JP3867624B2 - 不揮発性半導体記憶装置およびその駆動方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、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つの不揮発性記憶(メモリ)素子を備えたツインメモリセルにて構成される不揮発性半導体記憶装置およびその駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気的な書き込み(プログラム)及び消去(イレース)が可能な不揮発性半導体記憶装置として、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素子(MONOSメモリ素子またはセルともいう)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】
MONOS型不揮発性半導体記憶装置は、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構成される。
【0005】
この種の不揮発性半導体記憶装置(フラッシュメモリ)の動作には、データの消去(イレース)、書き込み(プログラム)及び読み出し(リード)がある。データのプログラム及びリードは、通常、1バイト(8ビット)単位または1ワード(16ビット)単位で実施される。具体的には、データのプログラム及びリードは、1バイトまたは1ワードの不揮発性メモリ素子が同時に選択され、これらの選択された不揮発性メモリ素子(選択セル)にて同時に実施される。これらの選択セルに対応する各ビット信号は、I/O線を介して入出力される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体記憶装置の分野において、記憶容量の増大化やアクセス速度の高速化が進んでおり、ツインMONOSフラッシュメモリセルにより構成されるツインMONOS型不揮発性半導体記憶装置においても、アクセスの高速化が望まれている。この要求に応えるために、多くの半導体記憶装置では、「ページモード読み出し」機能による高速な読み出しや「ページバッファ書き込み」機能による高速な書き込みによって、読み出しや書き込みのアクセス速度の高速化が図られている。
【0007】
ここで、ページモード読み出しにより半導体記憶装置からデータを読み出す場合、半導体記憶装置の行アドレスが指定されると、半導体記憶装置内部ではその行に対応する複数のメモリ素子(メモリセル)の内容が全て一時的なバッファに記憶される。そして、列アドレスを変化させながら対応するデータがバッファから読み出されて出力される。一時的なバッファからのデータの読み出しが、メモリセルからのデータの読み出しに比べて高速であるので、ページモード読み出しによれば高速な読み出しアクセスが可能である。
【0008】
また、「ページバッファ書き込み」により半導体記憶装置にデータを書き込む場合、行アドレスが同じで列アドレスの異なる複数のデータが順に入力されてページバッファに記憶される。ページバッファに記憶された複数のデータは、対応する複数のメモリ素子に一括して書き込まれる。複数のデータを対応するメモリ素子が一括して書き込まれるので、ページバッファ書き込みによれば高速な書き込みアクセスが可能である。
【0009】
しかしながら、従来のツインMONOS型不揮発性半導体記憶装置では、上述したように、1バイト単位または1ワード単位でデータの読み出しや書き込みが実行される。すなわち、従来のツインMONOS型不揮発性半導体記憶装置では、ページモード読み出しやページバッファ書き込みによるアクセス機能を備えておらず、アクセスの高速化が図れないという問題があった。
【0010】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置において、ページモード読み出しやページバッファ書き込みによるアクセス機能を備えてアクセスの高速化を図ることのできる技術を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第1の態様は、不揮発性半導体記憶装置であって、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、
前記ワード線と、前記複数のビット線と、前記複数のコントロールゲート線の動作を制御して情報の読み出しを制御するためのアクセス制御回路と、
前記複数のビット線を介して読み出された前記情報を検出する検出回路と、備え、
前記行方向における(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を読み出す場合において、
前記アクセス制御回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートおよび(i+1)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をリード用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してリード用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートを、前記第1のコントロールゲートに接続された(i−1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i+1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定し、
前記検出回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i−1)番目のビット線と前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i−1)番目のビット線をセンスすることにより検出するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i+1)番目のツインメモリセルの前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i+1)番目のビット線と前記第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i+1)番目のビット線をセンスすることにより検出して、前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の情報と前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の情報とを一括して読み出すことを特徴とする。
【0012】
上記第1の態様の不揮発性半導体記憶装置によれば、行方向における(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を一括して読み出すことができる。
【0013】
ここで、前記検出回路で一括して読み出された2つの情報を順に選択するための選択回路を備えることが好ましい。
【0014】
一括して読み出された情報を、順に選択して出力すれば、1ページあたり2つの情報がページモード読み出し可能となる。従って、本第1の不揮発性半導体記憶装置によれば、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置でページモード読み出しを実現することができるので、アクセスの高速化を図ることが可能である。
【0015】
本発明の第2の態様は、不揮発性半導体記憶装置であって、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて前記列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、
前記ワード線と、前記複数のビット線と、前記複数のコントロールゲート線の動作を制御して情報の読み出しを制御するためのアクセス制御回路と、
前記複数のビット線を介して読み出された前記情報を検出する検出回路と、備え、
前記メモリセルアレイは、前記行方向に沿ってm(mは1以上の整数)のメモリブロックに分割されており、
前記メモリブロックのそれぞれは、前記行方向に沿ってn(nは2以上)の列ブロックに分割されており、
前記列ブロックのそれぞれで、前記行方向における(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を読み出す場合において、
前記アクセス制御回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートおよび(i+1)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をリード用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してリード用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートを、前記第1のコントロールゲートに接続された(i−1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i+1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定し、
前記検出回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i−1)番目のビット線と前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i−1)番目のビット線をセンスすることにより検出するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i+1)番目のツインメモリセルの前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i+1)番目のビット線と前記第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i+1)番目のビット線をセンスすることにより検出して、前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の情報と前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の情報とを一括して読み出すことを特徴とする。
【0016】
第2の態様の不揮発性半導体記憶装置によれば、第1の不揮発性半導体記憶装置と同様に、メモリブロックごとに、nの列ブロックそれぞれの2つの不揮発性メモリ素子からの情報、すなわち、(2・n)の情報を一括して読み出すことができる。
【0017】
ここで、前記メモリブロックごとに設けられ、前記検出回路で一括して読み出された(2・n)の情報のうち1つの情報を選択する選択回路を備えることが好ましい。
【0018】
メモリブロックごとに、一括して読み出された(2・n)の情報を、順に選択して出力すれば、1ページあたり(2・n)の情報をページモード読み出し可能となる。従って、本第2の不揮発性半導体記憶装置によっても、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置でページモード読み出しを実現することができるので、アクセスの高速化を図ることが可能である。
【0019】
なお、前記列ブロックは、行方向に4つのツインメモリセル配列して構成され、
前記メモリブロックは、行方向に(4・n)のツインメモリセルを配列して構成される。
【0020】
本発明の第3の態様は、不揮発性半導体記憶装置であって、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、
前記ワード線と、前記複数のビット線と、前記複数のコントロールゲート線の動作を制御して情報の書き込みを制御するためのアクセス制御回路と、
複数の情報があらかじめ記憶されるバッファ回路と、
前記複数のビット線を介して前記バッファ回路に記憶された情報を書き込むためのビット線駆動回路と、を備え、
前記メモリセルアレイは、前記行方向に沿ってm(mは1以上の整数)のメモリブロックに分割されており、
前記メモリブロックのそれぞれは、前記行方向に沿ってn(nは2以上)の列ブロックに分割されており、
前記列ブロックのそれぞれで、前記行方向で隣接する(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子に情報を書き込む場合において、
前記アクセス制御回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をプログラム用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートが接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してプログラム用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線を前記ビット線駆動回路から供給されるプログラム用ビット線電圧に設定することを特徴とする。
【0021】
第3の態様の不揮発性半導体記憶装置によれば、メモリブロックごとに、nの列ブロックでそれぞれ1つの不揮発性メモリ素子に情報を書き込むことができる。すなわち、あらかじめバッファ回路に記憶されたnの情報を一括して書き込むことが可能である。従って、本第3の不揮発性半導体記憶装置によれば、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置でページバッファ書き込みを実現することができるので、アクセスの高速化を図ることが可能である。
【0022】
本発明の第4の態様は、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、を備えた不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、
前記行方向における(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を読み出す場合において、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートおよび(i+1)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をリード用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してリード用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートを、前記第1のコントロールゲートに接続された(i−1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i+1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i−1)番目のビット線と前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i−1)番目のビット線をセンスすることにより検出するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i+1)番目のツインメモリセルの前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i+1)番目のビット線と前記第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i+1)番目のビット線をセンスすることにより検出して、前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の情報と前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の情報とを一括して読み出すことを特徴とする。
【0023】
第4の態様の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法によれば、第1の態様の不揮発性半導体記憶装置と同様に、行方向における(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を一括して読み出すことができるので、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置のアクセスの高速化を図ることが可能である。
【0024】
本発明の第5の態様は、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて前記列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、を備え、
前記メモリセルアレイは、前記行方向に沿ってm(mは1以上の整数)のメモリブロックに分割されており、
前記メモリブロックのそれぞれは、前記行方向に沿ってn(nは2以上)の列ブロックに分割されている不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、
前記列ブロックのそれぞれで、前記行方向における(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を読み出す場合において、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートおよび(i+1)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をリード用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してリード用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートを、前記第1のコントロールゲートに接続された(i−1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i+1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i−1)番目のビット線と前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i−1)番目のビット線をセンスすることにより検出するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i+1)番目のツインメモリセルの前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i+1)番目のビット線と前記第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i+1)番目のビット線をセンスすることにより検出して、前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の情報と前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の情報とを一括して読み出すことを特徴とする。
【0025】
第5の態様の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法によれば、第2の態様の不揮発性半導体記憶装置と同様に、メモリブロックごとに、nの列ブロックそれぞれの2つの不揮発性メモリ素子からの情報、すなわち、(2・n)の情報を一括して読み出すことができるので、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置のアクセスの高速化を図ることが可能である。
【0026】
本発明の第6の態様は、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、を備え、
前記メモリセルアレイは、前記行方向に沿ってm(mは1以上の整数)のメモリブロックに分割されており、
前記メモリブロックのそれぞれは、前記行方向に沿ってn(nは2以上)の列ブロックに分割されている不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、
前記列ブロックのそれぞれで、前記行方向で隣接する(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子に情報を書き込む場合において、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をプログラム用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートが接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してプログラム用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線を前記ビット線駆動回路から供給されるプログラム用ビット線電圧に設定することを特徴とする。
【0027】
第6の態様の不揮発性半導体記憶装置の駆動方法によれば、第3の態様の不揮発性半導体記憶装置と同様に、ツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置でページバッファ書き込みを実現することができるので、アクセスの高速化を図ることが可能である。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の手順で説明する。
A.ツインメモリセルの構造およびその動作原理:
A1.ツインメモリセルの構造:
A2.ツインメモリセルの読み出し原理:
A3.ツインメモリセルの書き込み原理:
A4.ツインメモリセルの消去原理:
B.不揮発性半導体記憶装置の全体構成:
B1.全体構成:
B2.機能的構成:
B3.スモールアレイの構成:
C.メモリ素子のアドレス設定:
D.読み出し動作:
E.書き込み動作:
F.変形例:
【0029】
A.ツインメモリセルの構造およびその動作原理:
まず、ツインMONOS型不揮発性半導体記憶装置のメモリ素子として用いられるツインMONOSフラッシュメモリセル(以下、単位「ツインメモリセル」とも呼ぶ。)の構造およびその動作について説明する。
【0030】
A1.ツインメモリセルの構造:
図1は、ツインメモリセルの構造を模式的に示す断面図である。図1に示すように、ツインメモリセルによる不揮発性半導体記憶装置は、P型ウェル102上に、複数のツインメモリセル100(…,100[i],100[i+1],…:iは1以上の正数)がB方向(以下、行方向又はワード線方向という)に配列されて構成される。また、ツインメモリセル100は、列方向(図1の紙面に垂直な方向A)(以下、「ビット線方向」ともいう)にも複数配列される。すなわち、ツインメモリセル100がマトリクス状に配列されて構成される。
【0031】
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形成されるワードゲート104と、第1のコントロールゲート106Aを有する第1のメモリ素子(MONOSメモリ素子)108Aと、第2のコントロールゲート106Bを有する第2のメモリ素子(MONOSメモリ素子)108Bとによって構成される。
【0032】
第1,第2のメモリ素子108A,108Bの各々は、P型ウェル102上に、酸化膜(O)、窒化膜(N)及び酸化膜(O)を積層したONO膜109を有し、ONO膜109にて電荷をトラップすることが可能である。第1,第2のメモリ素子108A,108Bの各ONO膜109上には、それぞれ第1,第2のコントロールゲート106A,106Bが形成されている。第1,第2のMONOSメモリ素子108A,108Bの動作状態は、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によって、それぞれ制御される。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。
【0033】
第1,第2のメモリ素子108A,108B相互間には、電気的に絶縁されて、例えばポリシリコンを含む材料によって形成されたワードゲート104が形成されている。ワードゲート104に印加される電圧によって、各ツインメモリセル100の第1,第2のメモリ素子108A,108Bが選択されるか否かが決定される。
【0034】
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のメモリ素子108A,108Bを有し、第1,第2のメモリ素子108A,108Bに対して1つのワードゲート104を共用している。
【0035】
第1,第2のメモリ素子108A,108Bは、独立して電荷のトラップサイトとして機能する。電荷のトラップを制御するワードゲート104は、図1に示すように、第2の方向B(行方向)に間隔をおいて配列されて、ポリサイド等で形成される1本のワード線WLに共通接続されている。ワード線WLに所定の信号を供給することで、同一行の各ツインメモリセル100の第1及び第2のメモリ素子108A,108Bの少なくとも1つが選択可能となる。
【0036】
各コントロールゲート106A,106Bは、列方向(図1の紙面に垂直な第1の方向A)に沿って延び、同一列に配列された複数のツインメモリセル100にて共用されて、コントロールゲート線として機能する。よって、符号106A,106Bをコントロールゲート線とも称する。行方向に隣接するツインメモリセル100同士の相互に隣接するコントロールゲート106A,106Bは、サブコントロールゲート線SCG(…,SCG[i],SCG[i+1],…)に共通接続されている。サブコントロールゲート線SCGは、例えばワードゲート104、コントロールゲート106A,106B及びワード線WLよりも上層の金属層で形成される。各サブコントロールゲート線SCGに独立して電圧を印加することによって、後述するように、各メモリセル100の第1のメモリ素子108A及び第2のメモリ素子108Bを独立して制御することができる。
【0037】
行方向に隣接するツインメモリセル100同士の相互に隣接するメモリ素子108A,108B相互間には、P型ウェル102内において不純物層110(…,110[i],110[i+1],…)が形成されている。これらの不純物層110は、例えばP型ウェル102内に形成されたn型不純物層であり、列方向に沿って延び、同一列に配列される複数のツインメモリセル100にて共用されて、サブビット線SBL(…,SBL[i],SBL[i+1],…)として機能する。よって、符号110[i],[i+1],[i+2]等をサブビット線SBL[i],[i+1],[i+2]等とも称する。
【0038】
サブビット線SBLに対する電圧の印加及び電流検出によって、ワード線WL及びサブコントロールゲート線SCGによって選択された各メモリセル100の一方のメモリ素子に対して、電荷(情報)のリード(読み出し)、プログラム(書き込み)及び消去が可能となる。
【0039】
次にMONOSメモリ素子(メモリセル)に対するデータ読み出し、データ書き込み、及びデータ消去の各動作原理について説明する。図2は、MONOSメモリ素子に対するデータ読み出し、データ書き込み、及びデータ消去の各動作における設定電圧を示す説明図である。また、図3は、ツインメモリセルの等価的な構造を示す説明図である。図3に示すように、1つのツインメモリセル100は、ワードゲート104により駆動されるトランジスタT2と、第1,第2のコントロールゲート106A,106Bによりそれぞれ駆動されるトランジスタT1,T3とを直列に接続したものと模式化して説明することができる。
【0040】
A2.ツインメモリセルの読み出し原理:
図4は、ツインメモリセルのデータ読み出し動作を示す概略説明図である。図4は、1本のワード線WLに接続されたツインメモリセル100[i]を選択セルとし、選択セルのワードゲート104の右側に隣接するメモリ素子108B側を選択サイドとして、選択されたメモリ素子108B(選択メモリ素子)からデータをリバースモードで読み出す場合の各所の電位設定を示している。また、図4は、選択セル及び選択セルに隣接した非選択セルであるツインメモリセル100[i−1]〜100[i+2]の各所の電位設定を示している。なお、以下では、選択セルの選択サイドとは反対側を対向サイドとして、対向サイドのメモリ素子108Aを対向メモリ素子とする。
【0041】
選択セルであるツインメモリセル100[i]のワードゲート104が接続されているワード線WLに、リード用ワード線選択電圧として電源電圧Vdd(例えば1.8V)を印加する。このワード線WLに接続されている各ツインメモリセル100の各トランジスタT2が全てオンとなる。なお、他の選択されないワード線WLには、0Vを印加する。
【0042】
ツインメモリセル100[i]の対向サイドのコントロールゲート106Aに対して、サブコントロ―ルゲート線SCG[i]を介してオーバライド電圧(例えば3V)を印加する。また、ツインメモリセル100[i]の選択サイドのコントロールゲート106Bに供給するゲート電圧VCGとして、読み出し電圧Vread(例えば1.5V)を印加する。
【0043】
なお、オーバライド電圧は、選択セル中の対向メモリ素子(本例では108A)のプログラムの有無(電荷のトラップの有無)に拘わらず、その対向メモリ素子に相当するトランジスタ(本例ではT1)をオンさせるために必要な電圧を意味している。
【0044】
対向サイドのコントロールゲート106Aに印加されたオーバライド電圧によって、対向メモリ素子108Aに相当するトランジスタT1はオンとなる。この場合には、選択メモリ素子108Bに相当するトランジスタT3の動作は、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されていたか否かによって異なる。
【0045】
図5は、横軸に選択サイドのコントロールゲートに対するゲート電圧VCGをとり縦軸に選択メモリ素子に相当するトランジスタのソース・ドレイン間に流れる電流Idsをとって、両者の関係を示す説明図である。
【0046】
図5に示すように、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されていない場合には、そのコントロールゲート電圧VCGが低いしきい値電圧Vlowを超えると電流Idsが流れ始める。これに対して、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されている場合には、そのコントロールゲート電圧VCGが高いしきい値電圧Vhighを超えない限り電流Idsは流れ始めない。
【0047】
データ読み出し時に選択サイドのコントロールゲート106Bに印加される電圧Vreadは、2つのしきい値電圧Vlow,Vhighのほぼ中間電圧に設定される。これにより、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されていない場合には、電流Idsが流れ、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されている場合には電流Idsが流れないことになる。
【0048】
データ読み出し時には、対向メモリ素子108Aに接続されたサブビット線SBL[i](不純物層110[i])を図示しないセンスアンプに接続する。また、他のサブビット線SBL[i−1],[i+1],[i+2]の電位VD[i−1],[i+1],[i+2]を0Vにそれぞれ設定する。そうすると、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されていない場合には、電流Idsが流れて、オン状態のトランジスタT1,T2を介して、対向メモリ素子に接続されたサブビット線SBL[i]に例えば25μA以上の電流が流れる。これに対し、選択メモリ素子108Bに電荷が蓄積されている場合には、電流Idsが流れず、トランジスタT1,T2がオン状態であっても、対向メモリ素子に接続されたサブビット線SBL[i]に流れる電流は、例えば10nA未満となる。
【0049】
このように、対向メモリ素子であるツインメモリセル100[i]のメモリ素子108Aに接続されたサブビット線SBL[i]に流れる電流をセンスアンプにて検出することで、選択メモリ素子であるツインメモリセル100[i]のメモリ素子108Bからのデータ読み出しが可能となる。
【0050】
なお、各サブビット線SBL[i−1]〜SBL[i+2]には、図示しないビット線選択トランジスタが接続されている。そして、対向サイドに対応するビット線選択トランジスタのゲート電圧BSは、図2に示すように4.5Vに設定される。一方、選択サイドに対応するビット線選択トランジスタのゲート電圧BSは、電源電圧Vddに設定される。
【0051】
また、非選択なツインメモリセルについては、図2に示す各電圧値に設定される。
【0052】
A3.ツインメモリセルの書き込み原理:
図6は、ツインメモリセルのデータ書き込み動作を示す概略説明図である。図6は、1本のワード線WLに接続されたツインメモリセル100[i]を選択セルとし、選択セルのワードゲート104の右側に隣接するMONOSメモリ素子108B側を選択サイドとして、選択されたMONOSメモリ素子108B(選択メモリ素子)に対するデータプログラミングを行う場合の各所の電位設定を示している。なお、このデータプログラミング動作の前には、後述するデータ消去動作が実施されている。
【0053】
図6では、図4と同様に、サブコントロールゲート線SCG[i]の電位は、オーバライド電位(例えば2.5V)に設定され、サブコントロールゲート線SCG[i−1],[i+2]の電位は、0Vに設定されている。
【0054】
また、選択セルであるツインメモリセル100[i]のワードゲート104の電位は、電源電圧Vddより低い1.0V程度のプログラム用ワード線選択電圧に設定される。また、ツインメモリセル100[i]の選択サイドのコントロールゲート106Bには、サブコントロールゲート線SCG[i+1]を介して、プログラム用コントロールゲート電圧である書き込み電圧Vwrite(例えば5.5V))を印加する。
【0055】
サブビット線SBL[i+1]の電圧VD[i+1]は、プログラム用ビット線電圧である例えば5Vに設定される。一方、サブビット線SBL[i+2]は、電圧Vddに設定される。また、サブビット線SBL[i−1],SBL[i]は、図示しない定電流源に接続される。なお、サブビット線SBL[i−1]に接続されたMONOSメモリ素子108Aに相当するトランジスタT1は、そのサブコントロールゲート線SCG[i−1]が0Vのためオフしている。従って、このMONOSメモリ素子108Aには電流が流れず、サブビット線SBL[i−1]の電圧VD[i−1]は定電流源を介して0Vに設定される。
【0056】
このような設定では、選択セルであるツインメモリセル100[i]のトランジスタT1,T2がいずれもオンとなり、サブビット線SBL[i]に向けて電流Idsが流れる一方で、選択メモリ素子であるMONOSメモリ素子108BのONO膜109にはチャンネルホットエレクトロン(CHE)がトラップされる。こうして、選択メモリ素子108Bのプログラミング動作が実施されて、データの「0」が書き込まれる。
【0057】
上述の動作上、非選択セルであるツインメモリセル100[i+1]の左側のMONOSメモリ素子108Aのコントロールゲートにも5.5Vが印加される。この場合でも、ツインメモリセル100[i+1]の右側のサブコントロールゲートSCG[i+2]に印加する電圧は0Vとしているので、ツインメモリセル100[i+1]のソース・ドレイン間(ビット線間)には電流が流れない。しかし、サブビット線SBL[i+1]には電圧VD[i+1]として5Vが印加されるので、ツインメモリセル100[i+1]のソース・ドレイン間(ビット線間)に高電界がかかると、パンチスルー電流が流れて、ライトディスターブが生じてしまう。
【0058】
そこで、サブビット線SBL[i+2]の電圧VD[i+2]を0Vでなく、例えば電源電圧Vddとし、ソース・ドレイン間の電位差を小さくして、ライトディスターブを防止する。また、サブビット線SBL[i+2]の電圧VD[i+2]を、0Vを超える電圧、好ましくはプログラム時のワード線選択電圧と同等以上とすることで、ツインメモリセル100[i+1]のトランジスタT2がオンされにくくなるため、これによってもディスターブを防止することができる。
【0059】
なお、上述のようにサブビット線SBL[i+1]には5Vの電圧を供給する必要があることから、サブビット線SBL[i+1]を選択するためのビット線選択トランジスタのゲート電圧BSは図2に示すように8Vに設定される。また、サブビット線SBL[i+2]は上述した理由で電源電圧Vdd以上に設定される必要があるため、サブビット線SBL[i+2]を選択するための図示しないビット線選択トランジスタのゲート電圧BSも8Vに設定される。
【0060】
また、非選択なツインメモリセルについては、図2に示す各電圧値に設定される。
【0061】
A4.ツインメモリセルの消去原理:
図7は、ツインメモリセルのデータ消去動作を示す概略説明図である。図7は、データ消去する場合の各所の電位設定を示している。
【0062】
図7に示すように、データ消去時には、各ワードゲート104の電位を、ワード線WLによって0Vに設定し、コントロールゲート106A,106Bの電位を、サブコントロールゲート線SCG[i],[i+1],[i+2]によって、例えば−1〜−3V程度の消去用コントロールゲート線電圧に設定する。更に、サブビット線SBL[i],[i+1],[i+2]の各電位VD[i],[i+1],[i+2]を、例えば4.5〜5Vの消去用ビット線電圧に設定する。
【0063】
この場合には、コントロールゲートに印加された消去用コントロールゲート電圧と、ビット線に印加された消去用ビット線電圧とで形成される電界によってトンネル効果が生じ、各メモリ素子108A,108BのONO膜109にトラップされていた電子は移動してONO膜109から消去される。こうして、複数のツインメモリセルの各メモリ素子のデータは同時に“1”となってデータの消去が行われる。
【0064】
なお、消去動作としては、上述のものとは異なり、ビットとなる不純物層の表面のバンド−バンドトンネリングによりホットホールを形成し、蓄えられていたエレクトロンを消去することも可能である。
【0065】
以上説明したように、ワードゲートやコントロールゲート、ビット線等を、それぞれ図2に示す種々の電位に設定することにより、1つのMONOSメモリ素子に対するデータ読み出し、データ書き込み、データ消去が実行される。
【0066】
なお、上記説明では、ツインメモリセルの構造を説明するために、1つのワードゲート104の両側の第1のコントロールゲート106Aを有する第1のメモリ素子108Aおよび第2のコントロールゲート106Bを有する第2のメモリ素子をツインメモリセル100として説明している。しかしながら、1つのサブビット線SBL(不純物層110)を共有して隣り合う左側のメモリ素子108Bおよび右側のメモリ素子108Aを1つのツインメモリセルとすることも可能である。以下の説明では、原則として、1つのサブビット線SBL(不純物層110)を共有して隣り合う左側のメモリ素子108Bおよび右側のメモリ素子108Aを1つのツインメモリセル100として説明する場合もある。
【0067】
B.不揮発性半導体記憶装置の構成:
次に、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構成について説明する。
【0068】
B1.全体構成:
図8は、実施例としての不揮発性半導体記憶装置の概略平面レイアウト図である。この不揮発性半導体記憶装置10は、I/O領域12と、制御回路領域14と、複数のバンク領域16とを有している。本例では、第0ないし第3の4つのバンク領域16(16[0]〜16[3])を有している。各バンク領域16は、第1の方向(列方向)Aを長手方向とする縦長形状を有している。第0ないし第3のバンク領域16は、第2の方向(行方向)Bに沿って配列されている。
【0069】
図9は、図8の1つのバンク領域16について示す概略平面図である。1つのバンク領域16は、第1の方向Aに沿って、制御回路領域210と、複数のメモリアレイ領域200と、Yデコーダ領域220と、データI/O(DI/O)領域230とを有している。本例では、第0ないし第7の8つのメモリアレイ領域200(200[0]〜200[7])を有している。
【0070】
図10は、図9の隣り合う2つの第0および第1のメモリアレイ領域200(200[0],200[1])について示す概略平面図である。1つのメモリアレイ領域200は、第2の方向Bに沿って配列される複数のメインブロック領域300と、ブロック制御回路領域310と、グローバルデコーダ領域320とを有している。本例では、第0ないし第7の8つのメインブロック領域300(300[0]〜300[7])を有している。なお、隣接する第0と第1のメモリアレイ領域200のブロック制御回路領域310は、第1の方向Aに沿って互いのメインブロック領域300の間に隣接するように配置されている。他の第2と第3、第4と第5、第6と第7のメモリアレイ領域200においても同様である。また、第0と第1のバンク領域16(16[0],16[1])の隣接するメモリアレイ領域200のグローバルデコーダ領域320は、第2の方向Bに沿って互いのメインブロック300の間に隣接するように配置されている。他の第2と第3のバンク領域の隣接するメモリアレイ領域200においても同様である。
【0071】
図11は、図10の1つのメインブロック領域300について示す概略平面図である。1つのメインブロック領域300は、図11(A)に示すように、第1の方向Aに沿って複数のサブブロック領域400に分割されている。本例では、第0ないし第7の8つのサブブロック領域400(400[0]〜400[7])に分割されている。各サブブロック領域400は、図11(B)に示すように、さらに、第1の方向Aに沿って複数のスモールブロック領域410に分割されている。本例では、第0ないし第3の4つのスモールブロック領域410(410[0]〜410[3])に分割されている。
【0072】
図12は、1つのスモールブロック領域410について示す概略平面図である。図12に示すように、スモールブロック領域410は、スモールアレイ領域412と、スモールアレイ領域412の第2の方向Bの両側にローカルドライバ領域414A,414Bとを有している。スモールアレイ領域412は、第2の方向Bに沿って、16ビットのデータI/O0ないしI/O15に対応する16個のメモリブロック(入出力ビットに対応したメモリブロック)416(416[0]〜416[15])に分割されている。第1のドライバ領域414Aは、ローカルコントロールゲート(ローカルCG)ドライバ、ローカルビット線選択(ローカルBS)ドライバ、ローカルワード線(ローカルWL)ドライバを含んでいる。また、第2のドライバ領域414Bは、ローカルワード線(ローカルWL)ドライバを含んでいる。
【0073】
ここで、後述するように、1つのメモリブロック領域416は、行方向(第2の方向B)に8セル、列方向(第1の方向A)に64セル(すなわち、64本のワード線WL)のツインメモリセルにより構成されている。すなわち、1つのメモリブロック領域416は、1k(8×64×2=1024)bitの記憶容量を有している。
【0074】
このとき、図12に示すように、1つのスモールブロック領域410は、16個のメモリブロック領域416を有しているので、16k(1024×16=16384)bitの記憶容量となる。また、図11(B)に示すように、1つのサブブロック領域400は、4個のスモールブロック領域410を有しているので、64k(16384×4=65536)bitの記憶容量となり、1つのメインブロック領域300は、8個のサブブロック領域400を有しているので、512k(65536×8=524288)bitの記憶容量となる。さらに、図10に示すように、1つのメモリアレイ領域200は、8つのメインブロック領域300を有しているので、4M(524288×8=4194304)bitの記憶容量となる。また、図9に示すように、1つのバンク領域16は、8個のメモリアレイ領域200を有しているので、32M(4194304×8=33554432)bitの記憶容量となる。従って、不揮発性半導体記憶装置10は、図8に示すように、4個のバンク領域16を有しているので、128M(33554432×4=134217728)bitの記憶容量となる。
【0075】
なお、上記説明では、1チップの不揮発性半導体記憶装置10の構成要素を平面配置(レイアウト)の面から説明するために、「領域」という語を付して説明しているが、以下の説明において各構成要素の機能を説明する場合には、この「領域」という語を省略し、同じ符号を付して示す場合もある。
B2.機能的構成:
図13は、不揮発性半導体記憶装置10に入力する23ビットのアドレス信号A<22:0>の意味付けを示す説明図である。上位2ビットのアドレス信号A<22:21>に基づいて、第0〜第4の4つのバンク(図8参照)のうち1つのバンクがセレクトされる。そして、次の3ビットのアドレス信号A<20:18>に基づいて、セレクトされた1つのバンク内における第0〜第7の8つのメモリアレイ(図9参照)のうち1つのメモリアレイがセレクトされる。さらに次の3ビットのアドレス信号A<17:15>に基づいて、セレクトされた1つのメモリアレイ内における第0〜第7の8つのメインブロック(図10参照)のうち1つのメインブロックがセレクトされる。また、さらに次の3ビットのアドレス信号A<14:12>に基づいて、1つのメインブロック内における第0〜第7の8つのサブブロック(図11参照)のうち1つのサブブロックが選択される。また、さらに次の2ビットのアドレス信号A<11:10>に基づいて、1つのサブブロック内における第0〜第3の4つのスモールブロック(図11参照)のうち1つのスモールブロックがセレクトされる。また、さらに次の2ビットのアドレス信号A<9:8>に基づいて、1つのスモールブロックのI/O0〜I/O15用の各メモリブロック内において、16列のメモリ素子から4列のメモリ素子が選択される。そして、下位2ビットのアドレス信号A<1:0>に基づいて、アドレス信号A<9:8>に基づいてセレクトされた4列のメモリ素子のうち、1列のメモリ素子がセレクトされる。また、アドレス信号A<9:8>とA<1:0>の間の6ビットのアドレス信号A<7:2>に基づいて、1つのスモールブロック内において、64本の行(すなわち、64本のワード線WL)のうち、1つの行がセレクトされる。
【0076】
なお、これらの各アドレスに対する設定は一例であり、これに限定されるものではなく、種々の任意の設定が可能である。
【0077】
図14は、不揮発性半導体記憶装置10の機能的な構成を示すブロック図である。この機能ブロック図は、上記23ビットのアドレス信号A<22:0>のうち、図示しない上位8ビットのアドレス信号A<22:15>によってセレクトされる1つのメインブロック300(本例では、メインブロック0)について示している。
【0078】
5ビットのサブブロック選択用およびスモールブロック選択用のアドレス信号A<14:10>は、グローバルデコーダ320に入力される。6ビットのワード線選択用アドレス信号A<7:2>は、ブロック制御回路310のワード線(WL)デコーダ312に入力される。2ビットの第1のカラム(列)選択用アドレス信号A<9:8>および2ビットの第2のカラム(列)選択用アドレス信号A<1:0>は、ブロック制御回路310のコントロールゲート線(CG)デコーダ314と、Yデコーダ220のカラムデコーダ222と、データI/O230のマルチプレクサ234およびページバッファ238とに入力される。
【0079】
グローバルデコーダ320は、入力された5ビットのサブブロック選択用およびスモールブロック選択用アドレス信号A<14:10>に基づいて、第0〜第31の32個のスモールブロック410のうち、1つのスモールブロック410のみをセレクトするためのデコード信号を、各スモールブロック410のローカルドライバ414に出力する。
【0080】
ブロック制御回路310のWLデコーダ312は、入力されたワード線選択用アドレス信号A<7:2>に基づいて、64本のワードラインWL0〜WL63のうち、1本のワード線のみをセレクトするためのデコード信号を、各スモールブロック410のローカルドライバ414に出力する。
【0081】
ブロック制御回路310のCGデコーダ314は、入力された2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>および2ビットの第2のカラム選択用アドレス信号A<1:0>に基づいて、8本のコントロールゲート線CG0〜CG7(サブコントロールゲート線SCG0〜SCG7)を駆動するためのデコード信号を、各スモールブロック410のローカルドライバ414に出力する。
【0082】
各スモールブロック410のローカルドライバ414は、入力されたデコード信号に応じて、ワード線WL0〜WL63、コントロールゲート線CG0〜CG7、及びビット線BL0〜BL130の状態を制御して、セレクトされたスモールブロック410のスモールアレイ412の動作を制御する。
【0083】
Yデコーダ220のカラムデコーダ222は、入力された2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>および2ビットの第2のカラム選択用アドレス信号A<1:0>に基づいて、カラムマルチプレクサ224を駆動するためのデコード信号を出力する。
【0084】
カラムマルチプレクサ224は、入力されたデコード信号に応じて、セレクトされたスモールブロック410におけるスモールアレイ412のビット線BL0〜BL130と、データI/O230内のセンスアンプ232またはビット線(BL)ドライバ236との接続を制御する。
【0085】
アクセス制御回路510は、読み出し、書き込み、および消去の各種動作に応じて、WLデコーダ312、CGデコーダ314、グローバルデコーダ320、カラムデコーダ222等の種々のブロックを制御することにより、上述したワード線WL0〜WL63、コントロールゲート線CG0〜CG7、及びビット線BL0〜BL130の状態を制御する。なお、このアクセス制御回路510は、制御回路14(図8参照)に含まれている。
【0086】
ここで、セレクトされた1つのスモールアレイ412からデータリードを実施する場合、このスモールアレイ412のI/O0〜I/O15用の各メモリブロック416(416[0]〜416[15])からは、後述するように、第1のカラムアドレス信号A<9:8>で特定される4ビットのデータ、すなわち、4ワード分のリードデータが一括して出力される。出力された4ワード分のリードデータは、Yデコーダ220のカラムマルチプレクサ224を介して、データI/O230のセンスアンプ232に入力される。センスアンプ232で波形整形された4ワード分のリードデータは、マルチプレクサ234に入力される。
【0087】
マルチプレクサ234では、入力された2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>および2ビットの第2のカラム選択用アドレス信号A<1:0>に基づいて、入力された4ワードのリードデータのうち対応する1ワードのリードデータが選択される。選択されたリードデータは、I/Oバッファ240を介して出力される。
【0088】
なお、2ビットの第2のカラム選択用アドレス信号A<1:0>のみが0〜3に順に変化するアドレス信号A<22:0>が入力される場合、最初のアドレス信号A<22:0>の入力時に4ワード分のデータが一括して読み出されて、マルチプレクサ234あるいはセンスアンプ232内の一時的なバッファに記憶される。そして、第2のカラム選択用アドレス信号A<1:0>の値に応じて1ワードのデータがマルチプレクサ234によって選択されて順に出力される。
【0089】
また、セレクトされた1つのスモールアレイ412内に、1ワード単位でデータプログラミングを実施する場合には、データI/O230のI/Oバッファ240を介して入力されるプログラムデータがページバッファ238、ビット線(BL)ドライバ236及びカラムマルチプレクサ224を介して、セレクトされたスモールアレイ412内の対応する1ワード分のMONOSメモリ素子、すなわち、I/O0〜I/O15用の各メモリブロック416における各1ビットのMONOSメモリ素子にプログラムされる。
【0090】
セレクトされた1つのスモールアレイ412内に、複数ワード単位でデータをプログラムする場合、すなわち、ページバッファプログラミングを実施する場合には、データI/O230のI/Oバッファ240を介して4ワードのプログラムデータが順にページバッファ238に一旦記憶される。ページバッファ238に記憶されたプログラムデータは、後述するように、まず、2ワードのプログラムデータがBLドライバ236およびカラムマルチプレクサ224を介して、セレクトされた1つのスモールアレイ412内の対応する2ワードのMONOSメモリ素子、すなわち、I/O0〜I/O15用の各メモリブロック416における各2ビットのMONOSメモリ素子にプログラムされる。そして、残りの2ワードのプログラムデータが、同様に、対応するMONOSメモリ素子にプログラムされる。
【0091】
B3.スモールアレイの構成:
スモールアレイ412は、I/O0〜I/O15用の16個のメモリブロック416(416[0]〜416[15])が行方向に配列されている。図15は、スモールアレイ412のI/O0用のメモリブロック416[0]を拡大して示す説明図である。図15に示すように、行方向に8セル、列方向に64セルのツインメモリセルが配列されている。ただし、上記配列数は、1つのサブビット線SBLを共有して隣り合う左側のメモリ素子108Bおよび右側のメモリ素子108Aを1つのツインメモリセルとして示されている。
【0092】
左端のメモリブロック416(I/O0に対応するメモリブロック416[0])における各行の左端には、2つのダミーメモリ素子DMA,DMBを有するツインメモリセルDMが配置されている。また、右端のメモリブロック(I/O15に対応するメモリブロック416[15])における各行の右端にもダミーのツインメモリセルDMが配置されている。その他のI/O1〜I/O14に対応する各メモリブロックでは、左隣および右隣のメモリブロックの隣接するツインメモリセル100がダミーセルとして機能する。
【0093】
1つのメモリブロック416には、8列のツインメモリセル100に対応して8本のサブコントロールゲート線SCG0〜SCG7および8本のサブビット線SBL0〜SBL7と、64行のツインメモリセル100に対応して64本のワード線WL0〜WL63とが接続されている。
【0094】
ここで、ワード線WL0〜WL63は、16個のメモリブロック416で共通であり、図示しないローカルWLドライバに接続されている。各ワード線WL0〜WL63は、ローカルWLドライバにより駆動される。
【0095】
サブコントロールゲート線SCG0〜SCG7には、対応する各列において行方向に並ぶ複数のツインメモリセル100の各々の第2のコントロールゲート106Bと第1のコントロールゲート106Aとが共通接続されている。なお、左端のI/O0用のメモリブロック416[0]においては、ダミーのツインメモリセルDMが第0列のツインメモリセル100に相当し、サブコントロールゲート線SCG0は2つのダミーメモリ素子DMA,DMBを制御する第1および第2のコントロールゲート106A,106Bに接続される。その他のI/O1〜I/O15用の各メモリブロック416[1]〜416[15]においては、左隣のメモリブロックの第8列のツインメモリセル100が、第0列のツインメモリセル100に相当する。
【0096】
行方向に配列された16個のメモリブロック416の16本のサブコントロールゲート線SCG0は、図示しないコントロールゲート線CG0に共通接続されている。同様に、16本のサブコントロールゲート線SCG1はコントロールゲート線CG1に、16本のサブコントロールゲート線SCG2はコントロールゲート線CG2に、16本のサブコントロールゲート線SCG3はコントロールゲート線CG3に、16本のサブコントロールゲート線SCG4はコントロールゲート線CG4に、16本のサブコントロールゲート線SCG5はコントロールゲート線CG5にそれぞれ共通接続されている。また、16本のサブコントロールゲート線SCG6はコントロールゲート線CG6、16本のサブコントロールゲート線SCG7はコントロールゲート線CG7にそれぞれ共通接続されている。8本のコントロールゲート線CG0〜CG7は、図示しないローカルCGドライバに接続されている。各コントロールゲート線CG0〜CG7は、ローカルCGドライバにより駆動される。
【0097】
サブビット線SBL0〜SBL7は、対応する各列において行方向に並ぶ複数のツインメモリセル100の第1のMONOSメモリ素子108Aと第2のMONOSメモリ素子108Bの不純物層110に相当し、それぞれビット線BL0〜BL7に接続される。ただし、偶数番号のサブビット線SBL0,2,4,6と対応するビット線BL0,2,4,6との間には、それぞれビット線選択ゲート417Aが設けられている。各ビット線選択ゲート417Aには、ビット線選択線BS1が共通に接続されている。また、奇数番号のサブビット線SBL1,3,5,7と対応するビット線BL1,3,5,7との間には、それぞれビット線選択ゲート417Bが設けられている。各ビット線選択ゲート417Bには、ビット線選択線BS0が共通に接続されている。ビット線選択線BS0,BS1は、図示しないローカルBSドライバに接続されている。各ビット線選択ゲート417A,417Bは、ローカルBSドライバにより駆動される。
【0098】
なお、上記説明では、便宜上、各メモリブロック416(416[0]〜416[15])における8本のサブビット線をSBL0〜SBL7、また、8本のビット線をBL0〜BL7として説明したが、同じ符号を付したビット線やサブビット線が共通に接続されているわけではなく、メモリブロックごとに分離されている。
【0099】
C.メモリ素子のアドレス設定:
次に、1つのスモールアレイ412内の各メモリブロック416(416[0]〜416[15])におけるメモリ素子のアドレス設定について説明する。
【0100】
なお、1つのスモールアレイ412内の各メモリブロック416(416[0]〜416[15])におけるメモリ素子のアドレス設定は、全く同じであるので、代表してスモールブロック416[0]のみが示されている。また、図16は、2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>及び6ビットのワード線(WL)選択用アドレス信号A<7:2>に対応するメモリ素子(選択メモリ素子)を示す説明図である。
【0101】
6ビットのワード線選択用アドレス信号A<7:2>に基づいて、図16に示すように、64本のワード線(行)WL0〜WL63のうち、対応する1本のワード線が選択される。具体的には、アドレス信号A<7:2>の値0,1,2,…63に応じて、ワード線WL0,WL1,WL2,…WL63が選択可能となる。なお、ワード線WLの選択は、読み出し動作原理で説明したように所定のワード線選択電圧が印加されることにより実施される。1つのワード線WLには、図15に示すように8列のツインメモリセル100がそれぞれ対応するワードゲート104を介して接続されている。1つのツインメモリセル100は2つのMONOSメモリ素子を有している。従って、1つのワード線WLを選択することにより、16ビット(=8列×2ビット)のMONOSメモリ素子のうち、少なくとも1つのMONOSメモリ素子が選択可能な状態となる。
【0102】
また、2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>に基づいて、図16に示すように、8列のツインメモリセル100のうち、2列のツインメモリセル100が選択可能となる。具体的には、第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>の値が0の場合には、1列目と5列目のツインメモリセル100が選択される。同様に、アドレス信号A<9:8>の値が1の場合には2列目と6列目、アドレス信号A<9:8>の値が2の場合には3列目と7列目、アドレス信号A<9:8>の値が3の場合には4列目と8列目のツインメモリセル100が、それぞれ選択される。すなわち、1つのメモリブロック416は、図15に示すように、1列目〜4列目のうちの1列を選択する第1の列ブロック416Aと、5列目〜8列目のうちの1列を選択する第2の列ブロック416Bとに分けられる。なお、2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>に基づく、8列のツインメモリセル100のうち、2列のツインメモリセル100の選択は、後述するように、コントロールゲート線CG0〜CG7およびビット線BL0〜BL7の設定によって実施される。
【0103】
従って、第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>の値が0においては、1列目と5列目の列方向に並ぶ複数のメモリ素子のうち、6ビットのワード線選択用アドレス信号A<7:2>の値の0〜63の変化に対応するワード線WL0〜WL63に接続された4つのメモリ素子が選択可能な状態に設定される。また、第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>の値が1に変化した場合には、2列目と6列目の列方向に並ぶ複数のメモリ素子のうち、6ビットのワード線選択用アドレス信号A<7:2>の値の0〜63の変化に対応するワード線WL0〜WL63に接続された4つのメモリ素子が選択可能な状態に設定される。すなわち、10ビットのアドレス信号A<9:0>が順に変化した場合に、同じ列内の行の異なるツインメモリセルが順に選択された後、異なった列が新たに選択される。そして、新たに選択された列内の行の異なるツインメモリセルが同様に順に選択される。
【0104】
例えば、2ビットの第1のカラム選択用アドレスA<9:8>の値が0で、6ビットのワード線選択用アドレスA<7:2>の値が0ならば、選択されるワード線は1行目のWL0であり、第1の列ブロック416Aにおける1列目と第2の列ブロック416Bにおける5列目の1行目の4つのMONOSメモリ素子0A,0B,0C,0Dが選択可能な状態となる。そして、6ビットのワード線選択用アドレスA<7:2>の値が63ならば、選択されるワード線は64行目のWL63であり、第1の列ブロック416Aにおける1列目と第2の列ブロック416Bにおける5列目の64行目の4つのMONOSメモリ素子63A,63B,63C,63Dが選択可能な状態となる。また、2ビットの第1のカラム選択用アドレスA<9:8>の値が1で、6ビットのワード線選択用アドレスA<7:2>の値が0ならば、選択されるワード線は1行目のWL0であり、第1の列ブロック416Aにおける2列目と第2の列ブロック416Bにおける6列目の1行目の4つのMONOSメモリ素子64A,64B,64C,64Dが選択可能な状態となる。そして、6ビットのワード線選択用アドレスA<7:2>の値が63ならば、選択されるワード線は64行目のWL63であり、第1の列ブロック416Aにおける2列目と第2の列ブロック416Bにおける6列目の64行目の4つのMONOSメモリ素子127A,127B,127C,127Dが選択可能な状態となる。
【0105】
なお、2ビットの第1のカラム選択用アドレスA<9:8>に基づいて選択可能となる2列のツインメモリセル100の4つのメモリ素子が、左から順に「***A」,「***B」,「***C」,「***D」なる符合で表されている。この「***」には、2ビットの第1のカラム選択用アドレスA<9:8>及び6ビットのワード線選択用アドレスA<7:2>の8ビットのアドレス信号A<9:2>の値に応じた0〜255の数字が示されている。また、「A」〜「D」は、下位2ビットの第2のカラム選択用アドレス信号A<1:0>の値0〜3に対応している。
【0106】
なお、本例では、2ビットのアドレスA<9:8>を第1のカラム選択用アドレスとして、10ビットのアドレス信号A<9:0>が順に変化した場合に、同じ列内の行の異なるツインメモリセルが順に選択された後、異なった列が新たに選択されるように設定している。しかしながら、これに限定するものではなく、2ビットのアドレスA<3:2>を第1のカラム選択用アドレスとし、6ビットのアドレスA<9:4>をワード線選択用アドレスとするようにしてもよい。この場合には、10ビットのアドレス信号A<9:0>が順に変化すると、同じ行内の列の異なるツインメモリセルが順に選択された後、次の行が新たに選択されることになる。
【0107】
D.読み出し動作:
次に、本例の不揮発性半導体記憶装置10におけるデータの読み出し(リード)動作について説明する。
【0108】
なお、読み出し動作時において選択される1つのスモールアレイ412内の各メモリブロック416(416[0]〜416[15])の動作は、基本的に同じであるので、以下の説明では、1つのメモリブロック416の動作について説明する。
【0109】
図17は、ワード線WL0に接続された1列目のツインメモリセル100[1]の2つのMONOSメモリ素子0A,0B(選択メモリ素子)および5列目のツインメモリセル100[5]の2つのMONOSメモリ素子0C,0D(選択メモリ素子)の4ビットのデータをリバースモードで読み出す場合について示す説明図である。
【0110】
まず、第1の列ブロック416Aにおいて、1列目のツインメモリセル100[1]の2つのMONOSメモリ素子0A,0Bのデータの読み出しについて説明する。
【0111】
ワード線WL0にリード用ワード線選択電圧として電源電圧Vdd(例えば1.8V)を印加する。なお、選択されない他のワード線WL1〜WL63には、0Vが印加される。
【0112】
読み出し動作原理において説明したように(図4参照)、1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0A(選択メモリ素子)に対してワードゲート104を挟んで対向配置されているMONOSメモリ素子DMA(対向メモリ素子)のコントロールゲート106Aに、サブコントロールゲート線SCG0を介してオーバライド電圧(例えば3V)を印加する。
【0113】
また、選択メモリ素子0Aのコントロールゲート106Bのコントロールゲート電圧VCGとして、読み出し電圧Vread(例えば1.5V)をサブコントロールゲート線SCG1を介して印加する。
【0114】
ここで、図17に示すように、データリード時には、選択メモリ素子0Aにサブビット線SBL1を介して接続されたビット線BL1の電位を0Vに設定し、この選択メモリ素子0Aの対向メモリ素子DMAにサブビット線SBL0を介して接続されたビット線BL0を、センスアンプ領域232(図14)内の対応するセンスアンプ(Sense0)に接続する。こうすると、選択メモリ素子0Aに電荷が蓄積されていない場合には電流Idsが流れるため、対向メモリ素子DMAに接続されたビット線BL0に電流が流れる。これに対し、選択メモリ素子0Aに電荷が蓄積されている場合には電流Idsが流れないため、対向メモリ素子DMAに接続されたビット線BL0にほとんど電流が流れなくなる。よって、選択メモリ素子0Aの対向メモリ素子DMAに接続されたビット線BL0に流れる電流を検出することで、1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0Aからのデータ読み出しが可能となる。
【0115】
ここで、上記ツインメモリセルの読み出し動作原理によれば(図4参照)、1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0Aのデータを読み出す場合、右側のMONOSメモリ素子0Bの対向メモリ素子64Aのコントロールゲート106Bには、サブコントロールゲート線SCG2を介して0Vを印加することになる。
【0116】
しかしながら、図17に示すように、本例においては、この右側のMONOSメモリ素子0Bの対向メモリ素子64Aのコントロールゲート106Bにも、サブコントロールゲート線SCG2を介してオーバライド電圧(例えば3V)を印加することとしている。
【0117】
また、このMONOSメモリ素子0B(選択メモリ素子)の対向メモリ素子64Aにサブビット線SBL2を介して接続されたビット線BL2を、センスアンプ領域232(図14)内の対応するセンスアンプ(Sense1)に接続することとしている。これにより、選択メモリ素子0Bに電荷が蓄積されていない場合には電流Idsが流れるため、対向メモリ素子64Aに接続されたビット線BL2に電流が流れる。これに対し、選択メモリ素子0Bに電荷が蓄積されている場合には電流Idsが流れないため、対向メモリ素子64Aに接続されたビット線BL2にほとんど電流が流れなくなる。よって、選択メモリ素子0Bの対向メモリ素子セル64Aに接続されたビット線BL2に流れる電流を検出することで、1列目のツインメモリセル100[1]の右側のMONOSメモリ素子0Bからのデータ読み出しも可能となる。
【0118】
すなわち、第1の列ブロック416Aにおいて、1列目のツインメモリセル100[1]に含まれる2つのMONOSメモリ素子0A,0Bを同時に選択して一括して読み出すことが可能である。
【0119】
なお、3列目のツインメモリセル100[3]の2つのMONOSメモリ素子128A,128Bに接続されるビット線BL3はVdd(例えば1.8V)に設定され、これらのMONOSメモリ素子128A,128Bのコントロールゲート106B,106Aに接続されるコントロールゲート線SCG3は0Vに設定される。
【0120】
第2の列ブロック416Bにおいても、第1の列ブロックと同様にして、5列目のツインメモリセル100[5]の2つのMONOSメモリ素子0C,0Dからのデータを読み出すことができる。ただし、第2の列ブロックにおけるサブコントロールゲート線SCG4〜SCG7は、第1の列ブロックにおけるサブコントロールゲート線SCG0〜SCG3と同様に設定される。また、第2の列ブロックにおけるビット線BL4〜BL7は、第1の列ブロックにおけるビット線BL0〜BL3と同様に設定される。具体的には、以下のように設定される。
【0121】
5列目のツインメモリセル100[5]の左側の選択メモリ素子0Cの対向メモリ素子192Bのコントロールゲート106Aに、サブコントロールゲート線SCG4を介してオーバライド電圧(例えば3V)を印加する。また、5列目のツインメモリセル100[5]の右側の選択メモリ素子0Dの対向メモリ素子64Cのコントロールゲート106Bに、サブコントロールゲート線SCG6を介してオーバライド電圧(例えば3V)を印加する。
【0122】
また、選択メモリ素子0C,0Dのコントロールゲート106B,106Aのコントロールゲート電圧VCGとして、読み出し電圧Vread(例えば1.5V)をサブコントロールゲート線SCG5を介して印加する。
【0123】
ここで、図17に示すように、データリード時には、選択メモリ素子0C,0Dにサブビット線SBL5を介して接続されたビット線BL5の電位を0Vに設定する。また、選択メモリ素子0Cの対向メモリ素子192Bにサブビット線SBL4を介して接続されたビット線BL4を、センスアンプ領域232(図14)内の対応するセンスアンプ(Sense2)に接続し、選択メモリ素子0Dの対向メモリ素子64Cにサブビット線SBL6を介して接続されたビット線BL6を、センスアンプ領域232(図14)内の対応するセンスアンプ(Sense3)に接続する。
【0124】
また、7列目のツインメモリセル100[7]の2つのMONOSメモリ素子128C,128Dに接続されるビット線BL7はVdd(例えば1.8V)に設定され、これらのMONOSメモリ素子128C,128Dのコントロールゲート106B,106Aに接続されるコントロールゲート線SCG7は0Vに設定される。
【0125】
これにより、第2の列ブロック416Bにおいても、5列目のツインメモリセル100[5]に含まれる2つのMONOSメモリ素子0C,0Dを同時に選択して一括して読み出すことが可能である。
【0126】
従って、1つのメモリブロック416において、第1の列ブロック416Aに含まれる1列目のツインメモリセル100[1]と、第2の列ブロック416Bに含まれる5列目のツインメモリセル100[5]の4つのMONOSメモリ素子0A,0B,0C,0Dを同時に選択して一括して読み出すことができる。
【0127】
なお、図17に示すように、偶数列のビット線BL0,BL2,BL4,BL6にはビット線選択ゲート(n型MOSトランジスタ)417Aが、奇数列のビット線BL1,BL3,BL5,BL7にはビット線選択ゲート417Bが接続されている。これらのゲート電圧は、例えば4.5Vの電圧が供給されている。
【0128】
以上のようにして、センスアンプ232(図14)内の対応するセンスアンプ(Sense0〜Sense3)にて検出された4つのMONOSメモリ素子0A,0B,0C,0D(選択メモリ素子)からの読み出しデータのうち、2ビットのカラムアドレス信号A<1:0>に対応するデータがマルチプレクサ234(図14)において選択されてI/Oバッファ240を介して出力される。例えば、A<1:0>の値が0の場合MONOSメモリ素子0Aのデータが読み出され、A<1:0>の値が1の場合MONOSメモリ素子0Bのデータが読み出される。また、A<1:0>の値が2の場合MONOSメモリ素子0Cのデータが読み出され、A<1:0>の値が3の場合MONOSメモリ素子0Dのデータが読み出される。
【0129】
なお、上記説明では、第1の列ブロック416Aにおいて1列目のツインメモリセル100[1]を読み出し、第2の列ブロック416Bにおいて5列目のツインメモリセル100[5]を読み出す場合を例に説明しているが、第1の列ブロック416Aにおいて2列目のツインメモリセル100[2]と、第2の列ブロック416Bにおいて6列目のツインメモリセル100[6]を読み出す場合においても同様である。また、第1の列ブロック416Aにおいて3列目のツインメモリセル100[3]を読み出し、第2の列ブロック416Bにおいて7列目のツインメモリセル100[7]を読み出す場合、および、第1の列ブロック416Aにおいて4列目のツインメモリセル100[4]を読み出し、第2の列ブロック416Bにおいて8列目のツインメモリセル100[8]を読み出す場合も同様である。
【0130】
また、上記説明では、I/O0用のメモリブロック416[0]について説明しているが、他のI/O1〜I/O15用のメモリブロック416[1]〜416[15]においても全く同じ動作が同時に実行される。従って、本実施例の半導体記憶装置10では、I/Oバッファ240を介して1ワード(16ビット)DQ<15:0>のデータが出力される。
【0131】
以上のように、本実施例の半導体記憶装置10では、データリード時において、複数ワード(本例では、4ワード)のMONOSメモリ素子からデータが一括して読み出される。そして、一括して読み出された複数ワードのデータのうち、下位2ビットの第2のカラムアドレス信号A<1:0>に対応するデータが選択されて出力される。
【0132】
従って、本実施例の半導体記憶装置10では、1回のアドレスの指定のあと、列アドレス(カラムアドレス)のみを順に変えながら4ワードのデータを高速に読み出すことができる。すなわち、1ページあたり4ワードの読み出しアクセスが可能であり、ページモードによる高速なリードアクセスを実現することが可能である。
【0133】
E.書き込み動作:
次に、本例の不揮発性半導体記憶装置10におけるデータの書き込み(プログラム)動作について説明する。
【0134】
なお、書き込み動作時において選択される1つのスモールアレイ412内の各メモリブロック416(416[0]〜416[15])の動作も、基本的に同じであるので、以下の説明では、1つのメモリブロック416の動作について説明する。
【0135】
また、1つのメモリブロック416において1ビットのMONOSメモリ素子へのデータのプログラミングは、上記ツインメモリセルの書き込み原理(図6参照)に従って行うことができるので、ここではその説明は省略する。以下では、ページバッファ書き込みにより4ビットのMONOSメモリ素子に対してデータを書き込む場合を例に説明する。
【0136】
図18は、ワード線WL0に接続された1列目のツインメモリセル100[1]のMONOSメモリ素子0Aおよび5列目のツインメモリセル100[5]のMONOSメモリ素子0Cの2つのMONOSメモリ素子へのデータの書き込みについて示す説明図である。図19は、ワード線WL0に接続された1列目のツインメモリセル100[1]のMONOSメモリ素子0Bおよび5列目のツインメモリセル100[5]のMONOSメモリ素子0Dの2つのMONOSメモリ素子へのデータの書き込みについて示す説明図である。
【0137】
ページバッファ書き込みにおいて、4つのMONOSメモリ素子0A,0B、0C,0Dに対してデータを書き込む場合、まず、図18に示すように、2つのMONOSメモリ素子0A,0Cへのデータの書き込みが実施され、次に、図19に示すように、残りの2つのMONOSメモリ素子0B,0Dへのデータの書き込みが実施される。
【0138】
なお、これらのデータ書き込み動作の前には、I/Oバッファ240(図14)を介して、連続する4つのアドレス信号に対応するMONOSメモリ素子0A,0B,0C,0Dに書き込まれるデータがページバッファ238(図14)に順に記憶されている。また、これらのデータプログラミング動作の前には、データ消去動作が実施されている。なお、このデータ消去動作は、上述したツインメモリセルの消去原理に従って行うことができるのでここでは説明を省略する。
【0139】
ここで、データバッファ書き込みにおいても、1つのメモリブロック416は、図18および図19に示すように、1列目〜4列目のうちの1列目を選択する第1の列ブロック416Aと、5列目〜8列目のうちの1列目を選択する第2の列ブロック416Bとに分けられる。
【0140】
図18に示すように、第1の列ブロック416Aの1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0Aと、第2の列ブロック416Bの5列目のツインメモリセル100[5]の左側のMONOSメモリ素子0Cとに、データを書き込む場合について説明する。ここで、これらのデータの書き込みは、第1の列ブロック416Aにおける書き込みと、第2の列ブロック416Bにおける書き込みとに分けることが可能である。まず、第1の列ブロッック416Aにおけるデータの書き込みについて説明する。
【0141】
ワード線WL0にプログラム用ワード線選択電圧として電源電圧Vddより低い例えば1.0V程度の電圧を印加する。なお、選択されない他のワード線WL1〜WL63には、0Vが印加される。
【0142】
ツインメモリセルの書き込み動作原理で説明したように(図6参照)、1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0A(選択メモリ素子)の対向メモリ素子DMAのコントロールゲート106Aに、サブコントロールゲート線SCG0を介してオーバライド電圧(例えば2.5V)が印加される。
【0143】
選択メモリ素子0Aのコントロールゲート106Bには、サブコントロールゲート線SCG1を介して、プログラム用コントロールゲート電圧である書き込み電圧Vwrite(例えば5.5V)が印加される。
【0144】
残りのサブコントロールゲート線SCG2,SCG3の電位は0Vに設定される。
【0145】
選択メモリ素子0Aにサブビット線SBL1を介して接続されるビット線BL1の電圧は、プログラム用ビット線電圧である例えば5Vに設定される。一方、ビット線BL2は、電圧Vdd(例えば1.8V)に設定される。また、ビット線BL0,BL3は、図示しない定電流源に接続される。なお、ビット線BL3に接続されたメモリ素子128A,128Bは、そのサブコントロールゲート線SCG3が0Vのためオフしており、電流が流れないため定電流源を介して0Vに設定される。
【0146】
このような設定では、選択メモリ素子0Aには、ビット線BL1からビット線BL0に向けて電流Ids(約5μA)が流れる一方で、MONOSメモリ素子0AのONO膜109にはチャンネルホットエレクトロン(CHE)がトラップされる。こうして、選択されたMONOSメモリ素子0Aのプログラミング動作が実施されて、データの「0」が書き込まれる。
【0147】
また、第2の列ブロック416Bにおいても、第1の列ブロック416Aと同様にして、5列目のツインメモリセル100[5]の左側のMONOSメモリ素子0Cへのデータのプログラミングを実施することができる。ただし、第2の列ブロックにおけるサブコントロールゲート線SCG4〜SCG7は、第1の列ブロックにおけるサブコントロールゲート線SCG0〜SCG3と同様に設定される。また、第2の列ブロック416Bにおけるビット線BL4〜BL7は、第1の列ブロック416Aにおけるビット線BL0〜BL3と同様に設定される。具体的には、以下のように設定される。
【0148】
5列目のツインメモリセル100[5]の左側の選択メモリ素子0Cの対向メモリ素子192Bのコントロールゲート106Aに、サブコントロールゲート線SCG4を介してオーバライド電圧(例えば2.5V)が印加される。
【0149】
選択メモリ素子0Cのコントロールゲート106Bに、サブコントロールゲート線SCG5を介して、プログラム用コントロールゲート電圧である書き込み電圧Vwrite(例えば5.5V)が印加される。
【0150】
残りのサブコントロールゲート線SCG6,SCG7の電位は0Vに設定される。
【0151】
選択メモリ素子0Cにサブビット線SBL5を介して接続されるビット線BL5の電圧は、プログラム用ビット線電圧である例えば5Vに設定される。一方、ビット線BL6は、電圧Vdd(例えば1.8V)に設定される。また、ビット線BL4,BL7は、図示しない定電流源に接続される。
【0152】
このような設定では、選択メモリ素子0Cには、ビット線BL5からビット線BL4に向けて電流Ids(約5μA)が流れる一方で、MONOSメモリ素子0CのONO膜109にはチャンネルホットエレクトロン(CHE)がトラップされる。こうして、選択されたMONOSメモリ素子0Cのプログラミング動作が実施されて、データの「0」が書き込まれる。
【0153】
従って、1つのメインブロック416において、第1の列ブロック416Aに含まれる1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0Aと、第2の列ブロック416Bに含まれる5列目のツインメモリセル100[5]の左側のMONOSメモリ素子0Cとに同時にデータを書き込むことができる。
【0154】
残りの2つのMONOSメモリ素子0B,0Dへのデータの書き込みも、図19に示すように、図18に示した2つのMONOSメモリ素子0A,0Cへのデータのプログラミング動作と同様に実施することができる。ただし、図19では、第1の列ブロック416Aにおいて、0列目のビット線BL0が電源電圧Vddに設定され、2列目のビット線BL2が図示しない定電流源に接続される。また、第2の列ブロック416Bにおいて、4列目のビット線BL4が電源電圧Vddに設定され、6列目のビット線BL6が定電流源に接続される。
【0155】
なお、上記説明では、まず、図18に示すように、第1の列ブロック416Aにおいて1列目のツインメモリセル100[1]の左側のMONOSメモリ素子0Aと、第2の列ブロック416Bにおいて5列目のツインメモリセル100[5]の左側のMONOSメモリ素子0Cとにデータを書き込み、ついで、図19に示すように、第1の列ブロック416Aにおいて1列目のツインメモリセル100[1]の右側のMONOSメモリ素子0Bと、第2の列ブロック416Bにおいて5列目のツインメモリセル100[5]の右側のMONOSメモリ素子0Dとにデータを書き込む場合を例に示している。他の列のツインメモリセルに対しても、同様にしてページバッファ書き込みを実施することができる。
【0156】
なお、上記説明では、I/O0用のメモリブロック416[0]について説明しているが、他のI/O1〜I/O15用のメモリブロック416[1]〜416[15]においても全く同じ動作が同時に実施される。
【0157】
以上のように、本実施例の半導体記憶装置10では、データバッファプログラミング時において、一括して2ワードのMONOSメモリ素子にデータを書き込むことができる。従って、本実施例の半導体記憶装置では、1回の行アドレスの指定のあと、4ワードのデータを2回に分けて高速に書き込むことができる。この結果、あらかじめ、ページバッファに蓄えられた4ワードのデータを2回の書き込みにより一括してプログラミングすることが可能であり、ページバッファプ書き込みを実現することが可能である。これにより、4ワードのデータを1ワード単位で順にプログラミングする場合に比べて高速なプログラミングが可能となる。
【0158】
F.変形例:
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。
【0159】
例えば、不揮発性メモリ素子108A,108Bの構造については、MONOS構造に限定されるものではない。1つのワードゲート104と第1,第2のコントロールゲート106A,106Bにより、2箇所にて独立して電荷をトラップできる他の種々のツインメモリセルを用いた不揮発性半導体記憶装置に、本発明を適用することができる。
【0160】
また、上述の実施形態では、バンク領域の数、メモリアレイ、メインブロック、サブブロック、スモールブロックの分割数については一例であり、他の種々の変形実施が可能である。
【0161】
また、上記実施形態では、1つのメモリブロックが、行方向に配列された4列のツインメモリセルを有する2つの列ブロックで構成されており、それぞれの列ブロックごとに読み出しまたは書き込みを実施することにより、4ワードのデータのページモード読み出やページバッファ書き込みを可能とする場合を例に示しているが、これに限定されるものではない。例えば、1つのメモリブロックが1つの列ブロックで構成されるようにしてもよい。この場合においても、2ワードのデータのページモード読み出しを可能とすることができる。また、1つのメモリブロックが3以上の列ブロックで構成されるようにしてもよい。この場合には、例えば3つの列ブロック構成では6ワード、4つの列ブロック構成では8ワードのデータのページモード読み出しやページモードバッファ書き込みが可能である。すなわち、1つのメモリブロックをn(nは2以上の整数)の列ブロックで構成することにより、(2・n)ワードのデータのページモード読み出しやページバッファ書き込みを可能とすることができる。
【0162】
また、上記実施の形態では、1つのスモールブロックを16個のメモリブロックで構成することにより、1ワード(16ビット)単位でデータを入出可能とする場合を例に説明しているが、これに限定するものではなく、1つのスモールブロックを種々の数のメモリブロックで構成することが可能である。例えば、8個のメモリブロック構成とすれば、1バイト(8ビット)単位でデータを入出力可能である。また、32個のメモリブロック構成とすれば、2ワード(32ビット)単位でデータを入出力可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】ツインメモリセルの構造を模式的に示す断面図である。
【図2】MONOSメモリ素子に対するデータ読み出しデータ書き込み及びデータ消去の各動作における設定電圧を示す説明図である。
【図3】ツインメモリセルの等価的な構造を示す説明図である。
【図4】ツインメモリセルのデータ読み出し動作を示す概略説明図である。
【図5】横軸に選択サイドのコントロールゲートに対するゲート電圧VCGをとり縦軸に選択メモリ素子に相当するトランジスタのソース・ドレイン間に流れる電流Idsをとって両者の関係を示す説明図である。
【図6】ツインメモリセルのデータ書き込み動作を示す概略説明図である。
【図7】ツインメモリセルのデータ消去動作を示す概略説明図である。
【図8】実施例としての不揮発性半導体記憶装置の概略平面レイアウト図である。
【図9】図8の1つのバンク領域16について示す概略平面図である。
【図10】図9の隣り合う2つの第0および第1のメモリアレイ領域200について示す概略平面図である。
【図11】図10の1つのメインブロック領域300について示す概略平面図である。
【図12】1つのスモールブロック領域410について示す概略平面図である。
【図13】不揮発性半導体記憶装置10に入力する23ビットのアドレス信号A<22:0>の意味付けを示す説明図である。
【図14】不揮発性半導体記憶装置10の機能的な構成を示すブロック図である。
【図15】スモールアレイ412のI/O0用のメモリブロック416[0]を拡大して示す説明図である。
【図16】2ビットの第1のカラム選択用アドレス信号A<9:8>及び6ビットのワード線選択用アドレス信号A<7:2>に対応するメモリ素子を示す説明図である。
【図17】ワード線WL0に接続された1列目のツインメモリセル100[1]の2つのMONOSメモリ素子0A,0Bおよび5列目のツインメモリセル100[5]の2つのMONOSメモリ素子0C,0Dの4ビットのデータをリバースモードで読み出す場合について示す説明図である。
【図18】ワード線WL0に接続された1列目のツインメモリセル100[1]のMONOSメモリ素子0Aおよび5列目のツインメモリセル100[5]のMONOSメモリ素子0Cの2つのMONOSメモリ素子へのデータの書き込みについて示す説明図である。
【図19】ワード線WL0に接続された1列目のツインメモリセル100[1]のMONOSメモリ素子0Bおよび5列目のツインメモリセル100[5]のMONOSメモリ素子0Dの2つのMONOSメモリ素子へのデータの書き込みについて示す説明図である。
【符号の説明】
10…不揮発性半導体記憶装置
12…I/O(領域)
14…制御回路(領域)
16…バンク(領域)
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
108A,108B…(不揮発性)メモリ素子(MONOSメモリ素子)
109…ONO膜
110…不純物層
200…メモリアレイ(領域)
210…制御回路(領域)
220…Yデコーダ(領域)
222…カラムデコーダ
224…カラムマルチプレクサ
230…データI/O(領域)
232…センスアンプ
234…マルチプレクサ
236…BLドライバ
238…ページバッファ
300…メインブロック(領域)
310…サブブロック領域
310…ブロック制御回路(領域)
312…スモールブロック(領域)
314…メモリブロック(領域)
320…グローバルデコーダ(領域)
400…サブブロック(領域)
410…スモールブロック(領域)
412…スモールアレイ(領域)
414…ローカルドライバ
414A…第1のドライバ(領域)
414B…第2のドライバ(領域)
416…メモリブロック(領域)
416A…第1の列ブロック
416B…第2の列ブロック
416…メインブロック
417A…ビット線選択ゲート(トランジスタ)
417B…ビット線選択ゲート(トランジスタ)
510…アクセス制御回路
SCG…サブコントロールゲート線
SBL…サブビット線
CG…コントロールゲート線
BL…ビット線
WL…ワード線
Claims (4)
- 不揮発性半導体記憶装置であって、
1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて前記列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、
前記ワード線と、前記複数のビット線と、前記複数のコントロールゲート線の動作を制御して情報の読み出しを制御するためのアクセス制御回路と、
前記複数のビット線を介して読み出された前記情報を検出する検出回路と、備え、
前記メモリセルアレイは、前記行方向に沿ってm(mは1以上の整数)のメモリブロックに分割されており、
前記メモリブロックのそれぞれは、前記行方向に沿ってn(nは2以上)の列ブロックに分割されており、
前記列ブロックのそれぞれで、前記行方向における(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を読み出す場合において、
前記アクセス制御回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートおよび(i+1)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をリード用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してリード用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートを、前記第1のコントロールゲートに接続された(i−1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i+1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定し、
前記検出回路は、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i−1)番目のビット線と前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i−1)番目のビット線をセンスすることにより検出するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i+1)番目のツインメモリセルの前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i+1)番目のビット線と前記第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i+1)番目のビット線をセンスすることにより検出して、前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の情報と前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の情報とを一括して読み出すことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置であって、
前記メモリブロックごとに設けられ、前記検出回路で一括して読み出された(2・n)の情報を順に選択するための選択回路を備える、不揮発性半導体記憶装置。 - 請求項1または請求項2記載の不揮発性半導体記憶装置であって、
前記列ブロックは、行方向に4つのツインメモリセルが配列されており、
前記メモリブロックは、行方向に(4・n)のツインメモリセルが配列されている、半導体不揮発性記憶装置。 - 1つのワードゲートと、第1のコントロールゲートによって制御される第1の不揮発性メモリ素子と、第2のコントロールゲートによって制御される第2の不揮発性メモリ素子とを有するツインメモリセルが、少なくとも、行方向に複数配列されたメモリセルアレイと、
前記行方向に配列された複数のツインメモリセルの前記ワードゲートに共通接続されるワード線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子と、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子とに共通に接続されて列方向に延びる複数のビット線と、
前記行方向で隣り合う一対のツインメモリセルごとに設けられ、前記一対のツインメモリセルのうち、一方のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートと、他方のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートとに共通に接続されて前記列方向に延びる複数のコントロールゲート線と、を備え、
前記メモリセルアレイは、前記行方向に沿ってm(mは1以上の整数)のメモリブロックに分割されており、
前記メモリブロックのそれぞれは、前記行方向に沿ってn(nは2以上)の列ブロックに分割されている不揮発性半導体記憶装置の駆動方法であって、
前記列ブロックのそれぞれで、前記行方向における(i)番目(iは1以上の整数)のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子と(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子から情報を読み出す場合において、
前記(i)番目のツインメモリセルのワードゲートおよび(i+1)番目のツインメモリセルのワードゲートが接続されたワード線をリード用ワード線選択電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i)番目のコントロールゲート線を介してリード用コントロールゲート電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の第1のコントロールゲートを、前記第1のコントロールゲートに接続された(i−1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の第2のコントロールゲートを、前記第2のコントロールゲートに接続された(i+1)番目のコントロールゲート線を介してオーバライド電圧に設定し、
前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i−1)番目のビット線と前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i−1)番目のビット線をセンスすることにより検出するとともに、前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子を介して、前記(i+1)番目のツインメモリセルの前記第2の不揮発性メモリ素子に接続された(i+1)番目のビット線と前記第1の不揮発性メモリ素子に接続された(i)番目のビット線との間に流れる電流を、前記(i+1)番目のビット線をセンスすることにより検出して、前記(i)番目のツインメモリセルの第2の不揮発性メモリ素子の情報と前記(i+1)番目のツインメモリセルの第1の不揮発性メモリ素子の情報とを一括して読み出すことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の駆動方法。
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