JP4467815B2 - 不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および不揮発性半導体メモリ - Google Patents
不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および不揮発性半導体メモリ Download PDFInfo
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Description
【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保持されているデータを読み出すための読み出し動作技術に関する。
【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、メモリセルの絶縁膜中に電子を注入して閾値電圧を変えることで、データを記憶している。メモリセルの閾値電圧は、電子が絶縁膜中に存在すると高くなり、電子が絶縁膜中に存在しないと低くなる。フラッシュメモリのメモリセルが2値データを記憶する場合、閾値電圧が高く読み出し動作時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")であり、閾値電圧が低く読み出し動作時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")である。
【0003】
"0状態"および"1状態"は、読み出し動作時にメモリセルに流れる電流(メモリセル電流)を基準電流と比較することで検出される。
この種の不揮発性半導体メモリは、記憶容量(記憶密度)が年々高くなってきている。記憶密度を高める手法として、メモリセルの多値化が提案されている。しかし、一つのメモリセルに多値データを記憶させる場合、読み出しマージンを確保するためには、メモリセルへの電子の注入量を精密に調整しなくてはならない。一般に、電子の注入量を精密に調整することは難しく、この手法によりメモリセルに多値データを記憶させる場合、半導体プロセスの微少な変動により歩留が低下しやすい。さらに、メモリセルに多値データを記憶させる場合、データの論理値を検出するために複数の基準電流が必要になる。一方、ワード線の集積度を高くすることで、メモリセルの集積度を高くし記憶密度を上げる手法が、特開平2−231772号公報等に開示されている。
【0004】
図15は、この種の公報に開示された不揮発性半導体メモリのメモリセルアレイのセル構造を示している。
この不揮発性半導体メモリは、第1ワード線WL1の間に、この第1ワード線WL1と配線幅の異なる第2ワード線WL2が配列されていることを特徴としている。メモリセル上に位置する第1および第2ワード線WL1、WL2は、制御ゲートとして機能する。制御ゲートの下には、図に網掛けで示したフローティングゲートが形成されている。フローティングゲートは、拡散層で構成されたビット線BLの間のシリコン基板上に酸化膜を介して形成されている。
【0005】
図において、第1ワード線WL1とビット線BLとが交差する部分に、セルトランジスタ(以下、第1メモリセルと称する)のソースSおよびドレインDが形成されている。そして、ソースSおよびドレインDの間に第1メモリセルのチャネル領域CHが形成されている。同様に、第2ワード線WL2とビット線BLとが交差する部分に、セルトランジスタ(以下、第2メモリセルと称する)のソースSおよびドレインDが形成され、ソースSおよびドレインDの間に第2メモリセルのチャネル領域CHが形成されている。
【0006】
この不揮発性半導体メモリでは、第1ワード線WL1とこのワード線WL1に対応するフローティングゲートが形成された後、第1ワード線WL1の隙間に第2ワード線WL2とこの第2ワード線WL2に対応するフローティングゲートが形成される。そのため、第2メモリセルMC2のゲート幅W2は、第1ワード線6のゲート幅W1より小さくなる。チャネル長(ソースSとドレインDとの間隔)は、第1メモリセルMC1と第2メモリセルMC2とで同じである。
【0007】
図16は、図15に示したメモリセルアレイの等価回路を示している。
複数の第1メモリセルMC1は、第1ワード線WL1に沿って直列に接続されている。隣接するメモリセルMC1のソースSおよびドレインD(データ入出力ノード)は、それぞれ共通のビット線BLに接続されている。複数の第2メモリセルMC2は、第2ワード線WL2に沿って直列に接続されている。隣接するメモリセルMC2のソースSおよびドレインD(データ入出力ノード)は、共通のビット線BLに接続されている。この種のメモリセルアレイは、一般に仮想接地型のメモリセルアレイと称されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図17は、上述した不揮発性半導体メモリにおいて、メモリセルに保持されているデータの読み出し動作の概要を示している。
第1メモリセルMC1からデータを読み出す場合、このメモリセルMC1に接続された第1ワード線WL1に、例えば2.5Vの読み出し電圧が与えられ、第1メモリセルMC1のソースおよびドレインに接続されたビット線BLに、0Vおよび5Vが与えられる。第1メモリセルMC1が"0状態"の場合、メモリセルは閾値電圧が高いためオフし、メモリセル電流はビット線BL間に流れない。第1メモリセルMC1が"1状態"の場合、メモリセルは閾値電圧が低いためオンし、メモリセル電流がビット線BL間に流れる。
【0009】
同様に、第2メモリセルMC2からデータを読み出す場合、第2ワード線WL2に読み出し電圧2.5Vが与えられ、第2メモリセルMC2の両側のビット線BLに、0Vおよび5Vが与えられる。第2メモリセルMC2が"0状態"の場合、メモリセル電流は流れず、第2メモリセルMC2が"1状態"の場合、メモリセル電流が流れる。そして、メモリセル電流が基準電流IREFと比較され、メモリセルMC1(またはMC2)が"0状態"、"1状態"のいずれを保持しているかが検出される。
【0010】
しかしながら、上述したように、第1メモリセルMC1のゲート幅W1と第2メモリセルMC2のゲート幅W2とは異なる。メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタがオンしたときのメモリセル電流の値は、セルトランジスタのゲート幅Wとチャネル長Lの比W/Lに依存する。このため、"1状態"の読み出し時に、第2メモリセルMC2のメモリセル電流は、第1メモリセルMC1のメモリセル電流より小さくなってしまう。
【0011】
基準電流IREFは、メモリセル電流の最大値と最小値との間に設定する必要がある。そのため、基準電流IREFは、"1状態"のメモリセル電流の小さい第2メモリセルMC2に合わせて設定しなくてはならない。この結果、第1メモリセルMC1において、"0状態"の読み出しマージンM0が"1状態"の読み出しマージンM1に比べて小さくなり、信頼性が低くなるという問題があった。
【0012】
従来、配線幅(ゲート幅)が異なる複数のワード線を有する不揮発性半導体メモリにおいて、メモリセルに保持されているデータを確実に読み出す手法は提案されていない。
本発明の目的は、配線幅の異なる複数のワード線を有する不揮発性半導体メモリにおいて、メモリセルに保持されているデータを確実に読み出すことにある。
【0013】
本発明の別の目的は、仮想接地型の不揮発性半導体メモリにおいて、メモリセルに保持されているデータを確実に読み出すことにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法、および本発明の不揮発性半導体メモリでは、第1ワード線が、不揮発性の第1メモリセルの制御ゲートに接続され、第1ワード線と配線幅の異なる第2ワード線が、不揮発性の第2メモリセルの制御ゲートに接続されている。
【0016】
不揮発性半導体メモリは、例えば、間隔を置いて配列された複数の第1ワード線と、これ等第1ワード線の間にそれぞれ配列された第2ワード線とを有している。第1および第2メモリセルは、例えば、電荷を蓄積するフローティングゲート、あるいは電荷をトラップするトラップゲートを有している。
【0018】
第1メモリセルからデータを読み出すときに、第1ワード線に第1電圧が与えられ、この第1メモリセルに流れるメモリセル電流が基準電流と比較され、第1メモリセルに保持されているデータの論理レベルが検出される。第2メモリセルからデータを読み出すときに、第2ワード線に第1電圧と異なる第2電圧が与えられ、この第2メモリセルに流れるメモリセル電流が基準電流と比較され、第2メモリセルに保持されているデータの論理レベルが検出される。
【0019】
例えば、第1電圧および第2電圧は、第1および第2メモリセルに同じ論理レベルのデータが保持されているとき、第1および第2メモリセルに流れるメモリセル電流が等しくなるように設定される。具体的には、メモリセルが2値データを記憶する場合、第1および第2メモリセルの閾値電圧が低くなるようにプログラムされた状態で、第1および第2メモリセルに流れるメモリセル電流が同じになるように、第1電圧および第2電圧が設定される。ゲート幅(配線幅)の異なる第1および第2メモリセル(第1および第2ワード線)のメモリセル電流を同一にできるため、データの論理レベルを判定する基準電流を一つにできる。この結果、基準電流の生成回路を簡易に構成でき、不揮発性半導体メモリのチップサイズを小さくできる。
【0020】
第1および第2電圧により、同じ論理レベルのデータに対応する第1および第2メモリセルのメモリセル電流を等しくできるため、第1および第2メモリセルの読み出しマージンを同一にできる。
【0023】
【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1は、本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および不揮発性半導体メモリの第1の実施形態を示している。
【0024】
この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、メモリセルアレイ10、ロウデコーダ12、コラムデコーダ14、センスアンプ16、基準電流発生回路18、および図示しない入出力回路、制御回路等を有している。
メモリセルアレイ10は、フローティングゲートを有する複数の第1および第2メモリセルMC1、MC2で構成されている。第1メモリセルMC1の制御ゲートは、第1ワード線WL1に接続されている。第2メモリセルMC2の制御ゲートは、第2ワード線WL2に接続されている。より詳細には、複数の第1ワード線WL1が間隔を置いて配列され、これ等第1ワード線WL1の隙間に第2ワード線WL2がそれぞれ配列されている。第2ワード線WL2の配線幅は、第1ワード線WL1の配線幅の半分にされている。第1および第2ワード線WL1、WL2の配線幅は、第1および第2メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタのゲート幅に相当する。これ等セルトランジスタのチャネル長およびチャネル領域の不純物濃度は同一のため、第2メモリセルMC2のオン抵抗は、第1メモリセルMC1のオン抵抗の2倍になる。すなわち、第2メモリセルMC2のオン電流は、第1メモリセルMC1のオン電流の半分になる。
【0025】
第1ワード線WL1に接続された複数の第1メモリセルMC1は、直列に接続されている。すなわち、隣接する第1メモリセルMC1のデータ入出力ノード(セルトランジスタのソースおよびドレイン)は、互いに接続されている。同様に、第2ワード線WL2に接続された複数の第2メモリセルMC2は、直列に接続されている。すなわち、隣接する第2メモリセルMC2のデータ入出力ノード(セルトランジスタのソースおよびドレイン)は、互いに接続されている。
【0026】
第1および第2ワード線WL1、WL2に直交して複数のビット線BLが配列されている。ビット線BLは、第1および第2メモリセルMC1、MC2のデータ入出力ノードに接続されている。このように、本実施形態のメモリセルアレイ10は、メモリセルMC1(またはMC2)が直列に配置された複数のメモリセル列を有し、これ等メモリセル列における各メモリセルのデータ入出力ノードをビット線BLを介して接続している。すなわち、メモリセルアレイ10は、仮想接地型と称される構造を有している。メモリセルアレイ10の断面構造は、前述した図15と同じである。
【0027】
ロウデコーダ12は、チップの外部から供給されるロウアドレスに応じて所定の第1および第2ワード線WL1、WL2のいずれかを活性化する。コラムデコーダ14は、チップの外部から供給されるコラムアドレスに応じて所定のメモリセルを選択するために、これ等メモリセルの両側のビット線BLに高電圧および低電圧をそれぞれ供給する。
【0028】
センスアンプ16は、コラムデコーダ14により選択されたメモリセルMC1(またはMC2)に流れ、ビット線BLを介して伝達されるメモリセル電流IMC1(またはIMC2)を、基準電流IREF1(またはIREF2)と比較し、メモリセルが保持しているデータの論理レベルを検出する。
基準電流発生回路18は、基準電流IREF1、IREF2を生成し、そのいずれかをセンスアンプ16に供給する。後述するように、基準電流IREF1は、基準電流IREF2より大きい。
【0029】
図2は、第1の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示している。書き込み条件および読み出し条件は、一例として図1に丸印で示した第1および第2メモリセルMC1、MC2に対するデータの読み書きについて説明する。
書き込み動作(選択書き込み)では、データを書き込む第1メモリセルMC1(または第2メモリセルMC2)の両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ8V、0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には8Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。データを書き込むメモリセルMC1(またはMC2)に接続された第1ワード線WL11(または第2ワード線WL21)に12Vが与えられ、他のワード線は接地される。この結果、基板からメモリセルMC1(またはMC2)のフローティングゲートにホットエレクトロンが注入され、メモリセルの閾値が高くなる。そして、メモリセルの状態は、"データ0"が書き込まれた"0状態"になる。
【0030】
一括消去では、全てのビット線BLに15Vが与えられ、全ての第1および第2ワード線WL11、WL12、...、WL21、WL22、...は、非選択される(0V)。フローティングゲートに蓄積された電子は、トンネル電流により基板に放出され、全てのメモリセルMC1、MC2は、閾値電圧の低い"1状態"になる。
読み出し動作では、データを読み出す第1メモリセルMC1(または第2メモリセルMC2)の両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ2V、0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には2Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。データを読み出すメモリセルMC1(またはMC2)に接続された第1ワード線WL11(または第2ワード線WL21)に2.5Vが与えられる。メモリセルMC1(またはMC2)が"1状態"のとき、セルトランジスタの閾値は低いため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC1(またはIMC2)が流れる。
【0031】
上述したように、第2メモリセルMC2の制御ゲートのゲート幅(第2ワード線WL2の配線幅)は、より第1メモリセルMC1の制御ゲートのゲート幅(第1ワード線WL1の配線幅)小さい。このため、第2メモリセルMC2に流れるメモリセル電流IMC2は、第1メモリセルMC1に流れるメモリセル電流IMC1より小さくなる。
メモリセルMC1(またはMC2)が"0状態"のとき、セルトランジスタの閾値は高いため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC1(またはIMC2)は流れない。
【0032】
第1メモリセルMC1に保持されたデータを読み出すとき、センスアンプ16は、メモリセル電流IMC1を第1基準電流IREF1と比較する。第1メモリセルMC1に保持されていたデータは、メモリセル電流IMC1が第1基準電流IREF1より大きいとき"1状態"と判定され、第1基準電流IREF1より小さいとき"0状態"と判定される。すなわち、第1メモリセルMC1に保持されたデータの論理レベルが検出される。
【0033】
第2メモリセルMC2に保持されたデータを読み出すとき、センスアンプ16は、メモリセル電流IMC2を第2基準電流IREF2と比較する。第2メモリセルMC2に保持されていたデータ(メモリセルの書き込み状態)は、メモリセル電流IMC2が第2基準電流IREF2より大きいとき"1状態"と判定され、第2基準電流IREF2より小さいとき"0状態"と判定される。すなわち、第2メモリセルMC2に保持されたデータの論理レベルが検出される。
【0034】
図3は、読み出し動作におけるメモリセル電流IMC1、IMC2と基準電流IREF1、IREF2との関係を示している。
上述したように、メモリセル電流IMC1、IMC2は、それぞれ第1メモリセルMC1からデータを読み出すときに第1基準電流IREF1と比較され(図の左側)、第2メモリセルMC2からデータを読み出すときに第2基準電流IREF2と比較される(図の右側)。
【0035】
第1基準電流IREF1は、"1状態"の第1メモリセルMC1のメモリセル電流IMC1と"0状態"の第1メモリセルMC1のメモリセル電流IMC1との中間に設定されている。第2基準電流IREF2は、"1状態"の第2メモリセルMC2のメモリセル電流IMC2と"0状態"の第2メモリセルMC2のメモリセル電流IMC2との中間に設定されている。このように、配線幅(セルトランジスタの制御ゲートのゲート幅)の異なる複数のワード線WL1、WL2が配列されたフラッシュメモリにおいて、読み出し動作時に、ワード線WL1、WL2の配線幅に応じて設定された基準電流IREF1、IREF2をそれぞれメモリセル電流IMC1、IMC2と比較することで、ワード線WL1、WL2の配線幅によるメモリセル電流IMC1、IMC2の大小にかかわりなく、常に"1状態"と"0状態"の読み出しマージンが同じになる。
【0036】
以上、本実施形態では、データの読み出し時に第1および第2メモリセルMC1、MC2に流れるメモリセル電流IMC1、IMC2を、第1および第2ワード線WL1、WL2の配線幅に応じた基準電流IREF1、IREF2とそれぞれ比較した。このため、ゲート幅の異なるメモリセルMC1、MC2毎に、基準電流IREF1、IREF2を最適な値("1状態"と"0状態"のメモリセル電流IMCの中間の値)に設定できる。すなわち、メモリセルMC1、MC2の特性毎に最適な基準電流IREF1、IREF2が設定されるため、読み出しマージンを向上でき、読み出し動作時の信頼性を向上できる。
【0037】
特に、本発明は、間隔を置いて配列されるワード線の隙間に、配線幅の細いワード線を配列することで素子の集積度を上げた不揮発性半導体メモリに適用すると、高い効果が得られる。
本発明の適用に際し、従来のフローティングゲート型のメモリセルアレイを変える必要はない。周辺回路の変更のみで本発明を適用できるため、不揮発性半導体メモリの設計期間を短縮できる。
【0038】
図4は、本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および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。
【0039】
この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、メモリセルアレイ20、ロウデコーダ12、コラムデコーダ14、センスアンプ16、基準電流発生回路18、および図示しない入出力回路、制御回路等を有している。
メモリセルアレイ10は、トラップゲートTGを有する複数の第1および第2メモリセルMC1、MC2で構成されている。トラップゲートTGにトラップされたキャリアは、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を局所的に変化させることができる。このため、本実施形態のメモリセルMC1、MC2は、トラップゲートTGにおけるチャネル領域のソース側、ドレイン側にそれぞれ2値データを保持できる。すなわち、一つのメモリセルは、多値データ(この例では4値)を記憶できる。図において、メモリセルMC1、MC2に示した2つの四角形の領域に、2値データがそれぞれ保持される。白抜きの四角形は、キャリアがトラップされていない状態(閾値電圧が低い"1状態")を示している。黒い四角形は、キャリアがトラップされた状態(閾値電圧が高い"0状態")を示している。
【0040】
第1メモリセルMC1の制御ゲートは、第1ワード線WL1に接続されている。第2メモリセルMC2の制御ゲートは、第1ワード線より配線幅が細い第2ワード線WL2に接続されている。
第1ワード線WL1に接続された複数の第1メモリセルMC1は、直列に接続されている。すなわち、隣接する第1メモリセルMC1のデータ入出力ノード(セルトランジスタのソースおよびドレイン)は、互いに接続されている。同様に、第2ワード線WL2に接続された複数の第2メモリセルMC2は、直列に接続されている。すなわち、隣接する第2メモリセルMC2のデータ入出力ノード(セルトランジスタのソースおよびドレイン)は、互いに接続されている。
【0041】
第1および第2ワード線WL1、WL2に直交して複数のビット線BLが配列されている。ビット線BLは、第1および第2メモリセルMC1、MC2のデータ入出力ノードに接続されている。
本実施形態のフラッシュメモリは、第1および第2メモリセルMC1、MC2のセル構造および図示しない制御回路を除き、第1の実施形態と同一である。
【0042】
図5は、図4のメモリセルアレイ20のセル構造を示している。
このフラッシュメモリでは、絶縁層からなりキャリアをトラップできるトラップゲートTGが、制御ゲートを兼ねる第1ワード線WL1(または第2ワード線WL2)と、シリコン基板のチャネル領域CHとの間に形成されている。トラップゲートTGは、シリコン窒化膜をシリコン酸化膜で挟んだ3層構造を有している(ONO膜)。トラップゲートTGは、トラップされたキャリアが移動しないため、隣接するメモリセル間で分離する必要がない。そのため、トラップゲートTGは、B−B’断面およびC−C’断面に示すように、第1および第2ワード線WL1、WL2とともに図の横方向に延在して形成されている。第1ワード線WL1と第2ワード線WL2との間には、A−A’断面に示すように、絶縁膜からなるサイドウォールSWが形成されている。第1メモリセルMC1の制御ゲートは、第1ワード線WL1に接続されている。第2メモリセルMC2の制御ゲートは、第1ワード線より配線幅が細い第2ワード線WL2に接続されている。
【0043】
ビット線BLは、第1の実施形態と同様に、拡散層で形成されている。そして、第1ワード線WL1とビット線BLとが交差する部分に、第1および第2メモリセルMC1、MC2(セルトランジスタ)のソースSおよびドレインDが形成されている。チャネル領域CHは、ソースSおよびドレインDの間に形成されている。
上述したメモリセルアレイの製造方法の概要を以下に示す。
【0044】
まず、ビット線BLを形成しない領域に、ビット線方向に延びるストライプパターンが形成される。このストライプパターンをマスクとして、シリコン基板内に選択的にイオンが注入されビット線BLが形成される。次にストライプパターンをマスクとして、シリコン基板が選択的に酸化され、フィールド酸化膜(LOCOS膜)が形成される。
【0045】
次に、ワード線方向に延びるストライプパターン(第1ワード線WL1に対応する領域)が、例えばシリコン窒化膜等で形成される。このストライプパターンの幅および間隔は、最小加工寸法で形成される。次に、ストライプパターンを覆ってシリコン基板全面にシリコン酸化膜が堆積される。この後、シリコン酸化膜がエッチングされることで、ストライプパターンの両側のみにシリコン酸化膜が残る。すなわち、ストライプパターンの両側にサイドウォールSWが形成される。この後、ストライプパターンが除去され、シリコン基板上にサイドウォールSWのみが残される。
【0046】
次に、シリコン基板全面にONO膜(トラップゲートTG)が形成される。次に、シリコン基板全面に多結晶シリコン(第1および第2ワード線WL1、WL2の材料)が堆積される。この後、エッチバックすることで、多結晶シリコンおよびサイドウォールSWの上部が除去され、サイドウォールSWの間のみに多結晶シリコンが残される。すなわち、サイドウォールSWの間に、第1および第2ワード線WL1、WL2が交互に形成される。
【0047】
このように、第1および第2ワード線WL1、WL2は、ワード線方向に延びるストライプパターンにより、セルフアラインで形成される。最小加工寸法を0.4μm、サイドウォールの幅を0.1μmとすると、第1ワード線WL1の配線幅W1(=第1メモリセルMC1の制御ゲートのゲート幅W1)、および第2ワード線WL2の配線幅W2(=第2メモリセルMC2の制御ゲートのゲート幅W2)は、それぞれ0.4μmおよび0.2μmになる。これ等メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタのチャネル長およびチャネル領域の不純物濃度は、同一のため、第2メモリセルMC2のオン電流は、第1メモリセルMC1のオン電流の半分になる。
【0048】
最小加工寸法で配置した第1ワード線WL1の間に、サイドウォールを介して第2ワード線WL2を配置することで、レイアウト設計ルールを変えることなく、単位面積あたりのワード線の数が2倍になる。
図6は、第2の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示している。書き込み条件および読み出し条件は、図4に丸印で示した第1メモリセルMC1または第2メモリセルMC2の右側のビットに対するデータの読み書きについて示している。
【0049】
書き込み動作(選択書き込み)において、図4に示したトラップゲートTGの右側に電子を注入する場合、メモリセルMC1(またはMC2)の両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ0V、6Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には0Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、6Vが与えられる。データを書き込むメモリセルMC1(またはMC2)に接続されたワード線WL11(またはWL21)に12Vが与えられる。この結果、メモリセルのチャネルが導通し、ホットエレクトロンは、トラップゲートTGにおけるビット線BL3側の位置に局所的に注入される。ホットエレクトロンがトラップされることで、メモリセルMC1(またはMC2)のうち図4の右側部分の閾値電圧が高くなる。メモリセルMC1(またはMC2)の状態は、左側に"データ1"が書き込まれ、右側に"データ0"が書き込まれた"10状態"(例えば、2進数の"10")になる。
【0050】
なお、図4に示したメモリセルのトラップゲートの左側にホットエレクトロンを注入させるときには、上述とは逆に、ビット線BL1、BL2に6Vが供給され、ビット線BL3、BL4に0Vが供給される。
一括消去では、全てのビット線BLに6Vが与えられ、全ての第1および第2ワード線WL1、WL2に−5Vが与えられる。そして、基板のチャネル領域CHからセルトランジスタのトラップゲートTGにホットホールが注入される。注入されたホットホールは、注入済みのホットエレクトロンと中和され、全てのメモリセルMC1、MC2の状態が閾値電圧の低い"11状態"(例えば、2進数の"11")になる。
【0051】
読み出し動作では、図4に示したメモリセルMC1(またはMC2)におけるトラップゲートTGの右側にトラップされた電子を検出するときには、メモリセルMC1(またはMC2)の左側のビット線BL2に2Vが与えられ、右側のビット線BL3に0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には2Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。すなわち、メモリセルは、上述した書き込み動作のときと逆方向の電界を受ける。データを読み出すメモリセルMC1(またはMC2)に接続された第1ワード線WL11(または第2ワード線WL21)に3Vが与えられる。メモリセルMC1(またはMC2)の右側のビットが"0状態"のとき、セルトランジスタは閾値電圧が高く、チャネル領域CHは不導通状態になるため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMCは流れない。メモリセルMC1(またはMC2)の右側のビットが"1状態"のとき、セルトランジスタは閾値電圧が低く、チャネル領域CHは導通状態になるため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC1(またはIMC2)が流れる。
【0052】
第1メモリセルMC1に保持されたデータを読み出すとき、センスアンプ16は、第1の実施形態と同様に、メモリセル電流IMC1を第1基準電流IREF1と比較する。第1メモリセルMC1に保持されていたデータは、メモリセル電流IMC1が第1基準電流IREF1より大きいとき"1状態"と判定され、メモリセル電流IMC1が第1基準電流IREF1より小さいとき"0状態"と判定される。
【0053】
第2メモリセルMC2に保持されたデータを読み出すとき、センスアンプ16は、第1の実施形態と同様に、メモリセル電流IMC2を第2基準電流IREF2と比較する。第2メモリセルMC2に保持されていたデータ(メモリセルの書き込み状態)は、メモリセル電流IMC2が第2基準電流IREF2より大きいとき"1状態"と判定され、メモリセル電流IMC2が第2基準電流IREF2より小さいとき"0状態"と判定される。
【0054】
なお、メモリセルのトラップゲートの左側にトラップされた電子を検出するときには、上述とは逆に、ビット線BL1、BL2に0Vが供給され、ビット線BL3、BL4に2Vが供給される。すなわち、セルトランジスタに上述とは逆方向の電界がかけられる。
以上、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。さらに、本発明は、上述したような新しいセル構造を有するトラップゲート型の不揮発性半導体メモリにも適用可能である。すなわち、トラップゲート型の多値メモリセルにおいても、フローティングゲート型のメモリセルと同様に、読み出しマージンを向上でき、読み出し動作時の信頼性を向上できる。
【0055】
図7は、本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および不揮発性半導体メモリの第3の実施形態を示している。第1および第2の実施形態と同一の要素については、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。
この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、第2の実施形態の基準電流発生回路18の代わりに基準電流発生回路22を有している。基準電流発生回路22は、一つの基準電流IREFを生成する。その他の構成は、図示しない制御回路を除き、第2の実施形態(図4)と同一である。すなわち、第1および第2メモリセルMC1、MC2は、トラップゲートTGを有しており、一つのメモリセルに4値データ(2ビット)を記憶できる。第2ワード線WL2の配線幅は、第1ワード線WL1の配線幅の半分にされている。第1および第2メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタのチャネル長およびチャネル領域の不純物濃度は、同一のため、第2メモリセルMC2のオン電流は、第1メモリセルMC1のオン電流の半分になる。
【0056】
図8は、第3の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示している。書き込み条件および読み出し条件は、図7に丸印で示した第1メモリセルMC1または第2メモリセルMC2の右側のビットに対するデータの読み書きについて示している。この実施形態の特徴は、読み出し動作において、第2メモリセルMC2に保持されたデータを読み出すときに、第2ワード線WL2に4Vが与えられることである。書き込み条件および一括消去条件は、第2の実施形態と同一であるため、説明を省略する。
【0057】
第1メモリセルMC1の読み出し動作では、図のトラップゲートTGの右側にトラップされた電子の有無を検出するときに、第1メモリセルMC1の左側のビット線BL2に2Vが与えられ、右側のビット線BL3に0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には2Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。データを読み出すメモリセルMC1に接続された第1ワード線WL11に、第2の実施形態と同じ3Vが与えられる。第1メモリセルMC1の右側のビットが"1状態"のとき、セルトランジスタの閾値は低いため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC1が流れる。第1メモリセルMC1が"0状態"のとき、セルトランジスタの閾値は高いため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC1は流れない。
【0058】
第2メモリセルMC2の読み出し動作では、図のトラップゲートTGの右側にトラップされた電子の有無を検出するときに、第2メモリセルMC2の左側のビット線BL2に2Vが与えられ、右側のビット線BL3に0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には2Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。データを読み出すメモリセルMC2に接続された第2ワード線WL21に4Vが与えられる。第2メモリセルMC2の右側のビットが"1状態"のとき、セルトランジスタの閾値は低いため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC2が流れる。第2メモリセルMC2が"0状態"のとき、セルトランジスタの閾値は高いため、ビット線BL2、BL3の間にメモリセル電流IMC2は流れない。
【0059】
このように、この実施形態では、読み出すメモリセルの種類に応じて、ワード線に与える電圧を相違させている。より詳細には、第2メモリセルMC2を読み出すときの第2ワード線WL21の電圧は、メモリセル電流IMC2が、"1状態"の第1メモリセルMC1を読み出したときに流れるメモリセル電流IMC1と同じ値になるように設定されている。
【0060】
図9は、読み出し動作におけるメモリセル電流と基準電流との関係を示している。
この実施形態では、第1メモリセルMC1および第2メモリセルMC2において、"1状態"および"0状態"のメモリセル電流IMC1、IMC2は、互いに同じになる。したがって、一種類の基準電流IREFを使用するだけで、第1および第2メモリセルMC1、MC2に保持されたデータの論理値が検出可能になる。基準電流IREFは、"1状態"および"0状態"におけるメモリセル電流IMC1および"1状態"および"0状態"におけるメモリセル電流IMC2の中間の値に設定されているため、第1および第2メモリセルMC1、MC2における"1状態"および"0状態"の読み出しマージンは、等しくなる。
【0061】
以上、この実施形態においても上述した第1および第2の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、読み出し動作時に、第1ワード線WL1に与える電圧と第2ワード線WL2に与える電圧とを相違させ、"1状態"のメモリセルMC1、MC2を読み出したときに流れるメモリセル電流IMC1、IMC2を同じにした。したがって、共通の基準電流IREFでゲート幅(ワード線の配線幅)の異なるセルトランジスタに保持された論理データの読み出しマージンを同じにできる。ゲート幅(配線幅)の異なる第1および第2メモリセルMC1、MC2(第1および第2ワード線)のメモリセル電流IMC1、IMC2を同一にできるため、データの論理レベルを判定する基準電流を一つにできる。
【0062】
基準電流発生回路22は、一種類の基準電流IREFのみ生成すればよいため、回路構成が簡単になる。この結果、フラッシュメモリのチップサイズを小さくできる。また、複数の基準電流を生成する場合に比べ、消費電力を小さくできる。
図10は、本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および不揮発性半導体メモリの第4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。
【0063】
この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、メモリセルアレイ10、ロウデコーダ12、コラムデコーダ14、センスアンプ16、基準電流発生回路24、および図示しない入出力回路、制御回路等を有している。
メモリセルアレイ10は、第1の実施形態と同様に、フローティングゲートを有する複数の第1および第2メモリセルMC1、MC2で構成されている。第1メモリセルMC1の制御ゲートは、第1ワード線WL1に接続されている。第2メモリセルMC2の制御ゲートは、第2ワード線WL2に接続されている。第2ワード線WL2の配線幅は、第1ワード線WL1の配線幅の半分にされている。第1および第2メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタのチャネル長およびチャネル領域の不純物濃度は、同一のため、第2メモリセルMC2のオン電流は、第1メモリセルMC1のオン電流の半分になる。
【0064】
第1ワード線WL1に接続された複数の第1メモリセルMC1は、直列に接続されている。すなわち、隣接する第1メモリセルMC1のデータ入出力ノード(セルトランジスタのソースおよびドレイン)は、互いに接続されている。同様に、第2ワード線WL2に接続された複数の第2メモリセルMC2は、直列に接続されている。すなわち、隣接する第2メモリセルMC2のデータ入出力ノード(セルトランジスタのソースおよびドレイン)は、互いに接続されている。
【0065】
第1および第2ワード線WL1、WL2に直交して複数のビット線BLが配列されている。ビット線BLは、第1および第2メモリセルMC1、MC2のデータ入出力ノードに接続されている。
本実施形態のフラッシュメモリでは、図に破線で示した一対の第1および第2メモリセルMC1、MC2が、4値データを記憶する多値メモリセルとして動作する。基準電流発生回路24は、3種類の基準電流IREF1、IREF2、IREF3を生成し、そのいずれかをセンスアンプ16に供給する。その他の構成は、図示しない制御回路を除き、第1の実施形態と同一である。
【0066】
図11は、第4の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示している。多値メモリセルは、消去された状態で"データ11"を保持し、書き込んだ状態で"データ00"、"データ01"、"データ10"のいずれかを保持している。この実施形態では、上記各データがそのまま2進データに対応している。書き込み条件および読み出し条件は、一例として図10に長円で示した多値メモリセルに対するデータの読み書きについて示している。
【0067】
書き込み動作(選択書き込み)では、データを書き込む多値メモリセルの両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ8V、0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には8Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。"データ00"を書き込むとき、第1ワード線WL11および第2ワード線WL21に同時に12Vが与えられ、他のワード線に接地電圧(0V)が与えられる。"データ01"を書き込むときに、第1ワード線WL11に12Vが与えられ、他のワード線に接地電圧が与えられる。"データ10"を書き込むとき、第2ワード線WL21に12Vが与えられ、他のワード線に接地電圧が与えられる。この結果、基板からメモリセルMC1、MC2のフローティングゲートの少なくともいずれかにホットエレクトロンが注入され、メモリセルの閾値電圧が高くなる。そして、多値メモリセルの状態は、それぞれ"データ00"、"データ01"、"データ11"が書き込まれた"00状態"、"01状態"、"10状態"になる。
【0068】
一括消去では、全てのビット線BLに15Vが与えられ、全ての第1および第2ワード線WL11、WL12、...、WL21、WL22、...は、非選択される(0V)。そして、全てのメモリセルMC1、MC2が"1状態"になることで、全ての多値メモリセルは、"11状態"になる。
読み出し動作では、データを読み出す多値メモリセルの両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ2V、0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には2Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。多値メモリセルに接続された第1ワード線WL12および第2ワード線WL21に2.5Vが同時に与えられる。そして、多値メモリセル内の第1メモリセルMC1および第2メモリセルMC2にそれぞれ流れるメモリセル電流の総量に応じて、多値メモリセルに保持されている多値データが検出される。
【0069】
図12は、読み出し動作におけるメモリセル電流と基準電流との関係を示している。
この実施形態では、上述したように、読み出し動作時に、第1メモリセルMC1に流れるメモリセル電流IMC1と、第2メモリセルMC2に流れるメモリセル電流IMC2との和が、多値メモリセルのメモリセル電流IMCになる。そして、メモリセル電流IMCが第1基準電流IREF1より小さいときに、多値メモリセルに"データ00"が保持されていたことが検出される("00"状態)。メモリセル電流IMCが、第1基準電流IREF1と第2基準電流IREF2の間にあるときに、多値メモリセルに"データ01"が保持されていたことが検出される("01"状態)。メモリセル電流IMCが、第2基準電流IREF2と第3基準電流IREF3の間にあるときに、多値メモリセルに"データ10"が保持されていたことが検出される("10"状態)。メモリセル電流IMCが第3基準電流IREF3より大きいときに、多値メモリセルに"データ11"が保持されていたことが検出される("11"状態)。
【0070】
なお、この実施形態では、第2メモリセルMC2の"1状態"のメモリセル電流IMC2は、第1メモリセルMC1の"1状態"のメモリセル電流IMC1の半分になるように、第1および第2ワード線WL1、WL2に与えられる電圧が設定されている。第1基準電流IREF1は、"00状態"のときのメモリセル電流IMCと、"01状態"のときのメモリセル電流IMCの中間値に設定されている。第2基準電流IREF2は、"01状態"のときのメモリセル電流IMCと、"10状態"のときのメモリセル電流IMCの中間値に設定されている。第3基準電流IREF3は、"10状態"のときのメモリセル電流IMCと、"11状態"のときのメモリセル電流IMCの中間値に設定されている。したがって、全ての状態において読み出しマージンは、等しくなる。
【0071】
以上、本実施形態においても、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態では、ゲート幅の異なる一対の第1および第2メモリセルMC1、MC2にそれぞれ2値データを書き込み、読み出し動作時に、第1および第2メモリセルMC1、MC2に流れるメモリセル電流IMC1、IMC2の総量を複数の基準電流IREF1、IREF2、IREF3とそれぞれ比較し、多値データの論理レベルを検出した。すなわち、予め形成されたメモリセルの形状(ゲート幅)に応じて生成される複数種類のメモリセル電流IMC(IMC1+IMC2)を基準電流IREF1、IREF2、IREF3とそれぞれ比較した。予め作り込まれたメモリセルの特性を利用して読み書き動作を実行するため、多値データを容易に書き込むことができ、同時に読み出しマージンを向上できる。イオン注入により閾値電圧を調整する従来の多値メモリセルでは、イオン注入量の調整が難しく、読み出しマージンを低下させていた。
【0072】
基準電流IREF1、IREF2、IREF3の値を、"00状態"、"01状態"、"10状態"、"11状態"のときに流れるメモリセル電流IMCの中間に設定した。このため、各論理レベルについて、読み出しマージンを増加でき、信頼性を向上できる。
【0073】
配線幅の異なるワード線WL1、WL2のそれぞれに対して、読み出し動作の都度異なる基準電流でデータを判定する必要はない。すなわち、基準電流は、アドレスと関係なく生成されるため、基準電流発生回路24の構成を簡単にできる。
読み出し動作時に、配線幅の異なるワード線WL1、WL2のそれぞれに、異なる電圧を供給する必要はない。
【0074】
図13は、本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および不揮発性半導体メモリの第5の実施形態を示している。第1および第2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。
【0075】
この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、メモリセルアレイ20、ロウデコーダ12、コラムデコーダ14、センスアンプ16、基準電流発生回路24、および図示しない入出力回路、制御回路等を有している。
メモリセルアレイ20は、上述した第2の実施形態と同様に、トラップゲートを有する複数の第1および第2メモリセルMC1、MC2で構成されている。第1メモリセルMC1の制御ゲートは、第1ワード線WL1に接続されている。第2メモリセルMC2の制御ゲートは、第2ワード線WL2に接続されている。第2ワード線WL2の配線幅は、第1ワード線WL1の配線幅の半分にされている。第1および第2メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタのチャネル長およびチャネル領域の不純物濃度は、同一のため、第2メモリセルMC2のオン電流は、第1メモリセルMC1のオン電流の半分になる。
【0076】
本実施形態のフラッシュメモリは、一対の第1および第2メモリセルMC1、MC2が、図に破線で示したように、4値データをそれぞれ記憶する2つの多値メモリセルとして動作する。基準電流発生回路24は、3種類の基準電流IREF1、IREF2、IREF3を生成し、そのいずれかをセンスアンプ16に供給する。その他の構成は、図示しない制御回路を除き、第2の実施形態(図4)と同一である。
【0077】
図14は、第5の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示している。
多値メモリセルは、消去された状態で"データ11"を保持し、書き込んだ状態で"データ00"、"データ01"、"データ10"のいずれかを保持している。この実施形態では、上記各データがそのまま2進データに対応している。書き込み条件および読み出し条件は、一例として図13に長円で示した多値メモリセル(トラップゲート内の右側に対応するセル)に対するデータの読み書きについて示している。
【0078】
書き込み動作(選択書き込み)では、データを書き込む多値メモリセルの両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ0V、6Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には0Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、6Vが与えられる。"データ00"を書き込むとき、第1ワード線WL11および第2ワード線WL21に同時に12Vが与えられ、他のワード線に接地電圧(0V)が与えられる。"データ01"を書き込むときに、第1ワード線WL11に12Vが与えられ、他のワード線に接地電圧が与えられる。"データ10"を書き込むとき、第2ワード線WL21に12Vが与えられ、他のワード線に接地電圧が与えられる。この結果、基板からメモリセルMC1、MC2のフローティングゲートの少なくともいずれかにホットエレクトロンが注入され、メモリセルの閾値が高くなる。そして、多値メモリセルの状態は、それぞれ"データ00"、"データ01"、"データ11"が書き込まれた"00状態"、"01状態"、"10状態"になる。
【0079】
なお、図13に示したトラップゲートの左側に対応する多値メモリセルにホットエレクトロンを注入させるときには、上述とは逆に、ビット線BL1、BL2に6Vが供給され、ビット線BL3、BL4に0Vが供給される。
一括消去では、全てのビット線BLに6Vが与えられ、全ての第1および第2ワード線WL11、WL12、...、WL21、WL22、...に−5Vが与えられる。そして、全てのメモリセルMC1、MC2が"1状態"になることで、全ての多値メモリセルは、"11状態"になる。
【0080】
読み出し動作では、データを読み出す多値メモリセルの両側に位置する一対のビット線BL2、BL3にそれぞれ2V、0Vが与えられる。ビット線BL2に隣接するビット線BL1には2Vが与えられる。ビット線BL3に隣接するビット線BL4には、0Vが与えられる。多値メモリセルに接続された第1ワード線WL12および第2ワード線WL21に3Vが同時に与えられる。そして、上述した第4の実施形態と同様に、多値メモリセル内の第1メモリセルMC1および第2メモリセルMC2にそれぞれ流れるメモリセル電流IMCの総量が、基準電流IREF1、IREF2、IREF3とそれぞれ比較され、多値メモリセルに保持されている多値データの論理レベルが検出される。
【0081】
なお、図13に示したトラップゲートの左側に対応する多値メモリセルに保持されているデータを読み出すときには、上述とは逆に、ビット線BL1、BL2に0Vが供給され、ビット線BL3、BL4に2Vが供給される。すなわち、第1および第2メモリセルMC1、MC2のセルトランジスタに上述とは逆方向の電界がかけられる。
以上、この実施形態においても、上述した第4の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、トラップゲート型の多値メモリセルにおいても、フローティングゲート型のメモリセルと同様に、読み出しマージンを向上でき、読み出し動作時の信頼性を向上できる。
【0082】
なお、上述した実施形態では、第2ワード線WL2の配線幅W2を第1ワード線WL1の配線幅W1の半分にし、第2メモリセルMC2のメモリセル電流を第1メモリセルMC1のメモリセル電流の半分にした例について述べた。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、配線幅の異なる複数のワード線(セルトランジスタのゲート幅)でメモリセルアレイが構成される場合に適用できる。また、セルトランジスタの特性は、素子が微細化され、ゲート幅が狭くなるにしたがい、狭チャネル効果や逆狭チャネル効果の影響を受ける。したがって、ゲート幅とメモリセル電流(オン電流)が比例関係にならない場合がある。その場合には、イオン注入等によりチャネル領域CHの不純物濃度を適宜調整し、メモリセル電流を調整してもよい。一般に、第1および第2メモリセルMC1、MC2のオン電流は、一致させるよりも異ならせる方向に調整するほうが容易である。
【0083】
上述した実施形態では、本発明を、配線幅の異なる2種類のワード線WL1、WL2が配置されたメモリセルアレイを有するフラッシュメモリに適用した例について述べた。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、本発明を、配線幅の異なる3種類以上のワード線が配置されたメモリセルアレイを有するフラッシュメモリに適用してもよい。
【0084】
上述した実施形態では、本発明を、フラッシュメモリに適用した例について述べた。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、仮想接地型の電気的書き換え可能な不揮発性半導体メモリにできる。
上述した第3の実施形態では、メモリセルアレイ20を、トラップゲートTGを有するメモリセルMC1、MC2で構成した例について述べた。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、メモリセルアレイを、フローティングゲートを有するメモリセルで構成してもよい。
【0085】
上述した第4および第5の実施形態では、読み出し動作時にメモリセル電流IMCを基準電流IREF1、IREF2、IREF3と比較し、メモリセルに保持されているデータを検出した例について述べた。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、読み出し動作時に、センスアンプ16によるデータの検出を2回実行することで、メモリセルに保持されているデータを検出しても良い。この場合、まず、最初の動作において、メモリセル電流IMCと第2基準電流IREF2との大小が検出される。メモリセル電流IMCが第2基準電流IREF2より大きいとき、次の動作において、メモリセル電流IMCと第3基準電流IREF3とが比較され、多値メモリセルが11状態または"10状態"であることが検出される。メモリセル電流IMCが第2基準電流IREF2より小さいとき、次の動作において、メモリセル電流IMCと第1基準電流IREF01とが比較され、多値メモリセルが"01状態"または"00状態"であることが検出される。
【0086】
上述した第4および第5の実施形態では、多値メモリセルを互いに隣接する第1および第2メモリセルMC1、MC2で構成した例について述べた。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、多値メモリセルを隣接しない第1および第2メモリセルMC1、MC2で構成してもよい。
上述した第4および第5の実施形態では、読み出し動作時に第1および第2ワード線WL1、WL2に同じ電圧を与え、"1状態"の第1メモリセルMC1のメモリセル電流IMC1と"1状態"の第2メモリセルMC2のメモリセル電流IMC2とを相違させた例について述べた。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、メモリセル電流IMC1、IMC2の和によって得られる多値メモリセルの各状態におけるメモリセル電流IMCの差が十分でないときには、第3の実施形態に示したように、第2ワード線WL2に与える電圧を第1ワード線WL1に与える電圧より大きくすることで、さらに読み出しマージンを向上できる。
【0087】
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) 配線幅が互いに異なる複数のワード線にそれぞれ接続された不揮発性のメモリセルに保持されたデータを読み出す不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法であって、
前記データの読み出し時に前記メモリセルに流れるメモリセル電流を、該メモリセルに接続された前記ワード線の配線幅に応じた基準電流と比較し、前記メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。
【0088】
(付記2) 配線幅が互いに異なる第1および第2ワード線にそれぞれ接続された不揮発性の第1および第2メモリセルに保持されたデータを読み出す不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法であって、
前記第1メモリセルから前記データを読み出すときに、該第1メモリセルに流れるメモリセル電流を第1基準電流と比較し、前記第1メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出し、
前記第2メモリセルから前記データを読み出すときに、該第2メモリセルに流れるメモリセル電流を前記第1基準電流と異なる第2基準電流と比較し、前記第2メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。
【0089】
(付記3) 配線幅が互いに異なる第1および第2ワード線にそれぞれ接続された不揮発性の第1および第2メモリセルに保持されたデータを読み出す不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法であって、
前記第1メモリセルから前記データを読み出すときに、前記第1ワード線に第1電圧を与え、該第1メモリセルに流れるメモリセル電流を基準電流と比較し、前記第1メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出し、
前記第2メモリセルから前記データを読み出すときに、前記第2ワード線に前記第1電圧と異なる値の第2電圧を与え、該第2メモリセルに流れるメモリセル電流を前記基準電流と比較し、前記第2メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。
【0090】
(付記4) 付記3記載の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法において、前記第1電圧および前記第2電圧は、前記第1および第2メモリセルに同じ論理レベルのデータが保持されているとき、前記メモリセル電流が等しくなるように設定されていることを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。
(付記5) 配線幅が互いに異なる第1および第2ワード線にそれぞれ接続された一対の不揮発性の第1および第2メモリセルに保持された多値データを読み出す不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法であって、
前記第1および第2メモリセルからデータを読み出すときに、該第1および第2メモリセルに流れるメモリセル電流を複数の基準電流とそれぞれ比較し、前記多値データの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。
【0091】
(付記6) 付記5記載の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法において、
前記第1および第2メモリセルからデータを読み出すときに、
第1電圧が、前記第1ワード線に与えられ、
前記第1電圧と値の異なる第2電圧が、前記第2ワード線に与えられることを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。
【0092】
(付記7) 不揮発性の第1および第2メモリセルと、
前記第1メモリセルの制御ゲートに接続された第1ワード線と、
前記第2メモリセルの制御ゲートに接続され、前記第1ワード線と配線幅の異なる第2ワード線とを備え、
前記第1メモリセルからデータを読み出すときに、該第1メモリセルに流れるメモリセル電流を第1基準電流と比較し、前記第1メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出し、
前記第2メモリセルからデータを読み出すときに、該第2メモリセルに流れるメモリセル電流を前記第1基準電流と異なる第2基準電流と比較し、前記第2メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0093】
(付記8) 不揮発性の第1および第2メモリセルと、
前記第1メモリセルの制御ゲートに接続され、前記第1メモリセルの選択時に第1電圧が与えられる第1ワード線と、
前記第2メモリセルの制御ゲートに接続され、前記第2メモリセルの選択時に前記第1電圧と異なる第2電圧が与えられ、前記第1ワード線と配線幅の異なる第2ワード線とを備え、
前記第1および第2メモリセルのいずれかからデータを読み出すときに、このメモリセルに流れるメモリセル電流を基準電流と比較し、該メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0094】
(付記9) 付記8記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1電圧および前記第2電圧は、前記第1および第2メモリセルに同じ論理レベルのデータが保持されているとき、前記メモリセル電流が等しくなるように設定されていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
(付記10) 不揮発性の第1および第2メモリセルと、
前記第1メモリセルの制御ゲートに接続された第1ワード線と、
前記第2メモリセルの制御ゲートに接続され、前記第1ワード線と配線幅の異なる第2ワード線とを備え、
多値データが、一対の前記第1および第2メモリセルに保持され、
前記第1および第2メモリセルから前記多値データを読み出すときに、該第1および第2メモリセルに流れるメモリセル電流を複数の基準電流と比較し、前記多値データの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0095】
(付記11) 付記10記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記多値データが読み出されるときに、
第1電圧が、前記第1ワード線に与えられ、
前記第1電圧と値の異なる第2電圧が、前記第2ワード線に与えられることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0096】
(付記12) 付記7、付記8、付記10のいずれか1項記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
複数の前記第1ワード線が、間隔を置いて配列され、
複数の前記第2ワード線は、前記第1ワード線の間にそれぞれ配列されていることを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0097】
(付記13) 付記12記載の不揮発性半導体メモリにおいて、
前記第1ワード線には、直列に接続された複数の前記第1メモリセルの前記制御ゲートが接続され、
前記第2ワード線には、直列に接続された複数の前記第2メモリセルの前記制御ゲートが接続され、
隣接する前記第1メモリセルにおける互いに接続されたデータ入出力ノードと、隣接する前記第2メモリセルにおける互いに接続されたデータ入出力ノードとは、複数のビット線にそれぞれ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。
【0098】
(付記14) 付記7、付記8、付記10のいずれか1項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メモリセルは、電荷を蓄積するフローティングゲートを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
(付記15) 付記7、付記8、付記10のいずれか1項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メモリセルは、電荷をトラップする絶縁性のトラップゲートを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
【0099】
付記6不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法および付記11の不揮発性半導体メモリでは、一対の第1および第2メモリセルが、多値データを保持する多値メモリセルとして動作する。例えば、第1メモリセルに接続された第1ワード線に供給される第1電圧および第2メモリセルに接続された第2ワード線に供給される第2電圧は、第1および第2メモリセルに同じ論理レベルのデータが保持されているとき、第1および第2メモリセルに流れるメモリセル電流が等しくなるように設定される。すなわち、第1および第2メモリセルに流れるメモリセル電流のうち一方のメモリセル電流が、第1電圧または第2電圧により増加する。この結果、第1および第2メモリセルで構成される多値メモリセルの読み出しマージンを向上でき、読み出し動作時の信頼性を向上できる。
【0100】
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。
【0101】
【発明の効果】
本発明の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法、および本発明の不揮発性半導体メモリでは、ゲート幅(配線幅)の異なる第1および第2メモリセル(第1および第2ワード線)のメモリセル電流を同一にできるため、データの論理レベルを判定する基準電流を一つにできる。この結果、基準電流の生成回路を簡易に構成でき、不揮発性半導体メモリのチップサイズを小さくできる。
【0103】
第1および第2電圧により、同じ論理レベルのデータに対応する第1および第2メモリセルのメモリセル電流を等しくできるため、第1および第2メモリセルの読み出しマージンを同一にできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の不揮発性半導体メモリを示すブロック図である。
【図2】第1の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示す説明図である。
【図3】第1の実施形態の読み出し動作におけるメモリセル電流と基準電流との関係を示す説明図である。
【図4】第2の実施形態の不揮発性半導体メモリを示すブロック図である。
【図5】図4のメモリセルアレイの詳細を示すセル構造図である。
【図6】第2の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示す説明図である。
【図7】第3の実施形態の不揮発性半導体メモリを示すブロック図である。
【図8】第3の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示す説明図である。
【図9】第3の実施形態の読み出し動作におけるメモリセル電流と基準電流との関係を示す説明図である。
【図10】第4の実施形態の不揮発性半導体メモリを示すブロック図である。
【図11】第4の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示す説明図である。
【図12】第4の実施形態の読み出し動作におけるメモリセル電流と基準電流との関係を示す説明図である。
【図13】第5の実施形態の不揮発性半導体メモリを示すブロック図である。
【図14】第5の実施形態におけるデータの書き込み条件、一括消去条件、および読み出し条件を示す説明図である。
【図15】従来の不揮発性半導体メモリのメモリセルアレイの構造図である。
【図16】図15の等価回路図である。
【図17】従来の不揮発性半導体メモリの読み出し動作におけるメモリセル電流と基準電流との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
10 メモリセルアレイ
12 ロウデコーダ
14 コラムデコーダ
16 センスアンプ
18 基準電流発生回路
20 メモリセルアレイ
22、24 基準電流発生回路
BL ビット線
CH チャネル領域
D ドレイン
IMC メモリセル電流
IREF1、IREF2、IREF3 基準電流
MC1 第1メモリセル
MC2 第2メモリセル
S ソース
SW サイドウォール
TG トラップゲート
W1、W2 ゲート幅
WL1 第1ワード線
WL2 第2ワード線
Claims (6)
- 間隔を置いて配列された第1ワード線と、前記第1ワード線の間にそれぞれ配列され、配線幅が前記第1ワード線と異なる第2ワード線とにそれぞれ接続された不揮発性の第1および第2メモリセルに保持されたデータを読み出す不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法であって、
前記第1メモリセルから前記データを読み出すときに、前記第1ワード線に第1電圧を与え、該第1メモリセルに流れるメモリセル電流を基準電流と比較し、前記第1メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出し、
前記第2メモリセルから前記データを読み出すときに、前記第2ワード線に前記第1電圧と異なる値の第2電圧を与え、該第2メモリセルに流れるメモリセル電流を前記基準電流と比較し、前記第2メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。 - 請求項1記載の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法において、
前記第1および第2メモリセルは、電荷を蓄積するフローティングゲートを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。 - 請求項1記載の不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法において、
前記第1および第2メモリセルは、電荷をトラップする絶縁性のトラップゲートを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリの読み出し動作方法。 - 不揮発性の第1および第2メモリセルと、
前記第1メモリセルの制御ゲートに接続され、間隔を置いて配列され、前記第1メモリセルの選択時に第1電圧が与えられる第1ワード線と、
前記第2メモリセルの制御ゲートに接続され、前記第1ワード線の間にそれぞれ配列され、前記第2メモリセルの選択時に前記第1電圧と異なる第2電圧が与えられ、前記第1ワード線と配線幅の異なる第2ワード線とを備え、
前記第1および第2メモリセルのいずれかからデータを読み出すときに、このメモリセルに流れるメモリセル電流を基準電流と比較し、該メモリセルに保持されているデータの論理レベルを検出することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。 - 請求項4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メモリセルは、電荷を蓄積するフローティングゲートを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。 - 請求項4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メモリセルは、電荷をトラップする絶縁性のトラップゲートを有することを特徴とする不揮発性半導体メモリ。
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