JPH10326494A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPH10326494A
JPH10326494A JP3211798A JP3211798A JPH10326494A JP H10326494 A JPH10326494 A JP H10326494A JP 3211798 A JP3211798 A JP 3211798A JP 3211798 A JP3211798 A JP 3211798A JP H10326494 A JPH10326494 A JP H10326494A
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JP
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cell
comparison
memory
cells
memory cell
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JP3211798A
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English (en)
Inventor
Yoshihito Owa
義仁 大輪
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Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Priority to TW087104304A priority patent/TW392163B/zh
Priority to HK98111542A priority patent/HK1010599A1/xx
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    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C16/00Erasable programmable read-only memories
    • G11C16/02Erasable programmable read-only memories electrically programmable
    • G11C16/06Auxiliary circuits, e.g. for writing into memory
    • G11C16/26Sensing or reading circuits; Data output circuits
    • G11C16/28Sensing or reading circuits; Data output circuits using differential sensing or reference cells, e.g. dummy cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 読み出し時の判定マージンを大きくとれる半
導体記憶装置の提供。 【解決手段】 半導体記憶装置は、共通のソースライン
3を挟むように配置した、メモリセル11、13等とメ
モリセル12、14等とからなるメモリセルアレイと、
比較セル対(比較セル26、27)と、読み出し回路2
を含む。比較セルは、メモリセルと同様の製造プロセス
により形成される。読み出し回路2は、比較セルのいず
れか一方を選択するための比較セル選択回路22を有
し、メモリセルの読み出し時に、比較セル選択回路が当
該メモリセルに対応する比較セルを選択する。比較セル
対を複数設けて比較セルを並列接続してもよい。この場
合、比較アクセル対の個数に応じてセンスアンプが含む
カレントミラー回路のトランジスタのサイズを調整す
る。斜めイオン打ち込みによりドレイン、ソース領域が
形成されるメモリにも適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、メモリセルアレイ
のある行に属するメモリセルからなる第1のセル群と、
その行の直前及び直後のいずれかの行に属するメモリセ
ルからなる第2のセル群とが、共通のソースラインを挟
むように配置されてなる半導体記憶装置に関する。特
に、各メモリセルの実効チャネル長が前記ソースライン
の一方側のメモリセルと他方側のメモリセルとで相互に
異なる場合であっても、前記いずれの側のメモリセルに
ついても、判定マージンを大きくとることができる半導
体記憶装置に関する。
【0002】
【背景技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、例えば米国特許USP5386158に開示される
ように、フラッシュEEPROM(以下、「フラッシュ
メモリ」と言う)に記憶された値が”0”か”1”かを
判断する際に、比較セルを利用する技術が知られてい
る。これを図9を用いて背景技術として説明する。
【0003】図9において、メモリセルアレイ1はスプ
リットゲート型をなすメモリセルにより構成されてい
る。このメモリセルアレイ1では、ある行(ここでは、
奇数行R2m-1)に属するメモリセルからなる第1のセル
群(ここでは、メモリセル11、13のみを示す)と、
その直前または直後の行(ここでは、偶数行R2m)に
属するメモリセル(ここでは、メモリセル12、14の
みを示す)とが2行で1組となって配置されている。そ
して、各メモリセルの各ソース領域S1〜S4は、共通
のメモリセル用ソースライン3にそれぞれ接続されてい
る。これらのメモリセルのうち同一列(ここでは、列C
nやCn+1)に属する、それぞれ2つのメモリセル(ここ
では、11、12、及び13、14)が、ソースライン
3を挟むように(ここでは、対称となるように)メモリ
セル対を形成している。なお、図9及び以下において、
m=1、2、・・・、M/2(Mは、メモリセルアレイ
の行数)、n=1、2、・・・、N(Nは、メモリセル
アレイの列数)である。
【0004】ワードラインWL2m-1は、行R2m-1に属す
るメモリセル11、13のコントロールゲートCG1、
CG3に、ワードラインWL2mは、行R2mに属するメモ
リセル12、14のコントロールゲートCG2、CG4
にそれぞれ接続されている。また、ビットラインBLn
は、列Cnに属するメモリセル11、12のドレイン領
域D1、D2に、ビットラインBLn+1は、列Cn+1に属
するメモリセル13、14のドレイン領域D3、D4に
それぞれ接続されている。
【0005】図9において、読み出し回路7は、比較部
71、比較セル72、センスアンプ731、732を含
む。また、比較セル72のソース領域Sは、比較セル用
ソースライン81に接続されている。図示はしないが、
このソースライン81と、前述したメモリセルアレイ1
のソースライン3とは同電位とされており、また比較セ
ル72はメモリセル11、13と同一の向きとなるよう
に構成されている。
【0006】比較セル72からの比較信号REF(ドレ
イン電流Idr)は、センスアンプ731に入力され
る。メモリセルからの読み出し信号WS(ドレイン電流
Idw)は、センスアンプ732に入力される。センス
アンプ732の増幅率は、センスアンプ731の増幅率
よりも小さく設定されている。比較部71はセンスアン
プ731の出力REF’(ドレイン電流Idr’)と、
センスアンプ732の出力WS’(ドレイン電流I
w’)とを比較して、当該読み出すべきメモリセルの
記憶値が“0”か“1”か(すなわち、書き込み状態に
あるか消去状態にあるか)を判定する。
【0007】なお 図9においては、メモリセルアレイ
1の物理アドレスA0、A1、・・・、Akの指定に際
し、行アドレスデコーダ41が、下位ビットA0、A1
・・・、Ajのデコードを行っている。また、列アドレ
スデコーダ42が、上位ビットAj+1、Aj+2、・・・、
kのデコードを行っており、マルチプレクサ43が列
アドレスデコーダ42からの信号に基づき、メモリセル
からの読み出し信号WS(ドレイン電流Idw)をセン
スアンプ732に送出している。
【0008】ところで、メモリセルアレイ1を構成する
各メモリセル、及び読み出し回路7に設けられる比較セ
ル72は、通常、それぞれの構成要素が同一の製造プロ
セスにより同一基板に同時に形成される。このため、側
面説明図である図10に示すように、例えばメモリセル
11、12のフローティングゲート111、121を形
成するときのマスクアライメントと、コントロールゲー
ト112、122を形成するときのマスクアライメント
との間に誤差が生じることがある(図10では、フロー
ティングゲートの設計位置をα1、α2で示す)。
【0009】メモリセル11、12の共通のソース領域
103、及びドレイン領域114、124は、フローテ
ィングゲート111、121及びコントロールゲート1
12、122を形成した後に形成される。すなわち、ソ
ース領域やドレイン領域を形成するためのドーパントの
注入は、フローティングゲートやコントロールゲートの
上方から行われる。このため、上記のようなマスクアラ
イメント誤差が生じると、メモリセル11と12の実効
チャネル長が互いに異なってしまう。例えば、メモリセ
ル11の実効チャネル長L1が本来のチャネル長L0か
らδだけ長くなれば、メモリセル12の実効チャネル長
L2は本来のチャネル長L0からδだけ短くなる。即ち
L1=L0+σ、L2=L0−σとなり、メモリセル1
1と12との実効チャネル長の差は2σになる。
【0010】一方、図10には示さないが、図9の比較
セル72は、通常、メモリセル11及び12のいずれか
と同一の向きとなるように構成される。したがって、比
較セル72の実効チャネル長は、メモリセル11及び1
2のいずれかの実効チャネル長と異なってしまう。例え
ば比較セル72がメモリセル11と同一の向きを向いて
いたとする。すると、メモリセル11及び比較セル72
の実効チャネル長はL1=L0+σとなり、メモリセル
12の実効チャネル長はL2=L0−σとなる。したが
って、メモリセル11及び比較セル72とメモリセル1
2との実効チャネル長の差は2σになる。
【0011】この結果、各Vcg/Id(Vcg:コン
トロールゲート電圧、Id:ドレイン電流)特性はメモ
リセル11と比較セル72とでは同一であるが、メモリ
セル12と比較セル72とでは大きく異なってしまう。
これは、消去状態(フローティングゲートに電子が蓄積
されていないとき)において、特に顕著になる(後述す
る、図4(B)、図5(B)参照)。
【0012】参考に、通常のメモリセルアレイにおい
て、消去状態及び書き込み状態(各フローティングゲー
トに電子が蓄積されているとき)のメモリセルについて
の読み出しを行った場合の、奇数行と偶数行のメモリセ
ルのドレイン電流Idの大きさを表したグラフを、図1
1(A)、(B)に示す。図11(A)は消去状態、図
11(B)は書き込み状態でのドレイン電流を表す。図
11(A)、(B)からわかるように、読み出そうとし
ているメモリセルが、消去状態であるか、書き込み状態
であるかによらず、奇数行と偶数行とのドレイン電流I
dの大きさが異なっている。そして、その相違は消去状
態の時に特に顕著となる。
【0013】また図10のようなマスクアライメント誤
差が生じると、メモリセル11(及び比較セル)の容量
レシオとメモリセル12の容量レシオも異なったものに
なってしまう。ここで容量レシオとは、コントロールゲ
ート・フローティングゲート間の容量とフローティング
ゲート・ソース領域間の容量との比である。この容量レ
シオは、コントロールゲートに電位が印加された際のフ
ローティングゲートの電位を決めるものである。したが
って、この容量レシオが異なったものになると、メモリ
セルのしきい値等の特性も異なったものになってしま
う。
【0014】以上のようにメモリセルの特性の相違が大
きくなると、正常に読み出しができない不良のメモリセ
ルが多くなり、あるいは不良のフラッシュメモリが製造
されるおそれが大きくなり、歩留まりが低下する。この
ため、製造工程において、より高い精度のマスクアライ
メントが要求される。また、読み出し信号値の判定マー
ジンに大きなバラツキが生じるため、フラッシュメモリ
のエンデュランスの劣化を考慮した製品寿命として、最
も実効チャネル長の差2δが大きいフラッシュメモリの
寿命をカタログ等に記載せざるを得なくなる。この結
果、本来まだ使用できるフラッシュメモリの寿命を実質
上早期に終了させる。これにより、例えば、ユーザは、
フラッシュメモリがまだ使用できるにもかかわらず、ア
クセス回数を参照することで当該フラッシュメモリが製
品寿命に達したと判断し、安全を見越して、フラッシュ
メモリの不要の交換をするという事態も生じる。また、
判定マージンに大きなバラツキがあることから、各メモ
リセルの記憶値を多値(記憶レベルを2値より多く、例
えば4、8値)とすることには限界がある。加えて、従
来のフラッシュメモリでは、メモリセルのサイズによら
ず、上記実効チャネル長の差2δは変化しない。したが
って、メモリセルのサイズを小さくすればするほど(す
なわち、チャネル長の設計値が小さくなればなるほ
ど)、長い実効チャネル長(L0+δ)と短い実効チャ
ネル長(L0−δ)との比は大きくなり、これがフラッ
シュメモリの高集積化の妨げとなる。
【0015】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたものであって、その目的とするところは、
以下の通りである。
【0016】(1)メモリセルアレイの、ある行に属す
るメモリセルからなる第1のセル群と、その行の直前及
び直後のいずれかの行に属するメモリセルからなる第2
のセル群とが、共通のソースラインを挟むように配置さ
れてなる半導体記憶装置において、各メモリセルの実効
チャネル長が前記ソースラインの一方の側のメモリセル
と他方の側のメモリセルとで異なる場合であっても、い
ずれのメモリセルについても読み出し回路の判定マージ
ンを大きくすること。
【0017】(2)上記半導体記憶装置を構成する各メ
モリセルの記憶値を多値とすること。
【0018】(3)上記半導体記憶装置の製造に際し
て、歩留まりを向上させ、しかも実質上の半導体記憶装
置の寿命を延長すること。
【0019】(4)上記半導体記憶装置の製造に際し
て、マスクアライメントの誤差を許容すること。
【0020】(5)上記半導体記憶装置の高集積化を促
進すること。
【0021】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る半導体記憶装置のメモリセルアレイで
は、任意行に属するメモリセルからなる第1のセル群
と、当該任意行の直前及び直後のいずれかの行に属する
メモリセルからなる第2のセル群とが、各セル群に共通
のメモリセル用ソースラインを挟んで配置される。そし
て、前記第1及び第2のセル群の各メモリセルのソース
領域が、前記メモリセル用ソースラインにそれぞれ接続
される。ここで、同一列に属する、前記第1のセル群の
メモリセルと前記第2のセル群のメモリセルとが、メモ
リセル対を形成している。
【0022】また、上記半導体記憶装置は、少なくとも
1つの読み出し用比較セル対を有している。この比較セ
ル対を構成する第1、第2の比較セルは、各比較セルに
共通の比較セル用ソースラインを挟んで配置されてい
る。そして、前記第1、第2の比較セルのうち一方が前
記第1のセル群のメモリセルと同一の向き、他方が前記
第2のセル群のメモリセルと同一の向きとなり、かつ前
記第1、第2の比較セルのソース領域が、前記比較セル
用ソースラインにそれぞれ接続される。
【0023】上記メモリセル対を構成する各メモリセ
ル、及び上記比較セル対を構成する第1、第2の比較セ
ルは、通常、形状が同一とされる。また、上記読み出し
用比較セル対は、ダミー用比較セル対確保のため(使用
する比較セル対を、通常使用しない複数のダミー用比較
セル対の間に配置する)に、1つのメモリセルアレイに
対して複数設けることができる。また、比較セルの特性
のバラツキを平均化するため、複数の比較セルを並列に
接続して用いることもできる。
【0024】本発明において、前記各メモリセル及び前
記第1、第2の比較セルは、例えばスプリットゲート型
の構造をなし、かつそれぞれの構成要素が同様の製造プ
ロセスにより共通の基板に、通常は同時に形成される。
スプリットゲート型のメモリセルは、チャネル領域の両
側にソース領域及びドレイン領域が形成された基板と、
当該基板上に絶縁体層を介して形成されたフローティン
グゲートと、さらにフローティングゲート上に絶縁体層
を介して形成されたコントロールゲートとから構成され
る。フローティングゲートは、チャネル領域の一部を覆
うように形成される。
【0025】また、読み出し回路は、前記比較セル対を
構成する前記第1、第2の比較セルのうちいずれか一方
を選択するための比較セル選択回路を含む。そして、比
較セル選択回路が、メモリセルの読み出しに際して、読
み出される当該メモリセルの向きと同一の向きの比較セ
ルの選択を行う。特に、本発明では、前記比較セル選択
回路は、読み出しを行うべきメモリセルの物理アドレス
の最下位ビット(LSB)のみを検出することで前記比
較セルの選択を行うことができる。
【0026】本発明の半導体記憶装置の製造に際して、
各メモリセルのフローティングゲートを形成するときの
マスクアライメントと、コントロールゲートを形成する
ときのマスクアライメントとの間に誤差が生じたとす
る。これにより、メモリセル用ソースラインの一方の側
に位置するメモリセルの実効チャネル長と、他方の側に
位置するメモリセルの実効チャネル長とが異なる場合が
生じる。ここで、メモリセルの構造によっては、チャネ
ル長のみならずチャネル幅もマスクアライメント誤差に
影響される場合がある。例えば、マスクアライメント誤
差が、チャネル領域における電流方向と同一方向に生じ
る場合には、実効チャネル長がメモリセルにより異なる
ようになる。一方、マスクアライメント誤差が、上記電
流方向と垂直な方向に生じる場合には、実効チャネル幅
がメモリセルにより異なるようになる。
【0027】本発明においては、各メモリセルのフロー
ティングゲートを形成するときには、各比較セルのフロ
ーティングゲートも同時に形成することが好ましい。ま
た各メモリセルのコントロールゲートを形成するときに
は、各比較セルのコントロールゲートも同時に形成する
ことが好ましい。また、前述したように、本発明では、
メモリセル用ソースラインの一方の側に位置するメモリ
セルと比較セル用ソースラインの一方の側に位置する比
較セルとの向きを同一とし、かつメモリセル用ソースラ
インの他方の側に位置するメモリセルと比較セル用ソー
スラインの他方の側に位置する比較セルとの向きを同一
としてある。
【0028】こうすることで、メモリセル用ソースライ
ンの一方の側に位置するメモリセルの実効チャネル長
と、比較セル用ソースラインの一方の側に位置する比較
セルの実効チャネル長とが同一またはほぼ同一となる。
またメモリセル用ソースラインの他方の側に位置するメ
モリセルの実効チャネル長と、比較セル用ソースライン
の他方の側に位置する比較セルの実効チャネル長とが同
一またはほぼ同一となる。実効チャネル長が同一の、メ
モリセルと比較セルは、Vcg/Id(Vcg:コント
ロールゲート電圧、Id:ドレイン電流)特性が同一で
あることが期待される。
【0029】本発明では、前記比較セル選択回路は、メ
モリセルの読み出しに際して、当該メモリセルの実効チ
ャネル長と同じ長さの、または実質上同一の実効チャネ
ル長を持つ比較セルを選択する。すなわち、読み出そう
とするメモリセルと同一のVcg/Id特性を持つ比較
セルにより、読み出し信号の判定を行う。したがって、
メモリセルと比較セルとの実効チャネル長の違いに起因
する従来の問題は解決される。
【0030】本発明において比較セル対を複数設ける場
合には、複数の前記比較セル対に含まれる前記第1の比
較セルのドレイン領域を接続すると共に、複数の前記比
較セル対に含まれる前記第2の比較セルのドレイン領域
を接続することが望ましい。このように比較セル対を複
数設け複数の比較セルを並列に接続することで、比較用
セルの特性のバラツキを平均化できる。例えば第1、第
2の比較セル対を設けたとし、第1の比較セル対の第1
の比較セルと、第2の比較セル対の第1の比較セルが選
択された場合を考える。この時、本発明によれば、第1
の比較セル対の第1の比較セルのドレイン電流と第2の
比較セル対の第1の比較セルのドレイン電流の平均値に
応じた値を持つ比較用電流を生成できるようになる。同
様に、第1の比較セル対の第2の比較セルと、第2の比
較セル対の第2の比較セルが選択された場合には、第1
の比較セル対の第2の比較セルのドレイン電流と第2の
比較セル対の第2の比較セルのドレイン電流の平均値に
応じた値を持つ比較用電流を生成できるようになる。し
たがって、プロセス変動等により比較セルのドレイン電
流にバラツキが生じた場合にも、比較用電流のバラツキ
を最小限に抑えることが可能になる。
【0031】この場合、本発明では、前記読み出し回路
が、読み出されるメモリセルに流れる第1の電流を第2
の電流に変換する第1のセンスアンプと、前記比較セル
対に流れる第3の電流を第4の電流に変換する第2のセ
ンスアンプと、前記第1のセンスアンプからの前記第2
の電流と前記第2のセンスアンプからの前記第4の電流
とを比較する比較部とを含むことが望ましい。そして、
前記第1の電流と前記第2の電流との第1の電流比及び
前記第3の電流と前記第4の電流との第2の電流比の少
なくとも一方が、前記比較セル対の個数に応じた値に調
整されることが望ましい。この場合、比較セル対の個数
が多くなるにつれて、例えば第2の電流比が小さくなる
ようにしたり、あるいは第1の電流比が大きくなるよう
にする。このようにすることで、比較セル対の個数が多
くなった場合にも、比較用電流(例えば第2のセンスア
ンプの第4の電流)を最適化することが可能になる。
【0032】この場合、本発明では、前記第1のセンス
アンプが第1のカレントミラー回路を含み、前記第2の
センスアンプが第2のカレントミラー回路を含むことが
望ましい。そして、前記第1、第2のカレントミラー回
路を構成するトランジスタのサイズが、前記比較セル対
の個数に応じた値に調整されることが望ましい。このよ
うにすれば、トランジスタサイズを調整するだけで、上
記第1、第2の電流比を、比較セル対の個数に応じた最
適な値にすることが可能になる。
【0033】なお、本発明は、メモリセル及び比較セル
がスプリットゲート型(EEPROM、EPROM等)
である場合に特に有効な効果を奏するが、メモリセル及
び比較セルが、マスクROM、DRAM、SRAM等、
スプリットゲート型以外のタイプのメモリである場合に
も適用できる。特に、メモリセル及び第1、第2の比較
セルのソース領域及びドレイン領域が、斜めイオン打ち
込みされた不純物により形成されてるようなタイプのメ
モリに適用した場合に、本発明は有効な効果を奏する。
【0034】
【発明の実施の形態】
1.構成 図1は、本発明の半導体記憶装置の一実施形態を、フラ
ッシュメモリを例にして示す部分図である。図1におけ
る、メモリセルアレイ1は、図9で既に述べたメモリセ
ルアレイ1と構成が同一であるので、ここでの説明は省
略する。また、図1における物理アドレスの指定に際し
て用いる行アドレスデコーダ41、列アドレスデコーダ
42、マルチプレクサ43の動作は、図9のフラッシュ
メモリと同様であるのでこれについても説明は省略す
る。
【0035】図1において、読み出し回路2は、比較部
21、比較セル選択回路22、2つの比較セル26、2
7(第1、第2の比較セル)からなる比較セル対、及び
センスアンプ281、282を含んでいる。ここでは、
比較セル26はメモリセル11、13と同一の向き、比
較セル27はメモリセル12、14と同一の向きとな
り、かつ比較セル26、27が、共通のソースライン8
1を挟んで配置されている。この比較セル対をなすそれ
ぞれの比較セルは、互いに向きあって構成され、比較セ
ル26、27の各ソース領域S5、S6は、ソースライ
ン81に接続されている。また、図には表していない
が、このソースライン81と、前述したメモリセルアレ
イ1のソースライン3とは同電位となるよう接続されて
いる。
【0036】なお、本実施形態では、メモリセル対をな
すそれぞれのメモリセルはソースライン3に対称となる
ように、また比較セル26、27はソースライン81に
対称となるように配置されているが、本発明はこれには
限定されない。また、メモリセル対をなすそれぞれのメ
モリセルの位置関係、比較セル26、27の位置関係
は、本実施形態におけるこれらの位置関係に限定され
ず、マスクアライメントのずれやチャネルの向きの関係
などから、本発明の効果を奏するような位置関係にあれ
ばよい。
【0037】比較セル選択回路22により選択された比
較セル26または27からの比較信号REF11またはR
EF21(ドレイン電流Idr)は、センスアンプ281
を介して比較部21にREF11’またはREF21’(ド
レイン電流Idr’)として入力される。ここでREF
11、REF21は、各々、比較セル26、27からの比較
信号である。一方、メモリセルからの読み出し信号WS
11またはWS21(ドレイン電流Idw)は、センスアン
プ282を介して比較部21にWS11’またはWS21
(ドレイン電流Idw’)として入力される。ここで、
WS11、WS21は、各々、奇数行及び偶数行のメモリセ
ルからの読み出し信号である。センスアンプ282の増
幅率は、センスアンプ281の増幅率よりも小さく設定
されている。比較部21は、センスアンプ281から入
力した信号(REF11’またはREF21’)と、センス
アンプ282から入力した信号(WS11’またはW
21’)を比較して、メモリセルに記憶された値が
“0”か“1”か(すなわち、フローティングゲートに
電子が蓄積されているかいないか)を判定する。
【0038】本実施形態では、メモリセルアレイ1を構
成する各メモリセル、及び比較セル26、27は、それ
ぞれの構成要素が同一製造プロセスにより同一基板に同
時に形成されている。図1に示すフラッシュメモリの各
メモリセルや比較セルの形成の際にも、図9、図10の
フラッシュメモリと同様、フローティングゲート(図1
において、111、121、131、141、261、
271で示す)を形成するときのマスクアライメント
と、コントロールゲート(図1において、112、12
2、132、142、262、272で示す)を形成す
るときのマスクアライメントとの間に誤差が生じること
がある。このマスクアライメント誤差が生じると、例え
ばメモリセル11、13とメモリセル12、14との間
で実効チャネル長や容量レシオが互いに異なってしま
う。また、比較セル26と27との間でも実効チャネル
長や容量レシオが互いに異なってしまう。
【0039】ところが、本実施形態では、図2の側面説
明図及び図3の平面説明図に示すように、比較セル26
はメモリセル11と向きが同一となるように、また比較
セル27はメモリセル12と向きが同一となるように構
成されている。したがって、比較セル26とメモリセル
11との間で、及び比較セル27とメモリセル12との
間で、実効チャネル長はそれぞれ同一となる(容量レシ
オも同一になる)。
【0040】なお、図2及び図3では、メモリセル11
及び比較セル26の実効チャネル長が長くなり、メモリ
セル12及び比較セル27の実効チャネル長が短くなっ
た場合を示している。また図2において、比較セル2
6、27のフローティングゲートを261、271で、
コントロールゲートを262、272で、ドレイン領域
を264、274で、共通のソース領域を203で示
す。なお、図2において、図1や図10と同一符合で示
した構成要素等は、図10に示した構成要素等と同一で
ある。また、図3において、ビットラインをBLで、ワ
ードラインをWL1、WL2で示す他、図1と同一符合で
示した構成要素等は、図1に示した構成要素等と同一で
ある。
【0041】2.動作 図1のフラッシュメモリは、以下のように動作する。す
なわち、比較セル選択回路22は、例えばメモリセル1
1の読み出しに際しては、メモリセル11の向きと同一
の向きの比較セル26を選択する。一方、メモリセル1
2の読み出しに際しては、メモリセル12の向きと同一
の向きの比較セル27を選択する。本実施形態では、比
較セル選択回路22は、読み出しを行うべきメモリセル
の物理アドレスのLSBを検出し、LSBが“0”か
“1”かにより比較セルの選択を行っている。すなわ
ち、本実施形態では、奇数行はLSBが“0”、偶数行
はLSBが“1”となるように、メモリセルアレイの物
理アドレスが設定されている。
【0042】3.判定マージンの改善 図4(A)は、本実施形態において、メモリセルが消去
状態(すなわち、読み出すべきメモリセルのフローティ
ングゲートに電子が蓄積されていない状態)での、セン
スアンプ281からの信号REF11’、REF21’の特
性、及びセンスアンプ282からの信号WS11’、WS
21’の特性を示すグラフである。図4(A)において、
横軸は各コントロールゲートに印加される電圧Vcgを
表し、縦軸は電流を表す。また比較セル26を利用して
第1のセル群のメモリセル(例えば、メモリセル11)
の読み出しを行った場合のマージンをM1により示し、
比較セル27を利用して第2のセル群のメモリセル(例
えば、メモリセル12)の読み出しを行った場合のマー
ジンをM2により示してある。
【0043】また、図4(B)は、図9及び図10のフ
ラッシュメモリにおいて、メモりセルが消去状態での、
センスアンプ731からの信号REF’、センスアンプ
732からの信号WS1’、WS2’の特性を示すグラフ
である。図4(B)においても、横軸は各コントロール
ゲートに印加される電圧Vcgを表し、縦軸は電流を表
す。また比較セル72を利用して第1のセル群のメモリ
セル(例えば、メモリセル11)の読み出しを行った場
合のマージンをM3により示し、比較セル72を利用し
て第2のセル群のメモリセル(例えば、メモリセル1
2)の読み出しを行った場合のマージンをM4により示
してある。
【0044】図5(A)は、本実施形態において、メモ
リセルが書き込み状態(すなわち、各フローティングゲ
ートに電子が蓄積されている状態)での、REF11’、
REF21’、WS11’、WS21’の特性を示すグラフで
ある。図5(A)において、横軸は各コントロールゲー
トに印加される電圧Vcgを表し、縦軸の電流は対数表
示で表してある。対数表示としたのは、図4(A)と異
なり図5(A)では、REF11’及びREF21’とWS
11’及びWS21’との差が非常に大きいからである(W
11’及びWS21’が非常に小さい)。また、比較セル
26を利用して第1のセル群のメモリセル(例えば、メ
モリセル11)の読み出しを行った場合のマージンをm
1により示し、比較セル27を利用して第2のセル群の
メモリセル(例えば、メモリセル12)の読み出しを行
った場合のマージンをm2により示してある。
【0045】図5(B)は、図9及び図10のフラッシ
ュメモリにおいて、メモりセルが書き込み状態での、R
EF’、WS1’、WS2’の特性を示すグラフである。
図5(B)においても、横軸は各コントロールゲートに
印加される電圧Vcgを表し、縦軸の電流は対数表示で
表してある。また、比較セル72を利用して第1のセル
群のメモリセル(例えば、メモリセル11)の読み出し
を行った場合のマージンをm3により示し、比較セル7
2を利用して第2の群のメモリセル(例えば、メモリセ
ル12)の読み出しを行った場合のマージンをm4によ
り示してある。
【0046】なお図4(A)、(B)、図5(A)、
(B)のいずれの場合においても、比較セルは消去状態
となっている。即ちメモリセルが書き込み状態か消去状
態かの判定(メモリセルに記憶された値が“0”か
“1”かの判定)は、メモリセルに流れる電流と、消去
状態の比較セルに流れる電流とを比較(実際には、これ
らの電流をセンスアンプで変換することで得られる電流
を比較)することで実現される。したがって、図4
(A)、(B)のREF11’、REF21’、REF’
と、図5(A)、図5(B)のREF11’、RE
21’、REF’は同一の特性を表すものである(但
し、図5(A)、(B)は対数表示になっている)。そ
して、例えば図4(A)に示すように、WS11’がRE
11’よりも大きければメモリセル11は消去状態であ
ると判断され、WS21’がREF21’よりも大きけれ
ば、メモリセル12は消去状態であると判定される。一
方、図5(A)に示すように、WS11’がREF11’よ
りも小さければ、メモリセル11は書き込み状態である
と判定され、WS21’がREF21’よりも小さければ、
メモリセル12は書き込み状態であると判定される。
【0047】本実施形態のフラッシュメモリにおいて
は、図4(A)、図5(A)に示すように、メモリセル
11が消去状態か否かの判定のマージンM1、及び書き
込み状態か否かの判定のマージンm1が共に大きい。同
様に、メモリセル12が消去状態か否かの判定のマージ
ンM2、及び書き込み状態か否かの判定のマージンm2
も共に大きい。これは、本実施形態では、マスクアライ
メント誤差等に起因してWS11’が小さくなりWS21
が大きくなると、WS11’の比較対象となるREF11
が小さくなる一方で、WS21’の比較対象となるREF
21’が大きくなるからである。
【0048】これに対して、図9、図10のフラッシュ
メモリでは、図4(B)、図5(B)に示すように、メ
モリセル11については、書き込み状態か否かの判定の
マージンm3は大きいが、消去状態か否かの判定のマー
ジンM3が小さくなってしまう。一方、メモリセル12
については、逆に、消去状態か否かの判定のマージンM
4は大きいが、書き込み状態か否かの判定のマージンm
4が小さくなってしまう。したがって、結局、小さい方
の判定マージンがそのメモリセルの判定マージンになっ
てしまい、フラッシュメモリの歩留まりや寿命が低下す
る。図9、図10のフラッシュメモリでは、比較対象と
なるREF’が1つしかなく、マスクアライメント誤差
等に起因してWS1’が小さくなりWS2’が大きくなる
と、メモリセル11、12のいずれについても消去状態
の判定の際のマージン及び書き込み状態の判定の際のマ
ージンのいずれかが必ず悪化してしまうからである。
【0049】4.比較セルの並列接続 図6に、本実施形態の他の構成例を示す。図6の特徴
は、比較セル対を複数設け、比較セルを並列接続した点
にある。その他の点については図1と同様であるため、
ここでの説明は省略する。
【0050】図6において、読み出し回路2は、比較セ
ル26、27からなる比較セル対と、比較セル36、3
7からなる比較セル対とを含んでいる。ここでは、比較
セル26及び36がメモリセル11、13と同一の向
き、比較セル27、37がメモリセル12、14と同一
の向きとなっている。また比較セル26、27が共通の
ソースライン81を挟んで配置されると共に、比較セル
36、37が共通のソースライン81を挟んで配置され
る。これらの比較セル対をなすそれぞれの比較セルは、
互いに向きあって構成され、比較セル26、27、3
6、37の各ソース領域S5、S6、S7、S8は、ソ
ースライン81に接続されている。また比較セル26、
36のドレイン領域D5、D7が相互に接続される一方
で、比較セル27、37のドレイン領域D6、D8が相
互に接続される。なお図6において361、371はフ
ローティングゲートであり、362、372はコントロ
ールゲートである。
【0051】図6のフラッシュメモリは、以下のように
動作する。すなわち、比較セル選択回路22は、例えば
メモリセル11の読み出しに際しては、メモリセル11
の向きと同一の向きの比較セル26及び36の両方を選
択する。したがって、この場合には、比較セル26を流
れるドレイン電流Idr1と比較セル36を流れるドレイ
ン電流Idr2の合計が、ドレイン電流Idrとしてセン
スアンプ281に入力されることになる。
【0052】一方、比較セル選択回路22は、メモリセ
ル12の読み出しに際しては、メモリセル12の向きと
同一の向きの比較セル27及び37の両方を選択する。
したがって、この場合には、比較セル27を流れるドレ
イン電流Idr3と比較セル37を流れるドレイン電流I
r4の合計が、ドレイン電流Idrとしてセンスアンプ
281に入力されることになる。
【0053】図6の構成によれば、例えば比較セル26
のIdr1にバラツキが生じても、このIdr1にIdr2
加算されるため、センスアンプ281に入力されるId
rのバラツキ幅を小さくできるようになる。同様に、比
較セル27のIdr3にバラツキが生じても、このIdr3
にIdr4が加算されるため、センスアンプ281に入力
されるIdrのバラツキ幅を小さくできるようになる。
【0054】なお、このように比較セル対を複数設け比
較セルを並列接続した場合には、例えばセンスアンプ2
81や282で行われる電流変換の電流比(Idr’/
Idr)、や(Idw’/Idw)を、比較セル対の個数
に応じた値に調整することが望ましい。例えば比較セル
対が2個の場合には、センスアンプ281での電流比
を、比較セル対が1個の場合の電流比の例えば1/2程
度にする。また比較セル対が3個の場合には、センスア
ンプ281での電流比を、比較セル対が1個の場合の電
流比の例えば1/3程度にする。4個以上の場合も同様
である。またセンスアンプ282での電流比を調整する
ようにしてもよい。
【0055】なお電流比の調整は、後述するように、セ
ンスアンプ281、282がカレントミラー回路を含む
場合には、そのカレントミラー回路を構成するトランジ
スタのサイズを調整することで実現できる。
【0056】5.読み出し回路の詳細例 図7に、読み出し回路2の詳細例を示す。
【0057】センスアンプ281は、P型のトランジス
タ44、45、46及びN型のトランジスタ47、4
8、49、50、51を含む。ここでトランジスタ4
4、48は電圧増幅器を構成するものであり、トランジ
スタ45、46はカレントミラー回路を構成するもので
ある。基準電位VREFは、電圧増幅器の増幅率を決め
るものであり、この増幅率により、ライン68の上側の
クランプ電位VH及び下側のクランプ電位VLが決定さ
れる。
【0058】センスアンプ282は、P型のトランジス
タ54、55、56及びN型のトランジスタ57、5
8、59、60、61を含む。ここでトランジスタ5
4、57、60は電圧増幅器を構成するものであり、ト
ランジスタ55、56はカレントミラー回路を構成する
ものである。また基準電位VREFは、電圧増幅器の増
幅率を決めるものであり、この増幅率により、ライン7
0の上側のクランプ電位VH及び下側のクランプ電位V
Lが決定される。
【0059】比較部21は、シングルインプットの比較
器として機能するインバータ回路62を含む。
【0060】比較セル選択回路22は、N型のトランジ
スタ64、65、インバータ回路66を含み、トランジ
スタ65のゲートにはアドレス信号A0(LSB)が入
力され、トランジスタ64のゲートにはA0を反転した
信号が入力される。
【0061】図7の動作について説明する。比較セル2
6、27、36、37は、常に消去状態になっている。
即ちオンになっている。そしてA0が”0”の場合に
は、トランジスタ64がオンし、比較セル26及び36
が選択される。したがって、Idr=Idr1+Idr2
なる。一方、A0が”1”の場合には、トランジスタ6
5がオンし、比較セル27及び37が選択される。した
がって、Idr=Idr3+Idr4になる。
【0062】Idrは、センスアンプ281により電流
変換され、センスアンプ281はIdr’を比較部21
に出力する。この電流変換の際の電流比は、例えばカレ
ントミラー回路を構成するトランジスタ45、46のサ
イズ(W/L)の比等により決められる。比較セル対を
2つ設けた場合には、トランジスタ45と46のサイズ
比を例えば2対1程度にし、3つ設けた場合には3対1
程度にする。
【0063】読み出されたメモリセルが消去状態(オン
状態)であった場合、Idwが流れる。そして、このI
wはセンスアンプ282により電流変換され(カレン
トミラー回路によりミラーされ)、大きな電流であるI
w’がライン72に流れ込む。そして、Idw’(図4
(A)のWS11’、WS21’)は、Idr’(RE
11’、REF21’)よりも大きいため、ライン72の
電位はトランジスタ56によりHレベルにされ、比較部
21の出力74はLレベルになる。
【0064】一方、読み出されたメモリセルが書き込み
状態(オフ状態)であった場合、Idwはほとんど零に
なる。そして、このIdwはセンスアンプ282により
電流変換され(カレントミラー回路によりミラーさ
れ)、小さな電流であるIdw’がライン72に流れ込
む。そして、このIdw’(図5(A)のWS11’、W
21’)は、Idr’(REF11’、REF21’)より
も小さくなるため、ライン72の電位はトランジスタ5
1によりLレベルにされ、比較部21の出力74はHレ
ベルになる。
【0065】したがって、比較部21の出力74のレベ
ルを検出することで、読み出されたメモリセルが消去状
態なのか書き込み状態なのかを判定できるようになる。
【0066】本実施形態の半導体記憶装置は上記のよう
に構成したので、以下のような効果を奏することができ
る。
【0067】(1)読み出し信号値の判定マージンを、
いずれのメモリセルについても均一化することができ
る。
【0068】(2)各メモリセルに多値を記憶させるこ
とができる。
【0069】(3)製造歩留まりを向上させ、しかも実
質上の半導体記憶装置の寿命を延長することができる。
【0070】(4)マスクアライメントの誤差を許容す
ることができる。
【0071】(5)半導体記憶装置の高集積化を促進す
ることができる。
【0072】なお本発明は上記実施形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。
【0073】例えば本実施形態では、メモリセルに2値
(“0”、“1”)を記憶させる場合を説明した。しか
しながら本実施形態では、上述したようにいずれのメモ
リセルについても判定マージンを大きくとることができ
る。したがって、1つのメモリセルに4値、8値を記憶
させることも容易となることは明らかであろう。
【0074】また本実施形態では、EEPROM、EP
ROMなどのスプリットゲート型構造のメモリへの適用
例について説明した。しかしながら本実施形態はこれに
限らず、マスクROM、DRAM、SRAM等の種々の
タイプのメモリに適用できる。
【0075】特に、図8に示すように、メモリセル31
1、312、比較セル326、327のドレイン領域D
1、D2、D3、D4、ソース領域S1、S2、S3、
S4が、斜めイオン打ち込みされた不純物により形成さ
れている場合に、本発明の構成は有効になる。半導体基
板は単結晶で立方格子であるため、真上方向からイオン
を打ち込むと、原子が重なっている部分ではイオンの注
入が妨げられ、重なっていない部分ではイオンが奥まで
注入される。この結果、深さ方向に不純物の濃度のピー
クが2つできてしまい、イオン注入の制御が難しくな
る。これに対して、斜めイオン打ち込みを行えば、イオ
ンが深さ方向に均一に注入されるようになり、不純物の
濃度のピークを1つにすることが可能になる。したがっ
て、イオン注入の制御が容易になり、半導体基板の表面
付近に不純物の濃度のピークを形成することが可能にな
る。この結果、ドレイン容量を減少させること等が可能
になり、デバイスの微細化、高速化を図れるようにな
る。
【0076】しかしながら、図8に示すように、メモリ
セル311、312が共通のソース領域S1、S2を挟
んで配置される構成では、斜めイオン打ち込みを行う
と、メモリセル311と322の電流特性(ゲート・ソ
ース間電圧−ドレイン電流特性、ドレイン・ソース間電
圧−ドレイン電流特性等)が異なったものになるという
問題が生じる。メモリセル311では、ドレイン領域D
1はゲートG1の方向にシフトしソース領域S1はゲー
トG1から離れる方向にシフトするのに対し、メモリセ
ル312では、ドレイン領域D2はゲートG2から離れ
る方向にシフトしソース領域S2はゲートG2の方向に
シフトするからである。特に、デバイスの微細化が進む
と、この電流特性の相違は大きな問題になり、メモリの
高集積化の妨げとなる。
【0077】本実施形態によれば、共通のソース領域S
3、S4を挟んで配置される比較セル326、327が
設けられる。そして比較セル326はメモリセル311
と同一の向きとなり、比較セル327はメモリセル31
2と同一の向きになるように構成されている。したがっ
て、斜めイオン打ち込みを行った場合にも、比較セル3
26はメモリセル311と同一の電流特性を持ち、比較
セル327はメモリセル312と同一の電流特性を持つ
ことを期待できる。そして、メモリセル311について
は比較セル326を利用して読み出しが行われ、メモリ
セル312については比較セル327を利用して読み出
しが行われる。この結果、斜めイオン打ち込みに起因し
て、メモリセル311と312に電流特性等の相違が生
じても、読み出しの際の判定マージンを大きくとること
等が可能になり、歩留まりの向上やメモリの高集積化を
図ることが可能になる。
【0078】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体記憶装置の一実施形態を、フラ
ッシュメモリを例にして示す部分図である。
【図2】図1に示すメモリセル対と比較セル対とを示す
側面説明図である。
【図3】図1に示すメモリセル対と比較セル対とを示す
平面説明図である。
【図4】図4(A)は、メモリセルのフローティングゲ
ートに電子が蓄積されていない場合(消去状態)の、本
実施形態における比較信号と読み出し信号との関係を示
すグラフ、図4(B)は、図9のフラッシュメモリにお
ける比較信号と読み出し信号との関係を示すグラフであ
る。
【図5】図5(A)は、メモリセルのフローティングゲ
ートに電子が蓄積されている場合(書き込み状態)の、
本実施形態における比較信号と読み出し信号との関係を
示すグラフ、図5(B)は、図9のフラッシュメモリに
おける比較信号と読み出し信号との関係を示すグラフで
ある。
【図6】比較セル対を複数設けた場合の例について示す
フラッシュメモリの部分図である。
【図7】読み出し回路の詳細例を示す図である。
【図8】フラッシュメモリ以外への本発明の適用例につ
いて説明するための図である。
【図9】フラッシュメモリの背景技術について説明する
ための図である。
【図10】図9に示すメモリセル対の側面説明図であ
る。
【図11】図11(A)は、通常のメモリセルアレイに
おいて、消去状態において読み出しを行った場合の、奇
数行と偶数行とのメモリセルのドレイン電流Idの大き
さを表したグラフ、図11(B)は、書き込み状態にお
いてメモリセルアレイの読み出しを行った場合の、奇数
行と偶数行とのメモリセルのドレイン電流Idの大きさ
を表したグラフである。
【符号の説明】
11〜14 メモリセル 111、121、131、141、261、271 フ
ローティングゲート 112、122、132、142、262、272 コ
ントロールゲート 103、203 ソース領域 114、124、134、144、264、274 ド
レイン領域 2 読み出し回路 21 比較部 22 比較セル選択回路 26、27、36、37 比較セル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/792

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 任意行に属するメモリセルからなる第1
    のセル群と、当該任意行の直前及び直後のいずれかの行
    に属するメモリセルからなる第2のセル群とが、各セル
    群に共通のメモリセル用ソースラインを挟んで配置さ
    れ、同一列に属する、前記第1のセル群のメモリセルと
    前記第2のセル群のメモリセルとが、メモリセル対を形
    成し、かつ前記第1及び第2のセル群の各メモリセルの
    ソース領域が、前記メモリセル用ソースラインにそれぞ
    れ接続されてなるメモリセルアレイと、 第1、第2の比較セルが各比較セルに共通の比較セル用
    ソースラインを挟んで配置され、前記第1、第2の比較
    セルのうち一方が前記第1のセル群のメモリセルと同一
    の向き、他方が前記第2のセル群のメモリセルと同一の
    向きとなり、かつ前記第1、第2の比較セルのソース領
    域が前記比較セル用ソースラインにそれぞれ接続されて
    なる、少なくとも1つの比較セル対と、 前記メモリセルアレイの所与の物理アドレスに対応する
    メモリセルの読み出しを行う読み出し回路とを含む半導
    体記憶装置であって、 前記各メモリセル及び前記第1、第2の比較セルは、そ
    れぞれの構成要素が同様の製造プロセスにより共通の基
    板に形成されるスプリットゲート型の構造をなし、 前記読み出し回路が、 前記比較セル対を構成する前記第1、第2の比較セルの
    うちいずれか一方を選択するための比較セル選択回路を
    含み、 前記比較セル選択回路が、 メモリセルの読み出しに際して、前記第1、第2の比較
    セルのうち、読み出される当該メモリセルの向きと同一
    の向きの比較セルの選択を行うことを特徴とする半導体
    記憶装置。
  2. 【請求項2】 任意行に属するメモリセルからなる第1
    のセル群と、当該任意行の直前及び直後のいずれかの行
    に属するメモリセルからなる第2のセル群とが、各セル
    群に共通のメモリセル用ソースラインを挟んで配置さ
    れ、同一列に属する、前記第1のセル群のメモリセルと
    前記第2のセル群のメモリセルとが、メモリセル対を形
    成し、かつ前記第1及び第2のセル群の各メモリセルの
    ソース領域が、前記メモリセル用ソースラインにそれぞ
    れ接続されてなるメモリセルアレイと、 第1、第2の比較セルが各比較セルに共通の比較セル用
    ソースラインを挟んで配置され、前記第1、第2の比較
    セルのうち一方が前記第1のセル群のメモリセルと同一
    の向き、他方が前記第2のセル群のメモリセルと同一の
    向きとなり、かつ前記第1、第2の比較セルのソース領
    域が前記比較セル用ソースラインにそれぞれ接続されて
    なる、少なくとも1つの比較セル対と、 前記メモリセルアレイの所与の物理アドレスに対応する
    メモリセルの読み出しを行う読み出し回路とを含む半導
    体記憶装置であって、 前記各メモリセル及び前記第1、第2の比較セルは、そ
    れぞれの構成要素が同様の製造プロセスにより共通の基
    板に形成される構造をなし、 前記読み出し回路が、 前記比較セル対を構成する前記第1、第2の比較セルの
    うちいずれか一方を選択するための比較セル選択回路を
    含み、 前記比較セル選択回路が、 メモリセルの読み出しに際して、前記第1、第2の比較
    セルのうち、読み出される当該メモリセルの向きと同一
    の向きの比較セルの選択を行うことを特徴とする半導体
    記憶装置。
  3. 【請求項3】 請求項2において、 前記メモリセル及び前記第1、第2の比較セルのソース
    領域及びドレイン領域が、斜めイオン打ち込みされた不
    純物により形成されていることを特徴とする半導体記憶
    装置。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかにおいて、 前記比較セル選択回路は、読み出しを行うべきメモリセ
    ルの物理アドレスのLSBに応じて前記比較セルの選択
    を行うことを特徴とする半導体記憶装置。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかにおいて、 前記比較セル対を複数含み、 複数の前記比較セル対に含まれる前記第1の比較セルの
    ドレイン領域が接続されると共に、複数の前記比較セル
    対に含まれる前記第2の比較セルのドレイン領域が接続
    されていることを特徴とする半導体記憶装置。
  6. 【請求項6】 請求項5において、 前記読み出し回路が、 読み出されるメモリセルに流れる第1の電流を第2の電
    流に変換する第1のセンスアンプと、 前記比較セル対に流れる第3の電流を第4の電流に変換
    する第2のセンスアンプと、 前記第1のセンスアンプからの前記第2の電流と前記第
    2のセンスアンプからの前記第4の電流とを比較する比
    較部とを含み、 前記第1の電流と前記第2の電流との第1の電流比及び
    前記第3の電流と前記第4の電流との第2の電流比の少
    なくとも一方が、前記比較セル対の個数に応じた値に調
    整されていることを特徴とする半導体記憶装置。
  7. 【請求項7】 請求項6において、 前記第1のセンスアンプが第1のカレントミラー回路を
    含み、前記第2のセンスアンプが第2のカレントミラー
    回路を含み、 前記第1、第2のカレントミラー回路を構成するトラン
    ジスタのサイズが、前記比較セル対の個数に応じた値に
    調整されていることを特徴とする半導体記憶装置。
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