JP2020144961A - 半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速に動作する半導体記憶装置を提供する。【解決手段】半導体記憶装置は、第1メモリトランジスタと、第1メモリトランジスタのゲート電極に接続された第1配線と、第1配線に接続された第1接続トランジスタと、第1接続トランジスタに接続された第2配線と、を備える。第1メモリトランジスタに対する第1書込動作の、第1のタイミングにおいて、第1配線の電圧は第1電圧となり、第2配線の電圧は第1電圧より大きい第2電圧となる。第1のタイミングの後の第2のタイミングにおいて、第1配線の電圧は第1電圧より大きく第2電圧より小さい第3電圧となり、第2配線の電圧は第1電圧より大きく第2電圧より小さい第4電圧となる。【選択図】図12
Description
本実施形態は、半導体記憶装置に関する。
メモリトランジスタを含む半導体記憶装置が知られている。
高速に動作する半導体記憶装置を提供する。
一の実施形態に係る半導体記憶装置は、第1メモリトランジスタと、第1メモリトランジスタのゲート電極に接続された第1配線と、第1配線に接続された第1接続トランジスタと、第1接続トランジスタに接続された第2配線と、を備える。第1メモリトランジスタに対する第1書込動作の、第1のタイミングにおいて、第1配線の電圧は第1電圧となり、第2配線の電圧は第1電圧より大きい第2電圧となる。第1のタイミングの後の第2のタイミングにおいて、第1配線の電圧は第1電圧より大きく第2電圧より小さい第3電圧となり、第2配線の電圧は第1電圧より大きく第2電圧より小さい第4電圧となる。
次に、実施形態に係る半導体記憶装置を、図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の実施形態はあくまでも一例であり、本発明を限定する意図で示されるものではない。また、以下の図面は模式的なものであり、説明の都合上、一部の構成を省略することがある。また、複数の実施形態について共通の部分については、基本的に説明を省略するものとする。
また、本明細書において「半導体記憶装置」と言った場合には、メモリダイを意味する事もあるし、メモリチップ、メモリカード、SSD等の、コントロールダイを含むメモリシステムを意味する事もある。更に、スマートホン、タブレット端末、パーソナルコンピュータ等の、ホストコンピュータを含む構成を意味する事もある。
また、本明細書において、第1の構成が第2の構成に「電気的に接続されている」と言った場合、第1の構成は第2の構成に直接接続されていても良いし、第1の構成が第2の構成に配線、半導体部材又はトランジスタ等を介して接続されていても良い。例えば、3つのトランジスタを直列に接続した場合には、2つ目のトランジスタがOFF状態であったとしても、1つ目のトランジスタは3つ目のトランジスタに「電気的に接続」されている。
また、本明細書において、第1の構成が第2の構成及び第3の構成の「間に接続されている」と言った場合、第1の構成、第2の構成及び第3の構成が直列に接続され、且つ、第1の構成が第2の構成及び第3の構成の電流経路に設けられていることを意味する場合がある。
また、本明細書において、回路等が2つの配線等を「導通させる」と言った場合には、例えば、この回路等がトランジスタ等を含んでおり、このトランジスタ等が2つの配線の間の電流経路に設けられており、このトランジスタ等がON状態となることを意味する事がある。
[第1実施形態]
[構成]
図1は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す模式的な等価回路図である。
[構成]
図1は、第1実施形態に係る半導体記憶装置の構成を示す模式的な等価回路図である。
本実施形態に係る半導体記憶装置は、メモリセルアレイMCAと、メモリセルアレイMCAを制御する周辺回路PCと、を備える。
メモリセルアレイMCAは、複数のメモリブロックMBを備える。これら複数のメモリブロックMBは、それぞれ、複数のストリングユニットSUを備える。これら複数のストリングユニットSUは、それぞれ、複数のメモリストリングMSを備える。これら複数のメモリストリングMSの一端は、それぞれ、ビット線BLを介して周辺回路PCに接続される。また、これら複数のメモリストリングMSの他端は、それぞれ、共通のソース線SLを介して周辺回路PCに接続される。
メモリストリングMSは、ビット線BL及びソース線SLの間に直列に接続されたドレイン選択トランジスタSTD、直列に接続された複数のメモリセルMC、及び、ソース選択トランジスタSTSを備える。以下、ドレイン選択トランジスタSTD、及び、ソース選択トランジスタSTSを、単に選択トランジスタ(STD、STS)と呼ぶ事がある。
メモリセルMCは、チャネル領域として機能する半導体柱、電荷蓄積膜を含むゲート絶縁膜、及び、ゲート電極を備える電界効果型のトランジスタである。メモリセルMCのしきい値電圧は、電荷蓄積膜中の電荷量に応じて変化する。尚、1のメモリストリングMSに対応する複数のメモリセルMCのゲート電極には、それぞれ、ワード線WLが接続される。これらワード線WLは、それぞれ、1のメモリブロックMB中の全てのメモリストリングMSに共通に接続される。
選択トランジスタ(STD、STS)は、チャネル領域として機能する半導体柱、ゲート絶縁膜及びゲート電極を備える電界効果型のトランジスタである。選択トランジスタ(STD、STS)のゲート電極には、それぞれ、選択ゲート線(SGD、SGS)が接続される。ドレイン選択線SGDは、ストリングユニットSUに対応して設けられ、1のストリングユニットSU中の全てのメモリストリングMSに共通に接続される。ソース選択線SGSは、1のメモリブロックMB中の全てのメモリストリングMSに共通に接続される。
周辺回路PCは、動作電圧を生成する動作電圧生成モジュール21と、アドレスデータをデコードするアドレスデコーダ22と、アドレスデコーダ22の出力信号に応じてメモリセルアレイMCAに動作電圧を転送するブロック選択回路23及び電圧選択回路24と、ビット線BLに接続されたセンスアンプ25と、これらを制御するシーケンサ26と、を備える。
動作電圧生成モジュール21は、複数の動作電圧生成ユニット31を備える。これら複数の動作電圧生成ユニット31には、例えば、接地電圧及び電源電圧が供給される。また、これら複数の動作電圧生成ユニット31は、それぞれ、シーケンサ26からの制御信号に従って、メモリセルアレイMCAに対する読出動作、書込動作及び消去動作に際してビット線BL、ソース線SL、ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS)に印加される動作電圧を順次生成し、複数の動作電圧出力端子311に出力する。
アドレスデコーダ22は、複数のブロック選択線32及び複数の電圧選択線33を備える。例えば、アドレスデコーダ22は、シーケンサ26からの制御信号に従って順次アドレスレジスタのアドレスデータを参照し、このアドレスデータをデコードして、アドレスデータに対応する所定のブロック選択線32及び電圧選択線33を“H”状態とし、それ以外のブロック選択線32及び電圧選択線33を“L”状態とする。
ブロック選択回路23は、メモリブロックMBに対応する複数のブロック選択部34を備える。これら複数のブロック選択部34は、それぞれ、ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS)に対応する複数のブロック選択トランジスタ35を備える。ブロック選択トランジスタ35は、例えば、電界効果型の耐圧トランジスタである。ブロック選択トランジスタ35の一端は、それぞれ、対応するワード線WL又は選択ゲート線(SGD、SGS)に電気的に接続される。他端は、それぞれ、配線CG及び電圧選択回路24を介して動作電圧出力端子311に電気的に接続される。ゲート電極は、対応するブロック選択線32に共通に接続される。
電圧選択回路24は、ワード線WL及び選択ゲート線(SGD、SGS)に対応する複数の電圧選択部36を備える。これら複数の電圧選択部36は、それぞれ、複数の電圧選択トランジスタ37を備える。電圧選択トランジスタ37は、例えば、電界効果型の耐圧トランジスタである。電圧選択トランジスタ37の一端は、それぞれ、配線CG及びブロック選択回路23を介して、対応するワード線WL又は選択ゲート線(SGD、SGS)に電気的に接続される。他端は、それぞれ、対応する動作電圧出力端子311に電気的に接続される。ゲート電極は、それぞれ、対応する電圧選択線33に接続される。
センスアンプ25は、複数のビット線BLに接続される。センスアンプ25は、例えば、ビット線BLに対応する複数のセンスアンプユニットを備える。センスアンプユニットは、それぞれ、動作電圧生成モジュール21において生成された電圧に基づいてビット線BLに電圧及び電流を供給するクランプトランジスタと、ビット線BLの電圧又は電流をセンスするセンス回路と、このセンス回路の出力信号や書込みデータ、ベリファイパスフラグ等を保持する複数のラッチと、論理回路と、を備える。論理回路は、例えば読出動作に際して、ラッチに保持されたデータを参照してメモリセルMCに保持されたデータを特定する。また、例えば書込動作に際して、ラッチに保持されたデータを参照して、ビット線BLの電圧を制御する。
シーケンサ26は、入力された命令及び半導体記憶装置の状態に応じて、動作電圧生成モジュール21、アドレスデコーダ22及びセンスアンプ25に制御信号を出力する。例えば、シーケンサ26は、クロック信号に従って順次コマンドレジスタのコマンドデータを参照し、このコマンドデータをデコードして、動作電圧生成モジュール21、アドレスデコーダ22及びセンスアンプ25に出力する。
図2〜図4は、動作電圧生成ユニット31の構成を示す模式的な等価回路図である。
動作電圧生成ユニット31は、図2に示す様に、動作電圧出力端子311に電圧VOUTを出力する昇圧回路31aと、動作電圧出力端子311に接続された分圧回路31bと、分圧回路31bから出力される電圧VOUT´と参照電圧VREFとの大小関係に応じて昇圧回路31aにフィードバック信号FBを出力するコンパレータ31cと、を備える。
昇圧回路31aは、図3に示す様に、電源電圧入力端子312及び動作電圧出力端子311の間に交互に接続された複数のトランジスタ313a,313bを備える。電源電圧入力端子312には、電源電圧が供給される。直列に接続された複数のトランジスタ313a,313bのゲート電極は、それぞれのドレイン電極及びキャパシタ314に接続されている。また、昇圧回路31aは、クロック信号CLK及びフィードバック信号FBの論理和を出力するAND回路315と、AND回路315の出力信号を昇圧して出力するレベルシフタ316aと、AND回路315の出力信号の反転信号を昇圧して出力するレベルシフタ316bと、を備える。レベルシフタ316aの出力信号は、キャパシタ314を介してトランジスタ313aのゲート電極に接続される。レベルシフタ316bの出力信号は、キャパシタ314を介してトランジスタ313bのゲート電極に接続される。
フィードバック信号FBが“H”状態である場合、AND回路315からは、クロック信号CLKが出力される。これに伴い、動作電圧出力端子311から電源電圧入力端子312に電子が移送され、動作電圧出力端子311の電圧が増大する。一方、フィードバック信号FBが“L”状態である場合、AND回路315からは、クロック信号CLKが出力されない。従って、動作電圧出力端子311の電圧は増大しない。
分圧回路31b(図2)は、動作電圧出力端子311及び分圧端子317の間に接続された抵抗素子318と、分圧端子317及び接地端子の間に直列に接続された可変抵抗素子319と、を備える。可変抵抗素子319の抵抗値は、動作電圧制御信号VCTRLに応じて調整可能である。従って、分圧端子317から出力される電圧VOUT´の大きさは、動作電圧制御信号VCTRLに応じて調整可能である。
可変抵抗素子319は、図4に示す様に、分圧端子317及び接地端子の間に並列に接続された複数の電流経路320を備える。これら複数の電流経路320は、それぞれ、直列に接続された抵抗素子321及びトランジスタ322を備える。各電流経路320に設けられた抵抗素子321の抵抗値は、お互いに異なる大きさであっても良い。各電流経路320に設けられたトランジスタ322のゲート電極には、それぞれ、動作電圧制御信号VCTRLの異なるビットが入力される。また、可変抵抗素子319は、トランジスタ322を含まない電流経路323を有していても良い。
コンパレータ31c(図2)は、フィードバック信号FBを出力する。フィードバック信号FBは、例えば、分圧端子317の電圧VOUT´が参照電圧VREFより大きい場合に“L”状態となる。また、フィードバック信号FBは、例えば、電圧VOUT´が参照電圧VREFより小さい場合に“H”状態となる。
図5は、本実施形態に係る半導体記憶装置の模式的な平面図である。本実施形態に係る半導体記憶装置は、基板100を備える。また、基板100上には、X方向に並ぶ2つのメモリセルアレイMCAが設けられる。メモリセルアレイMCAは、Y方向に配設された複数のメモリブロックMBを備える。また、メモリセルアレイMCAの外部の領域には、周辺回路PCが設けられる。
図6は、図5のAで示した部分の拡大図である。本実施形態において、メモリセルアレイMCAは、X方向に延伸する分断溝STによってY方向に分離された複数のサブブロック構造体SBを備える。メモリブロックMBは、Y方向に並ぶ2つのサブブロック構造体SBからなる。各サブブロック構造体SBにはX方向に延伸する分断溝SHEが形成されており、この分断溝SHEによって各サブブロック構造体SBにY方向に並ぶ2つのストリングユニットSUが形成される。また、各サブブロック構造体SBは、導電層110と、千鳥状に配設された複数の半導体柱120と、を備える。また、図6には、X方向に並び、Y方向に延伸する複数のビット線BLを図示している。各ビット線BLは、Y方向に延伸し、各ストリングユニットSUに対応する1の半導体柱120に接続される。
図7は、図6に示す構造をB−B´線によって切断し、矢印の方向に見た模式的な断面図である。図8は、図7のCで示した部分の模式的な拡大図である。図7に示す通り、本実施形態に係る半導体記憶装置は、基板100と、Z方向に並ぶ複数の導電層110と、Z方向に延伸する複数の半導体柱120と、複数の導電層110及び複数の半導体柱120の間にそれぞれ設けられた複数のゲート絶縁膜130と、基板100に接続された導電層140と、を備える。
基板100は、例えば、P型の不純物を含む単結晶シリコン(Si)等の半導体基板である。基板100の表面の一部には、リン(P)等のN型の不純物を含むN型ウェルが設けられている。また、N型ウェルの表面の一部には、ホウ素(B)等のP型の不純物を含むP型ウェルが設けられている。
導電層110は、X方向に延伸する略板状の導電層であり、Z方向に複数並んでいる。導電層110は、例えば、窒化チタン(TiN)及びタングステン(W)の積層膜等を含んでいても良いし、リン又はホウ素等の不純物を含む多結晶シリコン等を含んでいても良い。また、導電層110の間には、酸化シリコン(SiO2)等の絶縁層101が設けられている。
複数の導電層110のうち、最下層に位置する一又は複数の導電層110は、ソース選択線SGS(図1)及びこれに接続された複数のソース選択トランジスタSTS(図1)のゲート電極として機能する。また、これより上方に位置する複数の導電層110は、ワード線WL(図1)及びこれに接続された複数のメモリセルMC(図1)のゲート電極として機能する。また、これより上方に位置する一又は複数の導電層110は、ドレイン選択線SGD(図1)及びこれに接続された複数のドレイン選択トランジスタSTD(図1)のゲート電極として機能する。図9に示すように、サブブロック構造体SBを区画する分断溝STは、Z方向において最上層の導電層110から最下層の導電層110の全てを分離する深さを有する。また、ストリングユニットSUを区画する分断溝SHEは、Z方向においてドレイン選択線SGDとして機能する導電層110を分離する深さを有する。各メモリブロックMBにおいて、2つのサブブロック構造体SBのワード線WLとして機能する導電層110が、それぞれ接続される。これにより、各メモリブロックMBに4つのストリングユニットSUが形成される。
半導体柱120は、例えば、ノンドープの多結晶シリコン(Si)等の半導体膜によって形成された柱状体である。半導体柱120は、略円筒状の形状を有し、中心部分には酸化シリコン等のコア部121が設けられている。また、半導体柱120の外周面は、それぞれ導電層110によって囲われている。半導体柱120の下端部は、ノンドープの単結晶シリコン等の半導体基部122を介して基板100のP型ウェルに接続される。半導体基部122は、酸化シリコン等の絶縁層123を介して最下層の導電層110に対向する。半導体柱120の上端部は、コンタクトCh及びVy(図6)を介してビット線BL(図6)に接続される。半導体柱120は、それぞれ、1つのメモリストリングMS(図3)に含まれる複数のメモリセルMC及びドレイン選択トランジスタSTDのチャネル領域として機能する。半導体基部122は、ソース選択トランジスタSTSの一部のチャネル領域として機能する。
また、本実施形態に係る半導体柱120は、下側半導体柱120L及び上側半導体柱120Uを備える。下側半導体柱120L及び上側半導体柱120Uは、Z方向に延伸する。下側半導体柱120Lの上端部は、上側半導体柱120Uの下端部に接続されている。下側半導体柱120L及び上側半導体柱120Uの上端部のXY平面における外径は、下側半導体柱120L及び上側半導体柱120Uの下端部のXY平面における外径より大きい。
ゲート絶縁膜130は、例えば図8に示す通り、半導体柱120及び導電層110の間に積層されたトンネル絶縁膜131、電荷蓄積膜132、及び、ブロック絶縁膜133を備える。トンネル絶縁膜131及びブロック絶縁膜133は、例えば、酸化シリコン等の絶縁膜である。電荷蓄積膜132は、例えば、窒化シリコン(SiN)等の電荷を蓄積可能な膜である。トンネル絶縁膜131、電荷蓄積膜132、及び、ブロック絶縁膜133は略円筒状の形状を有し、半導体柱120の外周面に沿ってZ方向に延伸する。
尚、図8には、ゲート絶縁膜130が窒化シリコン等の電荷蓄積膜132を備える例を示したが、ゲート絶縁膜130は、例えば、N型又はP型の不純物を含む多結晶シリコン等のフローティングゲートを備えていても良い。
例えば図7に示す通り、分断溝STには、導電層140が設けられる。導電層140は、X方向及びZ方向に延伸し、ソース線SLとして機能する。導電層140は、例えば、窒化チタン及びタングステンの積層膜等を含んでいても良い。導電層140及び複数の導電層110の間には、酸化シリコン等の絶縁層141が設けられる。
[書込動作]
次に、図9及び図10を参照して、第1実施形態に係る半導体記憶装置の書込動作について簡単に説明する。図9及び図10は、それぞれ、書込動作のプログラム動作及びベリファイ動作について説明するための模式的な断面図である。尚、図9及び図10では、書込動作の対象であるメモリブロックMBに含まれる4つのストリングユニットSUを、それぞれ、ストリングユニットSUa,SUb,SUc,SUdとして例示している。また、図9及び図10では、ストリングユニットSUaに含まれるメモリセルMCに対して書込動作が行われる例を示す。また、以下の説明では、選択メモリセルMCに接続されたワード線WLを、「選択ワード線WLSEL」と呼ぶ場合がある。また、それ以外のワード線WLを、「非選択ワード線WL」と呼ぶ場合がある。また、選択メモリセルMCのうち、しきい値の調整が行われるものを「書込メモリセルMC」と呼び、しきい値の調整が行われないものを「禁止メモリセルMC」と呼ぶ。
次に、図9及び図10を参照して、第1実施形態に係る半導体記憶装置の書込動作について簡単に説明する。図9及び図10は、それぞれ、書込動作のプログラム動作及びベリファイ動作について説明するための模式的な断面図である。尚、図9及び図10では、書込動作の対象であるメモリブロックMBに含まれる4つのストリングユニットSUを、それぞれ、ストリングユニットSUa,SUb,SUc,SUdとして例示している。また、図9及び図10では、ストリングユニットSUaに含まれるメモリセルMCに対して書込動作が行われる例を示す。また、以下の説明では、選択メモリセルMCに接続されたワード線WLを、「選択ワード線WLSEL」と呼ぶ場合がある。また、それ以外のワード線WLを、「非選択ワード線WL」と呼ぶ場合がある。また、選択メモリセルMCのうち、しきい値の調整が行われるものを「書込メモリセルMC」と呼び、しきい値の調整が行われないものを「禁止メモリセルMC」と呼ぶ。
図9に示す通り、プログラム動作に際しては、例えば、ストリングユニットSUaに含まれ選択ワード線WLSELに接続された複数のメモリセルMC(選択メモリセルMC)のうち、書込メモリセルMCに接続されたビット線BLと、禁止メモリセルMCに接続されたビット線BLと、に異なる電圧を供給する。例えば、書込メモリセルMCに対応するビット線BLには接地電圧を供給し、禁止メモリセルMCに対応するビット線BLには所定の書込禁止電圧を供給する。
また、プログラム動作に際しては、書込メモリセルMCを、選択的にビット線BLと導通させる。例えば、ストリングユニットSUaに対応するドレイン選択線SGDにON電圧VONを供給する。ON電圧VONは、例えば、接地電圧が供給されたビット線BLに接続されたドレイン選択トランジスタSTDがON状態となり、書込禁止電圧が供給されたビット線BLに接続されたドレイン選択トランジスタSTDがOFF状態となる程度の大きさを有する。また、ストリングユニットSUb,SUc,SUdに対応するドレイン選択線SGDにOFF電圧VOFFを供給する。OFF電圧VOFFは、例えば、ドレイン選択トランジスタSTDがOFF状態となる程度の大きさを有する。また、非選択ワード線WLに書込パス電圧VPASSを供給する。書込パス電圧VPASSは、例えば、メモリセルMCに記録されたデータに拘わらずメモリセルMCがON状態となる程度の大きさを有する。書込パス電圧VPASSは、例えば、電源電圧より大きい。
また、プログラム動作に際しては、選択ワード線WLSELにプログラム電圧VPGMを供給する。プログラム電圧VPGMは、書込パス電圧VPASSより大きい。これにより、書込メモリセルMCの電荷蓄積膜132(図8)に電子が蓄積され、書込メモリセルMCのしきい値電圧が増大する。
図10に示す通り、ベリファイ動作に際しては、例えば、ストリングユニットSUaに含まれ選択ワード線WLSELに接続された複数のメモリセルMC(選択メモリセルMC)のうち、書込メモリセルMCに接続されたビット線BLと、禁止メモリセルMCに接続されたビット線BLと、に異なる電圧を供給する。例えば、書込メモリセルMCに対応するビット線BLには所定の読出ビット線電圧を供給し、禁止メモリセルMCに対応するビット線BLには接地電圧を供給する。
また、ベリファイ動作に際しては、ストリングユニットSUaに含まれ選択ワード線WLSELに接続されたメモリセルMCを、選択的にビット線BL及びソース線SLと導通させる。例えば、ストリングユニットSUaに対応するドレイン選択線SGDにON電圧VON´を供給する。ON電圧VON´は、例えば、ドレイン選択トランジスタSTDがON状態となる程度の大きさを有する。ON電圧VON´は、例えば、ON電圧VONより大きくても良い。また、ストリングユニットSUb,SUc,SUdに対応するドレイン選択線SGDにOFF電圧VOFFを供給する。また、非選択ワード線WLに読出パス電圧VREADを供給する。読出パス電圧VREADは、例えば、メモリセルMCに記録されたデータに拘わらずメモリセルMCがON状態となる程度の大きさを有する。読出パス電圧VREADは、例えば、電源電圧より大きく、書込パス電圧VPASSより小さい。
また、ベリファイ動作に際しては、選択ワード線WLSELにベリファイ電圧VVFYを供給する。ベリファイ電圧VVFYは、例えば、書込メモリセルMCに所望のデータが記録されていない場合には書込メモリセルMCがON状態となり、書込メモリセルMCに所望のデータが記録された場合には書込メモリセルMCがOFF状態となる程度の大きさを有する。ベリファイ電圧VVFYは、読出パス電圧VREADより小さい。
また、ベリファイ動作に際しては、全ての書込メモリセルMCに所望のデータが記録されたか否かを判定する。例えば、書込メモリセルMCに接続された全てのビット線BLに電流が流れなかった場合にはベリファイパスを示す旨の信号を出力する。一方、書込メモリセルMCに接続された複数のビット線BLのうちのいずれかに電流が流れた場合にはベリファイフェイルを示す旨の信号を出力する。
図11は、書込動作について説明するための模式的なフローチャートである。
ステップS101では、昇圧動作を行う。例えば、動作電圧制御信号VCTRL(図2)を制御し、昇圧回路31a(図2)にクロック信号CLKを入力して、複数の動作電圧生成ユニット31により、プログラム電圧VPGM、書込パス電圧VPASS、ベリファイ電圧VVFY、読出パス電圧VREAD等を生成する。尚、この状態において、電圧選択トランジスタ37(図1)はOFF状態である。以下、プログラム電圧VPGMを出力する動作電圧生成ユニット31を、「動作電圧生成ユニット31(VPGM)」と表記する場合がある。同様に、書込パス電圧VPASSを出力する動作電圧生成ユニット31を、それぞれ、「動作電圧生成ユニット31(VPASS)」と表記する場合がある。
ステップS102では、ループ回数nを1に設定する。ループ回数nは、レジスタ等に記録される。
ステップS103では、接続動作を行う。例えば、選択メモリセルMCを含むメモリブロックMBに対応するブロック選択線32を“H”状態とする。また、所定の電圧選択線33を“H”状態とする。これに伴い、動作電圧生成ユニット31から出力された電圧VOUTが配線CG等を介してワード線WL等に供給され、図9を参照して説明した様に、書込メモリセルMCがビット線BLと導通する。
尚、本実施形態では、ステップS103において、動作電圧生成ユニット31(VPGM)から出力される電圧VOUTを、プログラム電圧VPGMより大きい電圧まで増大させる。
ステップS104では、プログラム動作を行う。例えば、動作電圧生成ユニット31(VPASS)の動作電圧出力端子311を選択ワード線WLSELから切り離し、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の動作電圧出力端子311を選択ワード線WLSELと導通させる。また、この動作電圧生成ユニット31(VPGM)から出力される電圧VOUTを、プログラム電圧VPGMまで減少させる。これにより、図9を参照して説明した様に、選択ワード線WLSELにプログラム電圧VPGMを供給する。
ステップS105では、ベリファイ動作を行う。ベリファイ動作には、例えば、図10を参照して説明した様に行う。
ステップS106では、全ての書込メモリセルMCに所望のデータが記録されたか否かを判定する。この判定は、例えば、図10を参照して説明した様に行う。ベリファイフェイルの場合にはステップS107に進み、ベリファイパスの場合にはステップS109に進む。
ステップS107では、ループ回数nが所定の回数Nに達したか否かを判定する。達していなかった場合にはステップS108に進む。達していた場合にはステップS110に進む。
ステップS108では、ループ回数nに1を加算する。また、動作電圧制御信号VCTRL(図2)を制御して、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTを増大させる。その後、ステップS102に進む。
ステップS109では、書込動作が正常に終了した旨のステータスデータを出力して、書込動作を終了する。
ステップS110では、書込動作が正常に終了しなかった旨のステータスデータを出力して、書込動作を終了する。
図12は、書込動作について説明するための模式的な波形図である。図12には、図11のステップS103,S104における動作電圧生成ユニット31(VPGM)の動作電圧出力端子311の電圧VOUTと、動作電圧制御信号VCTRLと、選択ワード線WLSELの電圧と、を例示している。尚、図12では、プログラム電圧VPGMをVPGM(k)等と表記している。これは、ループ回数nの増大に伴ってプログラム電圧VPGMが増大するためであり、VPGM(k)は、ループ回数nがkである場合のプログラム電圧VPGMを意味している。
タイミングt101では、選択ワード線WLSELの電圧はおよそ接地電圧程度の大きさである。また、動作電圧制御信号VCTRLはプログラム電圧VPGM(k)に対応する値を備える。また、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTは、プログラム電圧VPGM(k)程度の大きさである。
タイミングt102では、接続動作(S103)が開始される。例えば、選択ワード線WLSELが動作電圧生成ユニット31(VPASS)と導通する。また、動作電圧制御信号VCTRLの値が、プログラム電圧VPGM(k)より電圧Vdeltaだけ大きい電圧に対応する値に切り替わる。
タイミングt102からタイミングt103にかけて、選択ワード線WLSELの電圧は書込パス電圧VPASS程度まで増大する。また、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTはプログラム電圧VPGM(k)+電圧Vdelta程度まで増大する。従って、タイミングt102からタイミングt103までの間の任意のタイミングにおいて、選択ワード線WLSELの電圧は接地電圧より大きく書込パス電圧VPASS以下である。また、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTはプログラム電圧VPGM(k)より大きくプログラム電圧VPGM(k)+電圧Vdelta以下である。
タイミングt103では、プログラム動作(S104)が開始される。例えば、選択ワード線WLSELが動作電圧生成ユニット31(VPGM)と導通する。これに伴い、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTは減少する。また、動作電圧生成ユニット31(VPGM)に入力される動作電圧制御信号VCTRLの値が、プログラム電圧VPGM(k)に対応する値に切り替わる。
タイミングt103からタイミングt104にかけて、選択ワード線WLSELの電圧はプログラム電圧VPGM(k)程度まで増大する。また、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTはプログラム電圧VPGM(k)程度まで減少する。従って、タイミングt103からタイミングt104までの間の任意のタイミングにおいて、選択ワード線WLSELの電圧は書込パス電圧VPASSより大きくプログラム電圧VPGM(k)以下である。また、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTはプログラム電圧VPGM(k)+電圧Vdeltaより小さくプログラム電圧VPGM(k)以上である。
タイミングt105では、選択ワード線WLSELが動作電圧生成ユニット31(VPGM)から切り離される。
タイミングt105からタイミングt106にかけて、選択ワード線WLSELの電圧は接地電圧程度まで減少する。
[効果]
図7等を参照して説明した通り、本実施形態に係る半導体記憶装置は、Z方向に並ぶ複数の導電層110と、Z方向に延伸してこれら複数の導電層110に対向する半導体柱120と、これらの間に設けられ電荷を蓄積可能なゲート絶縁膜130と、を備える。この様な半導体記憶装置においては、導電層110及び絶縁層101のZ方向の幅を縮小することによって高集積化が実現可能である。従って、導電層110及び絶縁層101のZ方向の幅は縮小されていく傾向がある。しかしながら、導電層110のZ方向の幅が縮小されるほど導電層110における配線抵抗が増大する。また、絶縁層101のZ方向の幅が縮小されるほど導電層110における寄生容量が増大する。従って、半導体記憶装置の高集積化に伴い、導電層110における時定数(RC時定数)が増大し、導電層110の電圧を所望の値で安定させるために必要とされる時間(充電時間)が増大する傾向にある。このため、半導体記憶装置の高速な動作の実現が難しくなってしまう場合がある。
図7等を参照して説明した通り、本実施形態に係る半導体記憶装置は、Z方向に並ぶ複数の導電層110と、Z方向に延伸してこれら複数の導電層110に対向する半導体柱120と、これらの間に設けられ電荷を蓄積可能なゲート絶縁膜130と、を備える。この様な半導体記憶装置においては、導電層110及び絶縁層101のZ方向の幅を縮小することによって高集積化が実現可能である。従って、導電層110及び絶縁層101のZ方向の幅は縮小されていく傾向がある。しかしながら、導電層110のZ方向の幅が縮小されるほど導電層110における配線抵抗が増大する。また、絶縁層101のZ方向の幅が縮小されるほど導電層110における寄生容量が増大する。従って、半導体記憶装置の高集積化に伴い、導電層110における時定数(RC時定数)が増大し、導電層110の電圧を所望の値で安定させるために必要とされる時間(充電時間)が増大する傾向にある。このため、半導体記憶装置の高速な動作の実現が難しくなってしまう場合がある。
特に、書込動作においては、選択ワード線WLSELにプログラム電圧VPGMを供給する。プログラム電圧VPGMは、導電層110に供給される電圧の中で最も大きい電圧である。大きな時定数を有する導電層110をプログラム電圧VPGMによって充電するため、例えば図12にVPGM0で示した様に、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)に到達するまでの時間が増大してしまい、高速なプログラム動作の実現が難しくなってしまう場合がある。
そこで、本実施形態においては、図12等を参照して説明した様に、タイミングt103において、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTがVPGM(k)+Vdelta程度まで充電された状態で動作電圧生成ユニット31(VPGM)を選択ワード線WLSELと導通させている。これにより、選択ワード線WLSELを、充電が開始される初期段階において、プログラム電圧VPGM(k)よりも高いVPGM(k)+Vdeltaによって充電することができる。従って、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)に到達するまでの時間を短縮して、高速なプログラム動作を実現することが可能である。
また、もし仮に選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)より大きくなってしまった場合、書込メモリセルMCの電荷蓄積膜132(図8)に想定以上の電荷が蓄積されてしまい、誤書き込みが生じてしまう場合がある。そこで、本実施形態においては、タイミングt103において、動作電圧生成ユニット31(VPGM)に入力される動作電圧制御信号VCTRLの値をプログラム電圧VPGM(k)に対応する値に切り替え、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)より大きくなってしまうことを抑制している。これにより、誤書き込みの発生を抑制可能である。
[電圧Vdelta]
図12の電圧Vdeltaの大きさは、適宜調整可能である。以下、図13〜図16を参照し、この点について説明する。図13〜図16は模式的な波形図であり、実線で示す波形は選択ワード線WLSELの電圧を、点線で示す波形は動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTを示している。尚、図13〜図16には、図11のNが5である例を示している。
図12の電圧Vdeltaの大きさは、適宜調整可能である。以下、図13〜図16を参照し、この点について説明する。図13〜図16は模式的な波形図であり、実線で示す波形は選択ワード線WLSELの電圧を、点線で示す波形は動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTを示している。尚、図13〜図16には、図11のNが5である例を示している。
図13に示す様に、電圧Vdeltaの大きさは、ループ回数nに拘わらず一定の大きさでも良い。例えば、ループ回数nが1である場合、ステップS103において動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTはプログラム電圧VPGM(1)+電圧Vdelta程度の大きさまで増大し、ステップS104においてプログラム電圧VPGM(1)程度の大きさまで減少しても良い。また、例えばループ回数nが2である場合、ステップS103において動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTはプログラム電圧VPGM(2)+電圧Vdelta程度の大きさまで増大し、ステップS104においてプログラム電圧VPGM(2)程度の大きさまで減少しても良い。以下同様に、ループ回数nを3〜5に増大させ、これ以降の動作を実行しても良い。
また、図14に示す様に、電圧Vdeltaの大きさは、所定の最大電圧より大きくならないように設定されても良い。図14には、プログラム電圧VPGM(5)がこの様な最大電圧である例を示している。図14の例では、ループ回数nが4である場合のステップS103における動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTが最大電圧と一致している。また、ループ回数nが5である場合のステップS103においては、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTがプログラム電圧VPGM(5)程度の大きさまで増大している。
また、図15及び図16に示す様に、プログラム電圧VPGM(n)+電圧Vdelta(n)の大きさは、ループ回数nに拘わらず一定の大きさであっても良い。図15及び図16には、プログラム電圧VPGM(n)+電圧Vdelta(n)の大きさが、ループ回数nに拘わらず最大電圧である例を示している。また、図15の例では、プログラム電圧VPGM(5)が最大電圧である。一方、図16の例では、プログラム電圧VPGM(5)が最大電圧より小さい。
[第2実施形態]
図17は、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な波形図である。
図17は、第2実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な波形図である。
第1実施形態においては、図12を参照して説明した様に、プログラム動作が開始されるタイミングt103において、動作電圧生成ユニット31(VPGM)に入力される動作電圧制御信号VCTRLの値が、プログラム電圧VPGM(k)に対応する値に切り替わっていた。これに対し、本実施形態においては、図17に示す様に、プログラム動作が開始されるタイミングt103から期間Tdeltaの間、動作電圧生成ユニット31(VPGM)に入力される動作電圧制御信号VCTRLの値が、プログラム電圧VPGM(k)+電圧Vdeltaに対応する値に維持される。図17の例では、これにより、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTが再度プログラム電圧VPGM(k)+電圧Vdelta程度まで増大している。期間Tdeltaが終了するタイミングt107において、動作電圧生成ユニット31(VPGM)に入力される動作電圧制御信号VCTRLの値は、プログラム電圧VPGM(k)に対応する値に切り替わる。これに伴い、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTは減少する。
この様な方法によれば、第1実施形態に係る書込動作と比較して、更に高速な書込動作を実現可能である。
尚、第2実施形態に係る書込動作においても、第1実施形態と同様に、電圧Vdeltaの大きさを適宜調整可能である。
[期間Tdelta]
期間Tdeltaの長さは、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)より大きくならない様に設定しても良い。例えば、期間Tdeltaが終了するタイミングt107は、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)に達するタイミングよりも前となる様に設定しても良い。
期間Tdeltaの長さは、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)より大きくならない様に設定しても良い。例えば、期間Tdeltaが終了するタイミングt107は、選択ワード線WLSELの電圧がプログラム電圧VPGM(k)に達するタイミングよりも前となる様に設定しても良い。
その他、図17の期間Tdeltaの長さは、適宜調整可能である。以下、図18及び図19を参照し、この点について説明する。図18及び図19は模式的な波形図であり、実線で示す波形は選択ワード線WLSELの電圧を、点線で示す波形は動作電圧生成ユニット31(VPGM)の電圧VOUTを示している。尚、図18及び図19には、図11のNが5である例を示している。
図18に示す様に、期間Tdeltaの長さは、ループ回数nに拘わらず一定の大きさでも良い。また、図19に示す様に、期間Tdelta(n)の長さは、例えば、ループ回数nの増大に応じて大きくすることも可能である。
[第3実施形態]
図20及び図21は、第3実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な回路図である。
図20及び図21は、第3実施形態に係る半導体記憶装置について説明するための模式的な回路図である。
選択ワード線WLSELがどの程度の速度で充電されるかは、種々の条件に応じてばらついてしまう場合がある。
例えば、図5を参照して説明した通り、第1実施形態に係る半導体記憶装置は、基板100上に設けられた2つのメモリセルアレイMCAを備える。ここで、基板100上における動作電圧生成ユニット31(図31)、動作電圧出力端子311(図31)、電圧選択回路24(図31)等のレイアウトによっては、一方のメモリセルアレイMCAに書込動作を実行する場合と比較して、他方のメモリセルアレイMCAに書込動作を実行する場合の方が、選択ワード線WLSELの充電に要する時間が長くなってしまう場合がある。
また、例えば、これら2つのメモリセルアレイMCAのうちの一方に書込動作を実行する場合と比較して、2つのメモリセルアレイMCAに同時に書込動作を実行する場合の方が、選択ワード線WLSELの充電に要する時間が長くなってしまう場合がある。
また、例えば、書込動作を実行するメモリブロックMBが、周辺回路PCから離れた位置に配置されたものである場合程、選択ワード線WLSELの充電に要する時間が長くなってしまう場合がある。
また、例えば図7を参照して説明した様に、半導体柱120のXY平面における外径は、Z方向における位置に応じて異なる場合がある。ここで、半導体柱120の外径が大きい部分に対向する導電層110程、充電に要する時間が長くなってしまう場合がある。
ここで、好適な制御を行う都合上、これらの場合において導電層110の充電時間を揃えたい場合がある。
そこで、図20に示す様に、本実施形態においては、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の動作電圧出力端子311と接地端子との間に、キャパシタ330を接続している。これにより、充電時間のばらつきを抑制可能である。
また、図21に示す様に、本実施形態に係る電圧選択部36´は、第1実施形態に係る電圧選択部36と異なり、動作電圧生成ユニット31(VPGM)の動作電圧出力端子311と電圧選択トランジスタ37との間に並列に接続された抵抗素子361及びトランジスタ362を備える。また、上記種々の条件に応じて、充電時間を短縮したい場合にはプログラム動作(図11のステップS104)においてトランジスタ362のゲート電極に接続された信号SW_Pを“H”状態とし、導電層110を高速に充電する。一方、それ以外の場合にはプログラム動作(図11のステップS104)においてトランジスタ362のゲート電極に接続された信号SW_Pを“L”状態とする。尚、抵抗素子361のかわりに可変抵抗素子を用いることも可能であるし、信号SW_Pを多段階で制御することも可能である。
また、第1実施形態及び第2実施形態において説明した電圧Vdelta及び期間Tdeltaの長さを調整することも可能である。即ち、充電時間を短縮したい場合には、電圧Vdelta及び期間Tdeltaの少なくとも一方を比較的大きく設定し、それ以外の場合には比較的小さく設定することも可能である。
[その他]
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
MC…メモリセル(メモリトランジスタ)、WL…ワード線、CG…配線、311…動作電圧出力端子、VPGM…プログラム電圧、VVFY…ベリファイ電圧。
Claims (17)
- 第1メモリトランジスタと、
前記第1メモリトランジスタのゲート電極に接続された第1配線と、
前記第1配線に接続された第1接続トランジスタと、
前記第1接続トランジスタに接続された第2配線と
を備え、
前記第1メモリトランジスタに対する第1書込動作の
第1のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は第1電圧となり、前記第2配線の電圧は前記第1電圧より大きい第2電圧となり、
前記第1のタイミングの後の第2のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は前記第1電圧より大きく前記第2電圧より小さい第3電圧となり、前記第2配線の電圧は前記第1電圧より大きく前記第2電圧より小さい第4電圧となる
半導体記憶装置。 - 前記第1メモリトランジスタに電圧を供給する周辺回路を備え、
前記周辺回路には接地電圧及び電源電圧が供給され、
前記第2電圧、前記第3電圧及び前記第4電圧は、前記電源電圧より大きい
請求項1記載の半導体記憶装置。 - 前記第1書込動作の
前記第1のタイミング及び前記第2のタイミングの間の第3のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は立ち上がり、
前記第3のタイミング、又は、前記第3のタイミング及び前記第2のタイミングの間の第4のタイミングにおいて、前記第2配線の電圧は立ち下がる
請求項1又は2記載の半導体記憶装置。 - 前記第1書込動作の
前記第2のタイミングの後の第5のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は前記第3電圧より小さい第5電圧となり、前記第2配線の電圧は前記第4電圧より大きい第6電圧となり、
前記第5のタイミングの後の第6のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は前記第3電圧より大きく前記第6電圧より小さい第7電圧となり、前記第2配線の電圧は前記第4電圧より大きく前記第6電圧より小さい第8電圧となる
請求項1〜3のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第6電圧は前記第2電圧より大きい
請求項4記載の半導体記憶装置。 - 前記第2電圧及び前記第4電圧の電圧差は、前記第6電圧及び前記第8電圧の電圧差と略一致する
請求項4又は5記載の半導体記憶装置。 - 前記第2電圧及び前記第6電圧は略一致する
請求項4記載の半導体記憶装置。 - 前記第1書込動作の
前記第1のタイミング及び前記第2のタイミングの間の第3のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は立ち上がり、
前記第3のタイミング及び前記第2のタイミングの間の第4のタイミングにおいて、前記第2配線の電圧は立ち下がり、
前記第5のタイミング及び前記第6のタイミングの間の第7のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は立ち上がり、
前記第7のタイミング及び前記第6のタイミングの間の第8のタイミングにおいて、前記第2配線の電圧は立ち下がる
請求項4〜7のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第7のタイミングから前記第8のタイミングまでの期間の長さは、前記第3のタイミングから前記第4のタイミングまでの期間の長さと略一致する
請求項8記載の半導体記憶装置。 - 前記第7のタイミングから前記第8のタイミングまでの期間は、前記第3のタイミングから前記第4のタイミングまでの期間より長い
請求項8記載の半導体記憶装置。 - 第2メモリトランジスタと、
前記第2メモリトランジスタのゲート電極に接続された第3配線と、
前記第3配線に接続された第2接続トランジスタと、
前記第2接続トランジスタに接続された前記第2配線と
を備え、
前記第2メモリトランジスタに対する第2書込動作の
第9のタイミングにおいて、前記第3配線の電圧は前記第3電圧より小さい第9電圧となり、前記第2配線の電圧は前記第4電圧より大きい第10電圧となり、
前記第9のタイミングの後の第10のタイミングにおいて、前記第3配線の電圧は前記第9電圧より大きく前記第10電圧より小さい第11電圧となり、前記第2配線の電圧は前記第9電圧より大きく前記第10電圧より小さい第12電圧となる
請求項1〜10のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 基板と、
前記基板の第1領域に設けられた第1メモリセルアレイと、
前記基板の第2領域に設けられた第2メモリセルアレイと、
を備え、
前記第1メモリセルアレイは前記第1メモリトランジスタを含み、
前記第2メモリセルアレイは前記第2メモリトランジスタを含む
請求項11記載の半導体記憶装置。 - 基板と、
前記基板の表面と交差する第1方向において前記基板と離間する第1導電層と、
前記基板及び前記第1導電層の間に設けられた第2導電層と
を備え、
前記第1メモリトランジスタ及び前記第2メモリトランジスタの一方は前記第1導電層に接続され、他方は前記第2導電層に接続される
請求項11記載の半導体記憶装置。 - 前記第10電圧は前記第2電圧より大きい
請求項11〜13のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第1書込動作の
前記第1のタイミング及び前記第2のタイミングの間の第3のタイミングにおいて、前記第1配線の電圧は立ち上がり、
前記第3のタイミング及び前記第2のタイミングの間の第4のタイミングにおいて、前記第2配線の電圧は立ち下がり、
前記第2書込動作の
前記第9のタイミング及び前記第10のタイミングの間の第11のタイミングにおいて、前記第3配線の電圧は立ち上がり、
前記第11のタイミング及び前記第10のタイミングの間の第12のタイミングにおいて、前記第2配線の電圧は立ち下がり、
前記第11のタイミングから前記第12のタイミングまでの期間は、前記第3のタイミングから前記第4のタイミングまでの期間より長い
請求項11〜14のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第2配線に接続されたキャパシタを備える
請求項11〜15のいずれか1項記載の半導体記憶装置。 - 前記第1接続トランジスタ及び前記第2配線の間に並列に接続された第1抵抗素子及び第3接続トランジスタと、
前記第2接続トランジスタ及び前記第2配線の間に並列に接続された第2抵抗素子及び第4接続トランジスタと
を備える請求項11〜16のいずれか1項記載の半導体記憶装置。
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