JP6071683B2 - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

Description

この発明は、周囲温度によらず、常に正しくデータを読み出すことが可能な読み出し回路を有する不揮発性半導体記憶装置に関する。

不揮発性半導体記憶装置は、電荷を電荷蓄積膜に蓄積することでデータを記憶する。中でも電気的にデータの書き込みや消去ができるものをＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ：電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ）と呼ぶ。ＥＥＰＲＯＭには、大別して電荷蓄積膜の種類が異なる２つの構造がある。

１つは、電荷蓄積膜となる浮遊ゲートと呼ばれる導電体を酸化膜などで囲って電気的に絶縁するようにしてゲート絶縁膜を構成するものであり、その浮遊ゲートに電荷を蓄積するＦＧ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｇａｔｅ：フローティングゲート）型である。

もう１つは、複数の絶縁膜を積層させてゲート絶縁膜を構成するものであり、複数の絶縁膜のうち１つを電荷蓄積膜とし、この電荷蓄積膜内の電荷トラップに蓄積する電荷量を制御することによって情報の記憶を行うＭＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）型やＭＯＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｎｉｔｒｉｄｅ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）型である。

ＦＧ型の場合、電荷蓄積膜が導電体であることから、蓄積した電荷を抜けにくくするために電荷蓄積膜を覆う絶縁膜を厚くする必要がある。具体的には、半導体基板と電荷蓄積膜との間の膜（トンネル絶縁膜という）の膜厚を厚くする必要がある。このため必然的に書き込み電圧や消去電圧が高くなってしまう。

一方、ＭＮＯＳ型やＭＯＮＯＳ型のＥＥＰＲＯＭは、電荷蓄積膜が絶縁膜であるから電荷トラップに蓄積した電荷が抜けにくいため、トンネル絶縁膜などの膜厚を薄くできる。このため、ＦＧ型に比べて低い電圧でデータの書き込みや消去ができるという特徴がある。

特に、ＭＯＮＯＳ型の場合は、ＭＮＯＳ型に比べて電荷蓄積膜を含む複数の絶縁膜を薄くすることができるため、さらに低電圧化することができる。このため、昨今、低消費電力化に貢献できるメモリ素子として注目を集めている。

電荷蓄積膜に電子を蓄積した状態、すなわち正のデータを記憶している状態の閾値電圧をＶｔｗ、電荷蓄積膜に正孔を蓄積した状態、すなわち負のデータを記憶している状態の閾値電圧をＶｔｅ、電荷蓄積膜に電子も正孔も蓄積していない状態の閾値電圧、つまり、安定状態の閾値電圧である熱平衡状態閾値電圧をＶ０と呼ぶ。

ここで、メモリ素子に記憶されているデータを読み出す時にメモリ素子のゲート電極に印加する電圧Ｖｃｇの値を、Ｖｔｅ＜Ｖｃｇ＜Ｖｔｗの関係が成り立つように設定すると、メモリ素子のドレイン電流が、正のデータを記憶している状態では流れず、負のデータを記憶している状態では流れるため、正のデータと負のデータとの判別が可能となる。

しかし、ＶｔｗやＶｔｅの値は常に一定ではない。メモリ素子は、時間の経過と供にエネルギーの安定状態である熱平衡状態に徐々に近づいていく。すなわち、電荷蓄積膜に蓄
積した電荷を時間の経過とともに放出するため、ＶｔｗやＶｔｅの値はＶ０に近づいていき、最終的には、Ｖｔｗ＝Ｖｔｅ＝Ｖ０となる。

ＶｔｗやＶｔｅの値がＶ０に近づいていく過程において、Ｖｔｅ＜Ｖｃｇ＜Ｖｔｗの関係が成り立たなくなると、データを正しく読み出すことができなくなる。

さらに、ＶｔｗやＶｔｅの値は周囲温度によっても変動する。ＦＧ型、ＭＮＯＳ型、ＭＯＮＯＳ型、これらのメモリ素子の閾値電圧は、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧と同様の温度依存性があり、低温では閾値電圧は高くなり、高温では閾値電圧は低くなる。

よって、低温では負のデータの読み出しマージンが小さくなり、Ｖｔｅ＜Ｖｃｇの関係が成り立たなくなるとデータを正しく判別できなくなる。
同様に、高温では正のデータの読み出しマージンが小さくなり、Ｖｃｇ＜Ｖｔｗの関係が成り立たなくなるとデータを正しく判別できなくなる。

このように、ＥＥＰＲＯＭを構成するメモリ素子の閾値電圧が、時間の経過や周囲温度の影響により変動し、読み出しマージンが小さくなった場合の対処の方法としては、いくつかの提案を見るところである（例えば、特許文献１参照。）。

次に、図面を用いて従来技術を説明する。図８は、特許文献１に示した従来技術に記載の半導体記憶装置を含むマイクロコンピュータの構成を説明するブロック図であって、説明しやすいようにその主旨を逸脱しないように書き直した図である。

図８において、１０００はマイクロコンピュータ、２００は半導体記憶装置、３００はプロセッサ、２１０は不揮発性メモリ、２２０は第１のセンスアンプ、２３０は検出手段、３４０は制御手段、３５０は記憶手段である。

検出手段２３０は、第２のセンスアンプ２３１と、第３のセンスアンプ２３２と、検出回路２３３とを有している。制御手段３４０は、ベリファイ手段３４１を備えている。

特許文献１に示した従来技術のデータ読み出し時の動作について説明する。
不揮発性メモリ２１０が出力する読み出し信号は、第１のセンスアンプ２２０に供給される。第１のセンスアンプ２２０は、読み出し信号のレベルと第１の基準レベルとを比較し、読み出し信号のレベルに応じた第１の論理値を出力する。
第１の論理値が記憶されたデータとして半導体記憶装置２００から出力される。

次に、不揮発性メモリ２１０の閾値電圧が変動し、読み出しマージンが小さくなった場合の対処動作について説明する。
記憶手段３５０が出力するイネーブル信号が、検出手段２３０に供給され、検出手段２３０を構成する第２のセンスアンプ２３１と、第３のセンスアンプ２３２と、検出回路２３３とが各々起動する。

不揮発性メモリ２１０が出力する読み出し信号は、第１のセンスアンプ２２０と、第２のセンスアンプ２３１と、第３のセンスアンプ２３２とに供給される。

第１のセンスアンプ２２０は、読み出し信号のレベルと第１の基準レベルとを比較し、読み出し信号のレベルに応じた第１の論理値を出力する。
第２のセンスアンプ２３１は、読み出し信号のレベルと第１の基準レベルより大きい第２の基準レベルとを比較し、読み出し信号のレベルに応じた第２の論理値を出力する。
第３のセンスアンプ２３２は、読み出し信号のレベルと第１の基準レベルより小さい第
３の基準レベルとを比較し、読み出し信号のレベルに応じた第３の論理値を出力する。
第１の論理値から第３の論理値は、検出回路２３３に供給される。

検出回路２３３は、第１の論理値から第３の論理値がすべて一致しない場合に検出信号を出力する。
第１の論理値から第３の論理値がすべて一致する場合は、記憶されたデータを正しく読み出すために十分な読み出しマージンがまだあると判断できるため、対処動作はここで終了する。

検出回路２３３が出力する検出信号及び第１のセンスアンプ２２０が出力する第１の論理値は、制御手段３４０に供給される。
制御手段３４０は、検出信号に対応する不揮発性メモリ２１０の記憶領域に読み出し信号と同一の内容で再書き込みを実行するアクセス制御信号を、不揮発性メモリ２１０に供給する。

制御手段３４０が備えるベリファイ手段３４１において、再書き込みが正常に実行されたか否かを検証する。
再書き込みが正常に行われた場合、第１の論理値から第３の論理値がすべて一致するため、検出回路２３３からの検出信号は供給されなくなる。

ベリファイ手段３４１において、再書き込みが正常に実行されなかったと検証された場合は、制御手段３４０は、検出信号に対応する不揮発性メモリ２１０の記憶領域へのアクセスを禁止するアクセス制御信号を、不揮発性メモリ２１０に供給する。

特許文献１に示された従来技術は、検出手段２３０を設けたことにより、読み出しマージンが所定の値よりも小さくなったことを検出することができ、プロセッサ３００により、読み出しマージンが所定の値よりも小さくなった不揮発性メモリ２１０の記憶領域に対して、データの再書き込みもしくはアクセス禁止の対処を行うことにより、半導体記憶装置２００の信頼性が向上するという特徴を有している。

特開２００５−１４１８２７号公報（第６−８頁、図１）

特許文献１に示した従来技術は、半導体記憶装置の周囲温度が頻繁に変動した場合、その都度読み出しマージン小さくなると判断し、データの再書き込みがくり返し行われることになる。データの再書き込みには、書き込み電圧として高電圧を発生させる必要があるため、電力消費量が増えるという問題と、くり返しの高電圧印加により不揮発性メモリにダメージが発生し、場合によってはそれで破壊され、記憶容量が減ってしまうという問題とがある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、周囲温度の影響で不揮発性記憶素子の閾値電圧が変動しても、読み出しマージンは常に変わらず一定にすることが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。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を採用する。

読出電圧を発生する読出電圧発生回路と、
負荷電圧を発生する負荷電圧発生回路と、
メモリゲート電極に読出電圧を印加することで記憶したデータに基づいた所定の電流が流れるＭＯＳＦＥＴ型の不揮発性記憶素子と、
ゲート電極に負荷電圧を印加することで定電流が流れるＭＯＳＦＥＴからなる読出負荷回路と、
不揮発性記憶素子と読出負荷回路とを直列に接続し、その接続点の電圧信号のレベルにより、不揮発性記憶素子のデータの正負を判断する判定回路と、
を有する不揮発性半導体記憶装置であって、
負荷電圧発生回路は、不揮発性記憶素子を読み出すとき、周囲温度によらず電圧信号のレベルが一定となるか、又は周囲温度による電圧信号のレベルの変動が小さくなるように負荷電圧に温度勾配を付与することを特徴とする。

このような構成にすることで、不揮発性半導体記憶装置のデータの読み出しマージンを、周囲温度によらず常に一定にすることができる。

また、この負荷電圧の温度勾配は、電圧信号が周囲温度により変化する温度勾配の傾きの方向と読出負荷回路を構成するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧が周囲温度により変化する温度勾配の傾きの方向とが、同じになるように付与されている。

このような構成にすることで、不揮発性半導体記憶装置のデータの読み出しマージンを、所望の値に制御することができる。

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、記憶したデータの読み出しマージンが、周囲温度によらず一定であるため、周囲温度が低温もしくは高温の環境下であっても、常に正しくデータを読み出すことが可能である。

本発明の不揮発性半導体記憶装置の全体構成についての説明図である。 不揮発性記憶素子の閾値電圧の温度依存性についての説明図である。 読出負荷回路の閾値電圧の温度依存性、および読出負荷回路のドレイン電流と負荷電圧との相関についての説明図である。 所望の温度依存性の負荷電圧を発生させる負荷電圧発生回路についての説明図である。 電圧信号のレベルの温度依存性についての説明図である。 負荷電圧発生回路の構成を説明するためのブロック図である。 負荷電圧の温度依存性の制御についての説明図である。 特許文献１に示す従来技術を説明するブロック図である。

不揮発性半導体記憶装置は、不揮発性記憶素子と読出負荷回路とを直列接続し、その接続点の電圧レベルでデータの正負を判定する構成を有している。
以下、本発明の実施形態について、図１から図７を用いて説明する。まず、不揮発性半導体記憶装置の全体構成について図１を用いて説明する。

本発明の実施形態を理解するには、不揮発性記憶素子の閾値電圧の温度依存性や、読出負荷回路のドレイン電流と負荷電圧との相関について理解しなければならないため、それらについて図２及び図３を用いて説明する。

次に、図４を用いて所望の温度依存性の負荷電圧を発生させる負荷電圧発生回路について説明する。次に、図５を用いて電圧信号のレベルの温度依存性について説明する。
そして、図６および図７を用いて負荷電圧の温度依存性を制御する手段について説明する。

なお、温度依存性とは、温度に対する値の変動であるから、温度依存性の傾きとは、温度に対する値の変動の傾きをいう。つまり、その変動の傾きがいわゆる温度勾配である。

［不揮発性半導体記憶装置の全体構成についての説明：図１］
不揮発性半導体記憶装置の全体構成について図１を用いて詳述する。
図１において、１は不揮発性半導体記憶装置、１１は負荷電圧発生回路、ＦＴは負荷用ＭＯＳＦＥＴからなる読出負荷回路、１２は読出電圧発生回路、ＭＴはＭＯＳＦＥＴ型の不揮発性記憶素子、１３は判定回路である。

ここで、負荷電圧発生回路１１で発生する電圧を負荷電圧Ｖ１１とする。負荷電圧Ｖ１１は、読出負荷回路ＦＴのゲート電極に接続する。読出電圧発生回路１２で発生する電圧を読出電圧Ｖ１２とする。読出電圧Ｖ１２は、不揮発性記憶素子ＭＴのゲート電極（メモリゲート電極）に接続する。
また、ＯＵＴは読出負荷回路ＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴとの接続点である。接続点ＯＵＴの電位を電圧信号ＶＯＵＴとする。

図１に示す不揮発性半導体記憶装置１は、所定の一定電流を流す（定電流動作する）読出負荷回路ＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴとを、正方向の高い電位を有する電源ＶＤＤと負方向に高い電位を供給する電源ＶＳＳとの２つの電源間に直列に接続している。つまり、互いのドレイン電極同士を接続点ＯＵＴにおいて接続している。そして、この接続点ＯＵＴを判定回路１３に接続している。

特に限定しないが、読出負荷回路ＦＴは、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴで構成し、不揮発性記憶素子ＭＴは、ソース及びドレインをＮ型とするＭＯＮＯＳ型の記憶素子とする。

なお、本来は接続点ＯＵＴと不揮発性記憶素子ＭＴとの間にこの不揮発性記憶素子ＭＴを選択するアドレストランジスタがあるが、本発明の説明には関係がないから省略している。
また、接続点ＯＵＴは、判定回路１３だけでなく、負荷電圧発生回路１１にも接続しているが、ここでの説明には関係がないから省略している。接続点ＯＵＴと負荷電圧発生回路１１とを接続していることについては、後ほど、図６を用いた説明において記述する。

読出負荷回路ＦＴに流れる一定電流ＩＦＴは、読出負荷回路ＦＴの閾値電圧と負荷電圧Ｖ１１との値によって決まる。
読出負荷回路ＦＴの閾値電圧の値は、周囲温度が一定であれば、所定の一定の値となるが、知られているＭＯＳＦＥＴの特性上、周囲温度が変動すると、閾値電圧の値も変動する。
負荷電圧Ｖ１１の値は、負荷電圧発生回路１１によってその値を制御する。この具体的な制御手段については、後ほど、図６を用いた説明において記述する。

不揮発性記憶素子ＭＴに流れる電流ＩＭＴは、不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧と読出電圧Ｖ１２との値によって決まる。
不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧の値は、正のデータ又は負のデータを書き込むことで変動する。さらに、読出負荷回路ＦＴの閾値電圧の値と同じく、知られているＭＯＳＦＥＴ
の特性上、周囲温度が変動すると、閾値電圧の値も変動する。
読出電圧発生回路１２が発生する読出電圧Ｖ１２の値は、周囲温度によらず、所定の一定の値である。

続いて、判定回路１３が行う、正のデータと負のデータとの判定について、周囲温度が一定の場合について、説明する。

不揮発性記憶素子ＭＴに正のデータ又は負のデータが書き込まれているとすると、読出負荷回路ＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴとで２つの電源間に流れる電流ＩＦＴと電流ＩＭＴとのバランスが変わる。そうすると、電圧信号ＶＯＵＴのレベルが変わり、判定回路１３にて正のデータ又は負のデータとして認識されるのである。

つまり、不揮発性記憶素子ＭＴにデータが書き込まれてその閾値電圧が変化し、所定の読み出し状態にしたときに、不揮発性記憶素子ＭＴが流すことができる電流量が少なければ、電圧信号ＶＯＵＴのレベルは、読出負荷回路ＦＴのソース電極に接続している電源ＶＤＤの電位方向になるから、判定回路１３により正側の論理データとして認識される。

また、不揮発性記憶素子ＭＴが流すことができる電流量が多ければ、電圧信号ＶＯＵＴのレベルは、不揮発性記憶素子ＭＴのソース電極に接続している電源ＶＳＳの電位方向になるから、判定回路１３により負側の論理データとして認識されるのである。

ここで、判定回路１３が正のデータと負のデータとを判定する基準は、電源ＶＤＤと電源ＶＳＳとの間の電位であり、その電位は判定回路１３の構成によって決まっている。
例えば、電源ＶＤＤを接地電位である０Ｖ、電源ＶＳＳを−１．５Ｖとし、判定回路１３も電源ＶＤＤと電源ＶＳＳとで駆動させた場合、正のデータと負のデータとを判定する基準となる電位は、例えば−０．７５Ｖとなる。

判定回路１３が正のデータと負のデータとを判定する基準となる電位は、周囲温度によらず一定である。よって、電圧信号ＶＯＵＴのレベルを周囲温度によらず一定にすることで、周囲温度が低温もしくは高温の環境下であっても、常に正しくデータを読み出すことを可能にしたのが不揮発性半導体記憶装置１である。
これ以降、電圧信号ＶＯＵＴのレベルを周囲温度によらず一定にするために、不揮発性半導体記憶装置１が、どのような構成になっているのかについて、順に説明する。

まず、電圧信号ＶＯＵＴのレベルは、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴとのバランスによって決まる。よって、周囲温度の変動により読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴとが、同じ比率で変動（例えば、読出負荷回路ＦＴが流す電流が２倍に変動した場合は、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流も２倍に変動）すれば、電圧信号ＶＯＵＴのレベルは周囲温度によらず一定となる。

つまり、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴが、周囲温度の変動によりｋ倍（ｋは任意の数値）に変動した場合に、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴもｋ倍に変動するように、負荷電圧Ｖ１１を変動させることで、電圧信号ＶＯＵＴのレベルは周囲温度によらず一定となるのである。

負荷電圧発生回路１１による負荷電圧Ｖ１１の制御手段については、後ほど、図６を用いて説明するが、その前に、図６を用いた説明をする上で必要な、不揮発性記憶素子ＭＴと読出負荷回路ＦＴとの閾値電圧の温度依存性、所望の温度依存性の負荷電圧Ｖ１１を発生させる仕組み、および電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性について説明する。

［不揮発性記憶素子の閾値電圧の温度依存性についての説明：図２］
図２は不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧の温度依存性について説明する図である。横軸はゲート電圧を表し、縦軸はドレイン電流を表す。
ここでは、不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧と、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴとの関係を示し、それが周囲温度によりどのように変動するのかについて説明する。
併せて、その説明の中で、“センスレベル”という定義を用いて、本発明の特徴を説明する。

図２において、ＶＷ０、ＶＷ１、ＶＥ０、ＶＥ１は不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧を示すものである。
ＶＷ０は正のデータが書き込まれ、周囲温度が常温の場合である。ＶＷ１は正のデータが書き込まれ、周囲温度が高温の場合である。ＶＥ０は負のデータが書き込まれ、周囲温度が常温の場合である。ＶＥ１は負のデータが書き込まれ、周囲温度が高温の場合である。

Ｖ１２は、図１で説明した読出電圧であり、周囲温度によらず、所定の一定の値である。
閾値電圧がＶＷ０で、ゲート電圧が読出電圧Ｖ１２の場合のドレイン電流が、ＩＷ０である。
閾値電圧がＶＷ１で、ゲート電圧が読出電圧Ｖ１２の場合のドレイン電流が、ＩＷ１である。
閾値電圧がＶＥ０で、ゲート電圧が読出電圧Ｖ１２の場合のドレイン電流が、ＩＥ０である。
閾値電圧がＶＥ１で、ゲート電圧が読出電圧Ｖ１２の場合のドレイン電流が、ＩＥ１である。
図２で示すドレイン電流はつまり、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流そのものである。

ところで、読出電圧Ｖ１２の値は、０Ｖとすることが好ましい。
読出電圧を０Ｖとすることには、以下のメリットがある。
不揮発性記憶素子ＭＴにデータを書き込む際には、そのゲート電極に書き込み電圧として高電圧（例えば７〜１２Ｖ）を印加する。読出電圧Ｖ１２を例えば１〜３Ｖとした場合、書き込み電圧と比べれば低い電圧ではあるが、読み出し動作の度に何千回何万回とくり返しゲート電極に印加することで、不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧が変動し、データの正負が変化してしまうリスクがある。
その点、読出電圧Ｖ１２が０Ｖであれば、不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧は変動しないため、データの正負が変化するリスクも発生しないのである。

続けて、“センスレベル”という定義について説明する。
センスレベルとは、不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータが、正のデータであるか、あるいは負のデータであるかを判定する基準となる、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴの値のことである。
つまり、センスレベルとは、電圧信号ＶＯＵＴのレベルが、判定回路１３が正のデータと負のデータとを判定する基準の電位と等しい値となった場合の、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴの値のことである。

電圧信号ＶＯＵＴのレベルは、読出負荷回路ＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴとの、それぞれが流す電流のバランスによって決まるものであるから、ここで説明するセンスレベルは、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴによって変動する。

具体的には、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴの値が高くなった場合、電圧信号ＶＯＵＴのレベルを、判定回路１３が正のデータと負のデータとを判定する基準の電位と等しい値とするための、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴの値も高くなるため、センスレベルの値も高くなる。

一方、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴの値が低くなった場合、電圧信号ＶＯＵＴのレベルを、判定回路１３が正のデータと負のデータとを判定する基準の電位と等しい値とするための、不揮発性記憶素子ＭＴが流す電流ＩＭＴの値も低くなるため、センスレベルの値も低くなる。

以上のように定義するセンスレベルについて、図２を用いた説明を続ける。
図２において、周囲温度が常温の場合のセンスレベルをＳＬ０とする。
不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータを読み出す際には、不揮発性記憶素子ＭＴのゲート電極に読出電圧Ｖ１２を印加し、そのときのドレイン電流のレベルがセンスレベルよりも低い場合は正のデータとして認識され、センスレベルよりも高い場合は負のデータとして認識される。
よって、不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータを正しく判定するために、センスレベルＳＬ０は、ＩＷ０＜ＳＬ０＜ＩＥ０の関係が成り立つように設定する。

ＳＬ１とＳＬ２とは、周囲温度の変動に対応して制御したセンスレベルである。センスレベルＳＬ０に対して、値が高くなるように制御した場合をＳＬ１、センスレベルＳＬ０に対して、値が低くなるように制御した場合をＳＬ２とする。

まず、周囲温度が常温の場合について説明する。
ドレイン電流ＩＷ０はセンスレベルＳＬ０よりも電流のレベルが低いため、正のデータとして認識され、ドレイン電流ＩＥ０はセンスレベルＳＬ０よりも電流のレベルが高いため、負のデータとして認識される。

続いて、周囲温度が高温の場合について説明する。
不揮発性記憶素子ＭＴは、知られているＭＯＳＦＥＴの特性上、周囲温度が高くなると、その閾値電圧は低くなる。
よって、正のデータが書き込まれた状態では、常温でのドレイン電流ＩＷ０に対して、高温のドレイン電流ＩＷ１は、電流のレベルが高くなる。同じく、負のデータが書き込まれた状態では、常温でのドレイン電流ＩＥ０に対して、高温のドレイン電流ＩＥ１は、電流のレベルが高くなる。

ここで、正のデータが書き込まれた状態に着目すると、周囲温度が高くなるのに従いドレイン電流ＩＷ１の電流のレベルは高くなるため、ＩＷ１＜ＳＬ０の関係が成り立たなくなり、正のデータとして認識できなくなる。
よって、周囲温度が高温の場合は、センスレベルがＳＬ１となるように制御する。これにより、ＩＷ１＜ＳＬ１＜ＩＥ１の関係が成り立つため、不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータを正しく判定することができる。

続いて、周囲温度が低温の場合について説明する。
図では省略しているが、周囲温度が低くなると、周囲温度が高くなる場合の逆の特性となる。
すなわち、不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧は高くなり、ドレイン電流は低くなる。よって、周囲温度が低温の場合は、センスレベルがＳＬ２となるように制御することで、不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータを正しく判定することができる。

以上で説明したように、センスレベルの値を制御することで、周囲温度が低温もしくは高温の環境下であっても、常に正しくデータを読み出すことが可能である。
続いては、センスレベルの値を制御するために必要な、読出負荷回路ＦＴの特性についての説明を、図３を用いて行う。

［読出負荷回路の閾値電圧の温度依存性についての説明：図３］
図３は読出負荷回路ＦＴの閾値電圧の温度依存性について説明する図である。横軸はゲート電圧を表し、縦軸はドレイン電流を表す。
ここでは、読出負荷回路ＦＴの閾値電圧と、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴとの関係を示し、それが周囲温度によりどのように変動するのかについて説明する。
併せて、その説明の中で、負荷電圧Ｖ１１とセンスレベルとの関係について説明する。

図３において、ＶＰ０、ＶＰ１、ＶＰ２は読出負荷回路ＦＴの閾値電圧を示し、ＶＰ０は周囲温度が常温の場合、ＶＰ１は周囲温度が高温の場合、ＶＰ２は周囲温度が低温の場合である。

ＶＲ０は、周囲温度が常温の場合の、負荷電圧Ｖ１１の値である。
ＶＲ１とＶＲ２とは、周囲温度の変動に対応して制御した負荷電圧Ｖ１１の値である。ＶＲ０に対して、値が高くなるように制御した場合をＶＲ１、ＶＲ０に対して、値が低くなるように制御した場合をＶＲ２とする。

閾値電圧がＶＰ０で、ゲート電圧がＶＲ０の場合のドレイン電流がＩＰ０である。
閾値電圧がＶＰ１で、ゲート電圧がＶＲ１の場合のドレイン電流がＩＰ１である。
閾値電圧がＶＰ２で、ゲート電圧がＶＲ２の場合のドレイン電流がＩＰ２である。
図３で示すドレイン電流はつまり、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴそのものである。

ここで示すように、負荷電圧Ｖ１１の値を高くすると、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴの値も高くなる。そして、すでにセンスレベルの定義の中で説明したように、読出負荷電圧ＦＴが流す電流ＩＦＴの値が高くなると、センスレベルの値も高くなる。
同様に、負荷電圧Ｖ１１の値を低くすると、読出負荷回路ＦＴが流す電流ＩＦＴの値も低くなり、センスレベルの値も低くなる。

つまり、言い換えると、周囲温度が常温の場合、センスレベルをＳＬ０とするための、読出負荷回路ＦＴのドレイン電流がＩＰ０であり、読出負荷回路ＦＴのドレイン電流をＩＰ０とするために、負荷電圧Ｖ１１をＶＲ０に制御するのである。

続いて、周囲温度が高温の場合について説明する。
読出負荷回路ＦＴは、知られているＭＯＳＦＥＴの特性上、周囲温度が高くなると、その閾値電圧は低くなる。

周囲温度が高温の場合は、センスレベルをＳＬ０よりも高い値のＳＬ１にするために、読出負荷回路ＦＴのドレイン電流をＩＰ０よりも高い値のＩＰ１に制御する。
そして、読出負荷回路ＦＴのドレイン電流をＩＰ１とするために、負荷電圧Ｖ１１をＶＲ１に制御する。

続いて、周囲温度が低温の場合について説明する。
周囲温度が低くなると、周囲温度が高くなる場合の逆の特性となる。
読出負荷回路ＦＴは、知られているＭＯＳＦＥＴの特性上、周囲温度が低くなると、その閾値電圧は高くなる。

周囲温度が低温の場合は、センスレベルをＳＬ０よりも低い値のＳＬ２にするために、読出負荷回路ＦＴのドレイン電流をＩＰ０よりも低い値のＩＰ２に制御する。
そして、読出負荷回路ＦＴのドレイン電流をＩＰ２とするために、負荷電圧Ｖ１１をＶＲ２に制御する。

以上で説明したように、周囲温度が高くなれば、負荷電圧Ｖ１１の値をＶＲ０よりも高いＶＲ１に制御し、周囲温度が低くなれば、負荷電圧Ｖ１１の値をＶＲ０よりも低いＶＲ２に制御することで、周囲温度によらずに不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータを正しく読み出すことが可能である。
続いては、所望の温度依存性の負荷電圧Ｖ１１を発生させる負荷電圧発生回路１１についての説明を、図４を用いて行う。

［所望の温度依存性の負荷電圧を発生させる負荷電圧発生回路についての説明：図４］
図４は所望の温度依存性の負荷電圧Ｖ１１を発生させる負荷電圧発生回路１１について説明する図である。横軸は周囲温度を表し、縦軸は電圧を表す。

図４において、Ｖ００は基準電圧、ＶＲＥＧはレギュレータ電圧、Ｖ１１は負荷電圧である。
負荷電圧Ｖ１１は、基準電圧Ｖ００とレギュレータ電圧ＶＲＥＧとの差分である。

ここで、基準電圧Ｖ００は、周囲温度によらず一定の値となる電源電圧である。例えば、ＧＮＤ電位（接地電位）である。また、電池の電圧である。市販の電池の中には所定の温度範囲おいて一定の電圧を出力するものがあり、それを用いてもよい。

レギュレータ電圧ＶＲＥＧは、知られているレギュレータ回路で生成する電圧である。そのため、レギュレータ電圧ＶＲＥＧの値は、レギュレータ回路を構成するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧の値に依存する。
すなわち、周囲温度が低くなれば、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧が高くなるため、レギュレータ電圧ＶＲＥＧは高くなる。周囲温度が高くなれば、ＭＯＳＦＥＴの閾値電圧が低くなるため、レギュレータ電圧ＶＲＥＧも低くなる。

これに対して、負荷電圧Ｖ１１は、基準電圧Ｖ００とレギュレータ電圧ＶＲＥＧとの差分で電圧を生成するため、周囲温度が低くなれば、負荷電圧Ｖ１１は低くなり、周囲温度が高くなれば、負荷電圧Ｖ１１は高くなるのである。

以上に示すのは所望の温度依存性の負荷電圧Ｖ１１を発生させる負荷電圧発生回路１１の１例であるが、この例に限らず、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性を、周囲温度が低くなると負荷電圧も低くなり、周囲温度が高くなると負荷電圧も高くなる特性とすることで、周囲温度によらずに不揮発性記憶素子ＭＴに記憶したデータを正しく読み出すことが可能である。

以上、不揮発性半導体記憶装置１の各構成要素である、不揮発性記憶素子ＭＴ、読出負荷回路ＦＴ、負荷電圧発生回路１１の特性について説明した。
続いて、これら各構成要素の特性によって、電圧信号ＶＯＵＴのレベルが、どのような特性になっているのかについて、図５を用いて説明する。

［電圧信号のレベルの温度依存性についての説明：図５］
図５は電圧信号ＶＯＵＴのレベルの温度依存性について説明する図である。横軸は周囲温度を表し、縦軸は電圧を表す。
ここでの説明の目的は、これまでの説明内容を整理し、読出負荷回路ＦＴの閾値電圧と、負荷電圧Ｖ１１と、電圧信号ＶＯＵＴとの温度依存性の関係から、本発明の特徴を示すことである。

図５において、ＶＦ１、ＶＦ２、ＶＦ３は負荷電圧Ｖ１１の温度依存性の傾きである。ＶＯＵＴ１、ＶＯＵＴ２、ＶＯＵＴ３は電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性の傾きである。ＶＰは読出負荷回路ＦＴの閾値電圧の温度依存性の傾きである。

図５で示しているのは、各電圧の温度依存性の傾きであり、各電圧の値の大小に関しては正確な記述ではない。
これ以降の説明の中では、周囲温度が高くなると電圧が低くなる場合を、温度依存性の傾きが“右肩下がり”と表現する。同様に、周囲温度が高くなると電圧が高くなる場合を、温度依存性の傾きが“右肩上がり”と表現する。

図５に示すように、ＶＰは、右肩下がりである。
それに対して、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性の傾きを、ＶＰとは逆の、右肩上がりであるＶＦ２とすれば、電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性の傾きを、周囲温度によらず一定であるＶＯＵＴ２とすることができる。

また、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性の傾きを、ＶＦ２よりも角度が小さいＶＦ３とすれば、電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性の傾きは、右肩下がりであるＶＯＵＴ３となる。
さらに、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性の傾きを、ＶＦ２よりも角度が大きいＶＦ１とすれば、電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性の傾きは、右肩上がりであるＶＯＵＴ１となる。

つまり、電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度により変化する温度勾配の傾きの方向と、読出負荷回路ＦＴの閾値電圧の温度依存性の傾きであるＶＰの方向と、が同じになるようにするには、電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性の傾きがＶＯＵＴ３となればよいから、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性の傾きを、ＶＦ３にすればよい。

このように、負荷電圧Ｖ１１を制御することで、電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性の傾きを所望の角度にすることが可能である。

ここまで、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性の制御によって、電圧信号ＶＯＵＴの温度依存性を制御する仕組みについて説明した。
続いては、具体的にどのような手段を使って負荷電圧の温度依存性を制御するのかについて、図６および図７を用いて説明する。

［負荷電圧の温度依存性を制御する手段の説明：図６、図７］
図６は負荷電圧発生回路の構成を説明するためのブロック図である。
図６に示すように、負荷電圧発生回路１１は、制御手段１１１、判断手段１１２、温調器１１３、メモリ１１４で構成されている。ここで、温調器１１３は、不揮発性半導体記憶装置１全体を任意の温度に制御するための、加熱および冷却する機能と、温度を計測する機能とを有する装置である。

判断手段１１２から制御手段１１１に送る信号を選択信号Ｓｎとする。ここで、選択信号Ｓｎは、０以上の任意の整数を指定する信号である。
判断手段１１２から温調器１１３に送る信号を温度信号Ｔｍとする。ここで、温度信号Ｔｍは、任意の温度を指定するか、もしくは温度制御を止める（加熱も冷却もしない）指示を伝える信号である。
温調器１１３から判断手段１１２に送る信号を完了信号ＯＫとする。ここで、完了信号
ＯＫは、不揮発性半導体記憶装置１全体の、任意の温度への加熱もしくは冷却が、完了したことを伝える信号である。

続いて、図６を用いて、負荷電圧発生回路１１が負荷電圧Ｖ１１の温度依存性を調整する手段について説明する。

最初に、判断手段１１２は、選択信号Ｓｎ＝０を制御手段１１１に送るとともに、任意の低温を指定し、温度信号Ｔｍを温調器１１３に送る。
選択信号Ｓｎを受けた制御手段１１１は、Ｓｎ＝０に対応する負荷電圧を発生させ、発生した負荷電圧Ｖ１１を読出負荷回路ＦＴに送る。
温度信号Ｔｍを受けた温調器１１３は、不揮発性半導体記憶装置１全体を温度信号Ｔｍに対応する任意の低温に冷却する。

ここで、選択信号Ｓｎに対応する負荷電圧Ｖ１１について図７を用いて説明する。
図７は負荷電圧の温度依存性の制御について説明する図である。横軸は周囲温度を表し、縦軸は負荷電圧を表す。

図７において、Ｖ１１０は、選択信号Ｓｎ＝０に対応する負荷電圧Ｖ１１である。Ｖ１１０は、制御前の負荷電圧であり、レギュレータ電圧ＶＲＥＧと同じ温度依存性となる。Ｖ１１Ｎは、選択信号Ｓｎ＝Ｎに対応する負荷電圧Ｖ１１である。

Ｖ１１０の温度依存性の傾きは右肩下がりである。
Ｖ１１０を基準にして、Ｓｎの値を大きくしていくと、いずれＶ１１Ｎは周囲温度によらず一定になる。
そこから更にＳｎの値を大きくすると、Ｖ１１Ｎの温度依存性の傾きは右肩上がりになり、その後はＳｎの値を大きくするのに従い、温度依存性の傾きの角度が大きくなっていく。

再び図６を用いて、負荷電圧発生回路１１が負荷電圧Ｖ１１の温度依存性を制御する手段についての説明を続ける。
温調器１１３は、不揮発性半導体記憶装置１全体を温度信号Ｔｍに対応する任意の低温に冷却した後、完了信号ＯＫを判断手段１１２に送る。

完了信号ＯＫを受け取った判断手段１１２は、接続点ＯＵＴより送られてくる電圧信号ＶＯＵＴを受け取り、電圧信号ＶＯＵＴの値をメモリ１１４に記憶する。

続いて、判断手段１１２は、任意の高温を指定し、温度信号Ｔｍを温調器１１３に送る。
温度信号Ｔｍを受けた温調器１１３は、不揮発性半導体記憶装置１全体を温度信号Ｔｍに対応する任意の高温に加熱する。
温調器１１３は、不揮発性半導体記憶装置１全体を温度信号Ｔｍに対応する任意の高温に加熱した後、完了信号ＯＫを判断手段１１２に送る。

完了信号ＯＫを受け取った判断手段１１２は、接続点ＯＵＴより送られてくる電圧信号ＶＯＵＴを受け取る。そして、判断手段１１２は、接続点ＯＵＴより受け取ったＶＯＵＴの値と、メモリ１１４に記憶したＶＯＵＴの値とを比較し、その差分の値をメモリ１１４に記憶する。

ここで、この差分の値をＤＶ０とする。この差分ＤＶ０はつまり、図７に示す制御前の負荷電圧Ｖ１１０に対応する、電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度によるレベルの変動幅である
。
以上の手段により、選択信号Ｓｎ＝０に対応する、差分ＤＶ０が検出される。

続けて、差分ＤＶ０の検出と同じ手段により、選択信号Ｓｎ＝０＋１＝１に対応する、差分ＤＶ１を検出し、その差分の値をメモリ１１４に記憶する。この差分ＤＶ１はつまり、図７に示す負荷電圧Ｖ１１１に対応する、電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度によるレベルの変動幅である。
以上の手段により、選択信号Ｓｎ＝１に対応する、差分ＤＶ１が検出される。
続けて、判断手段１１２は、メモリ１１４に記憶した差分ＤＶ１と差分ＤＶ０との値を比較する。

比較結果が、ＤＶ１＞ＤＶ０の関係にあれば、電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度によるレベルの変動幅が最も小さくなる負荷電圧は、Ｓｎ＝０に対応するＶ１１０に決まる。
よって、判断手段１１２は、選択信号Ｓｎ＝０を制御手段１１１に送るとともに、温度制御を止める指示を伝えるために、温度信号Ｔｍを温調器１１３に送る。

選択信号Ｓｎを受けた制御手段１１１は、Ｓｎ＝０に対応する負荷電圧を発生させ、発生した負荷電圧Ｖ１１を読出負荷回路ＦＴに送る。
温度信号Ｔｍを受けた温調器１１３は、不揮発性半導体記憶装置１全体の温度制御を止める。
以上で、負荷電圧の温度依存性の制御が完了する。

比較結果が、ＤＶ１≦ＤＶ０の関係にあれば、負荷電圧の制御は続行である。
続けて、差分ＤＶ０および差分ＤＶ１の検出と同じ手段により、選択信号Ｓｎ＝１＋１＝２に対応する、差分ＤＶ２を検出し、その差分の値をメモリ１１４に記憶する。
続けて、判断手段１１２は、メモリ１１４に記憶した差分ＤＶ２と差分ＤＶ１との値を比較する。

比較結果が、ＤＶ２＞ＤＶ１の関係にあれば、電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度によるレベルの変動幅が最も小さくなる負荷電圧は、Ｓｎ＝１に対応するＶ１１１に決まる。
比較結果が、ＤＶ２≦ＤＶ１の関係にあれば、負荷電圧の制御は続行である。

以上の手段をくり返し、選択信号Ｓｎ＝Ｎに対応する、差分ＤＶＮを検出する。差分ＤＶＮの検出は、ＤＶＮ＞ＤＶ（Ｎ−１）の関係になるまで続ける。
ＤＶＮ＞ＤＶ（Ｎ−１）の関係にあれば、電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度によるレベルの変動幅が最も小さくなる負荷電圧は、Ｓｎ＝Ｎ−１に対応するＶ１１（Ｎ−１）である。

以上に説明した手段を用いて、負荷電圧発生回路１１は、負荷電圧Ｖ１１の温度依存性を制御する。

以上、実施例を説明した。
すでに説明した例では、不揮発性記憶素子ＭＴが１つの場合について説明したが、もちろんそれに限定するものではない。
複数の不揮発性記憶素子ＭＴを並列に接続したマルチビットの不揮発性半導体記憶装置１を構成してもよく、その場合も不揮発性記憶素子ＭＴが１つの場合と同じ効果が得られる。

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、周囲温度が低温もしくは高温の環境下であっても、常に正しくデータを読み出すことが可能であるため、様々な温度環境下で使用されるコ
ンピュータ装置や電子機器その他の各種機器に広範に利用できる。

１ 不揮発性半導体記憶装置
１１ 負荷電圧発生回路
１２ 読出電圧発生回路
１３ 判定回路
ＦＴ 読出負荷回路
ＭＴ 不揮発性記憶素子
ＯＵＴ 読出負荷回路ＦＴと不揮発性記憶素子ＭＴとの接続点
Ｖ１１ 負荷電圧
Ｖ１２ 読出電圧
ＶＯＵＴ 電圧信号
ＶＤＤ、ＶＳＳ 電源
ＶＷ０、ＶＷ１、ＶＥ０、ＶＥ１ 不揮発性記憶素子ＭＴの閾値電圧
ＩＷ０、ＩＷ１、ＩＥ０、ＩＥ１ 不揮発性記憶素子ＭＴのドレイン電流
ＳＬ０、ＳＬ１、ＳＬ２ センスレベル
ＶＰ０、ＶＰ１、ＶＰ２ 読出負荷回路の閾値電圧
ＩＰ０、ＩＰ１、ＩＰ２ 読出負荷回路のドレイン電流
ＶＲ０、ＶＲ１、ＶＲ２ 負荷電圧
Ｖ００ 基準電圧
ＶＲＥＧ レギュレータ電圧
ＶＰ 読出負荷回路の閾値電圧の温度依存性の傾き
ＶＦ１、ＶＦ２、ＶＦ３ 負荷電圧の温度依存性の傾き
ＶＯＵＴ１、ＶＯＵＴ２、ＶＯＵＴ３ 電圧信号の温度依存性の傾き
１１１ 制御手段
１１２ 判断手段
１１３ 温調器
１１４ メモリ
Ｓｎ 選択信号
Ｔｍ 温度信号
ＯＫ 完了信号
ＤＶＮ 電圧信号ＶＯＵＴの周囲温度によるレベルの変動幅
２００ 半導体記憶装置
２１０ 不揮発性メモリ
２２０ 第１のセンスアンプ
２３０ 検出手段
２３１ 第２のセンスアンプ
２３２ 第３のセンスアンプ
２３３ 検出回路
３００ プロセッサ
３４０ 制御手段
３４１ ベリファイ手段
３５０ 記憶手段
１０００ マイクロコンピュータ

Claims (1)

1. 読出電圧を発生する読出電圧発生回路と、
   負荷電圧を発生する負荷電圧発生回路と、
   メモリゲート電極に前記読出電圧を印加することで記憶したデータに基づいた所定の電流が流れるＭＯＳＦＥＴ型の不揮発性記憶素子と、
   ゲート電極に前記負荷電圧を印加することで定電流が流れるＭＯＳＦＥＴからなる読出負荷回路と、
   前記不揮発性記憶素子と前記読出負荷回路とを直列に接続し、その接続点の電圧信号のレベルにより、前記不揮発性記憶素子のデータの正負を判断する判定回路と、
   を有する不揮発性半導体記憶装置であって、
   前記負荷電圧発生回路は、前記不揮発性記憶素子を読み出すとき、周囲温度によらず前記電圧信号のレベルが一定となるか、又は周囲温度による前記電圧信号のレベルの変動が小さくなるように前記負荷電圧に温度勾配を付与し、
   該負荷電圧の温度勾配は、前記電圧信号が周囲温度により変化する温度勾配の傾きの方向と前記読出負荷回路を構成するＭＯＳＦＥＴの閾値電圧が周囲温度により変化する温度勾配の傾きの方向とが、同じになるように付与されている
   ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。

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