DE112004002852T5 - Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher, Halbleitervorrichtung und Ladungspumpenschaltung - Google Patents

Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher, Halbleitervorrichtung und Ladungspumpenschaltung Download PDF

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Abstract

Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher mit:
– einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt,
– einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist, und
– einem Booster, welcher den bestimmten Schaltungspunkt unter Verwendung der ersten Spannung zum zweiten Zeitpunkt boostet.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Sachgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher und eine Halbleitervorrichtung, und insbesondere eine Schaltungstechnik zum Boosten der Versorgungsspannung.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Bei einem Flash-Speicher, bei dem es sich um eine Art von nichtflüchtigem Halbleiterspeicher handelt, wird eine Versorgungsspannung geboostet, um intern Spannungen zum Programmieren und Löschen zu erzeugen. Beispielsweise bei der Programmverifizierung wird eine Versorgungsspannung (beispielsweise 3V) geboostet, um eine hohe Spannung (beispielsweise 6V) zu erzeugen, die an das Gatter einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle (Wortleitung) und das Gatter eines Gattertransistors zum Auswählen der nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle angelegt wird. Bei dem Programmieren im Anschluss an die Programmverifizierung wird die Versorgungsspannung geboostet, um eine höhere Spannung (beispielsweise 9V) zu erzeugen, welche an die Gatter der Speicherzelle und des Gattertransistors angelegt wird. Die Programmverifizierung ist ein Lesevorgang, der verifiziert, ob die Speicherzelle eine bestimmte Schwellenspannung hat. Gelingt das Verifizieren nicht (die Speicherzelle hat nicht die bestimmte Schwellenspannung), wird die Zelle weiter programmiert, um die Schwellenspannung zu erhöhen. Auf diese Weise werden die Programmverifizierung das Programmieren wiederholt abwechselnd durchgeführt, bis die Speicherzelle die bestimmte Schwellenspannung aufweist.
  • Eine Ladungspumpenschaltung implementiert das Boosten. Das genannte Beispiel verwendet eine Ladungspumpenschaltung, die eine Spannung von 6V aus der Versorgungsspannung erzeugt, und eine andere Ladungspumpenschaltung, welche eine Spannung von 9V aus der Versorgungsspannung erzeugt. Wenn die Ladungspumpenschaltung langsam arbeitet (geringe Ansteuerbarkeit), wird viel Zeit bis zum Abschluss des Programmierens und Löschens benötigt. Die Boost-Geschwindigkeit kann verbessert werden, indem die Größe eines Kondensators gesteigert wird, wobei dies jedoch eine große Schaltungsfläche erfordert und viel Energie verbraucht wird. Im allgemeinen wird die größte Wichtigkeit der Schaltungsfläche zugeschrieben, und die Boost-Geschwindigkeit wird in einem gewissen Maß geopfert.
  • Überblick über die Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher, eine Halbleitervorrichtung, eine Ladungspumpenschaltung und ein Verfahren zum Regeln des Potentials eines Schaltungspunkts zu schaffen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen nichtflüchtigen Halbleiterspeicher mit: einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist, und einem Booster, welcher den bestimmten Schaltungspunkt unter Verwendung der ersten Spannung zum zweiten Zeitpunkt boostet.
  • Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher kann derart ausgebildet sein, dass der Zeitraum zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt für die Programmverifizierung und ein anderer Zeitraum, der zum zweiten Zeitpunkt beginnt, für das Programmieren vorgesehen ist.
  • Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher kann derart ausgebildet sein, dass der Booster aufweist: einen Kondensator; eine erste Schaltung, die das Anlegen der ersten Spannung an den bestimmten Schaltungspunkt während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt ermöglicht; und eine zweite Schaltung, welche eine auf der ersten Spannung basierende Spannung nur während eines vorbestimmten Zeitraums beginnend von dem zweiten Zeitpunkt an den bestimmten Schaltungspunkt anlegt.
  • Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher kann derart ausgebildet sein, dass der Kondensator auch zum Erzeugen einer Lesespannung verwendet wird, die an das Gatter des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers zum Zeitpunkt des Lesens von Daten angelegt ist.
  • Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher kann derart ausgebildet sein, dass die zweite Pumpe mehrere Boost-Stufen aufweist, und Schaltungspunkte zwischen benachbarten Boost-Stufen der mehreren Boost-Stufen während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt durch die ersten Spannung vorgeladen sind.
  • Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher kann derart ausgebildet sein, dass die zweite Pumpenschaltung Transistoren aufweist, welche die erste Spannung in Reaktion auf ein Signal, welches den Zeitraum von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, an die Schaltungspunkte anlegen.
  • Der nichtflüchtige Halbleiterspeicher kann derart ausgebildet sein, dass die erste Spannung an eine Bitleitung angelegt ist, mit welcher der nichtflüchtige Halbleiterspeicher zum Zeitpunkt des Programmierens verbunden ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladungspumpenschaltung mit: einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, und einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei die zweite Pumpe mehrere Boost-Stufen aufweist, und wobei Schaltungspunkte zwischen benachbarten Boost-Stufen der mehreren Boost-Stufen während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt durch die ersten Spannung vorgeladen sind.
  • Die Ladungspumpenschaltung kann derart ausgebildet sein, dass die zweite Pumpenschaltung Transistoren aufweist, welche die erste Spannung in Reaktion auf ein Signal, welches den Zeitraum von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, an die Schaltungspunkte anlegen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit: einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle; einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, und einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit der nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist, wobei die zweite Pumpe mehrere Boost-Stufen aufweist, und wobei Schaltungspunkte zwischen benachbarten Boost-Stufen der mehreren Boost-Stufen während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt durch die ersten Spannung vorgeladen sind.
  • Die Halbleitervorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die zweite Pumpenschaltung einen Transistor aufweist, welcher die erste Spannung in Reaktion auf ein Signal, welches den Zeitraum von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, an den bestimmten Schaltungspunkt anlegt.
  • Die Halbleitervorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die erste Spannung an eine Bitleitung angelegt ist, mit welcher der nichtflüchtige Halbleiterspeicher zum Zeitpunkt des Programmierens verbunden ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Beginnen des Betriebs einer ersten Pumpe zu einem ersten Zeitpunkt, um eine erste Spannung zu erzeugen; Beginnen des Betriebs einer zweiten Pumpe zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden zweiten Zeitpunkt, um einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung zu treiben, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist; und Boosten des bestimmten Schaltungspunkts zum zweiten Zeitpunkt unter Verwendung der ersten Spannung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit den folgenden Schritten: Beginnen des Betriebs einer ersten Pumpe zu einem ersten Zeitpunkt, um eine erste Spannung zu erzeugen; Beginnen des Betriebs einer zweiten Pumpe zu einem auf den ersten Zeitpunkt folgenden zweiten Zeitpunkt, um einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung zu treiben, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist; und Vorladen von Schaltungspunkten zwischen benachbarten Boost-Stufen mehrerer Boost-Stufen der zweiten Pumpe mit der ersten Spannung während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt.
  • Wenn der bestimmte Zeitpunkt durch die zweite Pumpe auf die zweite Spannung geboostet ist, wird der bestimmte Schaltungspunkt erfindungsgemäß unter Verwendung der ersten Pumpe geboostet, so dass ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb erreicht werden kann. Darüber hinaus wird der Hochgeschwindigkeitsbetrieb ferner durch Vorladen der Schaltungspunkte innerhalb der zweiten Pumpe durch Verwenden der Ausgangsspannung der ersten Pumpe verbessert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben, welche zeigen:
  • 1 ist ein Diagramm einer herkömmlichen Struktur einer Boostschaltung, die in einem Flash-Speicher, einer Art von nichtflüchtigem Halbleiterspeicher, verwendet wird;
  • 2 ist ein Diagramm eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3 ist ein Diagramm zur Darstellung von an den Booster von 2 angelegten Steuersignalen;
  • 4 zeigt ein Zeitdiagramm des Boosters von 3 zum Zeitpunkt des Verifizierens und des Programmierens;
  • 5 zeigt ein Zeitdiagramm einer Operation des Boosters von 3 zum Zeitpunkt des Lesens;
  • 6 ist ein Schaltbild einer Konfiguration des Boosters von 3;
  • 7 ist ein Schaltbild einer Konfiguration des Pegelumsetzers von 6;
  • 8 ist ein Schaltbild einer Konfiguration der ersten Pumpe von 3;
  • 9 ist ein Diagramm einer Konfiguration einer Boosterschaltung, die in einem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
  • 10 ist ein Zeitdiagramm der Konfiguration gemäß 9;
  • 11 ist ein Schaltbild einer Konfiguration der zweiten Pumpe von 9;
  • 12 ist ein Blockschaltbild des Gesamtaufbaus des erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Halbleiterspeichers.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Zunächst wird anhand der 1 eine herkömmliche Boostschaltung beschrieben, wie sie in einem Flash-Speicher verwendet wird, bei dem es sich um eine Art von nichtflüchtigem Halbleiterspeicher handelt.
  • 1 zeigt eine Speicherzelle 50 und einen Gatter-Transistor 40 zum Auswählen einer Bitleitung, mit welcher die Speicherzelle 50 verbunden ist. Als Boostschaltungen sind eine erste Pumpe 10, eine zweite Pumpe 20 und ein Read-Exclusive-Booster 30 vorgesehen. Zum Zeitpunkt des Verifizierens beim Programmieren und Löschen wird eine Programmverifizierungsspannung VPROGFV (beispielsweise 1V) an die Bitleitung angelegt, und die erste Pumpe 10 hält die Gatterspannungen des Gattertransistors 40 und der Speicherzelle 50 auf einer Spannung VPROG (beispielsweise 6V). Bei dem Programmieren (tprog), das auf den Verifizierungsvorgang folgt, wird die von der ersten Pumpe 10 erzeugte Spannung VPROG an die Bitleitung angelegt, und die zweite Pumpe 20 hält die Gatter des Gattertransistors 40 und der Speicherzelle 50 bei VPPI (beispielsweise 9V). Die erste Pumpe 10 boostet eine Versorgungsspannung VCC (beispielsweise 3V) auf die Spannung VPROG, und die zweite Pumpe 20 boostet die Versorgungsspannung VCC auf die Spannung VPPI. Der Read-Exclusive Booster 30 legt eine Lesespannung VRD (beispielsweise 4V) an das Gatter der Speicherzelle 50 an, wenn Daten aus der Speicherzelle 50 gelesen werden. Der Read-Exclusive Booster 30 weist Kondensatoren auf, die zum Zeitpunkt des Lesens geboostet werden.
  • Die zweite Pumpe 20 hat den Nachteil, dass es lange Zeit benötigt, die Versorgungsspannung VCC von 3V auf 9V (-VPPI) zu boosten. Daher erreichen die Gatterspannungen des Gattertransistors 40 und der Speicherzelle 50 für eine gewisse Zeit nach Abschluss des Verifizierens nicht 9V. so dass die Speicherzelle 50 nicht schnell programmiert werden kann. Die vorliegende Erfindung kann das genannte Problem lösen. Zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beschrieben.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • 2 ist ein Diagramm eines nichtflüchtigen Halbleiterspeichers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die gleichen Bezugszeichen wie in 1 die gleichen Elemente bezeichnen. Eine in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendete Boostschaltung weist eine Schaltungskonfiguration auf, die durch Hinzufügen eines Boosters 60 zu der in 1 dargestellten Schaltung gebildet ist. Das heißt, das erste Ausführungsbeispiel ist ein Flash-Speicher, der versehen ist mit: der ersten Pumpe, welche den Betrieb zu einem ersten Zeitpunkt beginnt und die erste Spannung VPROG erzeugt, der zweiten Pumpe, die den Betrieb zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt beginnt und die zweite Spannung VPPI an einen Schaltungspunkt N1 anlegt, welcher mit dem Gatter der Speicherzelle 50 und dem Gatter des Gattertransistors 40 verbunden ist, und dem Booster 60, der den Schaltungspunkt N1 unter Verwendung der ersten Spannung VPROG zu dem ersten Zeitpunkt boostet.
  • Bei der Programmverifizierung, die zu dem ersten Zeitpunkt beginnt, wird eine Programmverifizierungsspannung VPRAGV (beispielsweise 1V) an die Bitleitung angelegt, und die erste Pumpe 10 hält die Gatter des Gattertransistors 40 und der Speicherzelle 50 durch den Booster 60 auf der ersten Spannung, d.h. der Spannung VPROG (beispielsweise 6V). Das heißt, dass das Potential des Schaltungspunkts N1 zum Zeitpunkt des Verifizierens auf VPROG (=6V) gehalten wird. Anschließend boostet der Booster 60 zum Zeitpunkt des Programmierens, das zum zweiten Zeitpunkt startet, den Schaltungspunkt N1 unter Verwendung der Spannung VPROG. Die zweite Pumpe 20, die das Boosten zum zweiten Zeitpunkt beginnt, beginnt den Boostvorgang von der Versorgungsspannung VCC aus. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schaltungspunkt N1 bereits auf die Spannung VPROG geboostet. Somit beginnt das Anheben des Potentials des Schaltungspunkts N1 von VPROG aus, die durch das Wirken der zweiten Pumpe 20 höher als die Versorgungsspannung VCC ist, und es erreicht die Spannung VPPI (beispielsweise 9V) schnell. Nachdem das Potential des Schaltungspunkts N1 VPPI erreicht hat, hält nur die zweite Pumpe 20 das Potential des Schaltungspunkts N1 auf VPPI.
  • Auf diese Weise können die Gatter der Speicherzelle 50 und des Gattertransistors 40 schnell mit der geboosteten Spannung VPPI versorgt werden, ohne die Schaltungsmaße der zweiten Pumpe 20 zu vergrößern. Der Flash-Speicher kann somit ohne jede Vergrößerung der Schaltungsabmessungen mit einer höheren Geschwindigkeit arbeiten.
  • Die in dem Booster 60 zum Boosten vorgesehenen (in 3 nicht dargestellten) Kondensatoren können getrennt von denjenigen des Read-Exclusive Boosters 30 angeordnet sein, wie in 3 dargestellt, oder sie können gemeinsam genutzt werden, wie im folgenden beschrieben.
  • 3 zeigt Steuersignale, welche dem Booster 60 zugeführt werden. Der in 3 dargestellte Booster 60 weist den Read-Exclusive Booster 20 von 2 auf, der in diesen eingebaut ist. Das heißt, der für das Boosten vorgesehene Kondensator wird gemeinsam genutzt. Ein Steuersignal READ gibt einen Lesezeitraum an, in dem Daten aus der Speicherzelle gelesen werden. Ein Steuersignal BOOST gibt einen Zeitraum für das Boosten der Wortleitung während des Lesens an. Das Steuersignal VPROG2Y ist während des Zeitraums der Programmverifizierung EIN (hoher Pegel). Das Steuersignal PGMR ist während eines bestimmten Zeitraums zu Beginn des Programmierens EIN (hoher Pegel). Das Steuersignal VPBST_EN gibt einen Zeitraum an, in dem der Schaltungspunkt N1 durch den Booster 60 geboostet wird. Das Signal EN1 dient dem Versetzen der ersten Pumpe 10 in den aktiven Zustand. Das Steuersignal EN2 versetzt die zweite Pumpe 20 in den aktiven Zustand. Diese Steuersignale werden von einer noch zu beschreibenden Steuerschaltung 120 geliefert, welche in 12 dargestellt ist.
  • 4 zeigt Veränderungen der genannten Steuersignale zum Zeitpunkt des Verifizierens und Programmierens, und 5 zeigt Veränderungen der Steuersignale zum Zeitpunkt des Lesens. Zunächst wird 4 beschrieben. Wie in
  • 4 ersichtlich, ist der Verifizierungszeitraum als PGMV bezeichnet (beispielsweise 1 μs) und der Programmierzeitraum ist mit PGM bezeichnet (beispielsweise 5 μs). Der Startzeitpunkt des Verifizierungszeitraums ist als der erste Zeitpunkt definiert, und der Startzeitpunkt des Programmierzeitraums ist als der zweite Zeitpunkt definiert. Das Freigabesignal EN1 ist während des Verifizierungszeitraums PGMV und des Programmierzeitraums PGM hochpegelig, und das Freigabesignal ist während des Programmierzeitraums PGM hochpegelig. Das heißt die erste Pumpe 10 arbeitet während des Verifizierungszeitraums PGMV und des Programmierzeitraums PGM und die zweite Pumpe 20 arbeitet während des Programmierzeitraums PGM. Wenn sich das Steuersignal VPROG2Y von niederpegelig zu hochpegelig verändert und der Verifizierungszeitraum PGMV beginnt, wechselt das Freigabesignal EN zum hohen Pegel und die erste Pumpe 10 beginnt zu arbeiten. Während des Zeitraums, in dem das Steuersignal VPROG2Y hochpegelig ist, verbindet der Booster 60 des Ausgangsweg der ersten Pumpe 10 mit dem Schaltungspunkt N1. Der Schaltungspunkt N1 ist somit auf das Potential VPROG eingestellt. Wenn der Verifizierungszeitraum PGMV endet und der Programmierzeitraum PGM beginnt, ändert sich das Freigabesignal EN2 zum hohen Pegel, das Steuersignal VPBST_EN ändert sich zum hohen Pegel und das Steuersignal PGMR ändert sich zum hohen Pegel. Während des Zeitraums, in dem das Steuersignal PGMR hochpegelig ist, boostet der Booster 60 den Schaltungspunkt N1, indem er die von der ersten Pumpe 10 ausgegebene Spannung VPROG verwendet. In diesem Zustand lädt die zweite Pumpe 20 den Schaltungspunkt N1, so dass das Potential des Schaltungspunkts N1 schnell von VPROG (6V) auf VPPI (9V) erhöht wird, wie in 4 dargestellt. Wenn das Steuersignal PGMR vom hohen Pegel zum niedrigen Pegel übergeht, trennt der Booster 60 die erste Pumpe 10 von dem Schaltungspunkt N1. Die zweite Pumpe 20 übernimmt das Boosten durch den Booster 60 und hält den Schaltungspunkt N1 auf dem Potential VPPI. Das Lesesignal READ ist während des Verifizierungszeitraums PGMV und des Programmierzeitraums PGM niederpegelig.
  • Eine durch die gestrichelte Linie dargestellte Wellenform zeigt den herkömmlichen Vorgang. Die Spannung VPROG wird von der ersten Pumpe 10 während des Zeitraums PGMV für die Programmverifizierung erzeugt. Wie zuvor beschrieben, wird das Potential des Schaltungspunkts N1 während des Programmierzeitraums PGM auf VPPI nur durch die zweite Pumpe 20 angehoben. Es erfordert daher eine bestimmte Zeit, bis der Schaltungspunkt N1 das Potential VPPI erreicht. Gemäß von den Erfindern erhaltenen Versuchsergebnissen ist 1 μs erforderlich, um den Schaltungspunkt N1 bei dem herkömmlichen Vorgang auf VPPI anzuheben, während dies bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel lediglich 0,25 μs erfordert. Somit kann die zum Anheben des Schaltungspunkts N1 auf VPPI durch das vorliegende Ausführungsbeispiel auf ¼ verkürzt werden. Es ist somit möglich, den Programmierzeitraum zu verkürzen und den Flash-Speicher mit einer höheren Geschwindigkeit zu betreiben.
  • 5 ist das Zeitdiagramm des Lesevorgangs. Während das Steuersignal BOOST hochpegelig ist, boostet der Booster 60 die Wortleitung, das heißt, das Gatter der Speicherzelle 50 auf die bestimmte Spannung (beispielsweise 4V). Während des Lesezeitraums werden die Steuersignale PGMR, VPROG2Y und BPBST_EN niederpegelig gehalten.
  • 6 ist ein Schaltbild einer Konfiguration des Boosters 60. Der Booster 60 weist Pegelumsetzschaltungen 601, 602, 604 und 605, eine Lesesteuerschaltung 603 und einen Kondensator C zum Boosten auf. Ferner weist der Booster 60 n-Kanal-Transistoren 607, 608, 609 und 611, einen p-Kanal-Transistor 610, einen Inverter 614 und eine Logikschaltung 615 auf. Die Leseschaltung 603 weist NAND-Gatter 616 und 617, Inverter 622 und 623, n-Kanal-Transistoren 618, 620 und 621, und einen p-Kanal-Transistor 619 auf. 7 zeigt eine Schaltungskonfiguration jedes der Pegelumsetzer 604 und 605. Jeder der Pegelumsetzer 604 und 605 weist p-Kanal-Transistoren 631 und 632, n-Kanal-Transistoren 633 und 634 und Inverter 635 und 636 auf. Die Pegelumsetzer 604 und 605 wandeln die Amplitude zwischen dem Referenzpotential VSS (beispielsweise Massepotential) und der Versorgungsspannung VCC, die an dem Eingang IN verfügbar ist, in eine andere Amplitude zwischen VSS und VPROG um. Die Pegelumsetzer 601 und 602 in 6 haben die gleiche Konfiguration wie zuvor beschrieben. Die Logikschaltung 615 besteht aus einem Inverter, einem UND-Gatter und einem NOR-Gatter.
  • Im folgenden wird die Arbeitsweise des Boosters 60 beschrieben. Zunächst werden der Verifizierungsvorgang und der Programmiervorgang beschrieben. Die Verifizierung wird eingeleitet, wenn das Steuersignal VPROG2Y vom niederpegeligen in den hochpegeligen Zustand übergeht. In Reaktion auf die Anstiegsflanke des Steuersignals VPROG2Y wechseln die Ausgänge OUTB der Pegelumsetzer 604 und 605 vom niederpegeligen in den hochpegeligen Zustand, so dass die Transistoren 612 und 613 eingeschaltet werden. Dem Schaltungspunkt N1 wird somit die Spannung VPROG zugeführt, die von der ersten Pumpe 10 ausgegeben wird. Ein Pfad, der die Transistoren 612 und 613 einschließt (dieser Pfad ist als erste Schaltung definiert), verbindet die erste Pumpe 10 und den Schaltungspunkt N1, das Lesesignal READ wird niederpegelig gehalten und die Transistoren 521 und 620 der Lesesteuerschaltung 603 sind somit AUS bzw. EIN. Da das Steuersignal VPBST_EN niederpegelig gehalten wird, ist der Transistor 611 EIN. Die Ausgänge der Pegelumsetzer 601 und 602 an den Pegelumsetzer 608 sind beide AUS und das Gatterpotential des Transistors 607 ist somit gleich VPROG-Vth, wobei Vth die Schwellenspannung des Transistors 607 ist. Somit ist der Transistor 607 eingeschaltet, und ein mit einem Ende des Kondensators C verbundener Schaltungspunkt N2 ist über den Transistor 611 auf VSS festgelegt. Da die erste Pumpe 10 eine höhere Ansteuerbarkeit hat als die zweite Pumpe 20, wird das Potential des Schaltungspunkts N1 schnell auf VPROG angehoben.
  • Wenn der Modus von dem Verifizierungszeitraum zum Programmierzeitraum übergeht, fällt das Steuersignal VPROG2Y vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel und die Transistoren 612 und 613 werden abgeschaltet. Das Steuersignal VPBST_EN wird vom niedrigen auf den hohen Pegel angehoben und an den Pegelumsetzer 601 über eine Gruppe 614 von Invertern angelegt. Der Pegelumsetzer 601 schaltet den Transistor 610 EIN und die Transistoren 611 und 608 AUS. Die Logikschaltung 615 gibt den hohen Pegel an den Pegelumsetzer 602 aus, um die Kontinuität mit dem Verifizierungszeitraum zu wahren, so lange das Steuersignal PGMR von dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel angehoben ist. Der Transistor 609 ist somit AUS. Die Spannung VPROG der ersten Pumpe 10 wird somit an den Transistor 607 angelegt und dessen Gatterspannung wird auf ein Potential geboostet, das aufgrund der Bootstrap-Funktion höher als die Spannung VPROG ist. Somit ist der Transistor 607 EIN. Dies legt die Spannung VPROG an den Schaltungspunkt N2 an, der mit dem Ende des Kondensators C über die Transistoren 610 und 607 verbunden ist. Auf diese Weise wird der Kondensator C durch die erste Pumpe 10 geboostet. Das heißt, das Ende des Kondensators C1 (Schaltungspunkt N1) wird schnell geboostet, wenn der Modus in das Programmieren eintritt, da das andere Ende des Kondensators C2 (Schaltungspunkt N2) mit der Spannung VPROG versorgt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schaltungspunkt N1 auch durch die zweite Pumpe 20 geboostet. Eine Schaltung, welche die Transistoren 610 und 607 und den mit dem vorgenannten Boosten befassten Pegelumsetzer 602 umfasst, ist als zweite Schaltung definiert.
  • Wenn das Steuersignal PGMR vom niedrigen Pegel auf den hohen Pegel übergeht, ändert die Logikschaltung 615 ihren Ausgang vom hohen Pegel zum niedrigen Pegel. Die Logikschaltung 615 schaltet somit den Transistor 607 AUS und der Schaltungspunkt N2 wird in einen floatenden Zustand versetzt. Daher ist der Kondensator C für die zweite Pumpe 20 betriebsmäßig nicht erkennbar (isoliert) und bildet nicht die Last der zweiten Pumpe 20. Die Spannung VPPI kann somit aufrecht erhalten werden.
  • Der in 5 dargestellte Lesevorgang wird im folgenden beschrieben. Das Lesesignal READ geht vom niedrigen Pegel zum hohen Pegel über und der Booster 60 beginnt, eine geboostete Spannung zu erzeugen, die für den Lesevorgang erforderlich ist. Wenn das Lesesignal den hohen Pegel einnimmt, werden die Transistoren 620 und 621 der Leseschaltung 603 eingeschaltet und der Transistor 619 wird ausgeschaltet, wobei der Schaltungspunkt N2 auf das Massepotential VSS eingestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Transistor 607 AUS. Danach steigt das Steuersignal BOOST vom niedrigen auf den hohen Pegel und der Transistor 621 wird eingeschaltet, während die Transistoren 619 und 620 ausgeschaltet werden. Die Leseschaltung 603 stellt den Schaltungspunkt N2 somit auf die Versorgungsspannung VCC ein und borstet den Kondensator C. Fällt das Lesesignal auf den niedrigen Pegel, wird die Leseschaltung 603 deaktiviert.
  • 8 zeigt eine Konfiguration der ersten Pumpe 10, die einen Transistor 12 und mehrere Boost-Stufen 151 15n aufweist. Der Transistor 12 wird eingeschaltet, wenn ein Freigabesignal ENPUMP1 hochpegelig wird. Jede Boost-Stufe besteht aus zwei Dioden D11 und D12 und einem einzelnen Kondensator C11. die Dioden D11 und D12 können dioden-verbundene Transistoren sein. Ein Ende des Kondensators C11 ist über die Diode D11 auf VCC-Vth vorgeladen, wobei Vth die vorwärts abfallende Spannung der Diode ist. Das andere Ende des Kondensators C11 ist entweder mit einem Impuls Φ11 oder Φ12 beaufschlagt. Wenn das Signal ENPUMP1 aktiv wird, arbeitet eine Taktgeneratorschaltung 16 und erzeugt die komplementären Impulse Φ11 und Φ12. Somit beginnt die Pumpenschaltung den Boostvorgang. Steigt der Impuls Φ11 auf einen hohen Pegel (beispielsweise 3V) wird der Kondensator C11 geboostet und die darin gespeicherte Ladung wird an den Kondensator C11 der nächsten Stufen über die zugehörige Diode D12 übertragen und dort gespeichert. Anschließend fällt der Impuls Φ11 auf den niedrigen Pegel und der Impuls Φ12 steigt gleichzeitig auf den hohen Pegel. Zu diesem Zeitpunkt wird die in dem Kondensator C11 der genannten nächsten Stufe in den Kondensator C11 der übernächsten Stufe durch die zugehörige Diode D12 übertragen und dort gespeichert. Der genannte Vorgang wird wiederholt durchgeführt, so dass die Ausgangsspannung allmählich ansteigt und schließlich gleich der geboosteten Spannung VPROG ist. Die Spannung VPROG kann durch eine nicht dargestellte Regelschaltung geregelt werden, so dass sie eine bestimmte Spannung (von beispielsweise 6V) nicht übersteigt. Die zweite Pumpe 20 weist die gleiche Konfiguration wie die erste Pumpe 10 auf. Wie im folgenden beschrieben, ist es vorteilhaft, eine Konfiguration der zweiten Pumpe 20 zu verwenden, die in der Lage ist, schneller zu arbeiten.
  • Wie zuvor beschrieben, ist das erste Ausführungsbeispiel in der Lage, die Gatter der Speicherzelle 50 und des Gattertransistors 40 schnell auf einen bestimmten Pegel anzuheben, ohne die Schaltungsmaße zu vergrößern. Dies ermöglicht ein schnelleres Programmieren in dem Flash-Speicher.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • 9 zeigt eine Konfiguration einer Boostschaltung eines Flash-Speichers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 10 ist ein Zeitdiagramm von in 9 dargestellten Steuersignalen. Wie in diesen Figuren dargestellt, weist der Flash-Speicher des zweiten Ausführungsbeispiels die erste Pumpe 10 und die zweite Pumpe 20A auf. Die erste Pumpe 10 beginnt des Boostvorgang in Reaktion auf das Freigabesignal ENPUMP1 und erzeugt die Spannung VPROG durch Boosten der Versorgungsspannung VCC. Die zweite Pumpe 20A beginnt den Boostvorgang in Reaktion auf ein Freigabesignal ENPUMP2 und erzeugt die Spannung VPPI (>VPROG) durch Boosten der Versorgungsspannung. Die zweite Pumpe 20A empfängt ein Vorladefreigabesignal PRECH, das zu dem selben Zeitpunkt steigt wie das Freigabesignal ENPUMP1. Während des Zeitraums, in dem das Vorladefreigabesignal ENPRECH hochpegelig ist, wird jeder Schaltungspunkt zwischen benachbarten Booststufen auf die von der ersten Pumpe 10 erzeugte Spannung VPROG vorgeladen.
  • 11 ist ein Schaltbild der zweiten Pumpe 20A. Wie die erste Pumpe 10 von 8 weist die zweite Pumpe 20A einen Transistor 22 und mehrere Booststufen 251 25n auf. Jeder Booststufe werden Taktsignale Φ21 und Φ22 zugeführt, welche von einer Takterzeugungsschaltung 28 erzeugt werden. Der Transistor T22 wird eingeschaltet, wenn das Boostsignal ENPUMP2 hochpegelig wird. Die Booststufen 251 25n haben die gleiche Schaltungskonfiguration wie die Booststufen 251 25n . Die Schaltungspunkte, über welche die benachbarten Booststufen verbunden sind, sind mit den Source-Anschlüssen der Transistoren TR11-TR1m verbunden. Beispielsweise ist die Source des Transistors TR11 mit dem Schaltungspunkt verbunden, über welchen die Booststufen 251 25n mit der durch die erste Pumpe 10 ausgegebenen Spannung versorgt wird, und ihre Gatter werden mit dem Vorladesignal PRECH versorgt. Das Vorladesignal PRECH ist die Spannung VPROG, die über einen Pegelumsetzer 18 während des Zeitraums vorliegt, in dem das Vorladefreigabesignal ENPRECH hochpegelig ist. Die Transistoren TR11-TR1m legen die Spannung VPROG an die Schaltungspunkte zwischen den Booststufen an und laden diese Schaltungspunkte auf VPROG vor, das höher als VCC ist. Anschließend steigt das Freigabesignal ENPUMP2 und die zweite Pumpe 20A beginnt den Ladungspumpvorgang. Da die Schaltungspunkte zwischen den Booststufen auf die Spannung VPROG vorgeladen wurden, kann die zweite Pumpe 20A den Ausgabeschaltungspunkt schnell auf VPPI anheben.
  • Die Schaltungskonfiguration nach 1 kann auf die in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendete zweite Pumpe 20 angewandt werden. Die zweite Pumpe 20 ist somit in der Lage, die Ausgangsspannung noch schneller zu erzeugen.
  • 12 ist ein Blockschaltbild der Gesamtstruktur des Flash-Speichers. Der Flash-Speicher ist mit einer Steuerschaltung 120, einer Spannungserzeugungsschaltung 122, einem Zeitgeber 124, einem Adressenhaltespeicher 126, einem Y-Decoder 128, einem X-Decoder 130, einem Y-Gatter 132, einer Zellmatrix 134, einer Chip-Freigabe-/Sperrschaltung 135, einem Datenhaltespeicher 138 und einem Eingabe-/Ausgabepuffer 140 versehen.
  • Die Steuerschaltung 120 weist ein eingebautes Befehlsregister auf und arbeitet synchron mit einem Chipfreigabesignal CE und einem Schreibfreigabesignal, welche jeweils extern zugeführte Signale sind. Die Steuerschaltung 120 erzeugt Zeitsteuersignale basierend auf den von außen über den Eingabe-/Ausgabepuffer 140 zugeführten Befehlen, und liefert diese Zeitsteuerungssignale an zugehörige innere Teile. Die Steuerschaltung 120 erzeugt die Steuersignale, die dem in 3 dargestellten Booster 60 in Reaktion auf eine Befehlseingabe zugeführt werden, und erzeugt die in 10 dargestellten Signale.
  • Die Spannungserzeugungsschaltung 122 hat eine Konfiguration, welche die Pumpe 10, die zweite Pumpe 20, den Read-Exclusive Booster 30 und den Booster 30 von 3 umfasst. Die von dem Spannungsgenerator 122 erzeugten geboosteten Spannungen werden an die zugehörigen Teile über eine in 12 dargestellte Signalleitung angelegt. Der Zeitgeber 124 erzeugt die Taktsignale und die Zeitsteuersignale Φ11, Φ12, Φ21 und Φ22.
  • Der Adressenhaltespeicher 126 hält eine extern angelegte Adresse und liefert die extern angelegte Adresse an den Y-Decoder 128 und den X-Decoder 130. der Y-Decoder 128 spezifiziert eine Adresse in der Y-Richtung, wie durch die gehaltene Adresse angegeben (eine in der Zellmatrix 134 verlaufende Bitleitung), und schaltet den zugehörigen Transistor in dem Y-Gatter 132 EIN. Das Y-Gatter 132 weist den jeweiligen Transistor 40 für jede Bitleitung auf. Zum Zeitpunkt des Programmierens wird dem Gatter des gewählten Transistors 40 in dem Y-Gatter 132 VPROG oder VPPI, welche von der Spannungserzeugungsschaltung 122 ausgegeben wird, zugeführt, und der Bitleitung wird die Spannung VPROG zugeführt. Der X-Decoder 130 spezifiziert eine Adresse in X-Richtung, wie durch die gehaltene Adresse angegeben, und steuert die zugehörige Wortleitung an. Die Zellmatrix 134 weist eine große Zahl von Speicherzellen in Reihen und Spalten auf, die jeweils wie in 2 dargestellt ausgebildet sind. Die Zellmatrix 134 ist eine sogenannte NOR-Typ-Array. Die derart gewählte Wortleitung wird mit der hohen Spannung VPROG oder VPPI versorgt, welche die Spannungserzeugungsschaltung 122 erzeugt.
  • Die Chipfreigabe-/-sperrschaltung 136 empfängt das Chipfreigabesignal CE und aktiviert den Y-Decoder 128. Die Schaltung 136 empfängt das Ausgangsfreigabesignal OE und aktiviert den Eingabe-/Ausgabepuffer 140. Aus der Zellmatrix 134 gelesene Daten werden nach außerhalb des Flash-Speichers über das Y-Gatter 132, den Datenhaltespeicher 138 und den Eingabe-/Ausgabepuffer 140 ausgegeben. Extern zugeführte Schreibdaten werden in die gewählte Speicherzelle in der Zellmatrix 134 über den Eingabe-/Ausgabepuffer 140, den Datenhaltespeicher 138 und das Y-Gatter 132 geschrieben.
  • Der derart konfigurierte Flash-Speicher verwendet den vorgenannten Booster 60 und eine reduzierte Zeitdauer für das Programmieren.
  • Die vorliegende Erfindung weist eine Halbleitervorrichtung mit einem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher auf. Beispielsweise umfasst die vorliegende Erfindung Halbleitervorrichtungen wie den Flash-Speicher und eine systematisierte Halbleitervorrichtung mit dem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher und einer Steuerschaltung.
  • Zusammenfassung
  • Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher, Halbleitervorrichtung und Ladungspumpenschaltung
  • Ein nichtflüchtiger Halbleiterspeicher ist versehen mit einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist, und einem Booster, welcher den bestimmten Schaltungspunkt unter Verwendung der ersten Spannung zum zweiten Zeitpunkt boostet.

Claims (14)

  1. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher mit: – einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, – einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist, und – einem Booster, welcher den bestimmten Schaltungspunkt unter Verwendung der ersten Spannung zum zweiten Zeitpunkt boostet.
  2. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Zeitraum zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt für die Programmverifizierung und ein anderer Zeitraum, der zum zweiten Zeitpunkt beginnt, für das Programmieren vorgesehen ist.
  3. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, bei dem der Booster aufweist: – einen Kondensator; – eine erste Schaltung, die das Anlegen der ersten Spannung an den bestimmten Schaltungspunkt während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt ermöglicht; und – eine zweite Schaltung, welche eine auf der ersten Spannung basierende Spannung nur während eines vorbestimmten Zeitraums beginnend von dem zweiten Zeitpunkt an den bestimmten Schaltungspunkt anlegt.
  4. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 3, bei dem der Kondensator auch zum Erzeugen einer Lesespannung verwendet wird, die an das Gatter des nichtflüchtigen Halbleiterspeichers zum Zeitpunkt des Lesens von Daten angelegt ist.
  5. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, bei dem die zweite Pumpe mehrere Boost-Stufen aufweist, und Schaltungspunkte zwischen benachbarten Boost-Stufen der mehreren Boost-Stufen während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt durch die ersten Spannung vorgeladen sind.
  6. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 5, bei dem die zweite Pumpenschaltung Transistoren aufweist, welche die erste Spannung in Reaktion auf ein Signal, welches den Zeitraum von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, an die Schaltungspunkte anlegen.
  7. Nichtflüchtiger Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, bei dem die erste Spannung an eine Bitleitung angelegt ist, mit welcher der nichtflüchtige Halbleiterspeicher zum Zeitpunkt des Programmierens verbunden ist.
  8. Ladungspumpenschaltung mit: – einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, und – einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, – wobei die zweite Pumpe mehrere Boost-Stufen aufweist, und wobei Schaltungspunkte zwischen benachbarten Boost-Stufen der mehreren Boost-Stufen während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt durch die erste Spannung vorgeladen sind.
  9. Ladungspumpenschaltung nach Anspruch 8, bei der die zweite Pumpenschaltung Transistoren aufweist, welche die erste Spannung in Reaktion auf ein Signal, welches den Zeitraum von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, an die Schaltungspunkte anlegen.
  10. Halbleitervorrichtung mit: – einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle; – einer ersten Pumpe, die zu einem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und eine erste Spannung erzeugt, und – einer zweiten Pumpe, die zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem ersten Zeitpunkt zu arbeiten beginnt und einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung treibt, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit der nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist, – wobei die zweite Pumpe mehrere Boost-Stufen aufweist, und wobei Schaltungspunkte zwischen benachbarten Boost-Stufen der mehreren Boost-Stufen während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt durch die erste Spannung vorgeladen sind.
  11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, bei der die zweite Pumpenschaltung einen Transistor aufweist, welcher die erste Spannung in Reaktion auf ein Signal, welches den Zeitraum von dem ersten Zeitpunkt bis zu dem zweiten Zeitpunkt angibt, an den bestimmten Schaltungspunkt anlegt.
  12. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 10, bei der die erste Spannung an eine Bitleitung angelegt ist, mit welcher der nichtflüchtige Halbleiterspeicher zum Zeitpunkt des Programmierens verbunden ist.
  13. Verfahren mit den folgenden Schritten: – Beginnen des Betriebs einer ersten Pumpe zu einem ersten Zeitpunkt, um eine erste Spannung zu erzeugen; – Beginnen des Betriebs einer zweiten Pumpe zu einem nach dem ersten Zeitpunkt liegenden zweiten Zeitpunkt, um einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung zu treiben, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist; und – Boosten des bestimmten Schaltungspunkts zum zweiten Zeitpunkt unter Verwendung der ersten Spannung.
  14. Verfahren mit den folgenden Schritten: – Beginnen des Betriebs einer ersten Pumpe zu einem ersten Zeitpunkt, um eine erste Spannung zu erzeugen; – Beginnen des Betriebs einer zweiten Pumpe zu einem nach dem ersten Zeitpunkt liegenden zweiten Zeitpunkt, um einen bestimmten Schaltungspunkt mit einer zweiten Spannung zu treiben, wobei der bestimmte Schaltungspunkt mit einer nichtflüchtigen Halbleiterspeicherzelle verbunden ist; und – Vorladen von Schaltungspunkten zwischen benachbarten Boost-Stufen mehrerer Boost-Stufen der zweiten Pumpe mit der ersten Spannung während eines Zeitraums von dem ersten Zeitpunkt bis zum zweiten Zeitpunkt.
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