリセル(MONOSメモリセル)108A,108Bとを有する。
【0028】
第1,第2のコントロールゲート106A,106Bは、ワードゲート104の両側壁に形成され、ワードゲート104とはそれぞれ電気的に絶縁されている。
【0029】
第1,第2のメモリセル108A,108Bの各々は、MONOSのM(金属)に相当するポリシリコンにて形成される第1,第2のコントロールゲート106A,106Bの一つと、P型ウェル102との間に、酸化膜(O)、窒化膜(N)及び酸化膜(O)を積層することで構成される。なお、第1,第2のコントロールゲート106A,106Bは、シリサイドなどの導電材で構成することもできる。
【0030】
このように、1つのツインメモリセル100は、スプリットゲート(第1,第2のコントロールゲート106A,106B)を備えた第1,第2のMONOSメモリセル108A,108Bを有し、第1,第2のMONOSメモリセル108A,108Bにて一つのワードゲート104を共用している。
【0031】
この第1,第2のMONOSメモリセル108A,108Bは、それぞれ電荷のトラップサイトとして機能する。第1,第2のMONOSメモリセル108A,108Bの各々は、ONO膜109にて電荷をトラップすることが可能である。
【0032】
図1に示すように、行方向Bに間隔をおいて配列された複数のワードゲート104は、ポリサイドなどで形成される1本のワード線WLに共通接続されている。
【0033】
また、図1に示すコントロールゲート106A,106Bは、列方向(図1の紙面に垂直な列方向A)に沿って延び、列方向に配列される複数のツインメモリセル100にて共用される。よって、符号106A,106Bをコントロールゲート線とも称する。
【0034】
ここで、[i]番目のツインメモリセル100[i]のコントロールゲート線106Bと、[i+1]番目のツインメモリセル100[i+1]のコントロールゲート線106Aとには、例えばワードゲート,コントロールゲート,ワード線よりも上層の金属層で形成されるサブコントロールゲート線SCG[i+1]が接続されている。
【0035】
P型ウェル102には、[i]番目のツインメモリセル100[i]のMONOSメモリセル108Bと、[i+1]番目のツインメモリセル100[i+1]のMONOSメモリセル108Aとに共用される[i+1]番目の不純物層110[i+1]が設けられている。
【0036】
これらの不純物層110[i],[i+1],[i+2]は例えばP型ウェル内に形成されるn型不純物層で、列方向(図1の紙面に垂直な方向)に沿って延び、列方向に配列される複数のツインメモリセル100にて共用されるサブビット線として機能する。よって、符号110[i],[i+1],[i+2]などをサブビット線SBL[i],[i+1],[i+2]とも称する。
【0037】
(不揮発性半導体記憶装置の全体構成)
上述のツインメモリセル100を用いて構成される不揮発性半導体記憶装置の全体構成について、図2(A)〜図2(E)を参照して説明する。
【0038】
図2(A)は1チップの不揮発性半導体記憶装置の平面レイアウト図であり、レギュラーセルアレイ200とグローバルワード線デコーダ201とを有する。レギュラーセルアレイ200は、例えば計64個の第0〜第63のセクタ領域210を有する。図2(A)は、セクタ数N=64の例である。
【0039】
64個のセクタ領域210は、図2(A)に示すようにレギュラーセルアレイ200を行方向Bでそれぞれ分割したもので、各セクタ領域210は列方向Aを長手方向とする縦長形状を有する。データ消去の最小単位がセクタ領域210であり、セクタ領域210内の記憶データは一括してまたは時分割で消去される。
【0040】
メモリアレイ領域200は、例えば4K本のワード線WLと、4K本のビット線BLとを有する。ここで、本実施の形態では1本のビット線BLに2つのMONOSメモリセル108A,108Bが接続されるため、4K本のビット線BLは8Kbitの記憶容量を意味する。各セクタ領域210の記憶容量はメモリ全体の記憶容量の1/64であり、(4K本のワード線WL)×(64本のビット線BL)×2で定義される記憶容量を有する。
【0041】
図2(B)は、図2(A)に示す不揮発性半導体記憶装置の隣り合う2つの第0及び第1のセクタ領域210の詳細を示している。図2(B)に示すように、2つのセクタ210の両側に、ローカルドライバ領域(ローカルコントロールゲートドライバ、ローカルビット線選択ドライバ及びローカルワード線ドライバを含む)220A,220Bが配置されている。また、2つのセクタ210と2つのローカルドライバ領域220A,220Bの例えば上辺には、セクタ制御回路222が配置されている。
【0042】
各セクタ領域210は、行方向Bにて分割された計17個(n=17の例)の第1メモリブロック214を有している。このうち、16個の第1メモリブロック214は、16ビットのデータを同時にリード・ライト可能に、計16(n−1=16)個のI/O0〜I/O15に対応して配置された正規のメモリブロックである。残りの1個の第1メモリブロック214は冗長メモリブロックである。16個の正規メモリブロック214のいずれか一つにてセル不良が発見されると、その不良セルを含む正規メモリブロック214に代わって、冗長メモリブロック214が使用される。なお、(n−1)ビット数を1バイト(8ビット)、あるいは1ダブルワード(32ビット)などに設定しても良い。なお、各第1メモリブロック214は、図2(B)に示すように、4K(4096)本のワード線WLを有する。
【0043】
図2(C)に示すように、図2(B)に示す各一つのセクタ領域210は、列方向Aにて8個(M=8の例である)のラージブロック212に分割されている。この各ラージブロック212は、図2(D)に示すように、列方向Aにて8個(m=8の例である)のスモールブロック215に分割されている。
【0044】
各スモールブロック215は、図2(E)に示すように、64本のワード線WLを有する。
【0045】
(セクタ領域の詳細)
図3は、図2(A)に示すセクタ領域0の詳細を示している。図3に示すスモールメモリブロック216は、図2(E)に示すように、一つのスモールブロック215を横方向で17分割(n=17の例)したものである。図3に示すスモールメモリブロック216は、図4に示すように、ツインメモリセル100を列方向に例えば64個、行方向に例えば4個配列したものである。一つのスモールメモリブロック216には、例えば4本のサブコントロールゲート線SCG0〜SCG3と、データの入出力線である4本のサブビット線SBL0〜SBL3と、64本のワード線WLとが接続されている。
【0046】
ここで、偶数のサブコントロールゲート線SCG0,SCG2には、偶数列(第0列または第2列)の複数のツインメモリセルの各々の第2のコントロールゲート106Bと奇数列(第1列または第3列)の複数のツインメモリセルの各々の第1のコントロールゲート106Aとが共通接続されている。同様に、奇数のサブコントロールゲート線SCG1,SCG3には、奇数列(第1列または第3列)の複数のツインメモリセルの各々の第2のコントロールゲート106Bと偶数列(第2列または第4列)の複数のツインメモリセルの各々の第1のコントロールゲート106Aとが共通接続されている。
【0047】
図3に示すように、一つの第1メモリブロック214(正規メモリブロック及び冗長メモリブロック)内にはスモールメモリブロック216が列方向に64個配列されている。さらに、一つの第1メモリブロック214内には、その行方向に、16個のI/O0〜I/O15に対応した16個のスモールメモリブロック216と、1個の冗長スモールメモリブロック216とが配置され(図2(E)も参照のこと)、この行単位がスモールブロック215となる。
【0048】
行方向に配列された17個のスモールメモリブロック216の17本のサブコントロールゲート線SCG0が、行方向にメインコントロールゲート線MCG0に共通接続されている。同様に、17本のサブコントロールゲート線SCG1はメインコントロールゲート線MCG1に、17本のサブコントロールゲート線SCG2はメインコントロールゲート線MCG2に、17本のサブコントロールゲート線SCG3はメインコントロールゲート線MCG3にそれぞれ共通接続されている。
【0049】
このセクタ領域0内の各スモールブロック215には、コントロールゲート駆動部であるローカルコントロールゲートドライバ(CGドライバ)300−0〜300−63の一つがそれぞれ設けられている。この各CGドライバ300−0〜300−63には、行方向に延びる上述の4本のメインコントロールゲート線MCG0〜MCG3が接続されている。
【0050】
図5は、相隣り合うセクタ領域0とセクタ領域1にそれぞれ属する2つのスモールブロック215の関係を示している。セクタ領域0とセクタ領域1とでは64本のワード線WL0〜WL63が共用されるが、メインコントロールゲート線MCG0〜MCG3及びメインビット線MBLはそれぞれ独立して設けられている。特に図5では、セクタ領域0内のスモールブロック215に対応するローカルコントロールゲートドライバCGDRV0〜3(図3に示すCGドライバ300−0〜300−63の一つ)と、セクタ領域1内のスモールブロック215に対応するローカルコントロールゲートドライバCGDRV0〜3とが示されている。このように、ローカルコントロールゲートドライバは、スモールブロック215毎に独立して設けられている。
【0051】
スモールブロック215毎に配置された各サブビット線SBL0(不純物層)は、金属配線であるメインビット線MBLに共通接続されている。このメインビット線MBLは、列方向Aに配列されたスモールメモリブロック216間で共有されている。このメインビット線MBLからスモールメモリブロック内の各サブビット線SBL0に至る各経路途中には、ビット線選択スイッチであるビット線選択ゲート217A,217Bが配置されている。なお、例えば 奇数本目のサブビット線SBLには上述のビット線選択ゲート217Aがそれぞれ接続されるのに対して、偶数本目のサブビット線SBLにはビット線選択ゲート217Bが接続されている。
【0052】
ここで、図2(D)に示すスモールブロック215は、以下のように定義することができる。一つのスモールブロック215内にて列方向に接続されたツインメモリセル100は、サブコントロールルゲート線SCG(図5参照)を共有している。一つのスモールブロック215内にて列方向に接続されたツインメモリセル100は、サブビット線SBL(図5参照)を共有している。また、ビット線選択ゲート217A,217Bの形成領域によって、列方向で隣り合う2つのスモールブロック215が区画されている。さらに、一つのスモールブロック215の行方向に接続されたツインメモリセル100は、いずれか一つのセクタに所属することでデータ消去を同時に行うことができる。
【0053】
隣り合う2つの第0,第1のセクタ領域210内の2つのスモールブロック215及びその両側のローカルドライバ領域220A,220Bの詳細を図6に示す。図6に示すように、左側のローカルドライバ領域220Aには、図5に示すローカルコントロールゲート線ドライバCGDRV0〜CGDRV3が配置されている。同様に、右側のローカルドライバ領域220Bには、図5に示すローカルコントロールゲート線ドライバCGDRV0〜CGDRV3が配置されている。
【0054】
また、左側のローカルドライバ領域220Aには、セクタ0,1内の偶数番目のワード線WL0,2,…62を駆動するローカルワード線ドライバWLDRV0,…WLDRV62が配置されている。右側のローカルドライバ領域220Bには、セクタ0,1内の奇数番目のワード線WL1,3,…63を駆動するローカルワード線ドライバWLDRV1,…WLDRV63が配置されている。
【0055】
さらに、図5及び図6に示すように、右側のローカルドライバ領域220Bには、セクタ0,1の例えば奇数番目のサブビット線SBLに接続されたビット線選択ゲート217Aを駆動するローカルビット線ドライバBSRV1が配置されている。左側のローカルドライバ領域220Aには、セクタ0,1の例えば偶数番目のサブビット線SBLに接続されたビット線選択ゲート217Bを駆動するローカルビット線ドライバBSRV0が配置されている。
【0056】
(セクタ0,1の駆動回路)
次に、図7を参照してセクタ0,1内の各スモールブロック215内のツインメモリセルを駆動する回路について説明する。
【0057】
まず、セクタ0〜63に共用される構成として、プリデコーダ400と、64個のグローバルデコーダ402−0〜402−63と、Yデコーダ404とが設けられている。
【0058】
プリデコーダ400は、選択対象の不揮発性メモリセル(選択セル)を特定するアドレス信号A[20−0]をデコードするものである。このアドレス信号A[20−0]の意味付けを下記の表1に示す。
【0059】
【表1】
【0060】
表1に示すように、上位のアドレス信号A[20−15]で64セクタの中の一つのセクタが選択され、中位のアドレス信号A[14−12]で図4に示す一つのスモールメモリブロック216内の4セル(8ビット)の中の1ビットが選択され、下位のアドレス信号A[11−0]で一つのセクタ内の4096本の中の1本のワード線WLが選択される。また、アドレス信号A[11−9]で一つのセクタ内に存在する8つのラージブロック212の中の一つが選択され、アドレス信号A[8−6]で一つのラージブロック212内に存在する8つのスモールブロック215の中の一つが選択され、アドレス信号A[5−0]で一つのスモールブロック215内に存在する64本のワード線WLの中の1本が選択される。
【0061】
64個のグローバルデコーダ402−0〜402−63は、下位のアドレス信号A[11−0]をプリデコーダ400にてプリデコードした結果に基づいて、64本のグローバルワード線GWL[0]〜GWL[63]をアクティブとする。なお、データリード時とデータプログラム時では1本のグローバルワード線GWLのみがアクティブ(Vdd)とされる。データイレース時で、一つのセクタ内を一括して消去する際には64本のグローバルワード線GWLが全てアクティブ(Vdd)とされる。このことにより、一つのセクタ内の全てのワード線WLが選択されて、消去用のワード線電圧が供給される。
【0062】
Yデコーダ404は、Yパス選択ドライバ410を介してYパス回路412を駆動して、スモールブロック215内の選択されたビット線を、後段のセンスアンプ520(図8参照)またはビット線ドライバに接続するものである。
(リファレンスセル領域)
図8は、図2(A)〜図2(E)に示すレギュラーセルアレイ200とは別に形成されるリファレンスセル領域を含むメモリの全体構成を示している。
【0063】
リファレンスセル領域には、少なくとも一つのツインメモリセル100を設けるだけでもよいが、本実施の形態では、図8に示すリファレンスセルアレイ600を配置した。
【0064】
図8に示すリファレンスセルアレイ600は、レギュラーセルアレイ200中の一つのスモールブロック215と行方向Bにて同数(68個)のツインメモリセル100を有し、列方向Aではスモールブロック215のツインメモリセル数(64個)よりも少ない数となっている。
【0065】
ここで、図9に示すように、リファレンスセルアレイ600には、行方向Bに沿って17個のスモールメモリブロック610が設けられている。
【0066】
レギュラーセルアレイ200においては、図3に示すように行方向Bにて17個に分割された第1メモリブロック214は、列方向Aに64個のスモールメモリブロック216を有していた。リファレンスセルアレイ600も、図9に示すように行方向Bにて17個に分割された第2メモリブロック612を有する。ただし、第2メモリブロック612は、列方向Aには1個のスモールメモリブロック610しか設けられていない。
【0067】
ここで、レギュラーセルアレイ200内の各第1メモリブロック214に配置されたスモールメモリブロック215は、図4に示すように列方向Aにて64個のツインメモリセル100を有していた。一方、リファレンスセルアレイ600に配置されたスモールメモリブロック612は、図12に示すように、列方向Aにて64個よりも少ない数、例えば32個のツインメモリセル100を有している。よって、リファレンスセルアレイ600には、行方向で64個、列方向で32個のツインメモリセル100を有し、行方向で64個、列方向で64個のツインメモリセル100を有するスモールブロック215内のセル数の半分となっている。
【0068】
なお、このリファレンスセルアレイ600にも、ローカルコントロールゲートドライバCGDRV、ローカルビット線ドライバBSDRV及びローカルワード線ドライバWLDRVを有している点は、レギュラーセルアレイ200と同じである。
【0069】
このように、リファレンスセルアレイ600の行方向のセル数を、スモールブロック215と同じ構成とした理由は下記の通りである。
【0070】
リファレンスセルアレイ600内のセル100のセル電流は、レギュラーセルアレイ200内のセル100のセル電流を検出するときの基準となるもので、両セル電流の特性(温度特性、電圧特性など)が一致することが理想であるが、セル位置によって変化することがある。このうち、セル位置のばらつきを少なくするために、スモールブロック215内でのセル配列を考慮して、リファレンスセルアレイ600を形成した。ただし、リファレンスメモリセル数を少なくするために、列方向の数だけをスモールブロック215よりも少なくした。
【0071】
なお、このリファレンスセルアレイ600内の全てのツインメモリセル100は、工場出荷時に消去状態に設定されている。
(Yパス回路及びセンスアンプの説明)
図8に示すように、レギュラーセルアレイ200の64個のセクタ210にはそれぞれYパス回路412が接続されている(図7も参照)。同様に、リファレンスセルアレイ600にもYパス回路620が接続されている。
【0072】
図10は、図7及び図8に示すYパス回路412を示している。このYパス回路412は、一つのセクタ210に対して1個設けられ、計64個(M=64の例である)設けられている。一つのセクタ210には、I/O0〜I/O15用及び冗長用として17分割された第1メモリブロック214が配置されている(図2(B)も参照のこと)。
【0073】
各第1メモリブロック214には4つのツインメモリセル100が行方向に接続されている。なお、一つの第1メモリブロック214内のツインメモリセル100の行方向接続数として4は最小数であり、2N(Nは2以上の整数)とすれば、ツインメモリセル100をデコード出力に基づき特定できる。
【0074】
ここで、一つの第1メモリブロック214内にて行方向に接続された4つのツインメモリセル100に設けられた計8つのセル(不揮発性メモリセル)を、図10に示すようにセルC0〜C7と定義する。
【0075】
また、1セクタ領域210には、その行方向の両端部にのみ、第1及び第2のコントロールゲート108A,108Bの一方とワードゲートとを有するダミーセル101が配置されている。
【0076】
一つの第1メモリブロック214に設けられるメインビット線BL0〜BL3の各々には、第1選択ゲート501が接続されている。一つの第1メモリブロック214に対応して設けられた4つの第1選択ゲート501のゲートには、電圧YS0〜YS3のいずれかが印加される。4つの第1選択ゲート501の各々の他端は、I/O線に共通接続されている。図8に示すように、17個の第1メモリブロック214[0]〜214[15]及び214[冗長]にそれぞれ対応して、I/O0〜I/O15及びI/Oxが設けられている。
【0077】
ビット線BL0〜BL3の途中には、ゲート電圧を/YS0〜/YS3のいずれかとするトランジスタ502がそれぞれ接続されている。このトランジスタ502がオンすると、そのトランジスタ502のソースに接続された電圧BLVSがビット線BLに供給されるようになっている。この電圧BLVSは、動作モードに応じてVddまたは0Vに設定される(後述の表2,表3を参照のこと)。
【0078】
図8に示すYパス回路412に設けられた第2選択ゲート510は、例えばブロック214[0]とブロック214[1]の境界に位置するビット線BL0を、I/O出力線(I/O0)に接続/非接続するためのものである。この第2選択ゲート510は、なお、図10の右端のダミーセル101に接続されたビット線BL0にも第2選択ゲート510が設けられている。この第2選択ゲート510にはゲート電圧YS4が供給される。
【0079】
ここで、一つの第1メモリブロック214内の8つのセルC0〜C7のいずれかが選択セルとして選択されたデータリード時の各所の電圧を表2に示す。
【0080】
【表2】
【0081】
図10に示す第1メモリブロック214[0]〜214[15]の各セルC2が例えば選択された場合には、表2に示すよう、その選択セルC2のコントロールゲートCG1に選択電圧(1.5V)が、非選択対向セルC3のコントロールゲートCG2にオーバライド電圧(3.0V)が、他の非選択セルのコントロールゲートCG0,CG3に非選択電圧(0V)が印加される。その結果、第1メモリブロック214[0]〜214[15]の各選択セルC2からのセル電流は、ビット線BL2、ゲート信号YS2が電圧Vddとなる選択ゲート501を介して、センスアンプ520[0]〜520[15]にそれぞれ流れる。
【0082】
この第1メモリブロック214[0]〜214[15]のいずれか一つに不良セルが存在した場合には、その不良セルを含む第1メモリセルブロック214の代わりに冗長メモリブロック214[冗長]が選択される。そして、冗長メモリブロック214[冗長]のセルC2からのセル電流が、センスアンプ520[冗長]に流れることになる。
【0083】
17個(n=17の例である)のセンスアンプ520[0]〜520[15]及び520[冗長]は、図8に示すように、64個のセクタ210[0]〜210[63]に共用される。
【0084】
このセンスアンプ520[0]〜520[15]及び520[冗長]には、リファレンスセルアレイ600に接続されたYパス回路620から、参照電位が供給される。
【0085】
Yパス回路620が図11に示されており、図10に示すYパス回路412と同一の構成を有し、図10に示す部材の符号と同一符号が図11に示す部材にも付されている。
【0086】
一つの第2メモリブロック612内の8つのセルC0〜C7のいずれかが選択セルとして選択されたリファレンスデータリード時の各所の電圧を表3に示す。
【0087】
【表3】
【0088】
ここで、表3においては、表2と相違する点として、選択セル及び非選択対向セルのコントロールゲート電圧を共に、選択電圧と同じ1.5Vとした。すなわち、非選択対向セルにオーバライド電圧として3Vを印加せず、1.5Vを印加した。この理由は、リファレンス用メモリセルフアレイ600内の全セルが、工場出荷時に消去状態にプログラムされているからである。オーバライド電圧とは、非選択対向セルのプログラムの有無に拘わらず、その対向セルのトランジスタをオンさせてリード電流またはプログラム電流を流すために必要な電圧である。従って、セルが消去状態にプログラムされているので、選択電圧と同じ1.5Vを非選択対向セルのコントロールゲートに印加しても、リファレンスセル電流を読み出すことができる。
【0089】
なお、表3とは異なり、リファレンスデータリード時にも、非選択対向セルにオーバライド電圧(3V)を印加してもよいことはもちろんである。
【0090】
ここで、レギュラーセルアレイ200より16(n−1=16の例である)ビットのデータを読み出すときには、表1に示したアドレス信号[20:0]により、16個の選択セルが指定される。一方、それと同時にリファレンスセルアレイ600より16ビットのリファレンス電位を読み出すときには、列アドレスA[20:12]のうちの下位アドレスA[14:12]と、行アドレスA[11:0]の下位アドレスA[4:0]だけを用いれば足りる。アドレスA[14:12]でリファレンスセルアレイ600の行アドレス(C0〜C7の一つ)を指定でき、アドレスA[4:0]で列アドレス(32本のワード線の1本)が指定できるからである。
【0091】
このようにしてリファレンスセルアレイ600にて、レギュラーセルアレイ200のスモールブロック215内とほぼ同じ位置の相関をとりつつアドレスが指定される。このため、セル位置に依存したセル電流のばらつきを少なくすることができる。
【0092】
また、図10及び図11に示すように、センスアンプ520の入力側に、不良メモリブロックから冗長メモリブロックへの切り換えのための素子は存在していない。もしそのような素子を追加すれば、センスアンプ520への電流入力経路のインピーダンスが増大し、アクセスタイムを変更する必要が生ずる。
【0093】
図10に示すように、センスアンプ520[0]〜520[15]及び520[冗長]の出力側に、マルチプレクス回路530を設けている。このマルチプレクス回路530では、センスアンプ520[0]〜520[15]の出力端と、16個(n−1=16の例である)の入出力端子I/O0〜I/O15との間には、選択ゲート530[0]〜530[15]がそれぞれ接続されている。また、センスアンプ520[冗長]の出力端と入出力端子I/O0〜I/O15との間には、選択ゲート530[冗長0]〜530[冗長15]がそれぞれ接続されている。
【0094】
第1メモリブロック214[0]〜214[15]に不良がなければ、データリード時には選択ゲート530[0]〜530[15]がオンし、各ブロック214[0]〜214[15]からのデータが入出力端子I/O0〜I/O15に出力される。このとき、選択ゲート530[冗長0]〜530[冗長15]は全てオフされている。もし、第1メモリブロック214[0]が不良であれば、選択ゲート530[0]はオフ、選択ゲート530[冗長0]がオンされる。こうして、第1メモリブロック214[0]に代えて冗長メモリブロック214[冗長]からデータリードが実施される。
【0095】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【0096】
本発明はリファレンスセルアレイの設定に特徴があり、ワード線、ビット線及びコントロールゲート線の電圧設定、不揮発性メモリセルのリード動作、プログラム動作及び消去動作の詳細説明は省略したが、必要があれば本願出願人による先願の特願平2001−137165等に詳述されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る不揮発性半導体記憶装置に用いられるメモリセルの断面図である。
【図2】図2(A)は図1に示す不揮発性半導体記憶装置全体の平面レイアウト図、図2(B)は図2(A)中の2つのセクタ領域の平面図、図2(C)は図2(B)中の一つのメモリブロックの平面図、図2(D)は図2(C)中の一つのラージブロックの平面図、図2(E)は図2(D)中の一つのスモールブロックの平面図である。
【図3】図2(B)に示す一つのセクタ領域の多数のスモールメモリブロックとその配線とを説明するための概略説明図である。
【図4】図3に示すスモールメモリブロックの構成図である。
【図5】図3に示すスモールブロックとローカルドライバ領域との関係を示す図である。
【図6】隣接する2セクタ中の2つのスモールブロックとローカルドライバ領域との関係を示す概略説明図である。
【図7】隣接する2セクタの周辺駆動回路を示すブロック図である。
【図8】レギュラーセルアレイ、リファレンスセルアレイ、Yパス回路、センスアンプ、マルチプレクス回路及び入出力端子を示すメモリ全体の概略説明図である。
【図9】図8に示すリファレンスセルアレイの概略説明図である。
【図10】図8に示すレギュラーセルアレイに接続されるYパス回路の一例を示す回路図である。
【図11】図8に示すリファレンスセルアレイに接続されるYパス回路の一例を示す回路図である。
【図12】図9に示すリファレンスセルアレイ中のスモールメモリブロックの構成図である。
【符号の説明】
100 ツインメモリセル
102 P型ウェル
104 ワードゲート
106A,106B コントロールゲート(線)
108A,108B 第1,第2の不揮発性メモリセル
109 ONO膜
110 不純物層(ビット線)
200 レギュラーセルアレイ
210 N個のセクタ領域
212 M個のラージブロック
214 第1メモリブロック
214[1]〜214[15],214[冗長] n個の第1メモリブロック
215 m個のスモールブロック
216 スモールメモリブロック
300,301,CGDRV コントロールゲート線ドライバ
400 プリデコーダ
412 Yパス回路(第1のパス回路)
520 センスアンプ
520[1]〜520[15],520[冗長] n個のセンスアンプ
530 マルチプレクス回路
600 リファレンスセルアレイ(リファレンスセル領域)
610 スモールメモリブロック
612 第2のメモリブロック
620 N個のYパス回路(第2のパス回路)
SBS サブビット線
MBS メインビット線
SCG サブコントロールゲート線
BSDRV ローカルビット線ドライバ
CGDRV ローカルコントロールゲート線ドライバ
WLDRV ローカルワード線ドライバ
I/O0〜I/O15 (n−1)個の入出力端子
Claims (6)
- 1つのワードゲートと、第1,第2のコントロールゲートにより制御される第1,第2の不揮発性メモリセルとを有するツインメモリセルを、列方向及び行方向にそれぞれ複数配列してなるレギュラーセルアレイを有し、
前記レギュラーセルアレイは、前記行方向で分割されたN個のセクタ領域を有し、
前記N個のセクタ領域の各々は、前記行方向で分割されたn個の第1メモリブロックを有し、
前記n個の第1メモリブロックの一つが複数の冗長ツインメモリセルを有する冗長メモリブロックであり、
前記n個の第1メモリブロックに対応して設けられたn個のセンスアンプと、
前記n個の第1メモリブロックの各々にて選択されたセルから読み出された電流を前記n個のセンスアンプにそれぞれ供給するパス回路と、
(n−1)個のデータ出力端子と、
前記n個のセンスアンプの中の(n−1)個のセンスアンプ出力を選択し、選択された(n−1)個のセンスアンプ出力の各々を、前記(n−1)個の出力端子にそれぞれ供給するマルチプレクス回路と、
前記n個のセンスアンプにリファレンス電流を供給する少なくとも一つのリファレンス用ツインセルメモリを含むリファレンスセル領域と、
をさらに有し、
前記リファレンスセル領域は、前記行方向で分割されたn個の第2メモリブロックを有し、前記n個の第2メモリブロックの一つが冗長メモリブロックとされ、前記n個の第2メモリブロックより前記n個のセンスアンプに前記リファレンス電流をそれぞれ供給可能とし、
前記n個の第1メモリブロック及び前記n個の第2メモリブロックの各々は、前記行方向に配列される前記ツインメモリセルの個数を同一とし、
前記N個のセクタ領域の各々は、前記列方向で分割されたM個のラージブロックを有し、前記M個のラージブロックの各々は、前記列方向で細分割されたm個のスモールブロックを有し、
前記n個の第2メモリブロックの各々は、前記列方向に配列される前記ツインメモリセルの個数が、前記m個のスモールブックの各々にて前記列方向に配列される前記ツインメモリセルの個数よりも少ないことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1において、
データリード時に前記レギュラーセルアレイのセル選択に用いられる行アドレス及び列アドレスのうちの下位アドレスを用いて、前記リファレンスセル領域にてセル選択が実施されることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1において、
前記n個の第1メモリブロックの各々は、前記列方向に沿って延びる4本のビット線を有し、前記n個の第1メモリブロックの各々にて前記行方向に配列される前記ツインメモリセルの個数を4個としたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記レギュラーセルアレイ内の前記複数のツインメモリセルの各々の前記第1,第2のコントロールゲートを駆動するコントロールゲート駆動部をさらに有し、
前記コントロールゲート駆動部は、前記N個のセクタ領域の各一つにそれぞれ対応するN個のローカルコントロールゲートドライバを有し、前記N個のローカルコントロールゲートドライバの各々は、対応する一つのセクタ領域内の前記第1,第2のコントロールゲートの電位を、他のセクタ領域とは独立して設定可能であることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項4において、
データ消去時に前記N個のコントロールゲートドライバの一つが選択されて、前記N個のセクタ領域の中から選択された一つのセクタ領域内の前記第1,第2のコントロールゲートに消去用高電位を供給して、一つのセクタ領域毎にデータを消去することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
前記不揮発性メモリセルの各々は、酸化膜(O)、窒化膜(N)及び酸化膜(O)からなるONO膜を電荷のトラップサイトとして有することを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
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