JP3884420B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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本発明は、電気的書替え可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)に係わり、特にトンネル電流によりメモリセルに対して書き込み/消去を行うEEPROMに関する。   The present invention relates to an electrically rewritable nonvolatile semiconductor memory device (EEPROM), and more particularly to an EEPROM that performs writing / erasing on a memory cell by a tunnel current.

EEPROMの1つとして、高集積化が可能なNANDセル型EEPROMが知られている。これは、複数のメモリセルをそれらのソース,ドレインを隣接するもの同士で共用する形で直列接続し、これを1単位としてビット線に接続するものである。メモリセルは通常、浮遊ゲート(電荷蓄積層)と制御ゲートが積層されたFETMOS構造を有する。メモリセルアレイは、p型基板又はn型基板に形成されたp型ウェル内に集積形成される。NANDセルのドレイン側は選択ゲートを介してビット線に接続され、ソース側はやはり選択ゲートを介して共通ソース線に接続される。メモリセルの制御ゲートは、行方向に連続的に配設されてワード線となる。   As one type of EEPROM, a NAND cell type EEPROM capable of high integration is known. In this method, a plurality of memory cells are connected in series in such a manner that their adjacent sources and drains are shared with each other and connected to a bit line as a unit. A memory cell usually has a FETMOS structure in which a floating gate (charge storage layer) and a control gate are stacked. The memory cell array is integrated in a p-type well formed on a p-type substrate or an n-type substrate. The drain side of the NAND cell is connected to the bit line via the selection gate, and the source side is also connected to the common source line via the selection gate. The control gates of the memory cells are continuously arranged in the row direction to become word lines.

このNANDセル型EEPROMの動作は、次の通りである。データ書き込みは、ビット線から最も離れた位置のメモリセルから順に行う。選択されたメモリセルの制御ゲートには高電圧Vpp(=20V程度)を印加し、それよりビット線側にあるメモリセルの制御ゲート及び選択ゲートには中間電圧Vppm (=10V程度)を印加し、ビット線にはデータに応じて0V又は中間電圧Vm(=8V程度)を与える。   The operation of this NAND cell type EEPROM is as follows. Data writing is performed in order from the memory cell farthest from the bit line. A high voltage Vpp (= about 20V) is applied to the control gate of the selected memory cell, and an intermediate voltage Vppm (= about 10V) is applied to the control gate and the selection gate of the memory cell on the bit line side. The bit line is supplied with 0V or an intermediate voltage Vm (= about 8V) according to the data.

ビット線に0Vが与えられた時、その電位は選択メモリセルのドレインまで転送されて、電荷畜積層に電子注入が生じる。これにより、選択されたメモリセルのしきい値は正方向にシフトする。この状態を例えば“0”とする。ビット線にVmが与えられた時は電子注入が実効的に起こらず、従ってしきい値は変化せずに、負に止まる。この状態は消去状態で“1”とする。データ書き込みは制御ゲートを共有するメモリセルに対して同時に行われる。   When 0V is applied to the bit line, the potential is transferred to the drain of the selected memory cell, and electrons are injected into the charge stack. As a result, the threshold value of the selected memory cell is shifted in the positive direction. This state is, for example, “0”. When Vm is applied to the bit line, electron injection does not occur effectively, so the threshold value remains unchanged and remains negative. This state is “1” in the erased state. Data writing is performed simultaneously on the memory cells sharing the control gate.

データ消去は、NANDセル内の全てのメモリセルに対して同時に行われる。即ち、全ての制御ゲートを0Vとし、p型ウェルを20Vとする。このとき、選択ゲート,ビット線及びソース線も20Vにされる。これにより、全てのメモリセルで電荷蓄積層の電子がp型ウェルに放出され、しきい値は負方向にシフトする。   Data erasure is performed simultaneously on all the memory cells in the NAND cell. That is, all the control gates are set to 0V, and the p-type well is set to 20V. At this time, the selection gate, the bit line, and the source line are also set to 20V. As a result, electrons in the charge storage layer are emitted to the p-type well in all the memory cells, and the threshold value is shifted in the negative direction.

データ読み出しは、選択されたメモリセルの制御ゲートを0Vとし、それ以外のメモリセルの制御ゲート及び選択ゲートを電源電位Vcc(例えば5V)として、選択メモリセルで電流が流れるか否かを検出することにより行われる。   In the data read, the control gate of the selected memory cell is set to 0 V, and the control gates and select gates of the other memory cells are set to the power supply potential Vcc (for example, 5 V) to detect whether a current flows in the selected memory cell. Is done.

読み出し動作の制約から、“0”書き込み後のしきい値は0VからVccの間に制御しなければならない。このため、書き込みベリファイが行われ、“0”書き込み不足のメモリセルのみを検出し、“0”書き込み不足のメモリセルに対してのみ再書き込みが行われるよう再書き込みデータを設定する(ビット毎ベリファイ)。“0”書き込み不足のメモリセルは、選択された制御ゲートを例えば0.5V(ベリファイ電圧)にして読み出すこと(ベリファイ読み出し)で検出される。つまり、メモリセルのしきい値が0Vに対してマージンを持って、0.5V以上になっていないと、選択メモリセルで電流が流れ、“0”書き込み不足と検出される。   Due to restrictions on the read operation, the threshold value after writing “0” must be controlled between 0 V and Vcc. For this reason, write verification is performed, only the memory cells insufficiently written “0” are detected, and rewrite data is set so that only the memory cells insufficiently written “0” are rewritten (bit-by-bit verification). ). A memory cell in which “0” is insufficiently written is detected by reading the selected control gate at 0.5 V (verify voltage) (verify read). That is, if the threshold value of the memory cell is not 0.5 V or more with a margin with respect to 0 V, a current flows in the selected memory cell, and it is detected that “0” writing is insufficient.

書き込み動作と書き込みベリファイを繰り返しながらデータ書き込みをすることで個々のメモリセルに対して、書き込み時間が最適化され“0”書き込み後のしきい値は0VからVccの間に制御される。   By writing data while repeating the write operation and write verify, the write time is optimized for each memory cell, and the threshold value after writing “0” is controlled between 0 V and Vcc.

このようなNANDセル型EEPROMでは、書き込み時の書き込み電圧Vppを一定としているため、電荷蓄積層の電子の量が比較的少ない書き込み初期ではメモリセルのしきい値変化は速く、電子注入が行われ電荷蓄積層の電子の量が比較的多い書き込み後期ではメモリセルのしきい値変化は遅い。また、書き込み初期ではトンネル電流の流れる絶縁膜に印加される電界が強く、書き込み後期ではその電界は弱い。   In such a NAND cell type EEPROM, since the write voltage Vpp at the time of writing is constant, the threshold value of the memory cell changes rapidly at the initial stage of writing when the amount of electrons in the charge storage layer is relatively small, and electron injection is performed. In the latter period of writing when the amount of electrons in the charge storage layer is relatively large, the threshold change of the memory cell is slow. In addition, the electric field applied to the insulating film through which the tunnel current flows is strong in the early stage of writing, and the electric field is weak in the late stage of writing.

このため、書き込み速度を速くするため書き込み電圧Vppを高めると、書き込み後の最大しきい値が高く、書き込み後のしきい値分布幅が広くなり、またトンネル電流の流れる絶縁膜に印加される電界が強くなり信頼性が悪くなる。逆に、書き込み後のしきい値分布幅を狭くするためVppを低めると、書き込み速度が遅くなる。言い替えれば、書き込み電圧マージンが狭いという問題があった。   For this reason, when the write voltage Vpp is increased in order to increase the write speed, the maximum threshold value after writing becomes high, the threshold distribution width after writing becomes wide, and the electric field applied to the insulating film through which the tunnel current flows. Becomes stronger and less reliable. Conversely, if Vpp is lowered in order to narrow the threshold distribution width after writing, the writing speed becomes slower. In other words, there is a problem that the write voltage margin is narrow.

以下、この問題について詳しく説明する。ここで、メモリセルとしては、後述する図1の構成を考える。図1において、1は制御ゲート、2はゲート間絶縁膜、3は浮遊ゲート、4はトンネル酸化膜、5はn型拡散層、6はp型ウェルである。   Hereinafter, this problem will be described in detail. Here, the configuration of FIG. 1 to be described later is considered as the memory cell. In FIG. 1, 1 is a control gate, 2 is an inter-gate insulating film, 3 is a floating gate, 4 is a tunnel oxide film, 5 is an n-type diffusion layer, and 6 is a p-type well.

従来、例えば浮遊ゲートに電子注入を行う場合、図21(a)に示すように制御ゲート電圧Vcgを印加し、p型ウェルとn型拡散層を0Vにしていた。この場合、制御ゲート電圧Vcgを一定時間Tの間だけ一定電圧Vppにする。初期的には浮遊ゲート中の電子の量が少ないので、図21(b)に示すように浮遊ゲート電位Vfgは比較的高く、図21(c)に示すようにトンネル電流Itunnelは比較的大きい。浮遊ゲートへの電子注入が進むと、浮遊ゲート中の電子の量が多くなるので、浮遊ゲート電位Vfgは比較的低くなり、トンネル電流Itunnelは比較的小さくなる。よって、メモリセルのしきい値Vthの変化量は、図21(d)に示すように初期的に大きく、徐々に少なくなる。   Conventionally, for example, when electrons are injected into a floating gate, a control gate voltage Vcg is applied as shown in FIG. 21A, and the p-type well and the n-type diffusion layer are set to 0V. In this case, the control gate voltage Vcg is set to a constant voltage Vpp only for a fixed time T. Initially, since the amount of electrons in the floating gate is small, the floating gate potential Vfg is relatively high as shown in FIG. 21B, and the tunnel current Itunnel is relatively large as shown in FIG. As electron injection into the floating gate proceeds, the amount of electrons in the floating gate increases, so the floating gate potential Vfg becomes relatively low and the tunnel current Itunnel becomes relatively small. Therefore, the amount of change in the threshold value Vth of the memory cell is initially large and gradually decreases as shown in FIG.

一般に、ベリファイと呼ばれるメモリセルのしきい値確認動作を行いながら、浮遊ゲートへの電子注入を行う場合、図22のようになる。制御ゲート電圧Vcgは数発のパルスに分割され、各浮遊ゲートへの電子注入動作の後、ベリファイが行われる。図22では、便宜上ベリファイ動作時の制御ゲート電圧Vcgは0Vにしてあるが、ベリファイの方法によって制御ゲートに何らかの電圧が印加される場合が多い。ベリファイによってメモリセルのしきい値が所望の値に達したと検知されると、電子注入動作は終了される。同時に複数個のメモリセルに電子注入を行う場合は、ベリファイによってメモリセルのしきい値が所望の値に達したと検知されると、メモリセル毎に電子注入動作は終了される。   In general, when performing electron injection into a floating gate while performing a threshold value checking operation of a memory cell called “verify”, the result is as shown in FIG. The control gate voltage Vcg is divided into several pulses, and verification is performed after the electron injection operation to each floating gate. In FIG. 22, the control gate voltage Vcg during the verify operation is set to 0 V for convenience, but some voltage is often applied to the control gate by the verify method. When it is detected by verify that the threshold value of the memory cell has reached a desired value, the electron injection operation is terminated. When electrons are injected into a plurality of memory cells at the same time, the electron injection operation is terminated for each memory cell when it is detected by verify that the threshold value of the memory cell has reached a desired value.

図23は図22と同じ方法で複数のメモリセルに電子注入を行った場合の、各メモリセルのしきい値の変化を示す図である。通常、メモリセルの形状は少しづつばらついていて、その結果、電子注入の時経変化がばらつく。最も電子注入しやすいメモリセルでは、直ぐにメモリセルのしきい値の収まるべき範囲の上限Vth-maxに達し、1回目の電子注入動作でしきい値がVth-maxを越えないように電圧Vppの上限電圧Vpp-maxは決まる。最も電子注入しにくいメモリセルでは、メモリセルのしきい値の収まるべき範囲の下限Vth-minに達しにくく、所定の電子注入動作回数以内でしきい値がVth-minを越えるように電圧Vppの下限電圧Vpp-minは決まる。   FIG. 23 is a diagram showing a change in threshold value of each memory cell when electrons are injected into a plurality of memory cells by the same method as FIG. Usually, the shape of the memory cell varies little by little, and as a result, the time course of electron injection varies. In the memory cell that is most likely to inject electrons, the upper limit Vth-max of the range in which the threshold value of the memory cell should be reached is reached immediately, and the voltage Vpp is set so that the threshold value does not exceed Vth-max in the first electron injection operation. The upper limit voltage Vpp-max is determined. In the memory cell that is most difficult to inject electrons, it is difficult to reach the lower limit Vth-min of the range in which the threshold value of the memory cell should fall, and the voltage Vpp is set so that the threshold value exceeds Vth-min within a predetermined number of electron injection operations. The lower limit voltage Vpp-min is determined.

Vpp-max−Vpp-minはVppマージンと呼ばれ、正の値でなければならない。Vth-maxを下げしきい値分布幅を狭くしようとすると、Vppを下げなければならずVppマージンは0Vに近づく。電子注入・放出を繰り返すとトンネル酸化膜は劣化し、電子注入・放出特性が変化するため、Vppマージンが十分ないと信頼性上問題となる。   Vpp-max-Vpp-min is called a Vpp margin and must be a positive value. If Vth-max is lowered and the threshold distribution width is narrowed, Vpp must be lowered and the Vpp margin approaches 0V. When the electron injection / emission is repeated, the tunnel oxide film deteriorates and the electron injection / emission characteristics change. Therefore, if the Vpp margin is not sufficient, there is a problem in reliability.

このように従来のNANDセル型EEPROMにおいては、書き込み電圧Vppを高めると書き込み後のしきい値分布幅が広くなり、書き込み電圧Vppを低めると書き込み速度が遅くなるという、いわゆるトレードオフの関係があった。そして、書き込み電圧Vppマージンが狭いことから、素子信頼性が低下するという問題があった。   As described above, the conventional NAND cell type EEPROM has a so-called trade-off relationship in which the threshold distribution width after writing increases when the writing voltage Vpp is increased, and the writing speed decreases when the writing voltage Vpp is decreased. It was. And since the write voltage Vpp margin is narrow, there is a problem that the device reliability is lowered.

本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、十分な書き込み電圧Vppマージンを確保することができると共に、メモリセルのしきい値分布幅を狭くすることができ、かつ高速に電子注入を行うことができるEEPROMを提供することにある。   The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances. The object of the present invention is to ensure a sufficient write voltage Vpp margin and to reduce the threshold distribution width of the memory cell. An object of the present invention is to provide an EEPROM that can perform electron injection at high speed.

上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。 In order to solve the above problems , the present invention adopts the following configuration.

即ち本発明は、半導体層と制御ゲートの間に電荷蓄積層を備えて構成された電気的に多値データ識別記録可能な複数の不揮発性半導体メモリセルと、前記メモリセルのしきい値を制御するしきい値制御手段であって、前記メモリセルのしきい値を変動させるために前記制御ゲートと前記半導体層との間に電圧パルスを印加する第1のステップと、前記電圧パルスの印加後に前記メモリセルのしきい値を検出する第2のステップとを、前記メモリセルのしきい値が所望のしきい値に達するまで前記電圧パルスを一定の電圧変動分ずつ高めながら繰り返すしきい値制御手段とを備えた不揮発性半導体記憶装置であって、前記電圧パルスの初期値は対応するメモリセルの達するべき書き込み状態に応じた電圧を有し、前記第1のステップと前記第2のステップを前記複数のメモリセルに対して同時に行い、それぞれのメモリセルが前記所望のしきい値に達した時にそれぞれのメモリセルに対する前記電圧パルスの印加を独立に止めることを特徴とする。 That is, the present invention controls a plurality of non-volatile semiconductor memory cells configured to include a charge storage layer between a semiconductor layer and a control gate and capable of electrically multi-value data identification recording, and a threshold of the memory cell. A first step of applying a voltage pulse between the control gate and the semiconductor layer to vary the threshold value of the memory cell; and after applying the voltage pulse. Threshold control for repeating the second step of detecting the threshold value of the memory cell while increasing the voltage pulse by a certain amount of voltage fluctuation until the threshold value of the memory cell reaches a desired threshold value. a nonvolatile semiconductor memory device and means, the voltage initial value of the pulse having a voltage corresponding to the write state to reach the corresponding memory cell, the said first step second Performed simultaneously step to the plurality of memory cells, each memory cell is characterized by stopping the independent application of the voltage pulse for each of the memory cell upon reaching the desired threshold.

より具体的には、半導体層上に電荷蓄積層と制御ゲートを積層して構成された電気的書き替え可能なメモリセルがマトリクス状に配置されたメモリセルアレイと、メモリセルのデータをデータ“0”の状態に消去する消去手段と、メモリセルアレイ中の任意の個数のメモリセルのしきい値を変動させるため、制御ゲートと半導体層との間に、書き込みデータ(“1”,“2”,…,“n”)に応じたしきい値変動電圧パルス(Vpp1 ,Vpp2 ,…,Vppn )を印加する書き込みパルス印加手段と、任意の個数のメモリセルのしきい値変動パルス印加後の状態を検知するしきい値ベリファイ手段と、任意の個数のメモリセルのうち、書き込みデータ(“1”,“2”,…,“n”)に応じた所望のしきい値(Vth1 ,Vth2 ,…,Vthn )に達していない書き込み不十分のメモリセルに対して、書き込みデータに応じたしきい値変動パルスを印加し、再び同時に書き込みデータに応じてしきい値変動させる再書き込みパルス印加手段とを備え、書き込みパルス印加手段によるしきい値変動動作としきい値ベリファイ手段によるしきい値ベリファイ動作の後、再書き込みパルス印加手段による再しきい値変動動作としきい値ベリファイ動作を、メモリセルのしきい値が書き込みデータに応じた所望の値に達するまで繰り返す不揮発性半導体記憶装置において、しきい値変動電圧パルスは、Vpp1 =Vpp2 −ΔVppd2=Vpp3 −ΔVppd2=…=Vppn −ΔVppdnとなっていて、所望のしきい値は、Vthi −Vthi-1 =ΔVppdi(i=2,3,…,n)であることを特徴とする。   More specifically, a memory cell array in which electrically rewritable memory cells formed by stacking a charge storage layer and a control gate on a semiconductor layer are arranged in a matrix, and data of the memory cell is set to data “0”. In order to change the threshold value of the erasing means for erasing the memory cell array and an arbitrary number of memory cells in the memory cell array, write data (“1”, “2”, .., “N”), a write pulse applying means for applying threshold fluctuation voltage pulses (Vpp1, Vpp2,..., Vppn), and a state after application of threshold fluctuation pulses to an arbitrary number of memory cells. Threshold verifying means to be detected and a desired threshold value (Vth1, Vth2,...,...) Corresponding to write data (“1”, “2”,..., “N”) among an arbitrary number of memory cells. Vthn) has not been reached Rewriting pulse applying means for applying a threshold fluctuation pulse corresponding to write data to a memory cell that is insufficiently written and simultaneously changing the threshold value according to write data is provided. After the threshold value changing operation and the threshold value verifying operation by the threshold value verifying means, the rethreshold value changing operation and the threshold value verifying operation by the rewrite pulse applying means are performed. In a nonvolatile semiconductor memory device that repeats until a desired value is reached, the threshold fluctuation voltage pulse is Vpp1 = Vpp2−ΔVppd2 = Vpp3−ΔVppd2 = ... = Vppn−ΔVppdn, and the desired threshold is Vthi. −Vthi−1 = ΔVppdi (i = 2, 3,..., N).

本発明においては、書き込み電圧Vppは書き込み時間の経過とともに徐々に高められ、書き込みやすいメモリセルに対しては、比較的低い書き込み電圧Vppで書き込みを完了し、書き込み難いメモリセルに対しては、比較的高い書き込み電圧Vppで書き込みを行うことで、広い書き込み電圧Vppマージンを得ることができる。   In the present invention, the write voltage Vpp is gradually increased as the write time elapses. For memory cells that are easy to write, writing is completed at a relatively low write voltage Vpp, and for memory cells that are difficult to write, a comparison is made. A wide write voltage Vpp margin can be obtained by performing writing at a relatively high write voltage Vpp.

また、“0”書き込み後のしきい値分布幅がΔVppとなるように、ΔVpp,Δtは設定されるということは、1サイクルでのしきい値シフト量がほぼ一定値ΔVppであるということで、トンネル電流の流れる絶縁膜に印加される電圧は毎サイクル同じように平均的になるよう制御され、その最大値が低減でき、信頼性が向上する。   Further, ΔVpp and Δt are set so that the threshold distribution width after writing “0” becomes ΔVpp, which means that the threshold shift amount in one cycle is substantially constant ΔVpp. The voltage applied to the insulating film through which the tunnel current flows is controlled to be average in the same way every cycle, the maximum value can be reduced, and the reliability is improved.

本発明によれば、書き込み動作とビット毎ベリファイ動作のサイクルを繰り返しながら、書き込み電圧Vppを徐々に高めることにより、十分なVppマージンを確保し、メモリセルのしきい値分布幅を狭く、高速に電子注入を行うことができるEEPROMを実現することができる。また、電子放出もメモリセルの制御ゲート電圧極性を反転することで容易に実施できる。さらに、メモリセルがpチャネルMOSトランジスタの場合も同様に実施できる。   According to the present invention, the write voltage Vpp is gradually increased while repeating the cycle of the write operation and the bit-by-bit verify operation, thereby securing a sufficient Vpp margin, narrowing the threshold distribution width of the memory cell, and increasing the speed. An EEPROM capable of performing electron injection can be realized. Electron emission can also be easily performed by inverting the polarity of the control gate voltage of the memory cell. Further, the same can be implemented when the memory cell is a p-channel MOS transistor.

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1(a)は、本発明の実施例に用いた不揮発性メモリセルの構造を示している。n型シリコン基板7の上のp型ウェル6の上に浮遊ゲート(電荷蓄積層)3と制御ゲート1が積層形成される。p型ウェル6と浮遊ゲート3はトンネル酸化膜4によって絶縁され、浮遊ゲート3と制御ゲート1はゲート間絶縁膜2によって絶縁されている。n型拡散層5はメモリセルトランジスタのソース・ドレインを形成する。   FIG. 1A shows the structure of a nonvolatile memory cell used in the example of the present invention. A floating gate (charge storage layer) 3 and a control gate 1 are stacked on a p-type well 6 on an n-type silicon substrate 7. The p-type well 6 and the floating gate 3 are insulated by a tunnel oxide film 4, and the floating gate 3 and the control gate 1 are insulated by an inter-gate insulating film 2. The n-type diffusion layer 5 forms the source / drain of the memory cell transistor.

浮遊ゲート3と制御ゲート1との間の容量、浮遊ゲート3とp型ウェル6との間の容量は、それぞれ図1(b)に示すようにCcgとCoxである。容量Coxは浮遊ゲート3とn型拡散層5との間の容量も含む。メモリセルはそのしきい値でデータを記憶し、しきい値は浮遊ゲート3に蓄えられる電荷量で決まる。浮遊ゲート3中の電荷量は、トンネル酸化膜4を通るトンネル電流で変化させられる。   The capacitance between the floating gate 3 and the control gate 1 and the capacitance between the floating gate 3 and the p-type well 6 are Ccg and Cox, respectively, as shown in FIG. The capacitance Cox includes the capacitance between the floating gate 3 and the n-type diffusion layer 5. The memory cell stores data at the threshold value, and the threshold value is determined by the amount of charge stored in the floating gate 3. The amount of charge in the floating gate 3 is changed by a tunnel current passing through the tunnel oxide film 4.

即ち、p型ウェル6とn型拡散層5に対して制御ゲート1を十分高い電位にすると、トンネル酸化膜4を通して電子が浮遊ゲート3に注入され、しきい値は高くなる。逆に、制御ゲート1に対してp型ウェル6とn型拡散層5を高電位にすると、トンネル酸化膜4を通して電子が浮遊ゲート3から放出され、しきい値は低くなる。   That is, when the control gate 1 is set to a sufficiently high potential with respect to the p-type well 6 and the n-type diffusion layer 5, electrons are injected into the floating gate 3 through the tunnel oxide film 4, and the threshold value is increased. Conversely, when the p-type well 6 and the n-type diffusion layer 5 are set to a high potential with respect to the control gate 1, electrons are emitted from the floating gate 3 through the tunnel oxide film 4, and the threshold value is lowered.

図2は、本発明の第1の実施例に係わる電子注入方式を示している。(a)は制御ゲート電圧Vcg、(b)は浮遊ゲート電位Vfg、(c)はトンネル電流Itunnel、(d)はメモリセルのしきい値Vthである。   FIG. 2 shows an electron injection method according to the first embodiment of the present invention. (A) is the control gate voltage Vcg, (b) is the floating gate potential Vfg, (c) is the tunnel current Itunnel, and (d) is the threshold Vth of the memory cell.

制御ゲートには高電圧Vppパルスが与えられ、Vppパルス印加後にベリファイが行われる。最初のVppパルス電圧はVcg0 で、徐々にΔVppづつ高められる。パルス幅は一定時間Δtである。ΔtとΔVppは、1回の電子注入動作でのメモリセルのしきい値の最大変化量ΔVthが、ΔVppと等しくなるようにされる。実際には、Vppが十分高くトンネル電流が十分流れ出すようになった時、1回の電子注入動作でのメモリセルのしきい値変化量ΔVthをΔVppと等しくなるようにすると、1回の電子注入動作で注入される電子が、次の電子注入動作でのVppの増加分ΔVppによるトンネル酸化膜に印加される電圧増加をキャンセルし、それ以降、しきい値変化量ΔVthは毎回一定値ΔVppとなる。   A high voltage Vpp pulse is applied to the control gate, and verification is performed after the Vpp pulse is applied. The first Vpp pulse voltage is Vcg0 and is gradually increased by ΔVpp. The pulse width is a certain time Δt. Δt and ΔVpp are set such that the maximum change amount ΔVth of the threshold value of the memory cell in one electron injection operation becomes equal to ΔVpp. Actually, when Vpp is sufficiently high and the tunnel current starts to flow sufficiently, if the threshold voltage change ΔVth of the memory cell in one electron injection operation is made equal to ΔVpp, one electron injection is performed. The electrons injected by the operation cancel the increase in voltage applied to the tunnel oxide film due to the increase ΔVpp of Vpp in the next electron injection operation, and thereafter, the threshold change amount ΔVth becomes a constant value ΔVpp every time. .

初期パルス電圧Vcg0 を十分小さくしておけば、最も電子注入しやすいメモリセルのしきい値は、確実にしきい値の上限Vth-max以下に制御でき広いVppマージンが得られ、また、同時にVth-max−Vth-min=ΔVppとすることができる。最も電子注入しにくいメモリセルでは、Vppが高められることによって高速にVth-minに達する。ベリファイによって各メモリセル毎にしきい値が検証され、しきい値下限Vth-minに達していると検知されると、各メモリセル毎に電子注入動作は終了させられる。   If the initial pulse voltage Vcg0 is made sufficiently small, the threshold value of the memory cell that is most likely to inject electrons can be reliably controlled to be lower than the upper threshold value Vth-max, and a wide Vpp margin can be obtained. max−Vth−min = ΔVpp. In the memory cell that is most difficult to inject electrons, Vth-min is reached at a high speed by increasing Vpp. By verifying the threshold value for each memory cell and detecting that the threshold lower limit Vth-min has been reached, the electron injection operation is terminated for each memory cell.

この方式では、さらに電子注入量の増加に従って、Vppが高められるため、浮遊ゲート電圧Vfgの最大値Vfg-maxが抑えられ、トンネル酸化膜の劣化も抑制される。実際には、しきい値変化量ΔVthが毎電子注入動作時に一定値ΔVppとなり、浮遊ゲート電圧Vfgも毎回同じように印加され、その結果、Vfg-maxが抑えられる。   In this method, Vpp is further increased as the electron injection amount increases, so that the maximum value Vfg-max of the floating gate voltage Vfg is suppressed, and deterioration of the tunnel oxide film is also suppressed. Actually, the threshold change amount ΔVth becomes a constant value ΔVpp at the time of every electron injection operation, and the floating gate voltage Vfg is applied in the same way every time. As a result, Vfg-max is suppressed.

図3は、本発明の第2の実施例に係わる電子注入方式を示している。基本的には第1の実施例と同様であるが、電子注入初期の数発のパルスを1つにまとめ、ベリファイ動作を省くことで高速化している。この方式では、図2に示される電子注入方式で、メモリセルのしきい値が電子注入初期の数発のパルスでVth-minに達しないような場合、電子注入を高速に行うためには有効である。   FIG. 3 shows an electron injection method according to the second embodiment of the present invention. Basically, it is the same as that of the first embodiment, but the number of pulses at the initial stage of electron injection is combined into one and the verification operation is omitted to increase the speed. This method is effective for performing electron injection at high speed when the threshold value of the memory cell does not reach Vth-min with several pulses at the beginning of electron injection in the electron injection method shown in FIG. It is.

図4は、第2の実施例において、最も電子注入されやすいメモリセル、典型的なメモリセル、最も電子注入されにくいメモリセル、のしきい値の時経変化を示すものである。トンネル酸化膜の劣化を防ぐためには、Vfg-maxが小さい方がよい。このため、図5に示すように、Vppパルス幅ΔtとVpp増加率ΔVppを小さくするとよい。しかし、これではベリファイ動作回数が増加し、電子注入に時間がかかる。また、必要以上にしきい値分布幅が狭く、無駄が多い。   FIG. 4 shows changes over time in threshold values of a memory cell in which electrons are most easily injected, a typical memory cell, and a memory cell in which electrons are most difficult to be injected in the second embodiment. In order to prevent the deterioration of the tunnel oxide film, it is preferable that Vfg-max is small. For this reason, as shown in FIG. 5, it is preferable to reduce the Vpp pulse width Δt and the Vpp increase rate ΔVpp. However, this increases the number of verify operations and takes time for electron injection. In addition, the threshold distribution width is narrower than necessary and wasteful.

図6は、本発明の第3の実施例に係わる電子注入方式を示している。これは、図5に見られるVppパルスを数発ずつまとめたものである。初期的には、図3,4で説明したように、より多くのVppパルスをまとめている。この方法によって、浮遊ゲート電圧Vfgはほぼ一定となり、図3,4で説明した方式よりトンネル酸化膜の劣化を抑えつつ、同様にVth-max−Vth-min=ΔVppとし、高速に電子注入できる。   FIG. 6 shows an electron injection method according to the third embodiment of the present invention. This is a summary of several Vpp pulses seen in FIG. Initially, as described in FIGS. 3 and 4, more Vpp pulses are collected. By this method, the floating gate voltage Vfg becomes substantially constant, and similarly, Vth−max−Vth−min = ΔVpp can be obtained while suppressing the deterioration of the tunnel oxide film as compared with the method described with reference to FIGS.

図7は、本発明の第4の実施例に係わる電子注入方法を示すものである。これは、図6で示される方法で、Δt0→0,ΔVpp0 →0としたもので、各Vppパルスは一定のdVpp/dtを持ち、連続的にΔVppだけ上昇する。この方法では電子注入中の浮遊ゲート電位をほぼ一定にすることができ、トンネル酸化膜の劣化は最小に抑えられる。   FIG. 7 shows an electron injection method according to the fourth embodiment of the present invention. This is a method shown in FIG. 6 in which Δt0 → 0 and ΔVpp0 → 0. Each Vpp pulse has a constant dVpp / dt and continuously increases by ΔVpp. In this method, the floating gate potential during electron injection can be made substantially constant, and the deterioration of the tunnel oxide film can be minimized.

以上説明したNMOSメモリセルへの電子注入動作中は、Vppが十分高ければチャネル部は反転していて、ドレイン,ソース,チャネル部は同電位である。よって、例えば図7に示される方法は、以下に示す図8,9のような方法と同じである。   During the electron injection operation to the NMOS memory cell described above, if Vpp is sufficiently high, the channel portion is inverted, and the drain, source, and channel portions are at the same potential. Therefore, for example, the method shown in FIG. 7 is the same as the method shown in FIGS.

図8に示される方法は、制御ゲート電圧Vcgを一定にし、ドレイン電圧Vd を徐々に低下させる。これによって図7に示される方法と図8に示される方法は同じ効果を生む。図8に示される方法で、ドレインに印加する電圧の初期値Vd0が高く、耐圧を越えてしまうようであれば、図9に示される方法を用いればよい。つまり、ドレイン電圧の初期値Vd0を下げて、同時に制御ゲートの初期値Vcg0 も下げる。ドレイン電圧Vd が0Vまで下がりきったら、制御ゲート電圧VcgをVd0だけ上げ、Vd をVd0から下げていく。このような方式でも、図7に示される方法と同じ効果が得られる。   In the method shown in FIG. 8, the control gate voltage Vcg is made constant and the drain voltage Vd is gradually lowered. As a result, the method shown in FIG. 7 and the method shown in FIG. 8 produce the same effect. If the initial value Vd0 of the voltage applied to the drain is high and exceeds the breakdown voltage by the method shown in FIG. 8, the method shown in FIG. 9 may be used. That is, the initial value Vd0 of the drain voltage is lowered, and at the same time, the initial value Vcg0 of the control gate is also lowered. When the drain voltage Vd has dropped to 0V, the control gate voltage Vcg is increased by Vd0, and Vd is decreased from Vd0. Even with this method, the same effect as the method shown in FIG. 7 can be obtained.

また、図7〜9では、dVpp/dt=一定としたが、現実的にこれが困難である場合でも、dVpp/dt≧0を保持しながらVppをΔtの時間にΔVppの率で変化させ、かつ電子注入後のしきい値分布幅がΔVppとなるようにすれば、dVpp/dt=一定の場合に近い効果が得られる。   7-9, dVpp / dt = constant, but even if this is difficult in practice, Vpp is changed at a rate of ΔVpp at the time of Δt while dVpp / dt ≧ 0, and If the threshold distribution width after electron injection is set to ΔVpp, an effect close to that obtained when dVpp / dt = constant is obtained.

電圧Vppには勿論上限があり、それはデバイスの耐圧Vbreak で決まる。VppがVbreak に達したらそれ以上はVppは高められない。この場合でも、VppがVbreak に達するまでの間、本発明による効果が得られる。また、図2〜9では、電子注入の場合について説明したが、電子放出の場合もp型ウェルに対する制御ゲートの極性を反転させ、同様に実施できる。   Of course, the voltage Vpp has an upper limit, which is determined by the breakdown voltage Vbreak of the device. Once Vpp reaches Vbreak, Vpp cannot be increased any further. Even in this case, the effect of the present invention can be obtained until Vpp reaches Vbreak. 2 to 9, the case of electron injection has been described, but the case of electron emission can be similarly implemented by inverting the polarity of the control gate with respect to the p-type well.

図10は、本発明の第5の実施例に係わるNANDセル型EEPROMのメモリセルアレイを示している。8個のメモリセルM1〜8が、それぞれ隣接するもの同士でソース,ドレインを共有する形で直列接続されて1つのNANDセルを構成し、一方の端子は第1の選択トランジスタS1を介してビット線BLに接続される。また、他方の端子は第2の選択トランジスタS2を介して、共通ソース線Vsに接続される。選択ゲートSG1,2は選択トランジスタS1,2のゲート電極、制御ゲートCG1〜8はメモリセルのゲート電極である。制御ゲートCGを共有するメモリセル群でページを構成し、選択ゲートSGを共有するNANDセル群でブロックを構成する。1つ1つのメモリセルは図1のような構造をしていて、メモリセルアレイは共通のp型ウェルに形成されている。   FIG. 10 shows a memory cell array of a NAND cell type EEPROM according to the fifth embodiment of the present invention. Eight memory cells M1 to M8 are connected in series so that adjacent ones share the source and drain to form one NAND cell, and one terminal is a bit via the first selection transistor S1. Connected to line BL. The other terminal is connected to the common source line Vs via the second selection transistor S2. The selection gates SG1 and SG2 are the gate electrodes of the selection transistors S1 and S2, and the control gates CG1 to CG8 are the gate electrodes of the memory cells. A page is constituted by a memory cell group sharing the control gate CG, and a block is constituted by a NAND cell group sharing the selection gate SG. Each memory cell has a structure as shown in FIG. 1, and the memory cell array is formed in a common p-type well.

このNANDセル型EEPROMの消去・書き込み・読み出し・書き込みベリファイの各動作は、次の通りである。   The operations of erasing, writing, reading and writing verification of the NAND cell type EEPROM are as follows.

消去は、ブロック単位で行われる。p型ウェルを高電圧Vpp(〜20V)にし、選択ブロック内の制御ゲートCG1〜8を0Vにする。非選択ブロック内の制御ゲートと全ての選択ゲートは、Vppにされる。浮遊ゲート内の電子はp型ウェルに放出され、メモリセルのしきい値は負となる。   Erasing is performed in units of blocks. The p-type well is set to the high voltage Vpp (˜20V), and the control gates CG1 to CG8 in the selected block are set to 0V. The control gate and all select gates in the unselected block are set to Vpp. Electrons in the floating gate are emitted to the p-type well, and the threshold value of the memory cell becomes negative.

消去後、ページ単位で一括してデータ書き込みが、ビット線から最も離れた位置のページから行われる。書き込み動作時は、選択されたページの制御ゲート(例えばCG4)にVpp(10〜20V程度)を印加し、非選択のページの制御ゲートCG1〜3、5〜8と第1の選択ゲートSG1に中間電位Vm(〜10V)を印加する。ビット線BLには、“0”書き込み動作の場合0V、“1”書き込み動作の場合Vmを与える。第2の選択ゲートSG2は0Vである。   After erasure, data is written in batches in units of pages from the page at the position farthest from the bit line. During the write operation, Vpp (about 10 to 20 V) is applied to the control gate (for example, CG4) of the selected page, and the control gates CG1 to 3 and 5-8 of the non-selected page and the first selection gate SG1 are applied. An intermediate potential Vm (-10 V) is applied. The bit line BL is supplied with 0V for “0” write operation and Vm for “1” write operation. The second selection gate SG2 is 0V.

“0”書き込み動作の場合、選択された制御ゲートCG4とチャネルの電位差Vppによって、電子がチャネルから浮遊ゲートにトンネル電流によって注入され、しきい値は正の方向に変化する。“1”書き込み動作の場合、チャネルの電位がVmにされているので、トンネル酸化膜にかかる電界は弱く電子の浮遊ゲートへの実効的な注入は起こらない。よって、しきい値は変化しない。   In the “0” write operation, electrons are injected from the channel into the floating gate by the tunnel current due to the potential difference Vpp between the selected control gate CG4 and the channel, and the threshold value changes in the positive direction. In the “1” write operation, since the channel potential is set to Vm, the electric field applied to the tunnel oxide film is weak and effective injection of electrons into the floating gate does not occur. Therefore, the threshold value does not change.

書き込み動作後、メモリセルのしきい値を確認するための、ベリファイが行われる。選択された制御ゲート(例えばCG4)にベリファイ電位(〜0.5V)を与え、非選択の制御ゲートCG1〜3,5〜8、第1,2の選択ゲートSG1,2を電源電圧Vccにする。もし“0”書き込み動作後に、ビット線BLとソース線が電気的に通じれば、その選択されたメモリセルのしきい値はベリファイ電位以下で“0”書き込み不十分で、再書き込み時に“0”書き込み動作が再度実行される。そうでなければ、しきい値はベリファイ電位以上で“0”書き込み十分で、それ以上の浮遊ゲートへの電子注入は必要でないと判断され、再書き込み時は“1”書き込み動作が実行される。“1”書き込み動作後はメモリセルのしきい値に拘らず、再書き込み動作時に再度“1”書き込み動作が実行される。   After the write operation, verification is performed to check the threshold value of the memory cell. A verification potential (˜0.5 V) is applied to the selected control gate (for example, CG4), and the non-selected control gates CG1 to 3, 5 to 8, and the first and second selection gates SG1 and SG2 are set to the power supply voltage Vcc. . If the bit line BL and the source line are electrically connected after the “0” write operation, the threshold value of the selected memory cell is lower than the verify potential, and “0” write is insufficient. The write operation is executed again. Otherwise, it is determined that “0” writing is sufficient when the threshold value is equal to or higher than the verify potential, and no further electron injection into the floating gate is necessary, and “1” writing operation is executed at the time of rewriting. After the “1” write operation, the “1” write operation is executed again during the rewrite operation regardless of the threshold value of the memory cell.

書き込み動作とベリファイ動作を繰り返しながらデータ書き込みを行うことで、書き込み時間は各メモリセル毎に調節される。1ページ分のメモリセル全てが書き込み十分と検出されると、1ページ分のデータ書き込みは終了する。   By writing data while repeating the write operation and the verify operation, the write time is adjusted for each memory cell. When it is detected that all the memory cells for one page are sufficiently written, the data writing for one page is completed.

読み出しは、選択された制御ゲート(例えばCG4)を0Vにし、非選択の制御ゲートCG1〜3,5〜8、第1,2の選択ゲートSG1,2を電源電圧Vccにする。予め充電されているビット線BLの電位が下がれば、メモリセルのしきい値は0V以下でデータは“1”である。ビット線BLの電位が保持されれば、メモリセルのしきい値は0V以上でデータは“0”である。読み出し動作から、メモリセルのしきい値は電源電圧Vcc以下でなければならない。   In reading, the selected control gate (for example, CG4) is set to 0 V, and the non-selected control gates CG1 to 3, 5 to 8 and the first and second selection gates SG1 and SG2 are set to the power supply voltage Vcc. When the potential of the precharged bit line BL is lowered, the threshold value of the memory cell is 0 V or less and the data is “1”. If the potential of the bit line BL is held, the threshold value of the memory cell is 0 V or more and the data is “0”. From the read operation, the threshold value of the memory cell must be lower than the power supply voltage Vcc.

次に、このようなNANDセル型EEPROMの、書き込み時の選択された制御ゲートCGへの書き込み電圧Vppの印加方法を説明する。   Next, a method of applying the write voltage Vpp to the selected control gate CG at the time of writing in such a NAND cell type EEPROM will be described.

図11は、制御ゲートを駆動する回路の構成を示す図である。各制御ゲート,選択ゲートに対して、制御ゲートドライバ11、第1,第2選択ゲートドライバ10,12の出力を選択的に転送する、転送回路9が設けられる。セルアレイ8のブロックに対応する10個の転送回路9群はブロック選択信号φwi,φwBi によって選択される。昇圧回路13は電源電圧Vccから書き込み・消去時に必要なVpp,Vmを発生し、制御ゲートドライバ11、第1,2選択ゲートドライバ10,12に供給する。   FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a circuit for driving the control gate. A transfer circuit 9 is provided for selectively transferring the outputs of the control gate driver 11 and the first and second selection gate drivers 10 and 12 to each control gate and selection gate. Ten transfer circuits 9 corresponding to the blocks of the cell array 8 are selected by block selection signals φwi and φwBi. The booster circuit 13 generates Vpp and Vm necessary for writing / erasing from the power supply voltage Vcc and supplies them to the control gate driver 11 and the first and second selection gate drivers 10 and 12.

図12は、図11の制御ゲートCG4の転送回路9、制御ゲートドライバ11、昇圧回路13の構成をより具体的に示している。転送回路9は、nチャネルMOSトランジスタ(n-ch. MOS Tr.) Qn1とpチャネルMOSトランジスタ(p-ch. MOS Tr.) Qp1で構成されるCMOS転送回路と、n-ch. MOS Tr. Qn2で構成されるリセット回路から構成される。信号φwi,φwBi がそれぞれ“H”,“L”となるとノードN1の電圧が制御ゲートへ転送され、“L”,“H”となると制御ゲートは接地される。昇圧回路13は、Vm昇圧回路14とVpp昇圧回路15から構成される。制御ゲートドライバ11は、第1スイッチ回路16、第2スイッチ回路17、第3スイッチ回路18から構成される。   FIG. 12 shows more specifically the configuration of the transfer circuit 9, the control gate driver 11, and the booster circuit 13 of the control gate CG4 of FIG. The transfer circuit 9 includes a CMOS transfer circuit composed of an n-channel MOS transistor (n-ch. MOS Tr.) Qn1 and a p-channel MOS transistor (p-ch. MOS Tr.) Qp1, an n-ch. MOS Tr. The reset circuit is composed of Qn2. When the signals φwi and φwBi become “H” and “L”, respectively, the voltage at the node N1 is transferred to the control gate, and when it becomes “L” and “H”, the control gate is grounded. The booster circuit 13 includes a Vm booster circuit 14 and a Vpp booster circuit 15. The control gate driver 11 includes a first switch circuit 16, a second switch circuit 17, and a third switch circuit 18.

第1スイッチ回路16は、Vm昇圧回路14の出力VmをノードN1に接続するか否かを制御する。第2スイッチ回路17は、Vpp昇圧回路15の出力VppをノードN1に接続するか否かを制御するが、ノードN1に転送される電圧はVpp−ΔVppである。第3スイッチ回路18は、Vpp昇圧回路15の出力VppをノードN1に接続するか否かを制御するが、ノードN1にVppを転送する時の電流量は、ノードN1の電位の上昇率dVpp/dtを制御するために制御される。   The first switch circuit 16 controls whether or not the output Vm of the Vm booster circuit 14 is connected to the node N1. The second switch circuit 17 controls whether or not the output Vpp of the Vpp booster circuit 15 is connected to the node N1, but the voltage transferred to the node N1 is Vpp−ΔVpp. The third switch circuit 18 controls whether or not the output Vpp of the Vpp booster circuit 15 is connected to the node N1, but the amount of current when Vpp is transferred to the node N1 is the rate of increase in the potential of the node N1 dVpp / Controlled to control dt.

図13は、制御ゲートドライバ11の具体的な構成を示している。第1スイッチ回路16は、p-ch. MOS Tr. Qp2〜4 ,n-ch. MOS Tr. Qn3,4,nチャネルDタイプMOSトランジスタ(n-ch. D-type MOS Tr.)QD1,及びインバータI1から構成される。Qp2,3,Qn3,4とインバータI1で構成される回路は、0VとVccの間で振幅する信号φ1 を、0VからVppの間を振幅する信号に変換する。φ1 が“L”で、Qp4のゲートはVpp、QD1のゲートは0Vとなり、VmとN1は切り離される。φ1 が“H”で、Qp4のゲートは0V、QD1のゲートはVppとなり、VmとN1は接続される。QD1は、N1がVppとなった場合にVppがQp4に転送されるのを防ぐためのものである。   FIG. 13 shows a specific configuration of the control gate driver 11. The first switch circuit 16 includes p-ch. MOS Tr. Qp2-4, n-ch. MOS Tr. Qn3,4, n-channel D-type MOS transistor (n-ch. D-type MOS Tr.) QD1, and It is composed of an inverter I1. A circuit composed of Qp2,3, Qn3,4 and an inverter I1 converts a signal φ1 having an amplitude between 0V and Vcc into a signal having an amplitude between 0V and Vpp. When φ1 is “L”, the gate of Qp4 is Vpp, the gate of QD1 is 0V, and Vm and N1 are separated. φ1 is “H”, the gate of Qp4 is 0V, the gate of QD1 is Vpp, and Vm and N1 are connected. QD1 is for preventing Vpp from being transferred to Qp4 when N1 becomes Vpp.

第2スイッチ回路17は、p-ch. MOS Tr. Qp5〜8 ,n-ch. MOS Tr. Qn5,6とインバータI2から構成される。φ2 が“L”で、Qp7のゲートはVppとなり、VppとN1は切り離される。φ2 が“H”で、Qp7のゲートは0Vとなり、VppとN1は接続され、VppよりQp8のしきい値分(〜1V)低い電圧がN1に転送される。   The second switch circuit 17 comprises p-ch. MOS Tr. Qp5-8, n-ch. MOS Tr. Qn5, 6 and an inverter I2. When φ2 is “L”, the gate of Qp7 becomes Vpp, and Vpp and N1 are disconnected. When φ2 is “H”, the gate of Qp7 becomes 0V, Vpp and N1 are connected, and a voltage lower than Vpp by the threshold value of Qp8 (˜1V) is transferred to N1.

第3スイッチ回路18は、p-ch. MOS Tr. Qp9〜11,n-ch. MOS Tr. Qn7,8とインバータI3と電流制御回路19から構成される。φ3 が“L”で、Qp11 のゲートはVppとなり、VppとN1は切り離される。φ3 が“H”で、Qp11 のゲートは0Vとなり、VppとN1は接続され、VppはN1に電流制御回路19によりdVpp/dtを制御されながら転送される。   The third switch circuit 18 includes p-ch. MOS Tr. Qp9 to 11, n-ch. MOS Tr. Qn7, 8, an inverter I3, and a current control circuit 19. When φ3 is “L”, the gate of Qp11 becomes Vpp, and Vpp and N1 are disconnected. When .phi.3 is "H", the gate of Qp11 becomes 0V, Vpp and N1 are connected, and Vpp is transferred to N1 while the current control circuit 19 controls dVpp / dt.

p-ch. MOS Tr. Qp12 ,n-ch. MOS Tr. Qn9,n-ch. D-type MOS Tr.QD2は、N1をVGH或いはVccにするための回路である。φ4 が“H”でN1はVGH、φ4 が“L”でN1はVccとなる。電圧VGHは通常0Vで、ベリファイ時にベリファイ電圧VVRFY(〜0.5V)になる。QD2は、信号φ5 が“L”となってノードN1にVmやVppが印加された場合に、Qp12 にVmやVppが転送されないようにするためのものである。   p-ch. MOS Tr. Qp12, n-ch. MOS Tr. Qn9, n-ch. D-type MOS Tr. QD2 is a circuit for setting N1 to VGH or Vcc. When φ4 is “H”, N1 is VGH, and φ4 is “L” and N1 is Vcc. The voltage VGH is normally 0V and becomes a verify voltage VVRFY (up to 0.5V) during verification. QD2 is for preventing Vm and Vpp from being transferred to Qp12 when the signal φ5 becomes "L" and Vm or Vpp is applied to the node N1.

図14は、図13中の電流制御回路19の具体的な構成を示す図である。図14(a)は、p-ch. MOS Tr. Qp13 〜15とn-ch. D-type MOS Tr.QD3,4から構成され、信号φ3Bは図13中の信号φ3 の反転信号である。信号φ3 が“H”、φ3Bが“L”となってノードN2がVppとなると、Qp15 のゲートはVpp−2Vtp(Vtpはp-ch. MOS Tr. のしきい値)となり、ノードN3からN1への電流はQp15 で制御される。   FIG. 14 is a diagram showing a specific configuration of current control circuit 19 in FIG. 14A includes p-ch. MOS Tr. Qp13 to 15 and n-ch. D-type MOS Tr. QD3, 4, and the signal φ3B is an inverted signal of the signal φ3 in FIG. When the signal .phi.3 is "H" and .phi.3B is "L" and the node N2 becomes Vpp, the gate of Qp15 becomes Vpp-2Vtp (Vtp is the threshold value of p-ch. MOS Tr.). Is controlled by Qp15.

図14(b)は、p-ch. MOS Tr. Qp16,17,n-ch. MOS Tr. Qn10 ,キャパシタC1と抵抗R1から構成される。信号φ3 が“H”、ノードN2がVppとなると、Qp16 のゲートはVppから0VまでキャパシタC1と抵抗R1により制御され変化する。よって、ノードN3からN1への電流はQp16 で制御される。   FIG. 14B includes p-ch. MOS Tr. Qp16, 17, n-ch. MOS Tr. Qn10, a capacitor C1, and a resistor R1. When the signal .phi.3 is "H" and the node N2 is Vpp, the gate of Qp16 is controlled and changed from Vpp to 0V by the capacitor C1 and the resistor R1. Therefore, the current from the node N3 to N1 is controlled by Qp16.

図15は、以上のように構成されたEEPROMの書き込み動作を示すタイミング図である。ここでは、制御ゲートCG4が選択されているとする。まず、電圧Vm,Vppが昇圧回路14,15によって電源電圧Vccから昇圧される。電圧Vppは、書き込み/ベリファイが繰り返される毎に、Vpp1 からVtpづつ高くなる。図12に見られる信号φwi,φwBi は選択されたブロックで、それぞれVpp,0Vである。   FIG. 15 is a timing chart showing the write operation of the EEPROM configured as described above. Here, it is assumed that the control gate CG4 is selected. First, the voltages Vm and Vpp are boosted from the power supply voltage Vcc by the booster circuits 14 and 15. The voltage Vpp increases from Vpp1 by Vtp every time the writing / verification is repeated. Signals φwi and φwBi seen in FIG. 12 are selected blocks and are Vpp and 0V, respectively.

書き込み動作は、信号φ4 が“L”となってノードN1がVccとなり、選択されたブロックの制御ゲートCG1〜8は全てVccとなる。同時に選択されたブロックの選択ゲートSG1もVccにされ、ビット線BLは“1”書き込みの場合のみVccにされる。選択ゲートSG2は書き込み動作中0Vとされる。φ1 が“H”となって、制御ゲートCG1〜8、選択ゲートSG1、“1”書き込みビット線BLはVmとなる。選択された制御ゲートCG4は、φ3 が“H”となることでVmからVpp1 まで時間Δt0 かけて制御されながら上げられる。非選択制御ゲートCG1〜3,5〜8と選択ゲートSG1,“1”書き込みビット線BLはVmのままである。非選択の制御ゲートに関する信号φ1 ,φ2 ,φ3 ,φ4 は図中点線で示してある。   In the write operation, the signal φ4 becomes “L”, the node N1 becomes Vcc, and the control gates CG1 to CG8 of the selected block all become Vcc. At the same time, the selection gate SG1 of the selected block is also set to Vcc, and the bit line BL is set to Vcc only when "1" is written. The selection gate SG2 is set to 0V during the write operation. φ1 becomes “H”, and the control gates CG1 to CG8, the selection gate SG1, and the “1” write bit line BL become Vm. The selected control gate CG4 is raised while being controlled from Vm to Vpp1 over time Δt0 by φ3 becoming “H”. The non-selection control gates CG 1 to 3 and 5 to 8 and the selection gate SG 1 and the “1” write bit line BL remain at Vm. Signals φ1, φ2, φ3, and φ4 relating to unselected control gates are indicated by dotted lines in the figure.

φ4 が“H”となって全制御ゲートCG1〜8は0Vとなる。このとき、選択ゲートSG1も0Vにリセットされ、遅れてビット線BLが0Vにリセットされる。   φ4 becomes “H” and all the control gates CG1 to CG8 become 0V. At this time, the selection gate SG1 is also reset to 0V, and the bit line BL is reset to 0V with a delay.

続いて、ベリファイ動作となる。選択制御ゲートCG4はベリファイ電位VVRFYになり、非選択制御ゲートCG1〜3,5〜8はφ4 が“L”となってVccとされる。選択ゲートSG1,2もVccとなる。“0”書き込みすべきメモリセルのしきい値がVVRFYを越えたと検出されると、再書き込み動作時に“1”書き込みが行われ、過剰“0”書き込みが防がれる。“0”書き込みすべきメモリセルのしきい値がVVRFYを越えてない検出されると、再書き込み動作時に“0”書き込みが再度行われる。“1”書き込みすべきメモリセルでは、再書き込み動作時には“1”書き込みが再度行われる。   Subsequently, a verify operation is performed. The selection control gate CG4 becomes the verify potential VVRFY, and the non-selection control gates CG1 to 3 and 5-8 are set to Vcc with φ4 being "L". The selection gates SG1 and SG2 are also at Vcc. When it is detected that the threshold value of the memory cell to which “0” is to be written exceeds VVRFY, “1” is written during the rewriting operation, and excessive “0” writing is prevented. When it is detected that the threshold value of the memory cell to which “0” is to be written does not exceed VVRFY, “0” is written again during the rewrite operation. In the memory cell to which “1” is to be written, “1” is written again during the rewrite operation.

2回目以降の書き込み動作では、選択制御ゲートCG4はVmまで充電された後、φ2 が出力され、前回の書き込み動作時の選択制御ゲート最大電圧まで急速に充電される。更に、φ3 が“H”となって、Vtpだけ時間Δtをかけて制御されながら上げられる。例えば、2回目の書き込み動作時には、Vpp1 からVpp2 (Vpp2 =Vpp1 +Vtp)まで制御されながら上げられる。   In the second and subsequent write operations, after the selection control gate CG4 is charged to Vm, φ2 is output and rapidly charged to the maximum voltage of the selection control gate in the previous write operation. Further, φ3 becomes “H” and is raised while being controlled by Vtp over time Δt. For example, during the second write operation, the voltage is raised while being controlled from Vpp1 to Vpp2 (Vpp2 = Vpp1 + Vtp).

初回の書き込み動作時の( Vpp1 −Vm) /Δt0 と2回目以降の書き込み動作時のVtp/Δtはほぼ同じ値になるように設定される。初回の書き込み動作時には、最も速く“0”書き込みされるメモリセルのしきい値が、“0”書き込み後収まるべきしきい値分布の最大値以下になるよう、2回目以降の書き込み動作時には、“0”書き込みすべきメモリセルのしきい値がΔVpp(ΔVppはVppの増加率で、この例ではVtp)シフトするように、設定される(図16)。よって、“0”書き込み後のしきい値分布幅はΔVpp(この例ではVtp)となる。   (Vpp1−Vm) / Δt0 in the first write operation and Vtp / Δt in the second and subsequent write operations are set to be substantially the same value. In the first write operation, the threshold value of the memory cell to be written “0” the fastest is equal to or less than the maximum value of the threshold distribution that should be accommodated after “0” write. The threshold value of the memory cell to be written with 0 ″ is set to shift by ΔVpp (ΔVpp is an increase rate of Vpp, Vtp in this example) (FIG. 16). Therefore, the threshold distribution width after writing “0” is ΔVpp (Vtp in this example).

データ書き込みは、以上の書き込み動作とベリファイ動作を繰り返し行い、全ての“0”書き込みすべきメモリセルのしきい値が、VVRFYを越えたと検出されると、終了する。   The data write operation is repeated when the above write operation and verify operation are repeated, and it is detected that the threshold values of all the memory cells to be written with “0” exceed VVRFY.

制御ゲートドライバ11の他の実施例を、図17,18に示す。ここでは、2つのVpp昇圧回路A20とVpp昇圧回路B21が設けられ、それぞれの出力はVppA ,VppB である。第4スイッチ回路22は、Vpp昇圧回路A20の出力VppA をノードN1に接続するか否かを制御する。   Another embodiment of the control gate driver 11 is shown in FIGS. Here, two Vpp booster circuits A20 and Bpp booster circuit B21 are provided, and their outputs are VppA and VppB, respectively. The fourth switch circuit 22 controls whether or not the output VppA of the Vpp booster circuit A20 is connected to the node N1.

図19は、書き込み動作を示すタイミング図である。VppA ,VppB は初回の書き込み動作時は同じVpp1 で、2回目の書き込み動作以降VppB =VppA +ΔVppとされる。VppA ,VppB 以外は、図15と同じである。この実施例では、ΔVppの設定が、図12,13に示される実施例より容易である。   FIG. 19 is a timing chart showing a write operation. VppA and VppB are the same Vpp1 in the first write operation, and VppB = VppA + ΔVpp after the second write operation. Except for VppA and VppB, it is the same as FIG. In this embodiment, the setting of ΔVpp is easier than in the embodiments shown in FIGS.

図20は、本発明の第7の実施例に係わる電子注入方式を示している。これは、1つのメモリセルに3つの状態(データ“0”,“1”,“2”)を記憶させるものである。Vppパルス波形は、図7に示したものと同じであるが、“2”書き込みするメモリセルと“1”書き込みするメモリセルに印加される電圧はΔVppB だけ異なる。また、ベリファイ動作で、“2”書き込みすべきメモリセルで所望のしきい値(VVRFY2 )に達していないもの、“1”書き込みすべきメモリセルで所望のしきい値(VVRFY1 )に達していないもの、がそれぞれ検出され、それらのメモリセルのみ“2”或いは“1”追加書き込みが行われる。この時、dVpp2 /dt=dVpp1 /dt=ΔVppA とされ、ΔVppA はメモリセルのしきい値変化量dVth/dtと等しくされる。   FIG. 20 shows an electron injection method according to the seventh embodiment of the present invention. In this case, three states (data “0”, “1”, “2”) are stored in one memory cell. The Vpp pulse waveform is the same as that shown in FIG. 7, but the voltage applied to the memory cell for writing “2” and the memory cell for writing “1” differs by ΔVppB. In the verify operation, the memory cell to be written “2” does not reach the desired threshold value (VVRFY2), and the memory cell to be written “1” does not reach the desired threshold value (VVRFY1). Are detected, and “2” or “1” additional writing is performed only on those memory cells. At this time, dVpp2 / dt = dVpp1 / dt = ΔVppA, and ΔVppA is made equal to the threshold value change amount dVth / dt of the memory cell.

これによって“2”と“1”書き込み後のしきい値分布ΔVthはΔVppA となる。また、ΔVppB は、“2”と“1”書き込み後のしきい値分布の間のしきい値マージンΔVmarjinにしきい値分布幅ΔVthを加えたものと等しくされる(ΔVppB =ΔVth+ΔVmarjin、又はΔVppB =VVRFY2 −VVRFY1 )。これによって、“2”と“1”書き込みはそれぞれ独立に並行処理され、高速に書き込みが行われる。当然、メモリセルのトンネル酸化膜に印加される最大電圧は最小に抑えられる。   As a result, the threshold distribution ΔVth after writing “2” and “1” becomes ΔVppA. ΔVppB is equal to the threshold margin ΔVmarjin between the threshold distributions after writing “2” and “1” plus the threshold distribution width ΔVth (ΔVppB = ΔVth + ΔVmarjin, or ΔVppB = VVRFY2 -VVRFY1). As a result, “2” and “1” writing are independently processed in parallel, and writing is performed at high speed. Naturally, the maximum voltage applied to the tunnel oxide film of the memory cell is minimized.

また、“2”と“1”書き込みがそれぞれ独立に並行処理され、高速に書き込みが行われるという意味では、Vppパルス波形はいかなる形の場合でも、“2”書き込みするメモリセルと“1”書き込みするメモリセルに印加される電圧をΔVppB だけ差をつけることは効果がある。   Further, in the sense that “2” and “1” writing are independently processed in parallel and writing is performed at a high speed, the Vpp pulse waveform is in any form and the memory cell to be written “2” and the “1” writing It is effective to make a difference of ΔVppB between the voltages applied to the memory cells.

以上の主旨に従えば4値以上の多値記憶の場合も同様に実施できる。図20では、電子注入の場合について説明したが、電子放出の場合もp型ウェルに対する制御ゲートの極性を反転させ、同様に実施できる。   According to the above gist, the present invention can be similarly implemented in the case of multivalue storage of four or more values. Although the case of electron injection has been described with reference to FIG. 20, the case of electron emission can be similarly implemented by inverting the polarity of the control gate with respect to the p-type well.

基本的に本発明は、電子(正孔)注入或いは放出による浮遊ゲートの電位変化が、徐々に高められるVppによって浮遊ゲート下の電子(正孔)が移動する酸化膜部分に印加される電界の上昇を打ち消すようにしていることに特徴がある。よって、この主旨に従えば、以上の説明の実施例のようにチャネル全面を介するトンネル電流で電子(正孔)注入或いは放出を行うもの以外に、例えば、ドレイン又はソースと浮遊ゲートの間のトンネル電流で行うものや、ホットエレクトロン或いはホットホールで行うものでも、同様の効果が得られる。   Basically, according to the present invention, the potential change of the floating gate due to electron (hole) injection or emission is gradually increased by Vpp, and the electric field applied to the oxide film portion where the electrons (holes) under the floating gate move. It is characterized by canceling the rise. Therefore, according to this gist, for example, a tunnel between a drain or a source and a floating gate other than the one in which electrons (holes) are injected or emitted by a tunnel current through the entire channel surface as in the embodiment described above. The same effect can be obtained by using current, hot electrons, or hot holes.

本発明の実施例に用いたメモリセルの構造と等価回路を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a structure and an equivalent circuit of a memory cell used in an example of the present invention. 第1の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the electron injection system which took in the verify operation | movement in a 1st Example. 第2の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the electron injection system which took in the verify operation | movement in a 2nd Example. 第2の実施例における、ビット毎ベリファイ動作を取り入れた従来の電子注入方式によるメモリセルのしきい値変化を示す図。The figure which shows the threshold value change of the memory cell by the conventional electron injection system which took in the verify operation | movement for every bit in a 2nd Example. 第2の実施例における、よりメモリセルのしきい値の制御性を高めるための、ベリファイ動作を取り入れた、電子注入方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the electron injection system which took in the verify operation | movement for improving controllability of the threshold value of a memory cell more in the 2nd Example. 第3の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the electron injection system which took in the verify operation | movement in a 3rd Example. 第4の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the electron injection system which took in the verify operation | movement in a 4th Example. 第4の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the electron injection system which took in verify operation | movement in a 4th Example. 第4の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the electron injection system which took in verify operation | movement in a 4th Example. 第5の実施例における、NANDセル型EEPROMのメモリセルアレイを示す図を示す図。The figure which shows the figure which shows the memory cell array of the NAND cell type EEPROM in a 5th Example. 第5の実施例における、制御ゲートを駆動する回路の構成を示す図。The figure which shows the structure of the circuit which drives a control gate in a 5th Example. 第5の実施例における、制御ゲートドライバの回路構成を示す図。The figure which shows the circuit structure of the control gate driver in a 5th Example. 第5の実施例における、制御ゲートドライバの具体的な回路構成を示す図。The figure which shows the specific circuit structure of the control gate driver in a 5th Example. 第5の実施例における、制御ゲートドライバ中の電流制御回路の具体的な構成を示す図。The figure which shows the specific structure of the current control circuit in a control gate driver in a 5th Example. 第5の実施例における、書き込み/ベリファイ動作を説明するためのタイミング図。FIG. 10 is a timing chart for explaining a write / verify operation in the fifth embodiment. 第5の実施例における、メモリセルの書き込み特性を示す図。The figure which shows the write-in characteristic of the memory cell in a 5th Example. 第6の実施例における、制御ゲートドライバの構成を示す図。The figure which shows the structure of the control gate driver in a 6th Example. 第6の実施例における、制御ゲートドライバの具体的な回路構成を示す図。The figure which shows the specific circuit structure of the control gate driver in a 6th Example. 第6の実施例における、書き込み/ベリファイ動作を説明するためのタイミング図。FIG. 10 is a timing chart for explaining a write / verify operation in the sixth embodiment. 第7の実施例における、ベリファイ動作を取り入れた電子注入方式及びその電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection system which took in the verify operation | movement in the 7th Example, and its electron injection characteristic. 従来の電子注入方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the conventional electron injection system. ベリファイ動作を取り入れた従来方式による電子注入特性を示す図。The figure which shows the electron injection characteristic by the conventional system which took in verify operation | movement. ビット毎ベリファイ動作を取り入れた従来の電子注入方式によるメモリセルのしきい値変化を示す図。The figure which shows the threshold value change of the memory cell by the conventional electron injection system which took in the verify operation | movement for every bit.

符号の説明Explanation of symbols

1…制御ゲート 2…ゲート間絶縁膜
3…浮遊ゲート 4…トンネル酸化膜
5…n型拡散層 6…p型ウェル
7…n型基板 8…NANDセル型セルアレイ
9…転送回路 10…第1選択ゲートドライバ
11…制御ゲートドライバ 12…第2選択ゲートドライバ
13…昇圧回路 14…Vm昇圧回路
15…Vpp昇圧回路 16…第1スイッチ回路
17…第2スイッチ回路 18…第3スイッチ回路
19…電流制御回路 20…Vpp昇圧回路A
21…Vpp昇圧回路B 22…第4スイッチ回路
Qn …nチャネルMOSトランジスタ
Qp …nチャネルMOSトランジスタ
QD …nチャネルDタイプMOSトランジスタ
I…CMOSインバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Control gate 2 ... Inter-gate insulating film 3 ... Floating gate 4 ... Tunnel oxide film 5 ... N-type diffusion layer 6 ... P-type well 7 ... N-type substrate 8 ... NAND cell type cell array 9 ... Transfer circuit 10 ... First selection Gate driver 11 ... Control gate driver 12 ... Second selection gate driver 13 ... Booster circuit 14 ... Vm booster circuit 15 ... Vpp booster circuit 16 ... First switch circuit 17 ... Second switch circuit 18 ... Third switch circuit 19 ... Current control Circuit 20 ... Vpp booster circuit A
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Vpp booster circuit B 22 ... 4th switch circuit Qn ... n channel MOS transistor Qp ... n channel MOS transistor QD ... n channel D type MOS transistor I ... CMOS inverter

Claims (6)

半導体層と制御ゲートの間に電荷蓄積層を備えて構成された電気的に多値データ識別記録可能な複数の不揮発性半導体メモリセルと、
前記メモリセルのしきい値を制御するしきい値制御手段であって、前記メモリセルのしきい値を変動させるために前記制御ゲートと前記半導体層との間に電圧パルスを印加する第1のステップと、前記電圧パルスの印加後に前記メモリセルのしきい値を検出する第2のステップとを、前記メモリセルのしきい値が所望のしきい値に達するまで前記電圧パルスを一定の電圧変動分ずつ高めながら繰り返すしきい値制御手段と、
を備え、
前記電圧パルスの初期値は対応するメモリセルの達するべき書き込み状態に応じた電圧を有し、
前記第1のステップと前記第2のステップを前記複数のメモリセルに対して同時に行い、それぞれのメモリセルが前記所望のしきい値に達した時にそれぞれのメモリセルに対する前記電圧パルスの印加を独立に止めることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A plurality of nonvolatile semiconductor memory cells capable of electrically multi-valued data identification and recording , each comprising a charge storage layer between a semiconductor layer and a control gate ;
Threshold value control means for controlling a threshold value of the memory cell, wherein a voltage pulse is applied between the control gate and the semiconductor layer in order to change the threshold value of the memory cell; And a second step of detecting a threshold value of the memory cell after application of the voltage pulse, and the voltage pulse is subjected to constant voltage fluctuation until the threshold value of the memory cell reaches a desired threshold value. Threshold control means to repeat while increasing by minutes,
With
The initial value of the voltage pulse has a voltage corresponding to the write state to be reached by the corresponding memory cell ,
The first step and the second step are simultaneously performed on the plurality of memory cells, and when each memory cell reaches the desired threshold value, the voltage pulse is independently applied to each memory cell. the nonvolatile semiconductor memory device characterized by stopping the.
前記書き込みパルスの電圧は段階的に増加することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。   2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the voltage of the write pulse increases stepwise. 前記書き込みパルスの電圧は時間と共にリニアに増加することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。   2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the voltage of the write pulse increases linearly with time. 前記書き込みパルスが印加されていない期間に前記メモリセルの書き込み状態は検出されることを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。   2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein a write state of the memory cell is detected during a period in which the write pulse is not applied. 所定の回数だけ前記メモリセルの書き込み状態の検出は省略されることを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。   5. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4, wherein detection of a write state of the memory cell is omitted a predetermined number of times. 前記メモリセルは所定個ずつ直列に接続されてNAND型メモリユニットを構成することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。   2. The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein said memory cells are connected in series to form a NAND type memory unit.
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