JPH113598A - 浮動ゲート記憶セルに記憶された電圧を読み取る方法 - Google Patents
浮動ゲート記憶セルに記憶された電圧を読み取る方法Info
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- JPH113598A JPH113598A JP13088497A JP13088497A JPH113598A JP H113598 A JPH113598 A JP H113598A JP 13088497 A JP13088497 A JP 13088497A JP 13088497 A JP13088497 A JP 13088497A JP H113598 A JPH113598 A JP H113598A
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Abstract
フィードバック・モードにおける線形領域で使用し、セ
ルの閾値によってセル電流が線形に変わる線形化記憶セ
ルを提供すること。 【解決手段】 等価能動MOS抵抗の両端にセル電流を
流すことによって、セル閾値電圧に線形に依存したセル
読出し電圧を達成する。
Description
に関し、詳細にいえば、不揮発性メモリ集積回路を利用
した集積回路のアナログ信号記録再生に関する。
hard Simkoの米国特許第5220531号に
おいては、アナログ信号の記録再生にEEPROM(電
気的に消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ)
が使用されている。これらのセルは、ソース、ドレン、
ゲートおよびフローティング・ゲートを有するフローテ
ィング・ゲート・デバイスで構成されている。デバイス
のゲートとソースの間で測定されるデバイスの閾値は、
フローティング・ゲートの電荷によって決定(制御)さ
れる。これらのセルはゲートに高電圧、たとえば21V
を、ソースに0Vを、そしてドレンに0Vを印加するこ
とにより、ファウラー−ノルドハイム・トンネリングを
使用して消去される。ゲートの高電圧は、容量的にフロ
ーティング・ゲートに結合しており、フローティング・
ゲートとドレンの間にトンネル酸化物を介して高い電界
を発生する。この電界により、電子がフローティング・
ゲートへトンネル移動し、Vt (閾値電圧)を約6Vま
で効果的に高める。次に、ドレンに高電圧、たとえば9
ないし19Vを、ゲートに0Vを、そしてソースに6V
を印加することにより、同じファウラー−ノルドハイム
・トンネリング機構を使用して、セルをプログラムす
る。ドレンの高電圧はフローティング・ゲートとドレン
の間にトンネル酸化物を介して逆向きの高い電界を生じ
させる。これによって、電子がフローティング・ゲート
からドレンへトンネル移動し、ドレンの電圧レベルおよ
びパルス幅に応じて、閾値電圧をたとえば−1Vないし
+3Vへ引き下げる(減損させる)。
プログラム「パルス」を一連の疎パルスと、一連の密パ
ルスに分割して、アナログ信号を不揮発性メモリ・セル
に記憶している。各プログラミング・パルスの後、読取
りサイクルを使用してセルの内容を読み取り、記憶すべ
きアナログ信号と比較する。希望するプログラム化レベ
ルに近づいたときに、疎パルスが終了し、希望するプロ
グラム化レベルに達したときに、密パルスが終了する。
疎書込み/読取り/比較シリーズに後続する密書込み/
読取り/比較シリーズは、記憶された信号に優れたアナ
ログ信号分解能をもたらす。
・レンジは約3Vであり、アナログ分解能は約12mV
であって、約8ビットのディジタル記憶に等しい有効分
解能を与える(各セルは12/3000、すなわち約2
50対1の分解能を有している)。各高電圧の疎パルス
および密パルスは均等傾斜時間部分、平坦時間部分、サ
ンプル時間部分および比較時間部分に分割される。比較
時間部分を使用して、各疎または密プログラミング・パ
ルスの増分後にメモリ・セルに記憶されている電圧を読
み返して、これが希望する値に達しているかどうかを判
定する。サンプル時間部分を使用して、入力信号の次の
サンプルを取り入れ、これを保持する。サンプルおよび
比較時間部分は静止時間である。すなわち雑音を最小限
とするため、この時間中に、電荷ポンプなどの高電圧源
が使用不能とされる。連続した疎レベルの間のステップ
電圧は約220mVであり、連続した密レベル間のステ
ップ電圧は約22mVであり、これはメモリ・セル内に
記憶されている電圧における12mVの分解能に等し
い。セル・プログラミング閾値ウィンドウの全範囲、な
らびにほぼメモリ・セルのダイナミック・レンジである
約0−3Vのメモリ・セル閾値電圧に対応している、メ
モリ・セルのドレン上で約9ないし19Vの範囲にある
付加電圧マージンをカバーするには、疎レベルに対する
大きいステップ電圧が必要である。利用可能な疎パルス
数は45になるように選択され、これは45×220m
V=10Vフル・レンジに変換される。書込み時間を短
縮するには、大きな粗いステップが使用される。密傾斜
フル・レンジは約2Vになるように選択される。90の
密パルスが利用可能であり、約22mVの書込み分解能
が得られる。
から接地への負荷電流が一定であるソース・フォロアと
して構成される。メモリ・セルのゲートとソースはまと
めて接続され、メモリのドレンは定バイアス電流に接続
され、選択トランジスタのゲートは小型の選択ゲートに
よるゲート電圧降下効果と抵抗効果を排除するために、
中間電圧、たとえば10Vに接続される。調整電源、た
とえば3.5Vがセル読出し電圧におけるゲート/ソー
ス電圧の変動を回避するためにメモリ・セルのゲート/
ソースに接続されている。ドレンにおける電圧がメモリ
・セル読出し電圧となる。それ故、セルはソース・フォ
ロアとして接続されており、ドレンとソースは機能的に
交換可能である。これにより、セルの閾値とセル読出し
電圧の間に線形関係がもたらされる。したがって、ゲー
トとソースが互いに効果的に接続されるため、記憶セル
は飽和領域で動作する。
イ内のすべてのメモリ・セルによって共用されているた
め、このソースはすべての拡散接合部からの大きい付随
キャパシタンスを有している。さらに、読取りモードに
おいて、選択した行のすべてのセルが低い閾値電圧を有
している(すなわち、セルが導通している)と想定した
場合、ソース・フォロア・セルのソースとゲートが調整
電圧、たとえば3.5Vに充電されているため、アレイ
内のすべてのビットラインも、すべての導通メモリ・セ
ルによってほぼ等しい電圧に充電される。これは、読取
りモードにおいて、調整回路の容量性負荷がすべてのメ
モリ・セル・ソース接合部キャパシタンスと、すべての
ビットライン・キャパシタンスを含んでいることを意味
する。このことは調整回路に厳しい要件を課すものであ
る。これは特にメモリが低電圧電源によって動作する場
合に、メモリ・セルのダイナミック・レンジを広げるこ
とも困難とするが、これは高い容量性負荷が調整電圧を
必要な電圧まで上げることを困難とするからである。
りモードにおいて、セルをネガティブ・フィードバック
・モードにおける線形領域で使用し、セルの閾値によっ
てセル電流が線形に変わる線形化記憶セルを提供するこ
とである。
端にセル電流を流すことによって、セルの閾値電圧に線
形に依存するセル読出し電圧が達成される。本発明の好
ましい実施の態様の反復書込みシーケンスは、ゲートと
ソース/ドレン/チャネルの間のファウラー−ノルドハ
イム・トンネリングを使用した消去から始まる。従来技
術と同様に、セルを消去して高い閾値レベル、たとえば
Vt=6Vにする。後続のプログラミング・パルスもド
レンとゲートの間のファウラー−ノルドハイム・トンネ
リングを使用して、電荷をフローティング・ゲートから
増分的に減少させる。従来技術と同様、プログラミング
を一連の疎パルスと一連の密パルスに分割して、短いプ
ログラミング時間で精密化された分解能を達成する。
ブ・フィードバック・モードで接続される。セルのドレ
ンはオペ・アンプ(演算増幅器)のマイナス端子に論理
的に接続される。第1の基準電圧がオペ・アンプのプラ
ス端子に接続される。第1の基準電圧は、セル・ゲート
電圧をセル・ドレン電圧と最高のセル閾値の合計よりも
高くするのに十分低いものである。第2の基準電圧がセ
ル・ゲートに論理的に接続される。この第2の基準電圧
はセル・ゲート電圧をセル・ドレン電圧と最高のセル閾
値の合計よりも高くして、閾値に関わりなく、セルを常
に線形領域で動作させるようにするのに十分高いもので
ある。オペ・アンプの出力はセルのドレンと論理的に直
列に接続されているn−MOSデバイスのゲートに接続
されている。
クはメモリ・セルのドレンを第1の基準電圧と同じ電圧
にする。周知の線形MOSの等式により、 I=β[(Vgs−Vt)*Vds−(Vds)2/2] ただし、 β=μnCoxW/L μn=MOSFETデバイスのチャネル領域の移動度 Cox=単位面積あたりのゲート酸化物キャパシタンス W/L=MOSFETデバイスのチャネル領域の幅対長
さの比 Vgs=MOSFETデバイスのゲート−ソース電圧 Vt=MOSFETデバイスの閾値電圧 Vds=MOSFETデバイスのドレン−ソース電圧
電流Iの比例変化を引き起こし、セル閾値とセル電流の
間に線形関係を達成する。セル電流を抵抗に流すことに
よって、セル閾値と線形関係を有しているセル読出し関
係が実現される。移動度の変動の影響を排除するため
に、抵抗を能動MOSデバイスとして実現し、その有効
抵抗値が1/βに比例するようにする。これは上記の等
式におけるメモリ・セルのβ依存度を取り消す。
ため、共用ソース接合部キャパシタンスは何の影響も及
ぼさない。また、ソース上に調整電圧が存在しないた
め、選択されないビットラインは充電されない。
に適用できる記憶アレイ・アーキテクチャが示されてい
る。従来技術の項で検討したデバイスに適用可能なこの
特定のアーキテクチャにおいて、100個のカラムのド
ライバ(COLDRV)が100個の32:1MUXを
介して結合されて、一時に100のグループ内のメモリ
・セルの3200の列に制御可能に結合できるようにな
っている。各列ラインは複数のトランジスタ2個のEE
PROMセルに接続されており、セルはほぼ共通に接続
されたアレイの接地線を中心として対称的な対として配
列されている。各2トランジスタEEPROMセルは直
列に接続されたnチャネル・デバイスM1とフローティ
ング・ゲートnチャネル・デバイスFM1からなってい
る。アレイの各行のすべてのnチャネル・デバイスのゲ
ートは共通して、ライン、行1、行2などによってXデ
コーダに接続されて、アレイの行選択デバイスを形成し
ている。また、アレイの各行のすべてのフローティング
・ゲートnチャネル・デバイスのゲートも共通して、X
デコーダに接続されて、アレイの行制御ゲート行1C
G、行2CGなど形成している。
れた第1の実施の形態の線形化記憶セルを示している。
基本記憶セルは上述した典型的な2トランジスタEEP
ROMメモリ・セルであり、nチャネル・トランジスタ
M1とフローティング・ゲート・トランジスタFM1と
によって構成されている。nチャネル・トランジスタ・
セルとnチャネル・フローティング・ゲート・トランジ
スタ・セルのアレイを示している図1も参照。図1のセ
ルの個々のトランジスタには図の縮尺のためラベルは付
けられていない。選択ゲート、すなわちトランジスタM
1のゲートSGは中間レベル、たとえば10Vに接続さ
れて、選択デバイスが小型によるゲートの電圧降下およ
び抵抗効果を排除している。フローティング・ゲート・
トランジスタのゲートは論理的に基準電圧VREF2に
接続されている(たとえば、図1の行デコーダXデコー
ダにより)。VREF2は、Vtmax(最高セル閾値)+
セル・ドレン電圧(VREF1)に等しくし、メモリ・
セルが線形領域で動作するようにしなければならない。
VREF2はメモリ・セルのゲートを駆動するだけのも
のであるから、電荷ポンプによって調整して、線形領域
を広げることができる。
ともに図1の32:1のMUXの1つに対応した32:
1列マルチプレクサを形成している。セルの消去および
プログラミングのためには、アレイを図1に示すように
構成し、一方、セルの読取りのためには、列・ドライバ
をディスエーブルし、読取り対象のセルを代わりに図2
に示すように接続するか、あるいは図3に示すように接
続する。
プが発生するVCC以上の電圧VPUMPによって動作
する典型的なMOS差動演算増幅器である。演算増幅器
のプラス入力は第1の基準電圧VREF1に接続され
る。演算増幅器のマイナス入力は付加的なn−MOS列
デコーダ(Y0−YN、Z0)を介して選択トランジス
タM1のドレンに接続されている。列デコーダn−MO
Sトランジスタのゲート電圧は、選択解除された場合に
は接地に等しくなり、プログラミングで選択された場合
には高電圧(たとえば、21V)に等しくなり、またn
−MOSトランジスタが小型であることによって生じる
ゲート電圧降下効果および抵抗効果を排除するために、
読取りモードで選択された場合には中間レベル(たとえ
ば、10V)に等しくなる。
2のゲートに接続されており、このデバイスはn−MO
S列デコーダ・トランジスタを介して選択トランジスタ
M1のドレンと接続されたソースを有している。
3およびM4で形成された能動MOS抵抗が、VCC
(または、範囲を広げるための電荷ポンプの出力)によ
って調整された第3の基準電圧源VREF3とトランジ
スタM2のドレンの間に接続されている。VREF3は
最高セル読出し電圧であり、セル電流がゼロの場合に発
生する。デプレーションn−MOSトランジスタを使用
して、能動MOS抵抗を形成し、Randall L.
Geiger他の「VLSI DesignTech
niques for Analog and Dig
ital Circuits」、McGraw Hil
l、1990、pp.308−318に記載されている
ように、VDS効果を排除する。上記の文献に記載されて
いるように、他の能動MOS抵抗構造も可能である。さ
らに、EEPROMセルを能動MOS抵抗として使用し
て、抵抗とメモリ・セルの間により良好なマッチングを
達成することもできる。
4)、デバイスM2を含んでいる直列のn−MOSデバ
イスおよび列・デコード・デバイスは、プログラミング
において高電圧を列に駆動し、また読返し中にメモリ・
セルから電圧を読み取る働きをする列・ドライバの一部
である。ネガティブ・フィードバック作用により、演算
増幅器はセル・ドレン電圧を第1の基準電圧VREF1
と等しくさせる。これによって、VREF2がセル閾値
電圧(Vt )とセル・ドレン電圧(VREF1)の合計
値よりも高いため、メモリ・セルが線形モードで動作す
る。それ故、 I=β[(Vgs−Vt)*Vds−(Vds)2/2] ただし、 Vgs>Vds+Vt β=メモリ・セルのμnCoxWe/Le(添え字eは機能
拡張デバイスを示す)
VREF1*0.5] これを再構成して、次式を得ることができる。 I=A−B*Vt ただし、 A=β*K、ただし、K=[VREF2*−VREF1−
VREF1*VREF1*0.5]=定数 B=β*VREF1 これはセル閾値とセル電流の間の線形関係である。
タの等価抵抗値は次のようになる。 Req=1/(2*βd *Vtd) ただし、 βd=μdCoxd Wd/Ld(添え字dはデプレーション
・デバイスを示す) Vtd=デプレーション・デバイスの閾値
なる。 VR=I*Req=A’−B’*Vt ただし、 A’=β/(2*βd *Vtd)=K*C*(We/Le)/
(Wd/Ld)*1/(2*Vtd) C=(μn Cox)/(μd Coxd)=定数 または、 A’=D*(We/Le)/(Wd/Ld)*1/Vtd B’=β/(2*βd *Vtd)*VREF1=E*(We/L
e)/(Wd/Ld)*1/Vtd ただし、 D=K*C*0.5 E=C*VREF1*0.5 最終的に、 VR=(We/Le)/(Wd/Ld)*1/Vtd *[D−E*
Vt] VOUT=VREF3−VR
は線形関係が存在する。また、一定のWe/Leのセル・
メモリを与えた場合、Wd/Ldを変化させて、出力電圧
範囲VOUTを調節することができる(これは能動デプ
レーションMOSの有効抵抗を変動させることと等価で
ある)。米国特許第5126967号においてRich
ard T.Simkoが記載しているもののような参
照手法によって、閾値電圧に対する温度効果を最小限と
することができる。
メモリ・セルの他の実施形態が示されている。基本記憶
セルと演算増幅器の構成は図2と同じものである。ただ
し、セル電流はp−MOSトランジスタM5およびM6
によって、高電源電圧ではなく、接地を基準とした能動
MOS抵抗(デバイスM3およびM4)にミラーされ
る。能動MOS抵抗が接地を基準としているため、MO
Sデバイスのバルク・ソース効果は排除され、線形化が
高い抵抗がもたらされる。VOUTも接地を基準として
いる。
示されている。ここで、抵抗は2つの機能拡張n−MO
SトランジスタM3およびM4として実現されており、
デバイスM3のゲートとドレンは浮動電圧源VCに接続
されており、デバイスM4のゲートとソースはもう1つ
の浮動電圧源VCに接続されている。VCをVC=VO
UTmax+Vtnになるように選択して、能動抵抗MOS
トランジスタM3およびM4に対する線形条件を満たす
必要がある(Vtnは抵抗を形成するn−MOSトランジ
スタM3およびM4の閾値電圧である)。電圧VCがト
ランジスタM3およびM4のゲートを駆動するだけのも
のであるから、これらの電圧の各々を電荷ポンプから供
給することができる。この抵抗構造も上述のRanda
ll L. Geiger他の文献のpp.308−3
18に記載されている。能動MOS抵抗および浮動電圧
源の実現に関する付加的な説明はRoubik Gre
gorianおよびGarbor C. Temesの
「Analog MOSI.C. for Signa
l Processing」、John Wiley
& Sons、1986年、pp.387−400とい
う文献に記載されている。
抗値は次の通りである。 Req=1/(2*βn(VC−Vtn)) ただし、 βn=トランジスタM3およびM4のμnCoxWn/Ln
(添え字nはnチャネル・デバイスを示す) Vtn=トランジスタM3およびM4の閾値電圧 それ故、VOUT式は上記から次のように変更される。 VOUT=(We/Le)/(Wn/2n)*1(VC−V
tn)*[D−E*Vt]
形関係である。また、一定のWe /Le のメモリ・セル
を与えた場合、Wn/LnおよびVCを変化させて、出力
電圧範囲VOUTを調節することができる(これは能動
機能強化MOSの有効抵抗を変化させることと等価であ
る)。
においてRichard T.Simkoが記載してい
るもののような参照手法によって、閾値電圧に対する温
度効果を最小限とすることができる。
用した上記の分析は、メモリ・セルのドレンから浮動ゲ
ートへ結合する電圧の効果を無視していることに留意さ
れたい。ドレン結合効果を考慮した同様な分析もメモリ
・セル閾値電圧とメモリ・セル読出し電圧の間の線形関
係をもたらす。また、本明細書記載の回路が必要とする
各種の基準電圧を、標準的なCMOSバンドギャップ基
準などの周知の基準回路から供給することができる。
グ信号のアナログ・サンプルの記憶再生のために構成さ
れたものに関して説明してきた。しかしながら、本発明
は通常の記憶セルあたり1ビット(2つの状態)、さら
に重要な、記憶セルあたり2つ以上のディジタル・ビッ
トを表す複数レベル記憶フォーマットのいずれかでのデ
ィジタル信号の記憶に合わせて構成されたシステムにも
適用可能である。このような複数レベル・ディジタル記
憶システムはディジタル・アナログ変換器を使用して、
入力ディジタル信号を複数のアナログ・レベルのそれぞ
れに変換する。この場合、レベルは電圧の点で互いに十
分分離されて、長期間の記憶の間、作動温度範囲および
同一の集積回路上の他のセルの反復した再プログラミン
グに渡り、またアナログ・ディジタル変換器による反復
した読返しおよびディジタル形態への再変換後、などに
明確で、曖昧さのないものであることを維持するように
する。たとえば、セル当たり2M の異なる記憶レベルを
使用することによって、記憶セル当たりMビットのディ
ジタル情報を記憶できる(ただし、Mは、たとえば3ま
たは4という整数である)。あるいは、8つの異なるレ
ベルのいずれかを3つのセルの内の2つに記憶し、かつ
4つの異なるレベルのいずれかを第3のセルに記憶する
ことによって、8ビットの等価物を記憶するために3つ
のセルを使用することができる。
の形態に関して開示し、説明してきたが、当分野の技術
者には本発明をその精神および範囲から逸脱することな
く変更できることが理解されよう。
チャの図である。
の実施の形態の線形化記憶セルの図である。
実施の形態の線形化記憶セルの図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 ソース、ゲート、浮動ゲートおよびドレ
ンを有する浮動ゲート記憶セルに記憶された電圧を読み
取る方法において、 (a)浮動ゲート記憶セルのソース、ゲートおよびドレ
ンに基準電圧を印加するステップと、 (b)浮動ゲート記憶セルを通過する電流に比例して変
動する出力を供給するステップとを備えている方法。 - 【請求項2】 浮動ゲート記憶セルとこれを読み取る回
路において、 ソース、ゲート、浮動ゲートおよびドレンを有している
浮動ゲート記憶セルであって、前記浮動ゲート記憶セル
のソースが第1の基準電圧を有しており、前記浮動ゲー
ト記憶セルのゲートが第2の基準電圧を有している浮動
ゲート記憶セルと、 前記浮動ゲート記憶セルのドレン上の電圧を第3の基準
電圧へ駆動する第1の回路と、 前記浮動ゲート記憶セルを通過する電流に比例して変動
する出力を供給する第2の回路とを備えている浮動ゲー
ト記憶セルとこれを読み取る回路。
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