JP2007102900A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、閾値電圧の変更によって情報記憶を行なう不揮発性メモリセルを備えた半導体装置に関し、例えば電気的に書き換え可能なAND型のフラッシュメモリに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a nonvolatile memory cell that stores information by changing a threshold voltage, and relates to a technique effective when applied to, for example, an electrically rewritable AND flash memory.
フラッシュメモリ等を構成する不揮発性メモリセルの閾値電圧はその電荷蓄積領域に蓄積される電荷量に応じて決まる。例えば電荷蓄積領域からエレクトロン(電子)を放出させる初期化処理(消去)と、電荷蓄積領域に電子を注入するプログラム処理(書き込み)とによって情報記憶を行なうことができる。記憶情報の書き換えを行なうときは、例えばワード線に消去高電圧を印加して、FN(Fowler-Nordheim)トンネルによって電子を基板方向に引き抜くことにより、ワード線単位で不揮発性メモリセルの閾値電圧を消去状態に初期化することができる。この後、書き込み状態とすべき不揮発性メモリセルに対してワード線に書き込み高電圧を印加して、チャネルに書き込み電流を流し、それによって発生するホットエレクトロンを電荷蓄積領域に注入する。その閾値電圧が所定レベルになるのをベリファイによって確認するまでそのエレクトロンの注入動作を繰り返す。 The threshold voltage of a nonvolatile memory cell constituting a flash memory or the like is determined according to the amount of charge stored in the charge storage region. For example, information can be stored by an initialization process (erasing) for emitting electrons (electrons) from the charge accumulation region and a program process (writing) for injecting electrons into the charge accumulation region. When rewriting stored information, for example, by applying an erase high voltage to a word line and extracting electrons toward the substrate by an FN (Fowler-Nordheim) tunnel, the threshold voltage of the nonvolatile memory cell is set in units of word lines. It can be initialized to the erased state. Thereafter, a write high voltage is applied to the word line for the nonvolatile memory cell to be written, a write current is passed through the channel, and hot electrons generated thereby are injected into the charge storage region. The electron injection operation is repeated until the threshold voltage is confirmed to be a predetermined level by verify.
フラッシュメモリは、不揮発性メモリセルの閾値電圧の相違によって情報記憶を行なうことができる。しかしながら、不揮発性メモリセルの閾値電圧は、不所望に変動することが知られており、例えば閾値電圧が低く又は高くなって、記憶情報の読み出し動作時に記憶情報を判定可能にするための読み出し用ワード線電圧を跨いでしまうと、データ化けが生じてしまう。 The flash memory can store information by the difference in threshold voltage of the nonvolatile memory cells. However, it is known that the threshold voltage of the nonvolatile memory cell fluctuates undesirably. For example, the threshold voltage is low or high, and the read information is used to make it possible to determine the stored information during the read operation of the stored information. If the word line voltage is straddled, data corruption will occur.
フラッシュメモリにおいて、不揮発性メモリセルの閾値電圧が不所望に変動する現象としては、例えばRTS(ランダム・テレグラフ・シグナル)が挙げられる。RTSは、少数の電子が電荷蓄積領域とゲート酸化膜の界面などに存在するか否かにより、閾値電圧が大きく変動して観測される現象である。 In a flash memory, an example of a phenomenon in which the threshold voltage of a nonvolatile memory cell fluctuates undesirably is RTS (random telegraph signal). RTS is a phenomenon in which the threshold voltage is observed to vary greatly depending on whether a small number of electrons are present at the interface between the charge storage region and the gate oxide film.
特許文献1には、シリコン酸化膜上にこのシリコン酸化膜よりも誘電率の高い絶縁膜を備えた積層ゲート絶縁膜を形成するときに、Heガスを添加することにより界面欠陥を低減させ、低消費、高速性、高信頼性を図る半導体装置についての記載がある。また、特許文献2には、Zr、Hf、Ti等の金属酸化物に対してフッ素を含有させることにより、欠陥が誘起され難く、かつ水素や水分の耐性が強いゲート絶縁膜を形成する技術についての記載がある。
In
本発明者は、RTSの影響による閾値電圧の変動について検討した。その結果、RTSの影響は、フラッシュメモリ等の半導体装置では微細化が進むほど顕在化し、例えば90nm世代のフラッシュメモリの読み出し動作時に無視できないことが見出された。また、本発明者は、RTSの影響だけでなく、不揮発性メモリセルの特性に応じて閾値電圧が変動すること、さらに、不揮発性メモリセルの特性に応じて、RTSの影響が増長されることも見出した。 The present inventor examined the variation of the threshold voltage due to the influence of RTS. As a result, it has been found that the influence of RTS becomes more apparent as semiconductor devices such as flash memories become finer, and cannot be ignored, for example, during a read operation of a 90 nm generation flash memory. In addition, the inventor not only affects the influence of RTS but also changes the threshold voltage according to the characteristics of the nonvolatile memory cell, and further increases the influence of RTS according to the characteristics of the nonvolatile memory cell. I also found.
RTSには、基板とゲート絶縁膜の界面、ゲート絶縁膜、ゲート絶縁膜と電荷蓄積領域の界面からなる領域に電子が一時的にトラップ(捕獲)されて生じる場合と、上記領域に存在する電子が一時的に放出されて生じる場合がある。上記領域に入る電子、又は上記領域から抜ける電子をRTS発生要因と称する。本来電荷を蓄積する電荷蓄積領域に対しては、不揮発性メモリセルの特性により、比較的長い期間において、電荷蓄積領域から電子が抜け易い特性と、電荷蓄積領域に電子が入り易い特性とがある。 In RTS, electrons are temporarily trapped (captured) in a region consisting of the interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and the interface between the gate insulating film and the charge storage region, and the electrons existing in the region. May be released temporarily. Electrons entering or leaving the region are referred to as RTS generation factors. For the charge storage region that originally stores charges, there are characteristics that electrons can easily escape from the charge storage region and characteristics that electrons can easily enter the charge storage region due to the characteristics of the nonvolatile memory cell. .
本発明者は、不揮発性メモリセルの閾値電圧が経年的に変化する特性と共にRTSの影響を考えることの必要性を見出した。即ち、書き込みベリファイ動作では、最初に書き込み状態を決定すると言う意味においてRTSの影響を排除することが望ましいと考えられる。一方、読み出し動作では、対象とする不揮発性メモリセルの閾値電圧が経年的に変化されている状態を更に悪化させない方向、若しくは不所望な変化を補償する方向でRTSの影響について考えることが必要になる。 The present inventor has found that it is necessary to consider the influence of RTS together with the characteristic that the threshold voltage of a nonvolatile memory cell changes over time. That is, in the write verify operation, it is considered desirable to eliminate the influence of RTS in the sense that the write state is determined first. On the other hand, in the read operation, it is necessary to consider the influence of RTS in a direction that does not further deteriorate the state in which the threshold voltage of the target nonvolatile memory cell has changed over time, or in a direction that compensates for undesired changes. Become.
しかしながら、特許文献1,2の技術では、ゲート絶縁膜の欠陥に起因して不所望に捕獲されるRTS発生要因電子を減少させることができるに過ぎず、不揮発性メモリセルの特性に応じてRTSの影響を減少させることについて全く考慮されていない。
However, in the techniques of
本発明の目的は、不揮発性メモリセルの特性に応じてRTSの影響を減少させることができる半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing the influence of RTS in accordance with the characteristics of a nonvolatile memory cell.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
〔1〕本発明に係る半導体装置は、メモリアレイ(3)と制御回路(16)とを有する。前記メモリアレイは、基板(30)とゲート絶縁膜(37)と電荷蓄積領域(36)を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセル(21)を有する。前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルから記憶情報を読み出す前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面(37A)、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面(37C)の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子(B)を一時的に排除するための電圧、又は夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加する。 [1] A semiconductor device according to the present invention includes a memory array (3) and a control circuit (16). The memory array includes a substrate (30), a gate insulating film (37), and a charge storage region (36), and a plurality of nonvolatiles capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region. Having a memory cell (21). The control circuit reads the storage information from the nonvolatile memory cell before the interface between the substrate and the gate insulating film (37A), the gate insulating film, and the interface between the gate insulating film and the charge storage region (37C). In order to temporarily capture RTS-causing electrons in at least one of the interface and the gate insulating film, a voltage for temporarily removing RTS-causing electrons (B) existing in at least one of Is applied to the selection terminal of the nonvolatile memory cell.
上記より、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な捕獲を抑制した電荷状態、又はRTS発生要因電子の一時的な排除を抑制した電荷状態とすることができるから、記憶情報を読み出す前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜の電荷状態は2つの電荷状態のうちいずれかに揃えられる。このため、RTSの影響により不揮発性メモリセルの閾値電圧がランダムに変動することを抑制することができる。従って、不揮発性メモリセルの特性に応じて前記夫々の界面とゲート絶縁膜の電荷状態を揃えて、書き込みベリファイ動作やデータ読み出し動作を行なえば、RTSの影響による閾値電圧の不所望な変動を減少させることができる。 From the above, it is possible to obtain a charge state in which the temporary capture of RTS-causing electrons is suppressed or a charge state in which the temporary exclusion of RTS-causing electrons is suppressed with respect to the respective interfaces and the gate insulating film. Before reading the stored information, the charge states of the respective interfaces and the gate insulating film are aligned to one of two charge states. For this reason, it can suppress that the threshold voltage of a non-volatile memory cell fluctuates randomly by the influence of RTS. Therefore, if the write verify operation and the data read operation are performed by aligning the charge states of the respective interfaces and the gate insulating film according to the characteristics of the nonvolatile memory cell, undesired fluctuations in the threshold voltage due to the influence of RTS are reduced. Can be made.
〔2〕本発明に係る半導体装置は、メモリアレイと制御回路とを有する。前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有する。前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加する。 [2] A semiconductor device according to the present invention includes a memory array and a control circuit. The memory array includes a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and includes a plurality of nonvolatile memory cells that can change a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region. The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined negative voltage for temporarily eliminating electrons that cause RTS is applied to the selection terminal of the nonvolatile memory cell.
上記より、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な捕獲を抑制した電荷状態にすることができるから、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。 From the above, before the read operation for write verification, the charge state in which the temporary trapping of the RTS generating factor electrons can be suppressed with respect to the respective interfaces and the gate insulating film. The write state can be determined first without being affected. Therefore, the threshold voltage that becomes the verify pass does not change abruptly.
〔3〕本発明に係る半導体装置は、メモリアレイと制御回路とを有する。前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有する。前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記選択端子に印加する。 [3] A semiconductor device according to the present invention includes a memory array and a control circuit. The memory array includes a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and includes a plurality of nonvolatile memory cells that can change a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region. The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined negative voltage for temporarily eliminating the RTS generation factor electrons existing in the non-volatile memory cell is applied to the selection terminal of the non-volatile memory cell, and before the data read operation to the non-volatile memory cell, A predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS-generating electrons is applied to at least one of the interface and the gate insulating film to the selection terminal.
上記より、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な捕獲を抑制した電荷状態にすることができるから、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。ここでは、不揮発性メモリセルが例えば経年変化により電荷蓄積領域から電子が抜けていく特性を有する場合でのデータ読み出し動作について着目する。このとき、データ読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な排除を抑制した電荷状態にすることができるから、不揮発性メモリセルの当該特性に加えて、RTSの影響により閾値電圧が更に低くなってしまうことを回避できる。従って、不揮発性メモリセルの当該特性に応じて電荷状態を揃えて、データ読み出し動作を行なうから、不揮発性メモリセルの閾値電圧が経年変化により低くなることを更に悪化させることがない。 From the above, before the read operation for write verification, the charge state in which the temporary trapping of the RTS generating factor electrons can be suppressed with respect to the respective interfaces and the gate insulating film. The write state can be determined first without being affected. Therefore, the threshold voltage that becomes the verify pass does not change abruptly. Here, attention is focused on the data read operation in the case where the nonvolatile memory cell has a characteristic that electrons escape from the charge accumulation region due to, for example, aging. At this time, before the data read operation, the respective interfaces and the gate insulating film can be brought into a charge state in which the temporary elimination of RTS-causing electrons is suppressed. In addition, it can be avoided that the threshold voltage is further lowered due to the influence of RTS. Therefore, since the data read operation is performed with the charge states aligned according to the characteristics of the nonvolatile memory cell, it is not further worsened that the threshold voltage of the nonvolatile memory cell decreases due to aging.
〔4〕本発明に係る半導体装置は、メモリアレイと制御回路とを有する。前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有する。前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記選択端子に印加する。 [4] A semiconductor device according to the present invention includes a memory array and a control circuit. The memory array includes a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and includes a plurality of nonvolatile memory cells that can change a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region. The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined negative voltage for temporarily eliminating the RTS generation factor electrons existing in the non-volatile memory cell is applied to the selection terminal of the non-volatile memory cell, and before the data read operation to the non-volatile memory cell, A predetermined negative voltage is applied to the selection terminal for temporarily eliminating RTS-causing electrons present in at least one of the interface and the gate insulating film.
上記より、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な捕獲を抑制した電荷状態にすることができるから、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。ここでは、不揮発性メモリセルが例えば経年変化により電荷蓄積領域に電子が入り込んでいく特性を有する場合でのデータ読み出し動作について着目する。このとき、データ読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な捕獲を抑制した電荷状態にすることができるから、不揮発性メモリセルの当該特性に加えて、RTSの影響により閾値電圧が更に高くなってしまうことを回避できる。従って、不揮発性メモリセルの当該特性に応じて電荷状態を揃えて、データ読み出し動作を行なうから、不揮発性メモリセルの閾値電圧が経年変化により高くなることを更に悪化させることがない。 From the above, before the read operation for write verification, the charge state in which the temporary trapping of the RTS generating factor electrons can be suppressed with respect to the respective interfaces and the gate insulating film. The write state can be determined first without being affected. Therefore, the threshold voltage that becomes the verify pass does not change abruptly. Here, attention is focused on the data read operation in the case where the nonvolatile memory cell has a characteristic that electrons enter the charge storage region due to, for example, aging. At this time, before the data read operation, the respective interfaces and the gate insulating film can be brought into a charge state in which the temporary capture of RTS-causing electrons is suppressed. In addition, it can be avoided that the threshold voltage further increases due to the influence of RTS. Therefore, since the data read operation is performed with the charge states aligned according to the characteristics of the nonvolatile memory cell, the increase in the threshold voltage of the nonvolatile memory cell due to secular change is not further deteriorated.
〔5〕本発明に係る半導体装置は、メモリアレイと制御回路とを有する。前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有する。前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記選択端子に印加する。 [5] A semiconductor device according to the present invention includes a memory array and a control circuit. The memory array includes a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and includes a plurality of nonvolatile memory cells that can change a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region. The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS generation factor electrons is applied to the selection terminal of the non-volatile memory cell, and before the data read operation for the non-volatile memory cell, each of the interfaces, A predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS-generating electrons is applied to at least one of the gate insulating films to the selection terminal.
上記より、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な排除を抑制した電荷状態にすることができるから、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。ここでは、不揮発性メモリセルが例えば材料の変更や更なる微細化によりRTSが恒常的に生じ、比較的多くのRTS発生要因電子が滞留し、且つ電荷蓄積領域の電子は経年的に抜けていく傾向が強い場合に着目する。このとき、データ読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な排除を抑制した電荷状態にすることができるから、当該特性を有する不揮発性メモリセルの前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子が必要以上に抜けてしまうことがない。従って、不揮発性メモリセルの当該特性に応じて電荷状態を揃えて、データ読み出し動作を行なうから、不揮発性メモリの閾値電圧が経年変化により低くなる傾向にあっても、RTSの影響によりその傾向が更に悪化することがない。 As described above, before the read operation for write verification, the charge state in which the temporary removal of the RTS-causing electrons is suppressed can be brought into the respective interfaces and the gate insulating film. The write state can be determined first without being affected. Therefore, the threshold voltage that becomes the verify pass does not change abruptly. Here, in the nonvolatile memory cell, for example, RTS constantly occurs due to material change or further miniaturization, a relatively large number of RTS-generating electrons stay, and electrons in the charge storage region pass away over time. Focus on when the trend is strong. At this time, before the data read operation, the respective interface and the gate insulating film can be brought into a charge state in which the temporary elimination of the RTS-causing electrons is suppressed. The RTS-generating electrons do not escape more than necessary from the respective interfaces and the gate insulating film. Accordingly, since the data read operation is performed with the charge states aligned according to the characteristics of the nonvolatile memory cell, even if the threshold voltage of the nonvolatile memory tends to decrease due to aging, the tendency is influenced by the influence of RTS. There is no further deterioration.
〔6〕本発明に係る半導体装置は、メモリアレイと制御回路とを有する。前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有する。前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記選択端子に印加する。 [6] A semiconductor device according to the present invention includes a memory array and a control circuit. The memory array includes a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and includes a plurality of nonvolatile memory cells that can change a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region. The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS generation factor electrons is applied to the selection terminal of the non-volatile memory cell, and before the data read operation for the non-volatile memory cell, each of the interfaces, A predetermined negative voltage for temporarily eliminating RTS-causing electrons existing in at least one of the gate insulating films is applied to the selection terminal.
上記より、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な排除を抑制した電荷状態にすることができるから、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。ここでは、不揮発性メモリセルが例えば材料の変更や更なる微細化によりRTSが恒常的に生じ、比較的多くのRTS発生要因電子が滞留し、且つ電荷蓄積領域に電子が経年的に入り込んでいく傾向が強い場合に着目する。このとき、データ読み出し動作の前に、前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子の一時的な捕獲を抑制した電荷状態にすることができるから、当該特性を有する不揮発性メモリセルの前記夫々の界面とゲート絶縁膜に対してRTS発生要因電子が必要以上に入り込むことがない。従って、不揮発性メモリセルの当該特性に応じて電荷状態を揃えて、データ読み出し動作を行なうから、不揮発性メモリの閾値電圧が経年変化により高くなる傾向にあっても、RTSの影響によりその傾向が更に悪化することがない。 As described above, before the read operation for write verification, the charge state in which the temporary removal of the RTS-causing electrons is suppressed can be brought into the respective interfaces and the gate insulating film. The write state can be determined first without being affected. Therefore, the threshold voltage that becomes the verify pass does not change abruptly. Here, in the nonvolatile memory cell, RTS constantly occurs due to, for example, material change or further miniaturization, a relatively large number of RTS-generating electrons stay, and electrons enter the charge accumulation region over time. Focus on when the trend is strong. At this time, before the data read operation, the respective interfaces and the gate insulating film can be brought into a charge state in which the temporary capture of RTS-causing electrons is suppressed. RTS generating electrons do not enter the interface and the gate insulating film more than necessary. Therefore, since the data read operation is performed with the charge states aligned according to the characteristics of the nonvolatile memory cell, even if the threshold voltage of the nonvolatile memory tends to increase due to aging, the tendency is caused by the influence of RTS. There is no further deterioration.
本発明の具体的な一つの形態として、前記所定の正電圧は、書き込み用パルス電圧の電圧値よりも低い電圧値を有する。上記より、RTS発生要因電子を捕獲するとき、例えば基板表面でホットエレクトロンが発生せず、電荷蓄積領域に電子が注入されることがないから、閾値電圧が不所望に高くなることがない。 As a specific form of the present invention, the predetermined positive voltage has a voltage value lower than the voltage value of the write pulse voltage. From the above, when capturing the electrons that cause RTS, for example, hot electrons are not generated on the substrate surface, and electrons are not injected into the charge storage region, so that the threshold voltage does not increase undesirably.
本発明の具体的な一つの形態として、前記所定の負電圧は、消去用パルス電圧の電圧値よりも高い電圧値を有する。上記より、RTS発生要因電子を排除するとき、例えばFNトンネルによって電荷蓄積領域から電子が抜かれることがないから、閾値電圧が不所望に低くなることがない。 As a specific form of the present invention, the predetermined negative voltage has a voltage value higher than the voltage value of the erasing pulse voltage. From the above, when the electrons that cause RTS are excluded, electrons are not extracted from the charge storage region by, for example, the FN tunnel, so that the threshold voltage is not undesirably lowered.
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
すなわち、不揮発性メモリセルの特性に応じてRTSの影響を減少させることができる。 That is, the influence of RTS can be reduced according to the characteristics of the nonvolatile memory cell.
《フラッシュメモリの全体的構成》
図1にはフラッシュメモリが例示される。フラッシュメモリ1は単結晶シリコンなどの1個の半導体基板に形成される。
<Overall configuration of flash memory>
FIG. 1 illustrates a flash memory. The
フラッシュメモリ1は特に制限されないが、4個のメモリバンク(Bank)BNK0〜BNK3を有する。夫々のメモリバンクBNK0〜BNK3は相互に同じ構成を有し、並列動作可能にされる。図では代表的にメモリバンクBNK0の構成が詳細に例示される。メモリバンクBNK0〜BNK3は、フラッシュメモリアレイ(ARY)3、Xデコーダ(XDEC)4、データレジスタ(DRG)5、データコントロール回路(DCNT)6、Yアドレスコントロール回路(YACNT)7を有する。
The
前記メモリアレイ3は電気的に消去及び書き込み可能な不揮発性のメモリトランジスタを多数有する。メモリトランジスタは特に制限されないが電荷蓄積領域に絶縁膜を介してメモリゲートを重ねたスタックドゲート構造とされる。メモリトランジスタは1個につき2ビットのデータを格納する。要するに、4値で情報記憶を行なう。4値とは例えば“11”、“10”、“00”、“01”の4値である。記憶情報“11”はメモリトランジスタに対する初期化である消去処理によって得る。消去処理は、特に制限されないが、メモリトランジスタのソース、ドレイン及びウェルに回路の接地電位を印加して、メモリゲートに負の高電圧を印加して電荷蓄積領域の電子を放出させる方向に移動させることで閾値電圧を低くする処理とされる。記憶情報“10”、“00”、“01”は書き込み処理によって得る。書き込み処理は、特に制限されないが、メモリトランジスタのドレインからソースに電流を流し、ソース端の基板表面でホットエレクトロンを発生させ、これをメモリゲートの高電圧による電界で電荷蓄積領域に注入することで閾値電圧を高くする処理とされる。記憶情報“10”、“00”、“01”に応じて目的とする閾値電圧が相違される。読み出し処理は、ビット線を予めプリチャージしておき、所定の読み出し判定レベルをワード線選択レベルとしてメモリトランジスタを選択してビット線に流れる電流変化若しくはビット線に現れる電圧レベル変化によって記憶情報を検出可能にする処理とされる。記憶情報“11”、“10”、“00”、“01”に応じてワード線選択レベルが相違される。前記メモリアレイ3は前記ビット線に接続された読み出し書き込み回路を有する。前記読み出し書き込み回路は読み出し処理ではビット線に読み出された記憶情報をラッチし、また、書き込み処理では書き込みデータに従ってビット線電位を制御する。
The
図25には書き込み動作によってメモリセルトランジスタに設定される閾値電圧の分布が示される。VW0,VW1,VW2,VW3は書き込みベリファイ時における記憶情報“11”,“10”,“00”,“01”に応じた下裾ベリファイ電圧である。VEW0,VEW1,VEW2は書き込みベリファイ時における記憶情報“11”,“10”,“00”に応じた上裾ベリファイ電圧である。それら上裾ベリファイ電圧と下裾ベリファイ電圧によって記憶情報“11”,“10”,“00”,“01”に応じた閾値電圧分布が規定される。VRW1,VRW2,VRW3は読み出し動作時に記憶情報“11”,“10”,“00”,“01”を判定可能にするための読み出しワード線電圧である。図26には図25の上裾ベリファイ電圧、下裾ベリファイ電圧及び読み出しワード線電圧の具体例が示される。 FIG. 25 shows the distribution of threshold voltages set in the memory cell transistors by the write operation. VW0, VW1, VW2, and VW3 are lower skirt verify voltages corresponding to the stored information “11”, “10”, “00”, and “01” at the time of write verify. VEW0, VEW1, and VEW2 are upper skirt verify voltages corresponding to the stored information “11”, “10”, and “00” at the time of write verify. The threshold voltage distribution corresponding to the stored information “11”, “10”, “00”, “01” is defined by these upper and lower verify voltages. VRW1, VRW2, and VRW3 are read word line voltages that enable determination of stored information “11”, “10”, “00”, and “01” during a read operation. FIG. 26 shows specific examples of the upper skirt verify voltage, the lower skirt verify voltage, and the read word line voltage in FIG.
前記フラッシュメモリアレイ3とデータレジスタ5はデータの入出力を行なう。例えばデータレジスタ5はSRAMで構成され、フラッシュメモリアレイ3に書き込む書き込みデータのバッファ、フラッシュメモリアレイ3から読み出されたデータのバッファとして機能される。
The
前記データコントロール回路6はデータレジスタ5へのデータの入出力を制御する。Yアドレスコントロール回路7はデータレジスタ5に対するアドレス制御を行なう。
The data control
外部入出力端子I/O1〜I/O16は、アドレス入力端子、データ入力端子、データ出力端子、コマンド入力端子に兼用され、マルチプレクサ(MPX)10に接続される。外部入出力端子I/O1〜I/O16に入力されたページアドレスはマルチプレクサ10からページアドレスバッファ(PABUF)11に入力され、Yアドレス(カラムアドレス)はマルチプレクサ10からYアドレスカウンタ(YACUNT)12にプリセットされる。外部入出力端子I/O1〜I/O16に入力された書き込みデータはマルチプレクサ4からデータ入力バッファ(DIBUF)13に供給される。データ入力バッファ13に供給された書き込みデータは入力データコントロール回路(IDCNT)14を介して前記データコントロール回路6に入力される。データコントロール回路6から出力されるリードデータはデータ出力バッファ(DOBUF)15を介してマルチプレクサ10に供給されて外部入出力端子I/O1〜I/O16から出力される。
The external input / output terminals I /
外部入出力端子I/O1〜I/O16に供給されたコマンドコードとアドレス信号の一部はマルチプレクサ10から内部コントロール回路(OPCNT)16に供給される。
A part of the command code and the address signal supplied to the external input / output terminals I / O1 to I / O16 are supplied from the
前記ページアドレスバッファ11に供給されたページアドレスはXデコーダ4でデコードされ、そのデコード結果にしたがってメモリアレイ3からワード線を選択する。前記ページアドレスバッファ11に供給されたYアドレスがプリセットされるYアドレスカウンタ12は、プリセット値を起点にアドレスカウントを行なって、Yアドレスコントロール回路7にカウントされたYアドレスを供給する。カウントされたYアドレスは入力データコントロール回路(IDCNT)14からの書き込みデータをデータレジスタ5に書き込むとき、また、出力バッファ15に供給するリードデータをデータレジスタ5から選択するときのアドレス信号に利用される。前記ページアドレスバッファ11に供給されたYアドレスは前記カウントされたYアドレスの先頭アドレスに等しい。この先頭のYアドレスをアクセス先頭Yアドレスと称する。
The page address supplied to the
制御信号バッファ(CSBUF)18には、外部からのアクセス制御信号としてチップイネーブル信号/CE、コマンドラッチイネーブル信号CLE、アドレスラッチイネーブル信号ALE、ライトイネーブル信号/WE、リードイネーブル信号/RE、ライトプロテクト信号/WP、パワー・オン・リードイネーブル信号PRE、及びリセット信号/RESが供給される。信号の先頭に付された記号“/”はその信号がローイネーブルであることを意味する。 The control signal buffer (CSBUF) 18 includes a chip enable signal / CE, a command latch enable signal CLE, an address latch enable signal ALE, a write enable signal / WE, a read enable signal / RE, and a write protect signal as external access control signals. / WP, power on read enable signal PRE, and reset signal / RES are supplied. The symbol “/” attached to the head of a signal means that the signal is low enable.
チップイネーブル信号/CEはフラッシュメモリ1の動作を選択する信号であり、ローレベルでフラッシュメモリ(デバイス)1がアクティブ(動作可能)にされ、ハイレベルでフラッシュメモリ1がスタンバイ(動作停止)にされる。リードイネーブル信号/REは外部入出力端子I/O1〜I/O16からのデータ出力タイミングを制御し、当該信号のクロック変化に同期してデータが読み出される。ライトイネーブル信号/WEはその立ち上がりエッジで、コマンド、アドレス、及びデータをフラッシュメモリ1に取込み指示する。コマンドラッチイネーブル信号CLEは外部入出力端子I/O1〜I/O16に外部から供給されるデータをコマンドとして指定する信号であり、出力端子I/O1〜I/O16のデータがCLE=“H”(ハイレベル)の時に/WEの立ち上がりエッジに同期して取込まれ、コマンドとして認識される。アドレスラッチイネーブル信号ALEは外部入出力端子I/O1〜I/O16に外部から供給されるデータがアドレスであることを指示する信号であり、出力端子I/O1〜I/O16のデータがALE=“H”(ハイレベル)の時に/WEの立ち上がりエッジに同期して取込まれ、アドレスとして認識される。ライトプロテクト信号/WPはローレベルによりフラッシュメモリ1は消去及び書き込み禁止とされる。
The chip enable signal / CE is a signal for selecting the operation of the
内部コントロール回路16は前記アクセス制御信号などに従ったインタフェース制御を行なうと共に、入力されたコマンドに従った消去処理、書き込み処理及び読み出し処理などの内部動作を制御する。また、内部コントロール回路18はレディービジー信号R/Bを出力する。レディービジー信号R/Bはフラッシュメモリ1の動作中にローレベルにされ、これによって外部にビジー状態を通知する。Vccは電源電圧、Vssは接地電圧である。書き込み処理及び消去処理に必要な高電圧は電源電圧Vccに基づいて内部昇圧回路(図示せず)で生成される。
The
《ビット線に反転層を利用したメモリアレイ》
図2にはメモリアレイ3のトランジスタ配置が例示される。メモリアレイ3は、第1の制御トランジスタ20、メモリトランジスタ21、第2の制御トランジスタ22、及びメモリトランジスタ21を順次直列に繰り返し接続した回路を複数行分有する。前記メモリトランジスタ21の選択端子(メモリゲート)は行毎にワード線WLに接続される。前記第1の制御トランジスタ20は列毎に順次制御信号AG0,AG2によってスイッチ制御される。第2の制御トランジスタ22は列毎に順次制御信号AG1,AG3によってスイッチ制御される。要するに、第1の制御トランジスタ20と第2の制御トランジスタ22の合計4列の制御トランジスタ列毎に制御信号AG0〜AG3によってそのスイッチ状態が制御される。制御形態は後述するが、読み出し、書き込み、消去の動作形態に従う。前記第1の制御トランジスタ20及び第2の制御トランジスタ22はオンされることにより前記直列方向とは交差する方向に反転層23、24を形成する。反転層23、24はローカルなビット線及びソース線として機能される。
<< Memory array using inversion layer for bit line >>
FIG. 2 illustrates the transistor arrangement of the
図3にはデバイスのワード線に沿った縦断面構造が例示される。p型半導体基板30の主面上に絶縁膜31が形成され、前記絶縁膜31上に所定間隔で交互に第1の方向(図3の紙面表裏方向)に第1の電極33、第2の電極34が複数形成される。半導体基板30は、p型ウエル領域が設けられたp型シリコン基板であって、このp型ウエル領域にはソース及びドレインが形成されている。ソースとドレインの間にはチャネル形成領域が形成されている。第1の電極33、第2の電極34は例えばポリシリコンゲート電極材料によって形成され、前記制御トランジスタ20,22のゲート電極とされる。前記第1の方向と交差する第2の方向(図3の紙面左右方向)に所定間隔で前記第1の電極33及び第2の電極34と絶縁された複数の第3の電極35が形成され、更に、前記第1の電極33と第2の電極34との間には前記第3の電極の直下で選択的に電荷を蓄積可能な電荷蓄積領域36が形成されている。第3の電極35はメモリトランジスタ21のメモリゲート(ワード線WL)とされ、例えばポリシリコンゲート電極材料によって形成される。前記電荷蓄積領域36は、例えばシリコンナイトライド膜によって構成された電荷トラップ領域、或いはポリシリコン膜によって構成されたフローティングゲート電極とされる。前記反転層23,24は半導体基板30の表面に選択的に誘起される。37で示されるものは前記電荷蓄積領域36と半導体基板30との間のゲート絶縁膜である。このゲート絶縁膜37としては、例えばシリコン酸化膜や、その他の所定の金属酸化物を含有するものが挙げられるが、半導体基板30と電荷蓄積領域36の間を絶縁可能であれば、酸化膜に限られない。直列に繰り返し配置された第1の制御トランジスタ20、メモリトランジスタ21、及び第2の制御トランジスタ22の間には高濃度不純物領域としての拡散層は形成されていない。
FIG. 3 illustrates a vertical cross-sectional structure along the word line of the device. An insulating
《読み出し経路の選択態様》
図4には読み出し動作における信号経路の選択態様が示される。前述の如く反転層23はローカルなビット線として機能されるが、この反転層23は選択スイッチ40を介して対応するグローバルビット線GLB0〜GBL3に接続される。前述の如く反転層24はローカルなソース線として機能されるが、この反転層24は選択スイッチ41を介して対応するコモン線CDに接続される。
<< Selection mode of readout path >>
FIG. 4 shows a signal path selection mode in the read operation. As described above, the
読み出し動作では読み出し対象とされるメモリトランジスタ21に対し、これに隣接する第2制御トランジスタ22による反転層24を回路の接地電圧(0ボルト(V))に接続し、第1の制御トランジスタ20による反転層23を後述する読み出し書き込み回路に接続して信号経路を形成する。ワード線WLに判定選択レベル(例えば0.29〜5.4V)が与えられているとき、メモリトランジスタ21の閾値電圧がそれよりも低ければ反転層23の電流が引き抜かれ、メモリトランジスタ21の閾値電圧がそれよりも高ければ反転層23に電流が流れず、それにより反転層23にレベル変化を生ずるか否かを後述の読み出し書き込み回路で検出することによって、記憶情報の読み出しを行なう。ここでは1個のメモリトランジスタ21に2ビットの記憶情報を保持する4値記憶を想定しているので判定レベルは複数レベルにされる。図4に従えば、第2の制御トランジスタ22の右隣のメモリトランジスタ21を読み出し対象にしているので、制御信号AG2,AG1が4Vの選択レベルにされると共に制御信号AG0,AG3が0Vの非選択レベルにされる。図示はしないが、第2制御トランジスタ22の左隣のメモリトランジスタ21を読み出し対象とするときは、制御信号AG2,AG3が0Vの非選択レベルにされ、制御信号AG0,AG1が4Vの選択レベルにされる。
In the read operation, the
《書き込み経路の選択態様》
図5にはセルスルー書き込み方式による書き込み動作の信号経路が例示される。この書き込み動作では、書き込み対象メモリトランジスタ21の左右両側の第1の制御トランジスタ20を比較的大きいコンダクタンスを持つようにオン(強反転)させて反転層23(GBL0、GBL1側)を形成し、その間の第2の制御トランジスタ22を比較的小さなコンダクタンスを持つようにオン(弱反転)させて反転層24を形成し、ワード線WLに高電圧を印加してメモリトランジスタ21をオンさせて電流経路を形成する。例えば、書き込み対象とされるメモリトランジスタ21に隣接する第1の制御トランジスタ20のゲートに8Vのような第1の電位を設定し(AG2=8V)、その反対側の第1の制御トランジスタ20に前記第1の電位よりも低い5Vのような第2の電位を設定し(AG0=5V)、前記書き込み対象とされるメモリトランジスタ21に隣接する第2の制御トランジスタ22のゲートには前記第1及び第2の電圧よりも低い1Vのような第3の電位を印加する(AG1=1V)。この状態で、書き込み対象とされるメモリトランジスタ21に隣接する反転層23(GBL1側)には4.5Vのような電位を設定し、その反対側の第2制御トランジスタ22による反転層24及びその先の第1の制御トランジスタ20による反転層23(BL0側)には0Vのような接地電位を印加する。これにより、GBL1側の反転層23からGBL0側の反転層23に電流が流れるが、書き込み対象とされるメモリトランジスタ21のチャネルとその隣の第2の制御トランジスタ22の小さなコンダクタンスの弱反転層24との間に電界集中を生じ、この電界集中によってその位置で半導体基板の表面にホットエレクトロンを生じ、ホットエレクトロンがワード線WLの高電位による電界でメモリトランジスタ21の電荷蓄積領域36に注入される。電荷蓄積領域36に電子が注入されることによりそのメモリトランジスタ21の閾値電圧が高くされる。書き込み動作を抑止するには図5の例に従えばGBL0側の反転層23に印加する電圧を2Vとし、書き込み対象とされるメモリトランジスタ21のチャネルとその隣の第2の制御トランジスタ22の小さなコンダクタンスの弱反転層24との間の電界集中によって発生するホットエレクトロンを抑制するようにすればよい。図示を省略する読み出し書き込み回路は書き込みデータに基づいてGBL0側の反転層23に印加する電圧を制御することによって、書き込みと書き込み抑止を制御する。書き込み動作によってその閾値電圧が目的の閾値電圧に到達したかどうかはベリファイ動作によって確認する。ベリファイ動作は図4で説明した読み出し経路を選択して行なうから、ベリファイ動作では読み出し書き込み回路路はGBL1側の反転層23を介して記憶情報を読み出し、その結果を書き込みデータとしてGBL0側の反転層23の電位の制御に反映させなければならない。読み出し書き込み回路とグローバルビット線との接続を制御する選択回路(詳細後述)によってこれを実現する。
<< Selection mode of writing path >>
FIG. 5 illustrates a signal path of a write operation by the cell through write method. In this write operation, the
なお、第2の制御トランジスタ22の左隣のメモリトランジスタ21を書き込み対象にするには書き込み電流の向きを逆にすればよい。また、GBL1とGBL2の間のメモリトランジスタを書き込み対象とする場合には制御信号AG1を0V、AG3を1Vに変え、GBL1とGBL2とに印加する電圧により書き込み電流の向きを制御することによって、動作可能な第2の制御トランジスタの位置を偶数番目と奇数番目とで入れ替えればよい。
Note that the direction of the write current may be reversed in order to make the
特に図示はしないが、書き込みされたメモリトランジスタの閾値電圧状態を初期化するには、第1の制御トランジスタ20及び第2の制御トランジスタ22の反転層23,24に回路の接地電圧のような第5の電位を設定し、半導体基板を回路の接地電位に設定し、前記ワード線WLに−12Vの負電位のような第6の電位を設定する。これにより、電荷蓄積領域からエレクトロンが放出方向に移動され、メモリトランジスタ21の閾値電圧が低くされる。
Although not shown in particular, in order to initialize the threshold voltage state of the written memory transistor, the
《選択回路による選択態様》
図6乃至図13には選択回路による反転層の選択態様が例示される。各図において、制御信号0は制御信号AG0、制御信号1は制御信号AG1、制御信号2は制御信号AG2、制御信号3は制御信号AG3、メモリ0は制御信号0(制御信号AG0)の左隣のメモリトランジスタ21、メモリ1は制御信号0(制御信号AG0)の右隣のメモリトランジスタ21、メモリ2は制御信号2(制御信号AG2)の左隣のメモリトランジスタ21、メモリ3は制御信号2(制御信号AG2)の右隣のメモリトランジスタ21を意味する。50は代表的に示された読み出し書き込み回路、51は選択回路である。各図には一つの読み出し書き込み回路50(B)とこれに対応する連続的に並列する4本の第1の電極直下の反転層23とに対する接続形態が示される。メモリ0を読み出し対象とするときの接続形態は図6に、メモリ0を書き込み対象とするときの接続形態は図7に示される。メモリ1を読み出し対象とするときの接続形態は図8に、メモリ1を書き込み対象とするときの接続形態は図9に示される。メモリ2を読み出し対象とするときの接続形態は図10に、メモリ2を書き込み対象とするときの接続形態は図11に示される。メモリ3を読み出し対象とするときの接続形態は図12に、メモリ3を書き込み対象とするときの接続形態は図13に示される。図6乃至図13に示される反転層の選択態様より明らかなように、前記選択回路51は、一つの前記読み出し書き込み回路50とこれに対応する連続的に並列する4本の第1の制御トランジスタ20による反転層23とに対し、前記4本の反転層の間に配置されたメモリトランジスタ21のうち前記記憶情報の読み出し又は書き込み対象とするメモリトランジスタの位置に応じて前記4本の反転層23の中から処理に必要な反転層を選択して前記一つの読み出し書き込み回路50に接続する。要するに、前記選択回路51は同じメモリトランジスタ21に対する読み出しと書き込みには同じ読み出し書き込み回路50を使用するように読み出し書き込み回路50と前記第1の制御トランジスタ20による反転層23との接続を制御する。
<< Selection mode by selection circuit >>
6 to 13 illustrate examples of selection of the inversion layer by the selection circuit. In each figure, the
《書き込み読み出し回路と選択回路》
図14には前記書き込み読み出し回路50と選択回路51が示される。図14において書き込み読み出し回路50と選択回路51は、2本のグローバルビット線GBL<i>、GBL<i+1>(iは正の整数)毎の回路ユニット54と、隣接する回路ユニット54同士を選択的に直列接続するMOSトランジスタ55とによって構成され、書き込み読み出し回路50と選択回路51は混然一体に図示されている。双方の構成要素を区別するなら、MOSトランジスタ55、56、57、72、73によって選択回路51が構成され、その他の回路要素によって書き込み読み出し回路50が構成される。図においてpチャネル型MOSトランジスタにはその基体ゲートの矢印を付してnチャネル型MOSトランジスタと区別してある。
<Write / read circuit and selection circuit>
FIG. 14 shows the write /
回路ユニット54の構成を説明する。回路ユニット54はSLPとSLNを動作電源ノードとするスタティックラッチ60を有し、一方の入出力ノードはセンスノード(SL Sense)、他方の入出力ノードはリファレンスノード(SL Ref)とされる。前記センスノードとリファレンスノードはカラム選択信号YSにてスイッチ制御されるセレクトMOSトランジスタ61、62を介して外部インタフェース端子IOR<n>、IOS<n>に接続可能にされ、また、信号RSAS、RSARにてスイッチ制御されるセンスラッチセットMOSトランジスタ63,64を介してプリチャージ電源ノードFRSAに接続される。前記センスノードとリファレンスノードの初期化動作では信号RSAS、RSARのレベルが相違されることにより、リファレンスノードはセンスノードの大凡半分のレベルにプリチャージされる。センスノードはセンスMOSトランジスタ65、信号SENSEにてスイッチ制御されるセンスイネーブルMOSトランジスタ66を介して回路の接地電位に接続される。センスMOSトランジスタ65のゲートはグローバルビット線に至るノード67に結合され、センスMOSトランジスタ65は読み出し対象とされるグローバルビット線のレベルに応じてスイッチ制御され、これによってセンスノードのレベルを選択的にローレベルに反転させる。これによってスタティックラッチ60はメモリトランジスタの記憶情報を検出してラッチすることができる。また、スタティックラッチ60は外部インタフェース端子IOR<n>、IOS<n>からの書き込みデータをラッチすることができる。
The configuration of the
センスノードには信号TRにてスイッチ制御される分離MOSトランジスタ68を介してグローバルビット線に至るノード69に結合され、当該ノード69は信号PCにてスイッチ制御される書き込み阻止用プリチャージイネーブルMOSトランジスタ70及び書き込み阻止用プリチャージMOSトランジスタ71を経由してプリチャージ電源FPCに接続される。前記MOSトランジスタ71はセンスノードのレベルに従ってスイッチ制御される。スタティックラッチ60に書き込みデータをラッチしたときリファレンスノードがハイレベルのとき、ノード69は予めプリチャージ電源FPCによって充電されてから、リファレンスノードのハイレベルに到達する。スタティックラッチ60が書き込みデータをラッチしたときリファレンスノードがローレベルであればノード69はリファレンスノードのローレベルに到達する。
The sense node is coupled to a
前記ノード69は、信号STR0<0>によってスイッチ制御されるMOSトランジスタ72及び信号STR1<0>によってスイッチ制御されるMOSトランジスタ56を介してグローバルビット線GBL<i>に接続される。前記ノード67は、信号STR0<1>によってスイッチ制御されるMOSトランジスタ73及び信号STR1<1>によってスイッチ制御されるMOSトランジスタ57を介してグローバルビット線GBL<i+1>に接続される。後段の回路ユニット54におけるMOSトランジスタ56と72の結合ノードは、信号SLTRによってスイッチ制御されるMOSトランジスタ55を介して前段の回路ユニット54におけるMOSトランジスタ57と73の結合ノードに選択的に接続可能にされる。ノード67と69は配線にて結合されている。したがってスタティックラッチ60はMOSトランジスタ55、56、57、72、73のスイッチ制御状態に応じて4本のグローバルビット線の中から選択された何れか1本に接続可能にされる。各々のグローバルビット線GBL<i>、GBL<i+1>に対応して読み出し及び書き込み用のビット線プリチャージMOSトランジスタ74、75が設けられている。ビット線プリチャージMOSトランジスタ74,75はプリチャージ電源FRPC<0>、FRPC<1>に接続され、信号RPC<0>、RPC<1>によってスイッチ制御される。
The
なお、76で示されるMOSトランジスタはスタティックラッチ60にメモリVth“H”のデータがラッチされたときオフ状態にされるトランジスタであり、書き込みベリファイ時に当該メモリトランジスタの書き込み完了を示す信号ECを生成するのに用いられる。
The MOS transistor 76 is turned off when data of the memory Vth “H” is latched in the
図15には書き込み読み出し回路50と選択回路51における回路ユニット54の読み出し動作タイミングが示される。読み出し対象とされるメモリトランジスタ21の閾値電圧が低い消去状態の場合(メモリVth“L”)、グローバルビット線(GBL)はプリチャージレベルからディスチャージされ、MOSトランジスタ65はオフ状態を維持し、センスノードはハイレベルを保つ。これに対し、読み出し対象とされるメモリトランジスタ21の閾値電圧が高い書き込み状態の場合(メモリVth“H”)、GBLはプリチャージレベルを維持し、MOSトランジスタ65がオン状態に反転し、センスノードはローレベルに反転される。
FIG. 15 shows the read operation timing of the
図16には書き込み読み出し回路50と選択回路51における回路ユニット54の書き込み(Program)動作タイミングが示される。書き込み選択とされるメモリトランジスタが接続されたソース側GBLは、書き込みデータをラッチしたスタティックラッチ60のリファレンスノードのローレベルに応答して回路の接地電位にされ、ドレイン側GBLは、トランジスタ74によって書き込み電圧にプリチャージされる。これにより、メモリトランジスタ21に書き込み電流が流れ、これによって発生するホットエレクトロンがメモリトランジスタ21の電荷蓄積領域に注入される。書き込み非選択とされるメモリトランジスタが接続されたソース側GBLは、書き込みデータをラッチしたスタティックラッチ60のリファレンスノードのハイレベルに応答して書き込み電位に充電され、また、ドレイン側GBLはトランジスタ74によって書き込み電圧にプリチャージされる。これにより、メモリトランジスタ21には書き込み電流が流れず、メモリトランジスタ21の電荷蓄積領域に対する電子の注入が抑止される。
FIG. 16 shows a write operation timing of the
図17乃至図24には図14の構成に従った書き込み読み出し回路50と選択回路51による反転層23の接続態様が例示される。メモリ0を読み出し対象とするときの接続形態は図17に、メモリ0を書き込み対象とするときの接続形態は図18に示される。メモリ1を読み出し対象とするときの接続形態は図19に、メモリ1を書き込み対象とするときの接続形態は図20に示される。メモリ2を読み出し対象とするときの接続形態は図21に、メモリ2を書き込み対象とするときの接続形態は図22に示される。メモリ3を読み出し対象とするときの接続形態は図23に、メモリ3を書き込み対象とするときの接続形態は図24に示される。
17 to 24 illustrate connection modes of the
上記フラッシュメモリ1において、一つのメモリトランジスタ21に対する書き込みでは隣の第1の制御トランジスタ20による反転層23を一方の電流経路とし、反対側に隣接する第2の制御トランジスタ22と別のメモリトランジスタ21とをまたいでその先に位置する別の第1の制御トランジスタ20による反転層23を他方の電流経路として用いる。このセルスルー書き込み方式によると、メモリトランジスタ21から第2の制御トランジスタ22に書き込み電流が流れるとき、メモリトランジスタ21と第2の制御トランジスタ22との間に大きな電界集中を生じさせるには第2のトランジスタ22のコンダクタンスだけを小さくすればよい。書き込み電流を流すための配線として機能される第1の制御トランジスタ20における反転層23のコンダクタンスを小さくすることを要しない。したがって記憶情報に対する書き込み性能を向上させることができる。
In the
更に、セルスルー書き込み方式のように書き込み電流の供給に利用する一対の第1の制御トランジスタ20が相互に離れることになる場合であっても、同じメモリトランジスタに対する読み出しと書き込みには同じ読み出し書き込み回路50を使用するように読み出し書き込み回路50と前記第1の制御トランジスタ20による反転層23との接続を制御する選択回路を採用するから、セルスルー書き込み方式による書き込み動作を保証することができる。
Further, even when the pair of
《閾値電圧の変動の抑制》
ここで、図27、図28を用いて、メモリトランジスタ21の閾値電圧が不所望に変動する要因の一つであるRTSについて説明する。尚、図中の主な符号は上記した図3に対応している。メモリトランジスタ21は、半導体基板30と電荷蓄積領域36の間に、RTS依存領域Aを有する。RTS依存領域Aは、半導体基板30とゲート絶縁膜37の界面37Aと、ゲート絶縁膜37のバルク37Bと、ゲート絶縁膜37と電荷蓄積領域36の界面37Cとからなる領域である。RTS依存領域Aには、例えばRTSが発生する要因となるRTS発生要因電子Bが一時的に滞留する。RTSには、RTS依存領域AにRTS発生要因電子Bが一時的に捕獲され、閾値電圧が高くなる場合と、RTS依存領域Aに存在するRTS発生要因電子Bが一時的に放出され、閾値電圧が低くなる場合とがある。このRTS発生要因電子Bの挙動は、十分に解明されてはいないが、メモリゲートとされる第3の電極35に所定の負電圧又は正電圧を印加することにより、RTS依存領域Aに対する挙動を制御できる。RTS発生要因電子Bは、制御回路16により、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の負電圧が印加されると、図27に示すように、RTS依存領域Aから一時的に排除される。このとき、RTS依存領域Aは、RTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態となる。また、RTS発生要因電子Bは、制御回路16により、第3の電極35に所定の正電圧が印加されると、図28に示すように、RTS依存領域Aに一時的に捕獲される。このとき、RTS依存領域Aは、RTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態となる。
<Suppression of threshold voltage fluctuation>
Here, RTS, which is one of the factors that cause the threshold voltage of the
即ち、制御回路16は、記憶情報を読み出す前に、RTS依存領域Aの電荷状態をRTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態、又はRTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態に揃えられるから、RTSの影響によりメモリトランジスタ21の閾値電圧がランダムに変動することを抑制することができる。
That is, before reading the stored information, the
また、RTS依存領域Aの電荷状態を2つの電荷状態のいずれに揃えるかは、メモリトランジスタ21の特性を考慮する必要がある。この理由は、メモリトランジスタ21の閾値電圧が不所望に変動する要因の一つとして、メモリトランジスタ21の特性が挙げられ、さらにこの特性に応じて、RTSの影響が増長されることがあるからである。メモリトランジスタ21には、例えば、経年的に電荷蓄積領域36から電子が抜けて閾値電圧が低くなっていく特性や、経年的に電荷蓄積領域36に電子が入り込み閾値電圧が高くなっていく特性などがある。そこで、閾値電圧が経年的に低くなる特性を有するメモリトランジスタ21において、RTS依存領域Aの電荷状態を、RTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態としてしまうと、これによって、閾値電圧が更に低くなってしまう。また、閾値電圧が経年的に高くなる特性を有するメモリトランジスタ21において、RTS依存領域Aの電荷状態を、RTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態としてしまうと、これによって、閾値電圧が更に高くなってしまう。言い換えると、メモリトランジスタ21の特性を考慮してRTS依存領域Aの電荷状態を揃えなければ、この特性に応じてRTSの影響が増長されることになる。
In addition, it is necessary to consider the characteristics of the
以下、制御回路16が、読み出し動作前に、メモリトランジスタ21の特性に応じて第3の電極35に負電圧又は正電圧を印加することにより、RTSの影響を排除し、また、RTSの影響が増長されないようにする具体的な例について説明する。ここでは、RTSの影響排除とRTSによる特性悪化の増長抑制との理解を容易化するために極端な場合分けを行なって、そのための電圧印加形態について例示的に説明する。尚、読み出し動作には、書き込みベリファイ動作での読み出し動作(以下、書き込みベリファイ用読み出し動作と称する)と、通常のデータ読み出し動作とがある。
Hereinafter, the
まず、RTSが恒常的には生じない特性を有するメモリトランジスタ21に対する、書き込みベリファイ用読み出し動作に着目する。尚、RTSが恒常的には生じないとは、要するに、RTS依存領域AにRTS発生要因電子Bが一時的に滞留する現象を常時生じないことをいう。そのため、フラッシュメモリ1は、RTSの影響のない状態を通常状態として設計等がなされているから、RTSの影響は排除する必要がある。言い換えると、RTS依存領域AにRTS発生要因電子Bが滞留しないようにする必要がある。このとき、制御回路16は、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の負電圧を印加する。このため、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、RTS依存領域AはRTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態になるから、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。
First, attention is focused on the read operation for write verification with respect to the
また、RTSが恒常的には生じず、経年的に電荷蓄積領域36から電子が抜けていく特性を有するメモリトランジスタ21に対する、書き込みベリファイ用読み出し動作及びデータ読み出し動作に着目する。尚、制御回路16は、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、上記と同様に所定の負電圧を印加するので、説明を省略する。このとき、制御回路16は、データ読み出し動作の前に、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の正電圧を印加する。このため、データ読み出し動作の前に、RTS依存領域AはRTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態になるから、メモリトランジスタ21の特性に加えて、RTSの影響により閾値電圧が更に低くなってしまうことがない。従って、メモリトランジスタ21の特性に応じて、RTSの影響が増長されることがない。
Further, attention is focused on the read operation for data verification and the data read operation for the
さらに、RTSが恒常的には生じず、経年的に電荷蓄積領域36に電子が入り込んでいく特性を有するメモリトランジスタ21に対する、書き込みベリファイ用読み出し動作及びデータ読み出し動作に着目する。尚、制御回路16は、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、上記と同様に所定の負電圧を印加するので、説明を省略する。このとき、制御回路16は、データ読み出し動作の前に、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の負電圧を印加する。このため、データ読み出し動作の前に、RTS依存領域AはRTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態になるから、メモリトランジスタ21の特性に加えて、RTSの影響により閾値電圧が更に高くなってしまうことがない。従って、メモリトランジスタ21の特性に応じて、RTSの影響が増長されることがない。
Further, attention is focused on the read operation for data verification and the data read operation for the
次に、メモリトランジスタ21が材料の変更や、例えば90nm以下の更なる微細化などによりRTSが恒常的に生じ、比較的多くのRTS発生要因電子BがRTS依存領域Aに滞留し、且つ経年的に電荷蓄積領域36から電子が抜けていく傾向が強い場合に対する、書き込みベリファイ用読み出し動作及びデータ読み出し動作に着目する。この場合には、フラッシュメモリ1は、RTSの影響がある状態を通常状態として設計等がなされると考えられるから、RTSを前提とした上で、RTSの影響を考慮する必要がある。言い換えると、RTS依存領域AにRTS発生要因電子Bが滞留するようにする必要がある。そこで、制御回路16は、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の正電圧を印加する。このため、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、RTS依存領域AはRTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態になるから、RTSを前提とした上で、書き込みベリファイ動作においてRTSの影響を受けずに最初に書き込み状態を決定することができる。従って、ベリファイパスとなった閾値電圧が急に大きく変化することがない。また、制御回路16は、データ読み出し動作の前に、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の正電圧を印加する。このため、データ読み出し動作の前に、RTS依存領域AはRTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態になるから、メモリトランジスタ21の特性に加えて、RTSの影響によりRTS発生要因電子Bが必要以上に抜けて閾値電圧が更に低くなってしまうことがない。従って、メモリトランジスタ21の特性に応じて、RTSの影響が増長されることがない。
Next, RTS is constantly generated by changing the material of the
また、メモリトランジスタ21が材料の変更や、例えば90nm以下の更なる微細化などによりRTSが恒常的に生じ、比較的多くのRTS発生要因電子BがRTS依存領域Aに滞留し、且つ経年的に電荷蓄積領域36に電子が入り込んでいく傾向が強い場合に対する、書き込みベリファイ用読み出し動作及びデータ読み出し動作に着目する。尚、制御回路16は、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、上記と同様に所定の正電圧を印加するので、説明を省略する。このとき、制御回路16は、データ読み出し動作の前に、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の負電圧を印加する。このため、データ読み出し動作の前に、RTS依存領域AはRTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態になるから、メモリトランジスタ21の特性に加えて、RTSの影響によりRTS発生要因電子Bが必要以上に入り込み閾値電圧が更に高くなってしまうことがない。従って、メモリトランジスタ21の特性に応じて、RTSの影響が増長されることがない。
In addition, RTS is constantly generated due to a change in material of the
ここで、上記した第3の電極35に印加される所定の負電圧及び正電圧について詳述する。図29には、所定の負電圧の印加による読み出し動作タイミングが示される。図30には、所定の正電圧の印加による読み出し動作タイミングが示される。尚、図29、図30に示すタイミングチャートは、図21に示されたメモリ2を読み出し対象とするときの反転層23の接続状態に基づくものであって、さらに、メモリ2はRTSが恒常的に生じず、経年的に電荷蓄積領域36から電子が抜けていく特性を有するものとする。また、図中、STSとは、ローカルなビット線として機能する反転層23と、対応するグローバルビット線GLB0〜GBL3との間に配置された選択スイッチ40に対して印加される電圧である。STDとは、ローカルなソース線として機能する反転層24と、対応するコモン線CDとの間に配置された選択スイッチ41に対して印加される電圧である。
Here, the predetermined negative voltage and positive voltage applied to the
まず、制御回路16は、図29に示すように、グローバルビット線GLB1,3をプリチャージし、その後、制御信号AG1,2の電位を4.2V、制御信号AG3の電位を−2Vにする。そして、制御回路16は、STSの電位を4Vとして選択スイッチ40を切替えて、GLB1,3と反転層23を接続した後、電位を0Vとする。時刻t0において、制御回路16は、GLB1,3をプリチャージレベルからディスチャージして、メモリ2に所定の負電圧を印加する。所定の負電圧は、消去用パルス電圧の電圧値(例えば、−18V)よりも高い電圧値を有し、例えば−3V〜−2Vとする。このため、RTS発生要因電子Bを排除するとき、FNトンネルによって電荷蓄積領域36から電子が抜けることがないから、閾値電圧が消去状態に初期化されることがない。さらに、時刻t0では、読み出し対象でない非選択メモリセルにも負電圧が多少印加される。これにより、読み出し対象メモリセルに隣接する非選択メモリセルからのリーク電流を低減し、誤読み出しを防止することができる。時刻t1において、制御回路16は、メモリ2に対する負電圧の印加を終了し、電位を0Vにする。この負電圧のパルス幅は、RTS依存領域Aの電荷状態を、RTS発生要因電子Bの一時的な捕獲を抑制した電荷状態に揃えつつ、非選択メモリセルにディスターブが生じない程度であればよく、特に限定されないが、例えば10μsとする。尚、ディスターブとは、選択ワード線や選択データ線につながる非選択メモリセルの閾値電圧が不所望に変動する現象である。
First, as shown in FIG. 29, the
そして、時刻t2において、制御回路16は、書き込みベリファイ動作によりメモリ2に読み出し用パルス電圧を印加して、電位を5.5Vとする。次に、制御回路16は、STDの電位を4Vとして選択スイッチ41を切替えて、反転層24と対応するコモン線CDとを接続した後、電位を0Vとする。時刻t3において、制御回路16は、メモリ2に対する読み出し用パルス電圧の印加を終了して、電位を0Vにすると共に、非選択メモリセルの電位を0Vにする。最後に、制御回路16は、AG1〜3の電位を0Vにする。
At time t2, the
図30に示す読み出し動作タイミングは、図29と比べると、制御回路16がデータ読み出し動作の前に、時刻t0〜t1において、メモリ2に所定の正電圧を印加する点、時刻t2において、メモリ2に読み出し用ワード線電圧を印加する点が異なる。所定の正電圧は、書き込み用パルス電圧の電圧値(例えば、10V〜15V)よりも低い電圧値を有し、例えば8Vとする。このため、RTS発生要因電子Bを捕獲するとき、例えば半導体基板30の表面でホットエレクトロンが発生しないから、電荷蓄積領域36に電子が注入されることがなく、書き込み動作が行なわれることがない。この正電圧のパルス幅は、RTS依存領域Aの電荷状態を、RTS発生要因電子Bの一時的な排除を抑制した電荷状態に揃えつつ、非選択メモリセルにディスターブが生じない程度であればよく、特に限定されないが、例えば50μsとする。
The read operation timing shown in FIG. 30 is different from that shown in FIG. 29 in that the
図31には、所定の正電圧印加の有無によるデータ読み出し動作時の閾値電圧分布の変化が示されている。図中、横軸は上記したメモリ2の閾値電圧Vthを示し、縦軸は度数σを示す。図では特定の一つの閾値電圧分布の下裾部分に着目している。図中、所定の正電圧の印加が無い場合にデータ読み出し動作により得られた閾値電圧分布は、点線で示されている。また、所定の正電圧の印加が有る場合に得られた閾値電圧分布は、実線で示されている。
FIG. 31 shows changes in threshold voltage distribution during a data read operation depending on whether or not a predetermined positive voltage is applied. In the figure, the horizontal axis represents the threshold voltage Vth of the
閾値電圧分布は、図示のように、所定の正電圧を印加することにより、その拡がりが小さくなっている。要するに、制御回路16がデータ読み出し動作前に、RTSが恒常的に生じず、経年的に電荷蓄積領域36から電子が抜けていく特性を有するメモリ2に対して、所定の正電圧を印加することにより、閾値電圧分布の幅を小さくできるから、メモリ2の特性に加えてRTSの影響により閾値電圧が更に低くなることがない。
As shown in the figure, the threshold voltage distribution is reduced in its spread by applying a predetermined positive voltage. In short, before the data read operation, the
次に、上記した所定の負電圧や正電圧に比べて、波形とタイミングが異なる他の負電圧や正電圧について説明する。図32には、図29に示す所定の負電圧とは異なる他の負電圧の印加による読み出し動作タイミングが示される。図33には、図30に示す所定の正電圧とは異なる他の正電圧の印加による読み出し動作タイミングが示される。制御回路16は、図32に示すように、時刻t0においてメモリ2に所定の負電圧を印加して、時刻t1においてメモリ2に対する負電圧の印加を終了すると共に、電位を0Vにすることなく、メモリ2に読み出し用パルス電圧を印加して、電位を5.5Vとする。そして、時刻t2において、制御回路16は、メモリ2に対する読み出し用パルス電圧の印加を終了して、電位を0Vにする。また、図33に示す読み出し動作タイミングは、図32と比べると、制御回路16がデータ読み出し動作の前に、時刻t0においてメモリ2に所定の正電圧を印加して、時刻t1において電位を0Vにすることなく、メモリ2に読み出し用ワード線電圧を印加する点が異なる。このように、制御回路16は、図32、図33に示すように時刻t1において、メモリ2の電位を直接遷移させてもよい。このようにすれば、負電圧電源から正電圧電源への切り替えが不要である場合や、正電圧でも読み出し用の正電源回路でRTSを抑制するのに必要な正電圧を供給できる場合は、上記動作を行なうことにより、読み出し動作までの時間を短縮でき、特に、遷移時間の短いRTSに対して閾値電圧変動を抑制する効果を高めることができる。
Next, other negative voltages and positive voltages having waveforms and timings different from those of the predetermined negative voltage and positive voltage described above will be described. FIG. 32 shows the read operation timing by application of another negative voltage different from the predetermined negative voltage shown in FIG. FIG. 33 shows the read operation timing by applying another positive voltage different from the predetermined positive voltage shown in FIG. As shown in FIG. 32, the
図34には、図29に示す所定の負電圧とは異なる更に他の負電圧の印加による読み出し動作タイミングが示される。図35には、図30に示す所定の正電圧とは異なる更に他の正電圧の印加による読み出し動作タイミングが示される。制御回路16は、図34に示すように、グローバルビット線GLB1,3をプリチャージする前に、時刻t0において、メモリ2に所定の負電圧を印加して、時刻t1において、メモリ2に対する負電圧の印加を終了して、電位を0Vにする。そして、時刻t2において、制御回路16は、GLB1,3をプリチャージレベルからディスチャージすると共に、メモリ2に読み出し用パルス電圧を印加して、電位を5.5Vとする。そして、時刻t3において、制御回路16は、メモリ2に対する読み出し用パルス電圧の印加を終了して、電位を0Vにする。また、図35に示す読み出し動作タイミングは、図34と比べると、制御回路16がデータ読み出し動作の前に、時刻t0〜t1においてメモリ2に所定の正電圧を印加する点が異なる。このように、制御回路16は、図34、図35に示すように、時刻t1〜t2の長短を適宜変更可能とする。これは、RTSによる電子の捕獲・放出の遷移時間により最適化が必要なためである。また、遷移時間が長い場合には、回路動作の制約を少なくすることできる。
FIG. 34 shows the read operation timing by applying another negative voltage different from the predetermined negative voltage shown in FIG. FIG. 35 shows the read operation timing by applying another positive voltage different from the predetermined positive voltage shown in FIG. As shown in FIG. 34, the
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited thereto and can be variously modified without departing from the gist thereof.
例えば、メモリトランジスタ21には、経年的に電荷蓄積領域36から電子が抜けていく特性と、経年的に電荷蓄積領域36に電子が入り込んでいく特性とがあるとしたが、これに限られず、例えば書き込みから数μs〜1s程度の極めて短時間で閾値電圧が低くなるような特性も考えられる。このような特性は、電荷蓄積領域36の欠陥や微細化に起因すると考えられる。この場合には、これらの電子は閾値電圧が不所望に変動する原因ともなるので、本来のメモリ動作に不要な成分と考えられる。そこで、RTSの影響がないと仮定すると、制御回路16は、書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、負電圧を印加することにより、これらの電子を強制的に抜いて、メモリ動作に不要な成分を排除してもよい。またこのとき、制御回路16は、正電圧を印加して、不要な成分とされたこれらの電子を強制的に電荷領域36に取り込むことにより、これらの電子をメモリ動作に有効な成分とするようにしてもよい。また、書き込みベリファイ用読み出し動作時にRTSの影響があったとしても、制御回路16は、メモリトランジスタ21の第3の電極35に所定の負電圧又は正電圧を印加することにより、RTS依存領域Aの電荷状態を揃えるから、RTSの影響により閾値電圧がランダムに変動することを抑制することができる。
For example, the
さらに、上記した所定の負電圧及び正電圧のパルス幅は、図示したように、書き込みベリファイ用読み出し動作における読み出し用パルス電圧や、データ読み出し動作における読み出し用ワード線電圧のパルス幅よりも小さいものとしたが、これに限られず、読み出し用パルス電圧や読み出し用ワード線電圧のパルス幅よりも大きくしてもよい。このとき、RTSとディスターブはトレードオフの関係にあるから、フラッシュメモリ1の要求仕様に応じて、いずれの影響を低減させるかを考慮した上で、所定の負電圧及び正電圧のパルス幅を適宜調整すればよい。
Further, the pulse widths of the predetermined negative voltage and positive voltage described above are smaller than the pulse width of the read pulse voltage in the read operation for write verification and the read word line voltage in the data read operation, as shown in the figure. However, the present invention is not limited to this, and the pulse width may be larger than the pulse width of the read pulse voltage or the read word line voltage. At this time, since RTS and disturb are in a trade-off relationship, the pulse widths of predetermined negative voltage and positive voltage are appropriately set in consideration of which effect is reduced according to the required specifications of the
実施例においてはメモリセルトランジスタがソース線に対して並列に接続され、ソース線が反転層により形成されるメモリアレイ構造を持つ不揮発性メモリについて説明をしたが、ソース線が高抵抗であることによりソース電位の浮きを生じることを考慮すると、メモリセルトランジスタのドレイン端子とソース端子とが直列に接続され、書き込み対象のメモリセルのソース端子側に接続されるメモリセルトランジスタのゲート端子に高電圧を印加してオン状態にすることでソース線を形成するようなメモリアレイ構造を持つ不揮発性メモリにも適用することが可能である。このようなメモリアレイ構造を持つ不揮発性メモリの場合、オン状態となっているメモリセルトランジスタの持つオン抵抗によりソース線が高抵抗状態となり、ソース端子に直列に接続されるメモリセルトランジスタの数に応じてソース端子に接続される抵抗が相違するためにソース電位の浮きが生じることとなるため、メモリセルトランジスタに電流を流すことにより書き込みを行なう場合に本発明を適用することができる。 In the embodiment, a nonvolatile memory having a memory array structure in which memory cell transistors are connected in parallel to a source line and the source line is formed of an inversion layer has been described. However, the source line has a high resistance. Considering that the source potential floats, the drain terminal and the source terminal of the memory cell transistor are connected in series, and a high voltage is applied to the gate terminal of the memory cell transistor connected to the source terminal side of the memory cell to be written. The present invention can also be applied to a nonvolatile memory having a memory array structure in which a source line is formed by applying and turning on. In the case of a non-volatile memory having such a memory array structure, the on-resistance of the memory cell transistor in the on state makes the source line in a high resistance state, and the number of memory cell transistors connected in series to the source terminal Accordingly, since the resistance connected to the source terminal is different, the source potential floats. Therefore, the present invention can be applied to the case where writing is performed by passing a current through the memory cell transistor.
更には、例えば、メモリトランジスタは4値記憶に限定されず8値記憶であってもよい。メモリアレイの構造はライトスルー方式で書き込みを行なう構造に限定されない。メモリトランジスタの列毎に固有のビット線を持つ構造であってもよい。ライトスルー方式で書き込みを行なう構造であっても、ビット線やソース線は反転層を用いる構成に限定されず拡散層配線を用いる構成であってもよい。また、不揮発性メモリは並列動作可能な複数バンクを有する構成に限定されない。消去や書き込みにおける印加電圧は適宜変更可能である。不揮発性メモリはシステムLSIもしくはマイクロコンピュータなどのオンチップメモリにも適用可能である。更に本発明はフラッシメモリに限定されず、EEPROM、その他の記憶形式の不揮発性メモリにも広く適用することができる。 Furthermore, for example, the memory transistor is not limited to four-value storage, and may be eight-value storage. The structure of the memory array is not limited to the structure in which writing is performed by the write-through method. A structure having a unique bit line for each column of memory transistors may be used. Even in the structure in which writing is performed by the write-through method, the bit line and the source line are not limited to the structure using the inversion layer, and may be the structure using the diffusion layer wiring. Further, the nonvolatile memory is not limited to a configuration having a plurality of banks that can operate in parallel. The applied voltage for erasing and writing can be changed as appropriate. The nonvolatile memory can be applied to an on-chip memory such as a system LSI or a microcomputer. Furthermore, the present invention is not limited to the flash memory, but can be widely applied to an EEPROM and other storage-type nonvolatile memories.
1 フラッシュメモリ
3 メモリアレイ
20 第1の制御トランジスタ
21 メモリトランジスタ
22 第2の制御トランジスタ
23 反転層
24 反転層
WL ワード線
30 半導体基板
31 絶縁膜
33 第1の電極
34 第2の電極
35 第3の電極
36 電荷蓄積領域
37 ゲート絶縁膜
37A 半導体基板とゲート絶縁膜の界面
37B ゲート絶縁膜のバルク
37C ゲート絶縁膜と電荷蓄積領域の界面
50 読み出し書き込み回路
51 選択回路
52 拡散層(拡散層配線)
60スタティックラッチ
A RTS依存領域
B RTS発生要因電子
SL Ref リファレンスノード
SL Sense センスノード
DESCRIPTION OF
60 static latch A RTS dependent region B RTS generation factor electron SL Ref reference node SL Sense sense node
Claims (8)
前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルから記憶情報を読み出す前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための電圧、又は夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加する半導体装置。 A memory array and a control circuit;
The memory array has a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and has a plurality of nonvolatile memory cells capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region,
The control circuit exists in at least one of the interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and the interface between the gate insulating film and the charge storage region before reading stored information from the nonvolatile memory cell. A voltage for temporarily eliminating RTS-causing electrons, or a voltage for temporarily capturing RTS-causing electrons in at least one of the interface and the gate insulating film, the nonvolatile memory cell Device applied to the selection terminal.
前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加する半導体装置。 A memory array and a control circuit;
The memory array has a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and has a plurality of nonvolatile memory cells capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region,
The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A semiconductor device that applies a predetermined negative voltage for temporarily removing RTS generation-causing electrons existing in the selection terminal of the nonvolatile memory cell.
前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、
前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記選択端子に印加する半導体装置。 A memory array and a control circuit;
The memory array has a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and has a plurality of nonvolatile memory cells capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region,
The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined negative voltage for temporarily eliminating the RTS generation factor electrons existing in the non-volatile memory cell,
Prior to a data read operation for the nonvolatile memory cell, a predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS-causing electrons at at least one of the interface and the gate insulating film is applied to the selection terminal. Semiconductor device.
前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、
前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記選択端子に印加する半導体装置。 A memory array and a control circuit;
The memory array has a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and has a plurality of nonvolatile memory cells capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region,
The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined negative voltage for temporarily eliminating the RTS generation factor electrons existing in the non-volatile memory cell,
Prior to a data read operation for the nonvolatile memory cell, a predetermined negative voltage for temporarily eliminating RTS-causing electrons existing at at least one of the interface and the gate insulating film is supplied to the selection terminal. Semiconductor device to be applied to.
前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、
前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記選択端子に印加する半導体装置。 A memory array and a control circuit;
The memory array has a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and has a plurality of nonvolatile memory cells capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region,
The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS generation factor electrons is applied to the selection terminal of the nonvolatile memory cell,
Prior to a data read operation for the nonvolatile memory cell, a predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS-causing electrons at at least one of the interface and the gate insulating film is applied to the selection terminal. Semiconductor device.
前記メモリアレイは、基板とゲート絶縁膜と電荷蓄積領域を有し、前記電荷蓄積領域に対して電子を注入又は放出させて閾値電圧を変更可能な複数の不揮発性メモリセルを有し、
前記制御回路は、前記不揮発性メモリセルに対する書き込みベリファイ用読み出し動作の前に、前記基板と前記ゲート絶縁膜の界面、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜と前記電荷蓄積領域の界面の少なくとも一つにRTS発生要因電子を一時的に捕獲するための所定の正電圧を、前記不揮発性メモリセルの選択端子に印加して、
前記不揮発性メモリセルに対するデータ読み出し動作の前に、夫々の前記界面、前記ゲート絶縁膜の少なくとも一つに存在するRTS発生要因電子を一時的に排除するための所定の負電圧を、前記選択端子に印加する半導体装置。 A memory array and a control circuit;
The memory array has a substrate, a gate insulating film, and a charge storage region, and has a plurality of nonvolatile memory cells capable of changing a threshold voltage by injecting or emitting electrons to the charge storage region,
The control circuit includes at least one of an interface between the substrate and the gate insulating film, the gate insulating film, and an interface between the gate insulating film and the charge storage region before the read operation for write verification with respect to the nonvolatile memory cell. A predetermined positive voltage for temporarily capturing RTS generation factor electrons is applied to the selection terminal of the nonvolatile memory cell,
Prior to a data read operation for the nonvolatile memory cell, a predetermined negative voltage for temporarily eliminating RTS-causing electrons existing at at least one of the interface and the gate insulating film is supplied to the selection terminal. Semiconductor device to be applied to.
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JP2010027154A (en) * | 2008-07-22 | 2010-02-04 | Spansion Llc | Method of writing data to semiconductor device, and semiconductor device |
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