JPH09506459A - 不揮発性半導体メモリのためのセンス増幅器 - Google Patents

不揮発性半導体メモリのためのセンス増幅器

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JPH09506459A JP8510030A JP51003096A JPH09506459A JP H09506459 A JPH09506459 A JP H09506459A JP 8510030 A JP8510030 A JP 8510030A JP 51003096 A JP51003096 A JP 51003096A JP H09506459 A JPH09506459 A JP H09506459A
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Abstract

(57)【要約】 不揮発性半導体メモリは、メモリセルの論理状態と基準セルの論理状態とを比較するためにセンス増幅器を利用する。メリリセルと基準セルに電流を供給する負荷はカーレントミラーを構成し、その増幅率は、供給電圧のレベルに制御的に依存している。この装置は、高い供給電圧よりも低い供給電圧を有する高い増幅感度を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 不揮発性半導体メモリのためのセンス増幅器 〔発明の分野〕 この発明は、2つの論理状態のうちの特定の1つの状態を想定するためのメモ リセルと該セルの特定の論理状態を決定するための検知手段とを具えた電子回路 に関するものである。 この発明は、特に不揮発性半導体メモリに関するものであるが、これに限定さ れるものではない。 〔発明の背景〕 半導体メモリシステムのための重要な設計問題は、メモリの各セルに記憶され たメモリ状態の検知をするために使用される支援回路である。 特に、現在では、プログラムコード、UV消去可能型(EPROM)、電気的 消去可能型(EEPROM)或いはFLASH型のものを記憶するために使用さ れる不揮発性メモリ(NVM)チップが重要である。 典型的な従来型のEPROMにおいては、セルは、水平ワードライン間の行と 、垂直ビットライン間の列とに接続される。 1個の電流センス増幅器が、セルの各列に近接した各ビットラインに接続され る。 ワードラインの電圧を変化させることによって充電状態に応じて組合わされた 行の全てのセルは、組合わされたビットラインに電流を発生する。 電流が、ビットラインに接続されたセンス増幅器によって、検知され、増幅器 の出力端にワード及びビットラインの交点のセルに記憶された、プログラムされ た状態(典型的には“0”)あるいは不プログラム状態(典型的には“1”)に 応じた電圧を発生する。 セルが、チップ当たりのメモリサイズを増大するためにサイズを縮小するので 、検知電流も減少する。感度を増大するために、不プログラム或いはON或いは “1”の状態にある基準セルを同時に検知すること及び基準セルからの基準電流 とその状態が決定されるメモリセル(以下「検知されたセル」からの検知電流と に入力される差動増幅器を使用することが普通行われている。 検知されたセルが、反対のプログラムされた(OFF)状態にあると、差動増 幅器は1つの値を出力する。 検知されたセルが同じ不プログラム(ON)状態にあると、差動増幅器は反対 の値を出力する。 〔発明の目的〕 この発明の目的は、従来のものに比べて、供給電圧の広い範囲に亘って、動作 可能な電子回路を提供することである。 この発明の他の目的は、従来のものに比べて、供給電圧の広い範囲に亘って正 確な動作は検知回路を提供する。 〔発明の要約〕 この発明は、特許請求の範囲のプリアンブルに記載の電子回路において、高い 供給電圧よりも低い供給電圧で高い感度を与えるように回路に印加される供給電 圧に依存する検知手段の感度を制御するために動作するバイアス手段を具えたこ とを特徴としている。 この発明は、プログラムされた及び不プログラムセル、適用供給電圧、及びプ ログラムされた或いは不プログラムメモリセルを的確に検知するために必要な検 知手段の電流感度との間の特定の関係が存在するとの認識に基づいている。 この発明の検知手段は、適用供給電圧に対応するセンス増幅器の感度の制御を 自動的に行ない、もって供給電圧の広い範囲に亘って正確な回路動作を行うこと ができる。 第1の実施例においては、検知手段は、検知電圧を発生するためのメモリセル に検知電流を供給するための検知負荷と、基準電流から基準電圧を発生するため の基準手段とを具えている。 検知手段は、さらに、メモリセルに結合された入力と、検知電圧と基準電圧と を比較して、特定の論理状態の出力信号を発生する基準手段とを有する比較器を 具えている。 バイアス手段は、少なくとも制御負荷或いは検知電流と基準電流の比を制御す るための基準手段に対して、制御信号を発生するように動作する。 この実施例においては、感度は、検知電流の基準電流に対する比を制御するこ とによって、供給電圧に適用される。 他の実施例においては、基準手段は、特定の論理状態を有する基準セルと基準 電流を供給するとともに、接続点において基準電圧を発生するための基準接続点 を介して基準セルに結合されている基準負荷とを具えている。 検知手段は、基準セルとメモリセルとの差動検知を利用している。 これは、セルが均一であって、従って、例えば、温度変化、プロセスパラメー タの広がり等に対して、均一になるので、精度が向上することになる。 望ましくは、基準負荷及び検知負荷は、それぞれカーレントミラーの入力端及 び出力端を構成する。カーレントミラーは、入力端と出力端間の電流増幅率を有 する。 バイアス手段は、供給電圧に依存する増幅率を制御するように動作する。 この構成は、さらに精度を向上させ、その動作は、負荷比検知形式、特に可変 負荷比検知形式に基づいて行なわれる。 検知手段などを有する典型的なEPROMにおいては、不プログラムセルは、 基準セルの如きONセルであり、プログラムセルは、OFFセルである。各NV Mセルは、セルの状態が、OFF状態からON状態へスイッチされた時、自然タ ーンオン閾値Vtを有する。 本発明の好適な実施例においては、基準セル検知回路、例えば、カーレントミ ラーの入力端は、サイズを有し、メモリセル検知回路、例えば、カーレントミ ラーの出力端は、アナログ制御トランジスタと直列接続されたXの分数(1より 小さい)のサイズを有する。望ましくは、基準セル検知回路は、サイズのサイ ズに対応する並列接続されたトランジスタ(ここで>3)を具え、メモリセ ル検知回路は、サイズXの分数のサイズに対応するトランジスタに直列に接続 されたアナログ制御トランジスタを具えた並列接続されたトランジスタ(ここ で≧1)を具えている。 バイアス手段が、供給電圧に接続されていて、制御トランジスタの制御電極に 対して、制御トランジスタがONになる度合いを制御する供給電圧に応じて変化 する信号を供給し、これによって1−から連続的に変化する検知回路における 並列トランジスタの実効数Sを供給する。 これは、A:Sの比をA:1とA:Bの間で変化させ、供給電圧として、検知 回路の感度が1−8Vへ変化する。 〔図面の簡単な説明〕 本発明を、実施例と添付図面によって説明する。 図1は、典型的半導体メモリのブロック、 図2は、差動増幅器に対する半導体メモリの典型的結線図、 図3は、固定負荷比検知方式を使用した従来型不揮発性メモリにおけるセンス 増幅器の回路図、 図4は、本発明に係る可変負荷比検知方式を含むセンス増幅器の1つの形式の 回路図、 図5は、概略的に示される記憶回路に接続される図4に示されるセンス増幅器 の回路図、 図6及び図7は、先行技術と対比して、本発明に係る回路の動作を説明するグ ラフ、 図8は、本発明の説明に役立つ概略図である。 参照番号の数字は、素子を示す。 図1は、3列に配列された2行のメモリセル10を具え、1K或いはそれ以上 の大抵のメモリは、多くの行及び多くの列を有する典型的なICメモリを示して いる。 各メモリセルは、ワードラインWL及びビットラインBLに接続されている。 各ビットラインは、センス増幅器SAに接続されている。 Vccは、供給電圧を表している。 ワードラインが附勢されると、接続メモリセルは、接続されたビットラインの 電流をセンス増幅器SAに供給する。 図2に示されるように、感度を改善するために、センス増幅器SAの出力は、 差動増幅器12の第1入力に接続されている。第2入力は、基準セルRCに順次 接続される、基準増幅器RAに接続されている。 基準セルRCは、不プログラム(ON)であり、ワードラインが附勢される毎 に、固定基準電流Irefを生ずる。 固定基準電流(メモリセルRCON)は、差動増幅器の1つの入力に基準電圧 を生ずる。 この電圧は、増幅器トリップポイント(Trip point)となる。メモリセル10の 検知電流は、差動増幅器の他の入力の電圧に伝送される。 この電圧は、セルの記憶されたメモリ状態(プログラム或いは不プログラム) に依存して、増幅器トリップポイントの上限或いは下限に亘って変化する。これ によって、メモリセルの記憶状態を表すロジックロー(“0”)及びロジックハ イ(“1”)の出力信号の間、差動増幅器をスイッチングする。 図3は、固定感度、即ち、基準NVMセルと検知NVMセル間の固定電流比を 具えた負荷電流タイプの従来型のセンス増幅器を示している。 基準電流Irefに対する負荷14は、例えば、幅と長さの比、10:4を有す る7個のp−MOSトランジスタ15によって供給される。 各基準トランジスタ(図3には示されていないが)は、常にONシンキング(s inking)Irefを意味する不プログラム状態のものである。 検知メモリセルに対する負荷16は、同じ幅と長さの比を有する単一のp−M OSトランジスタ17によって構成されている。 固定負荷カーレントミラー形式を用いた固定負荷比アプローチにおいて、実施 例では、ミラーの基準部分は7個のp−MOSトランジスタ負荷を具え、乗算器 部分は、1個のp−MOS負荷を具えている。 これは、全ての供給電圧のもとで、固定検知電流は、理想的には1:7或いは 基準電流の1/7となる。 一般的に、比が小さければ、電流感度は大きくなる。固定負荷比アプローチの 問題は、全供給範囲に亘っての固定感度である。 供給電圧が減少して、NVM検知セル(低い供給電圧範囲)の自然閾値Vtに 近づくと、センス増幅器の増加した電流感度は、不プログラムセル(ONセル) を検知するのに必要である。 低電圧範囲での差動中は、検知プログラムセル(OFFセル)は、問題ではな い。何故ならばNVMセル技術は、低動作供給電圧をはるかに超えたVt(プロ グラムメカニズム)を有するセルを製作することができる。 結果的にプログラム装置は低供給電圧においても、OFFを維持することにな る。 供給電圧が増加すると(高い供給電圧範囲で)、供給電圧は、NVMセルのプ ログラムされたVtに近づく。この状態でセンス増幅器の減少された電流感度は 、プログラムされたセルを検知するのに必要となる。 高電圧範囲での動作中は、検知不プログラムセルは問題ではない。何故ならば 、供給電圧は、不プログラムセルをターンオンするに必要な電圧をはるかに超え ているからである。 プログラムセル及び不プログラムセルと供給電圧との関係は、本発明の拡大さ れた電圧範囲の不揮発性メモリセンス増幅器をこの問題を解決するために如何に 用いるかということである。 本発明の拡大された電圧範囲NVMセンス増幅器は、可変比負荷電流検出形式 を採用している。比負荷の可変性は、電力供給電圧の関数である。 図4は、本発明に係る回路の一実施例を示す。 実施例においては、幾つかの基準負荷トランジスタ15は同じく7個ある。 しかし、乗算器負荷20は、2個の制御可能或いは可変負荷トランジスタ21 とミラーの乗算器部分に1個の固定負荷トランジスタ22を具える。 2個の可変トランジスタ21は直列接続されたp−MOSトランジスタ24に より制御される。 トランジスタ24は順次、接続点26でバイアス電圧を発生し、供給電圧が増 加すると供給電圧のその分減少させるバイアス発生回路25によって制御される 。 図4の実施例においては、低い電圧供給動作のもとでは、高いバイアスカット オフトランジスタ24は両トランジスタ21を分離して、結果として、ミラーの 乗算器は、サイズにおいて唯1個のp−MOSトランジスタ22となる。 これは、結果として、電流比1:7となる。これは固定比負荷カーレントミラ ーと同じである(図3)。 しかし、高い電圧供給動作のもとでは、バイアスは、減少し、両トランジスタ 21は、3個のp−MOSトランジスタ21,21,22を含む乗算器部分にお いて、完全にONとなる。 この高い電圧供給動作条件のもとでは、電流比は3:7となり、センス増幅器 の電流感度を減少させる結果となる。 このシステムの動作は、次の説明により明確にされる。 参考文献としては、P.E.Allen著,“CMOS Analog Circuit Design”Holt, Rinehart & Winston Inc.Orlando,FL(1987)発行があり、これには、負荷比検知 型式の詳細な説明が記載されている。 一般のセンス増幅器の原理に従って、センス増幅器のトリップポイント(DC )は、次のように表される。 Vttrip=(M−1/M)(Vcc)+Vtref/M ・・・(1) ここで、Vttripは、検知セルの閾値電圧 Vcc は、供給電圧 Vtref は、基準セルの閾値電圧 Mは、検知セル電流に対する基準セル電流の比(前記したA:B)を表 す。 図6は、式(1)のグラフを示している。 パラメータとしてVccの横座標に沿ってEPROMのVt の関数として、縦座 標に沿った電流としてプロットされたIDS特性を有するフローティングゲート型 の典型的なEPROMに対して示される。 Vtref = 2.0V, M = 2,3,6 Vcc = 3.0V,4.0V,6.0V M=2に対して、Vttrip(検知セルに対するVtで表す)を1.5Vのデル タ(4.0−2.5)に対してVcc=3.0V時の2.5VからVcc=6.0時 の4.0Vまで変化している。 M=6に対してVttripを2.5Vのデルタに対してVcc=3.0V時の2. 83VからVcc=6.0V時の5.33Vまで変化している。 Vttripの範囲の意義は、次に説明される。 Vcc(min)(上例では3.0V)時のVttripは、与えられた供給電圧範囲に 対して、不プログラムセルの最大検知セルVtを表す。 Vcc(max)(上例では6.0V)時のVttripは、与えられた供給電圧範囲に 対して、プログラムセルの最小検知セルVtを表す。 この2つの数の間のデルタ電圧は、特定の供給電圧範囲に対する検知セルの“ 不使用”の範囲を表している。 さらにM=2に対して、仮りに、不揮発性セルがプログラムされた間は、Vcc =3.0V時に、セルVt=3.5V、セルはプログラムとして検知される。 しかしながら、Vcc=6.0V時に、セルは不プログラムとして検知される。 2つの重要なDC効果が、図6に示されている。 第1に、Mが2から6に増加すると、不使用検知セルVtの範囲もそのように なる。 これは望ましくない効果である。何故ならば、プログラムセルの使用可能Vt 範囲を減少させることになる(Vcc(max)時のVttripを最大プログラムセルV tに)。 第2に、Mが2から6に増加すると、Vtref(上記実施例においてVtref= 2.0V)とVcc(min)時のVttripの間のデルタがそのようになる。 これは、望ましい効果である。何故ならば不プログラムセルVt範囲が広がる ことになる。 センス増幅器設計の他の重要な点は、動作のスピードである。これは、比負荷カ ーレントミラーの比を調整することによって制御される。 一般的に、Mが増加すると、増幅器入力の放電(不プログラムセルを検知する )のスピードが増加する。この関係は、次式によって表わされる。 dt=(M/M−1)(C/I)dv ・・・(2) ここで、dvは、検知に要求される増幅器入力の電圧の変化分 Cは、増幅器入力の内部キャパシタンス Iは、基準電流 Mは、カーレントミラー比 を表している。 逆に、Mが増加すれば、増幅器入力の充電のスピードが減少することになる。 この関係は、次式によって表わされる。 dt=(M)(C/I)|dv| ・・・(3) ここで、dvは、検知に要求される増幅器入力の電圧における変化分 Cは、増幅器入力の内部キャパシタンス Iは、基準電流 Mは、電流ミラー比 を表わしている。 従って、式(2)および(3)は、Mに関して、それぞれ下限値及び上限値を 与える。 式(2)及び(3)は、増幅器を動作させるために電流を電圧に変換する比負 荷カーレントミラーの概略図を示す図8から導き出される。 本発明に係る可変比負荷電流検知形式は、電力供給電圧の関数として、Mの調 整を可能にする。この可変性は、広い電力供給電圧範囲に亘っての最適設計を可 能にする。 図7は、改良された形式を示している。 図7は、図6について前述された3個の固定比M=2、M=3及びM=6につ いて示している。さらに、可変比は、30で示されている。可変比に対しては、 電力供給電圧3.0Vで、M=6;電力供給電圧6.0VでM=2である。 2つの重要な改良点について説明する。 第1に、低い電力供給動作電圧(実施例において3.0V)において、メモリ ーセルが駆動電流を減少するので、センス増幅器のスピードが最適化される。 従って、Mに対する最適値は、低電流動作に対する式(2)及び(3)の限度 値を用いて決定される。 さらにDCトリップポイントは、増加し、基準セルと、不プログラムセルの最 大検知セルVtとの間の付加マージンをもたらす。 第2に、高い電力供給動作電圧(実施例において6.0V)において、DCト リップポイントは、最適化される。M=2で、プログラムセルの最少検知セルV tは減少される。可変比(M=2に対する1.5V、M=6に対する2.5V、 M=可変に対する1.15V)と固定比の検知セルVtの不使用範囲(デルタ) とを比較すると、可変比は小さい不使用範囲を生ずる。 高い電力供給動作電圧において、メモリーセルは駆動電流を増加し、Mを用い たセンス増幅器スピードを最適化する必要を減少する。 図4に示される実施例においては、2つの出力DIFIN1及びDIFIN2 が示されている。出力増幅器が、差動増幅器であるときは、DIFIN1及びD IFIN2は、増幅器に対する2つの入力を表わす。しかし、差動増幅器は必須 ではない。 シングルエンド増幅器が使用できる。この場合DIFIN2は、シングルエン ド増幅器への入出力として使用される。電圧バイアス発生器25は、カーレント ミラーとして接続されたp−MOSトランジスタより構成される分圧器31を具 えており、それの接続点32から、p−MOSトランジスタ34,35に直列に 接続されたp−MOSトランジスタ33を制御する電圧を導出し、接続点26か らトランジスタ24のゲートのバイアス電圧を導出している。Vccが変化すると 、2つのトランジスタ21によって表される可変乗算器負荷を連続的に制御する バアイス電圧が変化する。かくして、Vccの増加は、接続点26におけるバイア ス電圧の減少をもたらす。この場合におけるトランジスタ24は可変抵抗として 作用する。 図5は、メモリ及び幾つかの追加回路に接続された図4に示されるセンス増幅 器を示している。多くのメモリセルの幾つかだけが40で示されており、多くの 基準セルの幾つかだけが41で示されている。各ワードラインが、附勢されたと き、基準セル41及びメモリセル40の行を動作させる。42,43,44,4 5は、従来型のEPROMメモリである。 制御入力46は、図4におけるバイアス制御入力に相当し、ICの電力ダウン モードのシステムにおけるターンオフの作用を行なう。図5は、2つの出力AM PIN2(DIFIN1に相当する)とAMPIN1(DIFIN2に相当する )を示している。差動増幅器48が使用されると、AMPIN2及びAMPIN 1は、図示のように接続される。シングルエンド増幅器49が使用されると、唯 1つのAMPIN1出力が図示のように接続される。 本発明の基本思想は、カーレントミラーの可変性の思想である。一般的意味に おいて、可変カーレントミラーは、4つのコイポーネントによって構成される。 即ち、基準負荷、固定乗算器負荷、可変乗算器負荷及び供給電圧の増加と同じ パーセント減少するバイアス電圧を発生することによって可変乗算器負荷を制御 する電圧バイアス発生器である。減少された電圧は、増加されたIsence及び減 少された比Mを意味する。 3個の負荷エレメント間の一般的な関係は改善される。Xが、単位ディメンシ ョンの幾つかのトランジスタの意味における基準負荷のサイズを表わし、Yは、 単位ディメンションの幾つかのトランジスタの意味における固定乗算器負荷のサ イズを表わし、Zは、単位ディメンションの幾つかのトランジスタの意味におけ る可変乗算器負荷のサイズを表わすとすると、Y及びZは、次のように規定され る。 (X−1)≧(Y+Z)≧2 ・・・ (4) 最低バイアス電圧は、可変乗算器負荷が、固定乗算器負荷に相当する最低Ise nseを与えるように保証することを条件として、 望ましくは、Y≧1 さらに可能ならば、 Y=0 この状態において、Zは、図4の回路の動作をするために3と等しくなるよう に選定される。 また、この発明は、基準負荷のための幅(W1)を有する単一のMOSトラン ジスタ及びそれぞれのトランジスタのサイズを決定する2つの幅の乗算器負荷の ための幅(W2)を有する単一のMOSトランジスタによって構成され、さらに 、前述した原理に基づいて選定される。 コンポーネントのサイズは、実施例により与えられているいるが、これは臨界 値ではなく、他のコンポーネントのサイズが使用できる。 また、電圧供給動作範囲が与えられているが臨界値ではない。同様に、p−M OSトランジスタはn−MOSトランジスタ或いは供給電圧極性の適当な変更を 有するバイポーラトランジスタによって置換することができる。供給電圧の作用 としての出力電圧を供給する他の種類のバイアス発生器によって置換することが できる。 また、式(4)から解るように、基準負荷トランジスタの数は7個に、また乗 算器負荷が3個に限定されるものではない。 明確にするために、図において、MOSトランジスタの矢印はトランジスタの ドレイン電極を示している。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.2つの論理状態のうちの特定の1つの状態を想定するメモリセル(40)と 、該セルの特定の論理状態を決定する検知手段(20,14,41,48)とを 具えた電子回路において、 高い供給電圧の感度よりも低い供給電圧の感度を与えるように該回路に印加 される供給電圧に依存する検知手段の感度を制御するために動作するバイアス手 段(24,25)を具えたことを特徴とする電子回路。 2.検知手段は、 検知電圧(AMPIN1)を発生するためメモリセルに検知電流(Isense )を供給する検知負荷(20)と、 基準電流(Iref)から基準電圧(AMPIN2)を発生する基準手段(1 4,41)と、 メモリセルに結合された入力と、検知電圧と基準電圧とを比較して、特定の 論理状態の出力信号を発生する基準手段とを具えた比較器(48)と を具え、 バイアス手段は、少なくとも検知負荷或いは検知電流と基準電流の比を制御 する基準手段に制御信号を供給するように動作することを特徴とする請求の範囲 1記載の電子回路。 3.基準手段は、特定の論理状態を有する基準セル(41)と、基準電流を供給 するとともに、接続点において基準電圧を形成する基準接続点を介して、基準セ ルに結合される基準負荷(14)とを具えたことを特徴とする請求の範囲2に記 載された電子回路。 4.基準負荷と検知負荷は、入力端と出力端との間の電流増幅率を有するカーレ ントミラーのそれぞれの入力端及び出力端を形成し、該バイアス手段は、供給電 圧に依存する該増幅率を制御するように動作することを特徴とする請求の範囲3 記載の電子回路。 5.基準負荷は、並列接続され、一端と基準接続点に接続された制御電極を有す る第1の複数のトランジスタ(15)を具え、 検知負荷は、第1トランジスタ(22)と、少なくとも、メモリセルに並列 接続された導電チャネルと、一端と基準接続点に接続された制御電極とを有する 第2トランジスタ(21)とを具え、 検知負荷は、第2トランジスタの導電チャネルとメモリセルとの間の導電チ ャネルと、バイアス手段に接続された制御電極とを具えた第3トランジスタ(2 4)とを具えたことを特徴とする請求の範囲4記載の電子回路。 6.2つの論理状態のうちの特定1つの状態を想定するメモリセル(40)と、 該メモリセルを横切る検知電圧(AMPIN1)を形成する検知電流 (Isense)を供給するための検知負荷(20)と、 特定の論理状態を有する基準セル(41)と、 該基準セルを横切る基準電圧を形成する基準電流(Iref)を供給する基準 負荷(14)と、 該メモリセルと該検知電圧と該基準電圧を受信する該基準セルに結合された 差動増幅器(48)と を具えた電子回路において、 該電子回路に印加される供給電圧に依存する基準電流に対する検知電流の比 を制御するように動作する手段(24,25)を具えたことを特徴とする電子回 路。
JP51003096A 1994-09-16 1995-08-28 不揮発性半導体メモリのためのセンス増幅器 Expired - Fee Related JP3706135B2 (ja)

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