JP5268882B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置に関し、特に1つのメモリセルに対し2ビット以上のデータを与える多値記憶方式を実行可能に構成される不揮発性半導体記憶装置に関する。
NANDセル型フラッシュメモリでは、メモリセルの微細化の進展により、データ消去動作を実行した後の閾値電圧分布の下限の電圧値が、ますます低い値(絶対値の大きい負の値)になっている。この場合、そのような低い電圧値の消去状態の閾値電圧分布からデータの書き込み動作を行ったとしても、書き込み後の閾値電圧分布は正の電圧にならず負になる場合がある。
そこで、読み出し動作時に選択メモリセルに印加する読み出し電圧Vcgも負の電圧に設定することも検討されている。しかし、読み出し電圧Vcgとして負の値の電圧を用意することは、特別な電圧発生回路が必要となり、回路面積の増大及び消費電力の増大につながる。
そこで、ソース線及びウエル(メモリセルが形成される半導体層)に正の電圧を印加し、これにより選択メモリセルの制御ゲートに印加される読み出し電圧Vcgを負の電圧とする必要を無くした方式のNANDセル型フラッシュメモリは、例えば特許文献1により提案されている(以下では、このような方式を「ネガティブセンス方式」と称することがある)。このネガティブセンス方式によれば、制御ゲート(ワード線)において負の電圧を発生させる電圧発生回路は不要となり、回路面積の増大は抑制することができる。
しかし、この特許文献1の方法では、閾値電圧分布が負の方向に大きく移動した場合に、読み出し動作時及びベリファイ動作時にソース線及びウエルに印加すべき電圧を大きくする必要がある。ソース線及びウエルに印加すべき電圧が例えば電源電圧に比べ大きくなると、その分ソース線ドライバやウエルドライバ等の周辺回路も大型化し、回路面積が増大すると共に、消費電力も大きくなってしまう。更に、ソース線及びウエルの充電に時間を要し、書き込み動作の時間が長くなってしまうという問題がある。
このように、微細化が進展した場合であっても書き込み動作を確実に実行すると共に、回路面積の増大や消費電力の増大を抑制することのできる不揮発性半導体記憶装置の開発が望まれている。
特開2009−146556号公報
本発明は、メモリセルの微細化が進展しても回路面積を増大させることなく読み出しを行うことのできる不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る不揮発性半導体記憶装置は、半導体層と、前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された電荷蓄積層、及び前記電荷蓄積層上にゲート間絶縁膜を介して形成された制御ゲートを有するメモリセルを複数個直列に接続してなるメモリストリングを配列してなるメモリセルアレイと、前記メモリストリングの一端に電気的に接続されるビット線と、前記メモリセルの他端に電気的に接続されたソース線と、前記半導体層、前記制御ゲート、前記ビット線、前記ソース線に印加する電圧を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記メモリセルへの書き込み動作及びこの書き込み動作の完了を確認するためのベリファイ動作においては、前記メモリセルに対し複数通りの閾値電圧分布を与えるような電圧制御を実行し、前記メモリセルの読み出し動作においては、選択された前記メモリセルに対し前記複数通りの閾値電圧分布の下限と上限との間の電圧である読み出し電圧を印加する一方、非選択の前記メモリセルに対しては複数の閾値電圧分布のうち最大の閾値電圧分布である第1の閾値電圧分布の上限値よりも大きい第1の読み出しパス電圧を印加し、少なくとも前記第1の閾値電圧分布への書き込み動作が行われる前の段階の書き込み動作における前記ベリファイ動作においては、前記第1の読み出しパス電圧よりも小さい第2の読み出しパス電圧を非選択の前記メモリセルに印加しつつ、前記半導体層及び前記ソース線に正の電圧を印加することを特徴とする。
この発明によれば、メモリセルの微細化が進展しても回路面積を増大させることなく読み出しを行うことのできる不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
本発明の第1の実施の形態によるNANDセル型フラッシュメモリのメモリコア構成を説明する回路図である。 第1の実施の形態のNANDセル型フラッシュメモリにおいて4値データ記憶方式を実行する場合のデータ書き込み方法の一例を示している。 図2の書き込み方法を実行する場合の手順を示すフローチャートである 中間分布LM、閾値電圧分布Aについて、負のベリファイ電圧VLM、VAを設定した場合を示している。 所謂ネガティブセンス方式の概念図である。 中間分布LMのベリファイ電圧VLMを負の小さい値に設定した場合における、各種ベリファイ電圧の割り当てを示している。 第1の実施の形態の動作を示す。 第1の実施の形態の動作を示す。 第1の実施の形態の動作を示す。 第1の実施の形態の動作を示す。 本発明の第2の実施の形態の動作を示す。 本発明の第2の実施の形態の動作を示す。 本発明の第3の実施の形態の動作を示す。 本発明の第4の実施の形態の動作を示す。 本発明の第5の実施の形態の動作を示す。 本発明の変形例を説明する。
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態によるNANDセル型フラッシュメモリのメモリコア構成を示している。
メモリセルアレイ1は、複数の電気的書き換え可能な32個の不揮発性メモリセルM0−M31が直列接続されたNANDストリングを配列して構成されている。1つのNANDストリング中のメモリセルの数は、32個に限られるものではなく、例えば64個、128個などにすることもできる。NANDストリングの両端には、そのNANDストリングが選択される場合に導通するドレイン側選択ゲートトランジスタSG0及びソース側選択ゲートトランジスタSG1が接続されている。この32個のメモリセルM0〜M31と、選択ゲートトランジスタSG0、SG1により、1つのNANDセルユニットが構成されている。
メモリセルMは、半導体基板上に形成されたp型のウエルSW上にゲート絶縁膜11を介して浮遊ゲートFG(電荷蓄積層)を形成し、この浮遊ゲートFG上にゲート間絶縁膜13を介して制御ゲートCGを有するタイプの浮遊ゲート型メモリセルとすることができる。また、1つのNANDストリング中で直列接続された複数のメモリセルMは、ドレイン・ソース拡散層15を共有する。浮遊ゲート型のメモリセルに代えて、例えばシリコン窒化膜等からなる電荷蓄積層を有したMONOS型メモリセルとすることもできる。
各NANDセルユニットは、ドレイン側選択ゲートトランジスタSG0の一端においてビット線BLに接続され、ソース側選択ゲートトランジスタSG1の一端においてソース線CELSRCに接続されている。
NANDセルユニット内のメモリセルM0−M31の制御ゲートはそれぞれ異なるワード線WL0−WL31に接続されている。選択ゲートトランジスタSG0,SG1のゲートは、ワード線WL0〜WL31と並行する選択ゲート線SGD,SGSに接続されている。
ワード線WL及び選択ゲート線SGD,SGSを選択駆動するためにロウデコーダ2、ワード線ドライバ2’が配置される。各ビット線BLは、センスアンプ回路3内のセンスアンプ兼データラッチ31に接続される。ビット線BLは、センスアンプ兼データラッチ31内に含まれる図示しないプリチャージ回路により、読み出し動作時において所定の電圧(例えば1V)まで充電される。また、ビット線BLとセンスアンプ兼データラッチ31との間にはクランプトランジスタが接続され、このクランプトランジスタのゲート電圧は、ビット線ドライバ4により制御される。
ここでは、ビット線BLがセンスアンプ兼データラッチ31に一対一の対応で接続される場合を示したが、この場合、1ワード線により選択されるメモリセルが同時書き込み/読み出しが行われる1ページとなる。ただし、例えば隣接する偶数番ビット線と奇数番ビット線が一つのセンスアンプ兼データラッチを共有する方式とすることもできる。この場合には、一ワード線で選択されるメモリセルのうち半分が、同時書き込み/読み出しの単位(1ページ)となる。
ワード線を共有するNANDセルユニットの集合は、データ消去の単位となるブロックを構成する。図示のように、ビット線BLの方向に複数のブロックBLK,BLK1,…,BLKm−1が配列される。
また、ソース線SL、及びウエルSWの電位を制御するための回路として、ソース線ドライバ5、及びウエルドライバ6が設けられている。ソース線ドライバ5、及びウエルドライバ6は、上述したネガティブセンス方式を実行する場合において、ソース線SL及びウエルSWの電圧を、それぞれ電圧Vsrc(>0)、電圧Vwell(Vwell>0、Vsrc≧Vwell)まで上昇させる。基板バイアスが印加されることを避けるため、電圧VWellは、電圧Vsrcと等しいか、Vsrcよりも小さい電圧とされる。制御回路10は、これらのドライバ2’、4、5、6を制御してワード線WL、ビット線BL、ソース線SL及びウエルSWに印加する電圧を制御する。
図2は、この実施の形態でのNANDセル型フラッシュメモリにおいて4値データ記憶方式を実行する場合のデータ書き込み方法の一例を示している。また、図3はこの書き込み方法を実行する場合の手順を示すフローチャートである。4値データは、例えば電圧レベルとして最も低いレベルにある負の閾値電圧分布(消去分布)Eと、これより大なる電圧レベルにある閾値電圧分布A,B,Cにより規定される。
この4値データを書くために、まず選択ブロックの全メモリセルは、最も低い負の閾値電圧分布Eに設定される(データ消去:図3のステップS11)。このデータ消去は、メモリセルアレイ1が形成されたウエルSWに正の消去電圧Veraをウエルドライバ6から与え、選択ブロックの全ワード線を0Vとして、全メモリセルMの浮游ゲートの電子を放出させることにより行う。
次に、閾値電圧分布Eのセルの一部を中間分布LMまで書き込む、下位ページ書き込み(Lower Page Program)を行う(図3のステップS12)。そして、ベリファイ電圧を電圧VLMに設定して(電圧VLMを、選択メモリセルMのゲート−ソース間に印加する)、中間分布LMへの書き込みの完了を確認するためのベリファイ動作を行う(ステップS13)。
その後、閾値電圧分布EからAへ、更に中間分布LMから閾値電圧分布B,Cへと閾値電圧を上昇させる上位ページ書き込み(Upper Page Program)を行った後、更にベリファイ電圧として電圧VA、VB又はVCを用いてベリファイ動作を行う(ステップS14、S15)。こうして、全ての閾値電圧分布E〜Cへの書き込みが完了した後は、必要に応じ、読み出し動作を行う(ステップS16)。読み出し動作においては、選択メモリセルMのゲート−ソース間に印加する読み出し電圧を、各閾値電圧分布E〜Cの上限と下限の間の電圧である読み出し電圧RA、RB、RCに設定する一方、非選択メモリセルには、閾値電圧分布Cの上限値よりも十分に大きい読み出しパス電圧Vreadを印加する。
以上のデータ書き込みは、選択ワード線に書き込み電圧VPGMを与え、非選択ワード線に書き込みパス電圧Vpassを与え、ビット線に接地電圧Vss(閾値電圧を上昇させる“0”書き込みの場合)または電源電圧Vdd(閾値電圧を上昇させない書き込み禁止の場合)を与えて、選択的にメモリセルの浮遊ゲートに電子を注入する動作として行う。
即ち、“0”書き込みの場合、ビット線BLに与えた接地電圧VssがNANDセルユニットのチャネルまで転送され、書き込み電圧VPGMが与えられたときにチャネルから浮遊ゲートにトンネル電流による電子が注入される。一方、“1”書き込み(書き込み禁止)の場合、NANDセルチャネルはVdd−Vt(Vtはドレイン側選択ゲートトランジスタSG0の閾値電圧)まで充電されてフローティングになり、書き込み電圧VPGMが与えられたときセルチャネルは容量結合によりブーストされて、電子注入が起こらない。なお、データ書き込みには通常、書き込み電圧を書き込みサイクル毎(書き込み動作と書き込みベリファイ動作)に少しずつ高くするステップアップ書き込み方式を利用する。
下位ページ書き込み(中間分布LMの書き込み)において、その中間分布LMの閾値電圧の下限を所定の電圧(ベリファイ電圧VLM)以上にするため、書き込み状態の確認(ベリファイ動作)を行う。即ち、選択メモリセルの制御ゲート(選択ワード線)とソースとの間にベリファイ電圧VLMを与えたベリファイ読み出し動作で、選択メモリセルが導通すれば書き込み失敗(フェイル)であり、導通しなければ場合書き込み成功(パス)という判定を行う。同様に、上位ページ書き込み時は、ベリファイ電圧VA,VB,VCによりそれぞれデータ状態A,B,Cの書き込みベリファイ動作を行うことになる。
しかし、NANDセル型フラッシュメモリでは、メモリセルの微細化の進展により、データ消去動作を実行した後の閾値電圧分布の下限の電圧値が、ますます低い値(絶対値の大きい負の値)になっている。この場合、そのような低い電圧値の消去状態の閾値電圧分布からデータの書き込み動作を行った場合、書き込み後の閾値電圧分布は正の電圧にならず負になる場合もある。そこで、本実施の形態では、図4に示すように、複数のベリファイ電圧のうちの少なくとも一部を負の値に設定する。ここでは一例としてベリファイ電圧VLM、VAを負の値に設定する(VLM<0、VA<0)。
この場合、ベリファイ動作時において選択メモリセルMnの制御ゲート(ワード線)に負の値の電圧を与えなければならない。メモリセルの制御ゲートに負の値の電圧を与えることが可能な電圧発生回路を用意することは、回路面積の増大につながる。このため、本実施の形態では、上述のネガティブセンス方式を採用している。ここでは一例としてベリファイ電圧VLM、VAを負の値に設定する(VLM<0、VA<0)。ネガティブセンス方式では、読み出し動作時及びベリファイ読み出し動作時において、ソース線CELSRC及びウエルSWに印加する電圧Vsrc及びVwellを、正の値の電圧、例えば1.5V程度の電圧に設定する(図5参照)。この場合、例えば、中間分布LMのベリファイ電圧VLMが−1.5Vであるならば、この中間分布LMの書き込みベリファイ動作時には、中間分布LMのベリファイ動作のために選択メモリセルの制御ゲートに印加する電圧Vgは0V(=−1.5+1.5)で足りる。上記の場合にネガティブセンス方式を採用しないのであれば(すなわち、Vsrc=Vwell=0Vの場合)、中間分布LMのベリファイ動作のため選択メモリセルの制御ゲートに−1.5Vを印加しなければならない。従って、ネガティブセンス方式によれば、ベリファイ電圧を負の電圧に設定した場合であっても、選択メモリセルの制御ゲートに印加する電圧は負の電圧とする必要がない。従って、電圧発生回路の面積を縮小することができる。
ところで、メモリセルの微細化が更に進んだ場合には、ベリファイ電圧を更に小さくする必要がある。例えば、図6に示すように、中間分布LMのベリファイ電圧VLMを、例えば、−3V程度まで低くする必要が生じる場合もある。その場合でも、読み出し動作時及びベリファイ動作時にソース線CELSRC及びウエルSWに印加する電圧Vsrc及びVwellを3Vに設定すれば、ベリファイ動作時に選択メモリセルの制御ゲートに印加する電圧は0Vでよく、一見問題無いようにも思える。
しかし、ソース線CELSRC及びウエルSWに、例えば、3Vもの電圧を与えるとした場合、不揮発性半導体記憶装置におけるウエルの領域は広いため、ウエルの充電には時間を要する。そのため、ウエルSWに高い電圧を与える場合は、書き込み動作の高速化の面でも支障が出てくる虞がある。すなわち、消去分布E以外の閾値電圧分布に対し負の値の下限値を与えることは可能であるが、この下限値が小さくなり過ぎると、ネガティブセンス方式では実質的に対応が不可能である。
そこで、本実施の形態では、電圧Vsrc、Vwellを正の電圧とするネガティブセンス方式は行うが、書き込み動作に影響を与えない程度の電圧に止める。電圧Vsrc、Vwellは、例えば、1.5V程度に止める。しかし、中間分布LMのベリファイ動作のためのベリファイ電圧VLMの絶対値(例えば、3V)は、電圧Vsrc及びVwellの絶対値(例えば、1.5V)よりも大きい。この場合、図7に示すように、中間分布LMのベリファイ電圧VLMが−3Vであれば、中間分布LMのベリファイ動作のために選択メモリセルの制御ゲートに印加する電圧VLM’は−1.5V(−3+1.5=−1.5V)でなければならない筈である(なお、閾値電圧分布A,B,Cは中間分布LMの下限よりも高い下限を有するため、ベリファイ動作のために選択メモリセルの制御ゲートに印加する電圧VA’、VB’VC’(図7)は、いずれも負の電圧とはならない)。そこで、本実施の形態では、中間分布LMのベリファイ読み出し時に、以下の動作を行う。このため、上記のような状況においても、中間分布LMのベリファイ動作のために選択メモリセルMnの制御ゲートに印加する電圧を、負の電圧ではなく、0V以上の電圧とすることができる。
図8Aは、本実施の形態の原理を説明するため、従来の読み出し動作において選択されたNANDセルユニットの各部に印加される電圧の関係を示している。
選択ワード線WLnに隣接するワード線WLn−1、WLn+1に読み出し電圧Vreadを供給した場合、選択ワード線WLnに接続されたメモリセルMnの浮遊ゲートFG(n)の閾値電圧が実質的に低くなる。ここで、例えば選択メモリセルMnのワード線WLnと選択メモリセルMnの浮遊ゲートFG(n)との容量結合比をCr、選択ワード線WLnに隣接するワード線WLn−1、WLn+1と選択メモリセルMnの浮遊ゲートFG(n)との間の容量結合比をそれぞれCr_1と定義する。この場合において、選択メモリセルMnのデータを読み出すため、選択メモリセルMnのワード線WLnに所定の読み出し電圧Vcgを印加する一方、非選択メモリセル(Mn+1、Mn−1他)をその保持データに拘わらずオン状態とするため、非選択メモリセルのワード線には読み出しパス電圧Vreadを印加した場合を考える。この場合、上述の容量結合比Cr_1により、選択メモリセルMnの浮遊ゲートFG(n)の電圧が上昇する。このため、選択メモリセルMnの閾値電圧が実質的に低下することとなる。
このような現象は、メモリセルが微細化、すなわち、容量結合比Cr_1が大きくなるに従い顕著になる。つまり、浮遊ゲートFG(n)に同じ数の電子を入れたとしても、容量結合比Cr_1が大きくなれば、選択メモリセルMnの閾値電圧が実質的に低下することとなるからである。
そこで、本実施の形態では、図8Bに示すように、中間分布LMのベリファイ動作において、少なくとも選択メモリセルMnに隣接する非選択メモリセルMn+1、Mn−1に、読み出しパス電圧Vread’を印加する。この電圧Vread’は従来の読み出し動作(全ての閾値電圧分布E〜Cの書き込みが完了した場合における読み出し動作)において非選択メモリセルの制御ゲートに印加される読み出しパス電圧Vreadよりも小さい電圧である。
この電圧Vread’は、中間分布LMの上限値VLMuより十分に大きい電圧(例えば、想定される上限値VLMuよりも2V程度大きい電圧)であればよい。従って、閾値電圧分布BやCの上限値よりも小さい値に読み出しパス電圧Vread’を設定することも可能である。なぜなら、図2Aに示したような書き込み手順が実行される場合において、ソース線CELSRCに近い側のメモリセルから書き込みを開始し、以後、順次ソース線CELSRCに近い順からビット線BLに近い側のメモリセルの書き込みを行う場合、選択セルのソース線CELSRCに隣接するメモリセルMn+1には中間分布LMが書き込まれているからである。すなわち、選択メモリセルMnに中間分布LMを書き込む時には、メモリセルMn+1には閾値電圧の高い閾値電圧分布BやCは書き込まれていない。選択メモリセルMnに中間分布LMの書き込みが完了した時点においては、閾値電圧の高い閾値電圧分布BやCを有するメモリセルは選択セルに隣接するメモリセルには存在しないからである。
換言すれば、選択メモリセルMnに最大の閾値電圧分布である分布Cについての書き込み動作が行われる前の段階で行われるベリファイ動作である中間分布LMのベリファイ動作においては、選択メモリセルMnに隣接するメモリセルMn+1、Mn−1に通常の読み出しパス電圧Vreadよりも小さい読み出しパス電圧Vread’を非選択のメモリセルMn+1、Mn−1に印加するものである。
一例として、図6に示すようなベリファイ電圧の割り当てがなされる場合において、読み出しパス電圧Vread’は、読み出しパス電圧Vread(6.0V)よりも3V程小さい3.0Vに設定することができる。
このようにして通常の読み出しパス電圧Vreadよりも小さく、中間分布LMの上限値VLMuより十分に大きい電圧である読み出しパス電圧Vread’が、中間分布LMのベリファイ動作時に使用される。選択ワード線WLnに隣接するワード線WLn−1、WLn+1に読み出しパス電圧Vreadよりも小さい電圧Vread’を使用する場合、選択メモリセルMnの閾値電圧が、読み出しパス電圧Vreadを使用する場合に比べ上昇して見えることになる。
従って、中間分布LMのベリファイ動作時においては、図6のように中間分布LMのベリファイ電圧VLMが、例えば、−3Vに設定され且つソース線CELSRC及びウエルSWの電圧Vwellが、例えば、1.5V止まりであっても、中間分布LMのベリファイ動作時に選択メモリセルに印加する電圧Vcgは、負の電圧とする必要は無く、例えば0Vとすることができる。
一方、中間分布LMへの書き込み動作後、更に閾値電圧分布A、B、Cへの書き込み動作を行い、その後これら閾値電圧分布A、B、Cの書き込みベリファイ動作が行われるが、そのとき非選択メモリセルには、図9に示すように、通常の読み出しパス電圧Vreadが印加される。選択メモリセルに隣接するメモリセルに閾値分布Cが書き込まれている場合があるため、読み出しパス電圧Vreadは、この閾値電圧分布C(複数の閾値電圧分布の中で最も大きな電圧レベルを有する分布)の上限値よりも十分に大きい値に設定される。この読み出しパス電圧Vreadは、Vread’よりも大きい値である。従って、中間分布LMのベリファイ動作において、読み出しパス電圧Vread’を読み出しパス電圧Vreadよりも小さくしても、ベリファイ電圧VA、VB、VCには特に影響を及ぼさない。また、閾値電圧分布A、B、Cの書き込みベリファイ動作及び読み出し動作にネガティブセンス方式が実行された場合であっても、選択メモリセルの制御ゲートに負の電圧を与える必要は無い。
以上のように、本実施の形態では、ネガティブセンス方式を実行することに加え、中間分布LMのベリファイ動作時に非選択メモリセルの制御ゲートに印加する読み出しパス電圧Vread’を、通常時の読み出しパス電圧Vreadよりも小さくする(以下、「疑似ネガティブセンス方式」と称する場合がある)。この疑似ネガティブセンス方式で中間分布LMのベリファイ動作が行われることにより、ソース線CELSRC及びウエルSWに印加する電圧Vsrc及びVwellは、書き込み動作の速度に影響が無い程度の大きさ(例えば1・5V以下)に抑えることができ、書き込み速度の向上を図ることができる。また、中間分布LMのベリファイ動作のために選択メモリセルの制御ゲートに負の電圧を印加する必要もないので、周辺回路の回路面積の縮小を図ることができる。
一方、実際にデータの割り当てられた閾値電圧分布A、B、Cへのベリファイ動作及び読み出し動作には、選択ワード線WLnに隣接するワード線WLn+1、WLn−1には通常時の読み出しパス電圧Vreadを用いる。その結果、選択メモリセルMnに隣接するメモリセルMn+1、Mn−1が閾値分布Cのメモリセルであってもメモリセルトランジスタをオンさせることができる。つまり、閾値分布Cの上限をVread‘より高くすることができる。すなわち、閾値電圧の低い中間分布LMのベリファイ動作のみに疑似ネガティブセンス方式を用いることにより、低い閾値電圧分布を有する場合のみ閾値電圧を高く見せることができる。その結果、中間分布LMのベリファイ動作のために選択メモリセルMnの制御ゲート(ワード線)に負の電圧を印加する必要もないので、周辺回路の回路面積の縮小を図ることができる。また、中間分布LMを全体的に低くすることができるため、中間分布LMの上限ともっとも大きな電圧レベルを有する閾値分布Cの下限の間を広くすることができ、結果として閾値分布Cの下限と閾値分布Bの上限の間を広くすることができる。
なお、上述の例では、選択メモリセルMnに隣接する非選択メモリセルMn+1、Mn−1に電圧Vread’を印加する例を示したが、隣接する非選択メモリセルMn−1、Mn+1以外の非選択メモリセルにも、同様の電圧Vread’を印加してもよい。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態を、図10A,図10Bを参照して説明する。前述の第1の実施の形態では、1つの中間分布LMを書く動作を行い、この1つの中間分布LMのベリファイ動作を行う場合に、上述のような読み出しパス電圧Vread’を用いる例を説明した。
これに対し、第2の実施の形態では、図10に示すように、3つの中間分布FMA、FMB、FMCを書く動作(フォギー書き込み)を行い、その後この中間分布FMA〜Cを基にして最終的に得たい閾値電圧分布A,B,Cを書く動作(ファイン書き込み)を行う方式に関する。この方式において、中間分布FMA、FMB、FMCのベリファイ動作を実行する場合において、上述の疑似ネガティブセンス方式を実行するものである。
ここで、フォギー書き込みとは、上位ページデータ/下位ページデータの粗い書き込みであり、ファイン書き込みとは、上位ページデータ/下位ページデータの正確な書き込みである。すなわち、フォギー書き込みとファイン書き込み動作との2段階の書き込み動作が実行される。
フォギー書き込み動作、及びファイン書き込み動作を伴う4値記憶方式における書き込み動作を、図10Aを参照して説明する。はじめに、全てのメモリセルが消去された状態(1)から、あるメモリセルMCnに対しフォギー書き込み動作(2)を実行する。フォギー書き込み動作は、図10Aに示すように、最終的に得ようとする複数の閾値電圧分布E、A、B、Cの下限値よりも小さいベリファイ電圧VAV´、VBV´、又はVCV´を用いて、中間分布FMA、FMB、又はFMCを得る書き込み動作である。
この後、メモリセルMCnに対しファイン書き込み動作(3)を行う。ファイン書き込み動作は、最終的に得ようとする複数の閾値電圧分布E、A、B、Cの下限値と等しいベリファイ電圧VAV、VBV、又はVCVを用いて、中間分布FMA、FMB、又はFMCを正方向に移動させ、閾値電圧分布E、A、B、又はCを得る。すなわち、フォギー書き込みのそれぞれのベリファイ電圧VAV´、VBV´、VCV´は対応するファイン書き込みのベリファイ電圧VAV、VBV、VCVよりも低くなっている。同様に、それぞれの中間分布FMA、FMB、FMCの下限は対応する閾値電圧分布A、B、Cの下限よりも低くなっている。なお、中間分布FMA、FMB、FMCの上限は対応する閾値電圧分布A、B、Cの上限よりも大きくなっていても構わない。
また、中間分布FMA、FMB、FMCは、閾値電圧分布A、B、Cを書き込む前段階で書かれる閾値電圧分布であり、最終的なデータは割り当てられない。すなわち、メモリセルの読み出しは、各閾値電圧分布E〜Cの上限と下限の間の電圧である読み出し電圧RA、RB、RCに設定する。
本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、中間分布FMA、FMB、FMCのベリファイ動作において、少なくとも選択メモリセルMnに隣接する非選択メモリセルMn+1、Mn−1のワード線WLn+1、WLn−1に、読み出しパス電圧VreadC’を印加する。この電圧VreadC’は通常の読み出し動作(全ての閾値電圧分布E〜Cの書き込みが完了した場合における読み出し動作)において非選択メモリセルの制御ゲートに印加される読み出しパス電圧Vreadよりも小さい電圧である。
これらの読み出しパス電圧VreadC’は、それぞれ中間分布FMA、FMB、FMCの上限値より十分に大きい電圧(例えば、想定される上限値よりも2V程度大きい電圧)であればよい。
なぜなら、例えば、図10Bに示したような順番でフォギー書き込み、ファイン書き込みが実行される場合において、選択メモリセルのフォギー書き込みのベリファイ動作を行う時点においては、選択メモリセルに隣接するメモリセルには、中間分布FMCの上限より閾値電圧の高い閾値電圧分布を有するメモリセルは存在しないからである。
ここで、図10Bに示したフォギー書き込み、ファイン書き込みの順序について説明する。一般的に、NANDセル型フラッシュメモリでは、1つのNANDストリング中において、共通ソース線CELSRCに近い側のメモリセルMC31から順に書き込みを行い、一番遠いメモリセルMC1は最後に書き込まれる。
このようなNANDストリングに、上記のフォギー書き込み動作、ファイン書き込み動作を行う場合に、図10Bのような書き込み手順を実行することにより、閾値電圧分布の変動を最小限に抑えることができる。まず、最も共通ソース線CELSRCに近いメモリセルMC31に対しフォギー書き込みを実行する。続いて、隣接するメモリセルMC30にフォギー書き込みを行った後、メモリセルMC31に戻ってファイン書き込みを実行する。
次のステップでは、メモリセルMC31に隣接するメモリセルMC30ではなく、メモリセルMC31からビット線BLの方向に2つ離れたメモリセルMC29に対しフォギー書き込みを行う。このため、メモリセルMC31の閾値電圧分布の変動は抑制される。続いて、メモリセルMC30に対するファイン書き込みを行う。メモリセルMC29へのフォギー書き込みにより、メモリセルMC30のフォギー書き込み後の閾値電圧分布は変動しているはずであるが、このファイン書き込みにより、その影響は解消されている。
その後も、ファイン書き込みが終了したメモリセルMCnからビット線BLの方向に2つ離れたメモリセルMCn−2にフォギー書き込みを行い、その後1つ戻ってメモリセルMCn−1にファイン書き込みを実行する、という手順を、メモリセルMC1まで繰り返す。これにより、フォギー/ファイン書き込みを実行するメモリセルアレイにおいて、隣接メモリセルの影響を最小限に抑えることができる。
このように、本実施の形態では、図10A,図10Bに示すようなフォギー書き込み/ファイン書き込みの方式においてネガティブセンス方式を組み込むと共に、更に中間分布FMA〜FMCのベリファイ動作においては、上述の疑似ネガティブセンス方式を用いることができる。なぜなら、選択メモリセルMCnのフォギー書き込みのベリファイ動作を行う時点においては、選択メモリセルMCnに隣接するメモリセルには、中間分布FMCの上限より閾値電圧の高い閾値電圧分布を有するメモリセルは存在しないからである。すなわち、通常の読み出しパス電圧Vreadよりも小さい読み出しパス電圧VreadC’でも非選択のメモリセルMn+1、Mn−1をゲート電極とするメモリセルトランジスタをオンさせることができる。
一方、選択メモリセルMCnのファイン書き込みのベリファイ動作を行う時点においては、選択メモリセルMCnに隣接するメモリセルには、閾値電圧分布Cを有するメモリセルが存在する。そこで、非選択のメモリセルMn+1、Mn−1をゲート電極とするメモリセルトランジスタをオンさせるためにパス電圧Vreadを用いる。
ここで、閾値電圧分布Aの下限が負の値になる場合を想定する。また、全体的に閾値電圧分布Aよりも閾値分布電圧が低い中間分布FMAの下限も負の値になる。この場合において、フォギー書き込みのベリファイ動作においては疑似ネガティブセンス方式を使用し、ファイン書き込みのベリファイ動作においてはネガティブセンス方式を使用する。
これにより、フォギー書き込みにおいて、選択メモリセルMCnに中間分布FMAに相当する閾値電圧が与えられた場合のベリファイ動作において、中間分布FMAの下限がウエルに電圧を与えると動作速度に影響を及ぼす電圧、例えば、−3.0Vであったとしても、選択メモリセルに負でない読み出し電圧を印加しつつ中間分布FMAのベリファイ動作を実行することが可能となる。さらに、ファイン書き込みにおいて、選択メモリセルMCnに閾値電圧分布Aに相当する閾値電圧が与えられた場合のベリファイ動作においてネガティブセンス方式を用いることが可能となる。
なお、閾値電圧分布Aの下限が負の値であったとしても、ネガティブセンス方式が実行されることにより、閾値電圧分布Aのベリファイ動作では、選択メモリセルの制御ゲートに正の電圧を印加すれば足りる。その結果、回路構成を簡単にすることができる。
また、疑似ネガティブセンス方式を用いることにより、中間分布FMAの下限を低くすることができる。その結果、データとして割り当てられる閾値電圧分布Aの下限も下げることができ、これに応じて、閾値分布電圧Aよりも高い閾値電圧分布Cの上限も下げることができる。その結果、閾値電圧分布Cを書き込む時におけるメモリセルへのストレスが緩和され、メモリセルの信頼性を向上させることができる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態を、図11を参照しつつ説明する。
この第3の実施の形態は、回路の基本構成は第1の実施の形態(図1)と同一である。また、基本的な書き込み手順も、図2、図3、10A、図10Bで示したのと同一であり、ネガティブセンス方式を行うと共に、中間分布LM又はFMA〜FMCのベリファイ動作において、非選択メモリセルMn+1、Mn−1に印加する読み出しパス電圧を、通常の読み出しパス電圧Vreadよりも小さくする点も、第1の実施の形態と同様である。
ただし、この実施の形態では、図11に示すように、非選択メモリセルMn+1には、読み出しパス電圧Vreadより小さい読み出しパス電圧Vread1を印加する一方、非選択メモリセルMn−1にはこの読み出しパス電圧Vread1よりも更に小さい読み出しパス電圧Vread2を印加する点で、第1の実施の形態と異なっている。
NANDセル型フラッシュメモリでは、通常、書き込み完了後のメモリセルの閾値電圧の変動を避ける観点から、ソース線CELSRCに近い側のメモリセルから書き込みを開始し、以後、順次ソース線CELSRCに近い順からビット線BLに近い側のメモリセルの書き込みを行う(なお、第1の実施の形態の場合、メモリセルMC31が先に書き込み動作の対象になり、以後、メモリセルM30、M29、・・・M1の順で実行される)。この書き込み手順が実行される場合、中間分布LM、FMA〜FMCの書き込み動作において、先に書き込みが行われるメモリセルMn+1は、後から書き込みが行われるメモリセルMn−1よりも高い閾値電圧を有する場合が多いことになる。
このため、本実施の形態では、より高い閾値電圧を有する非選択メモリセルMn+1には読み出しパス電圧Vread1を印加する一方、非選択メモリMn−1には、これより低い読み出しパス電圧Vread2を印加するものである。すなわち、低い閾値電圧を有するメモリセルには注入された電子の数が少ないため、高い電圧を印加しなくても選択セルの閾値電圧を下げる効果があるためである。本実施の形態によれば、第1及び第2の実施の形態で説明した効果を更に改善することができる。
なお、非選択メモリセルMn+1の閾値電圧(保持データ)によりワード線WLn+1に印加する読み出しパス電圧の値を変化させることがより効果的である。例えば、メモリセルMn+1が、閾値電圧分布Eに相当する閾値電圧を有する場合には、ワード線WLn+1にも、ワード線WLn−1と同様に、読み出しパス電圧Vread2を印加するのが好適である。
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態を、図12を参照しつつ説明する。
この第4の実施の形態は、図12に示すように、ワード線WL同士の間隔が異なる場合に適用されるものである。例えば、メモリセルMn+2乃至Mnまでの配列ピッチがD1であり、メモリセルMnとメモリセルMn−1との間のピッチはこれよりも大であるD2(>D1)である場合である。このような配列はメモリセルの端部に使用される場合がある。
このようなNANDセル型フラッシュメモリにおいて、例えばメモリセルMnが選択されて書き込み動作及びベリファイ動作が行われる場合において、隣接メモリセルMn−1のワード線WLn−1には、前述の読み出しパス電圧Vread2よりも更に小さい読み出しパス電圧Vread3(<Vread2)を印加する。その理由は、メモリセルMn−1は、通常の配列ピッチD1よりも大なる配列ピッチD2にて配列されるからである。すなわち、選択メモリセルMnに隣接するメモリセルMn−1のワード線WLn−1と選択メモリセルMnの浮遊ゲートFG(n)との容量結合比は、選択メモリセルMnに隣接するメモリセルMn+1のワード線WLn+1と選択メモリセルMnの浮遊ゲートFG(n)との容量結合比よりも小さいからである。すなわち、ワード線WLn−1に印加される電圧が浮遊ゲートFG(n)に及ぼす影響は、ワード線WLn+1に印加される電圧が浮遊ゲートFG(n)に及ぼす影響よりも小さい。すなわち、ワード線WLn−1に印加される電圧Vread3は、ワード線WLn+1に印加される読み出しパス電圧Vread1よりも低くした方が好ましい。
このように低い読み出しパス電圧Vread3が印加されることにより、メモリセル間の配列ピッチが異なった場合でも上述の第1乃至第3の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態を、図13を参照しつつ説明する。
この第5の実施の形態は、図13に示すように、メモリストリングの端部のメモリセル(選択ゲート線SGD,SGSに隣接するメモリセル)が、データ書き込みに用いられないダミーセルDMとされている点で、前述の実施の形態と異なっている。そして、このダミーセルDMは、他のメモリセルとは異なる配列ピッチで形成されているものとする。一例として、通常のメモリセルMの配列ピッチがD1であるとした場合、ダミーセルDMとメモリセルM1との間のピッチはこれよりも大であるD2(>D1)である。
このようなダミーセルDMを有するNANDセル型フラッシュメモリにおいて、例えばダミーセルDMに隣接するメモリセルM1が選択されて書き込み動作及びベリファイ動作が行われる場合において、ダミーセルDMには、前述の読み出しパス電圧Vread2よりも更に小さい読み出しパス電圧Vread4(<Vread2)を印加する。その理由は、ダミーセルDMは、通常の配列ピッチD1よりも大なる配列ピッチD2にて配列されると共に、通常、消去分布Eなど、低い閾値電圧を有するように制御されるからである。すなわち、低い閾値を有するメモリセルには注入された電子の数が少ないため、高い電圧を印加しなくても選択セルの閾値電圧を下げる効果があるためである。
このように低い読み出しパス電圧Vread4が印加されることにより、上述の第3乃至4の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
[その他]
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な変更、追加、改変、置換、削除、組み合わせ等が可能である。
更に、本発明は、中間分布LMを書く動作を行う装置にのみ適用されるものではない。例えば、中間分布LMを書かず、図14に示すように、消去分布Eから閾値電圧分布Aへの書き込み動作(動作(1))を負のベリファイ電圧VAを用いて行った後(動作(1))、続いて消去分布Eから閾値電圧分布Bへの書き込み、又は閾値電圧分布AからCへの書き込み動作(動作(2))を行うようにした装置において、閾値電圧分布Aのベリファイ動作に関し本発明を適用することができる。すなわち、本発明は、複数の閾値電圧分布のうち最大の閾値電圧分布の書き込み動作が行われる前の段階で行われるベリファイ動作であれば適用可能である。
また、上述の実施の形態では、4値記憶方式(2ビット/セル)の装置のみを説明したが、本発明は3ビット以上を1つのメモリセルに記憶する装置にも適用可能であることはいうまでもない。
1・・・メモリセルアレイ、 2・・・ロウデコーダ、 2’・・・ワード線ドライバ、 3・・・センスアンプ回路、 31・・・センスアンプ兼データラッチ、 4・・・ビット線ドライバ、 5・・・ソース線ドライバ、 6・・・ウエルドライバ、 10・・・制御回路。

Claims (5)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成された電荷蓄積層、及び前記電荷蓄積層上にゲート間絶縁膜を介して形成された制御ゲートを有するメモリセルを複数個直列に接続してなるメモリストリングを配列してなるメモリセルアレイと、
    前記メモリストリングの一端に電気的に接続されるビット線と、
    前記メモリセルの他端に電気的に接続されたソース線と、
    前記半導体層、前記制御ゲート、前記ビット線、前記ソース線に印加する電圧を制御する制御回路と
    を備え、
    前記制御回路は、
    前記メモリセルへの書き込み動作及びこの書き込み動作の完了を確認するためのベリファイ動作においては、前記メモリセルに対し複数通りの閾値電圧分布を与えるような電圧制御を実行し、
    前記メモリセルの読み出し動作においては、選択された前記メモリセルに対し前記複数通りの閾値電圧分布の下限と上限との間の電圧である読み出し電圧を印加する一方、非選択の前記メモリセルに対しては複数の閾値電圧分布のうち最大の閾値電圧分布である第1の閾値電圧分布の上限値よりも大きい第1の読み出しパス電圧を印加し、
    少なくとも前記第1の閾値電圧分布への書き込み動作が行われる前の段階の書き込み動作における前記ベリファイ動作においては、前記第1の読み出しパス電圧よりも小さい第2の読み出しパス電圧を非選択の前記メモリセルに印加しつつ、前記半導体層及び前記ソース線に正の電圧を印加する
    ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 前記第1の閾値電圧分布への書き込み動作が行われる前の段階の書き込み動作は、前記第1の閾値電圧分布の下限よりも低い下限を有する中間分布である
    ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 前記メモリセルの読み出し動作において、前記半導体層及び前記ソース線に正の電圧を印加することを特徴とする請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. 前記メモリストリング内の複数の前記メモリセルに対する書き込み動作は、前記ソース線に近い側にあるメモリセルに対する書き込み動作から開始され、以後順次ソース線から近い順に実行され、
    前記選択メモリセルのベリファイ動作において、選択された前記メモリセルに対し前記ソース線の側で隣接する非選択の前記メモリセルには、前記第2の読み出しパス電圧として第1の電圧が印加され、選択された前記メモリセルに対し前記ビット線の側で隣接する非選択の前記メモリセルには前記第2の読み出しパス電圧として前記第1の電圧よりも小さい第2の電圧が印加される
    ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  5. 前記メモリストリングは、その端部にデータ記憶に用いられないダミーセルを接続されており、
    前記ダミーセルに隣接する前記メモリセルに対するベリファイ動作においては、前記ダミーセルに対し前記第2の読み出しパス電圧として前記第2の電圧よりも小さい第3の電圧が印加される
    ことと特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置。
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