JP4033438B2 - Semiconductor memory device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体記憶装置、特に3層メタル配線技術を用いたフラッシュメモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的にフラッシュメモリの電気的に書込みまたは消去できる容量単位は、64KB(=512Kビット)となっているため、チップ内のメモリセルアレイはその単位で分離される。例えば、16Mbフラッシュメモリの場合、64KBのサブメモリセルアレイが32個配置され、メモリセルを選択するために各サブメモリセルアレイにワード線およびビット線を選択するデコーダ回路が設けられる。このデコード回路には、主に2種類の方式があるため以下順に説明する。
【0003】
図14は、2重ワード線デコード方式を用いたフラッシュメモリの概略図である。
【0004】
この2重ワード線デコード方式は、1つのワード線に接続されるメモリセルの数を減らすことでワード線容量を低減し、動作の高速化を図っている。
【0005】
図14では、サブワード線15が接続された複数のメモリセルからなるサブメモリセルアレイ1bが列方向に複数設けられ、各サブメモリセルアレイ1bに、ブロックデコーダ18および行サブデコーダ11が設けられている。また同列のメモリサブアレイ1bには、共通にメインワード線14および行メインデコーダ10が設けられている。これらの構成が、通常、行方向に複数繰り返される。
【0006】
そして2重ワード線デコード方式では、行メインデコーダ10により、例えば行アドレスA0−A6に基づき1つのメインワード線14が選択され、且つ、ブロックデコーダ18および行サブデコーダにより、残りの行アドレスA7−A9に基づいて1つのサブワード線15が選択される。すなわち、メインワード線14には複数のサブワード線15のいずれかが接続される。
【0007】
従って、メインワード線14には行方向の全メモリセル数に比べて少数のメモリセルが接続されるため、メモリ容量が大きくてもワード線遅延は少ない。
【0008】
また、この階層デコードに多層配線技術を使用することで、サブワード線15上にメインワード線14を積層でき、メモリセルをデコードするのに必要な回路面積が削減され、また各デコーダに入力されるアドレス信号線の引き回し距離も短縮される。
【0009】
図15は、2重ビット線デコード方式を用いたフラッシュメモリの概略図である。
【0010】
この2重ビット線デコード方式は、ビット線に対する階層デコードである。
【0011】
図15では、サブビット線17が接続された複数のメモリセルからなるサブメモリセルアレイ1bが行方向に複数設けられ、各サブメモリセルアレイ1bに、サブビット線セレクタ12aが設けられている。また同行のメモリサブアレイ1bには、共通にメインビット線16およびメインビット線セレクタ12bが設けられている。これらの構成は、通常、列方向に複数繰り返される。
【0012】
上述した2重ワード線と同様に、階層デコードを用いているため面積低減はもちろん、メインビット線16はセンスアンプに繋がれるためメモリセルからセンスアンプまでの配線容量が低減され、高速読出しが可能になる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
実際のフラッシュメモリでは、書込みまたは消去できる単位がすべて64KBではなく、ブートセルアレイと呼ばれる小規模な容量8KBのメモリサブアレイが併存する。これは64KB単位よりも小さな単位での書き換えが望まれる格納プログラムデータなどを記憶するためである。
【0014】
例えば、16Mビットフラッシュでは、メモリセルアレイは、64KBセルアレイが31個、8KBセルアレイが8個という変則的な構成になっている。これらの構成は、従来は図16に示すように配置され、2重ワード線デコード方式が採用されていた。
【0015】
上側には8KBセルアレイ1bが8個、各々のセルアレイのサブワード線15を選択するための行サブデコーダ11を間に挟むように配置され、左側にメインワード線14を選択する行メインデコーダ10が共通に配置されている。8KBセルアレイの上側に、ビット線を選択するための列セレクタおよび行サブデコーダ11を選択するブロックデコーダが配置されている。
【0016】
下側には64KBセルアレイ1bが2個、各々のセルアレイのサブワード線15を選択するための行サブデコーダ11を間に挟むように配置され、左側にメインワード線14を選択する行メインデコーダ10が共通に配置されている。64KBセルアレイの下側に、ビット線を選択するための列セレクタおよび行サブデコーダ11を選択するブロックデコーダが配置されている。
【0017】
I/Oデータ線に接続される列数は、64KBに比べ8KBセルアレイ1bは少ない。2種類のセルアレイを同じ選択信号で選択するために、複数の8KBセルアレイ1bに亘りサブデータ線を引き、64KBセルアレイの列数とあわせている。
【0018】
このように、8KBおよび64KBセルアレイ1bにおける行数は同数であるため、2重ワード線デコード方式を容易に導入することができる。
【0019】
しかしながら、動作を高速化するため、2重ワード線デコード方式に加え、さらに2重ビット線デコード方式を採用するには、従来の構造では列方向に関し、以下のような不整合性が問題となる。
【0020】
1)8KBセルアレイ用の列セレクタ(メインビット線セレクタ12b、サブビット線セレクタ12a)は、64KBセルアレイ用とピッチが異なる上、配置も変則的である。
【0021】
2)8KBセルアレイ用のデータを消去するための消去デコーダ回路および2重ビット線デコード方式に必要なブロックデコーダ回路の配置が、カラムピッチに合わない。
【0022】
このため、従来の2重ワード線デコード方式にくわえて2重ビット線デコード方式を採用すると、レイアウトが複雑になるのみならずサブデータ線等に起因するデッドスペースが生じ、またデータ線のひきまわしにより配線抵抗が増大し、動作の高速化が妨げられる。
【0023】
そこで本発明は、異なる容量のメモリサブアレイを有するフラッシュメモリにおいて、2重ワード線および2重ビット線デコード方式を同時に採用しながらも、チップ面積増大を抑止でき且つ高速動作を可能にするフラッシュメモリを提供することを目的とする。
【0024】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体記憶装置は、複数の不揮発性メモリセルを行列状に配置し、同一行にある所定数の不揮発性メモリセルをサブワード線に接続したサブメモリセルアレイを行方向に複数配列し、且つ、同一行の複数のサブワード線に対し行セレクタを介し共通にメインワード線を接続し、前記サブメモリセルアレイと比べて総数の少ない複数の不揮発性メモリセルを行列状に配置し、同一行にある所定数の不揮発性メモリセルをサブワード線に接続したブートセルアレイを行方向に複数配列し、且つ、同一行の複数のサブワード線に対し行セレクタを介し共通にメインワード線を接続した半導体記憶装置において、各々の前記サブメモリセルアレイの同一列にある所定数の不揮発性メモリセルをサブビット線に接続し、且つ、前記サブメモリセルアレイ内の複数のサブビット線に対し列セレクタを介し共通にメインビット線を接続し、各々の前記ブートセルアレイの同一列にある所定数の不揮発性メモリセルをサブビット線に接続し、且つ、前記サブメモリセルアレイ内の複数のサブビット線に対し列セレクタを介し共通にメインビット線を接続し、前記ブートセルアレイのメインビット線を前記サブメモリセルアレイのメインビット線に揃えて配置するとともに、前記サブメモリセルアレイおよび前記ブートセルアレイにおいて、各々のサブビット線の総数を同数とし、各々のサブワード線の長さを実質同じとし、前記メインビット線同士の間隔を実質同じとし、前記サブメモリセルアレイのメインビット線および前記ブートセルアレイのメインビット線を独立とし、互いに異なるセンスアンプに接続することにより別動作を可能とし、各々の前記サブメモリセルアレイおよび各々の前記ブートセルアレイは独立して消去可能な容量単位であり、前記サブメモリセルアレイの記憶容量と、複数の前記ブートセルアレイの総記憶容量とが等しく、前記サブメモリセルアレイの少なくとも1つは、他の前記サブメモリセルアレイと異なる方法によりアクセスされる特殊サブメモリセルアレイであることを特徴とする。
【0025】
この構成により、2重ワード線および2重ビット線デコード方式を同時に採用しながらも、チップ面積増大を抑止でき且つ高速動作の可能なフラッシュメモリを提供することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第一の実施例にかかる不揮発性半導体記憶装置の主要部を示すブロック図である。
【0027】
外部端子から入力されたアドレスは、アドレスバッファ3を介しデコードされる。そのデコード値に対応するメモリセルは、行メインデコーダ10,20、行サブデコーダ11,21および列セレクタ12,22により選択され、制御回路7の出力に従って読出/書込/消去などが行われる。そして読出されたデータは、センスアンプ5および出力バッファ6を介し出力される。各動作に必要な主な電位は、電圧制御回路9によって生成され、メモリセルや諸制御を行う回路に与えられる。
【0028】
例えば、消去時には電圧制御回路9で発生された電位VDDH(例えば10V)が選択メモリセルのソースに印加され、書込み時にはVDDHが選択メモリセルのワード線に印加される。また、読出しの際には、電圧制御回路9で発生された電位VDDR(例えば4.7V)が選択メモリセルのワード線に印加される。
【0029】
図2および図3は、それぞれ第一の実施例にかかるメモリセルアレイの概略構成図、詳細構成図である。
【0030】
書込みまたは消去単位は64KB単位と、8KB単位の2種類があるとする。以下大きい容量の方をレギュラーセルアレイ1a、小さい容量の方をブートセルアレイ2と呼ぶ。
【0031】
本実施例ではレギュラーセルアレイ1aを1024行×512列とし、ブートセルアレイ2を128行×512列とする。図2のように、上側には8つのレギュラーセルアレイ1a が、各々の間に2つの列サブデコーダ11を挟んで配置され、一番左側に列メインデコーダ10が配置されている。同様に、下側には8つのブートセルアレイ2が、各々の間に2つの列サブデコーダ11を挟んで配置され、一番左側に列メインデコーダ20が配置されている。またレギュラーセルアレイ1aとブートセルアレイ2間には、それぞれに対応するブロックデコーダ及び列セレクタ12,22が配置される。
【0032】
本実施例によれば、2種類のメモリセルアレイのカラムピッチが変わらないために、各々のメモリセルアレイに2重ビット線方式を採用してもレイアウト的な問題は生じない。さらに、メインビット線16を2種類のメモリセルアレイで共通化できるため、センスアンプまわりのレイアウト自由度が高くなる。
【0033】
また、2種類のメモリセルアレイおいては、I/Oデータ線に接続されるメモリセルの列数も同じであるから、従来必要だった複数のブートセルアレイ1cに亘るサブデータ線の引き回しも不要になる。従って、メインビット線16からセンスアンプへのデータ線をレイアウトするにあたり、チップ面積の増大を抑制することができる。
【0034】
尚、ブートセルアレイ2の行数はレギュラーセルアレイ1aの1/8のため、ブートセルアレイ2側の行デコード回路の数を、レギュラーセルアレイ1a側の行デコード回路の1/8に変更することで、2重ワード線方式も簡単に導入することができる。各レギュラーセルアレイ1aの行サブデコーダ11を選択する信号RB0-RB1023に対して、8個のブートセルアレイの行サブデコーダ21を選択する信号をRB0-RB127、RB128-RB255、・・・、RB896-RB1023と割りふることで、2種類のメモリセルアレイを同じ信号で選択できるからである。
【0035】
また、図3のようにサブワード線15の長さが、ブートセルアレイ2とレギュラーセルアレイ1aとで等しくなるため、行方向に関してはブートセルアレイ2を変則的な扱いをせずにすむため、周辺回路のレイアウトは従来よりも自由度が高くなる。例えば、センスアンプをブートセルアレイ2近傍に配置することも、或いはブートセルアレイ2から遠方に配置することも可能である。仮に、ブートセルアレイ2近傍に配置すれば、センスアンプを介しブートセルアレイ2からI/Oパッド間距離を短縮できるため、より高速にブートセルアレイ2へアクセスできる効果がある。
【0036】
図4および図5は、それぞれメモリセルアレイのビット線方向に沿った断面図、ワード線方向に沿った断面図である。
【0037】
P型半導体基板に2重ウエルが複数形成され、1つのウエルの中にメモリセル、また別のウエルには列セレクタ12,22、あるいは行セレクタ11,21が形成されている。図4のように、サブビット線17は第一層メタルM1、メインビット線16は第三層メタルM3で構成されている。図5のように、サブワード線15はpoly Siをシリサイド化したもの、例えばPoly Si/ WSiで構成され、メインワード線14は第二層メタルM2で構成されている。M1は例えばWシリサイドなどで構成される。M2, M3は例えばAl、Al合金、Cu合金等の金属層で構成され、通常は、上層に反射防止膜、あるいは下層にバリヤメタル、あるいはこの両方が形成されている。反射防止膜、バリヤメタルにはTi膜、Ti/TiN膜など単層または複層で構成される。尚、図5では素子分離のためフィールド酸化膜が使用されているが、トレンチアイソレーションでも良い。
【0038】
メモリセルはそれぞれ、浮遊ゲート51、複合絶縁膜、制御ゲート52が積層されたMOS構造を有している。これらのソース・ドレインは隣接するもの同士で共有される。この浮遊ゲート51に電子を注入する、或いは、浮遊ゲート51から電子を引抜くことにより、メモリセルのデータ値は変えられる。
【0039】
以下、読出しおよび書込み動作を説明する。
【0040】
図6はメモリセルの基本的な動作電圧条件を示した表である。
【0041】
消去時には、選択したメモリセルに対して、制御ゲート52は- 7.5V、ドレインはフローティング、ソース及び半導体基板は10Vにする。電子が、浮遊ゲートから半導体基板へファウラー・ノルドハイム電流で引抜かれるため、メモリセルの閾値は正(データは"0")となる。
【0042】
書込み時には、選択したメモリセルに対して、制御ゲートはVDDH(例えば10V)、ドレインはVDDP(例えば5V)、ソース及び半導体基板は0Vにする。電子は、半導体基板・ドレインから浮遊ゲート51へ、ホットエレクトロン効果で注入されるため、メモリセルの閾値は負(データは"1")となる。
【0043】
読出し時には、選択したメモリセルに対して、制御ゲート52はVDDR(例えば約4.7V)が制御ゲート52に、ドレインは0.8V、ソースは0Vにする。メモリセルの閾値が負(データは"1"とする)であればメモリセルはオン、閾値が正(データは"0"とする)であればメモリセルはオフする。このためビット線電位をセンスすることでデータ読出しが可能となる。
【0044】
尚、ソース・ドレイン・制御ゲートに動作に必要な電圧を供給するにあたり、実際は、電圧制御回路9で生成された電圧が、デコーダ電圧制御回路90により選択的にデコーダ回路へ供給される。
【0045】
図7はデコーダ電圧制御回路の概略ブロック図である。
【0046】
電圧制御回路9は昇圧電圧を作るためのチャージポンプ回路を複数有し、各々よりVDDH、VDDR、VBB、VDDPが作られる。そして各電圧は、デコーダ電圧制御回路90を用いて、列メインデコーダ10、列サブデコータ11、21、ブロックデコーダ18に選択的に供給される。
【0047】
通常、デコーダ電圧制御回路90はメモリセルアレイ1の行方向長さ以内で配置される。ブートセルアレイ2では行方向の長さが約1/8となっているため、本実施例では、図2のようにブートセルアレイ用のデコーダ電圧制御回路90を、レギュラーメモリセルアレイ1側に配置させる。
【0048】
以上、本実施例によれば、2重ワード線および2重ビット線デコード方式を同時に採用しながらも、周辺回路のレイアウトが容易になり、チップ面積増大を抑止できる。また高速動作も可能になる。
【0049】
以下、本発明にかかる第二の実施例を説明する。
【0050】
図8は本発明の第二の実施例にかかる不揮発性半導体記憶装置の主要部を示すブロック図である。
【0051】
パスワード等のユーザの機密情報を記憶させる特殊なメモリ領域(以下 Hidden ROM 1cと呼ぶ)を加えた点が、第一の実施例と異なる。
【0052】
このHidden ROM1cは、アドレスA0-Anにより、通常のメモリセルアレイ1と同様に選択される。つまり、通常はメモリセルアレイ1がアクセスされているが、制御回路7よりHidden ROM選択信号が発生されるとHidden ROMが選択されるようになっている。
【0053】
図9は第二の実施例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【0054】
Hidden ROM1cは、書込みまたは消去単位が64KBであるため、1024行×512列と、第一の実施例で説明したレギュラーセルアレイと同様の構成にとる。
【0055】
図9では、7つのレギュラーセルアレイ1aと1つのHidden ROM1cに対して、行メインデコーダ10が共有されている。上側に7つのレギュラーセルアレイ1aおよび1つのHidden ROM1cが配置され、下側に8つのブートセルアレイが配置され、上側と下側のアレイとにおいてメインビット線16が共有されている。すなわち、Hidden ROM 1cも、同列にあるブートセルアレイ2とにおいて、メインビット線16が共有されている。
【0056】
第一の実施例と同様に、第二の実施例では列方向を同一ピッチでレイアウト可能であるため、2重ビット線構造であっても複雑なレイアウトを行う必要がないため、センスアンプなど周辺回路のレイアウト自由度が高くなる。
【0057】
尚、16Mbフラッシュメモリの場合、ブートセルアレイ2を8KB×8個の構成にすると、レギュラーセルアレイ1aは64KB×31個となる。レギュラーセルアレイ1aが8個づつ行方向に配置されると、最後の行には7個の配置となりデッドスペースが生じる。そこに本実施例のようにHidden ROM1cが配置されれば、第一の実施例の効果に加えて、さらにデッドスペースを有効活用できるメリットがある。
【0058】
以下、本発明にかかる第三の実施例を説明する。
【0059】
図10は第三の実施例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【0060】
第二の実施例と同様に、上側に7つのレギュラーセルアレイ1aおよび1つのHidden ROM1cが配置され、下側に8つのブートセルアレイ2が配置されている。
【0061】
これまでの実施例と異なり、本実施例では上側と下側のアレイとにおいてメインビット線16は独立させてある。そして、それぞれに対応するメインビット線16は読出し系統を別にするため別々のセンスアンプに接続される。
【0062】
このためデュアル動作が可能になる。つまり、ブートセルアレイ2のメモリセルに書込みをしている時は、レギュラーセルアレイ1aに対し読出し動作が可能となる。反対にブートセルアレイ2のメモリセルを読出している時には、レギュラーセルアレイ1aに書込みをすることができる。
【0063】
他の実施例と同様に2重ワード線デコード方式を採用しているため、高速行アクセスが可能であることはいうまでもなく、ブートセルアレイ2のサブビット線17はレギュラーセルアレイ1aよりも短いため容量が軽く、高速な読出し動作が可能である。さらに本実施例は、デュアル動作が可能であるため高速CPUによる処理にも適している。
【0064】
図11は、デュアル動作の一例を示した図である。
【0065】
この例では、ブートセルアレイ2に対し読出しを行うと同時に、レギュラーセルアレイ1aに書込みを行っている。
【0066】
ブートセルアレイ2においては、デコーダ電圧制御回路90により行メインデコーダ20及びサブデコーダ21には4.7Vが供給され、センスアンプ内のバイアス回路によりビット線には0.8Vが供給される。
【0067】
レギュラーセルアレイ1aにおいては、デコーダ電圧制御回路90により行メインデコーダ10及びサブデコーダ11には5Vが供給され、書込み負荷(書込みTr)よりメインビット線16およびサブビット線17には10Vが供給される。
【0068】
このように別動作を同時に実行するためには、デコーダの電源を別々に制御する必要がある。この別々に電圧制御する単位が、通常はバンクとして扱われる。本発明による構成は、バンク数の多いメモリセルアレイ1に、適用可能であるから、ユーザがデュアル動作できるメモリ空間の自由度を大きくできるメリットがある。
【0069】
また、本実施例では両方のセルアレイに対して同じ動作、例えば読出しと読出しは不可能だが、I/Oバッファで双方のデータが衝突しないよう制御回路をさらに設ける、あるいはI/O系を別々にすれば可能である。例えばラッチ回路を設け、ブートセルアレイ2用のデータを優先させて動作する間、レギュラーセルアレイ1a用のデータをラッチ回路で保持し、ブートセルアレイ2に対し動作が終了するとレギュラーセルアレイ1aにアクセスすれば、同じ動作が可能になる。
【0070】
また、I/O系を独立させた場合には、パワーオンリセットを通常とは異ならせ、レギュラーセルアレイ2のみが読出し状態にリセットされ、ブートセルアレイ2は他のモードにリセットされるようにしても良い。
【0071】
尚、第一ないし第三の実施例では、レギュラーセルアレイ2は行方向には1ブロック分のみであったが、行方向にブロックをさらに追加することも可能である。図12は本発明の第三の実施例に関する応用例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【0072】
チップの長手方向にメインビット線16が配置されるように、レギュラーセルアレイ1a及びHidden ROM1cが配置されている。そしてチップ端側にブートセルアレイ2が配置されている。このブートセルアレイ2は、メインビット線16方向に複数区分配置されている。1つの区分は消去単位として扱われるため、1つの区分を構成するメモリセルアレイは2重ウエルによって半導体基板とは分離されている。本実施例によれば、ブートセルアレイ2の容量を増加させた場合でも、2重ワード線および2重ビット線を容易に適用することができる。
【0073】
また別のレイアウトも可能である。図13は本発明の第三の実施例に関する他の応用例にかかるメモリセルアレイの概略図である。本実施例は64Mビットで64KBのレギュラーセルアレイ1aが128−X個、64KBのHidden ROMがX個、8KBのブートセルアレイ2を8個束にしたものがX個ある。通常Xは1で、例えば図13に記載してあるうち、ブートセルアレイ2は左下側にのみ、ブートセルアレイ2用の電圧制御回路90もまた左下側にのみ配置される。これに対し、Xを2にした場合、図13のように周辺回路をはさんでブートセルアレイを左右対称に配置することもできる。
【0074】
尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。メモリセルアレイ1および周辺回路のレイアウトは、適宜変更可能である。
【0075】
また、不良メモリセルが接続されたサブビット線を冗長メモリセルアレイのサブビット線と置き換えられるよう、或いは、サブワード線同士を置き換えられるよう、冗長メモリセルアレイをレギュラーセルアレイ1a内にさらに設けても良い。言い換えれば、実際には使用されないダミーワード線、ダミービット線をレギュラーセルアレイ1a内に配置しても良い。さらにブートセルアレイ2においてもダミーワード線、ダミービット線を設けても良い。この場合、レギュラーセルアレイ1aおよびブートセルアレイ2における、各々のダミービット線を共通のメインビット線に接続しても良い。
【0076】
あるいは、冗長メモリセルアレイをレギュラーセルアレイ1aとは別に設けても良い。
【0077】
また、メモリセルは上述した2重ゲートに限定されない。例えば、複合絶縁膜を3層有しその上に制御ゲートを有する構造、あるいはワードゲートの両サイドに下層に複合絶縁膜のある制御ゲートを有する構造などにも適用可能である。
【0078】
尚、不揮発性半導体記憶装置の単体に限らず、1つのチップにメモリとASIC等を混載した製品あるいは、複数チップを積層したパッケージであっても、本発明を適用可能であるため、チップ面積増加の抑制、高速動作が可能になる効果が得られる。
【0079】
また、レギュラーセルアレイ1a,ブートセルアレイ2の容量は上記実施例に限定されず、どのような容量であっても、本発明を適用し2重ワード線、および2重ビット線構造を効率的にとることができる。
【0080】
その他、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形可能である。
【0081】
【発明の効果】
本発明は、上述のように構成されているので、2重ワード線および2重ビット線デコード方式を同時に採用しながらも、チップ面積増大を抑止した高速動作可能なフラッシュメモリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例にかかる不揮発性半導体記憶装置の主要部を示すブロック図である。
【図2】本発明の第一の実施例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【図3】本発明の第一の実施例にかかるメモリセルアレイの詳細構成図である。
【図4】メモリセルアレイのビット線方向に沿った断面図である。
【図5】メモリセルアレイのワード線方向に沿った断面図である。
【図6】メモリセルの基本的な動作電圧条件を示した表である。
【図7】デコーダ電圧制御回路の概略ブロック図である。
【図8】本発明の第二の実施例にかかる不揮発性半導体記憶装置の主要部を示すブロック図である。
【図9】本発明の第二の実施例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【図10】本発明の第三の実施例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【図11】本発明の第三の実施例における動作例を説明する概略図である。
【図12】本発明の第三の実施例に関する応用例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【図13】本発明第三の実施例に関する他の応用例にかかるメモリセルアレイの概略構成図である。
【図14】2重ワード線デコード方式を用いたフラッシュメモリの概略図である。
【図15】2重ビット線デコード方式を用いたフラッシュメモリの概略図である。
【図16】従来の、異なる容量のメモリサブアレイに2重ワード線デコード方式を用いたフラッシュメモリの概略図である。
【符号の説明】
1 メモリセルアレイ
1a レギュラーセルアレイ
1c Hidden ROM セルアレイ
2 ブートセルアレイ
3 アドレスバッファ
4 アドレスデコーダ
5 センスアンプ
6 入力バッファ/出力バッファ
7 制御回路
9 電圧制御回路
10,20 行メインデコーダ
11,11c,21 行サブデコーダ
12,12c,22 列セレクタ
14 メインワード線
15 サブワード線
16 メインビット線
17 サブビット線
51 浮遊ゲート
52 制御ゲート
90 電圧制御回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor memory device, and more particularly to a flash memory using a three-layer metal wiring technique.
[0002]
[Prior art]
In general, the capacity unit of the flash memory that can be electrically written or erased is 64 KB (= 512 Kbits), so that the memory cell array in the chip is separated in that unit. For example, in the case of a 16 Mb flash memory, 32 64 KB sub memory cell arrays are arranged, and a decoder circuit for selecting a word line and a bit line is provided in each sub memory cell array in order to select a memory cell. Since there are mainly two types of decoding circuits, they will be described in the following order.
[0003]
FIG. 14 is a schematic diagram of a flash memory using a double word line decoding method.
[0004]
In this double word line decoding system, the number of memory cells connected to one word line is reduced to reduce the word line capacity and to increase the operation speed.
[0005]
In FIG. 14, a plurality of sub
[0006]
In the double word line decoding system, one
[0007]
Therefore, since a smaller number of memory cells are connected to the
[0008]
In addition, by using a multilayer wiring technique for this hierarchical decoding, the
[0009]
FIG. 15 is a schematic diagram of a flash memory using a double bit line decoding system.
[0010]
This double bit line decoding method is hierarchical decoding for bit lines.
[0011]
In FIG. 15, a plurality of sub
[0012]
Similar to the double word line described above, the hierarchical decoding is used, so the area is reduced, and the
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In an actual flash memory, all the units that can be written or erased are not 64 KB, but a small memory sub-array of 8 KB called a boot cell array coexists. This is for storing stored program data and the like that are desired to be rewritten in units smaller than 64 KB.
[0014]
For example, in a 16 Mbit flash, the memory cell array has an irregular configuration with 31 64 KB cell arrays and 8 8 KB cell arrays. These structures are conventionally arranged as shown in FIG. 16, and a double word line decoding system has been adopted.
[0015]
On the upper side, eight
[0016]
On the lower side, two 64
[0017]
The number of columns connected to the I / O data line is smaller in the 8
[0018]
Thus, since the number of rows in the 8 KB and 64
[0019]
However, in order to increase the operation speed, in order to adopt the double bit line decoding method in addition to the double word line decoding method, the following inconsistency in the column direction becomes a problem in the conventional structure. .
[0020]
1) The column selectors (main
[0021]
2) The arrangement of the erase decoder circuit for erasing data for the 8 KB cell array and the block decoder circuit necessary for the double bit line decoding method does not match the column pitch.
[0022]
For this reason, when the double bit line decoding method is adopted in addition to the conventional double word line decoding method, not only the layout is complicated, but also a dead space caused by the sub data line and the like is generated, and the data line is constricted. As a result, the wiring resistance increases and the speeding up of the operation is hindered.
[0023]
Therefore, the present invention provides a flash memory having a memory sub-array having different capacities while simultaneously adopting a double word line and double bit line decoding system and capable of suppressing an increase in chip area and enabling a high speed operation. The purpose is to provide.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor memory device according to the present invention includes a plurality of nonvolatile memory cells arranged in a matrix and a predetermined number of nonvolatile memory cells in the same row The Sub word line A plurality of sub memory cell arrays connected to the In addition, a main word line is commonly connected to a plurality of sub word lines in the same row via a row selector. , Above Sub memory cell array The total number is smaller than plural Nonvolatile memory cells are arranged in a matrix, and a predetermined number of nonvolatile memory cells in the same row The Sub word line A plurality of boot cell arrays connected to the In a semiconductor memory device in which main word lines are commonly connected to a plurality of sub word lines in the same row via a row selector, Each Above Sub memory cell array A predetermined number of nonvolatile memory cells in the same column The Sub bit line In connection, And in the sub memory cell array A main bit line is commonly connected to a plurality of sub bit lines via a column selector, Each Above Boot cell array A certain number of non-volatiles in the same column sex Memory cell The Sub bit line In connection, And in the sub memory cell array A main bit line is commonly connected to a plurality of sub bit lines via a column selector, Main bit line of boot cell array The above Sub memory cell array Main bit line To align And placing Sub memory cell array and In the boot cell array, Each sub bit line Total number of Are the same number, The length of each sub word line is made substantially the same, the interval between the main bit lines is made substantially the same, the main bit line of the sub memory cell array and the main bit line of the boot cell array are made independent and connected to different sense amplifiers Each of the sub memory cell arrays and each of the boot cell arrays is an independently erasable capacity unit, and the storage capacity of the sub memory cell array and the total storage of the plurality of boot cell arrays A special sub memory cell array having the same capacity and at least one of the sub memory cell arrays is accessed in a different manner from the other sub memory cell arrays. It is characterized by that.
[0025]
With this configuration, it is possible to provide a flash memory that can suppress the increase in chip area and can operate at high speed while simultaneously adopting the double word line and double bit line decoding methods.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing the main part of the nonvolatile semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.
[0027]
The address input from the external terminal is decoded through the
[0028]
For example, the potential VDDH (for example, 10V) generated by the
[0029]
2 and 3 are a schematic configuration diagram and a detailed configuration diagram of the memory cell array according to the first embodiment, respectively.
[0030]
It is assumed that there are two types of writing or erasing units, 64 KB unit and 8 KB unit. Hereinafter, the larger capacity is referred to as a
[0031]
In this embodiment, the
[0032]
According to this embodiment, since the column pitches of the two types of memory cell arrays do not change, there is no layout problem even if the double bit line system is adopted for each memory cell array. Furthermore, since the
[0033]
In the two types of memory cell arrays, the number of columns of memory cells connected to the I / O data lines is the same, so that it is not necessary to route the sub-data lines across a plurality of
[0034]
Since the number of rows of the
[0035]
Further, as shown in FIG. 3, since the length of the
[0036]
4 and 5 are a cross-sectional view of the memory cell array along the bit line direction and a cross-sectional view along the word line direction, respectively.
[0037]
A plurality of double wells are formed on a P-type semiconductor substrate, memory cells are formed in one well, and
[0038]
Each memory cell has a MOS structure in which a floating gate 51, a composite insulating film, and a control gate 52 are stacked. These sources and drains are shared by adjacent ones. By injecting electrons into the floating gate 51 or withdrawing electrons from the floating gate 51, the data value of the memory cell can be changed.
[0039]
Hereinafter, read and write operations will be described.
[0040]
FIG. 6 is a table showing basic operating voltage conditions of the memory cell.
[0041]
At the time of erasing, the control gate 52 is set to -7.5V, the drain is floated, and the source and the semiconductor substrate are set to 10V with respect to the selected memory cell. Since electrons are extracted from the floating gate to the semiconductor substrate by the Fowler-Nordheim current, the threshold value of the memory cell is positive (data is “0”).
[0042]
At the time of writing, the control gate is set to VDDH (for example, 10 V), the drain is set to VDDP (for example, 5 V), and the source and semiconductor substrate are set to 0 V for the selected memory cell. Since electrons are injected from the semiconductor substrate / drain into the floating gate 51 by the hot electron effect, the threshold value of the memory cell becomes negative (data is “1”).
[0043]
At the time of reading, VDDR (for example, about 4.7V) is set to the control gate 52, the drain is set to 0.8V, and the source is set to 0V for the selected memory cell. If the threshold value of the memory cell is negative (data is “1”), the memory cell is on, and if the threshold value is positive (data is “0”), the memory cell is off. Therefore, data can be read by sensing the bit line potential.
[0044]
Incidentally, when supplying the voltage necessary for the operation to the source / drain / control gate, the voltage generated by the
[0045]
FIG. 7 is a schematic block diagram of the decoder voltage control circuit.
[0046]
The
[0047]
Usually, the decoder
[0048]
As described above, according to the present embodiment, the layout of the peripheral circuit becomes easy and the increase of the chip area can be suppressed while simultaneously adopting the double word line and double bit line decoding methods. High-speed operation is also possible.
[0049]
The second embodiment according to the present invention will be described below.
[0050]
FIG. 8 is a block diagram showing the main part of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention.
[0051]
The difference from the first embodiment is that a special memory area (hereinafter referred to as
[0052]
The
[0053]
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to the second embodiment.
[0054]
Since the
[0055]
In FIG. 9, the row
[0056]
As in the first embodiment, in the second embodiment, since the column direction can be laid out at the same pitch, it is not necessary to perform a complicated layout even in a double bit line structure. The degree of freedom in circuit layout increases.
[0057]
In the case of a 16 Mb flash memory, if the
[0058]
The third embodiment according to the present invention will be described below.
[0059]
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to the third embodiment.
[0060]
As in the second embodiment, seven
[0061]
Unlike the previous embodiments, in this embodiment, the
[0062]
This allows dual operation. That is, when writing into the memory cell of the
[0063]
Since the double word line decoding system is adopted as in the other embodiments, it is needless to say that high-speed row access is possible. Since the
[0064]
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of dual operation.
[0065]
In this example, the
[0066]
In the
[0067]
In the
[0068]
Thus, in order to execute different operations simultaneously, it is necessary to control the power supply of the decoder separately. This unit for voltage control is usually treated as a bank. Since the configuration according to the present invention is applicable to the
[0069]
In this embodiment, the same operation for both cell arrays, for example, reading and reading is impossible, but a control circuit is further provided so that both data do not collide with each other in the I / O buffer, or the I / O system is separately set. This is possible. For example, if a latch circuit is provided and the data for the
[0070]
Further, when the I / O system is made independent, the power-on reset is made different from the normal one so that only the
[0071]
In the first to third embodiments, the
[0072]
Regular cell array so that
[0073]
Other layouts are possible. FIG. 13 is a schematic diagram of a memory cell array according to another application example of the third embodiment of the present invention. In this embodiment, there are 128-X 64 Mbit 64 KB
[0074]
In addition, this invention is not limited to the said Example. The layout of the
[0075]
Further, a redundant memory cell array may be further provided in the
[0076]
Alternatively, a redundant memory cell array may be provided separately from the
[0077]
Further, the memory cell is not limited to the above-described double gate. For example, the present invention can be applied to a structure having three layers of composite insulating films and a control gate thereon, or a structure having control gates having a composite insulating film on both sides of a word gate.
[0078]
Note that the present invention can be applied not only to a single nonvolatile semiconductor memory device but also to a product in which a memory and an ASIC are mixedly mounted on a single chip, or a package in which a plurality of chips are stacked. And the effect of enabling high-speed operation.
[0079]
Further, the capacity of the
[0080]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
[0081]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, it is possible to provide a flash memory capable of operating at high speed while suppressing the increase in chip area while simultaneously adopting the double word line and double bit line decoding methods. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a main part of a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a detailed configuration diagram of a memory cell array according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the bit line direction of the memory cell array.
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the word line direction of the memory cell array.
FIG. 6 is a table showing basic operating voltage conditions of a memory cell.
FIG. 7 is a schematic block diagram of a decoder voltage control circuit.
FIG. 8 is a block diagram showing a main part of a nonvolatile semiconductor memory device according to a second example of the present invention.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining an operation example in the third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to an application example of the third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic configuration diagram of a memory cell array according to another application example of the third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic diagram of a flash memory using a double word line decoding method.
FIG. 15 is a schematic diagram of a flash memory using a double bit line decoding method.
FIG. 16 is a schematic diagram of a conventional flash memory using a double word line decoding scheme for memory sub-arrays of different capacities.
[Explanation of symbols]
1 Memory cell array
1a Regular cell array
1c Hidden ROM cell array
2 Boot cell array
3 Address buffer
4 Address decoder
5 sense amplifiers
6 Input buffer / Output buffer
7 Control circuit
9 Voltage control circuit
10,20 line main decoder
11,11c, 21 row subdecoder
12,12c, 22 column selector
14 Main word line
15 Sub word line
16 Main bit line
17 Sub-bit line
51 floating gate
52 Control gate
90 Voltage control circuit
Claims (5)
前記サブメモリセルアレイと比べて総数の少ない複数の不揮発性メモリセルを行列状に配置し、同一行にある所定数の不揮発性メモリセルをサブワード線に接続したブートセルアレイを行方向に複数配列し、且つ、同一行の複数のサブワード線に対し行セレクタを介し共通にメインワード線を接続した半導体記憶装置において、
各々の前記サブメモリセルアレイの同一列にある所定数の不揮発性メモリセルをサブビット線に接続し、且つ、前記サブメモリセルアレイ内の複数のサブビット線に対し列セレクタを介し共通にメインビット線を接続し、
各々の前記ブートセルアレイの同一列にある所定数の不揮発性メモリセルをサブビット線に接続し、且つ、前記サブメモリセルアレイ内の複数のサブビット線に対し列セレクタを介し共通にメインビット線を接続し、
前記ブートセルアレイのメインビット線を前記サブメモリセルアレイのメインビット線に揃えて配置するとともに、前記サブメモリセルアレイおよび前記ブートセルアレイにおいて、各々のサブビット線の総数を同数とし、各々のサブワード線の長さを実質同じとし、前記メインビット線同士の間隔を実質同じとし、
前記サブメモリセルアレイのメインビット線および前記ブートセルアレイのメインビット線を独立とし、互いに異なるセンスアンプに接続することにより別動作を可能とし、
各々の前記サブメモリセルアレイおよび各々の前記ブートセルアレイは独立して消去可能な容量単位であり、前記サブメモリセルアレイの記憶容量と、複数の前記ブートセルアレイの総記憶容量とが等しく、前記サブメモリセルアレイの少なくとも1つは、他の前記サブメモリセルアレイと異なる方法によりアクセスされる特殊サブメモリセルアレイであることを特徴とする半導体記憶装置。Arranging a plurality of nonvolatile memory cells in a matrix, the sub-memory cell array connected a predetermined number of non-volatile memory cells in the same row in the sub-word lines and arrayed in a row direction, and a plurality of sub-word lines of the same row Connect the main word line in common via the row selector ,
Wherein as compared with the sub-memory cell array by arranging a plurality of nonvolatile memory cells less the total number in a matrix, arranges a plurality boot cell array in the row direction connecting a predetermined number of the nonvolatile memory cell to the sub-word line in the same row, In a semiconductor memory device in which main word lines are commonly connected to a plurality of sub word lines in the same row via a row selector,
A predetermined number of nonvolatile memory cells in the same column of each sub memory cell array are connected to sub bit lines, and a main bit line is commonly connected to a plurality of sub bit lines in the sub memory cell array via a column selector. And
A predetermined number of non-volatile memory cells in the same column of the boot cell array each connected to the sub-bit line, and connects the main bit line in common through a column selector to a plurality of sub-bit lines of the sub-memory cell array ,
While Aligns main bit line of the boot cell array to the main bit line of the sub-memory cell array, the length of the in sub-memory cell array and the boot cell array, and the same number of total number of each sub-bit line, each word line Substantially the same, and the interval between the main bit lines is substantially the same,
The main bit line of the sub-memory cell array and the main bit line of the boot cell array are independent, and can be operated separately by connecting to different sense amplifiers,
Each of the sub memory cell arrays and each of the boot cell arrays is an independently erasable capacity unit, and the storage capacity of the sub memory cell array is equal to the total storage capacity of the plurality of boot cell arrays. At least one of which is a special sub-memory cell array accessed by a method different from that of the other sub-memory cell arrays .
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