JP3897388B2 - シリアルアクセス方式の半導体記憶装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はシリアルアクセス方式の半導体記憶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図11に示すように、従来のシリアルアクセス方式のフラッシュメモリ(電気的一括消去形プログラマブル読み出し専用メモリ)はメモリアレイ部501と周辺回路部502を備えている。メモリアレイ部501には、複数のメモリセル(浮遊ゲート形トランジスタ)CELLが行列状に配置されたメモリセルアレイ510と、データ線D,D#の間に互いに逆向きに接続された2つのインバータIV40,IV40#からなるラッチ回路LA40とが設けられている。周辺回路部502には、複数のラッチ回路LA50,LA52,…を備えたシフトレジスタ520が設けられている。各ラッチ回路LA50,LA52,…は、ループ状に接続されたCMOSインバータIV50,CMOSインバータIV50#およびNMOSトランジスタQ50#を有している。各ラッチ回路LA50,LA52,…はNMOSトランジスタQ50を介して順に直列に接続されている。各NMOSトランジスタQ50;Q50#はそれぞれシフトレジスタ制御信号SF1,SF3,…;SF0#,SF2#,…によってオンオフ制御されるようになっている。
【0003】
読み出し動作時には、読み出し制御信号RをHレベルにしてNMOSトランジスタQ41をオンするとともに、読み出すべきメモリセルCELLにつながるワード線WLを選択して、そのメモリセルCELLを介してビット線BLからグランドVssへ電流が流れたかどうか(メモリセルCELLの記憶内容(データ)すなわち浮遊ゲート形トランジスタのしきい値電圧Vthに応じて決まる)をNMOSトランジスタMのゲート電圧の変化として検出し、その結果を一旦ラッチ回路LA40によって記憶する。その後、転送信号TRANをHレベルにしてNMOSトランジスタQ42,Q42#をオンして、ラッチ回路LA40に記憶されたデータをデータ線D,D#を通してシフトレジスタ520のラッチ回路LA50へ転送する。一方、書き込み(プログラム)動作時には、転送信号TRANをHレベルにしてNMOSトランジスタQ42,Q42#をオンして、シフトレジスタ520のラッチ回路LA50が記憶している書き込みデータをデータ線D,D#を通してラッチ回路LA40に取り込み、その後、ラッチ回路LA40の電源をVccからより高電圧のVprogに切り替え、書き込み制御信号WをHレベルにしてNMOSトランジスタQ40をオンし、書き込むべきメモリセルCELLにつながるワード線WL、ビット線BLに所定の電圧を印加してメモリセルCELLのしきい値電圧Vthを制御する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のフラッシュメモリでは、メモリセルCELLから読み出されたデータは、メモリアレイ部501のラッチ回路LA40に一旦保持された後、周辺回路部502のシフトレジスタ520へ転送されることになり、また、シフトレジスタ520にロードされた書き込みデータは、上記ラッチ回路LA40に一旦保持された後、メモリセルCELLに書き込まれることになり、読み出し動作や書き込み動作に必ずラッチ回路LA40が介在するため、アクセス時間と消費電力の点でロスが大きいという問題がある。
【0005】
そこで、この発明の目的は、アクセス時間を短縮するとともに消費電流を低減できるシリアルアクセス方式の半導体記憶装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載のシリアルアクセス方式の半導体記憶装置は、複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、直列に接続された複数のラッチ回路を有し、読み出し動作時に上記メモリセルアレイからビット線を介して受けたデータを上記各ラッチ回路に一旦保持し、保持したデータを上記ラッチ回路が並ぶ順にシリアルに出力するシフトレジスタとを備えたシリアルアクセス方式の半導体記憶装置において、
上記シフトレジスタの上記ラッチ回路が、データを保持するようにループ状に接続された一対のインバータを有し、上記一対のインバータと電源との間にプルアップ信号によってオンオフ制御されるPMOSトランジスタが介挿される一方、上記一対のインバータとグランドとの間にプルダウン信号によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタが介挿され、
上記シフトレジスタ内の特定のラッチ回路のみが、上記メモリセルアレイ内のメモリセルに記憶されたデータをセンス増幅することを特徴とする。
【0007】
この請求項1のシリアルアクセス方式の半導体記憶装置では、読み出し動作時に、シフトレジスタを構成するラッチ回路において、上記一対のインバータと電源との間に介挿されたPMOSトランジスタがプルアップ信号によってオンされる一方、上記一対のインバータとグランドとの間に介挿されたNMOSトランジスタがプルダウン信号によってオンされる。そして、上記シフトレジスタ内の特定のラッチ回路が上記メモリセルアレイ内の特定のメモリセルに記憶されたデータをセンス増幅して一旦保持する。この後、上記データを上記シフトレジスタ内の上記特定のラッチ回路に隣接するラッチ回路に転送する。そ して、上記特定のラッチ回路が、上記メモリセルアレイ内の別のメモリセルに記憶されたデータをセンス増幅して一旦保持する。このようにして、シフトレジスタ内の隣接するラッチ回路間でデータを順に転送しながら、上記特定のラッチ回路によって上記メモリセルアレイ内のメモリセルに記憶されたデータを次々とセンス増幅し、読み出してゆくことができる。また、書き込み動作時には、上記シフトレジスタの上記各ラッチ回路にロードされた書き込みデータが、ラッチ回路を介さず、上記メモリセルアレイ内のメモリセルに直接書き込まれる。したがって、従来(メモリセルアレイとシフトレジスタとの間にラッチ回路が介在する場合)に比してアクセス時間が短縮されるとともに消費電力が低減される。
【0008】
また、このシリアルアクセス方式の半導体記憶装置では、メモリセルアレイとシフトレジスタとの間のラッチ回路が省略されるので、レイアウト面積が低減される。
【0009】
また、このシリアルアクセス方式の半導体記憶装置では、シフトレジスタ内でセンス増幅を行うラッチ回路が特定のものに限定されているので、センス増幅を行うための昇圧用の素子をラッチ回路に付加するような場合に、そのような素子を付加すべきラッチ回路の数を減らすことができる。それに応じて、レイアウト面積が低減される。
【0010】
請求項2のシリアルアクセス方式の半導体記憶装置は、
複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、
直列に接続された複数のラッチ回路を有し、読み出し動作時に上記メモリセルアレイからビット線を介して受けたデータを上記各ラッチ回路に一旦保持し、保持したデータを上記ラッチ回路が並ぶ順にシリアルに出力するシフトレジスタとを備えたシリアルアクセス方式の半導体記憶装置において、
上記シフトレジスタの上記ラッチ回路が、データを保持するようにループ状に接続された一対のインバータを有し、上記一対のインバータと電源との間にプルアップ信号によってオンオフ制御されるPMOSトランジスタが介挿される一方、上記一対のインバータとグランドとの間にプルダウン信号によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタが介挿され、
上記シフトレジスタの上記ラッチ回路が、上記メモリセルアレイ内のメモリセルに記憶されたデータをセンス増幅するとともに、
センス増幅を行うために、上記ビット線につながる上記一対のインバータ同士の接続点に、昇圧用の素子を介して、オン状態のメモリセルによってディスチャージされるべき電圧の1/2だけ上記接続点の電位を昇圧させる昇圧信号を供給するようになっていることを特徴とする。
【0011】
この請求項2のシリアルアクセス方式の半導体記憶装置では、差動増幅すなわちセンス増幅を確実に行うことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明のシリアルアクセス方式の半導体記憶装置を実施の形態により詳細に説明する。
【0013】
図1は、この発明の一実施形態としてのフラッシュメモリの概略構成を示している。このフラッシュメモリ(電気的一括消去形プログラマブル読み出し専用メモリ)は、メモリセルCELL(0,1,2,3,…の数字を付して個々に特定される)が行列状に配置されたメモリセルアレイ1と、このメモリセルアレイ1の両側に設けられたシフトレジスタ2A,2Bと、ビット線セレクタ3A,3Bと、セレクトゲートデコーダ4と、ロウデコーダ5と、書き込み回路としてのプログラム回路6A,6Bと、消去回路7A,7Bと、入力バッファ9と、出力バッファ10を備えている。
【0014】
メモリセルアレイ1の各メモリセルCELLは、この例ではトリプルウエル(p型シリコン基板に形成されたn−ウエル内にさらに形成されたp−ウエル)内に形成された高不純物濃度のドレイン領域(n+拡散領域)Dおよび低不純物濃度のソース領域(n−拡散領域)Sを持つ浮遊ゲート形トランジスタ(フラッシュメモリセル)からなっている。各メモリセルCELLのドレイン領域Dおよびソース領域Sは、仮想グランド方式のサブビット線SBL(0,1,2,3,…の数字を付して個々に特定される)となる。2本のサブビット線SBLが、セレクトゲートデコーダ4が作成するセレクトゲート制御信号SG0,SG1,SG2およびSG3によって選択されて1本のメインビット線MBL(0,1,…の数字を付して個々に特定される)につながるようになっている。なお、図1中には、メモリセルアレイ1のうちの1ブロック分のみが描かれており、その縦方向に並ぶ他の複数のブロックが省略されている。ここで1ブロックというのは、サブビット線SBLを共有してワード線WL0,…,WLnにつながる範囲のことである。
【0015】
シフトレジスタ2Aは、それぞれラッチ部SA0,SA2,…を含む複数のラッチ回路SR0,SR2,…を有している。各ラッチ部SA0,SA2,…は、図8(ラッチ部SA0を例示する)に示すように、ループ状に接続されたCMOSインバータIV0,CMOSインバータIV0#およびNMOSトランジスタQ0#を有している。インバータIV0,IV0#と電源(電圧Vcc)との間にはプルアップ信号SEPによってオンオフ制御されるPMOSトランジスタQsepが介挿される一方、インバータIV0,IV0#とグランド(電位Vss)との間にはプルダウン信号SENによってオンオフ制御されるNMOSトランジスタQsenが介挿されている。これらのトランジスタQsep,Qsen(複数のラッチ部で共用しても良い)がオンされることにより、各ラッチ部SA0,SA2,…は、センスノード(トランジスタQ0#とインバータIV0との接続点)sr0lとセンスノード(インバータIV0とインバータIV0#との接続点)sr0rとの間の電位差を差動増幅する。図1に示すように、各ラッチ部SA0,SA2,…は、それぞれセンスノードsr0l,sr0rの箇所において、NMOSトランジスタQ0を介して順に直列に接続されている。各NMOSトランジスタQ0;Q0#はそれぞれシフトレジスタ制御信号SF1,SF3,…;SF0#,SF2#,…によってオンオフ制御されるようになっている。なお、各NMOSトランジスタQ0;Q0#に、これらのシフトレジスタ制御信号を反転させた信号によってオンオフ制御されるPMOSトランジスタを並列に接続して、シフトレジスタのシフト動作における電気的特性を向上させるようにしても良い。また、各ラッチ部SA0,SA2,…の一方のセンスノードsr0lには、差動増幅を確実に行うために昇圧信号BOOST0,BOOST1,…を供給するためのキャパシタC0が接続されている。各ラッチ部SA0,SA2,…の他方のセンスノード(出力ノード)sr0rには、それぞれプリチャージ電圧Vpreを供給するための、プリチャージ信号PRE(0,1,…の数字を付して個々に特定される)によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタQ1が接続されている。
【0016】
シフトレジスタ2Bは、シフトレジスタ2Aと対称に、それぞれラッチ部SA1,SA3,…を含む複数のラッチ回路SR1,SR3,…を有している。シフトレジスタ2Aは偶数アドレス用であり、その各構成要素が偶数0,2,…を付して個々に特定されているのに対し、シフトレジスタ2Bは奇数アドレス用であり、その各構成要素が奇数1,3,…を付して個々に特定されている。
【0017】
ビット線セレクタ3Aは、読み出し制御信号R0,R2または書き込み制御信号W0,W2によってオンオフ制御される複数のNMOSトランジスタQ3Aと、それぞれメインビット線MBL0,MBL1に接続され、ビット線切り離し信号CUT0,CUT1によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタ(トリプルウエル内に形成されている)Q4A,Q4A#を有している。同様に、ビット線セレクタ3Bは、読み出し制御信号R1,R3または書き込み制御信号W1,W3によってオンオフ制御される複数のNMOSトランジスタQ3Bと、それぞれメインビット線MBL0,MBL1に接続され、ビット線切り離し信号CUT1,CUT0によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタ(トリプルウエル内に形成されている)Q4B#,Q4Bを有している。
【0018】
セレクトゲートデコーダ4は、図3に示すように、XNOR(排他的否定論理和)回路31と、NOT(否定)回路32,33,34と、NOR(否定論理和)回路35,36,37,38と、NOT回路39,40,41,42とからなる。そして、アドレス信号A0,A1をデコードして、表1の論理テーブルに示すようなセレクトゲート信号SG0,SG1,SG2,SG3を出力する。
【表1】
【0019】
NMOSトランジスタQ2A,Q2Bは、メインビット線MBL0,MBL1側へプリチャージ電圧Vprea,Vprebを供給するために、それぞれプリチャージ信号PREa,PREbによってオンオフ制御されるようになっている。なお、プリチャージ電圧Vprea,Vprebは、図示しないプリチャージ電圧選択手段によって、個別にVpreまたはVssのいずれかに等しく設定される。
【0020】
プログラム回路6A,6Bは、それぞれメインビット線MBL1,MBL0側へプログラム電圧Vprogを供給するためのPMOSトランジスタQ6A,Q6Bを有している。PMOSトランジスタQ6Aのゲートは、ビット線セレクタ3Aを介して、シフトレジスタ2Aの各ラッチ回路SR0,SR2,…の出力ノードsr0r,…に接続されている。同様に、PMOSトランジスタQ6Bのゲートはビット線セレクタ3Bを介して、シフトレジスタ2Bの各ラッチ回路SR1,SR3,…の出力ノードに接続されている。書き込み動作時には、ビット線セレクタ3A,3Bの動作により、シフトレジスタ2A,2Bのいずれかの出力ノードがPMOSトランジスタQ6A,Q6Bのゲートに導通され、その出力ノードsr0r,…が保持しているデータ(データが0であれば出力ノードの電圧がHレベル、データが1であれば出力ノードの電圧がLレベルとなっている。)に応じて、これらのPMOSトランジスタQ6A,Q6Bがオンまたはオフされる。
【0021】
消去回路7A,7Bは、それぞれメインビット線MBL0,MBL1側へ消去電圧Veraseを供給するための、消去信号ERASEによってオンオフ制御されるNMOSトランジスタ(トリプルウエル内に形成されている)Q7A,Q7Bを有している。
【0022】
入力バッファ回路9は、図10に示すように、入力データを受ける入力バッファ部(通常の入力バッファ)9Cと、この入力バッファ部9Cの出力側に一対の並列接続のPMOSトランジスタQ9A,NMOSトランジスタQ9A#を介して接続されたラッチ回路9Aと、入力バッファ部9Cの出力側に一対の並列接続のPMOSトランジスタQ9B,NMOSトランジスタQ9B#を介して接続されたラッチ回路9Bとを有している。各トランジスタQ9A,Q9A#,Q9B,Q9B#がそれぞれアドレス信号A0,A0#,A0#,A0(A0とA0#とは相補の信号である)によってオンオフ制御される結果、入力バッファ部9Cの出力(書き込みデータ)がデマルチプレクスされる。ラッチ回路9A,9Bは、振り分けられたデータを受けて一旦保持し、それぞれ偶数アドレス用シフトレジスタ2A,奇数アドレス用シフトレジスタ2Bへ出力する。したがって、シフトレジスタが1列だけの場合に比して、書き込みデータを高速でシフトレジスタ2A,2Bへロードすることができる。
【0023】
出力バッファ回路10は、図9に示すように、偶数アドレス用シフトレジスタ2Aから出力データを受けて一旦保持するラッチ回路10Aと、奇数アドレス用シフトレジスタ2Bから出力データを受けて一旦保持するラッチ回路10Bと、出力バッファ部(通常の出力バッファ)10Cを有している。出力バッファ部10Cは、ラッチ回路10Aの出力側に、並列接続のPMOSトランジスタQ10A,NMOSトランジスタQ10A#を介して接続され、かつ、ラッチ回路10Bの出力側に、並列接続のPMOSトランジスタQ10B,NMOSトランジスタQ10B#を介して接続されている。各トランジスタQ10A,Q10A#,Q10B,Q10B#がそれぞれアドレス信号A0,A0#,A0#,A0(A0とA0#とは相補の信号である)によってオンオフ制御される結果、ラッチ回路10A,10Bの出力がマルチプレクスされる。したがって、2列のシフトレジスタ2A,2Bによって高速で転送されてきたデータを、出力バッファ部10Cを通して円滑にシリアル出力することができる。
【0024】
このシリアルアクセス方式の半導体記憶装置は、全体として次のようにして読み出し動作、書き込み(プログラム)動作、消去動作を行う。
【0025】
なお、以下では電源電圧Vcc=3(V)、グランド電圧(電位)Vss=0(V)とし、特に断らない限り、各種信号は高(H)レベルのとき電源電圧Vcc、低(L)レベルのときグランド電圧Vssとなるものとする。また、プリチャージ電圧Vpreは1(V)とする。後述するように、プログラム電圧Vprogはプログラム動作時に+4(V)、それ以外のときVssレベルに設定される。消去電圧Veraseは消去動作時に−8(V)、それ以外のときVssレベルに設定される。各動作時に、ワード線、ソース領域(n−拡散領域)側のビット線、ドレイン領域(n+拡散領域)側のビット線、ウエルの電位はそれぞれ表2に示すような値に設定される。
【表2】
×:ドントケア
【0026】
(1)読み出し動作
読み出し動作中は、メモリセルアレイ1からシフトレジスタ2A,2Bへのデータ転送経路を確保するために、ビット線切り離し信号CUT0をHレベルに保ってNMOSトランジスタQ4A,Q4Bをオン状態に設定しておく。一方、プログラム電圧Vprog、消去電圧Verase、書き込み制御信号W0,…,W3、ビット線切り離し信号CUT1、消去信号ERASE信号は、いずれもVssレベルに保持する。また、シフトレジスタ2A,2Bも最初は動作させないため、シフトレジスタ制御信号SF0#、SF2#、SF4#はHレベル、シフトレジスタ制御信号SF1、SF3、SF5はLレベルに設定する。
【0027】
まず、ロウデコーダ5でワード線を選択して、特定のワード線に適当な電圧(この例では3V)を印加する。ここではワード線WL0を選択したとする。
【0028】
シリアルアクセスを行うため、1本のワード線のデータは全て読み出し、シフトレジスタに転送する。ただし、仮想グランド方式であるため、4回の読み出し動作で1本のワード線につながる全メモリセルCELLの読み出しを行うものとする。
【0029】
すなわち、最初にメモリセルCELL0とその4個おきに並ぶ4n(n=1,2,…)番目のメモリセル(図1では省略されている)からデータを同時に読み出す。詳しくは、
i)サブビット線SBL0,SBL1およびシフトレジスタ2A中のビットSR0を選択するため、セレクトゲート制御信号SG0,SG2および読み出し制御信号R0をHレベルとする一方、セレクトゲート制御信号SG1,SG3および読み出し制御信号R1,R2,R3をLレベルとする。続いて、図示しないプリチャージ電圧選択手段によってプリチャージ電圧VpreaをVpre、プリチャージ電圧VprebをVssにそれぞれ設定した状態で、プリチャージ信号PREa,PREb,PRE0をHレベルにしてNMOSトランジスタQ2A,Q2Bおよびラッチ回路SR0のNMOSトランジスタQ1をオンさせる。これにより、サブビット線SBL0、メインビット線MBL0およびセンスノードsr0l,sr0rをプリチャージ電圧Vpreとする一方、サブビット線SBL1およびメインビット線MBL1をグランド電圧Vssとする。
【0030】
ii )この後、プリチャージ信号PREa,PRE0をLレベルにする。プリチャージ電圧Vpreにプリチャージされたサブビット線SBL0、メインビット線MBL0とセンスノードsr0lは、メモリセルCELL0のしきい値電圧Vthが高ければ(これをデータ0とする)メモリセルCELL0がオンしないため、ディスチャージされない。一方、メモリセルCELL0のしきい値電圧Vthが低ければ(これをデータ1とする)メモリセルCELL0がオンしているので、ディスチャージされる。
【0031】
iii )一定時間(メモリセルCELLがオンのとき、ディスチャージ後の電圧が(Vpre−ΔV)となる時間に予め設定しておく)が経過した後、読み出し制御信号R0をLレベルにしてNMOSトランジスタQ3Aをオフさせて、メインビット線MBL0とセンスノードsr0lとを切り離し、続いて、昇圧信号BOOST0をHレベルにしてキャパシタC0を介してセンスノードsr0lの電圧をΔV/2だけ昇圧する。この結果、もしメモリセルCELL0のデータが0であれば、センスノードsr0lの電圧は(Vpre+ΔV/2)となって、センスノードsr0rの電圧Vpreより高くなり、逆にメモリセルCELL0のデータが1であれば、センスノードsr0lの電圧は(Vpre−ΔV/2)となって、センスノードsr0rの電圧Vpreよりも低くなる。
【0032】
iv )ここで、ラッチ回路SR0内のラッチ部SA0をセンス増幅器として動作させる。
【0033】
すなわち、まずプルアップ信号SEPをLレベル、続いてプルダウン信号SENをHレベルとする(なお、(Vpre±ΔV/2)がグランド電位Vssよりも電源電圧Vccに近ければ、先にプルダウン信号SENをHレベルにした方がセンス感度が良くなる。)ことよって、ラッチ部SA0にセンスノードsr0l,sr0r間の電位差を差動増幅させる。これにより、ラッチ回路SR0のデータが確定する。つまり、メモリセルCELL0のデータが0であればセンスノードsr0lがHレベル、センスノードsr0rがLレベルとなり、メモリセルCELL0のデータが1であれば、センスノードsr0lがLレベル、センスノードsr0rがHレベルとなる。
【0034】
以上のi)〜iv )の動作をCELL1からCELL3(とその4個おきに並ぶメモリセル)についても行うことで、ワード線WL0につながるすべてのメモリセルCELLのデータがシフトレジスタ2A,2Bへ交互に転送される。
【0035】
この後、図2に示すタイミングでシフトレジスタ制御信号SF0#,SF1,SF2#,SF3,SF4#,SF5を繰り返し与えることにより、シフトレジスタ2A,2Bのデータを順次出力バッファ回路10へ転送する。そして、出力バッファ回路10を通してデータをマルチプレクスして、高速にシリアル出力する。このようにして、読み出し動作を完了する。
【0036】
(2)書き込み(プログラム)動作
書き込み(プログラム)動作中は、プログラム電圧Vprogをメインビット線MBL1,MBL0側へ供給できるように、ビット線切り離し信号CUT1をHレベルに保ってNMOSトランジスタQ4A#,Q4B#をオン状態に設定しておく。一方、ビット線切り離し信号CUT0、消去信号ERASE、消去電圧Veraseは、いずれもVssレベルに保持する。また、プログラム電圧Vprogも最初はVssレベルに設定する。
【0037】
まず、図2に示すタイミングでシフトレジスタ制御信号SF0#,SF1,SF2#,SF3,SF4#,SF5を繰り返し与えることにより、書き込みデータ(入力データ)を入力バッファ回路9からシフトレジスタ2A,2Bへ順次ロードする。
【0038】
シフトレジスタ2A,2Bに全ての書き込みデータがロードされた後、例えばメモリセルCELL0,CELL1にデータを書き込むものとする。この場合、書き込み制御信号W0,W1、セレクトゲート制御信号SG1,SG2をそれぞれHレベルとする一方、書き込み制御信号W2,W3、セレクトゲート制御信号SG0,SG3をそれぞれLレベルとする。
【0039】
このとき、ラッチ回路SR0が保持しているデータが0、すなわち出力ノードsr0rの電圧がHレベルであれば、PMOSトランジスタQ6Aがオンせず、ラッチ回路SR0が保持しているデータが1、すなわちセンスノードsr0rの電圧がLレベルであれば、PMOSトランジスタQ6Aがオンする。
【0040】
ここで、プログラム電圧Vprogを適当な電圧(この例では+4V)に設定すると、データ1を書き込むべきメモリセルCELLのドレイン領域(n+領域)D側にだけその電圧Vprog=+4Vが印加され、データ0を書き込むべきメモリセルCELLのドレイン領域(n+領域)Dはフローティング状態となる。さらに、ワード線WL0に一定の負のパルス電圧(この例では−8V)を印加すると、データ1を書き込むべきメモリセルCELLの浮遊ゲートとドレイン領域Dとの間に高電界がかかり、浮遊ゲートからドレイン領域Dに電子が排出されてメモリセルCELLのしきい値電圧Vthが下がる(データ1の状態になる)。
【0041】
なお、データ1を書き込んだメモリセルCELLのしきい値電圧Vthが、実際に下がったかどうかを確認するベリファイ動作は、前述の読み出し動作を実行することによって行うことができる。そのメモリセルCELLのしきい値電圧Vthが下がっていれば、読み出し後にラッチ回路SR0が反転し、センスノードsr0lがLレベル、センスノードsr0rがHレベルとなる。したがって、PMOSトランジスタQ6Aがオフし、そのメモリセルCELLにはそれ以上プログラム電圧Vprogが印加されなくなる。
【0042】
メモリセルCELL2、CELL3についても、メモリセルCELL0,CELL1と同様の操作を行う。なお、この場合、書き込み制御信号W0,W1、セレクトゲート制御信号SG1,SG2をそれぞれLレベルとする一方、書き込み制御信号W2,W3、セレクトゲート制御信号SG0,SG3をそれぞれHレベルとする(セレクトゲートデコーダ4のデコードは、表1においてアドレス信号A0を1に固定し、アドレス信号A1だけを変化させる。)。
【0043】
このようにして、シフトレジスタ2A,2Bにロードされた全ての書き込みデータをメモリセルCELL0,…に書き込むことができる。
【0044】
(3)消去動作
このフラッシュメモリでは、消去動作は、サブビット線で選択される全てのメモリセルCELLのデータを一括消去する(0にする)動作を意味している。
【0045】
最初にビット線切り離し信号CUT0、CUT1に負電圧を与えて、メインビット線MBLと、シフトレジスタ2A,2Bやプログラム回路6A,6Bとを切り離す。セレクトゲート制御信号SG0,SG1,SG2,SG3はグランド電圧Vssで選択、それ以外の別のブロックのセレクトゲート(図1では繰り返しのため省略されている)は負電圧で非選択とする。
【0046】
次に、消去信号ERASE信号をLレベルに設定してNMOSトランジスタQ7A,Q7Bをオンさせ、消去電圧Veraseとメモリセルのウエルを負電圧(この例では−8V)に設定する。その後、サブビット線SBLを共有しているメモリセルCELLにつながる全てのワード線WL0,…,WLnに正の電圧(この例では+8V)を印加する。それらのメモリセルCELLの浮遊ゲートと、ウエル,ソース領域Sおよびドレイン領域Dとの間に高電界がかかり、ウエル側から浮遊ゲートへ電子が注入されて、各メモリセルCELLのしきい値電圧Vthが高くなる(データは全て0の状態となる)。
【0047】
なお、それらのメモリセルCELLのデータが実際に消去されたかどうかを確認するベリファイ動作は、前述の読み出し動作を実行することによって行うことができる。そして、全てのメモリセルCELLのデータが0になるまで、消去動作を行う。
【0048】
このように、このフラッシュメモリでは、読み出し動作時に、シフトレジスタ2A,2Bを構成するラッチ回路SR0,…が、メモリセルアレイ1内のメモリセルCELLに記憶されたデータを直接センス増幅する。また、書き込み動作時には、シフトレジスタ2A,2Bのラッチ回路SR0,…にロードされた書き込みデータを、ラッチ回路を介さず、メモリセルアレイ1内のメモリセルCELLに直接書き込むことができる。したがって、従来(メモリセルアレイとシフトレジスタとの間にラッチ回路が介在する場合)に比してアクセス時間を短縮することができ、また、消費電力を低減することができる。さらに、メモリセルアレイ1とシフトレジスタ2A,2Bとの間のラッチ回路が省略されるので、レイアウト面積を低減することができる。
【0049】
なお、このフラッシュメモリは、3相クロックのシフトレジスタ2A,2Bを備えるものとしたが、クロックの相数は3相に限定するものではなく、ラッチ回路SR0,…の数に応じてそれ以外の相数を採用することもできる。
【0050】
図4は、図1に示したフラッシュメモリの変形例を示している。なお、理解の容易のために、図1中のものと同一の構成要素には同一の符号を付している。このフラッシュメモリは、図1のフラッシュメモリと異なり、サブビット線SBL0,SBL1,…と同数のメインビット線MBL0,MBL1,…を有するメモリセルアレイ11を備えている。これに応じて、セレクトゲートデコーダ14においてセレクトゲート制御信号SG1、SG3が無くなっており、その代わりにビット線切り離し信号CUT2,CUT3が増えている。ビット線セレクタ13A,13Bには、ビット線切り離し信号CUT0,CUT1,CUT2,CUT3によってそれぞれオンオフ制御されるNMOSトランジスタQ4A,Q4A#,Q4A,Q4A#,…が設けられている。図1のフラッシュメモリではセレクトゲート制御信号SG0,SG1,SG2およびSG3によってビット線MBL,SBLを選択していたが、このフラッシュメモリでは、ビット線切り離し信号CUT0,CUT2,CUT1およびCUT3によってビット線MBLを選択する。それ以外は、図1のフラッシュメモリと同様に動作する。
【0051】
図5は、図1(や図4)のフラッシュメモリのシフトレジスタ周辺を変形した例を示している。このフラッシュメモリは、シフトレジスタ2A内のラッチ回路SR2,シフトレジスタ2B内のラッチ回路SR3(奇数アドレス側のシフトレジスタ2Bは偶数アドレス側のシフトレジスタ2Aと対称形なので図示を省略している。)の昇圧用キャパシタC0を省略して、シフトレジスタ2A,2B内の特定のラッチ回路SR0,SR1のみがセンス増幅器として動作するようにしたものである。
【0052】
このフラッシュメモリでは、読み出し動作時に、先ずラッチ回路SR0,SR1がメモリセルCELL2,CELL3のデータをそれぞれセンス増幅して一旦保持する。この後、シフトレジスタ制御信号SF2#,SF3だけが図2に示したように変化されて、ラッチ回路SR0、SR1が保持しているデータがそれぞれラッチ回路SR2、SR3に転送(シフト)される。続いて、ラッチ回路SR0,SR1がメモリセルCELL0、CELL1のデータをセンス増幅して一旦保持する。このようにして、シフトレジスタ2A,2B内のの隣接するラッチ回路間でデータを順に転送しながら、特定のラッチ回路SR0,SR1によってメモリセルCELLに記憶されたデータを次々とセンス増幅し、読み出してゆくことができる。なお、書き込み(プログラム)動作や消去動作は、図1に示したフラッシュメモリと同様に行われる。
【0053】
このフラッシュメモリによれば、図1のフラッシュメモリに比してキャパシタC0の数を削減でき、さらにラッチ回路SR2,SR3の構成も簡素化されることから、レイアウト面積を低減することができる。
【0054】
なお、以上では、メモリセルCELLは不純物濃度が異なるドレイン領域D,ソース領域Sを持つフラッシュメモリセルであるものとしたが、当然ながらそれに限られるものではない。メモリセルCELLは、図6(a)に示すようなFLOTOX(フローティングゲート・ウィズ・トンネルオキサイド)型フラッシュメモリ、図6(b),(c)若しくは(d)に示すような各種スプリットゲート型フラッシュメモリ、または図6(e)に示すようなETOX(EEPROM・ウィズ・トンネルオキサイド)型フラッシュメモリであっても良い。
【0055】
また、メモリセルアレイ1,11は仮想グランド方式のものとしたが、この発明は通常のNOR(否定論理和)型、AND(論理積)型、NAND(否定論理積)型などのメモリセルアレイにも適用することができる。
【0056】
さらに、図7に示すように、この発明はDRAM(ダイナミック型半導体記憶装置)にも適用することができる。このDRAMは、トランジスタQとキャパシタCとからなる1トランジスタ1キャパシタ型のメモリセルCELL(0,1,2,3,…の数字を付して個々に特定される)が行列状に配置されたメモリセルアレイ21と、シフトレジスタ22と、ビット線セレクタ23と、ロウデコーダ25と、入力バッファ29と、出力バッファ30を備えている。メモリセルアレイ21内で行方向に隣接するメモリセルCELLは2個1組(CELL0とCELL1,CELL2とCELL3,…)として構成されている。1組のメモリセルのキャパシタCの一方の端子同士が互いに接続され、その接続点にプレート電圧Vpl(=Vcc/2)が供給されるようになっている。例えば偶数番目のメモリセルCELL0,CELL2,…は1本のワード線WL0に接続され、奇数番目のメモリセルCELL1,CELL3,…はそのワード線に隣り合うワード線WL1に接続されている。シフトレジスタ22Aは図1中のシフトレジスタ2Aの昇圧用キャパシタC0を省略し、センスノードsr0l,sr0rのそれぞれに、プリチャージ電圧Vpre(=Vcc/2)を供給するための、プリチャージ信号PREによってオンオフ制御されるNMOSトランジスタQ1を接続したものである。ビット線セレクタ23は、各ビット線BL0,BL1,BL2,BL3,…に挿入され、ビット線切り離し信号CUTによってオンオフ制御される複数のNMOSトランジスタQ23,Q23,…を有している。
【0057】
書き込み動作時には、まず、図2に示したタイミングでシフトレジスタ制御信号SF0#,SF1,SF2#,SF3,SF4#,SF5を繰り返し与えることにより、書き込みデータ(入力データ)を入力バッファ回路29からシフトレジスタ22へ順次ロードする。シフトレジスタ22に全ての書き込みデータがロードされた後、ビット線切り離し信号CUTを立ち上げてNMOSトランジスタQ23,Q23,…をオン状態にし、各ラッチ回路SR0,SR1,…に保持されているデータに応じて各ビット線対(BL0とBL1,BL2とBL3,…)のレベル(HまたはL)を確定する。次に、例えば偶数番目のメモリセルCELL0,CELL2,…にデータを書き込む場合は、ワード線WL0を立ち上げて、一定時間経過後に立ち下げる。一方、奇数番目のメモリセルCELL1,CELL3,…にデータを書き込む場合は、ワード線WL1を立ち上げて、一定時間経過後に立ち下げる。これにより、そのワード線につながるメモリセルにデータを書き込むことができる。
【0058】
読み出し動作時には、ビット線切り離し信号CUTを立ち上げてNMOSトランジスタQ23,Q23,…をオン状態にするとともに、プリチャージ信号PREを立ち上げてNMOSトランジスタQ1をオン状態にして、ビット線BL0,BL1,BL2,BL3,…にプリチャージ電圧Vpreを供給する。ビット線がプリチャージされた後、プリチャージ信号PREのみを立ち下げる。例えば、偶数番目のメモリセルCELL0,CELL2,…からデータを読み出す場合は、ワード線WL0を立ち上げる。一方、奇数番目のメモリセルCELL1,CELL3,…からデータを読み出す場合はワード線WL1を立ち上げる。そして、一定時間経過後にビット線切り離し信号CUTを立ち下げて、NMOSトランジスタQ23,Q23,…をオフする。これにより、ビット線BL0,BL1,BL2,BL3,…とシフトレジスタ22の各ラッチ回路SR0,SR2,…とを切り離す。この状態で、各ラッチ回路SR0,SR2,…を動作させて、センスノードsr0l,sr0r間の微小電位差を差動増幅(センス増幅)する。センスノードsr0l,sr0rの電位が確定した後、図2に示すタイミングでシフトレジスタ制御信号SF0#,SF1,SF2#,SF3,SF4#,SF5を繰り返し与えることにより、シフトレジスタ22のデータを順次出力バッファ回路30へ転送して、読み出し動作を完了する。
【0059】
この他、この発明はSRAM(スタティック型半導体記憶装置)等の半導体記憶装置にも適用することができる。DRAM、SRAM等においては、書き込み動作は、データの0、1にかかわらず、シフトレジスタの出力をメモリセルに入力するだけで良いので、図1に示したようなプログラム回路や消去回路は設ける必要がない。
【0060】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明のシリアルアクセス方式の半導体記憶装置によれば、従来(メモリセルアレイとシフトレジスタとの間にラッチ回路が介在する場合)に比してアクセス時間を短縮することができる。また、消費電力を低減することができる。さらに、このシリアルアクセス方式の半導体記憶装置では、メモリセルアレイとシフトレジスタとの間のラッチ回路が省略されるので、レイアウト面積を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の一実施形態のフラッシュメモリの概略構成を示す図である。
【図2】 上記フラッシュメモリのシフトレジスタのためのセレクトゲート選択信号の発生タイミングを示す図である。
【図3】 上記フラッシュメモリのセレクトゲートデコーダの構成例を示す図である。
【図4】 図1のフラッシュメモリの変形例を示す図である。
【図5】 図1のフラッシュメモリのシフトレジスタ周辺の変形例を示す図である。
【図6】 図1および図4のフラッシュメモリに採用可能なメモリセルの例を示す図である。
【図7】 この発明の別の実施形態のDRAMの概略構成を示す図である。
【図8】 センスアンプ動作をさせるラッチ回路の構成例を示す図である。
【図9】 図1、図4および図5のフラッシュメモリの出力バッファ回路のブロック構成を示す図である。
【図10】 図1、図4および図5のフラッシュメモリの入力バッファ回路のブロック構成を示す図である。
【図11】 従来のフラッシュメモリの構成を示す図である。
【符号の説明】
1,11,21 メモリセルアレイ
2A,2B,12A,22 シフトレジスタ
3A,3B,13A,13B,23 ビット線セレクタ
4,14 セレクトゲートデコーダ
5,25 ロウデコーダ
6A,6B プログラム回路
7A,7B 消去回路
Claims (2)
- 複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、
直列に接続された複数のラッチ回路を有し、読み出し動作時に上記メモリセルアレイからビット線を介して受けたデータを上記各ラッチ回路に一旦保持し、保持したデータを上記ラッチ回路が並ぶ順にシリアルに出力するシフトレジスタとを備えたシリアルアクセス方式の半導体記憶装置において、
上記シフトレジスタの上記ラッチ回路が、データを保持するようにループ状に接続された一対のインバータを有し、上記一対のインバータと電源との間にプルアップ信号によってオンオフ制御されるPMOSトランジスタが介挿される一方、上記一対のインバータとグランドとの間にプルダウン信号によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタが介挿され、
上記シフトレジスタ内の特定のラッチ回路のみが、上記メモリセルアレイ内のメモリセルに記憶されたデータをセンス増幅することを特徴とするシリアルアクセス方式の半導体記憶装置。 - 複数のメモリセルを含むメモリセルアレイと、
直列に接続された複数のラッチ回路を有し、読み出し動作時に上記メモリセルアレイからビット線を介して受けたデータを上記各ラッチ回路に一旦保持し、保持したデータを上記ラッチ回路が並ぶ順にシリアルに出力するシフトレジスタとを備えたシリアルアクセス方式の半導体記憶装置において、
上記シフトレジスタの上記ラッチ回路が、データを保持するようにループ状に接続された一対のインバータを有し、上記一対のインバータと電源との間にプルアップ信号によってオンオフ制御されるPMOSトランジスタが介挿される一方、上記一対のインバータとグランドとの間にプルダウン信号によってオンオフ制御されるNMOSトランジスタが介挿され、
上記シフトレジスタの上記ラッチ回路が、上記メモリセルアレイ内のメモリセルに記憶されたデータをセンス増幅するとともに、
センス増幅を行うために、上記ビット線につながる上記一対のインバータ同士の接続点に、昇圧用の素子を介して、オン状態のメモリセルによってディスチャージされるべき電圧の1/2だけ上記接続点の電位を昇圧させる昇圧信号を供給するようになっていることを特徴とするシリアルアクセス方式の半導体記憶装置。
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