(57)【要約】データ保持期間を改善した多値メモリが開示されており、フローティングゲートを有する少なくとも３値を記憶する多値記憶セルを備え、データの書き込みでは、多値記憶セルのしきい値が、少なくとも３値を識別する少なくとも２つの境界値を示す状態から、フローティングゲートに更に電荷を所定量注入した状態に設定され、読み出しデータは、多値記憶セルのしきい値の少なくとも２つの境界値に対する関係から決定される多値不揮発性半導体記憶装置において、データの書き込みで、範囲の下限であるしきい値ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３から更にフローティングゲートに注入される電荷によるしきい値の増加量（マージン）Ａ１、Ａ２、Ａ３を、電荷の注入量の多い状態に対応するデータの時ほど多くする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローティングゲートを有する少なくとも３値を記憶する多値記憶セルを備え、
データの書き込みでは、前記多値記憶セルのしきい値が、前記少なくとも３値を識別する少なくとも２つの境界値を示す状態から、前記フローティングゲートに更に電荷を所定量注入してしきい値が増加した状態に設定され、
読み出しデータは、前記多値記憶セルのしきい値の前記少なくとも２つの境界値に対する関係から決定される多値不揮発性半導体記憶装置において、
データの書き込みで、前記多値記憶セルのしきい値が前記少なくとも２つの境界値を示す状態から、前記フローティングゲートに更に注入される電荷によるしきい値の増加量が、電荷の注入量の多い状態に対応するデータの時ほど多いことを特徴とする多値不揮発性半導体記憶装置。
【請求項２】
前記境界値は、各多値記憶セルが少なくとも４値を記憶するように少なくとも３つ以上であり、該少なくとも３つ以上の境界値の間隔は、電荷の注入量の多い状態に対応するデータを識別する境界値側が大きい請求項１に記載の多値不揮発性半導体記憶装置。
【請求項３】
前記多値記憶セルのしきい値が前記少なくとも２つの境界値を示す状態から前記フローティングゲートに更に電荷を注入する時には、同一条件で書き込みを行い、書き込むデータに応じて書き込み時間を異ならせる請求項１又は２に記載の多値不揮発性半導体記憶装置。
【請求項４】
前記フローティングゲートへの電荷の注入は、前記多値記憶セルに書き込みパルスを印加することにより行い、
前記多値記憶セルのしきい値が前記少なくとも２つの境界値を示す状態から前記フローティングゲートに更に電荷を注入する時には、パルス数は同じで、書き込むデータに応じてパルス幅を変える請求項１又は２に記載の多値不揮発性半導体記憶装置。
【請求項５】
前記フローティングゲートへの電荷の注入は、前記多値記憶セルに書き込みパルスを印加することにより行い、
前記多値記憶セルのしきい値が前記少なくとも２つの境界値を示す状態から前記フローティングゲートに更に電荷を注入する時には、同一パルスで、書き込むデータに応じてパルス数を変える請求項１又は２に記載の多値不揮発性半導体記憶装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、フラッシュメモリなどの不揮発性半導体記憶装置に関し、特に１個の記憶セルが多値データを記憶する多値不揮発性半導体記憶装置に関する。
背景技術
ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ及びフラッシュメモリなどのフローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置が広く使用されている。以下の説明では、フラッシュメモリを例として説明を行うが、本発明はこれに限定されず、フローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置であれば適用可能である。
従来、半導体記憶装置では、各記憶セルが“０”か“１”の２値を記憶するのが一般的であったが、近年、不揮発性半導体記憶装置では、各記憶セルが３値以上の多値、例えば“００”、“０１”、“１０”又は“１１”の４値を記憶するようにして、記憶セルの個数を増加させずに記憶容量を増加させることが行われている。本発明は、このような各記憶セルが多値を記憶する多値不揮発性半導体記憶装置に関する発明であり、どのような多値を記憶する場合にも適用可能であるが、以下の説明では４値を記憶する場合を例として説明を行う。なお、以下の説明では、多値不揮発性半導体記憶装置を単に多値メモリと呼ぶことにする。
多値メモリは、フローティングゲートを有しており、フローティングゲートに注入する電荷（電子）の量を変化させることにより、記憶セル（トランジスタ）がオン状態になるゲート電圧（コントロールゲートの電圧）が変化する。ここでは、このオン状態になるゲート電圧をしきい値と称する。多値メモリでは、しきい値に対して複数の境界値を定め、しきい値がこの複数の境界値で定められる複数の範囲のどの範囲の属するかで、データ値を割り当てる。例えば、しきい値が０Ｖから５Ｖまで変化するとして、４値を記憶する場合には、１つの境界値をまず半分の２．５Ｖにして範囲を２等分し、更に２等分された範囲の中間の値である１．２５Ｖと３．７５Ｖに境界値を設定し、範囲を４等分する。そして、例えば、トランジスタのしきい値が１．２５Ｖ以下ならデータ“００”を、１．２５Ｖ〜２．５Ｖなら“０１”を、２．５Ｖ〜３．７５Ｖなら“１０”を、３．７５Ｖ以上なら“１１”を割り当てる。このようにして、各記憶セルは４値（すなわち２ビット）を記憶する。このように、一般的に多値メモリでは、境界値を等間隔に設定しているが、これは書き込み動作のアルゴリズムが容易であるためである。
図１は、従来の多値メモリにおける境界値とマージンの設定を説明する図である。上記のように、境界値ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３を等間隔になるように設定し、境界値ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３に分けられる４つの範囲にそれぞれデータ値を割り当てる。
データを書き込む時には、一旦フローティングゲートから電荷を引抜き、しきい値がＶ０である状態にする消去動作を行う。Ｖ０は、もっとも低い境界値ＶＴ１より充分に小さな値であり、上記の例であれば０Ｖ程度である。消去後に書き込み動作を行うが、書き込みデータが“００”であれば、書き込み動作は行わない。すなわち、データ“００”のしきい値は消去状態のＶ０である。他のデータを書き込む場合には、フローティングゲートに電荷を少しずつ注入する書き込み動作を行った後しきい値を検出して書き込むデータの下限のしきい値を超えたかを確認する。この動作を下限のしきい値を超えるまで繰り返し、下限のしきい値を超えた時には更にしきい値をＡだけ増加させるように所定の条件でのフローティングゲートへの電荷の注入を行う。増加させるしきい値Ａは、素子のばらつきなどの考慮して、上限の境界値を超えることのないように決定される。なお、増加させるしきい値Ａは、境界値にかかわらず同じであった。
上記の書き込み動作において、１回の書き込み動作でフローティングゲートに注入する電荷の量が多いと、下限のしきい値を超えたことを検出した時に、下限のしきい値から最大限１回の書き込み動作によるしきい値の増加分だけ誤差を生じるので、１回の書き込み動作でフローティングゲートに注入する電荷の量が少ないほど誤差が小さい。しかし、１回の注入電荷量が少ないと繰り返し回数が増加して書き込み時間が長くなるという問題がある。そこで、最初の１回は確実に目標範囲の下限の境界値を超えないできるだけ大きな電荷量を注入し、その後小さな注入電荷量で上記動作を繰り返す方法などが行われている。
また、しきい値が下限の境界値を超えたか検出は、下限の境界値の電圧をゲートに印加し、トランジスタがオン状態になるかを判定することにより行う。
なお、しきい値が目標範囲の下限の境界値を超えた後所定の書き込みを行ってしきい値をＡだけ増加させるのではなく、しきい値が目標範囲の下限の境界値にＡを加えた値を超えたかを検出する場合もある。
記憶した多値データを読み出す場合には、まず境界値ＶＴ２をゲートに印加してトランジスタがオン状態になるかを判定する。オン状態であれば境界値ＶＴ１をゲートに印加してオン状態になるかを判定し、オン状態であれば“００”であると判定し、オフ状態であれば“０１”であると判定する。ＶＴ２を印加してオフ状態であれば、境界値ＶＴ３をゲートに印加してオン状態になるかを判定し、オン状態であれば“１０”であると判定し、オフ状態であれば“１１”であると判定する。なお、この場合境界値の電圧を２回ゲートに印加するので読み出し時間が長くなる。そこで、所定の電圧を印加した時の電流をしきい値として検出するようにし、３つの境界値と並列に比較する場合もある。本発明はいずれの場合も適用可能である。
フローティングゲートに注入された電荷は、徐々にではあるがリークする。リーク電流をｉ、フローティングゲート内の電荷量をＱ、フローティングゲートの容量をＣ、フローティングゲートの電圧をＶとすると、
ｉ＝−ｄＱ／ｄｔ＝−Ｃ×ｄＶ／ｄｔ
である。フローティングゲートの電圧Ｖは、しきい値電圧と比例関係にある。一方、リーク抵抗をＲとすると、ｉ＝Ｖ／Ｒであるから、上式にこれを代入すると、
Ｖ＝−ＣＲ×ｄＶ／ｄｔ
である。従って、初期しきい値をＶＳとすると、
Ｖ＝ＶＳｅｘｐ（−ｔ／ＣＲ）
である。従って、図２に示すように、しきい値は指数関数曲線を描いて減少していくことが分かる。
図１に示したように、従来の多値メモリでは、しきい値の境界値を等間隔にすると共に、書き込み時に下限の境界値から増加させるしきい値Ａも同一にしていた。この下限の境界値から増加させるしきい値Ａがリークに対する余裕（マージン）に相当する。しきい値は、リークのために時間の経過に従って減少していくが、その範囲の下限以下に減少した時、すなわちマージン以上減少した時には、異なる範囲であると誤判定されることになる。
図３は、マージンとリークの関係を説明する図である。図３に示すように、データ“０１”、“１０”、“１１”を書き込む場合には、しきい値が境界値ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３に対してマージンＡを加えた値になるように電荷が注入される。上記のように、時間の経過に従って指数関数曲線を描いて減少していくので、減少量は電荷の注入量の多いデータほど大きく、同じ量Ａだけ減少するまでの時間は、“１１”の場合の時間Ｔ３がもっとも短く、以下“１０”の場合の時間Ｔ２、“０１”の場合の時間Ｔ１の順で長くなる。“００”の場合は、下限の境界値がないので、誤判定は生じない。
多値メモリでは、書き込んだデータの保持期間が規定されており、加速試験などによりリーク抵抗の小さな素子を発見するようにしている。しかし、データ保持期間が１年以上のものは加速試験で発見するのは難しく、加速試験はクリアしたが実際に使用した場合にはデータの保持期間が不十分であったといった問題が発生している。
発明の開示
本発明は、上記の問題を改善するためになされ、データ保持期間を改善した多値メモリを実現することを目的とする。
図４は、本発明の原理を説明する図である。
図示のように、本発明の多値不揮発性半導体記憶装置は、上記目的を実現するため、データの書き込みで、各範囲のしきい値の下限であるＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３から更にフローティングゲートに注入される電荷の量（マージン）によるしきい値の増加量Ａ１、Ａ２、Ａ３を、電荷の注入量の多い状態に対応するデータの時ほど多くすることを特徴とする。
図３で説明したように、フローティングゲートの注入電荷量が多いほどリークが大きく、同じ経過時間であればリークによるしきい値の低下量は大きくなる。そのため、マージンが同じ場合には、しきい値がマージン以上に低下するまでの時間は、電荷注入量の多い状態に対応するデータの時ほど短かった。半導体記憶装置としてのデータ保持期間は、最悪のケースで規定されるので、たとえ他の電荷注入量の少ない状態に対応するデータの時のデータ保持期間は長くても、この電荷注入量の多い状態に対応するデータを記憶した場合の値で規定されることになる。
本発明によれば、図４に示すように、マージンＡ１、Ａ２、Ａ３を、注入量の多い状態に対応するデータの時ほど大きくなるように設定している。そのため、電荷注入量の多い状態に対応するデータを記憶した場合のデータ保持期間が長くなり、半導体記憶装置のデータ保持期間を長くできる。理想的には、しきい値がリークによりマージンＡ１、Ａ２、Ａ３だけ低下する時間が、しきい値の減衰曲線から同じ時間になるように設定すると、半導体記憶装置のデータ保持期間をもっとも長くできる。
前述のように、マージンは、素子のばらつきなどの考慮して、各範囲の上限を超えないように設定される。電荷注入量の多い状態に対応するデータを書き込む時のマージンを大きくするには、各データに対応する範囲も、電荷注入量の多い状態に対応するデータほど大きくすることが必要である。そのため、各多値記憶セルが少なくとも４値を記憶し、境界値が少なくとも３つ以上である場合には、境界値の間隔は、電荷の注入量の多い状態に対応するデータのしきい値範囲ほど大きくする。
マージンを異ならせるには、しきい値が範囲の下限を示す状態からフローティングゲートに更に電荷を注入する時に、同一条件で書き込みを行い、書き込むデータに応じて書き込み時間を異ならせるようにする。また、フローティングゲートへの電荷の注入を書き込みパルスを印加することにより行う時には、しきい値が範囲の下限を示す状態からフローティングゲートに更に電荷を注入する時に、パルス数は同じで、書き込むデータに応じてパルス幅を変えるか、同一パルスで、書き込むデータに応じてパルス数を変える。
発明を実施するための最良の形態
図５は、本発明の第１実施例のフラッシュメモリの全体構成を示す図である。
図５に示すように、実施例のフラッシュメモリは、従来の多値フラッシュメモリに類似の構成を有している。電源回路１１は内部で使用する各種の電圧を発生する回路である。ワード線電圧選択回路１２は動作に応じて電源回路１１で発生された電圧を選択して行デコード１４に供給する。アドレス入力回路１３は、外部から供給されるアドレス信号を受けて、行デコーダ１４と列デコーダ１５に供給する。データＩ／Ｏ１６は、データの入出力回路である。メモリセルアレイは、９０°異なる方向に配列した複数のワード線とビット線と、その交差部分に対応して配置したトランジスタを有し、各トランジスタが記憶セルに相当する。各トランジスタは、フローティングゲートを有し、ゲートが行デコーダ１４からのワード線に、ドレインが列選択スイッチ１８からのビット線に、ソースが共通ソース線に接続される。列選択スイッチ１８は、列デコーダ１５からの信号に従ってデータＩ／Ｏ１６に接続するビット線を選択するスイッチと、センスアンプ／ライトアンプとを有する。制御回路１９は、各部の制御信号を発生する部分である。
図６Ａから図６Ｃは、フラッシュメモリにおける消去、書き込み及び読み出し動作を説明する図である。図６Ａに示すように、消去動作では、ソース２３に高電圧ＶＰを印加し、ゲート２１を接地し、ドレイン２４を開放して、フローティングゲート２２から電子を引き抜き、データ「００」に対応するしきい値が小さい状態にする。図６Ｂに示すように、書き込み動作では、ゲート２１に高電圧ＶＰを印加し、ソース２３を接地し、ドレイン２４に電圧ＶＤを印加して、チャンネルからフローティングゲート２２へ電子を注入し、データに対応したしきい値にする。図６Ｃに示すように、読み出し動作では、ゲート２１に電圧ＶＧを印加し、ソース２３を接地し、ドレイン２４に電圧ＶＥを印加して、トランジスタがオン状態になるかを検出する。書き込み動作におけるフローティングゲート２２への電荷（電子）注入量に応じて、トランジスタがオン状態になるゲート電圧ＶＧが異なる。ゲート電圧ＶＧを変化させて、トランジスタがオン状態になるゲート電圧ＶＧ（しきい値）を検出し、その値がどの範囲に属するかを判定してデータ値を判定する。以上の構成は、従来の多値フラッシュメモリと同じであるので、ここではこれ以上の説明を省略する。
本発明では、データ“００”、“０１”、“１０”及び“１１”に対応するしきい値の範囲の境界値が、図４に示すように、等間隔でなく、データ“１１”と“１０”の境界値ＶＴ３とデータ“１０”と“０１”の境界値ＶＴ２との間隔は、境界値ＶＴ２とデータ“０１”と“００”の境界値ＶＴ１との間隔より広くなっており、更に、データを書き込む時に各データの範囲の下限の境界値に達した後更にしきい値を増加させるマージン量を、データ“０１”のマージン量Ａ１、データ“１０”のマージン量Ａ２、データ“１１”のマージン量Ａ３の順で大きくする点が、従来例とは異なる。従って、電源回路１１は、上記のような境界値ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３に対応する電圧を発生するように構成されている。
図７は、第１実施例における書き込み動作を示すフローチャートである。図７を参照して、第１実施例における書き込み動作を説明する。
書き込み動作を開始する前に、ステップ１０１で、消去動作を行う。これにより、すべての記憶セル（トランジスタ）は、データ“００”に対応した状態、すなわち、しきい値がＶＴ１より充分に小さい状態にされる。
ステップ１０２では、書き込むデータが“００”であるかが判定される。書き込むデータが“００”である場合には、書き込み動作を行う必要はないので、そのまま終了する。書き込むデータが“００”でない場合には、ステップ１０３で、図６Ｂに示すような書き込み動作を行う。この時、１回の書き込みでフローティングゲートに注入する電荷量は充分に小さくする。次に、ステップ１０４で、書き込みデータに対応したしきい値をゲートに印加して読み出しを行う。ステップ１０５で、読み出しの結果からトランジスタがオンであるかを判定し、オンでなければ目標のしきい値まで達していないので、ステップ１０３から１０５を繰り返す。ステップ１０５で、トランジスタがオンしたと判定された時には、しきい値が目標の境界値を若干超えたこと、すなわちしきい値がほぼ目標範囲の下限になったことを意味するので、ステップ１０６に進む。この場合の実際のしきい値と下限との差は、最大でステップ１０３での１回の書き込みで変化するしきい値の変化量であり、実際のしきい値と下限との差を小さくするには、ステップ１０３での１回の書き込み量（フローティングゲートへの注入電荷量）を小さくする必要がある。
ステップ１０６では、書き込みデータのマージンに対応した量だけしきい値が増加するように、書き込み動作を行う。具体的に、この実施例ではどのようにしマージンに対応した量だけしきい値が増加するように書き込み動作を行うかを、図８を参照して説明する。
一般に、書き込み時に各部に印加する電圧（図６Ｂでは、ＶＰとＶＤ）が同じであれば、書き込み状態の長さに応じてフローティングゲートに注入される電荷量が増加する。そこで、図８Ａに示すように、書き込みデータに応じて書き込み時間を長くする。
また、ゲートにパルス状に電圧ＶＰを印加して書き込みを行う場合がある。この場合、パルスの幅が一定であれば、パルス数に応じてフローティングゲートに注入される電荷量が増加する。そこで、図８Ｂに示すように、書き込みデータに応じて書き込みパルス数を設定する。更に、パルスの幅を長くすれば、それに応じてフローティングゲートに注入される電荷量が増加する。そこで、図８Ｃに示すように、パルス数は一定とし、書き込みデータに応じて書き込みパルスの幅を設定する。
以上のようにして、書き込みデータに応じたマージンを有するしきい値に設定することができる。
図７のフローチャートによる動作では、ステップ１０５でしきい値が目標範囲の下限を超えた時の実際のしきい値と下限との差は、最大でステップ１０３での１回の書き込みで変化するしきい値の変化量であり、実際のしきい値と下限との差を小さくするには、ステップ１０３での１回の書き込み量を小さくする必要がある。しかし、１回の書き込み動作でフローティングゲートに注入する電荷の量が小さいと、ステップ１０３から１０５を繰り返す回数が増加して書き込み時間が長くなるという問題がある。第２実施例では、この問題を解決して、高精度の書き込みを短時間に行えるようにする。
図９は、本発明の第２実施例の多値フラッシュメモリの書き込み動作を示したフローチャートである。第２実施例の多値フラッシュメモリの構成は第１実施例と同じである。第２実施例の書き込み動作は、第１実施例の動作と、ステップ２０３から２０５が異なる。ステップ２０３では、書き込みデータに応じて書き込み条件（第１の書き込み条件）を設定して書き込みを行う。例えば、各データに対して、書き込み動作で下限のしきい値を超えることはないが、しきい値が下限近くまで増加するような条件で、書き込みを行う。すなわち、データ“０１”に対してはしきい値がＶＴ１付近まで増加し、データ“１０”に対してはしきい値がＶＴ２付近まで増加し、データ“１１”に対してはしきい値がＶＴ３付近まで増加するように条件を設定し、書き込み動作を行う。この場合も、例えば、増加させるしきい値の量に応じて書き込み動作時間を長くするなどの条件を設定する。
ステップ２０４では、書き込みデータの下限を超えたかを判定し、超えていればステップ２０６に進む。上記のように、ステップ２０３における第１の書き込み条件は、しきい値が下限を超えることはないように設定されているので、ステップ２０３の後に直ちにステップ２０４を行う必要はないが、確認のために行う。
ステップ２０５では、１回の書き込み動作でしきい値の増加する量が充分に小さい第２の書き込み条件で書き込みを行い、その後のしきい値をステップ２０４で判定し、しきい値が下限を超えるまでステップ２０５と２０４を繰り返す。ステップ２０５の１回の書き込み動作で増加するしきい値の量は小さいので、ステップ２０４でしきい値が下限を超えたと判断された時の実際のしきい値と下限との差を小さくできる。また、ステップ２０５を行う前にステップ２０３でしきい値が下限近くまで増加しているので、繰り返し回数を少なくでき、書き込み時間は短い。
ステップ２０６は、第１実施例と同じである。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、各種の変形例が可能である。例えば、実施例では本発明を多値フラッシュメモリに適用した例を説明したが、本発明は、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどのフローティングゲートを有する不揮発性半導体記憶装置であれば適用可能である。
また、実施例ではしきい値が下限になるまで書き込みを行った後、書き込みデータに応じたマージンを書き込んだが、目標範囲の下限にマージンを加えた電圧を発生させ、この電圧をゲートに印加して下限にマージンを加えた電圧を超えたかを判定することも可能である。
産業上の利用可能性
本発明により、多値半導体メモリの信頼性が向上する。本発明は、加速試験では発見できなかった経過時間が非常に長い場合の保持データの変化という問題の発生を低減でき、これまで管理が難しかった長期間における信頼性を向上させるという大きな効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の多値不揮発性メモリのしきい値とマージンの関係を示す図である。
図２は、不揮発性メモリのフローティングゲートからの電荷のリークによるしきい値の低下を示す図である。
図３は、従来例のしきい値とマージンによるデータ保持期間を説明する図である。
図４は、本発明の原理を説明する図であり、本発明によるしきい値とマージンの場合のデータ保持期間を説明する図である。
図５は、本発明の第１実施例のフラッシュメモリの全体構成を示す図である。
図６Ａから図６Ｃは、フラッシュメモリにおける消去、書き込み及び読み出し動作を説明する図である。
図７は、第１実施例における書き込み動作を示すフローチャートである。
図８Ａから図８Ｃは、書き込み量を変える方法を説明する図である。
図９は、本発明の第２実施例における書き込み動作を示すフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【国際調査報告】
2002067267.tif 000016
2002067267.tif 000017