JP5931236B1 - 半導体装置の制御回路及び方法、並びに半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体装置においてリセットコマンドが入力されたときに、リセットコマンド入力処理を従来技術に比較して非常に簡便な方法と回路で、かつ短時間で実行することができる。【解決手段】変更可能な周波数を有するシステムクロックを発生するクロック発生器を制御する半導体装置のための制御回路であって、上記制御回路は、上記半導体装置の通常動作モードにおいて、リセットコマンドに基づいて上記クロック発生器により発生されるシステムクロックの周波数を第1の周波数から、上記第1の周波数より高い第2の周波数に変更し、上記半導体装置に対して割込処理を行い、上記通常動作モードからリセットシーケンスモードに移行させる。【選択図】図7

Description

本発明は、例えばフラッシュメモリなどの電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)等の半導体装置のための書き込み/消去回路及び方法、並びに半導体装置に関する。
ビット線とソース線との間に複数のメモリセルトランジスタ(以下、メモリセルという)を直列に接続してNANDストリングを構成し、高集積化を実現したNAND型不揮発性半導体記憶装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
図1は従来例に係るNAND型フラッシュEEPROMの全体構成を示すブロック図である。また、図2は図1のメモリセルアレイ10とその周辺回路の構成を示す回路図である。
図1において、従来例に係るNAND型フラッシュEEPROMは、メモリセルアレイ10と、その動作を制御する制御回路11と、ロウデコーダ12と、高電圧発生回路13と、データ書き換え及び読み出し回路を含むページバッファ回路14と、カラムデコーダ15と、コマンドレジスタ17と、アドレスレジスタ18と、動作ロジックコントローラ19と、データ入出力バッファ50と、データ入出力端子51とを備えて構成される。
メモリセルアレイ10は、図2に示すように、例えば16個のスタックト・ゲート構造の電気的書き換え可能な不揮発性メモリセルMC0〜MC15を直列接続してNANDセルユニットNU(NU0,NU1, …)が構成される。各NANDセルユニットNUは、ドレイン側が選択ゲートトランジスタSG1を介してビット線BLに接続され、ソース側が選択ゲートトランジスタSG2を介して共通ソース線CELSRCに接続される。ロウ方向に並ぶメモリセルMCの制御ゲートは共通にワード線WLに接続され、選択ゲートトランジスタSG1,SG2のゲート電極はワード線WLと平行して配設される選択ゲート線SGD,SGSに接続される。1本のワード線WLにより選択されるメモリセルの範囲が書き込み及び読み出しの単位となる1ページである。1ページ又はその整数倍の範囲の複数のNANDセルユニットNUの範囲がデータ消去の単位である1ブロックとなる。ページバッファ回路14は、ページ単位のデータ書き込み及び読み出しを行うために、ビット線毎に設けられたセンスアンプ回路(SA)及びラッチ回路(DL)を含む。
図2のメモリセルアレイ10は、簡略化した構成を有し、複数のビット線でページバッファを共有してもよい。この場合は、データ書き込み又は読み出し動作時にページバッファに選択的に接続されるビット線数が1ページの単位となる。また、図2は、1個のデータ入出力端子51との間でデータの入出力が行われるセルアレイの範囲を示している。メモリセルアレイ10のワード線WL及びビット線BLの選択を行うために、それぞれロウデコーダ12及びカラムデコーダ15が設けられている。制御回路11は、データ書き込み、消去及び読み出しのシーケンス制御を行う。制御回路11により制御される高電圧発生回路13は、データ書き換え、消去、読み出しに用いられる昇圧された高電圧や中間電圧を発生する。
データ入出力バッファ50は、データの入出力及びアドレス信号の入力に用いられる。すなわち、データ入出力バッファ50及びデータ信号線52を介して、データ入出力端子51とページバッファ回路14の間でデータの転送が行われる。データ入出力端子51から入力されるアドレス信号は、アドレスレジスタ18に保持され、ロウデコーダ12及びカラムデコーダ15に送られてデコードされる。データ入出力端子51からは動作制御のコマンドも入力される。入力されたコマンドはデコードされてコマンドレジスタ17に保持され、これにより制御回路11が制御される。チップイネーブル信号CEB、コマンドラッチイネーブルCLE、アドレスラッチイネーブル信号ALE、書き込みイネーブル信号WEB、読み出しイネーブル信号REB等の外部制御信号は動作ロジックコントローラ19に取り込まれ、動作モードに応じて内部制御信号が発生される。内部制御信号は、データ入出力バッファ50でのデータラッチ、転送等の制御に用いられ、さらに制御回路11に送られて、動作制御が行われる。
ページバッファ回路14は、2個のラッチ回路14a,14bを備え、多値動作の機能とキャッシュの機能を切り換えて実行できるように構成されている。すなわち、1つのメモリセルに1ビットの2値データを記憶する場合に、キャッシュ機能を備え、1つのメモリセルに2ビットの4値データを記憶する場合には、キャッシュ機能とするか、又はアドレスによって制限されるがキャッシュ機能を有効とすることができる。
特開平9−147582号公報 特開2002−150780号公報
図3(a)は図1のNAND型フラッシュEEPROMにおいてプログラム中にリセットコマンド(FFh)が入力されたときの各信号のタイミングチャートであり、図3(b)は図1のNAND型フラッシュEEPROMにおいてデータ消去中にリセットコマンド(FFh)が入力されたときの各信号のタイミングチャートである。図3において、tRSTはリセット時間である。
NAND型フラッシュメモリにおいて、もしプログラム中においてリセットコマンドが入力されたならば、当該フラッシュメモリは現在のプログラム動作を中止してすぐに待機状態に移る。当該フラッシュメモリにおいてリセットしたときの最も重要な内部動作は、ワード線、ビット線、ウェル、ロウデコーダ、チャージポンプなどの高電圧及び中電圧の放電である。もしいくつかの電荷が残っていたならば、当該フラッシュメモリは壊れる可能性がある。従って、リセットシーケンスは、高電圧(HV)の放電に注目して設計される。リセット時の問題点は、仕様値に対して実際のリセット時間が非常に小さいマージンしかないということである。ここで、リセット時間は、放電時間及び他の制御時間を含み構成される。
図4は図1のNAND型フラッシュEEPROMにおいて実行されるリセットコマンド入力処理に係るリセットシーケンス処理を示すフローチャートである。
図4において、まず、ステップS1においてデータ読み出し中であるか否かが判断され、YESのときはステップS2に進む一方、NOのときはステップS3に進む。ステップS2では、読み出しリセットシーケンス処理を実行した後、ステップS6に進む。また、ステップS3では、プログラムモードか否かが判断され、YESのときはステップS4に進む一方、NOのときはステップS6に進む。ステップS4では、ベリファイ中であるか否かが判断され、YESのときはステップS2に進む一方、NOのときはステップS5に進む。ステップS5では、プログラムリセットシーケンス処理を実行した後、ステップS6で消去モードか否かが判断され、YESのときはステップS7に進む一方、NOのときはステップS9に進む。ステップS7では、ベリファイ中であるか否かが判断され、YESのときはステップS2に進む一方、NOのときはステップS9に進む。ステップS9ではその他の処理を実行して当該リセットコマンド入力処理を終了する。
なお、ステップS5のプログラムリセットシーケンス処理において、以下の処理において多くの信号設定サイクルを必要とする。
(1)Yリセット信号のセット;
(2)Xリセット信号のセット;
(3)ワード線高電圧チャージポンプのオフ;
(4)ワード線高電圧放電のセット;
(5)待機時間及び他の信号のセット;
(6)周辺回路の高電圧チャージポンプのオフ;
(7)周辺回路の高電圧放電のセット;
(8)他の待機時間及び他の信号のセット;
(9)周辺回路の中間電圧チャージポンプのオフ;
(10)周辺回路の中間電圧放電のセット;及び
(11)種々の信号のリセット。
リセットコマンドが入力されたとき、当該リセットコマンドはデコードされた後、NAND型フラッシュメモリを制御するCPUは現在実行中の動作を一時的に中止する。このプロセスはまた多くのクロックサイクルを消費する。電荷放電のために、放電パスはカットオフすることができず、その結果、当該放電パスはしばらくの間は当該電圧を保持する必要がある。ここで、クロックに基づく多くの制御信号を適当なタイミングで発生する必要がある。これらの制御信号は多くのクロックサイクルを必要とする。それにより、長い放電時間及び多くの信号クロックサイクルを消費し、仕様値のマージンを減少させる結果となる。
本発明の目的は、例えばフラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置等の半導体装置においてリセットコマンドが入力されたときに、リセットコマンド入力処理を従来技術に比較して短時間で実行することができる半導体装置の制御回路及び方法、並びに半導体装置を提供することにある。
第1の発明に係る半導体装置のための制御回路は、変更可能な周波数を有するシステムクロックを発生するクロック発生器を制御する半導体装置のための制御回路であって、
上記制御回路は、
上記半導体装置の通常動作モードにおいて、リセットコマンドに基づいて上記クロック発生器により発生されるシステムクロックの周波数を第1の周波数から、上記第1の周波数より高い第2の周波数に変更し、
上記半導体装置に対して割込処理を行い、上記通常動作モードからリセットシーケンスモードに移行させることを特徴とする。
上記半導体装置のための制御回路において、上記制御回路は、
所定のベースクロックを発生するクロック発生器と、
上記クロック発生器からのベースクロックを分周することで上記システムクロックを発生する分周器とを備えることを特徴とする。
また、上記半導体装置のための制御回路において、上記クロック発生器とは別に設けられ、上記半導体装置のためのチャージポンプ回路のチャージポンプクロックを発生する別のクロック発生器をさらに備えることを特徴とする。
さらに、上記半導体装置のための制御回路は、複数ビットのリセットモード信号に基づいて上記システムクロックの周波数を変更するための回路をさらに備えることを特徴とする。
第2の発明に係る半導体装置は、上記半導体装置のための制御回路を備えることを特徴とする。
上記半導体装置において、上記半導体装置は不揮発性記憶装置であることを特徴とする。
また、上記半導体装置において、上記第2の周波数は、読み出し、書き込みあるいは消去モードで異なることを特徴とする。
本発明に係る半導体装置の制御回路及び方法によれば、例えばフラッシュメモリなどの半導体装置においてリセットコマンドが入力されたときに、リセットコマンド入力処理を従来技術に比較して非常に簡便な方法と回路で、かつ短時間で実行することができる。
従来例に係るNAND型フラッシュEEPROMの全体構成を示すブロック図である。 図1のメモリセルアレイ10とその周辺回路の構成を示す回路図である。 (a)は図1のNAND型フラッシュEEPROMにおいてプログラム中にリセットコマンド(FFh)が入力されたときの各信号のタイミングチャートであり、(b)は図1のNAND型フラッシュEEPROMにおいてデータ消去中にリセットコマンド(FFh)が入力されたときの各信号のタイミングチャートである。 図1のNAND型フラッシュEEPROMにおいて実行されるリセットコマンド入力処理を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るリセットコマンド入力処理を示すフローチャートである。 図5のリセットコマンド入力処理を示すシステムクロックのタイミングチャートである。 本実施形態に係るクロック発生回路の構成例を示す回路図である。 変形例1に係るクロック発生回路の構成例を示す回路図である。 変形例2に係るクロック発生回路の構成例を示す回路図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
実施形態.
図5は本発明の一実施形態に係る、NAND型フラッシュEEPROM(例えば図1の構成を有する)の制御回路11(例えばCPUで構成される)により実行されるリセットコマンド入力処理を示すフローチャートである。また、図6は図5のリセットコマンド入力処理を示すシステムクロックのタイミングチャートである。
図5において、リセットコマンドが入力されると、まず、ステップS11において、コマンドデコード処理を実行することで、リセットコマンドをデコードする。次いで、ステップS12及びS13の処理を実行する。ステップS12では、CPU割込処理を実行し、ステップS13ではクロック周波数変更処理(図6)を実行した後、ステップS14でその他の処理を実行して当該リセットコマンド入力処理を終了する。ステップ11でリセットコマンドを認識すると、CPUはステップ12でリセットシーケンスモードに移されて、ステップ14で図4に示したリセットシーケンス処理を実行する。
本実施形態では、リセットシーケンス処理において、システムクロック周波数を通常動作時の周波数よりも高く設定することで、クロックのサイクル時間を短縮させる。従来技術では、リセットコマンドが入力されたときにCPU割り込み処理を行って、通常の動作からリセットシーケンスに移動させる。ここで、CPUは制御回路11でもあってもよいし、外部のコントローラ等のCPUであってもよい。
本実施形態では、クロック周波数を変更するための制御信号を付加的に発生する。ここで、クロック周波数は通常動作に対して最良なように決定されており、通常動作には、電源立ち上げ、ワード線又はウェルのための高電圧への昇圧制御、動作モードの変更などの種々の処理を有する。しかしながら、リセットシーケンスは通常プロセスよりも簡単な放電処理のみを含む。その結果、より高い周波数を用いる余裕がある。もし周波数を10%上げれば、リセット時間tRSTを最大10%減少させることができる。
図7は本実施形態に係るクロック発生回路の構成例を示す回路図である。図7において、クロック発生回路は、リング発振器1と分周器2とを備えて構成される。ここで、リング発振器1は、ナンドゲート21、インバータ22〜25及び抵抗R1がループ形状で形成されてなるループ回路と、抵抗R1に接続され基準発振周波数を決めるキャパシタCrと、抵抗R1の一端から伝送ゲート27を介して接続され調整発振周波数を決めるキャパシタCnとを備えて構成される。ここで、ナンドゲート21に入力されるクロックイネーブル信号ENに基づいて当該リング発振器1の発振のオン/オフを制御することができる。また、リセットモード信号は伝送ゲート27の非反転制御入力端子に入力されるとともに、インバータ26を介して伝送ゲート27の反転制御入力端子に入力される。ここで、キャパシタCnと伝送ゲート27とインバータ26とにより、リセットモード信号に応じてキャパシタCnをリング発振器1のループ回路に接続するか否かを切り替えるキャパシタ回路28を構成する。
分周器2はリング発振器1により発生されるベースクロックを分周することで、システムクロック、チャージポンプクロック、タイマクロック、及び他のクロックを発生する。
以上のように構成されたクロック発生回路は以下のように動作する。
(1)リセットモード信号が入力されていない通常動作モードにおいては、伝送ゲート27はオンされていてベースクロックの発振周波数fnormalはインバータ遅延を無視すると次式で表される。
Figure 0005931236
(2)リセットモード信号が入力されたリセットシーケンスモードにおいては、伝送ゲート27はオフされていてベースクロックの発振周波数fresetは同様に次式で表される。
Figure 0005931236
ここで、freset>fnormalである。
すなわち、通常動作モードでは、キャパシタCr+CnがRC遅延回路のキャパシタとして動作する一方、リセットシーケンスモードでは、キャパシタCrのみがRC遅延回路のキャパシタとして動作する。一般的に、システムクロックの周波数と、他の回路のためのクロックの周波数とは互いに異なるので、分周器2はより高いベースクロック周波数のベースクロックを分周することで、種々の異なる周波数クロックを発生することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、リセットシーケンスモードでは、通常動作モードに比較して、より高い周波数を有するベースクロックを発生することで、例えばフラッシュメモリなどの不揮発性記憶装置においてリセットコマンドが入力されたときに、リセットコマンド入力処理を従来技術に比較して短時間で実行することができる。
変形例1.
図8は変形例1に係るクロック発生回路の構成例を示す回路図である。図8において、変形例1に係るクロック発生回路は、図7の実施形態に係るクロック発生回路に比較して、以下の点が異なる。
(1)分周器2に代えて分周器2Aを備えた。分周器2Aは、チャージポンプクロックを除く他のクロックを発生する。
(2)チャージポンプクロックを発生するリング発振器1Aをさらに備えた。リング発振器1Aは、キャパシタCrc,Cncを除いてリング発振器1と同様に構成される。
以下、相違点について詳述する。
図8において、リング発振器1Aは、ナンドゲート31、インバータ32〜35及び抵抗R2がループ形状で形成されてなるループ回路と、抵抗R2に接続され基準発振周波数を決めるキャパシタCrcと、抵抗R2の一端から伝送ゲート37を介して接続され調整発振周波数を決めるキャパシタCncとを備えて構成される。ここで、ここで、ナンドゲート31に入力されるクロックイネーブル信号EN2に基づいて当該リング発振器1Aの発振のオン/オフを制御することができる。また、キャパシタCncと伝送ゲート37とインバータ36とにより、リセットモード信号に応じてキャパシタCncをリング発振器1Aのループ回路に接続するか否かを切り替えるキャパシタ回路38を構成する。リセットモード信号は伝送ゲート37の反転制御入力端子に入力されるとともに、インバータ36を介して伝送ゲート37の非反転制御入力端子に入力される。
以上のように構成されたリング発振器1Aは以下のように動作する。
(1)リセットモード信号が入力されていない通常動作モードにおいては、伝送ゲート37はオンされていてベースクロックの発振周波数fnormalcはインバータ遅延を無視すると次式で表される。
Figure 0005931236
(2)リセットモード信号が入力されたリセットシーケンスモードにおいては、伝送ゲート37はオフされていてベースクロックの発振周波数fresetcは同様に次式で表される。
Figure 0005931236
ここで、fresetc<fnormalcである。
以上のように構成されたリング発振器1Aでは、リセットシーケンスモードの周波数fresetcは、通常動作モードの周波数fnormalcよりも低い(なお、さらなる変形例として同じであってもよい)。リセットシーケンスモードでは、ただ放電の処理がシリーズ処理で行われるので、チャージポンプ回路はその電圧を保持しながら、通常動作モードよりも大きなパフォーマンスで動作する必要はない。
当該変形例1によれば、チャージポンプクロックの周波数の発生を除いて実施形態と同様の作用効果を有する。
変形例2.
図9は変形例2に係るクロック発生回路の構成例を示す回路図である。変形例2に係るクロック発生回路は、図7の実施形態に係るクロック発生回路に比較して以下の点が異なる。
(1)リング発振器1に代えて、リング発振器1Bを備えた。ここで、リング発振器1Bにおいて、1つのキャパシタ回路28に代えて、3ビットのリセットモード信号に応じて各キャパシタCn0〜Cn2をリング発振器1Bのループ回路に接続するか否かを切り替える3つのキャパシタ回路28−0〜28−2を備えた。
以下、相違点について説明する。
図9において、キャパシタ回路28−0は、キャパシタ回路28と同様に、キャパシタCn0と、インバータ26−0と、伝送ゲート27−0とを備え、リセットモード信号のビット0に応じて伝送ゲート27−0をオンオフ制御することでキャパシタCn0をリング発振器1Bのループ回路に接続するか否かを切り替える。また、キャパシタ回路28−1は、キャパシタ回路28と同様に、キャパシタCn1と、インバータ26−1と、伝送ゲート27−1とを備え、リセットモード信号のビット1に応じて伝送ゲート27−1をオンオフ制御することでキャパシタCn1をリング発振器1Bのループ回路に接続するか否かを切り替える。さらに、キャパシタ回路28−2は、キャパシタ回路28と同様に、キャパシタCn2と、インバータ26−2と、伝送ゲート27−2とを備え、リセットモード信号のビット2に応じて伝送ゲート27−2をオンオフ制御することでキャパシタCn2をリング発振器1Bのループ回路に接続するか否かを切り替える。ここで、キャパシタCn0〜Cn2の各容量値は互いに同一であってもよいし、互いに異なってもよい。
従って、3ビットのリセットモード信号に応じて各キャパシタCn0〜Cn2をリング発振器1Bのループ回路に接続するか否かを切り替えることができ、リセット動作において、リング発振器1Bの発振周波数を9通りで変化でき、例えばウエハテストなどにおいてリセットモードにおけるベースクロックの周波数を最適な周波数に設定できる。それ以外の作用効果は実施形態と同様である。
また、本変形例では3ビットのリセットモード信号とそれに対応したキャパシタ回路を示したが、当然これに制限されることなくより多数ビットの調整も可能であり、リセットモードにおけるベースクロックの周波数は、当然、読み出し、プログラムあるいは消去の各モードで違う周波数に設定できるようにすることも可能である。
以上の実施形態及び変形例では、NAND型フラッシュメモリのためのクロック発生回路について説明しているが、本発明はこれに限らず、例えばNOR型フラッシュメモリなどの他の種類の不揮発性半導体記憶装置、半導体記憶装置、もしくは半導体装置に適用することができる。
以上の実施形態及び変形例では、リング発振器について説明しているが、本発明はこれに限らず、クロックを発生するクロック発生器であればよい。
以上詳述したように、本発明に係る半導体記憶装置の制御回路及び方法によれば、例えばフラッシュメモリなどの半導体記憶装置においてリセットコマンドが入力されたときに、リセットコマンド入力処理を従来技術に比較して非常に簡便な方法と回路で、かつ短時間で実行することができる。
1,1A,1B…リング発振器、
2,2A…分周器、
10…メモリセルアレイ、
11…制御回路、
12…ロウデコーダ、
13…高電圧発生回路、
14…データ書き換え及び読み出し回路(ページバッファ回路)、
14a,14b…ラッチ回路、
15…カラムデコーダ、
16,16A,16B…プログラム終了検出回路、
17…コマンドレジスタ、
18…アドレスレジスタ、
19…動作ロジックコントローラ、
21…ナンドゲート、
22〜26,26−0〜26−2…インバータ、
27,27−0〜27−2…伝送ゲート、
28,28−0〜28−2…キャパシタ回路、
31…ナンドゲート、
32〜36…インバータ、
37…伝送ゲート、
38…キャパシタ回路、
Cr,Cn,Crc,Cnc,Cn0〜Cn2…キャパシタ、
R1,R2…抵抗。

Claims (7)

  1. 変更可能な周波数を有するシステムクロックを発生するクロック発生器を制御する半導体装置のための制御回路であって、
    上記制御回路は、
    上記半導体装置の通常動作モードにおいて、リセットコマンドに基づいて上記クロック発生器により発生されるシステムクロックの周波数を第1の周波数から、上記第1の周波数より高い第2の周波数に変更し、
    上記半導体装置に対して割込処理を行い、上記通常動作モードからリセットシーケンスモードに移行させることを特徴とする半導体装置のための制御回路。
  2. 上記制御回路は、
    所定のベースクロックを発生するクロック発生器と、
    上記クロック発生器からのベースクロックを分周することで上記システムクロックを発生する分周器とを備えることを特徴とする請求項1記載の半導体装置のための制御回路。
  3. 上記クロック発生器とは別に設けられ、上記半導体装置のためのチャージポンプ回路のチャージポンプクロックを発生する別のクロック発生器をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置のための制御回路。
  4. 上記制御回路は、
    複数ビットのリセットモード信号に基づいて上記システムクロックの周波数を変更するための回路を備えることを特徴とする請求項1〜3のうちのいずれか1つに記載の半導体装置のための制御回路。
  5. 請求項1〜4のうちのいずれか1つに記載の半導体装置のための制御回路を備えることを特徴とする半導体装置。
  6. 上記半導体装置は不揮発性記憶装置であることを特徴とする請求項5記載の半導体装置。
  7. 上記第2の周波数は、読み出し、書き込みあるいは消去モードで異なることを特徴とする請求項6記載の半導体不揮発性記憶装置。
JP2015020928A 2015-02-05 2015-02-05 半導体装置の制御回路及び方法、並びに半導体装置 Active JP5931236B1 (ja)

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