JP6164048B2 - 半導体記憶装置及びそれに用いられる回路装置 - Google Patents

半導体記憶装置及びそれに用いられる回路装置 Download PDF

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Description

本発明は、不揮発メモリーやRAM(Random Access Memory)等の半導体記憶装置に関する。さらに、本発明は、そのような半導体記憶装置において、複数のメモリーセルに接続されたワード線を駆動するワード線ドライバーに電源電位を供給するために用いられる回路装置等に関する。
近年においては、電子機器の小型化に伴い、電子機器に用いられる半導体記憶装置にも、低電圧動作や低消費電力化が求められている。低電圧動作を行う半導体記憶装置においては、メモリーセルに保持されているデータを読み出すときに、メモリーセルに接続されたワード線を駆動するワード線ドライバーに供給される電源電位をブートストラップ回路によって上昇させて、十分な読み出し電流を確保することが行われている。このような読み出し電流に基づいてデータを判定することによって、確実にデータを読み出すことができる。
関連する技術として、特許文献1には、メモリーセル・トランジスターの特性のばらつきによる読み出し不良を避け、電源電圧の低電圧化を図ることを目的とする不揮発性半導体記憶装置が開示されている。この不揮発性半導体記憶装置は、読み出し時、選択されたワード線にその一端が電気的に接続されるコンデンサーを設け、読み出し時、選択されたワード線を駆動する場合に、コンデンサーの他端の電圧を低レベルから高レベルに立ち上げて、コンデンサーの一端に電源電圧以上の電圧を得、この電源電圧以上の電圧をワード線駆動電圧として選択されたワード線に供給するように構成されている。
特開平6−28876号公報(段落0005−0006、図1)
しかしながら、特許文献1においては、電源電位をワード線に供給するトランジスター10及び11(特許文献1の図1)がNチャネルトランジスターであるので、ドレイン・ソース間の電圧降下により、トランジスター10及び11において電源電位が低下してしまう。従って、トランジスター10及び11における電圧降下の分だけ余計に電源電位を昇圧する必要がある。そこで、電源電位をワード線に供給するトランジスターとして、Pチャネルトランジスターを用いることも考えられる。
ワード線ドライバーに供給される電源電位を上昇させるブートストラップ回路の負荷となるのは、配線容量や、ワード線ドライバーのトランジスターの容量である。さらに、ワード線ドライバーにおいてPチャネルトランジスターが用いられる場合には、P型半導体基板においてPチャネルトランジスターが形成されるNウエルを高電位に充電する必要があるので、Nウエルがブートストラップ回路の容量性負荷となる。
それらの負荷によって、ブートストラップ回路の昇圧効率や昇圧速度が低下する。従って、十分な昇圧レベルを確保するために必要な昇圧用キャパシターの容量値は、半導体記憶装置の記憶容量に比例して増大し、消費電流の増加や昇圧用キャパシターの大型化を招いてしまう。また、容量性負荷を低減するために電源電位供給回路を分割すると、全体の素子数が増加してしまう。
そこで、上記の点に鑑み、本発明の1つの目的は、ブートストラップ回路によって電源電位を昇圧し、昇圧された電源電位をワード線ドライバーに供給する回路装置において、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することである。本発明のもう1つの目的は、そのような回路装置を含む半導体記憶装置等を提供することである。
以上の課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る回路装置は、複数のメモリーセルに接続されたワード線を駆動するPチャネルトランジスターを含むワード線ドライバーに電源電位を供給する回路装置であって、第1のノードと第2のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレインを有する第1のPチャネルトランジスターと、第2のノードと第3のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレイン、及び、第2のノードに電気的に接続されたバックゲートを有する第2のPチャネルトランジスターと、第3のノードに電気的に接続され、第1のノードから第2のノードを介して第3のノードに供給された第1の電源電位を上昇させて、ワード線ドライバーのPチャネルトランジスターのソースに供給される第2の電源電位を生成するブートストラップ回路とを含み、ワード線ドライバーのPチャネルトランジスターのバックゲートに、第2のノードから第3の電源電位が供給される。
本発明の1つの観点によれば、ブートストラップ回路によって昇圧された第2の電源電位が、ワード線ドライバーのPチャネルトランジスターのソースに供給される。一方、ワード線ドライバーのPチャネルトランジスターのバックゲートには、第3の電源電位として、第2のPチャネルトランジスターのドレイン(P型不純物拡散領域)とバックゲート(Nウエル)とによって形成される寄生ダイオードを介して、昇圧された第2の電源電位が供給される。
ブートストラップ回路が第1の電源電位を上昇させたときに、第2のPチャネルトランジスターの寄生ダイオードを介して第3のノードから第2のノードに電流が流れる。寄生ダイオードにおける電圧降下により、第3の電源電位は第2の電源電位まで上昇しないので、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することができる。なお、Pチャネルトランジスターのオン条件はゲート・ソース間の電位差で決まるので、バックゲート電位はソース電位と同じである必要はない。
ここで、回路装置が、第3のノードと複数群のワード線ドライバーとの間に電気的にそれぞれ接続され、ゲート電位に従って、選択されたワード線を駆動するワード線ドライバーを含む一群のワード線ドライバーのPチャネルトランジスターのソースに第2の電源電位を供給する複数の第3のPチャネルトランジスターをさらに含んでも良い。
また、回路装置が、第2のノードと複数群のワード線ドライバーとの間に電気的にそれぞれ接続され、ゲート電位に従って、選択されたワード線を駆動するワード線ドライバーを含む一群のワード線ドライバーのPチャネルトランジスターのバックゲートに第3の電源電位を供給する複数の第4のPチャネルトランジスターをさらに含んでも良い。
これにより、ブートストラップ回路の負荷となる容量を低減し、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することができる。その結果、消費電流を低減したり昇圧用キャパシターを小型化したりすることが可能となる。あるいは、ブートストラップ回路の負荷となる容量が半導体記憶装置の記憶容量の大きさに依存しなくなるので、消費電流の増加や昇圧用キャパシターの大型化を招くことなく、大容量の半導体記憶装置を実現することが可能となる。
さらに、回路装置が、第2のノードに電気的に接続され、第1のノードから第2のノードに供給された第1の電源電位を上昇させて第3の電源電位を生成する第2のブートストラップ回路をさらに含んでも良い。第2のノードの電位を昇圧する第2のブートストラップ回路を設けることにより、第3のノードの電位を昇圧するブートストラップ回路の負荷が軽減されるので、第3のノードにおける昇圧速度を改善することができる。
以上において、回路装置が、第2のノードから第3の電源電位が供給されて、第2のPチャネルトランジスターのゲートを駆動する論理回路をさらに含んでも良い。また、複数の第3のPチャネルトランジスターを設ける場合には、回路装置が、第2のノードから第3の電源電位が供給されて、複数の第3のPチャネルトランジスターのゲートをそれぞれ駆動する複数の論理回路をさらに含んでも良い。
第3の電源電位は、第2のPチャネルトランジスターの寄生ダイオード又は第2のブートストラップ回路の働きによって、第1の電源電位よりも高くなる。従って、第2及び第3のPチャネルトランジスターの閾値電圧を、第2の電源電位と第3の電源電位との間の電位差よりも大きくなるように設定すれば、それぞれの論理回路の出力信号がハイレベルとなって第2及び第3のPチャネルトランジスターのゲートに第3の電源電位が印加されたときに、第2及び第3のPチャネルトランジスターを確実にオフさせることができる。
さらに、複数の第3のPチャネルトランジスターを設ける場合には、複数の第3のPチャネルトランジスターのバックゲートに、第2のノードから第3の電源電位が供給されても良い。第3の電源電位は、第2のPチャネルトランジスターのドレイン(P型不純物拡散領域)とバックゲート(Nウエル)とによって形成される寄生ダイオードにおける電圧降下により、第2の電源電位まで上昇しないので、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することができる。なお、Pチャネルトランジスターのオン条件はゲート・ソース間の電位差で決まるので、バックゲート電位はソース電位と同じである必要はない。
加えて、複数の第4のPチャネルトランジスターを設ける場合には、回路装置が、第2のノードから第3の電源電位が供給されて、複数の第4のPチャネルトランジスターのゲートをそれぞれ駆動する複数の論理回路をさらに含んでも良い。これにより、論理回路の出力信号がハイレベルとなって第4のPチャネルトランジスターのゲートに第3の電源電位が印加されたときに、第4のPチャネルトランジスターを完全にオフさせることができる。
本発明の1つの観点に係る半導体記憶装置は、複数のメモリーセルと、それらのメモリーセルに接続されたワード線を駆動するPチャネルトランジスターを含むワード線ドライバーと、ワード線ドライバーに電源電位を供給する上記いずれかの回路装置とを含む。これにより、消費電流の増加や昇圧用キャパシターの大型化を抑制して、大容量の半導体記憶装置を実現することが可能となる。
本発明の各実施形態に係る半導体記憶装置の構成例を示すブロック図。 本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成例を示す回路図。 本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成例を示す回路図。 本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成例を示す回路図。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
本発明は、フラッシュメモリー等の不揮発メモリーや、DRAM(Dynamic Random Access Memory)等のRAMを含む各種の半導体記憶装置に適用可能であるが、以下においては、一例として、本発明をフラッシュメモリーに適用した実施形態について説明する。
<半導体記憶装置の全体構成>
図1は、本発明の各実施形態に係る半導体記憶装置の構成例を示すブロック図である。この半導体記憶装置は、メモリーセルアレイ10と、メモリー制御回路20と、電源回路30と、ワード線駆動電圧生成回路40と、ワード線駆動回路50と、ソース線駆動回路60とを含んでいる。
メモリーセルアレイ10は、行方向(図中横方向)及び列方向(図中縦方向)にマトリックス状に配置された複数のメモリーセルを含んでいる。各々のメモリーセルは、同一の構成を有し、データを記憶する不揮発性のメモリーセルである。また、メモリーセルアレイ10は、複数のワード線WL1、WL2、・・・、WLm、・・・と、複数のソース線SL1、SL2、・・・、SLm、・・・と、複数のビット線BL1、BL2、・・・、BLn、・・・とを含んでいる。各々のワード線及びソース線は、それぞれの行に配置された複数のメモリーセルに接続されている。また、各々のビット線は、それぞれの列に配置された複数のメモリーセルに接続されている。
メモリー制御回路20には、チップセレクト信号CS、動作クロック信号CK、及び、アドレス信号ADが入力される。メモリー制御回路20は、チップセレクト信号CSによって半導体記憶装置が選択されたときに、動作クロック信号CKに同期して、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルにアクセスするように半導体記憶装置の各部を制御する。
書き込みモードにおいて、メモリー制御回路20は、書き込みデータを入力し、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルにデータを書き込むように半導体記憶装置の各部を制御する。また、読み出しモードにおいて、メモリー制御回路20は、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルからデータを読み出すように半導体記憶装置の各部を制御し、読み出しデータを出力する。さらに、消去モードにおいて、メモリー制御回路20は、所望のメモリーセルに保持されているデータを消去するように半導体記憶装置の各部を制御する。
例えば、メモリー制御回路20は、読み出しモードにおいて、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルを選択するためのビット線に1V程度の電圧を印加し、ビット線に流れる読み出し電流に基づいてデータを読み出す。ここで、メモリー制御回路20は、リファレンスセルに流れる読み出し電流を基準として用いることにより、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルに流れる読み出し電流に基づいて、読み出しデータが「1」であるか「0」であるかを判定しても良い。
電源回路30には、ロジック回路用のロジック電源電位VDDと、書き込み及び消去用の高電源電位VPPと、電位の基準となる基準電源電位VSS(以下においては、接地電位0Vとする)とが、外部から供給される。ロジック電源電位VDDは、電子機器において半導体記憶装置と共に使用されるマイクロコンピューター等の半導体集積回路装置の電源電位と共用されても良い。一般的に、高電源電位VPPが5V〜10V程度であるのに対し、ロジック電源電位VDDは1.2V〜1.8V程度である。
電源回路30は、ロジック電源電位VDD、高電源電位VPP、及び、基準電源電位VSSを、必要に応じて半導体記憶装置の各部に供給する。例えば、電源回路30は、読み出しモードにおいて、ロジック電源電位VDDを第1の電源電位VWLとしてワード線駆動電圧生成回路40に供給する。また、電源回路30は、読み出しモードにおいて、基準電源電位VSSをソース線電源電位VSLとしてソース線駆動回路60に供給する。
ワード線駆動電圧生成回路40は、読み出しモードにおいて、電源回路30から供給される第1の電源電位VWLを上昇させて第2の電源電位VUP及び第3の電源電位VBGを生成し、それらをワード線駆動回路50に供給する。
ワード線駆動回路50は、複数のワード線WL1、WL2、・・・、WLm、・・・にそれぞれ接続された複数のワード線ドライバーを含み、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルを選択するためのワード線を駆動する。
ソース線駆動回路60は、複数のソース線SL1、SL2、・・・、SLm、・・・にそれぞれ接続された複数のソース線ドライバーを含み、アドレス信号ADによって指定されるメモリーセルに接続されたソース線を駆動する。
<第1の実施形態>
図2は、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成例を示す回路図である。図2には、図1に示すワード線駆動電圧生成回路40に加えて、ワード線駆動回路50の一部、ソース線駆動回路60の一部、及び、メモリーセルアレイ10の一部が示されている。
メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルは、複数のブロックに分割されて駆動されても良い。例えば、メモリーセルアレイを構成する2048行のメモリーセルが、16個のブロックに分割される。その場合には、1つのブロックが、128行のメモリーセルを含むことになる。図2には、メモリーセルの1つのブロックが示されている。
1行のメモリーセル11は、例えば、1024個のメモリーセルMCによって構成され、128個の8ビットデータを保持することができる。各々のメモリーセルMCは、例えば、フローティングゲート及びコントロールゲートを有するNチャネルMOSトランジスターによって構成される。1行のメモリーセル11を構成する複数のトランジスターのコントロールゲートは、ワード線WLmに接続されており、ドレインは、ビット線BLn、BLn+1、・・・にそれぞれ接続されており、ソースは、ソース線SLmに接続されている。
また、この例においては、1行のメモリーセル11について、ワード線WLmの他に、メインワード線MWLmが設けられている。メインワード線MWLmには、メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルの内から1行のメモリーセル11を選択するためのローアクティブの行選択信号が、メモリー制御回路20(図1)から供給される。
ワード線駆動回路50(図1)は、1行のメモリーセル11に接続されたワード線WLmを駆動するワード線ドライバー51を含んでいる。メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルを複数のブロックに分割して駆動する場合には、ワード線駆動回路が、複数のブロックに対応して設けられた複数群のワード線ドライバー51を含むことになる。図2には、メモリーセルの1つのブロックに対応して設けられた一群のワード線ドライバー51が示されている。
ワード線ドライバー51は、ワード線WLmを駆動するPチャネルMOSトランジスターQP21及びNチャネルMOSトランジスターQN21と、NチャネルMOSトランジスターQN22とを含んでいる。トランジスターQP21のゲート及びトランジスターQN21のゲートは、メインワード線MWLmに接続されており、トランジスターQP21のドレイン及びトランジスターQN21のドレインは、ワード線WLmに接続されている。トランジスターQP21のソース及びバックゲートには、ワード線駆動電圧生成回路40から第2の電源電位VUP及び第3の電源電位VBGがそれぞれ供給され、トランジスターQN21のソース及びバックゲートには、基準電源電位VSSが供給される。
トランジスターQN22のドレインは、ワード線WLmに接続されており、トランジスターQN22のソース及びバックゲートには、基準電源電位VSSが供給される。トランジスターQN22は、消去モードにおいてオンすることにより、ワード線WLmに基準電源電位VSSを印加し、書き込みモード及び読み出しモードにおいてはオフする。
ソース線駆動回路60(図1)は、1行のメモリーセル11に接続されたソース線SLmを駆動するソース線ドライバー61を含んでいる。メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルを複数のブロックに分割して駆動する場合には、ソース線駆動回路が、複数のブロックに対応して設けられた複数群のソース線ドライバー61を含むことになる。図2には、メモリーセルの1つのブロックに対応して設けられた一群のソース線ドライバー61が示されている。
ソース線ドライバー61は、トランスミッションゲートTGを含んでいる。トランスミッションゲートTGは、PチャネルMOSトランジスターと、NチャネルMOSトランジスターとによって構成され、ソース線電源電位VSLとソース線SLmとの間の接続を開閉するスイッチ回路として機能する。トランスミッションゲートTGにおいて、PチャネルMOSトランジスターのゲートは、メインワード線MWLmに接続されており、NチャネルMOSトランジスターのゲートは、ワード線WLmに接続されている。また、読み出しモードにおいては、ソース線電源電位VSLとして基準電源電位VSSが供給される。
読み出しモードにおいて、選択されていないメインワード線MWLmにハイレベルの行選択信号が供給されると、メインワード線MWLmに接続されたワード線ドライバー51において、トランジスターQP21がオフし、トランジスターQN21がオンする。これにより、ワード線ドライバー51は、ワード線WLmに基準電源電位VSSを印加する。また、トランスミッションゲートTGは、オフ状態となる。
一方、選択されたメインワード線MWLmにローレベルの行選択信号が供給されると、メインワード線MWLmに接続されたワード線ドライバー51において、トランジスターQP21がオンし、トランジスターQN21がオフする。これにより、ワード線ドライバー51は、ワード線WLmに第2の電源電位VUPを印加する。また、トランスミッションゲートTGがオン状態となって、ソース線電源電位VSLとして基準電源電位VSSがソース線SLmに印加される。
ワード線WLmの電位がハイレベルになると、例えば、ビット線BLnが選択されたときに、ビット線BLnに接続されたメモリーセルMCが、ビット線BLnに読み出し電流を流す。メモリー制御回路20(図1)は、この読み出し電流に基づいて、メモリーセルMCに保持されているデータが「1」であるか「0」であるかを判定し、読み出しデータを出力する。
ワード線駆動電圧生成回路40は、ワード線ドライバー51に電源電位を供給する回路装置である。ワード線駆動電圧生成回路40は、電源電位監視回路41と、NAND回路42〜43と、インバーター44〜49と、PチャネルMOSトランジスターQP1、QP2及びQP11と、NチャネルMOSトランジスターQN1及びQN11と、キャパシターC1とを含んでいる。
ワード線駆動電圧生成回路40には、消去モードにおいてローレベルに活性化される消去モード信号XEMと、電源電位を昇圧するときにハイレベルに活性化される昇圧開始信号SUPとが、メモリー制御回路20(図1)から供給される。
また、メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルを複数のブロックに分割して駆動する場合には、ワード線駆動電圧生成回路40が、メモリーセルの複数のブロックに対応して複数のブロック駆動電圧生成回路70をさらに含む。ブロック駆動電圧生成回路70には、アドレス信号によって指定されるメモリーセルを含むブロックを選択するときにローレベルに活性化されるブロック選択信号XPGが、メモリー制御回路20(図1)から供給される。
電源電位監視回路41は、第2の電源電位VUPが所定の電位を超えたときにローレベルに活性化される昇圧電位検出信号DETを生成する。昇圧電位検出信号DETは、NAND回路42の一方の入力端子に供給される。昇圧開始信号SUPは、インバーター44及び45によって2回反転された後に、NAND回路42の他方の入力端子、及び、インバーター46及び49の入力端子に供給される。
インバーター46の出力端子は、インバーター47の入力端子、及び、NAND回路43の一方の入力端子に電気的に接続されている。消去モード信号XEMは、NAND回路43の他方の入力端子、及び、インバーター48の入力端子に供給される。インバーター47の出力端子は、トランジスターQP1のゲートに電気的に接続されており、NAND回路43の出力端子は、トランジスターQP2のゲートに電気的に接続されている。また、インバーター48の出力端子は、トランジスターQN1のゲートに電気的に接続されている。
トランジスターQP1のソースは、第1の電源電位VWLが供給されるノードN1に電気的に接続されており、トランジスターQP1のドレイン及びバックゲートは、ノードN2に電気的に接続されている。トランジスターQP2のソース及びバックゲートは、ノードN2に電気的に接続されており、トランジスターQP2のドレインは、ノードN3に電気的に接続されている。トランジスターQN1のドレインは、ノードN3に電気的に接続されており、トランジスターQN1のソース及びバックゲートには、基準電源電位VSSが供給される。
NAND回路42の出力端子は、トランジスターQP11のゲートに電気的に接続されており、インバーター49の出力端子は、トランジスターQN11のゲートに電気的に接続されている。トランジスターQP11のソース及びバックゲートには、第1の電源電位VWLが供給され、トランジスターQP11のドレインは、キャパシターC1の一端に電気的に接続されている。トランジスターQN11のドレインは、キャパシターC1の一端に電気的に接続されており、トランジスターQN11のソース及びバックゲートには、基準電源電位VSSが供給される。キャパシターC1の他端は、ノードN3に電気的に接続されている。
キャパシターC1は、例えば、PチャネルMOSトランジスターによって構成され、ソース、ドレイン、及び、バックゲートが第1の電極に相当し、ゲートが第2の電極に相当する。ここで、トランジスターQP11及びQN11と、キャパシターC1とは、ノードN1からノードN2を介してノードN3に供給された第1の電源電位VWLを上昇させて、ワード線ドライバー51のトランジスターQP21のソースに供給される第2の電源電位VUPを生成するブートストラップ回路(昇圧回路)を構成している。
ブロック駆動電圧生成回路70は、インバーター71〜73と、PチャネルMOSトランジスターQP3及びQP4とを含んでいる。インバーター71の入力端子には、ブロック選択信号XPGが供給される。インバーター71の出力端子は、インバーター72及び73の入力端子に電気的に接続されている。インバーター72の出力端子は、トランジスターQP3のゲートに電気的に接続され、インバーター73の出力端子は、トランジスターQP4のゲートに電気的に接続されている。
トランジスターQP3のソースは、ノードN3に電気的に接続され、トランジスターQP3のドレインは、一群のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のソースに電気的に接続され、トランジスターQP3のバックゲートは、ノードN2に電気的に接続されている。トランジスターQP4のソース及びバックゲートは、ノードN2に電気的に接続され、トランジスターQP4のドレインは、一群のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のバックゲートに接続されている。
消去モードにおいて、消去モード信号XEMは、ローレベルに活性化される。従って、NAND回路43の出力信号がハイレベルとなり、トランジスターQP2がオフする。また、インバーター48の出力信号がハイレベルとなり、トランジスターQN1がオンして、ノードN3に基準電源電位VSSを供給する。
読み出しモードにおいては、消去モード信号XEMが、ハイレベルに非活性化される。従って、インバーター48の出力信号がローレベルとなり、トランジスターQN1がオフする。昇圧開始信号SUPがローレベルに非活性化されているときに、インバーター47の出力信号及びNAND回路43の出力信号がローレベルとなる。これにより、トランジスターQP1及びQP2がオンして、ノードN1からノードN2を介してノードN3に第1の電源電位VWLを供給する。
また、昇圧開始信号SUPがローレベルに非活性化されているときに、NAND回路42の出力信号及びインバーター49の出力信号がハイレベルとなる。従って、ブートストラップ回路においては、トランジスターQP11がオフし、トランジスターQN11がオンする。これにより、キャパシターC1の一端に基準電源電位VSSが供給される。
次に、昇圧開始信号SUPがハイレベルに活性化されると、インバーター47の出力信号及びNAND回路43の出力信号がハイレベルとなる。従って、トランジスターQP1及びQP2がオフして、ノードN2及びN3がフローティング状態となる。この時点で、ノードN2及びN3の電位は、第1の電源電位VWLとなっている。
また、電源電位監視回路41から出力される昇圧電位検出信号DETがハイレベルに非活性化されているので、NAND回路42の出力信号及びインバーター49の出力信号がローレベルとなる。従って、ブートストラップ回路において、トランジスターQP11がオンし、トランジスターQN11がオフする。これにより、キャパシターC1の一端に第1の電源電位VWLが供給され、キャパシターC1の他端から正の電荷が放出される。その結果、ブートストラップ回路は、ノードN1からノードN2を介してノードN3に供給された第1の電源電位VWLを上昇させて、第2の電源電位VUPを生成する。
電源電位監視回路41は、過昇圧による消費電流の増加や、誤読み出しを防止するために、第2の電源電位VUPが所定の電位を超えると、昇圧電位検出信号DETをローレベルに活性化する。これにより、ブートストラップ回路のトランジスターQP11がオフして、昇圧動作を停止させる。第2の電源電位VUPがトランジスターQP2のゲート電位とトランジスターQP2の閾値電圧Vthとの和を上回ると、トランジスターQP2がオンする。例えば、第1の電源電圧VWLが1.8Vであり、トランジスターQP2の閾値電圧Vthが0.6Vである場合に、電源電位監視回路41によって第2の電源電位VUPを2.4Vに設定すれば、不要な電荷流出を抑えることができる。
トランジスターQP2は、P型半導体基板のNウエルに形成されているので、ドレイン(P型不純物拡散領域)をアノードとし、バックゲート(Nウエル)をカソードとする寄生ダイオードを有している。従って、トランジスターQP2がオンしなくても、ブートストラップ回路が第1の電源電位VWLを上昇させたときに、トランジスターQP2の寄生ダイオードを介してノードN3からノードN2に向けて電流が流れ、ノードN2における電位が上昇する。その結果、ノードN2において第3の電源電位VBGが生成される。例えば、第2の電源電位VUPが2.4Vであり、寄生ダイオードの順方向電圧VFが0.5Vである場合に、第3の電源電位VBGは1.9Vとなる。なお、P型半導体基板には、基準電源電位VSS(0V)が供給される。
ブロック駆動電圧生成回路70が設けられている場合に、第2の電源電位VUPは、ノードN3からトランジスターQP3を介して一群のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のソースに供給される。また、第3の電源電位VBGは、ノードN2からトランジスターQP4を介して一群のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のバックゲートに供給される。
一方、メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルを複数のブロックに分割しない場合には、ブロック駆動電圧生成回路70が不要となる。その場合には、第2の電源電位VUPは、ノードN3から複数のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のソースに直接供給される。また、第3の電源電位VBGは、ノードN2から複数のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のバックゲートに直接供給される。
ここで、第3の電源電位VBGは、トランジスターQP2のドレイン(P型不純物拡散領域)とバックゲート(Nウエル)とによって形成される寄生ダイオードにおける電圧降下により、第2の電源電位VUPまで上昇しないので、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することができる。これにより、消費電流の増加や昇圧用キャパシターの大型化を抑制して、大容量の半導体記憶装置を実現することが可能となる。なお、Pチャネルトランジスターのオン条件はゲート・ソース間の電位差で決まるので、バックゲート電位はソース電位と同じである必要はない。
また、ブートストラップ回路による昇圧動作において、昇圧電位を決定するのは、昇圧用のキャパシターの容量と負荷容量との比であり、負荷容量が小さいほど、小さいキャパシター容量及び少ない電荷量で昇圧動作を行うことができる。そこで、メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルを複数のブロックに分割し、ブロック毎にブロック駆動電圧生成回路70を設けることにより、ブロック選択信号XPGによって選択された読み出し対象となるブロックのメモリーセルに接続されたワード線を駆動する所定数のワード線ドライバー51のみに第2の電源電位VUP及び第3の電源電位VBGを供給すれば良くなる。
即ち、複数のブロック駆動電圧生成回路70にそれぞれ含まれている複数のトランジスターQP3が、ゲート電位に従って、選択されたワード線を駆動するワード線ドライバーを含む一群のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のソースに第2の電源電位VUPを供給する。また、複数のブロック駆動電圧生成回路70にそれぞれ含まれている複数のトランジスターQP4が、ゲート電位に従って、選択されたワード線を駆動するワード線ドライバーを含む一群のワード線ドライバー51のトランジスターQP21のバックゲートに第3の電源電位VBGを供給する。
これにより、ブートストラップ回路の負荷となる容量を低減し、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することができる。その結果、消費電流を低減したりブートストラップ回路の昇圧用キャパシターを小型化したりすることが可能となる。あるいは、ブートストラップ回路の負荷となる容量が半導体記憶装置の記憶容量に依存しなくなるので、消費電流の増加や昇圧用キャパシターの大型化を招くことなく、大容量の半導体記憶装置を実現することが可能となる。
第3の電源電位VBGは、ノードN2から、トランジスターQP2のゲートを駆動する論理回路(NAND回路43)、及び、複数のトランジスターQP3のゲートをそれぞれ駆動する複数の論理回路(インバーター72)にも供給される。第3の電源電位VBGは、トランジスターQP2の寄生ダイオードの働きによって、第1の電源電位VWLよりも高くなる。
従って、トランジスターQP2及びQP3の閾値電圧Vthを、第2の電源電位VUPと第3の電源電位VBGとの間の電位差よりも大きくなるように設定すれば、それぞれの論理回路の出力信号がハイレベルとなってトランジスターQP2及びQP3のゲートに第3の電源電位VBGが印加されたときに、トランジスターQP2及びQP3を確実にオフさせることができる。
また、第3の電源電位VBGは、ノードN2から、複数のトランジスターQP3のバックゲート(Nウエル)にも供給される。第3の電源電位VBGは、トランジスターQP2のドレイン(P型不純物拡散領域)とバックゲート(Nウエル)とによって形成される寄生ダイオードにおける電圧降下により、第2の電源電位VUPまで上昇しないので、ブートストラップ回路の昇圧効率又は昇圧速度を改善することができる。
さらに、第3の電源電位VBGは、ノードN2から、複数のトランジスターQP4のゲートをそれぞれ駆動する複数の論理回路(インバーター73)にも供給される。これにより、論理回路の出力信号がハイレベルとなってトランジスターQP4のゲートに第3の電源電位VBGが印加されたときに、トランジスターQP4を完全にオフさせることができる。
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成例を示す回路図である。第2の実施形態においては、図2に示す第1の実施形態におけるワード線駆動電圧生成回路40の替りに、ワード線駆動電圧生成回路40aが設けられている。その他の点に関しては、第1の実施形態におけるのと同様である。
図3に示すように、ワード線駆動電圧生成回路40aにおいては、キャパシターC1に加えて、キャパシターC2が用いられる。キャパシターC2の一端は、トランジスターQP11のドレイン及びトランジスターQN11のドレインに電気的に接続され、キャパシターC2の他端は、ノードN2に電気的に接続されている。キャパシターC2の容量は、キャパシターC1の容量の1/4程度であることが望ましい。キャパシターC2は、例えば、PチャネルMOSトランジスターによって構成され、ソース、ドレイン、及び、バックゲートが第1の電極に相当し、ゲートが第2の電極に相当する。
ここで、トランジスターQP11及びQN11と、キャパシターC1とは、ノードN1からノードN2を介してノードN3に供給された第1の電源電位VWLを上昇させて第2の電源電位VUPを生成する第1のブートストラップ回路を構成している。また、トランジスターQP11及びQN11と、キャパシターC2とは、ノードN1からノードN2に供給された第1の電源電位VWLを上昇させて第3の電源電位VBGを生成する第2のブートストラップ回路を構成している。即ち、第1及び第2のブートストラップ回路において、トランジスターQP11及びQN11が共用される。
読み出しモードにおいては、消去モード信号XEMが、ハイレベルに非活性化される。従って、インバーター48の出力信号がローレベルとなり、トランジスターQN1がオフする。昇圧開始信号SUPがローレベルに非活性化されているときに、インバーター47の出力信号及びNAND回路43の出力信号がローレベルとなる。これにより、トランジスターQP1及びQP2がオンして、ノードN1からノードN2を介してノードN3に第1の電源電位VWLを供給する。
また、昇圧開始信号SUPがローレベルに非活性化されているときに、NAND回路42の出力信号及びインバーター49の出力信号がハイレベルとなる。従って、第1及び第2のブートストラップ回路において、トランジスターQP11がオフし、トランジスターQN11がオンする。これにより、キャパシターC1の一端及びキャパシターC2の一端に、基準電源電位VSSが供給される。
次に、昇圧開始信号SUPがハイレベルに活性化されると、インバーター47の出力信号及びNAND回路43の出力信号がハイレベルとなって、トランジスターQP1及びQP2がオフする。この時点で、ノードN2及びN3の電位は、第1の電源電位VWLとなっている。また、電源電位監視回路41から出力される昇圧電位検出信号DETがハイレベルに非活性化されているので、NAND回路42の出力信号及びインバーター49の出力信号がローレベルとなる。
従って、第1及び第2のブートストラップ回路において、トランジスターQP11がオンし、トランジスターQN11がオフする。これにより、キャパシターC1の一端に第1の電源電位VWLが供給され、キャパシターC1の他端から正の電荷が放出される。その結果、第1のブートストラップ回路は、ノードN1からノードN2を介してノードN3に供給された第1の電源電位VWLを上昇させて、第2の電源電位VUPを生成する。
また、キャパシターC2の一端に第1の電源電位VWLが供給され、キャパシターC2の他端から正の電荷が放出される。その結果、第2のブートストラップ回路は、ノードN1からノードN2に供給された第1の電源電位VWLを上昇させて、第3の電源電位VBGを生成する。
第3の電源電位VBGは、第1の電源電位VWLよりも高く、第2の電源電位VUPよりも低くなるように設定される。例えば、第1の電源電位VWLが1.8Vであり、第2の電源電位VUPが2.4Vである場合に、第3の電源電位VBGは2.1Vに設定される。その場合には、ノードN3からトランジスターQP2の寄生ダイオードを介してノードN2に電流が流れることがない。
このように、ノードN2の電位を昇圧する第2のブートストラップ回路を設けることにより、ノードN3の電位を昇圧する第1のブートストラップ回路の負荷が軽減される。また、ノードN3における昇圧速度を改善することができる。
<第3の実施形態>
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の一部の構成例を示す回路図である。第3の実施形態は、第1又は第2の実施形態の変形例であり、図2又は図3に示すワード線ドライバー51の替りに、ワード線ドライバー51aが設けられている。その他の点に関しては、第1又は第2の実施形態におけるのと同様である。
図4に示すように、ワード線ドライバー51aは、図2又は図3に示すワード線ドライバー51に対して、トランジスターQP21のゲート及びトランジスターQN21のゲートを駆動するPチャネルMOSトランジスターQP20及びNチャネルMOSトランジスターQN20が追加されている。また、メインワード線MWLmには、メモリーセルアレイを構成する複数行のメモリーセルの内から1行のメモリーセルを選択するためのハイアクティブの行選択信号が、メモリー制御回路20(図1)から供給される。
トランジスターQP20のゲート及びトランジスターQN20のゲートは、メインワード線MWLmに接続されており、トランジスターQP20のドレイン及びトランジスターQN20のドレインは、トランジスターQP21のゲート及びトランジスターQN21のゲートに接続されている。また、トランジスターQP21のドレイン及びトランジスターQN21のドレインは、ワード線WLmに接続されている。
トランジスターQP20のソース及びバックゲートには、第3の電源電位VBGが供給され、トランジスターQN20のソース及びバックゲートには、基準電源電位VSSが供給される。トランジスターQP21のソースには、第2の電源電位VUPが供給され、トランジスターQP21のバックゲートには、第3の電源電位VBGが供給され、トランジスターQN21のソース及びバックゲートには、基準電源電位VSSが供給される。
読み出しモードにおいて、選択されていないメインワード線MWLmにローレベルの行選択信号が供給されると、メインワード線MWLmに接続されたワード線ドライバー51aにおいて、トランジスターQP20がオンし、トランジスターQN20がオフする。従って、トランジスターQP21がオフし、トランジスターQN21がオンする。これにより、ワード線ドライバー51aは、ワード線WLmに基準電源電位VSSを印加する。
一方、選択されたメインワード線MWLmにハイレベルの行選択信号が供給されると、メインワード線MWLmに接続されたワード線ドライバー51aにおいて、トランジスターQP20がオフし、トランジスターQN20がオンする。従って、トランジスターQP21がオンし、トランジスターQN21がオフする。これにより、ワード線ドライバー51aは、ワード線WLmに第2の電源電位VUPを印加する。
本実施形態においては、第3の電源電位VBGが、ノードN2から、ワード線ドライバー51aにおいてトランジスターQP21のゲート及びトランジスターQN21のゲートを駆動するトランジスターQP20のソース及びバックゲートにも供給される。第3の電源電位VBGは、トランジスターQP2の寄生ダイオード又は第2のブートストラップ回路の働きによって、第1の電源電位VWLよりも高くなる。
従って、トランジスターQP21の閾値電圧Vthを、第2の電源電位VUPと第3の電源電位VBGとの間の電位差よりも大きくなるように設定すれば、トランジスターQP20がオンしてトランジスターQP21のゲートに第3の電源電位VBGが印加されたときに、トランジスターQP21を確実にオフさせることができる。
以上においては、本発明をフラッシュメモリーに適用した実施形態について説明したが、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野において通常の知識を有する者によって、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
10…メモリーセルアレイ、11…1行のメモリーセル、20…メモリー制御回路、30…電源回路、40、40a…ワード線駆動電圧生成回路、41…電源電位監視回路、42〜43…NAND回路、44〜49、71〜73…インバーター、50…ワード線駆動回路、51、51a…ワード線ドライバー、60…ソース線駆動回路、61…ソース線ドライバー、70…ブロック駆動電圧生成回路、WL1、WL2、・・・、WLm…ワード線、SL1、SL2、・・・、SLm…ソース線、BL1、BL2、・・・、BLn…ビット線、MWLm、MWLm+1…メインワード線、QP1〜QP21…PチャネルMOSトランジスター、QN1〜QN22…NチャネルMOSトランジスター、C1、C2…キャパシター、TG…トランスミッションゲート、MC…メモリーセル

Claims (9)

  1. 複数のメモリーセルに接続されたワード線を駆動するPチャネルトランジスターを含むワード線ドライバーに電源電位を供給する回路装置であって、
    第1のノードと第2のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレインを有する第1のPチャネルトランジスターと、
    前記第2のノードと第3のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレイン、及び、前記第2のノードに電気的に接続されたバックゲートを有する第2のPチャネルトランジスターと、
    前記第3のノードに電気的に接続され、前記第1のノードから前記第2のノードを介して前記第3のノードに供給された第1の電源電位を上昇させて、前記ワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのソースに供給される第2の電源電位を生成するブートストラップ回路と、
    前記第3のノードと複数群のワード線ドライバーとの間に電気的にそれぞれ接続され、ゲート電位に従って、選択されたワード線を駆動するワード線ドライバーを含む一群のワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのソースに第2の電源電位を供給する複数の第3のPチャネルトランジスターと、
    を含み、前記ワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのバックゲートに、前記第2のノードから第3の電源電位が供給される、回路装置。
  2. 複数のメモリーセルに接続されたワード線を駆動するPチャネルトランジスターを含むワード線ドライバーに電源電位を供給する回路装置であって、
    第1のノードと第2のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレインを有する第1のPチャネルトランジスターと、
    前記第2のノードと第3のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレイン、及び、前記第2のノードに電気的に接続されたバックゲートを有する第2のPチャネルトランジスターと、
    前記第3のノードに電気的に接続され、前記第1のノードから前記第2のノードを介して前記第3のノードに供給された第1の電源電位を上昇させて、前記ワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのソースに供給される第2の電源電位を生成するブートストラップ回路と、
    前記第2のノードと複数群のワード線ドライバーとの間に電気的にそれぞれ接続され、ゲート電位に従って、選択されたワード線を駆動するワード線ドライバーを含む一群のワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのバックゲートに第3の電源電位を供給する複数の第4のPチャネルトランジスターと
    を含み、前記ワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのバックゲートに、前記第2のノードから第3の電源電位が供給される、回路装置。
  3. 複数のメモリーセルに接続されたワード線を駆動するPチャネルトランジスターを含むワード線ドライバーに電源電位を供給する回路装置であって、
    第1のノードと第2のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレインを有する第1のPチャネルトランジスターと、
    前記第2のノードと第3のノードとの間に電気的に接続されたソース及びドレイン、及び、前記第2のノードに電気的に接続されたバックゲートを有する第2のPチャネルトランジスターと、
    前記第3のノードに電気的に接続され、前記第1のノードから前記第2のノードを介して前記第3のノードに供給された第1の電源電位を上昇させて、前記ワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのソースに供給される第2の電源電位を生成するブートストラップ回路と、
    前記第2のノードに電気的に接続され、前記第1のノードから前記第2のノードに供給された第1の電源電位を上昇させて第3の電源電位を生成する第2のブートストラップ回路と、
    を含み、前記ワード線ドライバーの前記Pチャネルトランジスターのバックゲートに、前記第2のノードから第3の電源電位が供給される、回路装置。
  4. 前記ブートストラップ回路が第1の電源電位を上昇させたときに、前記第2のPチャネルトランジスターの寄生ダイオードを介して前記第3のノードから前記第2のノードに電流が流れる、請求項1〜3のいずれか1項記載の回路装置。
  5. 前記第2のノードから第3の電源電位が供給されて、前記第2のPチャネルトランジスターのゲートを駆動する論理回路をさらに含む、請求項1〜のいずれか1項記載の回路装置。
  6. 前記第2のノードから第3の電源電位が供給されて、前記複数の第3のPチャネルトランジスターのゲートをそれぞれ駆動する複数の論理回路をさらに含む、請求項記載の回路装置。
  7. 前記複数の第3のPチャネルトランジスターのバックゲートに、前記第2のノードから第3の電源電位が供給される、請求項又は記載の回路装置。
  8. 前記第2のノードから第3の電源電位が供給されて、前記複数の第4のPチャネルトランジスターのゲートをそれぞれ駆動する複数の論理回路をさらに含む、請求項記載の回路装置。
  9. 複数のメモリーセルと、
    前記複数のメモリーセルに接続されたワード線を駆動するPチャネルトランジスターを含むワード線ドライバーと、
    前記ワード線ドライバーに電源電位を供給する請求項1〜のいずれか1項記載の回路装置と、
    を含む半導体記憶装置。
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