JP2017216025A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下に、本実施形態の半導体記憶装置とその半導体記憶装置を含むメモリシステムについて説明する。
まず、図1を用いてメモリシステムの構成について説明する。図1に示すように、メモリシステム10は、半導体記憶装置、例えばNAND型フラッシュメモリ100、及びコントローラ200を備えている。
図2を用いて、本実施形態のNAND型フラッシュメモリ100の全体構成を説明する。
次に、NAND型フラッシュメモリ100が備えるメモリセルアレイ111の構成について詳述する。
メモリセルアレイ111内のブロックBLK(ブロックBLK0,BLK1,・・・の各々)の回路図を図3に示す。
図4を用いて、本実施形態におけるメモリセルアレイ111の一部領域の断面構造を説明する。
図5は、本実施形態におけるメモリセルトランジスタMTの取りうるデータ及び閾値分布を示す。
図7を用いて、本実施形態が備えるドライバ114について説明する。
NAND型フラッシュメモリ100におけるリード動作あるいはプログラムベリファイ動作において、ワード線WLの電圧を遷移させる場合に、ワード線電圧を高速に遷移させる動作を説明する。ワード線電圧を遷移させるとは、ワード線を充電あるいは放電してワード線の電圧を変化させることを指す。
ワード線WLの目標電圧V2が、ワード線WLの遷移前電圧V1より高い場合と、低い場合とに分け、さらに、遷移前電圧V1と目標電圧V2との差が大きいときと、小さいときとに分けて説明する。
ワード線WLの遷移前電圧V1を、電圧V1より高い目標電圧V2に充電する動作を述べる。
図8(a)に、ワード線WLの充電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が大きい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。なお、図8(a)以降の図における時刻t1、t2、t3、t4、t5の各々は、同じ時刻を示すものではなく、各々の図における任意の時刻を示すものとする。
図8(b)に、ワード線WLの充電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が小さい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
ワード線WLの遷移前電圧V1を、電圧V1より低い目標電圧V2に放電する動作を述べる。前述した遷移前電圧V1より目標電圧V2が高い場合の動作と同様な動作については省略する。
図9(a)に、ワード線WLの放電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が大きい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
図9(b)に、ワード線WLの放電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が小さい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
2.2.1 リード動作
図5に示したメモリセルトランジスタMTは2ビットデータを保持可能である。これらメモリセルトランジスタMTのワード線WLにおける電圧遷移の一例として、page-by-page読み出し(lowerページ読み出しとupperページ読み出し)においてワード線WLを充電する動作について述べる。図10−図15のタイミングチャートではワード線領域WLneの電圧Vneを示す。また、図10以降の図における時刻T1−T8の各々は、同じ時刻を示すものではなく、各々の図における任意の時刻を示すものとする。
書き込みでは、プログラムとプログラムベリファイとが繰り返し実行され、メモリセルにAレベル〜Cレベルの書き込みが行われる。ここでは、プログラム後の電圧VfyA、電圧VfyB、電圧VfyCによるプログラムベリファイにおいてワード線WLを充電する動作について述べる。
2.3.1 リード動作
図6に示したメモリセルトランジスタMTは3ビットデータを保持可能である。これらメモリセルトランジスタMTのワード線WLにおける電圧遷移の一例として、page-by-page読み出し(lowerページ読み出し、middleページ読み出し、upperページ読み出し)においてワード線WLを充電する動作を図12−図14に示す。
図12に示すように、lowerページ読み出しでは、例えばワード線WLが電圧VAに設定されて読み出しが行われ、続いて電圧VEに設定されて読み出しが行われる。
図13に示すように、middleページ読み出しでは、例えばワード線WLが電圧VBに設定されて読み出しが行われ、続いて電圧VDに設定されて読み出しが行われ、さらに電圧VFに設定されて読み出しが行われる。
図14に示すように、upperページ読み出しでは、例えば、ワード線WLが電圧VCに設定されて読み出しが行われ、続いて電圧VGに設定されて読み出しが行われる。
書き込みでは、プログラムとプログラムベリファイとが繰り返し実行され、メモリセルにAレベル〜Gレベルの書き込みが行われる。ここでは、プログラム後の電圧VfyA、電圧VfyB、電圧VfyCによるプログラムベリファイにおいて、ワード線WLを充電する動作を図15に示す。
第1実施形態の半導体記憶装置によれば、ワード線WLの充放電を速め、ワード線を目標電圧に高速に設定することができる。さらには、ワード線を目標電圧に高速に設定できることで、リード動作及びプログラムベリファイ動作の高速化が可能である。
第2実施形態の半導体記憶装置について、第1実施形態と異なる点について主に説明する。NAND型フラッシュメモリ100の全体構成、メモリセルアレイ111、及びドライバ114等の構成については、前記第1実施形態と同様であるため説明を省略する。
第2実施形態は、ワード線WLに対して目標電圧より高いあるいは低いアシスト電圧を印加する期間(以下、アシスト期間と記す)を、遷移前電圧と目標電圧との電圧差に応じて可変とする点で第1実施形態と異なる。以下に、NAND型フラッシュメモリ100におけるリード動作あるいはプログラムベリファイ動作において、アシスト期間を可変とすることにより、ワード線電圧を高速に遷移させる動作を説明する。
ワード線WLの目標電圧V2が、遷移前電圧V1より高い場合と、低い場合とに分け、さらに、遷移前電圧V1と目標電圧V2との差が大きいときと、小さいときとに分けて説明する。
ワード線WLの遷移前電圧V1を、電圧V1より高い目標電圧V2に充電する動作を述べる。
図18(a)に、ワード線WLの充電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が大きい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
図18(b)に、ワード線WLの充電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が小さい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
ワード線WLの遷移前電圧V1を、電圧V1より低い目標電圧V2に放電する動作を述べる。前述した遷移前電圧V1より目標電圧V2が高い場合の動作と同様な動作については省略する。
図19(a)に、ワード線WLの放電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が大きい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
図19(b)に、ワード線WLの放電前電圧V1と目標電圧V2との電圧差が小さい場合の印加電圧Vdrと、印加電圧Vdrによって変化する電圧Vne、Vfaを示す。
1.2.1 リード動作
図5に示したメモリセルトランジスタMTのワード線WLにおける電圧遷移の一例として、page-by-page読み出し(lowerページ読み出しとupperページ読み出し)においてワード線WLを充電する動作について述べる。図20〜図25のタイミングチャートではワード線領域WLneの電圧Vneを示す。
ここでは、プログラム後の電圧VfyA、電圧VfyB、電圧VfyCによるプログラムベリファイにおいてワード線WLを充電する動作について述べる。
1.3.1 リード動作
図6に示したメモリセルトランジスタMTのワード線WLにおける電圧遷移の一例として、page-by-page読み出し(lowerページ読み出し、middleページ読み出し、upperページ読み出し)においてワード線WLを充電する動作を図22−図24に示す。
図22に示すように、lowerページ読み出しでは、例えばワード線WLが電圧VAに設定されて読み出しが行われ、続いて電圧VEに設定されて読み出しが行われる。
図23に示すように、middleページ読み出しでは、例えばワード線WLが電圧VBに設定されて読み出しが行われ、続いて電圧VDに設定されて読み出しが行われ、さらに電圧VFに設定されて読み出しが行われる。
図24に示すように、upperページ読み出しでは、例えばワード線WLが電圧VCに設定されて読み出しが行われ、続いて電圧VGに設定されて読み出しが行われる。
ここでは、プログラム後の電圧VfyA、電圧VfyB、電圧VfyCによるプログラムベリファイにおいてワード線WLを充電する動作を図25に示す。
第2実施形態の半導体記憶装置によれば、ワード線WLの充放電を速め、ワード線を目標電圧に高速に設定することができる。さらには、ワード線を目標電圧に高速に設定できることで、リード動作及びプログラムベリファイ動作の高速化が可能である。
第1及び第2実施形態は、不揮発性メモリ(例えば、NAND型フラッシュメモリ)、揮発性メモリ、システムLSI等を問わず、例えば、メモリセルに接続されたワード線を備え、ワード線の充電が必要な種々の半導体装置に適用可能である。
(1)読み出し動作では、
Aレベルの読み出し動作に選択されたワード線に印加される電圧は、例えば0V〜0.55Vの間である。これに限定されることなく、0.1V〜0.24V,0.21V〜0.31V,0.31V〜0.4V,0.4V〜0.5V,0.5V〜0.55Vいずれかの間にしてもよい。
(2)書き込み動作は、上述したとおりプログラム動作とベリファイ動作を含む。書き込み動作では、上述した15.0V〜23.0Vの他に下記電圧であってもよい。
(3)消去動作では、
半導体基板上部に形成され、かつ、上記メモリセルが上方に配置されたウェルに最初に印加する電圧は、例えば12V〜13.6Vの間である。この場合に限定されることなく、例えば13.6V〜14.8V,14.8V〜19.0V,19.0V〜19.8V,19.8V〜21Vの間であってもよい。
(4)メモリセルの構造は、
半導体基板(シリコン基板)上に膜厚が4〜10nmのトンネル絶縁膜を介して配置された電荷蓄積層を有している。この電荷蓄積層は膜厚が2〜3nmのSiN、またはSiONなどの絶縁膜と膜厚が3〜8nmのポリシリコンとの積層構造にすることができる。また、ポリシリコンにはRuなどの金属が添加されていても良い。電荷蓄積層の上には絶縁膜を有している。この絶縁膜は、例えば、膜厚が3〜10nmの下層High−k膜と膜厚が3〜10nmの上層High−k膜に挟まれた膜厚が4〜10nmのシリコン酸化膜を有している。High−k膜はHfOなどが挙げられる。また、シリコン酸化膜の膜厚はHigh−k膜の膜厚よりも厚くすることができる。絶縁膜上には膜厚が3〜10nmの材料を介して膜厚が30nm〜70nmの制御電極が形成されている。この材料はTaOなどの金属酸化膜、TaNなどの金属窒化膜である。制御電極にはWなどを用いることができる。
Claims (8)
- メモリセルに接続されたワード線と、
前記ワード線に電圧を印加するドライバと、
を具備し、
前記ドライバは、第1電圧を持つ前記ワード線を第2電圧に遷移させる場合、前記第1電圧と前記第2電圧との電圧差に応じて変化する第3電圧だけ、前記第2電圧より高い電圧あるいは低い電圧のいずれかの第4電圧を前記ワード線に印加することを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記第3電圧は、前記電圧差の1/2あるいは1/4、1/8のいずれかの電圧であることを特徴とする請求項1に記載の半導体記憶装置。
- メモリセルに接続されたワード線と、
前記ワード線に電圧を印加するドライバと、
を具備し、
前記ドライバは、第1電圧を持つ前記ワード線を第2電圧に遷移させる場合、前記第1電圧と前記第2電圧との電圧差に応じて変化する期間、前記第2電圧より高い電圧あるいは低い電圧のいずれかの第4電圧を前記ワード線に印加することを特徴とする半導体記憶装置。 - 前記ドライバにより前記ワード線に印加される前記第4電圧は、前記ワード線が有する最大電圧であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体記憶装置。
- 前記ドライバにより前記ワード線に印加される前記第4電圧は、前記ワード線が有する最低電圧であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体記憶装置。
- 前記ワード線が有する前記第2電圧は、電圧の平均値であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体記憶装置。
- 前記ワード線が有する前記第2電圧は、電圧の最大値であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体記憶装置。
- 前記ワード線が有する前記第2電圧は、電圧の最小値であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体記憶装置。
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