JP4005522B2 - Nonvolatile semiconductor memory and operation control method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性半導体メモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
フラッシュメモリ等の不揮発性半導体メモリは、メモリセルの電荷蓄積層中に電子を注入し、メモリセルの閾値電圧を変えることで、データを記憶する。一般に、閾値電圧が高く、読み出し動作中にメモリセルに電流が流れない状態が、"データ0"が書き込まれた状態("0状態"=プログラム状態)であり、閾値電圧が低く、読み出し動作中にメモリセルに電流が流れる状態が、"データ1"が書き込まれた状態("1状態"=消去状態)である。"0状態"および"1状態"は、読み出し動作中にメモリセルに流れる電流(メモリセル電流)を、リファレンスメモリセルに流れるリファレンス電流と比較することで検出される。
【0003】
メモリセル電流は、メモリセルにゲート電圧を印加することで流れる。ゲート電圧が電源電圧に依存して変化する場合、メモリセル電流は、電源電圧に応じて変化する。メモリセル電流が変化すると、読み出し動作中に比較する読み出しリファレンス電流との差が変動するため、データの読み出しマージンは低下する。最悪の場合、メモリセルに記憶されているデータは、誤って読み出される。
【0004】
この種の読み出しマージンの低下を防止するために、消去動作時に2種類のゲート電圧を使用して消去ベリファイ動作を2回実行する不揮発性半導体メモリが開示されている(例えば、特許文献1参照)。ここで、消去ベリファイ動作は、消去動作において、メモリセル電流と消去用のリファレンスメモリセルに流れる消去リファレンス電流とを比較し、メモリセルが消去状態に変化したことを確認する動作である。
【0005】
さらに、データの読み出しマージンを向上するために、所定数のメモリセルからなるメモリセル列毎に一対のリファレンスメモリセル(消去ダイナミックリファレンスおよびプログラムダイナミックリファレンス)を形成する不揮発性半導体メモリが開発されている。消去ダイナミックリファレンスは、対応するメモリセルに消去動作が実行されるときに一緒に消去される。この際、プログラムダイナミックリファレンスも一緒に消去される。プログラムダイナミックリファレンスは、対応するメモリセル列にプログラム動作が実行されるときに一緒にプログラムされる。
【0006】
読み出し動作では、両ダイナミックリファレンスを流れる電流の平均電流が、読み出しリファレンス電流として使用され、メモリセルに保持されているデータの論理レベルが判定される。メモリセルの消去およびプログラムとともに各ダイナミックリファレンスをそれぞれ消去およびプログラムする方式は、ダイナミックリファレンス方式と称されている。
【0007】
図1は、ダイナミックリファレンス方式を採用する不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルの閾値電圧の分布を示している。
メモリセルの消去動作は、メモリセルの閾値電圧が消去リファレンスメモリセルの閾値電圧VEREFより低くなるまで実行される。このため、消去状態のメモリセルEMCの閾値電圧は、閾値電圧VEREFより低い領域に分布する。メモリセル列にそれぞれ対応する消去ダイナミックリファレンスEDRMCは、消去リファレンスメモリセル(閾値電圧VEREF)を流れるメモリセル電流を消去リファレンス電流として、メモリセルの消去動作とともに消去される。このため、消去状態の消去ダイナミックリファレンスEDRMCの閾値電圧は、閾値電圧VEREFより低い領域に分布する。
【0008】
一方、メモリセルのプログラム動作は、メモリセルの閾値電圧がプログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧VPREFより高くなるまで実行される。このため、プログラム状態のメモリセルPMCの閾値電圧は、閾値電圧VPREFより高い領域に分布する。メモリセル列にそれぞれ対応するプログラムダイナミックリファレンスPDRMCは、プログラムリファレンスメモリセル(閾値電圧VPREF)を流れるメモリセル電流をプログラムリファレンス電流として、メモリセルのプログラム動作とともにプログラムされる。このため、プログラム状態のプログラムダイナミックリファレンスPDRMCの閾値電圧は、閾値電圧VPREFより高い領域に分布する。
【0009】
メモリセルの読み出し動作では、消去ダイナミックリファレンスEDRMCのメモリセル電流とプログラムダイナミックリファレンスPDRMCのメモリセル電流との平均電流が、読み出しリファレンス電流として使用される。図1では、説明を簡単にするため、読み出しリファレンス電流を閾値電圧VRREFとして表現している。消去ダイナミックリファレンスEDRMCおよびプログラムダイナミックリファレンスPDRMCの閾値電圧が分布するため、閾値電圧VRREFも分布する。
【0010】
上述したように、ダイナミックリファレンス方式の不揮発性半導体メモリでは、各メモリセル列の消去動作またはプログラム動作毎に、消去ダイナミックリファレンスEDRMCまたはプログラムダイナミックリファレンスPDRMCの書き込み動作も実行される。このため、メモリセルおよびダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCには、同じゲート電圧が印加され、メモリセル列のメモリセルと、このメモリセル列に対応するダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCとは、常に一緒にアクセスされる。したがって、メモリセルおよびダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCのチャージゲイン特性およびチャージロス特性を合わせることができ、読み出しマージンが向上する。
【0011】
ここで、チャージゲインは、メモリセルのコントロールゲートに相対的に高い電圧が繰り返し与えられることにより、電荷蓄積層に予期せぬ電子が注入され、閾値電圧が高くなる現象である。チャージゲインは、メモリセルからデータを繰り返し読み出すことにより発生する。チャージゲインは、"1状態(消去状態)"の読み出しマージンを低下させる。チャージロスは、メモリセルのコントロールゲートに相対的に低い電圧が繰り返し与えられることにより、電荷蓄積層にから予期せぬ電子が放出され、閾値電圧が低くなる現象である。チャージロスは、メモリセルにデータを繰り返し書き込むことにより発生する。チャージロスは、"0状態(プログラム状態)"の読み出しマージンを低下させる。
【0012】
【特許文献1】
特開2001−60395号公報(図2)
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
図1において、あるメモリセル列に対応するダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCの閾値電圧が、黒い四角印にそれぞれ位置するとき、読み出し用のリファレンス電流に対応する閾値電圧VRREFは、黒い三角印に位置する。このとき、メモリセル列内のプログラムされたメモリセルの閾値電圧(黒い丸印)が、プログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧VPREFに近い場合、"0状態(プログラム状態)"の読み出しマージンMRG0は低下する。
【0014】
同様に、あるメモリセル列に対応するダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCの閾値電圧が、白い四角印にそれぞれ位置するとき、読み出し用のリファレンス電流に対応する閾値電圧VRREFは、白い三角印に位置する。このとき、メモリセル列内のプログラムされたメモリセルの閾値電圧(白い丸印)が、消去リファレンスメモリセルの閾値電圧VEREFに近い場合、"1状態(消去状態)"の読み出しマージンMRG1は低下する。
【0015】
換言すれば、各メモリセル列MCRにおけるメモリセルMCの読み出しマージンMRG0、MRG1は、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCのメモリセル電流IPREFと消去ダイナミックメモリセルEDRMCのメモリセル電流IEREFとの差の2分の1より小さくなる場合がある。
このように、従来のダイナミックリファレンス方式では、チャージゲインおよびチャージロスの影響を軽減できるが、メモリセルの閾値電圧によっては、読み出しマージンが低下する場合がある。
【0016】
本発明の目的は、不揮発性半導体メモリの読み出しマージンを向上することにある。特に、ダイナミックリファレンス方式の不揮発性半導体メモリの読み出しマージンを向上することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1の不揮発性半導体メモリおよび請求項7の不揮発性半導体メモリの動作制御方法では、メモリセルからデータを読み出す読み出し動作において、不揮発性の第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の平均値は、読み出しリファレンス電流として選択される。第1および第2リファレンスメモリセルは、閾値電圧が互いに異なる。そして、不揮発性のメモリセルに流れるメモリセル電流は、読み出しリファレンス電流と比較され、メモリセルに記憶されている論理値が判定される。
【0018】
メモリセルにデータを書き込む書き込み動作は、第1書き込み動作および第1書き込み動作に続く第2書き込み動作で構成される。読み出し動作と第1および第2書き込み動作との間、あるいは第1書き込み動作と第2書き込み動作との間において、リファレンス電流は、例えば、リファレンス切替回路により切り替えられる。
【0019】
まず、第1書き込み動作において、書き込みリファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流が、書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択される。そして、書き込みリファレンス電流により書き込み状態を判定しながら、メモリセルと第1および第2リファレンスメモリセルの一方とにデータが書き込まれる。すなわち、メモリセルの閾値電圧と第1または第2リファレンスメモリセルの閾値電圧とは、書き込みリファレンスメモリセルの閾値電圧を境界として、一方側の領域に分布する。
【0020】
第2書き込み動作において、第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の一方が、書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択される。そして、書き込みリファレンス電流により書き込み状態を判定しながら、メモリセルにデータが書き込まれる。このため、第2書き込み動作後、メモリセルの閾値電圧は、第1または第2リファレンスメモリセルを境界として一方側に分布する。
【0021】
第1リファレンスメモリセルを使用する書き込み動作(例えば、消去動作)と、第2リファレンスメモリセルを使用する書き込み動作(例えば、プログラム動作)とが実行されることで、全てのメモリセルの閾値電圧を、第1および第2リファレンスメモリセルの閾値電圧に挟まれる領域の外側に分布させることができる。したがって、第1および第2リファレンスメモリセルから生成される読み出しリファレンス電流と、メモリセルのメモリセル電流との差を大きくできる。この結果、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。さらに、書き込み制御回路は、第1書き込み動作において、メモリセルに書き込みデータを書き込むとともに、書き込みデータの論理値に応じて第1または第2リファレンスメモリセルの一方に書き込みデータを書き込む。書き込み制御回路は、第1および第2リファレンスメモリセルには書き込みデータを書き込まず、メモリセルに書き込みデータを書き込む。このため、書き込み制御回路により、第1書き込み動作と第2書き込み動作とを確実に実行できる。
【0022】
請求項2の不揮発性半導体メモリでは、比較回路は、各メモリセルに流れるメモリセル電流を、リファレンス切替回路により選択される読み出しリファレンス電流または書き込みリファレンス電流のいずれかと比較する。切替制御回路は、比較回路での比較結果に応じて、リファレンス電流を切り替えるためにリファレンス切替回路の選択動作を制御する。このため、例えば、第1書き込み動作において、メモリセル電流と、書き込みリファレンス電流との大小関係が逆転するときに、書き込みベリファイ用のリファレンス電流を、迅速に第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の一方に切り替え、第2書き込み動作を開始することができる。この結果、書き込み動作を第1および第2書き込み動作に分けて実行する場合にも、書き込み動作時間が大幅に増加することを防止できる。
【0024】
請求項3の不揮発性半導体メモリおよび請求項8の不揮発性半導体メモリの動作制御方法では、第1および第2書き込み動作は、メモリセルのデータを消去するための第1および第2消去動作である。すなわち、書き込みリファレンスメモリセルは、消去ベリファイ用の消去リファレンスメモリセルである。第1リファレンスメモリセルの閾値電圧は、第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より低い。
【0025】
第1消去動作は、メモリセルおよび第1リファレンスメモリセルの閾値電圧が消去リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで実行される。そして、メモリセルおよび第1リファレンスメモリセルに第1論理値が書き込まれる。第2消去動作は、全てのメモリセルの閾値電圧が第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで実行される。そして、メモリセルに第1論理値が強く書き込まれる。このため、メモリセルの消去レベル(閾値電圧)を、第1リファレンスメモリセルの消去レベル(閾値電圧)より常に低くできる。この結果、消去動作を確実に実行でき、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。
【0026】
請求項4の不揮発性半導体メモリおよび請求項9の不揮発性半導体メモリの動作制御方法では、第1および第2書き込み動作は、メモリセルにデータをプログラムするための第1および第2プログラム動作である。すなわち、書き込みリファレンスメモリセルは、プログラムベリファイ用のプログラムリファレンスメモリセルである。第2リファレンスメモリセルの閾値電圧は、第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より高い。
【0027】
第1プログラム動作は、メモリセルおよび第2リファレンスメモリセルの閾値電圧がプログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまで実行される。そして、メモリセルおよび第2リファレンスセルに第2論理値が書き込まれる。第2プログラム動作は、全てのメモリセルの閾値電圧が第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまで実行される。そして、メモリセルに第2論理値が強く書き込まれる。このため、メモリセルのプログラムレベル(閾値電圧)を、第2リファレンスメモリセルのプログラムレベル(閾値電圧)より常に高くできる。この結果、プログラム動作を確実に実行でき、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。
【0028】
請求項5の不揮発性半導体メモリでは、第1および第2リファレンスメモリセルは、メモリセル列毎に形成されている。1回の読み出し動作または1回の第1および第2書き込み動作において、メモリセルの所定数で構成されるメモリセル列のいずれかと、このメモリセル列に対応する第1および第2リファレンスメモリセルがアクセスされる。このため、第1および第2リファレンスメモリセルのアクセス回数を、メモリセル列のアクセス回数と同じにすることができる。したがって、第1および第2リファレンスメモリセルの特性変動をメモリセル列のメモリセルの特性変動に合わせることができる。例えば、第1および第2リファレンスメモリセルとメモリセル列のメモリセルとのチャージゲイン特性およびチャージロス特性を合わせることができる。このため、不揮発性半導体メモリを長期間使用しても、読み出しマージンが減少することを防止できる。
【0029】
請求項6の不揮発性半導体メモリでは、各メモリセル列のメモリセルと、各メモリセル列に対応する第1および第2リファレンスメモリセルとは、電荷を蓄積する電荷蓄積層、ワード線に接続された制御ゲートを有している。これ等メモリセルは、ビット線がそれぞれ接続された入出力ノードを介して直列に接続されている。すなわち、一般に仮想接地型と称される不揮発性半導体メモリが構成されている。
【0030】
上述したように、第2書き込み動作では、メモリセル列のメモリセルのみデータが書き込まれ、第1および第2リファレンスメモリセルにはデータが書き込まれない。同じワード線に接続される複数のメモリセルの一部のみデータを書き込む制御は、仮想接地型の不揮発性半導体メモリによって、容易に達成できる。この結果、本発明を仮想接地型の不揮発性半導体メモリに適用する場合、従来と同様の制御回路で本発明を容易に実現できる。すなわち、簡易な制御回路で本発明を実現できる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図中、太線で示した信号線は、複数本で構成されている。図中の二重丸は、外部端子を示している。頭に"/"が付く信号は、負論理の信号である。
図2は、本発明の不揮発性半導体メモリの第1の実施形態を示している。
不揮発性半導体メモリは、シリコン基板上にCMOSプロセスを使用してフラッシュメモリとして形成されている。フラッシュメモリは、状態制御回路10、電圧切替回路12、プログラム制御回路14、消去制御回路16、アドレスラッチ18、入出力制御回路20、切替制御回路22、入出力バッファ24、データラッチ26、比較回路28、リファレンス切替回路30、ロウアドレスデコーダ32、コラムアドレスデコーダ34、セルアレイ部36、ダイナミックリファレンス部38および外部リファレンス部40を有している。プログラム制御回路14および消去制御回路16は、書き込み制御回路として動作する。ロウアドレスデコーダ32、コラムアドレスデコーダ34、セルアレイ部36およびダイナミックリファレンス部38により、メモリコアCOREが構成されている。
【0032】
状態制御回路10は、フラッシュメモリの外部から供給されるチップイネーブル信号/CE、書き込みイネーブル信号/WEおよびこれ等コマンド信号とともに供給されるデータ信号DATAに応じて、フラッシュメモリの動作状態を決定し、決定した動作状態に応じた制御信号を出力する。
電圧切替回路12は、状態制御回路10からの制御信号およびデータラッチ26からの論理情報信号LINFに応じて、メモリコアCOREに供給する電圧を切り替える。例えば、プログラム動作(書き込み動作の一種)において、ロウアドレスデコーダ32には、ワード線WLに与えるプログラム電圧(メモリセルMCのゲート電圧;例えば9V)が供給され、コラムアドレスデコーダ34には、ビット線BLに与えるプログラム電圧(メモリセルMCのドレイン電圧;例えば5V)が供給される。プログラム動作後のベリファイ動作において、ロウアドレスデコーダ32には、メモリセルMCのゲートに与えるベリファイ電圧(例えば5V)が供給され、コラムアドレスデコーダ34には、メモリセルMCのドレインに与えるベリファイ電圧(例えば1.0V)が供給される。消去動作(書き込み動作の別の一種)において、メモリセルMCのゲートに与える消去電圧(例えば−6V)が供給され、コラムアドレスデコーダ34には、メモリセルMCのドレインに与える消去電圧(例えば6V)が供給される。読み出し動作において、ロウアドレスデコーダ32には、メモリセルMCのゲートに与える読み出し電圧(例えば5V)が供給され、コラムアドレスデコーダ34には、メモリセルMCのドレインに与える読み出し電圧(電圧1.0V)が供給される。電圧切替回路12は、これらの切り替え制御を行う。
【0033】
プログラム制御回路14は、プログラムコマンドが供給されるときに、アドレス信号ADDにより選択されるメモリセルMCに"データ0"を書き込むために動作する。プログラム制御回路14により、後述する第1プログラム動作および第2プログラム動作が確実に実行される。
消去制御回路16は、消去コマンドが供給されるときに、メモリセルMCに"データ1"を書き込むために動作する。消去制御回路16により、後述する第1消去動作および第2消去動作が確実に実行される。
【0034】
アドレスラッチ18は、アドレス端子を介して外部から供給されるアドレス信号ADDをラッチし、ラッチしたアドレス信号ADDをロウアドレスデコーダ32およびコラムアドレスデコーダ34に出力する。
入出力制御回路20は、チップイネーブル信号/CEおよび出力イネーブル信号/OEに応じて、入出力バッファ24のデータの入出力方向を切り替える。
【0035】
切替制御回路22は、データラッチ26からの論理情報信号LINF(比較回路28での比較結果)に応じて、リファレンス切替回路30の動作を制御するための切替信号SWを出力する。
入出力バッファ24は、読み出し動作時に、セルアレイ部36から読み出され、データラッチ26にラッチされたデータをデータ端子DATAに出力する。入出力バッファ24は、プログラム動作時に、書き込みデータをデータ端子DATAを介して受信し、受信したデータをデータラッチ26に出力する。また、入出力バッファ24は、データ端子DATAを介してコマンドデータ信号を受信する。
【0036】
データラッチ26は、読み出し動作時に、比較回路28から出力される比較結果に対応する論理レベルをラッチし、ラッチした論理レベルを入出力バッファ24に出力する。データラッチ26は、プログラム動作時に、入出力バッファ24から供給される書き込みデータをラッチし、ラッチした書き込みデータを書き込みベリファイ用の期待値として使用する。
【0037】
比較回路28は、読み出し動作時と、消去動作およびプログラム動作でのベリファイ動作時とに、アクセスされるメモリセルMCに流れるメモリセル電流をリファレンス電流と比較し、比較結果をデータラッチ26に出力する。読み出し動作は、外部から供給される読み出しコマンドに応答して実行される。消去動作は、外部から供給される消去コマンドに応答して実行される。プログラム動作は、外部から供給されるプログラムコマンドに応答して実行される。ベリファイ動作は、書き込み動作(消去動作およびプログラム動作)において、書き込みデータ("論理0"または"論理1")がメモリセルMCに正しく書き込めたか否かを判定するために実行される。
【0038】
リファレンス切替回路30は、切替制御回路22からの切替信号SWに応じて、リファレンス電流IREF1、IREF0の平均値である読み出し動作用の読み出しリファレンス電流、消去リファレンス電流IEREF、プログラムリファレンス電流IPREFのいずれかを選択し、選択したリファレンス電流を比較回路28に出力する。リファレンス切替回路30は、読み出し動作をするためにリファレンス電流IREF1、IREF0の平均値を求める機能を有している。
【0039】
ロウアドレスデコーダ32は、アドレスラッチ18からのアドレス信号ADD(上位ビット)に応じてワード線WLのいずれかを選択する。ロウアドレスデコーダ32は、選択したワード線WLにプログラム電圧、ベリファイ電圧、読み出し電圧、または消去電圧を供給する。
コラムアドレスデコーダ34は、アドレスラッチ18からのアドレス信号ADD(下位ビット)に応じて所定のビット線BLを選択する。具体的には、アクセスされるメモリセルMCの両側のビット線BLがアドレス信号ADDに応じて選択される。選択されたビット線BLは、所定の電圧に設定される。
【0040】
セルアレイ部36は、マトリックス状に配置された複数のメモリセルMC、図の横方向に配線された複数のワード線WL、および図の縦方向に沿って配線された複数のビット線を有している。図の横方向に並ぶメモリセルMCは、入出力ノードNDを介して直列に接続されている。図の横方向に並ぶメモリセルMCの制御ゲートは、同じワード線WLに接続されている。
【0041】
同じワード線WLに接続されるメモリセルMCによりメモリセル列MCRが形成されている。図の縦方向に並ぶメモリセルMCの入出力ノードNDは、ビット線BLを介して互いに接続されている。各ビット線BLは、図の左右両側に隣接するメモリセルMCに共有されている。この種のセルアレイは、一般に仮想接地型と称されている。
【0042】
各メモリセルMCは、電荷(電子)を蓄積するトラップゲートTG(電荷蓄積層)を有するトランジスタ(セルトランジスタ)で構成されている。トラップゲートTGは、窒化膜等の絶縁膜で形成されている。このため、トラップゲートTGにトラップされた電荷は、トラップゲートTG内を移動しない。これを利用して、セルトランジスタの閾値電圧は、局所的に変更可能である。
【0043】
この実施形態では、トラップゲートTG内の一対のトラップ領域(図の白い四角形)の一方のみに、データが書き込まれる。すなわち、1つのメモリセルMCは、1ビットのデータを記憶できる。
ダイナミックリファレンス部38の基本構造は、セルアレイ部36と同じである。すなわち、ダイナミックリファレンス部38は、仮想接地型のセルアレイ構造を有している。ダイナミックリファレンス部38は、メモリセルMCと同じ構造(同じ特性)の消去ダイナミックリファレンスEDRMC(第1リファレンスメモリセル)およびプログラムダイナミックリファレンスPDRMC(第2リファレンスメモリセル)、これ等ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCに接続されたワード線WLおよびビット線BLを有している。
【0044】
図の横方向に並ぶ一対の消去ダイナミックリファレンスEDRMCおよびプログラムダイナミックリファレンスPDRMCは、入出力ノードNDを介して直列に接続されている。図の横方向に並ぶメモリセルMCの制御ゲートは、セルアレイ部36と同じワード線WLに接続されている。すなわち、一対の消去ダイナミックリファレンスEDRMCおよびプログラムダイナミックリファレンスPDRMCは、セルアレイ部34のメモリセル列MCRに対応してそれぞれ形成されており、それらの制御ゲートは、共通のワード線WLに接続されている。ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCに流れるメモリセル電流IREF1、IREF0の平均値は、読み出し動作時の読み出しリファレンス電流として使用される。
【0045】
このフラッシュメモリでは、メモリセルMCは、ワード線WLを選択することでアクセスされる。この時、同じワード線WLに接続されたダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCもアクセスされる。換言すれば、メモリセル列MCRのメモリセルMCの制御ゲートに電圧が印加されるとき、同じ電圧が、対応するダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCの制御ゲートに印加される。すなわち、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCのアクセス回数は、メモリセル列MCRのアクセス回数と同じになる。
【0046】
具体的には、セルアレイ部36のメモリセル列MCRが"論理1"に消去されるとき、第1リファレンスメモリセルEDRMCも"論理1"に消去される。セルアレイ部36のメモリセル列MCRが"論理0"にプログラムされるとき、第2リファレンスメモリセルPDRMCも"論理0"にプログラムされる。すなわち、本実施形態のフラッシュメモリは、ダイナミックリファレンス方式を採用している。したがって、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCの特性変動は、メモリセル列MCRのメモリセルMCの特性変動に一致する。
【0047】
このように、メモリセル列MCR毎に、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCを形成することで、メモリセル列MCRのメモリセルMCとダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCとのチャージゲイン特性およびチャージロス特性を合わせることができる。この結果、メモリセルのチャージゲインおよびチャージロスによる読み出しマージンの低下を緩和でき、不揮発性半導体メモリを長期間使用しても、読み出しマージンが減少することはない。
【0048】
外部リファレンス部40は、一対の書き込みリファレンスセル(消去リファレンスメモリセルEREFおよびプログラムリファレンスメモリセルPREF)を有している。消去リファレンスメモリセルEREFおよびプログラムリファレンスメモリセルPREFは、メモリセルMCよりサイズの大きい不揮発性のメモリセルで構成されている。消去リファレンスメモリセルEREFに流れるメモリセル電流IEREF(消去リファレンス電流、書き込みリファレンス電流)は、消去動作時のベリファイ動作に使用される。プログラムリファレンスメモリセルPREFに流れるメモリセル電流IPREF(プログラムリファレンス電流、書き込みリファレンス電流)は、プログラム動作時のベリファイ動作に使用される。消去リファレンス電流IEREFおよびプログラムリファレンス電流IPREFは、リファレンス切替回路30に出力される。
【0049】
図3は、第1の実施形態におけるプログラム動作のフローを示している。プログラム動作は、ステップS10-S14の第1プログラム動作と、ステップS15-S17の第2プログラム動作とで構成される。
まず、ステップS10おいて、図2に示した切替制御回路22は、リファレンス切替回路30を制御して、プログラムリファレンス電流IPREFをプログラムベリファイ用のリファレンス電流として設定する。
【0050】
次にステップS11において、比較回路28は、アドレス信号ADDにより選択される各メモリセルMCに流れるメモリセル電流IMCを、プログラムリファレンス電流IPREFと比較する。比較結果はデータラッチ26にラッチされる。切替制御回路22は、データラッチ26からの論理情報信号LINFを受信し、メモリセルMCに"論理0"が書き込まれているか否かを判定する。具体的には、メモリセル電流IMCがプログラムリファレンス電流IPREFより大きい場合、メモリセルMCへのプログラムが不十分であると判定され、処理はステップS12に移行する。メモリセル電流IMCがプログラムリファレンス電流IPREF以下の場合、メモリセルMCへのプログラムが十分であると判定され、処理はステップS13に移行する。
【0051】
ステップS12において、プログラム制御回路14は、メモリセルMCに"論理0"を書き込むプログラム動作を実行する。この後、処理は、再びステップS11に移行する。
ステップS13において、比較回路28は、アドレス信号ADDにより選択されるメモリセル列MCRに対応するプログラムダイナミックリファレンスPDRMCに流れるメモリセル電流IREF0を、プログラムリファレンス電流IPREFと比較する。比較結果はデータラッチ26にラッチされる。切替制御回路22は、データラッチ26からの論理情報信号LINFを受信し、プログラムダイナミックリファレンスPDRMCに"論理0"が書き込まれているか否かを判定する。具体的には、メモリセル電流IREF0がプログラムリファレンス電流IPREFより大きい場合、プログラムダイナミックリファレンスPDRMCへのプログラムが不十分であると判定され、処理はステップS14に移行する。メモリセル電流IREF0がプログラムリファレンス電流IPREF以下の場合、プログラムダイナミックリファレンスPDRMCへのプログラムが十分であると判定され、処理はステップS15に移行する。
【0052】
ステップS14において、プログラム制御回路14は、プログラムダイナミックリファレンスPDRMCに"論理0"を書き込むプログラム動作を実行する。この後、処理は、再びステップS13に移行する。
ステップS10-S14の処理(第1プログラム動作、第1書き込み動作)により、上述した図1に示したように、プログラムされるメモリセルMCおよびプログラムダイナミックリファレンスPDRMCの閾値電圧は、ともにプログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧VPREFより高くなる。このとき、メモリセルMCおよびプログラムダイナミックリファレンスPDRMCの閾値電圧の分布は、重なっている。
【0053】
次に、ステップS15において、切替制御回路22は、リファレンス切替回路30を制御して、プログラムダイナミックリファレンスPDRMCのメモリセル電流IREF0をプログラムベリファイ用のリファレンス電流として設定する。切替制御回路22により、リファレンス電流が迅速に切り替えられるため、プログラム動作を第1および第2プログラム動作に分けて実行する場合にも、プログラム動作時間が大幅に増加することはない。
【0054】
次にステップS16において、比較回路28は、アドレス信号ADDにより選択されるメモリセルMCに流れるメモリセル電流IMCを、メモリセル電流IREF0と比較する。比較結果はデータラッチ26にラッチされる。切替制御回路22は、データラッチ26からの論理情報信号LINFを受信し、メモリセルMCの閾値電圧が、プログラムダイナミックリファレンスPDRMCの閾値電圧より高いか否かを判定する。具体的には、メモリセル電流IMCがメモリセル電流IREF0以上の場合、メモリセルMCへのプログラムが不十分であると判定され、処理はステップS17に移行する。メモリセル電流IMCがメモリセル電流IREF0より小さい場合、メモリセルMCへのプログラムが十分であると判定され、プログラム動作は終了する。
【0055】
ステップS17において、プログラム制御回路14は、メモリセルMCに"論理0"を書き込むプログラム動作を実行する。この後、処理は、再びステップS16に移行する。
ステップS15-S17の処理(第2プログラム動作、第2書き込み動作)により、プログラムされる全てのメモリセルMCの閾値電圧は、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCの閾値電圧より高くなる。
【0056】
図4は、第1の実施形態における消去動作を示している。消去動作は、ステップS20-S22の第1消去動作と、ステップS23-S25の第2消去動作とで構成される。
まず、ステップS20おいて、切替制御回路22は、リファレンス切替回路30を制御して、消去リファレンス電流IEREFをベリファイ用のリファレンス電流として設定する。
【0057】
次にステップS21において、比較回路28は、アドレス信号ADDにより選択される各メモリセルMCに流れるメモリセル電流IMCおよびアドレス信号ADDにより選択されるメモリセル列MCRに対応する消去ダイナミックリファレンスEDRMCに流れるメモリセル電流IREF1を、消去リファレンス電流IEREFとそれぞれ比較する。比較結果はデータラッチ26にラッチされる。切替制御回路22は、データラッチ26からの論理情報信号LINFを受信し、メモリセルMCに"論理1"が書き込まれているか否かを判定する。具体的には、メモリセル電流IMCが消去リファレンス電流IEREFより小さい場合、メモリセルMCの消去が不十分であると判定され、処理はステップS22に移行する。同様に、メモリセル電流IREF0が消去リファレンス電流IEREFより小さい場合、消去ダイナミックリファレンスPDRMCの消去が不十分であると判定され、処理は再びステップS22に移行する。
【0058】
メモリセル電流IMCが消去リファレンス電流IEREF以上の場合、メモリセルMCへの消去が十分であると判定され、処理はステップS23に移行する。同様に、メモリセル電流IREF0が消去リファレンス電流IEREF以上の場合、消去ダイナミックリファレンスPDRMCの消去が十分であると判定され、処理はステップS23に移行する。
【0059】
ステップS22において、プログラム制御回路14は、メモリセルMCおよび消去ダイナミックリファレンスEDRMCを"論理1"に消去する消去動作を実行する。この後、処理は、再びステップS21に移行する。
ステップS20-S22の処理(第1消去動作、第1書き込み動作)により、上述した図1に示したように、消去されるメモリセルMCおよび消去ダイナミックリファレンスEDRMCの閾値電圧は、ともに消去リファレンスメモリセルの閾値電圧VEREFより低くなる。このとき、メモリセルMCおよび消去ダイナミックリファレンスEDRMCの閾値電圧の分布は、重なっている。
【0060】
次に、ステップS23において、切替制御回路22は、リファレンス切替回路30を制御して、消去ダイナミックリファレンスEDRMCのメモリセル電流IREF1を消去ベリファイ用のリファレンス電流として設定する。切替制御回路22により、リファレンス電流が迅速に切り替えられるため、消去動作を第1および第2消去動作に分けて実行する場合にも、消去動作時間が大幅に増加することはない。
【0061】
次にステップS24において、比較回路28は、アドレス信号ADDにより選択されるメモリセルMCに流れるメモリセル電流IMCを、消去ダイナミックリファレンスEDRMCのメモリセル電流IREF1と比較する。比較結果はデータラッチ26にラッチされる。切替制御回路22は、データラッチ26からの論理情報信号LINFを受信し、メモリセルMCの閾値電圧が、消去ダイナミックリファレンスEDRMCの閾値電圧より高いか否かを判定する。具体的には、メモリセル電流IMCがメモリセル電流IREF1以上の場合、メモリセルMCへの書き込みが不十分であると判定され、処理はステップS25に移行する。メモリセル電流IMCがメモリセル電流IREF1より小さい場合、メモリセルMCへの書き込みが十分であると判定され、消去動作は終了する。
【0062】
ステップS25において、プログラム制御回路14は、メモリセルMCを"論理1"に消去する消去動作を実行する。この後、処理は、再びステップS24に移行する。
ステップS23-S25の処理(第2消去動作、第2書き込み動作)により、プログラムされる全てのメモリセルMCの閾値電圧は、消去ダイナミックメモリセルEDRMCの閾値電圧より低くなる。
【0063】
図5は、図3および図4に示したプログラム動作後および消去動作後のメモリセルの閾値電圧の分布を示している。
上述した図3のステップS15-S17に示す第2プログラム動作により、各メモリセル列MCRにおけるメモリセルMC(PMC)の閾値電圧は、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCの閾値電圧より高くなる。また、上述した図4のステップS23-S25に示す第2消去動作により、各メモリセル列MCRにおけるメモリセルMC(EMC)の閾値電圧は、消去ダイナミックメモリセルEDRMCの閾値電圧より低くなる。
【0064】
図6は、図5の閾値電圧の分布の詳細を示している。
ワード線WLmに接続されたメモリセル列MCRのメモリセルMCの閾値電圧は、第2プログラム動作により、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCの閾値電圧より必ず高くなる。ワード線WLmに接続されたメモリセル列MCRのメモリセルMCの閾値電圧は、第2消去動作により、消去ダイナミックメモリセルEDRMCの閾値電圧より必ず低くなる。他のワード線WLnに接続されたメモリセル列MCRでも同様である。
【0065】
ダイナミックリファレンス方式のフラッシュメモリでは、各メモリセル列MCRの読み出しリファレンス電流IRREFは、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCおよび消去ダイナミックメモリセルEDRMCを流れるメモリセル電流の平均値に設定される。このため、読み出し動作において、プログラムされたメモリセルMC(PMC)の読み出しマージンMRG0は、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCのメモリセル電流IPREFと読み出しリファレンス電流IRREFとの差より必ず大きくなる。
【0066】
同様に、読み出し動作において、消去されたメモリセルMC(EMC)の読み出しマージンMRG1は、消去ダイナミックメモリセルEDRMCのメモリセル電流IEREFと読み出しリファレンス電流IRREFとの差より必ず大きくなる。換言すれば、読み出しマージンMRG0、MRG1は、プログラムダイナミックメモリセルPDRMCのメモリセル電流IPREFと消去ダイナミックメモリセルEDRMCのメモリセル電流IEREFとの差の2分の1より常に大きくなる。読み出しマージンMRG0、MRG1が向上することで、読み出しデータの誤読み出し、すなわち、データの破壊が防止される。
【0067】
以上、この実施形態では、第2消去動作において、メモリセルMCの閾値電圧を、対応する消去ダイナミックリファレンスEDRMC(第1リファレンスメモリセル)の閾値電圧より常に低くできる。また、第2プログラム動作において、メモリセルMCの閾値電圧を、対応するプログラムダイナミックリファレンスPDRMC(第2リファレンスメモリセル)の閾値電圧より常に高くできる。したがって、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCから生成される読み出しリファレンス電流IRREFと、メモリセルMCのメモリセル電流IMCとの差を大きくできる。この結果、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。
【0068】
切替制御回路22は、比較回路28での比較結果に応じて、リファレンス電流を切り替えるためにリファレンス切替回路の選択動作を制御する。このため、第1プログラム動作において、メモリセル電流IMCおよびプログラムダイナミックリファレンスPDRMCの第2リファレンス電流IREF0が、プログラムリファレンス電流IPREFより小さくなったときに、プログラムベリファイ用のリファレンス電流を、迅速に第2リファレンス電流IREF0に切り替え、第2プログラム動作を開始できる。この結果、プログラム動作を第1および第2プログラム動作に分けて実行する場合にも、プログラム動作時間が大幅に増加することを防止できる。
【0069】
同様に、第1消去動作において、メモリセル電流IMCおよび消去ダイナミックリファレンスEDRMCの第1リファレンス電流IREF1が、消去リファレンス電流IEREFより大きくなったときに、消去ベリファイ用のリファレンス電流を、迅速に第1リファレンス電流IREF1に切り替え、第2消去動作を開始できる。この結果、消去動作を第1および第2消去動作に分けて実行する場合にも、消去動作時間が大幅に増加することを防止できる。
【0070】
ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCがメモリセル列MCR毎に形成されるため、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCのアクセス回数を、メモリセル列MCRのアクセス回数と同じにできる。したがって、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCの特性変動をメモリセル列MCRのメモリセルMCの特性変動に合わせることができる。例えば、ダイナミックリファレンスEDRMC、PDRMCとメモリセル列MCRのメモリセルMCとのチャージゲイン特性およびチャージロス特性を合わせることができる。この結果、不揮発性半導体メモリを長期間使用しても、読み出しマージンが減少することを防止できる。
【0071】
仮想接地型のフラッシュメモリでは、同じワード線WLに接続されるメモリセルMC、EDRMC、PDRMCの一部にデータを書き込む制御を容易にできる。このため、本発明を仮想接地型のフラッシュメモリに適用することで、第2消去動作および第2プログラム動作を、従来と同様の制御回路で実現できる。図3に示したステップS10-S14で構成される第1プログラム動作も、従来と同様の制御回路で実現できる。すなわち、本発明を仮想接地型のフラッシュメモリに適用することで、本発明を容易に実現できる。
【0072】
図7は、本発明の不揮発性半導体メモリの第2の実施形態を示している。第1の実施形態で説明した回路・信号と同一の回路・信号については、同一の符号を付し、これ等については、詳細な説明を省略する。
フラッシュメモリは、第1の実施形態の電圧切替回路12、セルアレイ部36、ダイナミックリファレンス部38および外部リファレンス部40の代わりに、電圧切替回路12B、セルアレイ部36B、ダイナミックリファレンス部38Bおよび外部リファレンス部40Bを有している。セルアレイ部36Bおよびダイナミックリファレンス部のメモリセルMCは、電荷(電子)を蓄積するフローティングゲートFG(電荷蓄積層)を有するトランジスタ(セルトランジスタ)で構成されている。その他の構成は、第1の実施形態とほぼ同じである。フローティングゲートFGは、ポリシリコン等の導電膜で形成されている。
【0073】
この実施形態においても、上述した第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上述した第1の実施形態では、プログラム動作の第1プログラム動作において、メモリセル列MCRのメモリセルMCとプログラムダイナミックメモリセルPDRMCとを、それぞれ独立してプログラムする例について述べた(図3のステップS10-S14)。しかしながら、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、メモリセルMCとプログラムダイナミックメモリセルPDRMCとを、同時にプログラムしてもよい。
【0074】
上述した第1の実施形態では、メモリセルMCにトラップゲートTGを形成し、トラップゲートTG内の一対のトラップ領域の一方のみに、データを保持する例について述べた。しかしながら、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。例えば、トラップ領域の両方にデータをそれぞれ保持し、2つのトラップ領域で1ビットのデータを保持してもよい。この場合、データ保持の信頼性を向上でき、読み出しマージンをさらに向上できる。
【0075】
上述した実施形態では、本発明を、仮想接地型のフラッシュメモリに適用した例について述べた。しかしながら、本発明はかかる実施形態に限定されるものではない。本発明は、NOR型あるいはNAND型のフラッシュメモリに適用できる。さらに、EEPROM等の電気的書き換え可能な不揮発性多値半導体メモリに適用できる。
【0076】
以上の実施形態において説明した発明を整理して、付記として開示する。
(付記1) 複数の不揮発性のメモリセルと、
閾値電圧が互いに異なる不揮発性の第1および第2リファレンスメモリセルと、
前記メモリセルの書き込み状態を判定するための書き込みリファレンスメモリセルと、
読み出し動作中に、前記第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の平均値を、読み出しリファレンス電流として選択するとともに、第1書き込み動作中に、前記書き込みリファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流を書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択し、第1書き込み動作に続いて実行される第2書き込み動作中に、前記第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の一方を書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択するリファレンス切替回路とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0077】
(付記2) 付記1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記各メモリセルに流れるメモリセル電流を、前記リファレンス切替回路により選択される前記読み出しリファレンス電流および前記書き込みリファレンス電流のいずれかと比較する比較回路と、
前記比較回路での比較結果に応じて、リファレンス電流を切り替えるために前記リファレンス切替回路の選択動作を制御する切替制御回路とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0078】
(付記3) 付記1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1書き込み動作において、前記メモリセルとともに、書き込みデータの論理値に応じて前記第1および第2リファレンスメモリセルの一方に前記書き込みデータを書き込み、前記第2書き込み動作において、前記メモリセルのみに前記書き込みデータを書き込む書き込み制御回路を備えていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0079】
(付記4) 付記1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1および第2書き込み動作は、前記メモリセルのデータを消去するための第1および第2消去動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、消去ベリファイ用の消去リファレンスメモリセルであり、
前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より低く、
前記書き込み制御回路は、
前記第1消去動作において、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスセルに第1論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記消去リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行し、
前記第2消去動作において、前記メモリセルに第1論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0080】
(付記5) 付記1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1および第2書き込み動作は、前記メモリセルにデータをプログラムするための第1および第2プログラム動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、プログラムベリファイ用のプログラムリファレンスメモリセルであり、
前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より高く、
前記書き込み制御回路は、
前記第1プログラム動作において、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスセルに第2論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記プログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行し、
前記第2書き込み動作において、前記メモリセルに第2論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0081】
(付記6) 付記1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記メモリセルの所定数でそれぞれ構成される複数のメモリセル列を備え、
前記第1および第2リファレンスメモリセルは、前記メモリセル列毎に形成され、
1回の前記読み出し動作または1回の前記第1および第2書き込み動作において、前記メモリセル列のいずれかと、このメモリセル列に対応する前記第1および第2リファレンスメモリセルの少なくとも一方とがアクセスされることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0082】
(付記7) 付記6記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記メモリセル列の前記メモリセルと前記各メモリセル列に対応する前記第1および第2リファレンスメモリセルとは、電荷を蓄積する電荷蓄積層と、ワード線に接続された制御ゲートを有し、ビット線がそれぞれ接続された入出力ノードを介して直列に接続されていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0083】
(付記8) 付記7記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記各メモリセルと前記第1および第2リファレンスメモリセルとの前記電荷蓄積層は、書き込みデータの論理値に応じて局所的に電荷をトラップするトラップ絶縁膜であることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
(付記9) 付記7記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記各メモリセルと前記第1および第2リファレンスメモリセルとの前記電荷蓄積層は、書き込みデータの論理値に応じた電荷を蓄積するフローティングゲートであることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0084】
(付記10) 付記6記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記各メモリセル列の前記メモリセルと前記各メモリセル列に対応する前記第1および第2リファレンスメモリセルとは、制御ゲートを有するトランジスタで構成され、
前記制御ゲートは、共通のワード線に接続されていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0085】
(付記11) メモリセルからデータを読み出す読み出し動作において、第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の平均値を読み出しリファレンス電流として選択し、前記メモリセルに流れるメモリセル電流を前記読み出しリファレンス電流と比較することで、前記メモリセルに記憶されている論理値を判定し、
前記メモリセルにデータを書き込む書き込み動作において、
前記メモリセルの書き込み状態を判定するために書き込みリファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流を、書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択し、前記メモリセルと前記第1および第2リファレンスメモリセルの一方とにデータを書き込む第1書き込み動作を実行し、
前記第1書き込み動作に続いて、前記第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の一方を書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択し、前記メモリセルにデータを書き込む第2書き込み動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリの動作制御方法。
【0086】
(付記12) 付記11記載の不揮発性半導体メモリの動作制御方法において、
前記第1および第2書き込み動作は、前記メモリセルのデータを消去するための第1および第2消去動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、消去ベリファイ用の消去リファレンスメモリセルであり、
前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より低く、
前記第1消去動作において、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスセルに第1論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記消去リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行し、
前記第2消去動作において、前記メモリセルに第1論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリの動作制御方法。
【0087】
(付記13) 付記11記載の不揮発性半導体メモリの動作制御方法において、
前記第1および第2書き込み動作は、前記メモリセルにデータをプログラムするための第1および第2プログラム動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、プログラムベリファイ用のプログラムリファレンスメモリセルであり、
前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より高く、
前記第1プログラム動作において、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスセルに第2論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記プログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行し、
前記第2書き込み動作において、前記メモリセルに第2論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリの動作制御方法。
【0088】
以上、本発明について詳細に説明してきたが、上記の実施形態およびその変形例は発明の一例に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。本発明を逸脱しない範囲で変形可能であることは明らかである。
【0089】
【発明の効果】
請求項1の不揮発性半導体メモリおよび請求項8の不揮発性半導体メモリの動作制御方法では、第2書き込み動作により、全てのメモリセルの閾値電圧を、第1および第2リファレンスメモリセルの閾値電圧の領域の外側に分布させることができる。このため、第1および第2リファレンスメモリセルから生成される読み出しリファレンス電流と、メモリセルのメモリセル電流との差を大きくできる。この結果、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。
【0090】
請求項2の不揮発性半導体メモリでは、書き込み動作を第1および第2書き込み動作により実行する場合にも、書き込み動作時間が大幅に増加することを防止できる。
請求項3の不揮発性半導体メモリでは、書き込み制御回路により、第1書き込み動作と第2書き込み動作とを確実に実行できる。
【0091】
請求項4の不揮発性半導体メモリおよび請求項9の不揮発性半導体メモリの動作制御方法では、第2消去動作により、メモリセルの消去レベル(閾値電圧)を、第1リファレンスメモリセルの消去レベル(閾値電圧)より常に低くできる。この結果、消去動作を確実に実行でき、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。
【0092】
請求項5の不揮発性半導体メモリおよび請求項10の不揮発性半導体メモリの動作制御方法では、第2プログラム動作により、メモリセルのプログラムレベル(閾値電圧)を、第2リファレンスメモリセルのプログラムレベル(閾値電圧)より常に高くできる。この結果、プログラム動作を確実に実行でき、その後の読み出し動作において、データを確実に読み出すことができる。すなわち、読み出しマージンを向上できる。
【0093】
請求項6の不揮発性半導体メモリでは、第1および第2リファレンスメモリセルのアクセス回数を、メモリセル列のアクセス回数と同じにすることができる。したがって、第1および第2リファレンスメモリセルの特性変動をメモリセル列のメモリセルの特性変動に合わせることができる。この結果、不揮発性半導体メモリを長期間使用しても、読み出しマージンが減少することを防止できる。
【0094】
請求項7の不揮発性半導体メモリでは、本発明を仮想接地型の不揮発性半導体メモリに適用する場合、従来と同様の制御回路で本発明を容易に実現できる。すなわち、簡易な制御回路で本発明を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ダイナミックリファレンス方式を採用する不揮発性半導体メモリにおけるメモリセルの閾値電圧の分布を示す説明図である。
【図2】本発明の不揮発性半導体メモリの第1の実施形態を示すブロック図である。
【図3】第1の実施形態におけるプログラム動作を示すフローチャートである。
【図4】第1の実施形態における消去動作を示すフローチャートである。
【図5】第1の実施形態におけるプログラム動作後および消去動作後の閾値電圧の分布を示す説明図である。
【図6】図5の閾値電圧の分布の詳細を示す説明図である。
【図7】本発明の不揮発性半導体メモリの第2の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
10 状態制御回路
12 電圧切替回路
14 プログラム制御回路
16 消去制御回路
18 アドレスラッチ
20 入出力制御回路
22 切替制御回路
24 入出力バッファ
26 データラッチ
28 比較回路
30 リファレンス切替回路
32 ロウアドレスデコーダ
34 コラムアドレスデコーダ
36 セルアレイ部
38 ダイナミックリファレンス部
40 外部リファレンス部
BL ビット線
CORE メモリコア
EDRMC 第1リファレンスメモリセル、消去ダイナミックリファレンス
EREF 消去リファレンスメモリセル
IEREF 書き込みリファレンス電流、消去リファレンス電流
IMC メモリセル電流
IPREF 書き込みリファレンス電流、プログラムリファレンス電流
IREF0 第2リファレンス電流
IREF1 第1リファレンス電流
IRREF 読み出しリファレンス電流
LINF 論理情報信号
MC メモリセル
MCR メモリセル列
PDRMC 第2リファレンスメモリセル、プログラムダイナミックリファレンス PREF プログラムリファレンスメモリセル
SW 切替信号
WL ワード線
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory.
[0002]
[Prior art]
A nonvolatile semiconductor memory such as a flash memory stores data by injecting electrons into a charge storage layer of a memory cell and changing a threshold voltage of the memory cell. In general, a state in which the threshold voltage is high and no current flows in the memory cell during the read operation is a state in which “data 0” is written (“0 state” = program state), and the threshold voltage is low and the read operation is in progress. A state in which a current flows through the memory cell is a state in which “data 1” is written (“1 state” = erased state). The “0 state” and “1 state” are detected by comparing the current (memory cell current) flowing through the memory cell during the read operation with the reference current flowing through the reference memory cell.
[0003]
The memory cell current flows by applying a gate voltage to the memory cell. When the gate voltage changes depending on the power supply voltage, the memory cell current changes according to the power supply voltage. When the memory cell current changes, the difference from the read reference current to be compared during the read operation varies, so that the data read margin decreases. In the worst case, the data stored in the memory cell is erroneously read.
[0004]
In order to prevent this kind of read margin from being lowered, a nonvolatile semiconductor memory is disclosed in which an erase verify operation is executed twice using two types of gate voltages during an erase operation (see, for example, Patent Document 1). . Here, the erase verify operation is an operation in which in the erase operation, the memory cell current is compared with the erase reference current flowing through the reference memory cell for erasure to confirm that the memory cell has changed to the erased state.
[0005]
Further, in order to improve a data read margin, a nonvolatile semiconductor memory has been developed that forms a pair of reference memory cells (erase dynamic reference and program dynamic reference) for each memory cell column composed of a predetermined number of memory cells. . The erase dynamic reference is erased together when an erase operation is performed on the corresponding memory cell. At this time, the program dynamic reference is also deleted. The program dynamic reference is programmed together when a program operation is performed on the corresponding memory cell column.
[0006]
In the read operation, the average current of the currents flowing through both dynamic references is used as the read reference current, and the logic level of the data held in the memory cell is determined. A method of erasing and programming each dynamic reference together with erasing and programming of a memory cell is called a dynamic reference method.
[0007]
FIG. 1 shows a distribution of threshold voltages of memory cells in a nonvolatile semiconductor memory employing a dynamic reference method.
The erase operation of the memory cell is executed until the threshold voltage of the memory cell becomes lower than the threshold voltage VEREF of the erase reference memory cell. For this reason, the threshold voltage of the erased memory cell EMC is distributed in a region lower than the threshold voltage VEREF. The erase dynamic reference EDRMC corresponding to each memory cell column is erased together with the erase operation of the memory cell using the memory cell current flowing through the erase reference memory cell (threshold voltage VEREF) as the erase reference current. For this reason, the threshold voltage of the erase dynamic reference EDRMC in the erased state is distributed in a region lower than the threshold voltage VEREF.
[0008]
On the other hand, the program operation of the memory cell is executed until the threshold voltage of the memory cell becomes higher than the threshold voltage VPREF of the program reference memory cell. For this reason, the threshold voltage of the memory cell PMC in the programmed state is distributed in a region higher than the threshold voltage VPREF. The program dynamic reference PDRMC corresponding to each memory cell column is programmed together with the memory cell program operation using the memory cell current flowing through the program reference memory cell (threshold voltage VPREF) as the program reference current. For this reason, the threshold voltage of the program dynamic reference PDRMC in the program state is distributed in a region higher than the threshold voltage VPREF.
[0009]
In the read operation of the memory cell, an average current between the memory cell current of the erase dynamic reference EDRMC and the memory cell current of the program dynamic reference PDRMC is used as the read reference current. In FIG. 1, for ease of explanation, the read reference current is expressed as a threshold voltage VRREF. Since the threshold voltages of the erase dynamic reference EDRMC and the program dynamic reference PDRMC are distributed, the threshold voltage VRREF is also distributed.
[0010]
As described above, in the non-volatile semiconductor memory of the dynamic reference system, the erase dynamic reference EDRMC or the program dynamic reference PDRMC is also written for each erase operation or program operation of each memory cell column. Therefore, the same gate voltage is applied to the memory cells and the dynamic references EDRMC and PDRMC, and the memory cells in the memory cell column and the dynamic references EDRMC and PDRMC corresponding to the memory cell column are always accessed together. . Therefore, the charge gain characteristic and charge loss characteristic of the memory cell and the dynamic references EDRMC and PDRMC can be matched, and the read margin is improved.
[0011]
Here, the charge gain is a phenomenon that a threshold voltage is increased by unexpectedly injecting electrons into the charge storage layer when a relatively high voltage is repeatedly applied to the control gate of the memory cell. The charge gain is generated by repeatedly reading data from the memory cell. The charge gain decreases the read margin of “1 state (erased state)”. The charge loss is a phenomenon in which a relatively low voltage is repeatedly applied to the control gate of the memory cell, whereby unexpected electrons are emitted from the charge storage layer and the threshold voltage is lowered. The charge loss occurs when data is repeatedly written into the memory cell. The charge loss reduces the read margin of “0 state (program state)”.
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-60395 (FIG. 2)
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In FIG. 1, when the threshold voltages of the dynamic references EDRMC and PDRMC corresponding to a certain memory cell column are located at black square marks, the threshold voltage VRREF corresponding to the read reference current is located at a black triangle mark. At this time, when the threshold voltage (black circle) of the programmed memory cell in the memory cell column is close to the threshold voltage VPREF of the program reference memory cell, the read margin MRG0 of “0 state (program state)” decreases. .
[0014]
Similarly, when the threshold voltages of the dynamic references EDRMC and PDRMC corresponding to a certain memory cell column are located in white square marks, the threshold voltage VRREF corresponding to the read reference current is located in a white triangle mark. At this time, when the threshold voltage (white circle) of the programmed memory cell in the memory cell column is close to the threshold voltage VEREF of the erase reference memory cell, the read margin MRG1 of “1 state (erased state)” decreases. .
[0015]
In other words, the read margins MRG0 and MRG1 of the memory cell MC in each memory cell column MCR are half of the difference between the memory cell current IPREF of the program dynamic memory cell PDRMC and the memory cell current IEREF of the erase dynamic memory cell EDRMC. May be smaller.
As described above, the conventional dynamic reference method can reduce the influence of the charge gain and the charge loss, but the read margin may be lowered depending on the threshold voltage of the memory cell.
[0016]
An object of the present invention is to improve the read margin of a nonvolatile semiconductor memory. In particular, the read margin of a dynamic reference type nonvolatile semiconductor memory is improved.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  The nonvolatile semiconductor memory of claim 1 andClaim 7In the nonvolatile semiconductor memory operation control method, in the read operation for reading data from the memory cell, the average value of the memory cell currents flowing through the nonvolatile first and second reference memory cells is selected as the read reference current. The first and second reference memory cells have different threshold voltages. Then, the memory cell current flowing through the nonvolatile memory cell is compared with the read reference current, and the logical value stored in the memory cell is determined.
[0018]
The write operation for writing data to the memory cell includes a first write operation and a second write operation following the first write operation. The reference current is switched by, for example, a reference switching circuit between the read operation and the first and second write operations or between the first write operation and the second write operation.
[0019]
First, in the first write operation, the memory cell current flowing through the write reference memory cell is selected as a write reference current for write verification. Then, data is written to the memory cell and one of the first and second reference memory cells while determining the writing state based on the writing reference current. That is, the threshold voltage of the memory cell and the threshold voltage of the first or second reference memory cell are distributed in one region with the threshold voltage of the write reference memory cell as a boundary.
[0020]
In the second write operation, one of the memory cell currents flowing through the first and second reference memory cells is selected as a write reference current for write verification. Then, data is written into the memory cell while determining the write state based on the write reference current. For this reason, after the second write operation, the threshold voltage of the memory cell is distributed on one side with the first or second reference memory cell as a boundary.
[0021]
  By executing a write operation (for example, an erase operation) using the first reference memory cell and a write operation (for example, a program operation) using the second reference memory cell, the threshold voltages of all the memory cells are set. The first and second reference memory cells can be distributed outside the region sandwiched between the threshold voltages. Therefore, the difference between the read reference current generated from the first and second reference memory cells and the memory cell current of the memory cell can be increased. As a result, data can be reliably read in the subsequent read operation. That is, the read margin can be improved.Further, in the first write operation, the write control circuit writes write data to the memory cell, and writes write data to one of the first or second reference memory cells according to the logical value of the write data. The write control circuit writes write data to the memory cell without writing write data to the first and second reference memory cells. Therefore, the first write operation and the second write operation can be reliably executed by the write control circuit.
[0022]
According to another aspect of the nonvolatile semiconductor memory of the present invention, the comparison circuit compares the memory cell current flowing through each memory cell with either the read reference current or the write reference current selected by the reference switching circuit. The switching control circuit controls the selection operation of the reference switching circuit to switch the reference current in accordance with the comparison result in the comparison circuit. For this reason, for example, in the first write operation, when the magnitude relationship between the memory cell current and the write reference current is reversed, the memory for quickly flowing the reference current for write verification to the first and second reference memory cells. Switching to one of the cell currents can start the second write operation. As a result, even when the write operation is executed separately for the first and second write operations, it is possible to prevent the write operation time from significantly increasing.
[0024]
  Claim 3Non-volatile semiconductor memory andClaim 8In the nonvolatile semiconductor memory operation control method, the first and second write operations are first and second erase operations for erasing data in the memory cells. That is, the write reference memory cell is an erase reference memory cell for erase verify. The threshold voltage of the first reference memory cell is lower than the threshold voltage of the second reference memory cell.
[0025]
The first erase operation is executed until the threshold voltage of the memory cell and the first reference memory cell becomes lower than the threshold voltage of the erase reference memory cell. Then, the first logical value is written into the memory cell and the first reference memory cell. The second erase operation is executed until the threshold voltage of all the memory cells becomes lower than the threshold voltage of the first reference memory cell. Then, the first logic value is strongly written into the memory cell. For this reason, the erase level (threshold voltage) of the memory cell can always be lower than the erase level (threshold voltage) of the first reference memory cell. As a result, the erasing operation can be reliably executed, and the data can be reliably read in the subsequent reading operation. That is, the read margin can be improved.
[0026]
  Claim 4Non-volatile semiconductor memory andClaim 9In the nonvolatile semiconductor memory operation control method, the first and second write operations are first and second program operations for programming data in the memory cells. That is, the write reference memory cell is a program reference memory cell for program verification. The threshold voltage of the second reference memory cell is higher than the threshold voltage of the first reference memory cell.
[0027]
The first program operation is executed until the threshold voltage of the memory cell and the second reference memory cell becomes higher than the threshold voltage of the program reference memory cell. Then, the second logical value is written into the memory cell and the second reference cell. The second program operation is executed until the threshold voltage of all the memory cells becomes higher than the threshold voltage of the second reference memory cell. Then, the second logical value is strongly written into the memory cell. For this reason, the program level (threshold voltage) of the memory cell can always be higher than the program level (threshold voltage) of the second reference memory cell. As a result, the program operation can be reliably executed, and the data can be reliably read in the subsequent read operation. That is, the read margin can be improved.
[0028]
  Claim 5In the nonvolatile semiconductor memory, the first and second reference memory cells are formed for each memory cell column. In one read operation or one first and second write operation, one of the memory cell columns formed of a predetermined number of memory cells and the first and second reference memory cells corresponding to the memory cell columns are Accessed. For this reason, the number of accesses of the first and second reference memory cells can be made the same as the number of accesses of the memory cell column. Therefore, the characteristic variation of the first and second reference memory cells can be matched with the characteristic variation of the memory cells in the memory cell column. For example, the charge gain characteristics and the charge loss characteristics of the first and second reference memory cells and the memory cells in the memory cell column can be matched. For this reason, even if the nonvolatile semiconductor memory is used for a long time, it is possible to prevent the read margin from being reduced.
[0029]
  Claim 6In the non-volatile semiconductor memory, the memory cells in each memory cell column and the first and second reference memory cells corresponding to each memory cell column include a charge storage layer for storing charges and a control gate connected to a word line have. These memory cells are connected in series via input / output nodes to which bit lines are respectively connected. That is, a nonvolatile semiconductor memory generally called a virtual ground type is configured.
[0030]
As described above, in the second write operation, data is written only in the memory cells in the memory cell column, and data is not written in the first and second reference memory cells. Control for writing data to only a part of a plurality of memory cells connected to the same word line can be easily achieved by a virtual ground nonvolatile semiconductor memory. As a result, when the present invention is applied to a virtual ground nonvolatile semiconductor memory, the present invention can be easily realized with a control circuit similar to the conventional one. That is, the present invention can be realized with a simple control circuit.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the figure, the signal lines indicated by bold lines are composed of a plurality of lines. Double circles in the figure indicate external terminals. A signal preceded by “/” is a negative logic signal.
FIG. 2 shows a first embodiment of the nonvolatile semiconductor memory of the present invention.
The nonvolatile semiconductor memory is formed as a flash memory on a silicon substrate using a CMOS process. The flash memory includes a state control circuit 10, a voltage switching circuit 12, a program control circuit 14, an erase control circuit 16, an address latch 18, an input / output control circuit 20, a switching control circuit 22, an input / output buffer 24, a data latch 26, and a comparison circuit. 28, a reference switching circuit 30, a row address decoder 32, a column address decoder 34, a cell array unit 36, a dynamic reference unit 38, and an external reference unit 40. The program control circuit 14 and the erase control circuit 16 operate as a write control circuit. The row address decoder 32, the column address decoder 34, the cell array unit 36, and the dynamic reference unit 38 constitute a memory core CORE.
[0032]
The state control circuit 10 determines the operating state of the flash memory according to the chip enable signal / CE, the write enable signal / WE supplied from the outside of the flash memory, and the data signal DATA supplied together with these command signals, A control signal corresponding to the determined operation state is output.
The voltage switching circuit 12 switches the voltage supplied to the memory core CORE according to the control signal from the state control circuit 10 and the logical information signal LINF from the data latch 26. For example, in a program operation (a kind of write operation), the row address decoder 32 is supplied with a program voltage (gate voltage of the memory cell MC; for example, 9 V) applied to the word line WL, and the column address decoder 34 is supplied with a bit line. A program voltage (drain voltage of the memory cell MC; for example, 5 V) to be supplied to BL is supplied. In the verify operation after the program operation, the row address decoder 32 is supplied with a verify voltage (for example, 5 V) applied to the gate of the memory cell MC, and the column address decoder 34 is supplied with a verify voltage (for example, applied to the drain of the memory cell MC). 1.0V) is supplied. In an erase operation (another kind of write operation), an erase voltage (for example, −6V) applied to the gate of the memory cell MC is supplied, and an erase voltage (for example, 6V) applied to the drain of the memory cell MC is supplied to the column address decoder 34. Is supplied. In the read operation, the row address decoder 32 is supplied with a read voltage (for example, 5 V) applied to the gate of the memory cell MC, and the column address decoder 34 is supplied with a read voltage (voltage 1.0 V) applied to the drain of the memory cell MC. Is supplied. The voltage switching circuit 12 performs these switching controls.
[0033]
The program control circuit 14 operates to write “data 0” to the memory cell MC selected by the address signal ADD when a program command is supplied. The program control circuit 14 reliably executes a first program operation and a second program operation described later.
The erase control circuit 16 operates to write “data 1” to the memory cell MC when an erase command is supplied. The erase control circuit 16 reliably executes a first erase operation and a second erase operation described later.
[0034]
The address latch 18 latches an address signal ADD supplied from the outside via an address terminal, and outputs the latched address signal ADD to the row address decoder 32 and the column address decoder 34.
The input / output control circuit 20 switches the data input / output direction of the input / output buffer 24 in accordance with the chip enable signal / CE and the output enable signal / OE.
[0035]
The switching control circuit 22 outputs a switching signal SW for controlling the operation of the reference switching circuit 30 in accordance with the logical information signal LINF (comparison result in the comparison circuit 28) from the data latch 26.
The input / output buffer 24 outputs the data read from the cell array unit 36 and latched by the data latch 26 to the data terminal DATA during the read operation. The input / output buffer 24 receives write data via the data terminal DATA and outputs the received data to the data latch 26 during a program operation. The input / output buffer 24 receives a command data signal via the data terminal DATA.
[0036]
The data latch 26 latches the logic level corresponding to the comparison result output from the comparison circuit 28 during the read operation, and outputs the latched logic level to the input / output buffer 24. The data latch 26 latches the write data supplied from the input / output buffer 24 during the program operation, and uses the latched write data as an expected value for write verification.
[0037]
The comparison circuit 28 compares the memory cell current flowing through the accessed memory cell MC with the reference current during the read operation and the verify operation during the erase operation and the program operation, and outputs the comparison result to the data latch 26. . The read operation is executed in response to a read command supplied from the outside. The erase operation is executed in response to an erase command supplied from the outside. The program operation is executed in response to a program command supplied from the outside. The verify operation is executed to determine whether or not the write data (“logic 0” or “logic 1”) has been correctly written in the memory cell MC in the write operation (erase operation and program operation).
[0038]
In response to the switching signal SW from the switching control circuit 22, the reference switching circuit 30 selects one of the read reference current for read operation, the erase reference current IEREF, and the program reference current IPREF, which is an average value of the reference currents IREF 1 and IREF 0. The selected reference current is output to the comparison circuit 28. The reference switching circuit 30 has a function of obtaining an average value of the reference currents IREF1 and IREF0 in order to perform a read operation.
[0039]
The row address decoder 32 selects one of the word lines WL according to the address signal ADD (upper bit) from the address latch 18. The row address decoder 32 supplies a program voltage, a verify voltage, a read voltage, or an erase voltage to the selected word line WL.
The column address decoder 34 selects a predetermined bit line BL according to the address signal ADD (lower bit) from the address latch 18. Specifically, the bit lines BL on both sides of the memory cell MC to be accessed are selected according to the address signal ADD. The selected bit line BL is set to a predetermined voltage.
[0040]
The cell array unit 36 includes a plurality of memory cells MC arranged in a matrix, a plurality of word lines WL wired in the horizontal direction in the figure, and a plurality of bit lines wired along the vertical direction in the figure. Yes. The memory cells MC arranged in the horizontal direction in the figure are connected in series via an input / output node ND. The control gates of the memory cells MC arranged in the horizontal direction in the figure are connected to the same word line WL.
[0041]
A memory cell column MCR is formed by the memory cells MC connected to the same word line WL. The input / output nodes ND of the memory cells MC arranged in the vertical direction in the figure are connected to each other via a bit line BL. Each bit line BL is shared by adjacent memory cells MC on the left and right sides of the figure. This type of cell array is generally referred to as a virtual ground type.
[0042]
Each memory cell MC is composed of a transistor (cell transistor) having a trap gate TG (charge storage layer) for storing charges (electrons). The trap gate TG is formed of an insulating film such as a nitride film. For this reason, the charges trapped in the trap gate TG do not move in the trap gate TG. Using this, the threshold voltage of the cell transistor can be locally changed.
[0043]
In this embodiment, data is written in only one of a pair of trap regions (white squares in the figure) in the trap gate TG. That is, one memory cell MC can store 1-bit data.
The basic structure of the dynamic reference unit 38 is the same as that of the cell array unit 36. That is, the dynamic reference unit 38 has a virtual ground type cell array structure. The dynamic reference unit 38 is connected to an erase dynamic reference EDRMC (first reference memory cell) and a program dynamic reference PDRMC (second reference memory cell) having the same structure (same characteristics) as the memory cell MC, and these dynamic references EDRMC and PDRMC. A word line WL and a bit line BL.
[0044]
A pair of erase dynamic reference EDRMC and program dynamic reference PDRMC arranged in the horizontal direction in the figure are connected in series via an input / output node ND. The control gates of the memory cells MC arranged in the horizontal direction in the figure are connected to the same word line WL as the cell array portion 36. That is, the pair of erase dynamic reference EDRMC and program dynamic reference PDRMC are formed corresponding to the memory cell column MCR of the cell array unit 34, and their control gates are connected to a common word line WL. The average value of the memory cell currents IREF1 and IREF0 flowing through the dynamic references EDRMC and PDRMC is used as a read reference current during a read operation.
[0045]
In this flash memory, the memory cell MC is accessed by selecting the word line WL. At this time, the dynamic references EDRMC and PDRMC connected to the same word line WL are also accessed. In other words, when a voltage is applied to the control gates of the memory cells MC in the memory cell column MCR, the same voltage is applied to the control gates of the corresponding dynamic references EDRMC and PDRMC. That is, the number of accesses of the dynamic references EDRMC and PDRMC is the same as the number of accesses of the memory cell column MCR.
[0046]
Specifically, when the memory cell column MCR of the cell array unit 36 is erased to “logic 1”, the first reference memory cell EDRMC is also erased to “logic 1”. When the memory cell column MCR of the cell array unit 36 is programmed to “logic 0”, the second reference memory cell PDRMC is also programmed to “logic 0”. That is, the flash memory according to the present embodiment employs a dynamic reference method. Therefore, the characteristic variation of the dynamic references EDRMC and PDRMC coincides with the characteristic variation of the memory cell MC of the memory cell column MCR.
[0047]
Thus, by forming the dynamic references EDRMC and PDRMC for each memory cell column MCR, the charge gain characteristics and the charge loss characteristics of the memory cells MC of the memory cell column MCR and the dynamic references EDRMC and PDRMC can be matched. . As a result, it is possible to mitigate the decrease in the read margin due to the charge gain and charge loss of the memory cell, and the read margin does not decrease even when the nonvolatile semiconductor memory is used for a long time.
[0048]
The external reference unit 40 has a pair of write reference cells (erase reference memory cell EREF and program reference memory cell PREF). The erase reference memory cell EREF and the program reference memory cell PREF are composed of nonvolatile memory cells having a size larger than that of the memory cell MC. A memory cell current IEREF (erase reference current, write reference current) flowing through the erase reference memory cell EREF is used for a verify operation during the erase operation. A memory cell current IPREF (program reference current, write reference current) flowing in the program reference memory cell PREF is used for a verify operation during a program operation. The erase reference current IEREF and the program reference current IPREF are output to the reference switching circuit 30.
[0049]
FIG. 3 shows the flow of the program operation in the first embodiment. The program operation includes a first program operation in steps S10 to S14 and a second program operation in steps S15 to S17.
First, in step S10, the switching control circuit 22 shown in FIG. 2 controls the reference switching circuit 30 to set the program reference current IPREF as a reference current for program verification.
[0050]
Next, in step S11, the comparison circuit 28 compares the memory cell current IMC flowing in each memory cell MC selected by the address signal ADD with the program reference current IPREF. The comparison result is latched in the data latch 26. The switching control circuit 22 receives the logic information signal LINF from the data latch 26 and determines whether or not “logic 0” is written in the memory cell MC. Specifically, when the memory cell current IMC is larger than the program reference current IPREF, it is determined that the program to the memory cell MC is insufficient, and the process proceeds to step S12. If the memory cell current IMC is less than or equal to the program reference current IPREF, it is determined that the program to the memory cell MC is sufficient, and the process proceeds to step S13.
[0051]
In step S12, the program control circuit 14 executes a program operation for writing “logic 0” to the memory cell MC. Thereafter, the process proceeds to step S11 again.
In step S13, the comparison circuit 28 compares the memory cell current IREF0 flowing through the program dynamic reference PDRMC corresponding to the memory cell column MCR selected by the address signal ADD with the program reference current IPREF. The comparison result is latched in the data latch 26. The switching control circuit 22 receives the logical information signal LINF from the data latch 26 and determines whether or not “logic 0” is written in the program dynamic reference PDRMC. Specifically, when the memory cell current IREF0 is larger than the program reference current IPREF, it is determined that the program to the program dynamic reference PDRMC is insufficient, and the process proceeds to step S14. If the memory cell current IREF0 is less than or equal to the program reference current IPREF, it is determined that the program to the program dynamic reference PDRMC is sufficient, and the process proceeds to step S15.
[0052]
In step S14, the program control circuit 14 executes a program operation for writing "logic 0" to the program dynamic reference PDRMC. Thereafter, the process proceeds to step S13 again.
As shown in FIG. 1 described above by the processing of steps S10-S14 (first program operation, first write operation), the threshold voltages of the memory cell MC to be programmed and the program dynamic reference PDRMC are both program reference memory cells. Higher than the threshold voltage VPREF. At this time, the threshold voltage distributions of the memory cell MC and the program dynamic reference PDRMC overlap.
[0053]
Next, in step S15, the switching control circuit 22 controls the reference switching circuit 30 to set the memory cell current IREF0 of the program dynamic reference PDRMC as a reference current for program verification. Since the reference current is quickly switched by the switching control circuit 22, the program operation time does not increase significantly even when the program operation is divided into the first and second program operations.
[0054]
Next, in step S16, the comparison circuit 28 compares the memory cell current IMC flowing in the memory cell MC selected by the address signal ADD with the memory cell current IREF0. The comparison result is latched in the data latch 26. The switching control circuit 22 receives the logical information signal LINF from the data latch 26, and determines whether or not the threshold voltage of the memory cell MC is higher than the threshold voltage of the program dynamic reference PDRMC. Specifically, when the memory cell current IMC is equal to or greater than the memory cell current IREF0, it is determined that the program to the memory cell MC is insufficient, and the process proceeds to step S17. When the memory cell current IMC is smaller than the memory cell current IREF0, it is determined that the program to the memory cell MC is sufficient, and the program operation ends.
[0055]
In step S17, the program control circuit 14 executes a program operation for writing “logic 0” to the memory cell MC. Thereafter, the process proceeds to step S16 again.
The threshold voltages of all the memory cells MC to be programmed are higher than the threshold voltages of the program dynamic memory cells PDRMC by the processing of Steps S15 to S17 (second program operation, second write operation).
[0056]
FIG. 4 shows the erase operation in the first embodiment. The erasing operation includes a first erasing operation in steps S20 to S22 and a second erasing operation in steps S23 to S25.
First, in step S20, the switching control circuit 22 controls the reference switching circuit 30 to set the erase reference current IEREF as a verification reference current.
[0057]
Next, in step S21, the comparison circuit 28 uses the memory cell current IMC flowing in each memory cell MC selected by the address signal ADD and the memory flowing in the erase dynamic reference EDRMC corresponding to the memory cell column MCR selected by the address signal ADD. The cell current IREF1 is compared with the erase reference current IEREF, respectively. The comparison result is latched in the data latch 26. The switching control circuit 22 receives the logical information signal LINF from the data latch 26 and determines whether or not “logic 1” is written in the memory cell MC. Specifically, when the memory cell current IMC is smaller than the erase reference current IEREF, it is determined that the erase of the memory cell MC is insufficient, and the process proceeds to step S22. Similarly, when the memory cell current IREF0 is smaller than the erase reference current IEREF, it is determined that the erase dynamic reference PDRMC is not sufficiently erased, and the process returns to step S22.
[0058]
If the memory cell current IMC is greater than or equal to the erase reference current IEREF, it is determined that the erase to the memory cell MC is sufficient, and the process proceeds to step S23. Similarly, when the memory cell current IREF0 is equal to or larger than the erase reference current IEREF, it is determined that the erase dynamic reference PDRMC is sufficiently erased, and the process proceeds to step S23.
[0059]
In step S22, the program control circuit 14 executes an erase operation for erasing the memory cell MC and the erase dynamic reference EDRMC to “logic 1”. Thereafter, the process proceeds to step S21 again.
As shown in FIG. 1 described above by the processing of steps S20 to S22 (first erase operation and first write operation), the threshold voltages of the memory cell MC to be erased and the erase dynamic reference EDRMC are both erase reference memory cells. Lower than the threshold voltage VEREF. At this time, the threshold voltage distributions of the memory cell MC and the erase dynamic reference EDRMC overlap.
[0060]
Next, in step S23, the switching control circuit 22 controls the reference switching circuit 30 to set the memory cell current IREF1 of the erase dynamic reference EDRMC as a reference current for erase verification. Since the reference current is quickly switched by the switching control circuit 22, even when the erase operation is executed separately for the first and second erase operations, the erase operation time does not increase significantly.
[0061]
Next, in step S24, the comparison circuit 28 compares the memory cell current IMC flowing in the memory cell MC selected by the address signal ADD with the memory cell current IREF1 of the erase dynamic reference EDRMC. The comparison result is latched in the data latch 26. The switching control circuit 22 receives the logical information signal LINF from the data latch 26 and determines whether or not the threshold voltage of the memory cell MC is higher than the threshold voltage of the erase dynamic reference EDRMC. Specifically, when the memory cell current IMC is equal to or greater than the memory cell current IREF1, it is determined that writing to the memory cell MC is insufficient, and the process proceeds to step S25. When the memory cell current IMC is smaller than the memory cell current IREF1, it is determined that writing to the memory cell MC is sufficient, and the erase operation is finished.
[0062]
In step S25, the program control circuit 14 executes an erasing operation for erasing the memory cell MC to “logic 1”. Thereafter, the process proceeds to step S24 again.
The threshold voltages of all memory cells MC to be programmed become lower than the threshold voltages of the erase dynamic memory cells EDRMC by the processes of Steps S23 to S25 (second erase operation, second write operation).
[0063]
FIG. 5 shows the threshold voltage distribution of the memory cell after the program operation and the erase operation shown in FIGS.
By the second program operation shown in steps S15 to S17 of FIG. 3 described above, the threshold voltage of the memory cell MC (PMC) in each memory cell column MCR becomes higher than the threshold voltage of the program dynamic memory cell PDRMC. Further, the threshold voltage of the memory cell MC (EMC) in each memory cell column MCR becomes lower than the threshold voltage of the erase dynamic memory cell EDRMC by the second erase operation shown in steps S23 to S25 of FIG. 4 described above.
[0064]
FIG. 6 shows details of the threshold voltage distribution of FIG.
The threshold voltage of the memory cell MC of the memory cell column MCR connected to the word line WLm is necessarily higher than the threshold voltage of the program dynamic memory cell PDRMC by the second program operation. The threshold voltage of the memory cell MC of the memory cell column MCR connected to the word line WLm is necessarily lower than the threshold voltage of the erase dynamic memory cell EDRMC by the second erase operation. The same applies to memory cell columns MCR connected to other word lines WLn.
[0065]
In the dynamic reference type flash memory, the read reference current IRREF of each memory cell column MCR is set to an average value of memory cell currents flowing through the program dynamic memory cell PDRMC and the erase dynamic memory cell EDRMC. Therefore, in the read operation, the read margin MRG0 of the programmed memory cell MC (PMC) is necessarily larger than the difference between the memory cell current IPREF of the program dynamic memory cell PDRMC and the read reference current IRREF.
[0066]
Similarly, in the read operation, the read margin MRG1 of the erased memory cell MC (EMC) is necessarily larger than the difference between the memory cell current IEREF of the erase dynamic memory cell EDRMC and the read reference current IRREF. In other words, the read margins MRG0 and MRG1 are always larger than one half of the difference between the memory cell current IPREF of the program dynamic memory cell PDRMC and the memory cell current IEREF of the erase dynamic memory cell EDRMC. Improving the read margins MRG0 and MRG1 prevents read data from being erroneously read, that is, data destruction.
[0067]
As described above, in this embodiment, in the second erase operation, the threshold voltage of the memory cell MC can always be lower than the threshold voltage of the corresponding erase dynamic reference EDRMC (first reference memory cell). In the second program operation, the threshold voltage of the memory cell MC can always be higher than the threshold voltage of the corresponding program dynamic reference PDRMC (second reference memory cell). Therefore, the difference between the read reference current IRREF generated from the dynamic references EDRMC and PDRMC and the memory cell current IMC of the memory cell MC can be increased. As a result, data can be reliably read in the subsequent read operation. That is, the read margin can be improved.
[0068]
The switching control circuit 22 controls the selection operation of the reference switching circuit in order to switch the reference current according to the comparison result in the comparison circuit 28. Therefore, in the first program operation, when the memory cell current IMC and the second reference current IREF0 of the program dynamic reference PDRMC are smaller than the program reference current IPREF, the reference current for program verification is quickly supplied to the second reference. The second program operation can be started by switching to the current IREF0. As a result, it is possible to prevent the program operation time from significantly increasing even when the program operation is executed by dividing it into the first and second program operations.
[0069]
Similarly, in the first erase operation, when the memory cell current IMC and the first reference current IREF1 of the erase dynamic reference EDRMC are larger than the erase reference current IEREF, the reference current for erase verification is quickly changed to the first reference. The second erase operation can be started by switching to the current IREF1. As a result, it is possible to prevent the erase operation time from significantly increasing even when the erase operation is executed separately for the first and second erase operations.
[0070]
Since the dynamic references EDRMC and PDRMC are formed for each memory cell column MCR, the number of accesses of the dynamic references EDRMC and PDRMC can be made the same as the number of accesses of the memory cell column MCR. Therefore, the characteristic variation of the dynamic references EDRMC and PDRMC can be matched with the characteristic variation of the memory cell MC of the memory cell column MCR. For example, the charge gain characteristics and the charge loss characteristics of the dynamic references EDRMC and PDRMC and the memory cells MC of the memory cell column MCR can be matched. As a result, it is possible to prevent the read margin from being reduced even when the nonvolatile semiconductor memory is used for a long time.
[0071]
In the virtual ground type flash memory, it is possible to easily control writing data into a part of the memory cells MC, EDRMC, and PDRMC connected to the same word line WL. Therefore, by applying the present invention to a virtual ground type flash memory, the second erase operation and the second program operation can be realized by a control circuit similar to the conventional one. The first program operation composed of steps S10 to S14 shown in FIG. 3 can also be realized by a control circuit similar to the conventional one. In other words, the present invention can be easily realized by applying the present invention to a virtual ground type flash memory.
[0072]
FIG. 7 shows a second embodiment of the nonvolatile semiconductor memory of the present invention. The same circuits / signals as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
In the flash memory, the voltage switching circuit 12B, the cell array unit 36B, the dynamic reference unit 38B, and the external reference unit 40B are used instead of the voltage switching circuit 12, the cell array unit 36, the dynamic reference unit 38, and the external reference unit 40 of the first embodiment. have. The memory cell MC in the cell array part 36B and the dynamic reference part is composed of a transistor (cell transistor) having a floating gate FG (charge storage layer) for storing charges (electrons). Other configurations are substantially the same as those of the first embodiment. The floating gate FG is formed of a conductive film such as polysilicon.
[0073]
Also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment described above can be obtained.
In the first embodiment described above, an example in which the memory cell MC and the program dynamic memory cell PDRMC of the memory cell column MCR are independently programmed in the first program operation of the program operation has been described (FIG. 3). Steps S10-S14). However, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, the memory cell MC and the program dynamic memory cell PDRMC may be programmed simultaneously.
[0074]
In the first embodiment described above, an example in which the trap gate TG is formed in the memory cell MC and data is held in only one of the pair of trap regions in the trap gate TG has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment. For example, data may be held in both trap areas, and 1-bit data may be held in two trap areas. In this case, the reliability of data retention can be improved and the read margin can be further improved.
[0075]
In the above-described embodiment, the example in which the present invention is applied to a virtual ground type flash memory has been described. However, the present invention is not limited to such an embodiment. The present invention can be applied to a NOR type or NAND type flash memory. Furthermore, the present invention can be applied to an electrically rewritable nonvolatile multilevel semiconductor memory such as an EEPROM.
[0076]
The invention described in the above embodiments is organized and disclosed as an appendix.
(Appendix 1) A plurality of nonvolatile memory cells;
Non-volatile first and second reference memory cells having different threshold voltages,
A write reference memory cell for determining a write state of the memory cell;
An average value of memory cell currents flowing through the first and second reference memory cells during a read operation is selected as a read reference current, and a memory cell current flowing through the write reference memory cell during a first write operation is selected. One of the memory cell currents flowing in the first and second reference memory cells is selected as a write reference current for write verification, and a write current for write verification is selected during the second write operation executed following the first write operation. A non-volatile semiconductor memory comprising a reference switching circuit that is selected as a reference current.
[0077]
(Appendix 2) In the nonvolatile semiconductor memory according to Appendix 1,
A comparison circuit that compares the memory cell current flowing through each memory cell with either the read reference current or the write reference current selected by the reference switching circuit;
A non-volatile semiconductor memory comprising: a switching control circuit that controls a selection operation of the reference switching circuit in order to switch a reference current according to a comparison result in the comparison circuit.
[0078]
(Supplementary note 3) In the nonvolatile semiconductor memory according to supplementary note 1,
In the first write operation, the write data is written into one of the first and second reference memory cells in accordance with the logical value of the write data together with the memory cell, and only in the memory cell in the second write operation. A non-volatile semiconductor memory comprising a write control circuit for writing the write data.
[0079]
(Supplementary Note 4) In the nonvolatile semiconductor memory according to Supplementary Note 1,
The first and second write operations are first and second erase operations for erasing data of the memory cell,
The write reference memory cell is an erase reference memory cell for erase verify,
The threshold voltage of the first reference memory cell is lower than the threshold voltage of the second reference memory cell,
The write control circuit includes:
In the first erase operation, a threshold voltage of the memory cell and the first reference memory cell is lower than a threshold voltage of the erase reference memory cell in order to write a first logic value to the memory cell and the first reference cell. Execute the erase operation until
In the second erasing operation, the erasing operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes lower than a threshold voltage of the first reference memory cell in order to strongly write a first logical value in the memory cell. Nonvolatile semiconductor memory.
[0080]
(Supplementary Note 5) In the nonvolatile semiconductor memory according to Supplementary Note 1,
The first and second write operations are first and second program operations for programming data in the memory cell,
The write reference memory cell is a program reference memory cell for program verification,
The threshold voltage of the second reference memory cell is higher than the threshold voltage of the first reference memory cell,
The write control circuit includes:
In the first program operation, a threshold voltage of the memory cell and the second reference memory cell is higher than a threshold voltage of the program reference memory cell in order to write a second logic value to the memory cell and the second reference cell. Execute the program operation until
In the second write operation, in order to strongly write a second logical value to the memory cell, a program operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes higher than a threshold voltage of the second reference memory cell. Nonvolatile semiconductor memory.
[0081]
(Supplementary note 6) In the nonvolatile semiconductor memory according to supplementary note 1,
A plurality of memory cell columns each comprising a predetermined number of the memory cells;
The first and second reference memory cells are formed for each memory cell column,
In one read operation or one first and second write operations, one of the memory cell columns and at least one of the first and second reference memory cells corresponding to the memory cell column are accessed. A nonvolatile semiconductor memory.
[0082]
(Supplementary note 7) In the nonvolatile semiconductor memory according to supplementary note 6,
The memory cells in the memory cell column and the first and second reference memory cells corresponding to the memory cell columns each have a charge storage layer for storing charges and a control gate connected to a word line. A nonvolatile semiconductor memory, wherein bit lines are connected in series via input / output nodes to which bit lines are respectively connected.
[0083]
(Supplementary note 8) In the nonvolatile semiconductor memory according to supplementary note 7,
The non-volatile semiconductor, wherein the charge storage layer of each of the memory cells and the first and second reference memory cells is a trap insulating film that traps charges locally according to a logical value of write data memory.
(Supplementary note 9) In the nonvolatile semiconductor memory according to supplementary note 7,
2. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, wherein the charge storage layer of each of the memory cells and the first and second reference memory cells is a floating gate that stores a charge corresponding to a logical value of write data.
[0084]
(Supplementary note 10) In the nonvolatile semiconductor memory according to supplementary note 6,
The memory cell of each memory cell column and the first and second reference memory cells corresponding to each memory cell column are composed of transistors having control gates,
The non-volatile semiconductor memory, wherein the control gate is connected to a common word line.
[0085]
(Supplementary Note 11) In a read operation for reading data from a memory cell, an average value of memory cell currents flowing through the first and second reference memory cells is selected as a read reference current, and the memory cell current flowing through the memory cell is selected as the read reference. By comparing with the current, the logical value stored in the memory cell is determined,
In a write operation for writing data to the memory cell,
A memory cell current flowing through a write reference memory cell to determine a write state of the memory cell is selected as a write reference current for write verification, and the memory cell and one of the first and second reference memory cells are selected. Perform a first write operation to write data;
Subsequent to the first write operation, one of the memory cell currents flowing through the first and second reference memory cells is selected as a write reference current for write verification, and a second write operation for writing data into the memory cell is executed. A method for controlling the operation of a nonvolatile semiconductor memory.
[0086]
(Supplementary Note 12) In the nonvolatile semiconductor memory operation control method according to Supplementary Note 11,
The first and second write operations are first and second erase operations for erasing data of the memory cell,
The write reference memory cell is an erase reference memory cell for erase verify,
The threshold voltage of the first reference memory cell is lower than the threshold voltage of the second reference memory cell,
In the first erase operation, a threshold voltage of the memory cell and the first reference memory cell is lower than a threshold voltage of the erase reference memory cell in order to write a first logic value to the memory cell and the first reference cell. Execute the erase operation until
In the second erasing operation, the erasing operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes lower than a threshold voltage of the first reference memory cell in order to strongly write a first logical value in the memory cell. An operation control method for a nonvolatile semiconductor memory.
[0087]
(Supplementary note 13) In the nonvolatile semiconductor memory operation control method according to supplementary note 11,
The first and second write operations are first and second program operations for programming data in the memory cell,
The write reference memory cell is a program reference memory cell for program verification,
The threshold voltage of the second reference memory cell is higher than the threshold voltage of the first reference memory cell,
In the first program operation, a threshold voltage of the memory cell and the second reference memory cell is higher than a threshold voltage of the program reference memory cell in order to write a second logic value to the memory cell and the second reference cell. Execute the program operation until
In the second write operation, in order to strongly write a second logical value to the memory cell, a program operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes higher than a threshold voltage of the second reference memory cell. An operation control method for a nonvolatile semiconductor memory.
[0088]
As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, said embodiment and its modification are only examples of this invention, and this invention is not limited to this. Obviously, modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0089]
【The invention's effect】
In the nonvolatile semiconductor memory of claim 1 and the nonvolatile semiconductor memory operation control method of claim 8, the threshold voltages of all the memory cells are set to the threshold voltages of the first and second reference memory cells by the second write operation. It can be distributed outside the region. For this reason, the difference between the read reference current generated from the first and second reference memory cells and the memory cell current of the memory cell can be increased. As a result, data can be reliably read in the subsequent read operation. That is, the read margin can be improved.
[0090]
In the nonvolatile semiconductor memory according to the second aspect, even when the write operation is executed by the first and second write operations, it is possible to prevent the write operation time from significantly increasing.
In the nonvolatile semiconductor memory according to the third aspect, the first write operation and the second write operation can be reliably executed by the write control circuit.
[0091]
In the operation control method of the nonvolatile semiconductor memory according to claim 4 and the nonvolatile semiconductor memory according to claim 9, the erase level (threshold voltage) of the memory cell is set to the erase level (threshold value) of the first reference memory cell by the second erase operation. Voltage) can always be lower. As a result, the erasing operation can be reliably executed, and the data can be reliably read in the subsequent reading operation. That is, the read margin can be improved.
[0092]
In the nonvolatile semiconductor memory according to claim 5 and the operation control method of the nonvolatile semiconductor memory according to claim 10, the program level (threshold voltage) of the memory cell is changed to the program level (threshold value) of the second reference memory cell by the second program operation. Voltage) can always be higher. As a result, the program operation can be reliably executed, and the data can be reliably read in the subsequent read operation. That is, the read margin can be improved.
[0093]
In the nonvolatile semiconductor memory according to the sixth aspect, the number of accesses of the first and second reference memory cells can be made the same as the number of accesses of the memory cell column. Therefore, the characteristic variation of the first and second reference memory cells can be matched with the characteristic variation of the memory cells in the memory cell column. As a result, it is possible to prevent the read margin from being reduced even when the nonvolatile semiconductor memory is used for a long time.
[0094]
In the nonvolatile semiconductor memory according to the seventh aspect, when the present invention is applied to a virtual ground nonvolatile semiconductor memory, the present invention can be easily realized by a control circuit similar to the conventional one. That is, the present invention can be realized with a simple control circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a threshold voltage distribution of memory cells in a nonvolatile semiconductor memory employing a dynamic reference method.
FIG. 2 is a block diagram showing a first embodiment of a nonvolatile semiconductor memory of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing a program operation in the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing an erasing operation in the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing threshold voltage distributions after a program operation and an erase operation in the first embodiment.
6 is an explanatory diagram showing details of threshold voltage distribution in FIG. 5; FIG.
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of a nonvolatile semiconductor memory of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 State control circuit
12 Voltage switching circuit
14 Program control circuit
16 Erase control circuit
18 Address latch
20 I / O control circuit
22 Switching control circuit
24 I / O buffer
26 Data latch
28 Comparison circuit
30 Reference switching circuit
32 row address decoder
34 Column address decoder
36 Cell array section
38 Dynamic reference section
40 External reference section
BL bit line
CORE memory core
EDRMC First Reference Memory Cell, Erase Dynamic Reference
EREF Erase reference memory cell
IEREF Write reference current, erase reference current
IMC memory cell current
IPREF Write reference current, Program reference current
IREF0 Second reference current
IREF1 First reference current
IRREF Read reference current
LINF logic information signal
MC memory cell
MCR memory cell column
PDRMC Second reference memory cell, program dynamic reference PREF Program reference memory cell
SW switching signal
WL word line

Claims (9)

複数の不揮発性のメモリセルと、
閾値電圧が互いに異なる不揮発性の第1および第2リファレンスメモリセルと、
前記メモリセル並びに第1および第2リファレンスメモリセルの書き込み状態を判定するための書き込みリファレンスメモリセルと、
読み出し動作中に、前記第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の平均値を、読み出しリファレンス電流として選択するとともに、第1書き込み動作中に、前記書き込みリファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流を書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択し、第1書き込み動作に続いて実行される第2書き込み動作中に、前記第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の一方を書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択するリファレンス切替回路と、前記第1書き込み動作において、前記メモリセルとともに、書き込みデータの論理値に応じて前記第1および第2リファレンスメモリセルの一方に前記書き込みデータを書き込み、前記第2書き込み動作において、前記第1および第2リファレンスメモリセルには前記書き込みデータを書き込まず、前記メモリセルに前記書き込みデータを書き込む書き込み制御回路と、
を備えていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
A plurality of nonvolatile memory cells;
Non-volatile first and second reference memory cells having different threshold voltages,
A write reference memory cell for determining a write state of the memory cell and the first and second reference memory cells ;
An average value of memory cell currents flowing through the first and second reference memory cells during a read operation is selected as a read reference current, and a memory cell current flowing through the write reference memory cell during a first write operation is selected. One of the memory cell currents flowing in the first and second reference memory cells is selected as a write reference current for write verification, and a write current for write verification is selected during the second write operation executed following the first write operation. In the first switching operation, a reference switching circuit that is selected as a reference current, and in the first write operation, the write data is written to one of the first and second reference memory cells according to a logical value of write data, 2 writing In operation, without writing the write data to the first and second reference memory cell, a write control circuit for writing said write data to said memory cell,
A non-volatile semiconductor memory comprising:
請求項1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1書き込み動作中は、前記各メモリセル並びに第1リファレンスメモリセルおよび第2リファレンスメモリセルの一方に流れるメモリセル電流を、前記第2書き込み動作中は、前記各メモリセルに流れるメモリセル電流を、前記リファレンス切替回路により選択される前記読み出しリファレンス電流および前記書き込みリファレンス電流のいずれかと比較する比較回路と、
前記比較回路での比較結果に応じて、リファレンス電流を切り替えるために前記リファレンス切替回路の選択動作を制御する切替制御回路とを備えていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1,
During the first write operation , the memory cell current that flows through each of the memory cells and one of the first reference memory cell and the second reference memory cell is used. During the second write operation, the memory cell current that flows through the memory cell. and a comparator circuit for comparing with any of the read reference current and the write reference current selected by said reference switching circuit,
A non-volatile semiconductor memory comprising: a switching control circuit that controls a selection operation of the reference switching circuit in order to switch a reference current in accordance with a comparison result in the comparison circuit.
請求項1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1書き込み動作は、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスメモリセルのデータを消去するための第1消去動作であり、
前記第2書き込み動作は、前記メモリセルのデータを消去するための第2消去動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、消去ベリファイ用の消去リファレンスメモリセルであり、
前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より低く、
前記書き込み制御回路は、
前記第1消去動作において、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスセルに第1論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記消去リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行し、
前記第2消去動作において、前記メモリセルに第1論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1 ,
The first write operation is a first erase operation for erasing data in the memory cell and the first reference memory cell,
The second write operation is a second erase operation for erasing data in the memory cell,
The write reference memory cell is an erase reference memory cell for erase verify,
The threshold voltage of the first reference memory cell is lower than the threshold voltage of the second reference memory cell,
The write control circuit includes:
In the first erase operation, a threshold voltage of the memory cell and the first reference memory cell is lower than a threshold voltage of the erase reference memory cell in order to write a first logic value to the memory cell and the first reference cell. Execute the erase operation until
In the second erasing operation, the erasing operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes lower than a threshold voltage of the first reference memory cell in order to strongly write a first logical value in the memory cell. Nonvolatile semiconductor memory.
請求項1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1書き込み動作は、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスメモリセルにデータをプログラムするための第1プログラム動作であり、
前記第2書き込み動作は、前記メモリセルにデータをプログラムするための第2プログラ ム動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、プログラムベリファイ用のプログラムリファレンスメモリセルであり、
前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より高く、
前記書き込み制御回路は、
前記第1プログラム動作において、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスセルに第2論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記プログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行し、
前記第2書き込み動作において、前記メモリセルに第2論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1 ,
The first write operation is a first program operation for programming data in the memory cell and the second reference memory cell,
The second write operation is a second program operation for programming data into the memory cell,
The write reference memory cell is a program reference memory cell for program verification,
The threshold voltage of the second reference memory cell is higher than the threshold voltage of the first reference memory cell,
The write control circuit includes:
In the first program operation, a threshold voltage of the memory cell and the second reference memory cell is higher than a threshold voltage of the program reference memory cell in order to write a second logic value to the memory cell and the second reference cell. Execute the program operation until
In the second write operation, in order to strongly write a second logical value to the memory cell, a program operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes higher than a threshold voltage of the second reference memory cell. Nonvolatile semiconductor memory.
請求項1記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記メモリセルの所定数でそれぞれ構成される複数のメモリセル列を備え、
前記第1および第2リファレンスメモリセルは、前記メモリセル列毎に形成され、
1回の前記読み出し動作または1回の前記第1および第2書き込み動作において、前記メモリセル列のいずれかと、このメモリセル列に対応する前記第1および第2リファレンスメモリセルの少なくとも一方とがアクセスされることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1,
A plurality of memory cell columns each comprising a predetermined number of the memory cells;
The first and second reference memory cells are formed for each memory cell column,
In one read operation or one first and second write operations, one of the memory cell columns and at least one of the first and second reference memory cells corresponding to the memory cell column are accessed. A nonvolatile semiconductor memory.
請求項記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記メモリセル列の前記メモリセルと前記各メモリセル列に対応する前記第1および第2リファレンスメモリセルとは、電荷を蓄積する電荷蓄積層と、ワード線に接続された制御ゲートを有し、ビット線がそれぞれ接続された入出力ノードを介して直列に接続されていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
The nonvolatile semiconductor memory according to claim 5 , wherein
The memory cells in the memory cell column and the first and second reference memory cells corresponding to the memory cell columns each have a charge storage layer for storing charges and a control gate connected to a word line. A nonvolatile semiconductor memory, wherein bit lines are connected in series via input / output nodes to which bit lines are respectively connected.
メモリセルからデータを読み出す読み出し動作において、閾値電圧が互いに異なる第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の平均値を読み出しリファレンス電流として選択し、前記メモリセルに流れるメモリセル電流を前記読み出しリファレンス電流と比較することで、前記メモリセルに記憶されている論理値を判定し、
前記メモリセルにデータを書き込む書き込み動作において、
前記メモリセル並びに前記第1および第2リファレンスメモリセルの書き込み状態を判定するために書き込みリファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流を、書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択し、前記メモリセルと前記第1および第2リファレンスメモリセルの一方とにデータを書き込む第1書き込み動作を実行し、
前記第1書き込み動作に続いて、前記第1および第2リファレンスメモリセルに流れるメモリセル電流の一方を書き込みベリファイ用の書き込みリファレンス電流として選択し、前記メモリセルにデータを書き込む第2書き込み動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリの動作制御方法。
In a read operation of reading data from a memory cell, an average value of memory cell currents flowing through first and second reference memory cells having different threshold voltages is selected as a read reference current, and the memory cell current flowing through the memory cell is read out. By comparing with a reference current, the logical value stored in the memory cell is determined,
In a write operation for writing data to the memory cell,
A memory cell current flowing through a write reference memory cell to determine a write state of the memory cell and the first and second reference memory cells is selected as a write reference current for write verification, and the memory cell and the first reference memory cell are selected. And a first write operation for writing data to one of the second reference memory cells,
Subsequent to the first write operation, one of the memory cell currents flowing through the first and second reference memory cells is selected as a write reference current for write verification, and a second write operation for writing data into the memory cell is executed. A method for controlling the operation of a nonvolatile semiconductor memory.
請求項7記載の不揮発性半導体メモリの動作制御方法において、
前記第1書き込み動作は、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスメモリセルのデータを消去するための第1消去動作であり、
前記第2書き込み動作は、前記メモリセルのデータを消去するための第2消去動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、消去ベリファイ用の消去リファレンスメモリセルであり、
前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より低く、
前記第1消去動作において、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスセルに第1論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記消去リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行し、
前記第2消去動作において、前記メモリセルに第1論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より低くなるまで消去動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリの動作制御方法。
The operation control method for a nonvolatile semiconductor memory according to claim 7 ,
The first write operation is a first erase operation for erasing data in the memory cell and the first reference memory cell,
The second write operation is a second erase operation for erasing data in the memory cell,
The write reference memory cell is an erase reference memory cell for erase verify,
The threshold voltage of the first reference memory cell is lower than the threshold voltage of the second reference memory cell,
In the first erase operation, a threshold voltage of the memory cell and the first reference memory cell is lower than a threshold voltage of the erase reference memory cell in order to write a first logic value to the memory cell and the first reference cell. Execute the erase operation until
In the second erasing operation, the erasing operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes lower than a threshold voltage of the first reference memory cell in order to strongly write a first logical value in the memory cell. An operation control method for a nonvolatile semiconductor memory.
請求項7記載の不揮発性半導体メモリの動作制御方法において、
前記第1書き込み動作は、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスメモリセルにデータをプログラムするための第1プログラム動作であり、
前記第2書き込み動作は、前記メモリセルにデータをプログラムするための第2プログラム動作であり、
前記書き込みリファレンスメモリセルは、プログラムベリファイ用のプログラムリファレンスメモリセルであり、
前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧は、前記第1リファレンスメモリセルの閾値電圧より高く、
前記第1プログラム動作において、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスセルに第2論理値を書き込むために、前記メモリセルおよび前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧が前記プログラムリファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行し、
前記第2書き込み動作において、前記メモリセルに第2論理値を強く書き込むために、前記メモリセルの閾値電圧が前記第2リファレンスメモリセルの閾値電圧より高くなるまでプログラム動作を実行することを特徴とする不揮発性半導体メモリの動作制御方法。
The operation control method for a nonvolatile semiconductor memory according to claim 7 ,
The first write operation is a first program operation for programming data in the memory cell and the second reference memory cell,
The second write operation is a second program operation for programming data in the memory cell,
The write reference memory cell is a program reference memory cell for program verification,
The threshold voltage of the second reference memory cell is higher than the threshold voltage of the first reference memory cell,
In the first program operation, a threshold voltage of the memory cell and the second reference memory cell is higher than a threshold voltage of the program reference memory cell in order to write a second logic value to the memory cell and the second reference cell. Execute the program operation until
In the second write operation, in order to strongly write a second logical value to the memory cell, a program operation is executed until a threshold voltage of the memory cell becomes higher than a threshold voltage of the second reference memory cell. An operation control method for a nonvolatile semiconductor memory.
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