JPH05109292A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置

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JPH05109292A
JPH05109292A JP26458291A JP26458291A JPH05109292A JP H05109292 A JPH05109292 A JP H05109292A JP 26458291 A JP26458291 A JP 26458291A JP 26458291 A JP26458291 A JP 26458291A JP H05109292 A JPH05109292 A JP H05109292A
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circuit
redundant
column
nand
nand cell
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JP26458291A
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Yoshiyuki Tanaka
義幸 田中
Tomoharu Tanaka
智晴 田中
Masaki Momotomi
正樹 百冨
Yasuo Ito
寧夫 伊藤
Yoshihisa Iwata
佳久 岩田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】製造歩留まり向上を図ったNANDセル型EE
PROMを提供することを目的とする。 【構成】NANDセル型EEPROMにおいて、NAN
Dセルブロック単位で不良を救済する冗長回路を備えた
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的書換え可能な不
揮発性半導体記憶装置(EEPROM)、特にNAND
セル構成のメモリセルアレイを有するEEPROMの冗
長回路に関する。
【0002】
【従来の技術】EEPROMの一つとして、高集積化が
可能なNANDセル型EEPROMが知られている。こ
れは、複数のメモリセルをそれらのソース、ドレインを
隣接するもの同士で共用する形で直列接続して一単位と
してビット線に接続するものである。メモリセルは通常
電荷蓄積層と制御ゲートが積層されたFETMOS構造
を有する。メモリセルアレイは、p型基板またはn型基
板に形成されたp型ウェル内に集積形成される。NAN
Dセルのドレイン側は選択ゲートを介してビット線に接
続され、ソース側はやはり選択ゲートを介してソース線
(基準電位配線)に接続される。メモリセルの制御ゲー
トは、行方向に連続的に接続されてワード線となる。こ
のNANDセル型EEPROMの動作は次の通りであ
る。
【0003】データ書き込み動作は、選択されたメモリ
セルの制御ゲートに高電圧Vpp(=20V程度)を印加
し、非選択メモリセルの制御ゲートおよび選択ゲートに
は中間電位VM (=10V程度)を印加し、ビット線に
はデータに応じて0Vまたは中間電位を与える。ビット
線に0Vが与えられた時、その電位は選択メモリセルの
ドレインまで伝達されて、基板から浮遊ゲートに電子注
入が生じる。これによりその選択されたメモリセルのし
きい値は正方向にシフトする。この状態をたとえばデー
タ“0”とする。ビット線に中間電位が与えられたとき
は電子注入が起こらず、従ってしきい値は変化せず、負
に止まる。この状態はデータ“1”である。
【0004】データ読出し動作は、選択されたメモリセ
ルの制御ゲートを0Vとし、それ以外のメモリセルの制
御ゲートおよび選択ゲートを電源電圧Vcc(=5V)と
して、選択メモリセルで電流が流れるか否かを検出する
ことにより行われる。
【0005】このようなNAND型EEPROMに対し
ては、従来の不揮発性メモリの冗長回路方式のようにワ
ード線を単位として不良を置き換えることはできない。
なぜならNANDセル型EEPROMでは、書込および
読出し動作時には非選択メモリセルは転送ゲートとして
作用するためワード線単位で置き換えても、不良を含む
NANDセルブロックは正常な動作が期待できないから
である。したがってこれまで、NANDセル型のEEP
ROMでは冗長回路は考案されておらず、製造歩留りの
低下が問題となっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来、N
ANDセル型EEPROMでは冗長回路が用いられてい
ず、製造歩留まりが低いという問題があった。本発明は
この様な事情を考慮してなされたもので、冗長回路を備
えて製造歩留まりの向上を図ったNANDセル型EEP
ROMを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に係るNANDセ
ル型EEPROMは、NANDセルブロック単位で置き
換えを可能とした冗長回路を備えたことを特徴とする。
【0008】
【作用】本発明によれば、NANDセル型EEPROM
において不良の置き換えが可能となり、製造歩留りの向
上が計れる。
【0009】
【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
【0010】図1は、本発明の一実施例におけるNAN
Dセル型EEPROMの全体構成を示している。メモリ
セルアレイ21は、後に詳細に説明するように冗長ビッ
トを有する。メモリセルアレイ21に対して、データ書
込みおよび読出しを行うためにビット線制御回路26が
設けられている。このビット線制御回路26はデータ入
出力バッファ25につながる。制御ゲート制御回路23
は、メモリセルアレイ21のロウデコーダ22によって
選択される制御ゲート線にデータ書込み、消去、読出し
およびベリファイの各動作に対応して所定の制御信号を
出力するものである。基板電位制御回路24はメモリセ
ルアレイ21が構成されるp型ウェルを通常は0V、消
去時にVpp(〜20V)に制御するものである。
【0011】入力されたアドレスはアドレスバッファ2
8を通じ、ロウデコーダ22、カラムデコーダ27、ロ
ウ冗長回路29およびカラム冗長回路30に伝達され
る。ロウ冗長回路29およびカラム冗長回路30の出力
もそれぞれロウデコーダ22およびカラムデコーダ27
に伝達される。
【0012】図2(a)(b)は、メモリセルアレイの
一つのNANDセル部分の平面図と等価回路図であり、
図3(a)(b)はそれぞれ図2(a)のA−A′およ
びB−B′断面図である。素子分離酸化膜12で囲まれ
たp型シリコン基板(またはp型ウェル)11に複数の
NANDセルからなるメモリセルアレイが形成されてい
る。一つのNANDセルに着目して説明すると、この実
施例では、8個のメモリセルM1 〜M8 が直列接続され
て一つのNANDセルを構成している。メモリセルはそ
れぞれ、基板11にゲート絶縁膜13を介して浮遊ゲー
ト14(141,142 ,…,148 )が形成され、こ
の上に層間絶縁膜15を介して制御ゲート16(161
,162 ,…,168 )が形成されて、構成されてい
る。
【0013】これらのメモリセルのソース、ドレインで
あるn型拡散層19は隣接するもの同志共用する形で、
メモリセルが直列接続されている。NANDセルのドレ
イン側、ソース側には夫々、メモリセルの浮遊ゲート、
制御ゲートと同時に形成された選択ゲート149 ,16
9 および1410,1610が設けられている。素子形成さ
れた基板上はCVD酸化膜17により覆われ、この上に
ビット線18が配線されている。ビット線18はNAN
Dセルの一端のドレイン側拡散層19にはコンタクトさ
せている。
【0014】行方向に並ぶNANDセルの制御ゲート1
6は共通に制御ゲート線CG1 ,CG2 ,…,CG8 と
して配設されている。これら制御ゲート線はワード線と
なる。選択ゲート149 ,169 および1410,1610
もそれぞれ行方向に連続的に選択ゲート線SG1,SG2
として配設される。
【0015】図4は、この様なNANDセルがマトリク
ス配列されたメモリセルアレイの等価回路を示してい
る。選択ゲートSG1 ,SG2 にはさまれた8本の制御
ゲートCG1 〜CG8 に接続されたメモリセルの集合体
は1NANDセルブロックと呼ばれる。
【0016】図5には、具体的に4MビットNAND型
EEPROMの場合についてメモリセルアレイ21の構
成を示す。4Mビットセルアレイは、基本的に128の
NANDセルブロック(32Kビット)に分割されてい
る。本実施例のNAND型EEPROMにおいてはこの
基本構成に加えて、2個の冗長用NANDセルブロック
を有している。また1カラムは8本のビット線(それぞ
れ入出力線IO0 〜IO7 に相当)からなり、0〜51
1の512カラム構成である。これに対して本実施例の
NAND型EEPROMにおいては、4カラム(すなわ
ち32ビット線)の冗長用カラムを有する。
【0017】図6は、図中1中のロウデコーダ22の具
体的な構成を示す。図6においてはブロック選択回路2
21 によって1つのNANDセルブロックが選ばれる。
図7に冗長ブロック用および非冗長ブロック用のブロッ
ク選択回路の構成を示す。非冗長ブロックは、アドレス
信号と活性化信号RENBLによって1つのNANDブ
ロックが選ばれる。冗長用ブロックは、冗長ブロックア
ドレス信号RSk (k=1,2)と活性化信号RERE
Cによって選択される。
【0018】図6のロウデコーダ回路において、ブロッ
ク選択回路221 の出力はEタイプ,nチャネルMOS
トランジスタとEタイプ,pチャネルMOSトランジス
タからなるトランスファゲートを介して、高電圧スイッ
チ222に接続される。これらの転送経路は、制御信号
ERASE、ERASEBによって読み出し、書き込
み、消去の場合に応じて選択される。
【0019】高電圧スイッチ222 の出力は、図1中の
制御ゲート制御回路23の出力(CG1 〜CG8 )をト
ランスファーゲートを通じて制御ゲートに与えたり、ト
ランスファーゲートをオフして、制御ゲートに接地レベ
ルを与えるのに用いられる。図6に示すロウデコーダ2
2の各モードにおける動作を次に説明する。
【0020】データ読み出し時、消去信号ERASEは
“L”であり、ブロック選択回路によってあるブロック
が選択されると、そのブロックのドレイン側選択ゲート
SGD およびソース側選択ゲートSGS がVccに充電さ
れる。さらにトランスファーゲートがONし、選択され
た制御ゲートに0V、非選択の制御ゲートにVccが印加
される。ベリファイ読み出し時には、選択された制御ゲ
ートゲートは約0.5V程度にする。
【0021】データ書き込みの場合は、消去信号ERA
SEが“L”、ERASEBが“H”であり、選択ブロ
ックにおいては、ドレイン側選択ゲートSGDは中間電
位VM (約8V)、ソース側選択ゲートSGS は0V、
選択された制御ゲートに高電位Vpp、非選択の制御ゲー
トに中間電位VM (約10V)が与えられる。
【0022】データ消去の場合、消去信号ERASEは
“H”、ERASEBは“L”で、これにより選択され
たブロックの制御ゲートはVss、非選択ブロックの制御
ゲートはVppに、また選択ゲートSGD ,SGS は全
て、Vpp−Vth程度に充電される。上記のような回路動
作をするNAND型EEPROMのロウ救済方法につい
て述べる。ここでは配線を溶断するヒューズ方式によっ
て欠陥救済を行う。図8〜図11は、ロウ冗長回路29
の具体的構成である。
【0023】図8は冗長用ブロックを使用するかどうか
を決定する回路である。リセット信号Resetは、電源投
入時に出力されるパルス信号であり、これが回路をリセ
ットする。冗長用NANDセルブロックを用いない場合
はヒューズの切断は行なわない。このときノードN1 は
接地レベルに接続されており、電源を投入すると信号S
PRBk は“H”になる。
【0024】冗長用NANDセルブロックを用いる場合
は図8のヒューズを切断する。ヒューズを切断した後、
電源を投入すると、リセット信号Resetによって、さら
にはノードN1 ,N2 に接続された容量の容量結合によ
って、ノードN1 は“H”に、ノードN2 は“L“にな
り、よって信号SPRBk は“L”になる。例えば二つ
の冗長用NANDセルブロック1,2のうちブロック1
を使用する場合は、信号SPRB1 が“L”となるよう
にヒューズを切断する。
【0025】図9は、不良のNANDセルブロックのア
ドレスを記憶させる回路である。ここでは不良ブロック
アドレスのうち“L”であるアドレスに対応するものの
みヒューズを切断する。例えばアドレス(A12,A13,
A14,A15,A16,A17,A18)=(0,0,1,1,
1,1,1)が不良であり、それを冗長用NANDセル
ブロック1でおきかえる場合には、信号ASPR12B1
およびASPR13B1が出力される回路のヒューズを切
る。
【0026】この場合図9中のノードN3 は“H”,N
4 は“L”,N5 は“H”となり、Ai Bが接続される
トランスファーゲート1がON状態となる。先の不良ア
ドレスが入力されると、A12は“L”すなわちA12Bは
“H”であるので、信号ASPR12B1 は“L”とな
る。同様に信号ASPR13B1 も“L”となる。この時
他の信号ASPRi B1 (i=14,15,16,17,18)は、ト
ランスファーゲート2がON状態であり、かつAi が
“H”であるので“L”となる。
【0027】この記憶回路の出力信号ASPRi B1 と
図8の出力信号SPRB1 のロジックを取る回路が図1
0である。φA は通常“H”であり、チップ一括消去の
時のみ“L”になる。よって、先の不良アドレスが入力
されるとRS1 が“H”となる。上記以外のアドレスが
入力された場合は、ASPRi B1 のうち“H”となる
ものが存在し、RS1 は“L”である。また図9のヒュ
ーズを切断しない場合、アドレス(1,1,1,1,
1,1,1)が入力されると、信号ASPRi Bk はい
ずれも“L”となるが、信号SPRBk が“H”である
から、RSk は“L”である。
【0028】図11はブロック選択回路の活性化信号出
力回路である。不良アドレスが入力されると、図10の
回路出力RS1 が“H”となって、活性化信号RERE
Cが“H”となり、冗長用NANDセルブロックを選択
する。それ以外のアドレスが入力されると活性化信号が
RDENBに従ってRENBLが“H”となって非冗長
用NANDセルブロックを選択する。次にカラムの救済
について説明する。
【0029】図12は図1の中のビット線制御回路26
の具体的な構成を示している。センスアップ兼データラ
ッチ回路として、EタイプpチャネルMOSトランジス
タQp1,Qp2,Qp3,Qp4およびEタイプnチャネルM
OSトランジスタQn1,Qn2,Qn3,Qn4により構成さ
れるCMOSフリップフロップを有する。Eタイプnチ
ャネルMOSトランジスタQn5,Qn6は、アドレスによ
って選ばれるカラム選択信号CSLi によってオン,オ
フし、データ入出力線IO,/IOとこのセンスアンプ
兼データラッチ回路の間のデータの転送を制御するため
の転送ゲートである。1アドレスが8ビット構成の場合
は、CSLi は8本のビット線に対し共通の信号とな
る。
【0030】EタイプnチャネルMOSトランジスタQ
n7はセンスアンプ兼データラッチ回路とビット線BLi
のデータ転送を制御するトラファゲートである。読み出
し時にはクロックφCDが“H”、また書込み時にはクロ
ックφCDはVM (〜10V)となって、このMOSトラ
ンジスタQn7によりデータの転送が行われる。Eタイプ
pチャネルMOSトランジスタQp5は、ビット線プリチ
ャージ用トランジスタである。制御信号/PREが
“L”になることでこのMOSトランジスタQp5がオン
となり、ビット線BLi をVcc=5Vにプリチャージす
る。
【0031】EタイプnチャネルMOSトランジスタQ
n8は、リセット用トランジスタである。制御信号BRE
SETが“H”になることによって、このMOSトラン
ジスタQn8がオンし、ビット線BLi を接地電位にリセ
ットする。
【0032】DタイプnチャネルMOSトランジスタQ
D1は、高電位がメモリセルに印加されるデータ消去の時
にトランジスタQp5,Qn8に高電位が印加されないよう
にするためのものである。クロックφCUを“L”にする
ことでMOSトランジスタQD1がオフになって、MOS
トランジスタQp5,Qn8には高電位が印加されなくな
る。
【0033】次に、図12の制御回路の各モードによる
動作を説明する。データは読み出し時には、クロックφ
A1,φB1が“H”、クロックφA2,φB2が“L”となっ
てフリップフロップは非動作状態である。このときカラ
ム選択信号CSLi は“L”、クロックφCDは“H”、
クロックφCUは“H”、制御信号/PREは“H”、R
ESETは“L”であり、VBTはVccである。つぎに、
制御信号/PREが“L”となってビット線BLi はV
ccにプリチャージされる。制御信号/PREが“H”と
なってビット線BLi がフローティング状態になった
ら、ワード線を所定の電位にしてメモリセルのデータを
読み出す。データによってビット線BLiは“H”か
“L”となる。
【0034】ここでクロックφA1を“L”、φA2を
“H”にすると、ビット線電位に応じてNode 2の電位
が確定し、次にクロックφB1を“L”、φB2を“H”に
すればデータがラッチ状態になる。次にカラム選択信号
CSLi を“H”とすることで、データは入出力線IO
/IOに転送される。書き込み時について説明する。
【0035】クロックφA1,φB1が“L”、φA2,φB2
が“H”となって、フリップフロップは動作状態にな
る。“0”書き込み(セルに電荷を注入)する場合に
は、入出力線IOに“H”、/IOに“L”を与え、カ
ラム選択信号CSLi を“H”にする。“1”書きこみ
(セルに電荷を注入しない)場合には逆に、入出力線I
Oに“L”、/IOに“H”を与え、カラム選択信号C
SLi を“H”にする。この動作をカラムアドレス0か
らカラムアドレス511まで(1ページ)くりかえす。
【0036】1ページ分のデータがッチされると、クロ
ックφCDが“H”となる。クロックφCDとVBTが電源電
位Vccから中間電位VM となって、データによってビッ
ト線はVM か0Vとなる。書き込みが終了すると、VBT
とφCDはVccとなり、φA1,φB1が“H”、φA2,φB2
が“L”となり、さらにBRESETが“H”となって
リセットされる。
【0037】以上のような回路動作を行うNAND型E
EPROMのカラム救済ついて述べる。図13〜図17
はカラム冗長回路であり、それらの構成,動作はそれぞ
れ、図7〜図11のロウ冗長回路と等価である。冗長カ
ラム1〜4のうち冗長カラム1を使用する場合、図14
において、信号SPCB1 が出力される回路のヒューズ
を切断する。これによって電源投入後は、SPCB1 は
“L”となる。また不良カラムアドレスのうち“L”ア
ドレスであるものに対応する図15の回路のヒューズを
切断する。これによって不良アドレスが入力されると図
15の全出力信号ASPCi B1 が“L”となり、これ
により図16の回路の出力信号CS1 が“H”となる。
【0038】これにより、図11の活性化信号出力回路
に対応する図17の回路において、不良アドレスが入力
された時は活性化信号CENBに応じてカラムゲート活
性化信号CERECが“H”となり、不良アドレス以外
の場合には活性化信号CENBに応じてカラムゲート活
性化信号CENBLが“H”となる。
【0039】次にカラム救済を確実に行うための手段に
ついて説明する。ここではカラムの不良としてビット線
にリークがある場合について説明する。ビット線リーク
があると、読み出し時においては、プリチャージ電位が
リークするため誤読み出しをする。またこのビット線リ
ークはこの不良アドレスを冗長アドレスにおきかえても
問題となる可能性がある。
【0040】データ書き込み時、各ビット線は入力デー
タをラッチし後、所定の電位が加えられる。この時不良
アドレスの図12中のラッチ回路中のNode1およびNo
de2のラッチ状態は、外部からデータを送って設定する
ことはできない。なぜなら、すでに冗長カラムにおきか
えを行っているので、アドレスを入力しても不良のビッ
ト線のカラム選択信号CSLが“H”になることはな
く、冗長カラムのカラム選択信号CSLが“H”となる
のみだからである。
【0041】もし不良アドレスのビット線に対し、ラッ
チ回路のNode 1が“H”、Node2が“L”の状態
(“1”書き込み状態)になっているとすると、VBTが
VccからVM にひき上げられた後に、VM からリークビ
ット線を通して電流がリークする。VM は昇圧回路の出
力であるから、リークが大きいとその出力電位が低下す
る可能性がある。このVM は各ビット線に対して共通で
あるから、正常アドレスのビット線レベルも低下し、結
果として誤書き込みを生ずるおそれがある。よって不良
ビット線はNode 1が“L”、Node 2が“H”の状態
にラッチされている必要がある。
【0042】そこで、データ書き込み時においてページ
データを入力する前に、予め全ビット線を、Node 1が
“L”、Node 2が“H”の状態にリセットする。これ
には、ビット線リセット信号BRESETを“H”と
し、クロックφA1,φA2を“L”、クロックφB1,φB2
を“H”とした後、クロックφA2を“H”、クロックφ
B1を“L”とすればよい。この後、リセット信号BRE
SETを“L”とした後、ページデータの入力を開始す
る。これによってリークビット線が書き込み時にチップ
全体に悪影響を及ぼすのを防ぐことができる。
【0043】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、NA
NDセルブロック単位で置き換えを行う冗長回路を設け
ることにより、NANDセル型EEPROMの製造歩留
りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のNANDセル型EEPRO
Mの全体構成を示す図。
【図2】NANDセルの平面図と等価回路図。
【図3】図2(a) のA−A′およびB−B′断面図。
【図4】NANDセルアレイの等価回路図。
【図5】4MビットNANDセルアレイの冗長回路構成
を示す図。
【図6】図1のロウデコーダの構成を示す図。
【図7】ロウデコーダ内のブロック選択回路を示す図。
【図8】ロウ冗長回路の冗長ブロックの使用を決定する
回路を示す図。
【図9】ロウ冗長回路の不良ブロックアドレスを記憶す
る回路を示す図。
【図10】ロウ冗長回路のブロック置換えのロジック回
路を示す図。
【図11】ブロック選択回路の活性化信号出力回路を示
す図。
【図12】図1のビット線制御回路の構成を示す図。
【図13】カラム冗長回路の冗長カラムの使用を決定す
る回路を示す図。
【図14】冗長カラム選択回路を示す図。
【図15】カラム冗長回路の不良カラムアドレスを記憶
する回路を示す図。
【図16】カラム冗長回路のカラム置換えのロジック回
路を示す図。
【図17】カラムゲートの活性化信号出力回路を示す
図。
【符号の説明】
21…メモリセルアレイ、 22…ロウデコーダ、 23…制御ゲート制御回路、 24…基板電位制御回路、 25…データ入出力バッファ、 26…ビット線制御回路、 27…カラムデコーダ、 28…アドレスバッファ、 29…ロウ冗長回路、 30…カラム冗長回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 寧夫 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 岩田 佳久 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に電荷蓄積層と制御ゲートが積
    層形成され、電荷蓄積層と基板間の電荷授受により電気
    的書換えを可能としたメモリセルが複数個ずつ直列接続
    されてNANDセルを構成してマトリクス配列されたセ
    ルアレイを有し、NANDセルブロック単位で置き換え
    を行なう冗長回路を有することを特徴とする不揮発性半
    導体記憶装置。
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