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JP2010020814A - 不揮発性半導体記憶装置およびその消去検証方法 - Google Patents

不揮発性半導体記憶装置およびその消去検証方法 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のメモリセルトランジスタ間で同等の検証を素早く行うことを可能とする。
【解決手段】周辺回路は、ソース線CSLに所定の高電圧を印加し選択ゲートトランジスタSGS側のワード線WL0に印加する電圧を選択ゲートトランジスタSGD側のワード線WL63に印加する電圧に比較して大きくした状態でビット線BLの電圧を1回検出し、当該検出電圧に基づいて複数のメモリセルトランジスタのデータ消去状態を検証する。
【選択図】図6

Description

本発明は、電気的に消去可能な複数のメモリセルトランジスタの消去状態を検証する周辺回路を備えた不揮発性半導体記憶装置およびその消去検証方法に関する。
従来より、不揮発性半導体記憶装置としてのNAND型のフラッシュメモリ装置は、ビット線に電気的に接続された第1の選択ゲートトランジスタとソース線に電気的に接続された第2の選択ゲートトランジスタとの間に直列に連結された複数のメモリセルトランジスタを備え、ワード線にそれぞれ連結された電気的に読出/書込/消去可能なメモリセルトランジスタを具備したNANDセルユニットをマトリクス状に配列して構成されている。
このようなNANDセルユニットを具備するメモリデバイスは、高密度でデータ記憶することが重要であり、高密度化するためには直列接続されたメモリセルトランジスタの数を増すと良い。他方、NAND型のフラッシュメモリ装置は各メモリセルのデータを消去した後、データの信頼性を向上するため消去検証処理を行っている(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、NANDセルユニット中のメモリセルトランジスタの数を増すにつれて、データ消去後の消去検証時には検証の信頼性が乏しくなってきている。
これは、例えば各ワード線に同一の電圧を印加すると共にソース線に消去検証用の正の電圧を印加してビット線電圧を検出すると、各メモリセルトランジスタのソース/ドレイン間電圧降下の影響に伴い、ソース線側からビット線側にかけてメモリセルトランジスタのバックバイアスの電位低下を生じ、この影響によって当該複数のメモリセルトランジスタ間で検証用バイアスが異なることになり、特に第1および第2の選択ゲートトランジスタ間に接続されるメモリセルトランジスタの数を増した場合には、特にソース線側とビット線側の複数のメモリセルトランジスタ間で同等の検証を行うことが困難となっているためである。これに対し、特許文献1に開示されている技術思想では、第1バイアス条件下で第1消去検証動作を実行した後、第1バイアス条件と異なる第2バイアス条件で第2消去検証動作を実行しているが、消去検証動作速度が劣ってしまう。
特開2006−54036号公報
本発明は、複数のメモリセルトランジスタ間で同等の検証を素早く行うことを可能とした不揮発性半導体記憶装置およびその消去検証方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、ビット線に電気的に接続された第1の選択ゲートトランジスタと、ソース線に電気的に接続された第2の選択ゲートトランジスタと、当該第1および第2の選択ゲートトランジスタ間に直列に連結された複数のメモリセルトランジスタであって対応するワード線にそれぞれ連結されたメモリセルトランジスタを備えたNANDセルユニットと、前記NANDセルユニットに消去用電圧が印加された後に行われるNANDセルユニットの消去検証動作時において、前記第1および第2の選択ゲートトランジスタを共にオン状態とすると共に、ソース線に所定電圧を印加し前記第1の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧を第2の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧に比較して大きくした状態でビット線電圧を1回検出し、当該検出電圧に基づいて前記複数のメモリセルトランジスタのデータ消去状態を検証する周辺回路とを備えた不揮発性半導体記憶装置を提供する。
本発明の別の態様は、ビット線に電気的に接続された第1の選択ゲートトランジスタとソース線に電気的に接続された第2の選択ゲートトランジスタとの間に直列に連結された複数のメモリセルトランジスタであって対応するワード線にそれぞれ連結されたメモリセルトランジスタを備えたNANDセルユニットについて各メモリセルトランジスタの消去状態を検証するための不揮発性半導体記憶装置の消去検証方法であって、前記複数のメモリセルトランジスタに記憶されたデータを同時に消去する過程と、前記第1および第2の選択ゲートトランジスタを共にオン状態とすると共に、ソース線に所定電圧を印加して前記第1の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧を第2の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧に比較して大きくした状態でビット線電圧を1回検出し、当該検出電圧に基づいて前記複数のメモリセルトランジスタのデータ消去状態を検証する過程とを備えた不揮発性半導体記憶装置の消去検証方法を提供する。
本発明の一態様によれば、複数のメモリセルトランジスタ間で同等の消去検証を素早く行うことができる。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。図1(a)は、NAND型フラッシュメモリ装置の電気的構成をブロック図によって概略的に示している。
この図1(a)に示すように、フラッシュメモリ装置1は、多数のメモリセルをマトリクス状に配設して構成されたメモリセルアレイArと、このメモリセルアレイArの各メモリセルの読出/書込/消去および消去検証処理を行う周辺回路PCとを備えている。尚、メモリセルアレイArはメモリセル領域M内に構成され、周辺回路PCはメモリセル領域Mの周辺領域に構成される。
図1(a)に示すように、周辺回路PCは制御回路CCと、この制御回路CCに電気的に接続されたロウ駆動回路RDと、カラム駆動回路CDと、センスアンプ回路SAとを備えている。制御回路CCは、ロウ駆動回路RD、カラム駆動回路CDに制御信号を送信し、メモリセルアレイArを構成する各メモリセルの書込/読出/消去を行うようになっている。
尚、図1(a)に示すように、メモリセルアレイArは単一の構成である実施形態を示すが、図1(b)に示すように複数のプレーンPlane0、Plane1のように分割構成されていても良い。
図2は、主にメモリセルアレイ内の電気的構成を概略的に示しており、図3は、メモリセルアレイの平面図を模式的に示している。
図2に示すように、メモリセル領域M内のメモリセルアレイArは、セルユニットUC(NANDセルユニット)が多数配設されることによって構成されている。セルユニットUCは、列方向に延出するビット線BL(BL…BLn+1…)にそれぞれ接続された選択ゲートトランジスタSTDと、ソース線CSLに接続された選択ゲートトランジスタSTSと、当該2個(複数)の選択ゲートトランジスタSTS−STD間に複数個(例えばm=2のk乗=64個)直列接続されたメモリセルトランジスタMT(MT…MTm−1)とからなる。
これらのセルユニットUCは、行方向に所定列並列に配列されることによって1つのブロックBjを構成している。メモリセルアレイArは、1つのブロックBjが列方向に複数列(z列)配列されることによって構成されている。
行方向に配列された複数のセルユニットUCの選択ゲートトランジスタSTDは、そのゲート電極が選択ゲート線SGDによって電気的に接続されている。行方向に配列された複数のセルユニットUCの選択ゲートトランジスタSTSは、そのゲート電極が選択ゲート線SGSによって電気的に接続されている。行方向に配列された複数のセルユニットUCのメモリセルトランジスタMT(MT〜MTm−1)は、それぞれ、そのゲート電極がワード線WL(WL〜WLm−1)によって電気的に接続されている。行方向に配列された複数のセルユニットUCの選択ゲートトランジスタSTSはそのソース側がソース線CSLに共通接続されている。図1(a)に示すセンスアンプSAは、ビット線BL(BL〜BLn+1)に接続されており、データの読出時に当該データを一時的に保存するラッチ回路を接続している。
図4は、セルユニットの半導体断面構造を図3のA−A線に沿う断面図によって模式的に示している。
図4に示すように、p型のシリコン基板2には、その表層にnウェル領域2aが構成されていると共に、そのさらに表層にpウェル領域2bが構成されている。このpウェル領域2bには、上述の選択ゲートトランジスタSTD、STS、メモリセルトランジスタMT(MT〜MTm−1)が構成されている。このようなウェル構造を採用することにより、pウェル領域2bに消去用の高電圧を印加することができる。
pウェル領域2b上には、選択ゲートトランジスタSTD、STSの選択ゲート電極SGD、SGSがゲート絶縁膜(図示せず)を介して平面的に離間して構成されていると共に、選択ゲート電極SGS−SGD間のpウェル領域2b上にゲート絶縁膜3を介してメモリセルトランジスタMT(MT〜MTm−1)のゲート電極MGが平面的に一列に構成されている。メモリセルトランジスタMTのゲート電極MGは、浮遊ゲート電極と制御ゲート電極との間にゲート間絶縁膜を挟んだスタックゲート構造をなしている。
各ゲート電極MG−MG間、ゲート電極MG−SGD間、ゲート電極MG−SGS間にはpウェル領域2bの表層にソース/ドレインとなる不純物拡散層2cが形成されている。選択ゲート電極SGDのドレイン側のpウェル領域2bの表層には高濃度の不純物拡散層2dがコンタクト領域として形成されており、この拡散層2d上にはビット線コンタクトCBを介してビット線BL(BL〜BLn−1)が構成されている。
選択ゲート電極SGSのソース側のpウェル領域2bの表層には、高濃度の不純物拡散層2eがコンタクト領域として形成されており、この拡散層2e上にはソース線コンタクトCSを介してソース線CSLの配線構造が構成されている。
上記構造のメモリセルの消去検証動作について説明する。
図5は、周辺回路が行う消去検証処理のフローチャートを示している。この図5に示すように、周辺回路PCは、消去動作をブロック単位で行うが、消去選択ブロックBjの消去を行った(S1)後、当該ブロックBjの消去検証を行い(S2)、消去検証がOKではないことを条件として再度ステップS1に戻り、ブロックBjの消去処理から繰り返す。そして、消去検証が正常に行われた(OK)ことを条件として消去検証処理を終了する。
ステップS1の消去処理は、消去選択ブロックBj内において、周辺回路PCがシリコン基板2のpウェル2bに高電圧(例えば20V)を与えると共に消去選択ブロックBj内のワード線WL(WL〜WLm−1)に低電圧(例えば0V)を与える。すると、メモリセルゲート電極MGに溜まった電子がpウェル2bに抜ける。このとき、メモリセルトランジスタMTのしきい値電圧Vtが正から負方向にシフトしデータが消去される。
図9は、消去処理時および消去検証処理時に各電気的要素に印加する電位のタイミングチャートを示している。
この図9に示すように、消去検証が開始されると、周辺回路PCは、選択ゲート線SGS、SGDおよびワード線WL、ソース線CSLに低電圧(0V)を印加して所定の安定時間で安定化させる(図9の(1)参照)。次に、周辺回路PCは、ソース線CSLに高電位(3V)を印加すると共に、ビット線BLの電位Vblを低電圧(0V)にプレチャージする(図9の(2)参照)。
その後、周辺回路PCは、選択ゲートトランジスタSGS、SGDが十分にオンする電圧(5V)を印加すると共に、ワード線WLに中間電圧(ソース線の印加電圧(3V)とビット線のプリチャージ電圧(0V)との間の中間電圧)を印加する(図9の(3)(4)参照)。
図6は、消去検証処理時の各トランジスタの電位の模式図を示している。尚、この電位は十分に安定状態となったときの電位を示している。
周辺回路PCがソース線CSLに所定の高電位(3V)を印加すると共に、ビット線BLの電位Vblを低電位(0V)にプレチャージすると、各メモリセルトランジスタMTにはバックバイアスが印加されるようになりビット線BLの電位が上昇する。全メモリセルのしきい値電圧Vtが負の所定値(例えば−3V)以下の場合には、NANDセルユニットUC中の全メモリセルトランジスタMTがオンするため、ソース線CSLから多くの電荷がビット線BL側に転送され、ビット線BLの検出電位は高くなる。このビット線BLの電位上昇はセルユニットUC内で最もしきい値電圧Vtの高いメモリセルトランジスタMTがオフ状態になるまで続き、やがて一定値となる。
尚、メモリセルトランジスタMTにバックバイアスが印加された場合のしきい値電圧Vtは、n型チャネルMOSFETの場合には、そのしきい値電圧(Vt)はバックバイアス電圧(Vbs)の平方根に比例して変化する。この際の比例係数はチャネル濃度やゲート酸化膜厚等により決定される。
図9に示すように、周辺回路PCは、消去検証電圧印加後、所定時間経過後のビット線BLの電位を測定し、所定の判定レベル(例えば0.5V)を超える場合には消去検証OK、当該判定レベル以下の場合には消去検証NGと判定する(図9の(4)参照)。
図7、図8は、消去検証処理時においてワード線に印加する中間電圧の一例を示している。この図7、図8に示すように、周辺回路PCは、ソース線CSL側の低番号のワード線WL0…には、ビット線BL側の高番号のワード線…WL63よりも高い中間電圧を印加する。
仮に全ワード線WLに同一の中間電圧を印加した場合には、ソース線CSLに近い側のメモリセルトランジスタMTとビット線BLに近い側のメモリセルトランジスタMTとの検証条件が異なってしまい、ソース線CSLに近いメモリセルトランジスタMTのしきい値電圧Vtがビット線BLに近いメモリセルトランジスタMTのしきい値電圧Vtよりも低くなるように消去されていないと、所定の判定レベルを超えない虞が生じ、検証NGと判定されてしまう虞がある。
また、全ワード線WLに同一の中間電圧を印加した場合には、ソース線CSL側のメモリセルトランジスタMTのしきい値電圧Vtがビット線BL側のメモリセルトランジスタMTのしきい値電圧Vtよりも相対的に高くても検証OKと判定されてしまう虞もある。さらに、消去処理後には、セルユニットUC内のメモリセルトランジスタMTのしきい値Vtはほぼ等しく揃っていると仮定しても、消去検証動作時に実質的にビット線BL側のメモリセルトランジスタMTによって大きなバックバイアスが印加されることになり、このため、メモリセルトランジスタMT全体のしきい値Vtがより低いレベルまで下がらないと消去検証OKにならないことになる。これは、所望の消去しきい値電圧よりもより低い電圧となることがあり、消去時間の増大やメモリセルのデータ保持信頼性を損なってしまう。
したがって、消去検証時の印加電圧としては、ワード線WLに印加する電位と、消去検証時に各メモリセルトランジスタMTのバックゲートにかかる電位との差が、セルユニットUCを構成する複数のメモリセルトランジスタMT間において同一になるように印加することが理想的で望ましい。これは、セルユニットUCを構成する各メモリセルトランジスタMTの消去検証条件を一定に保つためである。
また、消去検証時に、ソース線CSL、メモリセルトランジスタMTのバックゲートなどに印加する検証用電圧に基づいてメモリセルトランジスタMTのしきい値電圧が変動することを予め考慮した電圧を各ワード線WLに調整して印加すると良い。尚、各ワード線WLにどのような電圧を印加するかは、メモリセルトランジスタMTのチャネル濃度やトンネル酸化膜厚によるため、必要に応じて最適化すると良い。
実用的には、図8(a)または図8(b)に具体例を示すように、複数のグループ毎に印加電圧を変更し、1つのグループ内では同一の所定の中間電圧を印加すると良い。これらの図8(a)および図8(b)に示す具体例では、例えばワード線WLの本数が64本の場合を示しており、64本のワード線WLを2以上ワード線数以下の複数のグループに分け、当該複数のグループ間で高電圧(3V)を所定のステップ電圧(図8(a)では0.5V、図8(b)では0.25V)づつ徐々に変化させて他のグループとは異なる分圧電圧を印加している。
図8(a)では、64本のワード線WLを5つのグループに分割して、消去検証動作時の電圧をそれぞれの分割されたグループに割り当てている。グループG0はWL0〜WL13、グループG1はWL14〜WL27、グループG2はWL28〜WL41、グループG3はWL42〜WL55、グループG4はWL56〜WL63としている。
図8(b)では、64本のワード線WLを9つのグループに分割して、消去検証動作時の電圧をそれぞれの分割されたグループに割り当てている。グループG10はWL0〜WL6、グループG11はWL7〜WL13、グループG12はWL14〜WL20、グループG13はWL21〜WL27、グループG14はWL28〜WL34、グループG15はWL35〜WL41、グループG16はWL42〜WL48、グループG17はWL49〜WL55、グループG18はWL56〜WL63としている。但し、このグループ分けはこの例に限るものでは無い。
尚、グループ数が多いと、各メモリセルトランジスタMTに印加されるワード線WL−バックバイアス間の電位差が各メモリセルトランジスタMT間で小さくなるため望ましい。逆に、グループ数が少ないとワード線WLに印加するバイアスを生成する電圧生成回路を少なくすることができ実用性が高い。グループ数は、これらのトレードオフによって決定するのが良い。
図5に示すステップS2の消去検証処理は、各ブロックB(B1〜Bz)毎に一括して1回で行われる。検証処理が1回で行われるため、特許文献1が示唆する技術思想のように2回の検証処理を行うのに比較して処理を素早く終了することができる。
本実施形態によれば、周辺回路PCは、ソース線CSLに高電位を印加し選択ゲートトランジスタSGS側のメモリセルトランジスタMTのワード線WL0に印加する電圧を選択ゲートトランジスタSGD側のメモリセルトランジスタMTのワード線WL63に印加する電圧に比較して大きくした状態でビット線BLの電圧を1回検出し、当該検出電圧に基づいて複数のメモリセルトランジスタMTのデータ消去状態を検証しているため、複数のメモリセルトランジスタMT間で同等の検証を素早く行うことができる。
各ワード線WLの電圧は、各メモリセルトランジスタMTのバックバイアスを保障できるような電圧を印加することにより、従来例のようにソース線CSL側のメモリセルトランジスタMTによって律速されること無く、メモリセルトランジスタMTの消去状態を検証できる。
(他の実施形態)
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
メモリセルゲート電極MGに電子を蓄積する層として、窒化膜層を電荷トラップ層として適用した所謂MONOS構造、SONOS構造を適用しても良く、多結晶シリコン層を浮遊ゲート電極として適用したスタックゲート構造を適用しても良い。
メモリセルアレイArとセンスアンプSAとの間にカラム選択スイッチを設け、奇数本目のビット線BLと偶数本目のビット線BLでセンスアンプSAを共用しても良い。この場合、消去検証処理は1つのブロック(B1〜Bzのうち何れか)内において奇数ビット線BLおよび偶数ビット線BLにそれぞれ対応して2回実施することになる。単独のNANDセルユニットUCの検証処理は1回で済むため、前述実施形態と同様に素早く検証処理を行うことができる。
本発明の一実施形態について電気的構成を示すブロック図 メモリセルアレイの電気的構成図 メモリセルアレイの構造を示す平面図 セルユニットの断面を模式的に示す図(図3のA−A線に沿う断面図) 消去処理および消去検証処理を概略的に示すフローチャート 消去検証時の電位を模式的に示す図 消去検証時にワード線に印加する電位の一例を示す図(その1) 消去検証時にワード線に印加する電位の一例を示す図(その2) 消去検証時の動作を示すタイミングチャート
符号の説明
図面中、MTはメモリセルトランジスタ、UCはNANDセルユニット、PCは周辺回路、SGD、SGSは選択ゲートトランジスタ、WLはワード線を示す。

Claims (5)

  1. ビット線に電気的に接続された第1の選択ゲートトランジスタと、ソース線に電気的に接続された第2の選択ゲートトランジスタと、当該第1および第2の選択ゲートトランジスタ間に直列に連結された複数のメモリセルトランジスタであって対応するワード線にそれぞれ連結されたメモリセルトランジスタを備えたNANDセルユニットと、
    前記NANDセルユニットに消去用電圧が印加された後に行われるNANDセルユニットの消去検証動作時において、前記第1および第2の選択ゲートトランジスタを共にオン状態とすると共に、ソース線に所定電圧を印加し前記第1の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧を第2の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧に比較して大きくした状態でビット線電圧を1回検出し、当該検出電圧に基づいて前記複数のメモリセルトランジスタのデータ消去状態を検証する周辺回路とを備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 前記複数のメモリセルトランジスタは、2以上ワード線数以下の複数のグループに分けられ、
    前記周辺回路は、各グループ毎に同一電圧で他のグループとは異なる電圧を各グループのワード線に印加して検証することを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 前記周辺回路は、消去検証時に、前記ソース線、前記メモリセルトランジスタの拡散層およびウェルなどに印加された電圧に基づいて前記メモリセルトランジスタの閾値電圧が変動することを予め考慮した電圧を前記各ワード線に調整して印加するように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. ビット線に電気的に接続された第1の選択ゲートトランジスタとソース線に電気的に接続された第2の選択ゲートトランジスタとの間に直列に連結された複数のメモリセルトランジスタであって対応するワード線にそれぞれ連結されたメモリセルトランジスタを備えたNANDセルユニットについて各メモリセルトランジスタの消去状態を検証するための不揮発性半導体記憶装置の消去検証方法であって、
    前記複数のメモリセルトランジスタに記憶されたデータを同時に消去する過程と、
    前記第1および第2の選択ゲートトランジスタを共にオン状態とすると共に、ソース線に所定電圧を印加して前記第1の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧を第2の選択ゲートトランジスタ側のメモリセルトランジスタに連結されたワード線に印加する電圧に比較して大きくした状態でビット線電圧を1回検出し、当該検出電圧に基づいて前記複数のメモリセルトランジスタのデータ消去状態を検証する過程とを備えたことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置の消去検証方法。
  5. 前記複数のメモリセルトランジスタは、2以上ワード線数以下の複数のグループに分けられ、
    各グループ毎に同一電圧で他のグループとは異なる電圧を各グループのワード線に印加して検証することを特徴とする請求項4記載の不揮発性半導体記憶装置の消去検証方法。
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