JPH06176583A - 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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JPH06176583A
JPH06176583A JP32677492A JP32677492A JPH06176583A JP H06176583 A JPH06176583 A JP H06176583A JP 32677492 A JP32677492 A JP 32677492A JP 32677492 A JP32677492 A JP 32677492A JP H06176583 A JPH06176583 A JP H06176583A
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JP
Japan
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cell
dummy
writing
memory device
nonvolatile semiconductor
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JP32677492A
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English (en)
Inventor
Shigeru Atsumi
滋 渥美
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】不揮発性半導体記憶装置の動作特性の向上。 【構成】電気的にデータ書き込み及び消去可能な不揮発
性半導体記憶装置において、ノーマル側のメモリセルと
同一の形状および特性を有するトランジスタをダミーセ
ルとして用い、そのダミーセルはデータ書き込み及び消
去可能な構成を有し、データ読み出し回路には差動増幅
器を用い、その差動入力部には、それぞれノーマル側の
メモリセルアレイと該セルアレイに接続されたセンス線
負荷の回路、及びダミーセルと該ダミーセルに接続され
たダミーセンス線負荷の回路を有し、前記ノーマル側の
メモリセルアレイ及びセンス線負荷の回路と、前記ダミ
ーセル及びダミーセンス線負荷の回路とが、実質的に対
称となるように前記メモリセルアレイの非選択セルのド
レイン容量及びYセレクタのドレイン容量と等価なダミ
ー容量をダミー側ビット線に設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、不揮発性半導体記憶装置に係わり、特に、電
気的にデータの書き込み/消去可能なメモリの読み出し
回路部分の改良に関する。
【0001】
【従来の技術】EPROMに代表されるような積層ゲー
ト構造のトランジスタをメモリセルとする不揮発性半導
体記憶装置は、その浮遊ゲートに電子を注入することに
よって、データ書き込みを行う。浮遊ゲートに電子を注
入されたメモリセルは、制御ゲートから見たしきい値電
圧Vthが上がる。
【0002】データの読み出し時には、制御ゲートに一
定電圧(通常は電源電圧)を与え、このときに選択され
たセルのオン/オフ(導通/非導通)状態によって、セ
ルの記憶データの“1”/“0”の判定を行う。
【0003】図4は、従来のEPROMの読み出し回路
の一例である。差動増幅器1の差動入力には、センス線
2の電位Vs、レファレンス電位Vrefが与えられ
る。ビット線2とセンス線3には、ゲートに定電位(バ
イアス)が入力された同一サイズのトランスファゲート
4、5が挿入されている。ビット線6の信号振幅は、セ
ンス線2の負荷L1によって増幅される。
【0004】ここでダミーセル7は、ノーマル側(本体
つまりメモリセルアレイ8)のメモリセル9と同一形状
および特性を有し、オン状態(“1”つまり非書き込み
状態)のセルである。負荷L1、L2のサイズ関係は、
レファレンス電位Vrefに、“1”、“0”検出の中
間レベルを発生させるために、 負荷L1<負荷L2
(コンダクタンスgm関係に対応)に設定する。負荷L
1、L2には、例えば図5のような回路を使用する。こ
の時、負荷特性は、
【0005】
【数1】
【0006】となる。ただしここで、IL は負荷電流、
Vccは電源電圧、Vthは負荷(図2)のしきい値電
圧、εoxは酸化膜の誘電率、toxは酸化膜厚、Wはチャ
ネル幅、Lはチャネル長、μは移動度である。
【0007】図4において、メモリセル電流をIcellと
すると、IL =Icellとなるような電位に、Vsは落ち
着く。このVsが“L”レベルのとき、オン状態セル電
流をIcellon(非書き込み時)とすると、
【0008】
【数2】 一方、Vsが“H”レベルのとき、
【0009】
【数3】
【0010】これに対し、レファレンス側の負荷L2の
チャネル幅Wを大きくとれば、 βref >β(βref はレファレンス側のトランジスタサ
イズに対応する定数β) となり、
【0011】
【数4】 (ただしここのIcellonはダミーセル側オン電流)とな
って、中間電位を発生できる。
【0012】ところで従来方式による場合、センスアン
プ感度(オフ状態セルであると判定されるのに必要なし
きい値電圧Vthと電源電圧Vccの関係)は、センス
線側とレファレンス側の負荷L1、L2のサイズ比で表
わすことができる。
【0013】
【数5】
【0014】ここでVthonは初期状態(紫外線消去後、
つまり非書き込み状態)のメモリセル9のしきい値電
圧、△Vthは書き込まれたセルVthのシフト量、β
cellはセルの定数β、Vdはセルのドレイン電圧であ
る。また、ワード線11に電源電圧Vccを与えること
から、セルのゲート電圧Vg=Vccとした。このとき
センス線2側については、IL =Icellより、
【0015】
【数6】 レファレンス側(ダミー側)については、負荷の比をα
(>1)とし、他は同様に考えると、
【0016】
【数7】
【0017】メモリセル9がオフであると判定されるた
めの条件は、Vs>Vrefである。この条件を(1)
式、(2)式に入れて解くと、センス感度については、
次の(3)式の関係を得る。
【0018】
【数8】 これはオフ状態セルであると判定されるのに必要なしき
い値のシフト量と電源電圧Vccの関係である。
【0019】以上のように従来方式においては、上記
(3)式で示したように、オフ状態セルであると判定さ
れるのに必要なしきい値電圧シフト量△Vthが、強い
Vcc依存性を持っている。この事は、広い電源電圧範
囲で、動作保証するのが困難になるものである。また、
図4のように、センス用負荷L1、L2を互いに非対称
にしているため、これら双方間の出力電圧の変化量がア
ンバランスになる等で、ノイズマージンがなくなって、
誤動作などの原因となり、動作高速化の妨げとなってい
た。
【0020】図3は、上記問題点が生じる原因を示すI
cell(=Id)−Vg(=Vcc)特性図で、21は
“1”を記憶するメモリセルの電流特性、22は“0”
を記憶するメモリセルの電流特性、23はレファレンス
側(ダミー側)回路ので電流特性を示す。この図3を見
ても分かるとうり、負荷L1、L2が互いに非対称のサ
イズを有するため、例えば特性22、23が非対称の特
性となり、これら特性に交点24が生じて、“0”ステ
ートと“1”ステートの検出が不可能になる恐れが生じ
たりするものであった。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記実情に
鑑みてなされたもので、広い電源電圧の範囲で、安定に
高速動作が可能な不揮発性半導体記憶装置を提供しよう
とするものである。
【0022】
【課題を解決するための手段と作用】本発明は、電気的
にデータ書き込み及び消去可能な不揮発性半導体記憶装
置において、ノーマル側のメモリセルと同一の形状およ
び特性を有するトランジスタをダミーセルとして用い、
そのダミーセルはデータ書き込み及び消去可能な構成を
有し、データ読み出し回路には差動増幅器を用い、その
差動入力部には、それぞれノーマル側のメモリセルアレ
イと該セルアレイに接続されたセンス線負荷の回路、及
びダミーセルと該ダミーセルに接続されたダミーセンス
線負荷の回路を有し、前記ノーマル側のメモリセルアレ
イ及びセンス線負荷の回路と、前記ダミーセル及びダミ
ーセンス線負荷の回路とが、実質的に対称となるように
前記メモリセルアレイの非選択セルのドレイン容量及び
Yセレクタのドレイン容量と等価なダミー容量を、ダミ
ーセンス線に接続されるダミー側ビット線に設けたこと
を特徴とする不揮発性半導体記憶装置である。
【0023】すなわち本発明は、電気的にデータ書き込
み及び消去可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPRO
M)に対してなされたものである。EEEPROMで
は、ダミーセルのしきい値電圧を、任意の値に調整する
ことが可能である。この特徴を利用して、ダミーセル
に、オフ状態セルであると判定されるのに必要なしきい
値電圧のシフト量(前記△Vthに対応)の中間状態に
あらしめる書き込み(いわば半書き込み)を行うことに
より、上記本発明の目的を達成する。
【0024】
【実施例】以下図面を参照して本発明の一実施例を説明
する。図1は、同実施例を示す回路図であるが、これ
は、図4のものと対応させた場合の例であるから、対応
箇所には同一符号を用いる。図1の特徴は、ダミーセル
7aを、本体側(ノーマル側)メモリセル9と同一形状
及び特性を有するものとする。ダミーセル7aには、オ
フ状態セルであると判定されるのに必要なしきい値電圧
のシフト量(△Vth)の中間状態にあらしめる書き込
み(ここではこの書き込みを半書き込みという)が行わ
れている点が、ノーマルセル9とは異なっている。ノー
マルセル9には通常の書き込みを、ダミーセル7aには
半書き込みを行わせるには、書き込み回路31を用い
る。差動増幅器1の一方の差動入力Vsを得るノーマル
系回路32と、他方の差動入力Vrefを得るダミー系
回路33とでは、互いに対称とはいえない。それは、主
にビット線6が複数であって、この各ビット線6には、
それぞれセル9のドレインが接続され、また各ビット線
6にYセレクタ(列選択トランジスタ)34が挿入され
ていることによる。そこでダミー系回路33のダミービ
ット線6aに、非選択セルのYセレクタ34のドレイン
容量の総和に対応する容量35と、非選択セルのドレイ
ン容量の総和に対応する容量36を設ける。この様にす
れば、読み出し動作時においては、ノーマル系回路32
とダミー系回路33とは、実質的に対称であるとみなす
ことができる。上記容量35、36としては、PN接合
容量などが考えられる。
【0025】書き込み回路31は、書き込み用のトラン
ジスタ(エンハンスメントNチャネル型)37のソース
とYセレクタ34のドレインとの間に接続されかつノー
マルセル書き込み時にオン状態、ダミーセル書き込み時
にオフ状態に制御されるノーマルセル側選択用トランジ
スタ38と、同じくトランジスタ37のソースとトラン
ジスタ5のドレインとの間に接続されかつノーマルセル
書き込み時にオフ状態、ダミーセル書き込み時にオン状
態に制御されるダミーセル側選択用トランジスタ39と
を有する。トランジスタ37は、ドレインが書き込み電
圧Vppノードに接続され、そのゲートには、データ入
/出力パッドから入力された書き込みデータに応じて書
き込みレベル/非書き込みレベルになる書込制御電圧が
ゲート40から印加される。
【0026】トランジスタ38のゲートには、書き込み
イネーブル信号WEが印加され、この信号WEは、ノー
マルセルの書き込み時に書き込み電圧Vppになり、読
み出し時に接地電位になる。
【0027】トランジスタ39のゲートには、ダミー書
き込みイネーブル信号DMWEが印加され、この信号
は、ダミーセル7aの書き込み時に書き込み電圧Vpp
になり、読み出し時に接地電位になる。
【0028】なお、メモリセル7、ダミーセル7aのド
レイン/制御ゲート/ソースには、読み出し/書き込み
/消去の各動作モードに応じて、下記の表1に示す電圧
が与えられる。
【0029】
【表1】
【0030】書き込み時には、トランジスタ37は、書
き込みデータに応じてオンあるいはオフになる。選択メ
モリセル9に対する書き込み時には、トランジスタ38
がオンになり、選択メモリセルのソースに0V、基板に
も0V、制御ゲート及びドレインには書き込み高電圧V
ppをそれぞれ与える。すると選択メモリセルのドレイ
ン・ソース間にオン電流が流れ、ドレイン付近でホット
・エレクトロン及びホット・ホールの対が発生する。そ
してホールは基板電流として基板に流れるが、ホット・
エレクトロンが、選択メモリセルの浮遊ゲートに注入さ
れることにより、制御ゲートから見たしきい値が上昇
し、書き込みが終了する。ダミーセル7aに対する書き
込み時には、ダミーセル側選択用トランジスタ39がオ
ンになり、ダミーセル7aのソースに0V、基板にも0
V、制御ゲート及びドレインには書き込み電圧Vppを
所定条件で与えることにより、所望の半書き込みが行わ
れる。つまり、データ消去後にダミーセル7aに書き込
みを行うことにより、ダミーセル7aのしきい値を任意
の値(この場合図2のレファレンス電圧Vrefの特性
23が、ノーマルセルの“1”特性21と“0”特性2
2の中間にこれらと相似的に位置するように)に設定す
ることができる。
【0031】このことは、負荷L1、L2を互いに同サ
イズとし、ダミーセル7aに対して半書き込みが行われ
るごとくしきい値電圧を調整する。このときの書き込み
量を△Vthdummycell とすれば、負荷L1、L2のサイ
ズが等しい(対称)であるため、オフ状態セルと判定す
るのに必要なしきい値シフトは、次の数9であればよ
い。
【0032】
【数9】
【0033】この値は、前記(3)式と比較して分かる
ように、電源電圧Vccにかかわらず一定であり、広い
電源電圧範囲の動作が保証される。また本発明において
は、ノーマル側回路32とダミー側回路33が、差動増
幅器1を挟んで実質的に対称となり、したがって図2の
ような特性が得られて、特性の安定性が良くなり、広い
ノイズマージン変えられる。このため回路の高速化が可
能となる。
【0034】なお本発明は実施例のみに限られず、種々
の応用が可能である。例えば、本発明でいう中間電位と
は、△Vthの幅の中央のみをさすのではなく、その付
近の△Vthの幅の間をさすものである。
【0035】
【発明の効果】以上説明したごとく本発明によれば、オ
フ状態セルであると判定するのに必要なしきい値電圧シ
フト量が、電源電圧によらず一定であり、また、
“1”、“0”判定の特性の対称性が良く、広いノイズ
マージンを有した不揮発性半導体装置が提供できるもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回路図。
【図2】同回路の特性図。
【図3】従来回路の特性図。
【図4】従来の不揮発性半導体記憶装置を示す回路図。
【図5】同回路の負荷部分の詳細図。
【符号の説明】
1…差動増幅器、6…ビット線、6a…ダミービット
線、7a…ダミーセル、8メモリセルアレイ、9…メモ
リセル、11…ワード線、31…書き込み回路、32…
ノーマル側回路、33…ダミー側回路、34、34a…
Yセレクタ、35、36…付加容量、37…書き込み用
トランジスタ、38…ノーマル側選択用トランジスタ、
39…ダミー側選択用トランジスタ、L1…ノーマル側
負荷、L2…ダミー側負荷。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気的にデータ書き込み及び消去可能な不
    揮発性半導体記憶装置において、ノーマル側のメモリセ
    ルと同一の形状および特性を有するトランジスタをダミ
    ーセルとして用い、そのダミーセルはデータ書き込み及
    び消去可能な構成を有し、データ読み出し回路には差動
    増幅器を用い、その差動入力部には、それぞれノーマル
    側のメモリセルアレイと該セルアレイに接続されたセン
    ス線負荷の回路、及びダミーセルと該ダミーセルに接続
    されたダミーセンス線負荷の回路を有し、前記ノーマル
    側のメモリセルアレイ及びセンス線負荷の回路と、前記
    ダミーセル及びダミーセンス線負荷の回路とが、実質的
    に対称となるように前記メモリセルアレイの非選択セル
    のドレイン容量及びYセレクタのドレイン容量と等価な
    ダミー容量を、ダミーセンス線に接続されるダミー側ビ
    ット線に設けたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装
    置。
  2. 【請求項2】前記各負荷は、チャネル導電路の一端にゲ
    ートを接続したMOSトランジスタよりなる請求項1に
    記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】前記メモリセル及びダミーセルは、制御ゲ
    ートとその下方の基板との間に浮遊ゲートを有したMO
    Sトランジスタである請求項1に記載の不揮発性半導体
    記憶装置。
  4. 【請求項4】前記ダミー容量はPN接合容量である請求
    項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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