CN101308703B - 非易失性存储器阵列字线重试擦除及阈值电压恢复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于擦除以及恢复存储器阵列的方法。存储器阵列包括存储单元的多个扇区。在擦除存储器阵列的扇区后，检查存储器阵列的所有存储单元，以发现存储器阵列的其它未擦除扇区中的已编程存储单元。若发现已编程存储单元，则编程并验证已编程存储单元，直至已编程存储单元的阈值电压达到编程验证电压。

Description

非易失性存储器阵列字线重试擦除及阈值电压恢复的方法

技术领域

本发明是关于一种半导体存储器阵列，且更特定言之，是关于一种用于氮化物储存层非易失性存储器阵列的字线重试擦除(retryerase)操作以及擦除操作之后的阈值电压恢复操作的方法。

背景技术

氮化物储存层非易失性存储器存储单元广泛用于半导体工业中。如此项技术中所熟知的，典型的氮化物储存层非易失性存储器存储单元包括源极端子、漏极端子以与栅极端子。氮化物储存层非易失性存储器存储单元一般以具有多行以及多列的阵列结构的形式来排列。氮化物储存层非易失性存储器阵列的同一列中的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的栅极端子耦接到一起以形成此列的字线，同时氮化物储存层非易失性存储器阵列的同一行中的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子耦接到一起以形成此行的位线。

可电编程、读取并擦除氮化物储存层非易失性存储器阵列的氮化物储存层非易失性存储器存储单元。归因于氮化物储存层非易失性存储器阵列中的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的较大数目，一般将氮化物储存层非易失性存储器存储单元分为多个扇区(sector)。可电编程并读取氮化物储存层非易失性存储器阵列中的单一氮化物储存层非易失性存储器存储单元，然而可同时电擦除氮化物储存层非易失性存储器存储单元的一扇区。

通常藉由在氮化物储存层非易失性存储器存储单元的栅极端子与源极端子之间建立较大正电压(例如，12V)且在氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子与源极端子之间建立正电压(诸如，6V)从而使电荷被捕获于氮化物储存层非易失性存储器存储单元的保存层(retention layer)中来编程氮化物储存层非易失性存储器阵列的氮化物储存层非易失性存储器存储单元。保存层中的已捕获电荷引起氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压的增加。

为了验证已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的增加的阈值电压是否已达到其目标编程电压，将验证脉冲(通常在编程脉冲之后)施加于已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。若验证脉冲显示已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元尚未达到目标编程电压，则施加额外编程脉冲，继之以随后的验证脉冲。通常，在编程过程期间，编程脉冲在电压位准上增加，开始于相对较低电压位准且终止于较高电压位准。编程以及验证将继续直至已达到目标编程电压。

可藉由分别将较高正电压以及负电压施加于擦除扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子以与栅极端子来完成擦除氮化物储存层非易失性存储器阵列的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的扇区的操作。然而，此擦除方法呈现出主要缺点：当在一个实体阵列中划分多个扇区时，氮化物储存层非易失性存储器阵列中的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的一个扇区的擦除操作将影响属于同一氮化物储存层非易失性存储器阵列中的其它扇区的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。因为氮化物储存层非易失性存储器阵列中的一行的所有氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子经耦接到一起，所以在氮化物储存层非易失性存储器存储单元的一个扇区的擦除操作期间，施加于属于氮化物储存层非易失性存储器阵列的擦除扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子的高正电压亦将被施加于属于不被擦除的其它扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子。因此，氮化物储存层非易失性存储器阵列的其它未擦除扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元必须忍受由不必要的高漏极电压所引起的行应力(column stress)。行应力将导致此等未擦除扇区中的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压损失。尽管由一次擦除操作之后的行应力所引起的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压损失较小，但多次擦除操作之后的累积阈值电压损失可能足够显著，使得已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元被错误地认为处于擦除状态。此干扰对一个阵列中的扇区的数目及/或每一扇区的最大循环数目形成限制。

鉴于前述，存在对能够执行氮化物储存层非易失性存储器阵列的一个扇区的擦除操作且在擦除操作之后恢复氮化物储存层非易失性存储器阵列的其它扇区中的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压损失的方法的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明藉由提供一种擦除存储器阵列的扇区且接着恢复存储器阵列的其它未擦除扇区中的已编程存储单元的阈值电压损失的方法来满足此需要。

根据本发明的一态样，提供一种擦除以及恢复存储器阵列的方法。存储器阵列包括存储单元的多个扇区。在选择并擦除存储器阵列的扇区后，对存储器阵列执行阈值电压恢复。在阈值电压恢复期间，藉由读取存储器阵列的所有存储单元的阈值电压来检测存储器阵列的已编程存储单元。若存储器阵列的存储单元的阈值电压达到编程测试电压，则将存储单元看作已编程存储单元。此后，存储器阵列的所检测已编程存储单元经编程并经验证，以确保已编程存储单元的阈值电压达到编程验证电压。

根据本发明的另一态样，提供另一种擦除以及恢复氮化物储存层非易失性存储器阵列的方法。氮化物储存层非易失性存储器阵列包括氮化物储存层非易失性存储器存储单元的多个扇区，每一扇区包括多条字线，每条字线对应于字线擦除标识。

在选择氮化物储存层非易失性存储器阵列的扇区用于擦除之后，若相应字线擦除标识经选出(single)，则识别选定扇区的字线。对耦接至已识别字线的氮化物储存层非易失性存储器存储单元执行擦除验证。若耦接至已识别字线的任何氮化物储存层非易失性存储器存储单元均未通过擦除验证，则标记相应字线擦除标识。在对选定扇区进行擦除验证之后，将对耦接至已标记字线的氮化物储存层非易失性存储器存储单元执行擦除操作。擦除验证以及擦除操作将继续直至选定扇区的所有氮化物储存层非易失性存储器存储单元均通过擦除验证。

此后，对氮化物储存层非易失性存储器阵列的所有扇区执行阈值电压恢复。在阈值电压恢复期间，检查氮化物储存层非易失性存储器阵列的所有氮化物储存层非易失性存储器存储单元，以了解是否存在任何已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。藉由读取氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压来检测已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。若氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压达到或超过编程测试电压，则将氮化物储存层非易失性存储器存储单元看作已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。再次编程氮化物储存层非易失性存储器阵列的所检测已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元，直至已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压大于或等于编程验证电压。

根据本发明的又一态样，提供一种用于擦除以及恢复存储器阵列的体现于计算机可读媒体中的计算机程序。存储器阵列包括存储单元的多个扇区。计算机程序包含用于选择存储器阵列的待擦除的扇区的程序指令、用于擦除选定扇区的存储单元的程序指令，以及用于对存储器阵列执行阈值电压恢复的程序指令。

用于对存储器阵列执行阈值电压恢复的程序指令更包含用于检测存储器阵列的已编程存储单元的程序指令，以及用于编程已编程存储单元直至已编程存储单元通过编程验证的程序指令。

尽管对氮化物储存层非易失性存储器存储单元进行特定参考，但本发明的方法可同等应用于可受益于擦除操作之后的编程验证操作的其它类型的存储单元。

应理解以上概述以及以下实施方式仅为例示性且说明性的，且如所主张的并不限制本发明。

附图说明

图1展示根据本发明的一实施例的用于擦除氮化物储存层非易失性存储器阵列的系统。

图2为展示根据本发明的一实施例的例示性氮化物储存层非易失性存储器阵列擦除以及恢复方法的步骤流程图。

图3为展示根据本发明的一实施例的擦除操作之后的例示性氮化物储存层非易失性存储器阵列阈值电压恢复方法的步骤流程图。

【主要元件符号说明】

100：系统

110：状态机

120：WL译码器系统

130：WLDRV系统

140：氮化物储存层非易失性存储器阵列

150：WL擦除标识系统

160：感应放大器

170：扇区标识系统

200：流程图

205～360：步骤

具体实施方式

对本发明的实施例进行详细参考。尽管结合实施例来描述本发明，但本发明不欲受此等实施例限制。相反，本发明意欲涵盖可包括于由附加的权利要求书范围界定的本发明的精神以及范畴内的替代例、修改以及均等物。此外，在本发明的以下实施方式中，大量特定细节经陈述以便提供对本发明的彻底理解。然而，如对于一般熟习此项技术者显而易见的，可在无此等特定细节的情况下实践本发明。在其它情形下，尚未详细描述熟知方法、程序、元件以及电路以便不会混淆本发明的态样。

最初参看图1，根据本发明的一实施例来展示用于擦除氮化物储存层非易失性存储器的系统100。

如图1中所说明，系统100包括状态机110、字线(word line，WL)译码器系统120、字线驱动器(word line driver，WLDRV)系统130、氮化物储存层非易失性存储器阵列140、WL擦除标识系统150、感应放大器160以及扇区标识系统170。状态机110向WL译码器系统120、WL擦除标识系统150、感应放大器160以及扇区标识系统170提供逻辑控制。扇区标识系统170经组态使得对于氮化物储存层非易失性存储器阵列140的每一扇区，存在用以指示是否需要擦除氮化物储存层非易失性存储器阵列140的扇区的相应扇区标识。WL译码器系统120能够在氮化物储存层非易失性存储器阵列140的扇区的擦除操作期间进行单或多字线选择。

感应放大器160经实施以放大并量测氮化物储存层非易失性存储器阵列140的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压。获取氮化物储存层非易失性存储器阵列140的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压的一种方法为将电压施加于待量测的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的字线(栅极端子)，且将氮化物储存层非易失性存储器存储单元的输出电流与由感应放大器160里面的参考存储单元所产生的电流相比较。当氮化物储存层非易失性存储器存储单元的输出电流等于参考存储单元的电流时，将施加于氮化物储存层非易失性存储器存储单元的字线的电压界定为氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压。

氮化物储存层非易失性存储器阵列140包含以多个列以及行排列的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的多个扇区。可将一个扇区识别为实体隔离氮化物储存层非易失性存储器存储单元阵列或一个阵列中的存储单元的电隔离区块。氮化物储存层非易失性存储器阵列140的每一扇区包括多条字线，每条字线耦接至每列的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的栅极端子。氮化物储存层非易失性存储器阵列140的每行的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的所有漏极端子耦接到一起以形成位线。因此，当不同扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元属于同一行时，氮化物储存层非易失性存储器阵列140的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的不同扇区共享同一位线。

WLDRV系统130以及WL擦除标识系统150经组态使得对于氮化物储存层非易失性存储器阵列140的每条字线，存在相应WLDRV以及相应WL擦除标识。每一相应WLDRV包括起WLDRV标识作用的锁存器(latch)。设定WL擦除标识指示需要擦除耦接至对应于设定WL擦除标识的字线的氮化物储存层非易失性存储器存储单元。重设WL擦除标识指示已成功擦除或尚未命令擦除耦接至相应字线的氮化物储存层非易失性存储器存储单元。

现参看图2，流程图200经展示以说明根据本发明的一实施例的例示性氮化物储存层非易失性存储器阵列擦除以及恢复方法。

在步骤205中，自氮化物储存层非易失性存储器阵列140的多个扇区选择待擦除的扇区。由于氮化物储存层非易失性存储器阵列140的每条字线具有WL擦除标识系统150中的相应WL擦除标识，因而在擦除操作之前设定选定扇区的WL擦除标识。在步骤210中重设选定扇区的WL地址。

接着，在步骤220中对耦接至已识别字线的氮化物储存层非易失性存储器存储单元执行擦除验证。可藉由读取耦接至已识别字线的每一氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压来进行擦除验证。可藉由将擦除验证电压施加于待读取的氮化物储存层非易失性存储器存储单元所耦接的已识别字线来实施氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压的读取。若氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压小于或等于擦除验证电压，则认为氮化物储存层非易失性存储器存储单元应被擦除。在一实施例中，用于擦除验证的擦除验证电压为约3.0V至3.8V。

如步骤230中所示，若耦接至已识别字线的每一氮化物储存层非易失性存储器存储单元均通过擦除验证，则在步骤235中重设相应WL擦除标识以及相应WLDRV标识。否则，此方法进入步骤240，其中检查已识别字线以了解其是否为选定扇区的最末字线。若已识别字线并非选定扇区的最末字线，则在步骤245中增加选定扇区的字线地址，直至具有设定WL擦除标识的字线被识别。在选定扇区的最末字线的状况下，在步骤250中，检查选定扇区的所有WL擦除标识，以了解是否属于选定扇区的所有氮化物储存层非易失性存储器存储单元均被擦除。

若选定扇区的所有WL擦除标识均被重设，则成功擦除选定扇区的所有氮化物储存层非易失性存储器存储单元。若WL擦除标识中至少一者仍被设定，则在步骤270中将储存于选定扇区的WL擦除标识处的值载入选定扇区的相应WLDRV标识中。接着在步骤280中，WL译码器系统120将识别具有选定扇区的设定相应WLDRV标识的字线。在步骤290中，将负电压施加于步骤280中所识别的字线，以擦除耦接至已识别字线的氮化物储存层非易失性存储器存储单元。在擦除操作期间，待擦除的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子经施加有较高正擦除电压，且待擦除的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的源极端子为浮置的。

在擦除属于选定扇区的所有氮化物储存层非易失性存储器存储单元之后，在步骤260中对氮化物储存层非易失性存储器阵列140的所有扇区执行阈值电压恢复。在图3中说明阈值电压恢复的详细执行步骤

现参看图3，根据本发明的一实施例来展示擦除操作之后的例示性氮化物储存层非易失性存储器阵列阈值电压恢复方法。如上所提及，当擦除氮化物储存层非易失性存储器阵列140的一扇区时，将较高正电压施加于待擦除的扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子。因为氮化物储存层非易失性存储器阵列140的每行的氮化物储存层非易失性存储器存储单元耦接到一起，所以属于氮化物储存层非易失性存储器阵列140的其它未擦除扇区的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极端子亦受较高正电压影响，此影响被称为“行应力(column stress)”。行应力将引起氮化物储存层非易失性存储器阵列140中的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压的损失。为保持氮化物储存层非易失性存储器阵列140的未擦除扇区中的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压，需要对氮化物储存层非易失性存储器阵列140的所有扇区执行阈值电压恢复。

在步骤310中，重设氮化物储存层非易失性存储器阵列140的存储器地址。接着，藉由读取氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压而在步骤320中检测氮化物储存层非易失性存储器阵列140的已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。如上所提及，归因于行应力，先前已编程的氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压可能降低。若氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压大于或等于编程测试电压，则将氮化物储存层非易失性存储器存储单元检测为已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元。在一实施例中，编程测试电压为约4.0V至4.6V。

在步骤330中编程所检测已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元以恢复阈值电压损失。在步骤340中，在编程验证电压施加于相应字线的情况下藉由读取具氮化物储存层非易失性存储器存储单元来验证重新编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压。若已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压未达到编程验证电压，则对已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元执行另一程序操作直至已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压大于或等于编程验证电压。在一实施例中，编程验证电压为约5.0V至6.0V。

在所检测已编程氮化物储存层非易失性存储器存储单元的阈值电压达到或超过编程验证电压之后，在步骤350中增加氮化物储存层非易失性存储器阵列的存储器地址。在步骤360中检查增加的存储器地址以了解增加的存储器地址是否为氮化物储存层非易失性存储器阵列140的最末存储器地址。若存储器地址为氮化物储存层非易失性存储器阵列140的最末地址，则阈值电压恢复方法完成；否则此方法将继续自步骤320开始。

本发明使用字线擦除标识以指示耦接至相应字线的存储单元的擦除状态，且藉由使用字线重试方法来擦除存储器阵列的扇区。因此，在随后的擦除操作期间将仅再次擦除未通过先前擦除操作的存储单元。此后，存储器阵列将经历阈值电压恢复以恢复存储器阵列的未擦除扇区中的已编程存储单元的阈值电压损失。本发明将在不降级数据保存能力的情况下提高存储器阵列的擦除速度。

氮化物储存层非易失性存储器存储单元通常形成于不对氮化物储存层非易失性存储器存储单元的漏极与源极加以区别的虚拟接地阵列中。氮化物储存层非易失性存储器存储单元的氮化层中的电荷捕获的区域性使其能够每存储单元储存两个位。尽管共同漏极氮化物储存层非易失性存储器阵列经描述用于上述实施例，但本发明亦应用于共同源极氮化物储存层非易失性存储器阵列或虚拟接地阵列。

出于说明以及描述的目的，已呈现本发明的特定实施例的以上描述。描述并不意欲为详尽的或将本发明限于所揭示的明确形式。显然，鉴于以上教示，许多修改以及变化是可能的。选择并描述实施例以便解释本发明的原理以及应用，藉此使熟悉此项技术者能够根据所涵盖的特殊目的而以本发明的各种实施例以及修改利用本发明。本发明的范畴意欲由随附于此的权利要求书范围以及其均等物加以界定。

Claims (5)

1.一种用于擦除以及恢复存储器阵列的方法，所述存储器阵列包括存储单元的多个扇区，其特征在于，所述用于擦除以及恢复存储器阵列的方法包括：

选定所述存储器阵列中待擦除的扇区；

擦除所述选定的扇区中的存储单元；以及

对所述存储器阵列中不在所述选定的扇区中的存储单元执行阈值电压恢复；

其中，所述阈值电压恢复的执行进一步包括：

自所述存储器阵列检测已编程存储单元；

编程所述已编程存储单元，直至所述已编程存储单元通过编程验证；以及

重复检测以及编程，直至所述存储器阵列的所有所述已编程存储单元均通过所述编程验证。

2.根据权利要求1所述的用于擦除以及恢复存储器阵列的方法，其特征在于，其中所述已编程存储单元的检测进一步包括：

读取所述存储器阵列的所述已编程存储单元的阈值电压；以及

当所述已编程存储单元的所述阈值电压大于或等于编程测试电压时，将所述已编程存储单元识别为通过编程验证的存储单元。

3.根据权利要求1所述的用于擦除以及恢复存储器阵列的方法，其特征在于，其中所述存储器阵列中的存储单元为氮化物储存层非易失性存储器存储单元。

4.根据权利要求1所述的用于擦除以及恢复存储器阵列的方法，其特征在于，其中所述擦除所述选定的扇区中的存储单元进一步包括：

自选定的所述待擦除扇区的多条字线识别已标记的字线；

对耦接至已识别的所述字线的所述待擦除存储单元执行擦除验证；

当所述擦除验证失败时，标记已识别的所述字线；

重复识别、执行以及标记，直至选定的所述待擦除扇区的最末字线；

擦除耦接至已标记的所述字线的所述待擦除存储单元；以及

反复识别、执行、标记、重复以及擦除，直至选定的所述待擦除扇区的所有存储单元均通过所述擦除验证。

5.根据权利要求4所述的用于擦除以及恢复存储器阵列的方法，其特征在于，其中所述擦除所述选定的扇区中的存储单元进一步包括：

在所述字线的识别之前，设定对应于选定的所述待擦除扇区的字线的多个字线擦除标识。

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