JP2010079977A - 定電流型電源回路を有する不揮発性半導体メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】不揮発性半導体メモリ装置10は、メモリセルアレイ部100におけるメモリセルMmnに対しての電気的処理による書き込みあるいは消去において、定電流制御された電流によって書き込みあるいは消去が行われる定電流回路500を備える。
【選択図】図4
Description
図18は、これまで開示されている技術に基づく不揮発性半導体メモリ装置60のブロック図である。
不揮発性半導体メモリ装置60におけるメモリセルアレイ部100は、メモリセルM11〜Mmnがマトリックス上に配列されてメモリセルアレイを形成する。これらのメモリセルM11〜Mmnは、1層ポリシリコンプロセスによる不揮発性半導体メモリ素子である。
メモリセルM11〜Mmnには、ワード線WL1、WL2、〜WLm(以下、ワード線WL1、WL2、〜WLmをまとめて表すときはワード線WLmと記載する)が接続され、入力される行アドレスに応じて行デコーダ200が選択した行選択信号を、接続されるワード線WLmに出力する。接続されるメモリセルが選択され、選択されたメモリセルはbit線Bit1〜Bitnに接続される。
列選択回路300は列選択用のNMOS型のトランジスタ301、302、〜300nで構成される。列デコーダ400は、入力される列アドレスに応じて列選択信号を生成し、列線C1、C2、〜Cnを介して接続される列選択回路300のトランジスタ301、302、〜300nを制御する。定電圧回路500eは書き込みまたは消去用の定電圧電源を出力する。書き込み制御回路600は、入力される信号に応じて、メモリセルに書き込む制御信号を出力する。センスアンプ部700はメモリセルからデータを読み出すためのセンスアンプである。電源回路800は、不揮発性半導体メモリ装置60内の各回路に電源を供給する電源回路である。
図示されるように、メモリセルに対する書き込み動作・消去動作における電力の供給は、定電圧制御回路500eによって定電圧制御された電源によって制御されるものである。
動作点1eと動作点2eは、NMOS負荷線1とNMOS負荷線2およびメモリセルMmnの書き込み特性線との交点で示される。
ここに、図19で示したブロック図による電流経路で、NMOS型のトランジスタT1のゲート電圧、すなわち電圧Vconstを5Vとしたときの負荷特性を示す負荷特性線を重ねると、NMOS負荷線1のような特性を示す。このときのメモリセルMmnの書き込み特性線と負荷特性を示すNMOS負荷線1の交点が動作点1eとなる。
また、上記に示した負荷特性の設定方法とは異なる設定方法がある。例えば、NMOS型のトランジスタT1のトランジスタのゲート幅を小さくして負荷抵抗を大きく設定し、NMOSトランジスタT1のゲートに入力される定電圧を9Vとすると、図21に示されるNMOS負荷線2のように、メモリセルMmnの書き込み特性においてブレークダウンを起こした状態のところに示される動作点2eに動作点が移動する。このときの書き込み電流には大電流が流れるが、メモリセルMmnへの書き込み特性は良好となる。
この図には、ドレイン電圧が高い「VD高」とドレイン電圧が低い「VD低」によって示される2つのドレイン電圧を設定し、それぞれの閾値電圧の変化を示すグラフが示されている。このグラフの横軸は経過時間(logt)を示し、縦軸は書き込まれたメモリセルMmnの閾値電圧を示す。
この図に示されるドレイン電圧が高い条件(VD高)のほうが、ドレイン電圧が低い条件(VD低)に比べて閾値電位が早く上昇する。それゆえ、ドレイン電圧が高い条件(VD高)のほうが、早期に書き込みが完了し、書き込み特性は良好であるとことが示される。
図23に、NMOS型のトランジスタT1の負荷特性のばらつきについて示す。図21に示したグラフに、NMOS負荷線1、2で示される特性のばらつきを重ねて示す。それぞれのNMOS負荷線1、2について、それぞれの代表特性(図では実線で示す)の電圧に対するばらつきの下限値(図では点線で示す)と上限値(図では一点鎖線で示す)を示す。図に示されるようにNMOS負荷線1における動作点1eでは、定電圧回路500eの出力電圧のばらつきに加えて、トランジスタT1の特性のばらつき(基板バイアス効果にばらつきも含む)も加わり、メモリセルMmnのドレイン電圧(動作点)が大きくばらつくことになる。一方、条件を変えたNMOS負荷線2における動作点2eにおいては、ドレイン電流が大きくばらつくことになり、どちらの条件を選択しても安定な動作点を確保することは困難であることが示される。
メモリセルの消去動作を行うには、メモリセルM11のドレインに9Vの電圧設定が必要とされるため、入力される消去信号(Erase)に応じて電源回路500eから出力される消去電圧設定信号Erase*(9V)がNMOS型のトランジスタT1のゲートに入力される。NMOS型のトランジスタT1によって、ドレイン電圧(12V)が、消去電圧設定信号Erase*の電圧9Vに定電圧制御され、メモリセルM11に供給される。
第二のNMOS負荷トランジスタであるトランジスタ301のゲートには、列デコーダの出力C1によってスイッチとして機能するもので、12Vが入力される。
メモリセルMmnのドレインあるいはソースに電圧を印加すると、まず初めに、ドレイン近傍にて空乏層の電界集中が起こり、いわゆる高エネルギーによるBand to Band(BtoB)の電流が流れ、ホールと電子のペアが発生する。高エネルギーを持ったホール(ホットホール)が一部フローティングゲートに取り込まれる。さらに電圧を上げ、フローティングゲートとの間の酸化膜に過電界が印加されると、ファウラーノルトハイム(Fauler-Nordheim)のトンネル電流が流れ、フローティングゲートFGからドレインDへ電子が放出される。さらに電圧を上げると、ジャンクションブレークダウンが起こり、大電流が基板に流れる。このブレークダウン電圧をVBD(=8V)とする。
NMOS型のトランジスタ(図24のあるいは図25のT1)による負荷特性を、NMOS負荷線として重ねて表示する。消去特性を示す消去特性線とNMOS負荷線の交点が動作点になる。
図28に、NMOS型のトランジスタによる負荷の場合の消去特性のばらつきを示す。電流を多く流すことになるファウラーノルトハイム(Fauler-Nordheim)領域での消去特性では、早く消去することができる。一方、電流を少なく流すことになるBand to Band領域での消去特性では、消去時間がかかるため消去完了時間が遅くなることになる。
これらの要因により、不揮発性半導体メモリセルにおける書き込み処理特性と消去処理特性での動作点がばらつくことになる。不揮発性半導体メモリセルごとの動作点のばらつきは、それぞれの不揮発性半導体メモリセルごとに行われる書き込み処理および消去処理において特性がばらつくことになる。このことは、不揮発性半導体メモリ装置における記憶特性の不均一性を意味することと等価であり、不揮発性半導体メモリ装置全体における特性の不均一性となって現れる現象は品質面での問題となる。
これにより、負荷変動に影響されにくい定電流制御として、電流が定電流制御される領域において、書き込み動作ならびに消去動作における動作点を選択することが可能となる。また、電流が定電流制御される領域では、負荷変動に影響されることなく動作点の変動範囲を制限することができる。書き込み動作ならびに消去動作の特性にばらつきを生じる標準ロジックのCMOSプロセスを用いても、その特性のばらつきの影響を低減することができる。さらに、標準ロジックのCMOSプロセスを用いた場合であっても高信頼性の不揮発性半導体メモリ装置が実現でき、ロジック混載型不揮発性半導体メモリ装置を容易に、また安価に実現することができる。
[不揮発性半導体メモリ素子の動作]
本発明の実施の形態で用いる不揮発性半導体メモリ素子(「メモリセル」ともいう)について説明する。
図1(a)には不揮発性半導体メモリ素子を構成する1個のトランジスタの断面図を、(b)にはその等価回路図を示す。図1(a)、(b)に示す不揮発性半導体メモリ素子は、1層ポリシリコンのセル構造を用いて半導体基板SUB(電位Vsub)上に形成されたトランジスタTr、ドレインD、ソースS、フローティングゲートFG、コントロールゲートCG、およびフローティングゲートFGとコントロールゲートCGとの間のキャパシタC(FC)から構成される。このフローティングゲートFGが電荷保持領域となるものである。フローティングゲートFGには、直接接続される電極は設けられておらずキャパシタC(FC)を介してコントロールゲートCGが接続され、基板SUB上に形成されたゲート絶縁層の上にポリシリコンからなるフローティングゲートFGが形成されている。
また、ドレインDおよびソースSは、それぞれ基板SUB上に形成された拡散領域であり、それぞれコンタクトを介して電極が設けられている。
また、Q=0の場合は、式(5)で示すことができる。
書き込み動作の場合は、VCG=9V、VD=5V、VS=0V、Vch=0.5VD、Q=0とすると、式(7)によって書き込み動作時のフローティングゲートの電位VFGを得る。
消去動作の場合には、VCG=0V、VD=8V、VS=open、Vch=0Vとすると、式(8)によって消去動作時のフローティングゲートの電位VFGを得る。
図3は、フローティングゲート型不揮発性半導体メモリ素子の閾値電圧の変化を示すグラフである。この図は、横軸がコントロールゲート電位VCG、縦軸がドレインDの電流Idで、消去状態、中性状態および書き込み状態の3つの状態においてフローティングゲート電位VFGを変化させた場合、すなわち、フローティングゲート中の電子の数を変化させた場合の、ドレイン電流Idの変化を模式的に表したものである。
中性状態では、約0.5V付近でドレイン電流Idが立ちあがり、中性状態における閾値が示されている。消去状態および書き込み状態の特性は、中性状態の特性を示すグラフをそれぞれ平行移動した特性になる。中性状態に比べ、消去状態では、フローティングゲート電位VFGが約2.2V低くなり、書き込み状態では、フローティングゲート電位VFGが約2.0V高くなる。
図を参照して、本発明の第1実施形態として定電流回路を用いた不揮発性半導体メモリ装置について説明する。
図4は、第1実施形態における不揮発性半導体メモリ装置10を示すブロック図である。図に示される不揮発性半導体メモリ装置10は、メモリセルアレイ部100、行デコーダ200、列選択回路300、列デコーダ400、定電流回路500、書き込み制御回路600、接続制御回路601、センスアンプ部700、電源回路800、ワード線WL1、WL2,〜WLm(以下、ワード線WL1、WL2,〜WLmをまとめて表すときはWLmと記載する)、bit線Bit1、Bit2、〜Bitn(以下、bit線Bit1、Bit2、〜Bitnをまとめて表すときはBitnと記載する)、列線C1、C2,〜Cn(以下、列線C1、C2,〜Cnをまとめて表すときはCnと記載する)、データ線DL、ソース線S、および制御電源線PSを備える。
行デコーダ200に接続されるワード線WLmに接続されるメモリセルが選択され、また、列デコーダ400により列線Cnが選択され、選択されたメモリセルはbit線Bitnに接続される。
列デコーダ400は、入力された列アドレス情報をデコードし、メモリセルアレイ部100の列を選択する信号を列線Cnに出力する。
列選択回路300は、トランジスタ301、302、〜300n(以下、トランジスタ301、302、〜300nをまとめて示すときにはトランジスタ300nと記載する)を備える。列選択回路300におけるトランジスタ300nは、列線Cnを介して入力される信号によって選択されるbit線Bitnをデータ線DLに接続する。
電源回路800は、不揮発性半導体メモリ装置10を構成する行デコーダ200、列デコーダ400、定電流回路500、書き込み制御回路600などの各構成要素に電源を供給する電源である。電源回路800には、定電流回路500が接続され、定電流回路500は、制御電源線PSに所要の定電流を供給する。
定電流回路500においてトランジスタ501は、メモリセルアレイ部100に定電流を供給するための定電流負荷トランジスタである。また、抵抗502は、負荷に供給する電流を設定する抵抗である。トランジスタ503とトランジスタ504およびトランジスタ505とトランジスタ501とで、それぞれカレントミラー回路を構成する。
抵抗502の抵抗値と、トランジスタ503とトランジスタ504とトランジスタ505とトランジスタ501の増幅率とで定められる出力電流が、トランジスタ501から制御電源線PSに供給される。
図5は、不揮発性半導体メモリ装置10における書き込み動作を説明する概略ブロック図である。この図に示す構成要素において、図4に示した構成要素と同じものには同じ符号を付け、前述の説明を参照することとする。
トランジスタ503のサイズは幅W1、長さL1とし、トランジスタ504は幅W2、長さL2とし、トランジスタ505は幅W3、長さL3とし、トランジスタ501は幅W4、長さL4とする。トランジスタ501を流れる電流Ioutは、Rを流れる電流IREFに基づいて、式(9)で示される。
PMOS負荷線1とPMOS負荷線2およびメモリセルM11の書き込み特性との交点で示される動作点1から動作点3が示される。
メモリセルM11の書き込み特性は、ドレイン電圧が3V印加されたところでホットエレクトロン注入が発生し、メモリセルM11の閾値が高くなるので、メモリセルM11に電流が流れにくくなり、静特性としては、急激に電流が減少する。さらにドレイン電圧を高くすると、ドレイン電圧が7Vでブレークダウン(VBD)を起こし、大電流が流れる。
なお、PMOS負荷線1で示される動作の場合は、動作点がひとつ(動作点1)であるが、電流を絞ると、PMOS負荷線2で示される動作となり、動作点が2個(動作点2、動作点3)現れることになる。この動作点2と動作点3とで示される2つの動作点を比べると、ドレイン電圧の高いほうの動作点2とすることが望ましい。動作点2に設定するには、ドレイン電圧を先に印加してから、ゲート電圧を印加すれば、ドレイン電圧の高い動作点2で安定させることができる。これにより、ブレークダウン(VBD)が生じた領域で、安定した定電流特性での電流を供給させることにより安定な動作点2を選択することができる。
図7は、不揮発性半導体メモリ装置10における消去動作を説明する概略ブロック図である。この図に示す構成要素において、図4に示した構成要素と同じものには同じ符号を付け、前述の説明を参照することとする。
消去動作の場合、書き込み動作の場合と異なり、書き込み動作での処理のように接続制御回路601における選択処理はなく、接続制御回路601は不要であり、制御電源線PSとデータ線DLとを直接接続する。図では接続制御回路601を破線で示し、直接接続されるものとする。
同図において、入力された行アドレスに応じて行デコーダ200によってワード線WL1が選択(制御信号電圧0V)され、入力された列アドレスに応じて列デコーダ400によって列線C1が選択(制御信号電圧9V)されることとする。これにより、列デコーダ400に接続される列選択回路300のトランジスタ301によって、データ線DLにbit線Bit1が接続される。また、行デコーダ200に接続されるメモリセルアレイ部100のメモリセルM11が選択され、選択されたbit線Bit1にはメモリセルM11が接続される。この図では、それぞれ複数ある構成要素の中から、上記条件によって選択された構成要素を示している。
メモリセルM11は、定電流回路500から消去動作を行う電流が供給され、消去処理が行われる。定電流回路500の消去時の動作は、図5に示した書き込み処理における動作と同じである。
PMOS負荷線とメモリセルM11の消去特性との交点で示される動作点1と動作点2が示される。
消去特性を示すグラフで示される消去特性の電圧変動幅を、下限値(図では点線で示す)と上限値(図では一点鎖線で示す)で示す。それぞれのグラフは代表特性(図では実線で示す)に接近している。これにより、消去特性で示される消去動作でのばらつきによる動作点の変動範囲を狭くすることができ、消去特性のばらつきによる影響を低減することができる。
なお、PMOS負荷線と消去特性の交点で示される動作点は、それぞれの特性により1点に決定する。決定される動作点は、PMOS負荷線と消去特性のそれぞれのばらつきによって変化することになる。PMOS負荷線と消去特性のそれぞれのばらつきを考慮しても、図に示す動作点1が示すメモリセル電流の最小値と、動作点2が示すメモリセル電流の最大値の範囲に限られる。特性のばらつきによって動作点が変動することがあっても、その変動範囲は図示されるように狭くすることができ、動作点を安定化することが容易であることが示される。
図を参照し、本発明の第2実施形態として、定電流回路における電流設定と切換方法について説明する。
図9は、第2実施形態における不揮発性半導体メモリ装置20を示すブロック図である。図に示される不揮発性半導体メモリ装置20は、メモリセルアレイ部120、行デコーダ220、列選択回路320、列デコーダ420、定電流回路520、書き込み制御回路600、接続制御回路601a、センスアンプ部700、電源回路820、ワード線WL1、bit線Bit1、Bit2、〜Bit8(以下、bit線Bit1、Bit2、〜Bit8をまとめて表すときはBitnと記載する)、列線C1、C2、〜C8(以下、列線C1、C2、〜C8をまとめて表すときはCnと記載する)、データ線DL、ソース線S、および制御電源線PS1、PS2を備える。
不揮発性半導体メモリ装置20のうち、メモリセルアレイ部120、行デコーダ220、列選択回路320、列デコーダ420、定電流回路520、接続制御回路601a、電源回路820、ワード線WL1、bit線Bitn、列線Cn、および制御電源線PS1、PS2以外は、第1実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置10と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第1実施形態における説明を参照する。
不揮発性半導体メモリ装置10におけるメモリセルアレイ部120は、メモリセルM11、M12、〜M18がマトリックス上に配列されてメモリセルアレイを形成する。これらのメモリセルM11、M12、〜M18は、フローティングゲートタイプの不揮発性半導体メモリ素子である。
ワード線WL1に、メモリセルM11、M12、〜M18のコントロールゲートCGが接続される。ソース線Sに、メモリセルM11、M12、〜M18のソースが接続される。
列デコーダ420は、入力された列アドレス情報をデコードし、メモリセルアレイ部120の列を選択する信号を列線Cnに出力する。列を選択する信号が出力される列線Cnの数は、入力される信号マルチ選択信号MS2、MS4、MS8によって指定され、入力された信号に応じた数の列線Cnが選択される。また、列デコーダ420は、定電流制御回路520の出力電流を制御する切換信号SWnを出力する。
列選択回路320は、トランジスタ321と322と328(以下、トランジスタ321と322と328をまとめて示すときにはトランジスタ320nと記載する)を備える。列選択回路320は、列線Cnを介して入力される信号によって選択されるbit線Bitnにトランジスタ320nを介してデータ線DLに接続する。
接続制御回路601aは、書き込み制御回路600がDin*線に出力した信号に基づいて、電源からの制御電源線PSをデータ線DLに接続する。センスアンプ部700は、データ線DLの信号を検出し、必要な増幅を行って、増幅した信号をDout線に出力する。
電源回路820は、不揮発性半導体メモリ装置20を構成する各構成要素に電源を供給する電源である。
電源回路820には、定電流回路520、接続制御回路601aなどが接続され、定電流回路520は、制御電源線PS1〜PS2に所要の定電流を出力する。
電源回路820の出力に、トランジスタ507−1を介して抵抗502−1が直列に接続される。トランジスタ507−1は、そのゲートに入力される切換信号SW1によって抵抗502−1に流れる電流を遮断するスイッチングトランジスタである。電源回路820の出力に、トランジスタ507−2を介して抵抗502−2が直列に接続される。トランジスタ507−2は、そのゲートに入力される切換信号SW2によって抵抗502−2に流れる電流を遮断するスイッチングトランジスタである。電源回路820の出力に、トランジスタ507−3を介して抵抗502−3が直列に接続される。トランジスタ507−3は、そのゲートに入力される切換信号SW3によって抵抗502−3に流れる電流を遮断するスイッチングトランジスタである。抵抗502−1〜502−3でそれぞれ制限される電流が合わさって、トランジスタ503に流れ込む。
また、トランジスタ503とトランジスタ504、トランジスタ505とトランジスタ501−1、および、トランジスタ505とトランジスタ501−2とで、それぞれカレントミラー回路を構成する。
また、制御電源線PS1とPS2に出力された電流は、定電流回路520の電流出力を制御するトランジスタ508−1と508−2を介して出力される。
トランジスタ508−1は、そのゲートに入力される切換信号SWaによって制御電源線PS1に供給される電流の通電と遮断を切り換える。トランジスタ508−2は、そのゲートに入力される切換信号SWbによって制御電源線PS2に供給される電流の通電と遮断を切り換える。
第1の条件として、メモリセル1個を選択する通常モードの場合では、例えば、列線C1のみが選択され、メモリセルM11が選択される。
第2の条件として、メモリセル2個同時に選択する場合では、信号マルチ選択信号MS2を列デコーダに入力すると、2つの列線が選択される。例えば、列線C1と列線C2が同時に選択され、同時にメモリセルM11とM12が選択される。
第3の条件として、メモリセル4個同時に選択する場合では、信号マルチ選択信号MS4を入力すると、4つの列線が選択される。例えば、列線C1〜C4までが同時に選択され、同時にメモリセルM11〜M14が選択される。
第4の条件として、メモリセル8個同時に選択する場合では、信号マルチ選択信号MS8を入力すると、8つの列線全てが選択される。図に示す、列線C1〜C8までが同時に選択され、同時にメモリセルM11〜M18が選択される。
このように、設定される条件が複数設定できる場合において、同時に選択されるメモリセルの数が増えることは、設定されている定電流値が各メモリセルに分散されることになる。すなわち、1メモリセルあたりに供給される定電流は、同時に接続するメモリセルの数の逆数に比例し、分配数が多くなるにつれ電流値が小さくなるので、所望の動作点で動作させることができなくなることになる。
以下の説明では、先に示した4つの条件を例として、メモリセル1個、2個、4個、8個の書き込みおよび消去を同時に行うこととする。その際に、定電流回路520の電流が、トランジスタ501−1の1つの回路による出力電流値では、メモリセル8個同時に処理することができず、メモリセル4個同時までは許容できるという構成条件として説明する。
上記条件から、定電流回路520は、トランジスタ502−1だけでは所定の電流を供給しきれず、メモリセル8個同時のときには並列に接続されるトランジスタ502−2を同時に利用することとする。
以下、電流設定のスイッチとして動作するトランジスタに、それぞれスイッチとしての対応付けを行って説明する。それらの対応づけにおいてトランジスタ507−1、507−2、507−3、508−1および508−2は、スイッチSW1、SW2、SW3、SWaおよびSWbとする。また、各トランジスタの導通状態と遮断状態は、対応するスイッチの導通状態を示す「オン」と遮断状態を示す「オフ」とで示すこととする。
条件1で示される状態は、列デコーダ420において1つの列線(例えば、列線C1)のみが選択される状態になる。この状態での定電流回路520において、SW1がオン、SW2とSW3がオフとした場合、トランジスタ503を流れる電流はIREFとなる。このとき、SWaがオン、SWbがオフとなっており、定電流負荷トランジスタ501−1に定電流αIREFが流れ、定電流負荷トランジスタ501−2は遮断される。
図を参照し、本発明の第3実施形態としてbit線ごとに定電流回路を設けた形態について説明する。
図11は、第3実施形態における不揮発性半導体メモリ装置30を示すブロック図である。図に示される不揮発性半導体メモリ装置30は、メモリセルアレイ部100、行デコーダ230、列選択回路300、列デコーダ430、定電流回路530、書き込み制御回路600、接続制御回路601−1〜601−n、センスアンプ部700、電源回路830、ワード線WL1、WL2、〜WLm(以下、ワード線WL1、WL2、〜WLmをまとめて表すときはWLmと記載する)、bit線Bit1、Bit2、〜Bitn(以下、bit線Bit1、Bit2、〜Bitnをまとめて表すときはBitnと記載する)、列線C1〜Cn(以下、列線C1〜Cnをまとめて表すときはCnと記載する)、データ線DL、ソース線Sを備える。
不揮発性半導体メモリ装置30のうち、行デコーダ230、列デコーダ430、定電流回路530、接続制御回路601−1、601−2、〜601−n(以下、接続制御回路601−1、601−2、〜601−nをまとめて表すときは601−nと記載する)、電源回路830以外は、第1実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置10と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第1実施形態における説明を参照する。
列デコーダ430は、入力された列アドレス情報をデコードし、メモリセルアレイ部100の列を選択する信号を列線Cnに出力する。また、列デコーダ430は、ページ消去制御信号Pageが入力されると、メモリセルアレイ部100の列を選択する信号を全ての列線Cnに出力する。
電源回路830には、定電流回路530が接続され、定電流回路530は、制御電源線PS−1、PS−2、〜PS−n(以下、制御電源線PS−1、PS−2、〜PS−nをまとめて表すときは制御電源線PS−nと記載する。)に所要の定電流を出力する。
書き込み制御回路600には、接続制御回路601−nが接続される。その接続制御回路601−nは、書き込み制御回路600がDin*線に出力した信号に基づいて、定電流回路530からの制御電源線PS−nを各bit線Bitnに接続する。
不揮発性半導体メモリ装置30における定電流回路530は、トランジスタ531−1、531−2、〜531−n(以下、トランジスタ531−1、531−2、〜531−nをまとめて表すときはトランジスタ531−nと記載する)と、トランジスタ503と、トランジスタ504と、トランジスタ505、トランジスタ506および抵抗502を備える。
定電流回路530においてトランジスタ531−nは、メモリセルアレイ部100に定電流を出力するための定電流負荷トランジスタである。また、抵抗502は、負荷に流れる電流を設定する抵抗である。トランジスタ503とトランジスタ504およびトランジスタ505とトランジスタ531−nとで、それぞれカレントミラー回路を構成する。
なお、トランジスタ531−nから供給される定電流は、トランジスタ506に入力される制御信号線RWの信号状態に基づいて解除することができる。トランジスタ506に入力される制御信号線RWの信号は、メモリセルアレイ部100からの読み出し動作またはメモリセルアレイ部100への書き込み動作を示す状態信号である。制御信号線RWの信号が有意となる読み出し動作時と書き込み動作時のときにトランジスタ506はオン状態となり、メモリセルアレイ部100への定電流の供給を解除し、トランジスタ531−nをオン状態とする。
図を参照し、本発明の第4実施形態として、消去用定電流回路をメモリセルのソース側に設けた形態について説明する。
図12は、第4実施形態における不揮発性半導体メモリ装置40のブロック図である。
図に示される不揮発性半導体メモリ装置40は、メモリセルアレイ部100、行デコーダ230、列選択回路300、列デコーダ400、定電流回路500a、書き込み制御回路600、接続制御回路601a、センスアンプ部700、電源回路840、ワード線WL1、WL2、〜WLm(以下、ワード線WL1、WL2、〜WLmをまとめて表すときはWLmと記載する)、bit線Bit1、Bit2、〜Bitn(以下、bit線Bit1、Bit2、〜Bitnをまとめて表すときはBitnと記載する)、列線C1、C2、〜Cn(以下、列線C1、C2、〜Cnをまとめて表すときはCnと記載する)、データ線DL、ソース線Sを備える。
不揮発性半導体メモリ装置40のうち、行デコーダ230、定電流回路500a、接続制御回路601a、電源回路840以外は、第1実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置10と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第1実施形態における説明を参照する。また、接続制御回路601aは、第2実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置20と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第2実施形態における説明を参照する。また、行デコーダ230は、第3実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置30と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第3実施形態における説明を参照する。
定電流回路500aは、トランジスタ501と、トランジスタ503と、トランジスタ504と、トランジスタ505、トランジスタ509、トランジスタ510、および抵抗502を備える。
定電流回路500aにおいてトランジスタ501は、メモリセルアレイ部100に定電流を出力するための定電流負荷トランジスタである。また、抵抗502は、負荷に流れる電流を設定する抵抗である。トランジスタ503とトランジスタ504およびトランジスタ505とトランジスタ501とで、それぞれカレントミラー回路を構成する。
また、トランジスタ510に入力される制御信号線EBの信号によって、トランジスタ501、503、504、505で構成されるカレントミラー回路の動作を停止して、定電流回路500aからの定電流出力を停止させることができる。すなわち、定電流出力を停止し、かつ制御信号線RWでトランジスタ509をオフ状態とすることにより、ソース線SをOPEN(オープン)状態とすることができる。
図13は、不揮発性半導体メモリ装置40における消去動作を説明する概略ブロック図である。この図に示す構成要素において、図12に示した構成要素と同じものには同じ符号を付け、前述の説明を参照することとする。
トランジスタ503のサイズは幅W1、長さL1とし、トランジスタ504は幅W2、長さL2とし、トランジスタ504は幅W2、長さL2とし、トランジスタ501は幅W4、長さL4とする。トランジスタ501を流れる電流Ioutは、Rを流れる電流をIREFに基づいて、式(11)で示される。
図を参照し、本発明の第5実施形態として、書き込み用定電流回路と消去用定電流回路をそれぞれ設けた形態について説明する。
図14は、第5実施形態における不揮発性半導体メモリ装置50のブロック図である。
図に示される不揮発性半導体メモリ装置50は、メモリセルアレイ部150、行デコーダ230、列選択回路300、列デコーダ400、定電流回路550、定電流回路500a−1、500a―2、〜500a−m、書き込み制御回路650、センスアンプ部700、電源回路850、ワード線WL1、WL2、〜WLm(以下、ワード線WL1、WL2、〜WLmまとめて表すときはWLmと記載する)、bit線Bit1、Bit2、〜Bitn(以下、bit線Bit1、Bit2、〜Bitnをまとめて表すときはBitnと記載する)、列線C1、C2、〜Cn(以下、列線C1、C2、〜Cnをまとめて表すときはCnと記載する)、データ線DL、ソース線S1、S2、〜Smを備える。
不揮発性半導体メモリ装置50のうち、メモリセルアレイ部150、行デコーダ230、定電流回路550、定電流回路500a−1、500a―2、〜500a−m(以下、定電流回路500a−1、500a―2、〜500a−mをまとめて表すときは500a−mと記載する)、書き込み制御回路650、電源回路850、ソース線S1、S2、〜Sm(以下、ソース線S1、S2、〜Smまとめて表すときはSmと記載する)以外は、第1実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置10と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第1実施形態における説明を参照する。
また、行デコーダ230は、第3実施形態に係る不揮発性半導体メモリ装置30と同じ構成であるため、同じ符号を付し、第3実施形態における説明を参照する。
メモリセルアレイ部150は、各メモリセルのソースは行単位で接続される。
ソース線S1には、メモリセルM11、M12、〜M1nのソースが接続される。ソース線S2には、メモリセルM21、M22、〜M2nのソースが接続される。同様にソース線Smには、メモリセルMm1、Mm2、〜Mmnのソースが接続される。
ワード線WL1に、メモリセルM11、M12、〜M1nのコントロールゲートCGが接続される。ワード線WL2に、メモリセルM21、M22、〜M2nのコントロールゲートCGが接続される。同様にワード線WLmに、メモリセルMm1、Mm2、〜MmnのコントロールゲートCGが接続される。
bit線Bit1に、メモリセルM11、M21、〜Mm1のドレインDが接続される。bit線Bit2に、メモリセルM12、M22、〜Mm2のドレインDが接続される。同様に、bit線Bitnに、メモリセルM1n、M2n、〜MmnのドレインDが接続される。
電源回路850には、定電流回路550が接続される。定電流回路550は、制御電源線PS−1、PS−2、〜PS−nに所要の定電流を出力する。
書き込み制御回路650には、データ線DLが接続され、書き込み動作時に所定の電圧が出力される。
定電流回路550においてトランジスタ531−nは、メモリセルアレイ部100に定電流を出力するための定電流負荷トランジスタである。また、抵抗502は、負荷に流れる電流を設定する抵抗である。トランジスタ503とトランジスタ504およびトランジスタ505とトランジスタ531−nとで、それぞれカレントミラー回路を構成する。
定電流回路550は、第3実施形態の定電流回路530と内部の構成は同じであり、メモリセルアレイ部150の書き込み動作の電流を供給する。定電流回路530との違いは、消去動作時の電流を供給しないことになる。
図を参照し、本発明の第6実施形態として、コントロールゲート端子を備えないフローティングゲート型不揮発半導体メモリ素子の適応について説明する。
図15は、第6実施形態において説明する不揮発半導体メモリ素子の構造図である。
この図に示される不揮発半導体メモリ素子は、前述の不揮発性半導体メモリ装置10〜50のそれぞれのメモリセルアレイ部のメモリセルMmnに適用することができる。
この不揮発半導体メモリ素子は、コントロールゲート端子を備えないフローティングゲート型不揮発半導体メモリ素子の構造を有している。
図15(a)に、本発明の実施の形態で用いる不揮発性半導体メモリ素子を構成する1個のトランジスタの平面図を、(b)には断面図を、(c)には等価回路図を示す。図15(a)〜(c)に示す不揮発性半導体メモリ素子は、1層ポリシリコンのセル構造を用いて半導体基板SUB(電位Vsub)上に形成されたフローティングゲートFG、ドレインDおよびソースSから構成される。このフローティングゲートFGが電荷保持領域となるものであり、電極は設けられておらず、基板SUB上に形成されたゲート絶縁層の上にポリシリコンからなるフローティングゲートFGが形成されている。
また、ドレインDおよびソースSは、それぞれ基板SUB上に形成された拡散領域であり、それぞれコンタクトを介して電極が設けられている。
書き込み動作の場合は、VD=6V、VS=0V、Vch≒0.5VDとすると、式(18)によってフローティングゲートの書き込み動作時の電圧VFGを得る。
消去動作の場合には、VD=9V、VS=open、Vch=0Vとすると、式(19)によってフローティングゲートの消去動作時の電圧VFGを得る。
図を参照し、本発明の第7実施形態として適応可能な不揮発半導体メモリ素子について説明する。
図17は、第7実施形態において説明する不揮発半導体メモリ素子の構造図である。
この図に示される不揮発半導体メモリ素子は、前述の不揮発性半導体メモリ装置10〜50のそれぞれのメモリセルアレイ部のメモリセルMmnに適用することができる。
この不揮発半導体メモリ素子は、前述のフローティングゲートタイプと異なる構造を有する不揮発半導体メモリ素子である。
図17(a)は、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)タイプの不揮発性半導体メモリ素子を構成する1個のトランジスタの断面図である。
この図に示すメモリセルは、半導体基板SUB上に形成されたトランジスタTr、ドレインD、ソースS、絶縁膜N、ゲートGから構成される。この絶縁膜Nによって電荷が保持されるものであり、絶縁膜Nとして、窒化物(例えば、N3H4)を利用するものがある。また、ドレインDおよびソースSは、それぞれ基板SUB上に形成された拡散領域であり、それぞれコンタクトを介して電極が設けられている。
この図に示すメモリセルは、半導体基板SUB上に形成されたトランジスタTr、ドレインD、ソースS、酸化膜NC、ゲートGから構成される。この酸化膜NCには、ナノドットクリスタルが設けられる。また、ドレインDおよびソースSは、それぞれ基板SUB上に形成された拡散領域であり、それぞれコンタクトを介して電極が設けられている。
本第7実施形態で示したフローティングゲートタイプ以外の不揮発性半導体メモリ素子に対しても、書き込み動作および消去動作を行うときの電流を定電流制御することにより、それぞれの動作点を安定化させることができる。
100 メモリセルアレイ部、M11〜Mmn メモリセル、
200 行デコーダ、300、301〜300n 列選択回路、400 列デコーダ、
500 定電流回路、501、503〜505 トランジスタ、502 抵抗、
600 書き込み制御回路、602 入力回路、601 接続制御回路、
700 センスアンプ部、800 電源回路、
WL1〜WLm ワード線、Bit1〜Bitn bit線、C1〜Cn 列線、
DL データ線、S ソース線、PS 制御電源線
Claims (11)
- 電気的処理により書き込みあるいは消去が可能な複数の不揮発性半導体メモリ素子と、
前記不揮発性半導体メモリ素子の書き込みあるいは消去を行う定電流制御された電流を出力する定電流回路と、
を備えること特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - ワード線ならびにソース線と、bit線とからなるマトリクスの交点に配置され、前記ワード線と前記bit線によって選択される不揮発性半導体メモリ素子に、前記bit線に設定される信号に応じて書き込みあるいは消去が行われる不揮発性半導体メモリ装置であって、
電源と前記bit線との間に配置され、前記bit線に定電流制御された電流を出力する定電流回路と、
入力される信号に応じて書き込み動作時あるいは消去動作時に、前記定電流回路の出力電流を前記不揮発性半導体メモリ素子に供給するか否かを選択する選択素子と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記定電流回路は、
前記bit線ごとに設けられること
を特徴とする請求項2に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記定電流回路は、
列制御線によって同時に選択される複数の前記bit線に前記電流を出力し、選択された複数の前記不揮発性半導体メモリ素子に書き込みあるいは消去を行うこと
を特徴とする請求項2または請求項3に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - ワード線ならびにソース線と、bit線とからなるマトリクスの交点に配置され、前記ワード線と前記bit線によって選択される不揮発性半導体メモリ素子に、前記bit線に設定される信号に応じて書き込みあるいは消去が行われる不揮発性半導体メモリ装置であって、
基準電位と前記ソース線との間に配置され、前記ソース線に定電流制御された電流を出力する定電流回路と、
を備えることを特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - ワード線ならびにソース線と、bit線とからなるマトリクスの交点に配置され、前記ワード線と前記bit線によって選択される不揮発性半導体メモリ素子に、前記bit線に設定される信号に応じて書き込みあるいは消去が行われる不揮発性半導体メモリ装置であって、
電源と前記bit線との間に配置され、前記bit線に定電流制御された電流を出力する第1の定電流回路と、
入力される信号に応じて書き込み動作時あるいは消去動作時に、前記定電流回路の出力電流を前記不揮発性半導体メモリ素子に供給することを選択する選択素子と、
基準電位と前記ソース線との間に配置され、前記ソース線に定電流制御された電流を出力する第2の定電流回路と、
を備え、
前記第1の定電流回路は前記不揮発性半導体メモリ素子の書き込みを行い、前記第2の定電流回路は前記不揮発性半導体メモリ素子の消去を行うこと
を特徴とする不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記第2の定電流回路は、
前記ソース線に接続された前記不揮発性半導体メモリ素子を範囲とする所定のブロック毎に前記不揮発性半導体メモリ素子の消去を行うこと
を特徴とする請求項6に記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記定電流回路は、
同時に選択された前記不揮発性半導体メモリ素子数に応じて、前記不揮発性半導体メモリ素子に供給される定電流制御された電流値が設定される出力電流設定部と
を備えること特徴とする請求項2から請求項7のいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記不揮発性半導体メモリ素子は、
フローティングゲートタイプの構造を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記不揮発性半導体メモリ素子は、
MONOSタイプの構造を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ装置。 - 前記不揮発性半導体メモリ素子は、
ナノクリスタルタイプの構造を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれかに記載の不揮発性半導体メモリ装置。
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