CN102099864B - 具有极性控制的每单元多比特(mbc)的非易失性存储器设备和系统及其编程方法 - Google Patents

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Abstract

一种每单元多比特(MBC)非易失性存储器设备、方法和系统，其中用于写数据到存储阵列或者从存储器阵列读取数据的控制器通过下述操作来控制数据的极性，即，选择性地反相数据字来最大化(M-1)个虚拟页面内要被编程的比特数，并且选择性地反相数据字来最小化第M虚拟页面内要被编程的比特数，其中M是每单元的比特数。当数据字被反相时，设置相应的极性控制标志。当从M个虚拟页面读取时，根据对应的极性标志选择性地反相数据。这减少了最高阈值电压编程状态的数量。这提供了编程单元阈值电压的紧密分布，减小的电力消耗、减小的编程时间和增强的装置可靠性。

Description

具有极性控制的每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备和系统及其编程方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年7月2日提交的美国专利申请12/166,876的权益。 
技术领域
本发明总地涉及非易失性存储器系统，更具体地，涉及具有数据极性控制的非易失性每单元多比特(MBC)的存储器系统。 
背景技术
在传统的每单元单比特的存储器装置中，存储单元呈现两种信息存储状态中的一种，或者“打开”状态或者“关闭”状态。“打开”或者“关闭”的二值状况限定了信息的一个比特。结果，能够存储n比特数据的存储器装置需要(n个)独立的存储单元。 
增加使用每单元单比特存储器装置存储的比特数目需要以与所要存储的数据比特数目一对一的方式增加存储单元的数量。用于增加在包括单比特容量单元的存储器装置中存储的存储比特的数量的方法依赖于以下技术：例如制造包括更多存储单元的较大芯片、或者使用改进的光刻技术来构建更小的存储单元。减少存储单元的尺寸使得在给定面积的单个芯片上能够放置更多的单元。 
每单元单比特的替代设计是在单个存储单元中存储数据的多个比特。已经遵循上述方法的一种存储器是电可擦并且可编程的装置，称为闪速存储单元。在闪速单元中，通过在合适的时间段内施加合适的电压到装置的源极、漏极和控制栅极来执行编程。这导致电子从沟道区穿隧至浮栅或者从沟道区注入到浮栅。驻留在浮栅的电荷的数量决定了在控制栅极上为使得装置在源极和漏极区域之间导电所需的电压。该电压被称为单元的阈值电压Vth。导电表示装置的“打开”或者被擦除的状态，并且对应于1的逻辑值。“关闭”或被编程的状态中，电流在源极和漏极区域之间不导通，并且 该状态对应于0的逻辑值。通过将单元的阈值电压设置为合适的数值，对于一组给定的施加电压该单元可以是导电或者不导电。因此，通过确定在一组给定的施加电压下单元是否导电，可以发现该单元的状态(被编程或者被擦除)。 
通过在装置内建立多个、不同的阈值电压水平可产生每单元多比特(MBC)的闪速存储单元。每个不同的阈值电压对应于一组数据比特。这允许多比特的二进制数据被存储到同一存储单元。当读取存储单元的状态时，每个单元具有二进制解码值，该二进制解码值对应于一个数值，该数值依赖于在单元的当前阈值电压水平下该单元的导电状况。该阈值电压水平指示表示被编程到该单元的数据的比特组，对于该阈值电压水平，该单元与具有预选的输入值的感应放大器相比较。适合的数据存储要求MBC存储单元的多个阈值电压水平以足够的量彼此区分，以使得单元的水平能够以明确的方式被编程或者被擦除。被编程到存储单元的数据和该单元的阈值电压水平之间的关系依赖于适用于该单元的数据编码方案。 
在编程MBC存储单元时，目的在于在合适的时间段内施加编程电压来在浮栅中存储足够的电荷以将阈值电压置为期望的水平。该水平表示与待编程到该单元中的数据的编码相对应的该单元状态。但是，将双状态(1比特)单元的阈值电压范围分为多个阈值电压水平减少了水平之间的裕度(阈值电压的差)。这需要使系统设计容差更紧密并减小编程操作噪声裕度，以使得可以区分相邻的水平并减小编程误差。但是，使编程和读取操作阈值电压窗口更紧密已经导致编程过程变慢，并且引入了存储器系统误差的另外的潜在源。 
2005年8月30日授予给Hosono等的名称为“Non-volatileSemiconductor Memory(非易失性半导体存储器)”的美国专利No.6,937,510，提供了一种对具有每单元多个比特(MBC)的存储单元的非易失性半导体装置进行编程和从中读取数据的方法和设备，该专利通过引用包含于此。 
但是，与其它公知的方法相比，该方法导致编程时间、电力消耗和编程状态的数量的增加，且编程状态必须被遍历。 
因此，需要研发使用MBC存储单元的改进的设备、方法和系统以及使用这样的改进的MBC存储单元的非易失性存储器装置和系统。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用MBC存储单元的设备、方法和系统，该MBC存储单元减少用于编程给定字段数据的最高编程状态的数量。 
根据本发明的一个方面，提供了一种每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备，其包括具有一个或多个电可擦的块的存储阵列。所述块包括一个或多个可重复编程的页面。所述可重复编程的页面包括共享公共字-线的上部和下部页面。所述上部和下部页面包括各自的上部和下部数据字段。所述上部和下部数据字段包括各自的MBC存储单元的虚拟上部和下部单元。所述MBC存储单元具有各自的阈值电压，所述阈值电压可从最低电压水平顺序编程到第一水平、第二水平、第三水平或第四水平中所选择的一个。编程下部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程到第二阈值电压水平。编程上部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程到第四阈值电压水平或者从第二阈值电压水平编程到第三阈值电压水平。该设备还包括控制器，用于写数据到所述存储阵列，其中所述控制器选择性地反相数据来最大化要被编程的下部页面内的比特数，并且选择性地反相数据来最小化各自的上部页面内要被编程的比特数。 
根据本发明的另一方面，提供了一种包括每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备的系统，每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备包括：包括一个或多个电可擦的块的存储阵列。所述块包括一个或多个可重复编程的页面。所述可重复编程的页面包括共享公共字-线的上部和下部页面。所述上部和下部页面包括各自的上部和下部数据字段。所述上部和下部数据字段包括各自的MBC存储单元的虚拟上部和下部单元。所述MBC存储单元具有各自的阈值电压，所述阈值电压可从最低电压水平顺序编程到第一水平、第二水平、第三水平或第四水平中所选择的一个。编程下部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程到第二阈值电压水平，编程上部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程到第四阈值电压水平或者从第二阈值电压水平编程到第三阈值电压水平。该系统还包括控制器，用于写数据到所述存储阵列，其中所述控制器选择性地反相数据来最大化要被编程的下部页面内的比特数，并且选择性地反相数据来最小化各自的上部页面内要被编程的比特数。 
根据本发明的另一方面，提供了一种包括每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备的系统，每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备 包括具有一个或多个电可擦的块的存储阵列。所述块包括一个或多个可重复编程的页面。所述可重复编程的页面包括共享公共字-线的上部和下部页面。所述上部和下部页面包括各自的上部和下部数据字段。所述上部和下部数据字段包括各自的MBC存储单元的虚拟上部和下部单元。所述MBC存储单元具有各自的阈值电压，所述阈值电压可从最低电压水平顺序编程到第一水平、第二水平、第三水平或第四水平中所选择的一个。编程下部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程到第二阈值电压水平，编程上部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程到第四阈值电压水平或者从第二阈值电压水平编程到第三阈值电压水平。该系统还包括控制器，用于写数据到所述存储阵列，其中所述控制器选择性地反相数据来最大化要被编程的下部页面内的比特数，并且选择性地反相数据来最小化各自的上部页面内要被编程的比特数。 
根据本发明的又一方面，提供了一种编程每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的下部页面和上部页面的方法，所述方法包括下列步骤：计数下部数据字中为“0”的比特数；如果下部数据字中“0”的比特数少于总比特数的一半则反相下部数据字中的所有比特；用下部数据字编程下部页面；计数上部数据字中为“0”的比特数；如果上部数据字中“0”的比特数大于总比特数的一半则反相上部数据字中的所有比特；和用上部数据字编程上部页面。 
根据本发明的另一方面，提供了一种读取每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的数据的方法，包括下列步骤：感应页面内MBC单元的阈值电压；通过将所述阈值电压与预定的电压参考相比较来提供上部数据字；和如果设置有上部页面极性标志则反相所述上部数据字。 
根据本发明的另一方面，提供了一种读取每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的数据的方法，包括下列步骤：感应页面内MBC单元的阈值电压；通过将所述阈值电压与两个预定的电压参考相比较来提供下部数据字；和如果设置有下部页面极性标志则反相所述下部数据字。 
在本领域的许多其他公开技术中，术语单层单元(SLC)和多层单元(MLC)分别用于描述能够存储一个二进制位的数据或者多个二进制位的数据。在此公开文本中，为了清楚起见，术语每单元单比特(SBC)和每单元多比特(MBC)分别用于描述能够存储一个二进制位的数据的单元或者能够存储多个二进制位的数据的单元。 
注意，二进制数据的表示可以被任意地设计为表示0或者1的阈值电压的特定范围。为了方便，在此公开文本中，对于SBC存储器单元使用设计被擦除/未编程的单元表示为“1”且被编程的单元表示为“0”的一般惯例。 
同样，在此公开文本中，用于每单元存储M比特的MBC存储单元具有N＝2M个可能的状态(状态1、状态2、...状态n、...状态N-1、状态N)。根据惯例，以状态n存储在MBC存储单元中的数据值是n-1的二进制格雷码表示的1的补码(D＝dM-1dM-2...d1d0)，其中d0至dM-1分别表示存储在第一个页面至第M-1个页面中的比特。 
在特定情况下，其中M＝2且N＝4，第一个页面和第二个页面还分别被称为下部页面和上部页面。“11”的二进制值由被擦除存储单元的阈值电压的第一范围或第一状态表示，“10”的二进制值由存储单元的阈值电压的第二范围或第二状态表示，“00”的二进制值由存储单元的阈值电压的第三范围或第三状态表示，“01”的二进制由存储单元的阈值电压的第四范围或从最低电压水平按顺序的第四状态表示。 
因此，本发明提供了与在此之前的现有技术相比具有更紧密分布的被编程的单元阈值电压(Vth)、减小的电力消耗、减小的编程时间、和增强的装置可靠性的非易失性存储器装置。 
附图说明
根据下文结合附图的详细描述，本发明的其他特征和益处将变得显而易见，其中： 
图1是根据本发明的非易失性存储器设备的图； 
图2是图1所示的块的图； 
图3是图2所示的页面的图； 
图4是图3所示的每单元多比特(MBC)的存储单元的图； 
图5是图3所示的MBC存储单元的示例阈值电压分布图； 
图6是示出图4所示的MBC存储单元的替代表示的图； 
图7是示出图3所示的页面的替代表示的图； 
图8a至8c是图3所示的页面的MBC存储单元的示例阈值电压分布图； 
图9是根据本发明的将数据字编程到下部页面和上部页面的方法的流 程图； 
图10是图9所示的方法的更详细的流程图； 
图11和12是图10所示的方法中的步骤的流程图； 
图13和14是根据本发明的读取数据的方法的流程图； 
图15是根据本发明的包括图1所示的非易失性存储器设备的存储器系统的图； 
图16是根据本发明的非易失性存储器设备的图； 
图17是根据本发明的包括图16所示的非易失性存储器设备的存储器系统的图； 
图18是根据本发明的非易失性存储器设备的图； 
图19是根据本发明的包括图18所示的非易失性存储器设备的存储器系统的图； 
图20是根据本发明的非易失性存储器设备的图； 
图21是根据本发明的包括图20所示的非易失性存储器设备的根据本发明的存储器系统的图； 
图22A至22D是分别包括图15、17、19和21所示的存储器系统的电装置的图。 
注意，在所有的附图中，由相同的参考标记来标识相同的特征。 
具体实施方式
首先参考图1，示出了根据本发明的非易失性存储器(NVM)设备100的图。存储器设备100优选为闪速存储器，但是也可以是任意类型的EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。该存储器设备包括至少一个存储阵列102，该存储阵列102包括一个或多个存储块104。为了公开的目的，块被定义为存储器的可擦除部分。 
存储器设备100还包括控制器106，用于控制存储阵列的功能，诸如执行在接口110接收的命令，将在接口110接收的数据写入存储阵列102，从存储阵列102读取数据和提供数据给接口110，以及从块104擦除数据。控制器106包括极性控制112功能，其在下面详细描述。应该注意，极性控制112可以以硬件、软件、固件或其任意组合来实现，其仍在本发明的范围内。 
为清楚起见，存储阵列102和控制器106之间的互连108示为简单地 示意表示108。该互连108包括传统的存储器架构，例如本领域普通技术人员所公知的行解码器、字线、位线、列解码器、页面缓冲器和感应放大器。 
参考图2，示出了图1所示的块104的进一步细节。块104包括至少一个页面202。为了公开的目的，页面被定义为存储器的可写部分。字或数据字被定义为可以存储在页面中的二进制数。参数j被定义为数据字/页面的宽度。 
参考图3，示出了图2所示的页面202的进一步细节。页面202包括数据字段302和空闲字段304。数据字段302包括每单元多比特(MBC)存储器单元306的极性。空闲字段304包括极性标志308和传统纠错码(ECC)310，极性标志308将在下面详细描述。 
参考图4，示出图3所示的示出为306的MBC存储单元。MBC存储单元306的阈值电压402可被编程为N个预定的阈值电压中的一个。在该示例实施例中，选择N为4。4个预定的阈值电压404、406、408和410对应于状态1到4，从最低到最高值。 
在图5中，示出了页面202的阈值电压402的示例分布图。y轴502表示被编程到404、406、408和410的每个状态的单元数，x轴504表示对应于404、406、408和410的每个状态的阈值电压(Volts)。在该示例中，MBC存储单元202大约在4个预定的阈值电压404、406、408和410上均匀地分布。阈值电压优选地与理想的预定值有小的偏差并且与邻近的参考电压VRef1506、VRef2508和VRef3510有足够的裕度，以提供可靠的操作。不对称的预定参考电压506、508和510是常规阈值电压方案的一个示例。本发明还可适用于其它阈值电压方案，例如本申请人的共同待决美国申请No.2008/0062760中所描述的方案，该申请由Kim于2007年6月13日提交，名称为“FLASH MULTI-LEVEL THRESHOLD DISTRIBUTIONSCHEME”，该申请通过引用包含于此。 
图4所示的MBC单元306的表示是物理硬件的示意表示。替代地，MBC单元306可以表示为如图6所示。在此示例中，MBC存储单元306的4个状态404、406、408和410被表示为两个虚拟SBC(每单元单比特)单元602和604，其中每一个是每单元一个比特。通常，MBC存储单元中的状态数是N，则每个单元一个比特的虚拟单元数是M＝log2 N且N优选为2的整数次方。在此处所描述的实施例中，N＝4且M＝2。下部单元602 和上部单元604可使用两个不同的行地址来寻址。 
而且，如图7所示，图3所示的页面202可以被表示为包括虚拟下部页面702和虚拟上部页面712，其可以使用两个不同行地址独立地寻址。下部页面702和上部页面712包括各自的下部数据字段704和上部数据字段714以及各自的下部空闲字段706和上部空闲字段716。下部数据字段704和上部数据字段714包括各自的多个(j)下部单元602和上部单元604。下部空闲字段706和上部空闲字段716包括各自的下部页面极性标志708和上部页面极性标志718以及各自的下部ECC 710和上部ECC 720。 
另外的，块102内的多个下部页面702可以被称为下部平面(未示出)且块102内的多个上部页面712可以被称为上部平面(未示出)。这在本领域内被称作双平面或更一般地多平面架构，其中虽然每个平面物理共享相同的行解码器、字线和单元但是可以被独立地寻址。 
当块104被擦除，块中的所有MBC存储单元306都被设置为状态1404。状态1 404对应于已经被擦除且按照惯例被设定为数据值“11”的单元。状态2 406对应于数据值“10”，状态3 408对应于数据值“00”，状态4 410对应于数据值“01”。 
编程(存储“0”)下部单元602包括将MBC单元306从状态1 404编程为状态2 406的步骤。编程上部单元604包括将MBC单元306从状态1 404编程为状态4 410或者从状态2 406编程为状态3 408的步骤。 
一般地，编程M个虚拟单元中的第m个单元包括将MBC单元306从状态1、2、...至2m-1中的一个状态分别编程为状态2m、2m-1、...至2m+1+1中的一个状态的步骤。 
图8a至8c示出了页面202在擦除和写操作之后的示例分布802、804和806。在图8a中，在被擦除之后，所有的单元306都处于状态1 404。在图8b中，示出了下部数据字段704已经用数据字编程512之后的分布804，其中该数据字具有与“1”不同个数的“0”。注意，如下面进一步描述的，被编程512到状态2406的单元306比留在状态1 404的多。在图8c中，示出上部数据字段714已经用数据字编程514、516之后的分布806，其中该数据字具有与“1”不同个数的“0”。注意，如下面进一步描述的，较少的单元306分别被编程514、516到状态3 408和4 410。也应该注意，与状态1 404、状态2 406和状态3 408相比图8c中的状态4 410具有的单元数量最少。 
在图9中，示出了根据本发明将数据字编程到下部页面702和上部页面712的方法的流程图900。该方法包括用于通过选择性地反相要被编程到下部页面702的数据字来用比较多的“0”和较少的“1”编程下部页面702的步骤902；以及用于通过选择性地反相要被编程到上部页面712的数据字来用比较多的“1”和较少的“0”编程上部页面712的步骤904。应该注意步骤902和步骤904之间的虚线表示并不是在编程下部页面702之后就必须立刻编程相应的上部页面712。例如，在编程块104内的上部页面712之前，可以编程相应的多个下部页面702，其仍在本发明的范围内。 
图10是图9所示的流程图900所描绘的方法的更详细的流程图1000。编程下部页面的步骤902包括步骤：计数要被编程到下部页面702的数据字的“0”的个数1002；确定下部数据字中“0”的个数是否少于“1”的个数或者替代地小于j/2(字/页面宽度的一半)1004；如果是，则设置下部页面极性标志708 1006，并且反相下部数据字1008；如果不是，则清除该下部页面极性标志708 1012；以及将下部数据字编程到下部页面7021010(下面将进一步详细描述)。编程上部页面904的步骤包括步骤：计数要被编程到上部页面712的数据字的“0”的个数1014；确定上部数据字中“0”的个数是否多于“1”的个数或者替代地大于j/2 1016；如果是，则设置上部页面极性标志718 1018，并且反相上部数据字1020；如果不是，则清除该上部页面极性标志718 1024；以及将上部数据字编程1022到上部页面712(下面将进一步详细描述)。 
图11是图10中所示流程图1000所描绘的方法中用于将下部数据字编程到下部页面702的步骤1010的流程图。对于要被编程的数据字中的每一比特1102，如果数据比特是“1”则禁止编程1104或者使其保持在状态1 404；如果数据位是“0”则将单元从状态1 404编程516到状态2 406。 
图12是图10中所示流程图1000所描绘的方法中用于将上部数据字编程到上部页面712的步骤1022的流程图。首先，从与上部页面712共享相同字线的下部页面702读取下部数据字。然后，对于下部数据字和上部数据字中的每一比特，如果上部/下部数据比特是“11”1204、1206则禁止编程1208并且单元保持在状态1404；如果上部/下部数据比特是“10”1204、1206则将单元从状态1 404编程516到状态4 410；如果上部/下部数据比特是“01”1204、1212则禁止编程1214并且单元保持在状态2 406； 否则如果上部/下部数据比特是“00”1204、1212则将单元从状态2 406编程514到状态3 408。 
图13是根据本发明从上部页面712读取数据的方法的流程图1300。首先，从页面202的每个单元306感应1302阈值电压402；如果阈值电压不大于VRef21304且没有设置1306极性标志，则上部位是“1”1310；如果阈值电压不大于VRef21304且设置1306了极性标志，则上部位是“0”1308；如果阈值电压大于VRef21304且没有设置极性标志1307，则上部位是“0”1308；否则如果阈值电压大于VRef21304且设置1307了极性标志，则上部位是“1”1310。 
图14是根据本发明从下部页面702读取数据的方法的流程图1400。首先，从页面202的每个单元306感应1402阈值电压402；如果阈值电压小于VRef1或者大于VRef31404且没有设置1406极性标志，则下部位是“1”1410；如果阈值电压小于VRef1或者大于VRef31404且设置了极性标志1406，则上部位是“0”1408；如果阈值电压大于VRef1并且小于VRef31404且没有设置1407极性标志，则下部位是“0”1408；否则如果阈值电压大于VRef1并且小于VRef31404且设置了1407极性标志，则下部位是“1”1410。 
一般地，以传统方式感应MBC单元的阈值电压，如果所感应的阈值电压小于VRef1则所存储的值是N-1(所有的都是“1”或者0的格雷码表示的1的补码)，如果所感应的阈值电压在VRef(n-1)和VRefn之间则MBC单元中所存储的值是n-1的格雷码表示的1的补码，如果MBC存储单元的所感应的阈值电压大于VRef(n-1)则所存储的值是N-1的格雷码表示的1的补码。而且，如果设置了相应的极性标志，则反相从该MBC单元读取的值。 
可以按照从第M个页面到第一个页面的顺序来读取M个虚拟页面。对于读取第M个页面，将阈值电压与VRef(2 M-1 )相比较；然后对于读取第M-1个页面，将阈值电压与VRef(2 M-2 )和VRef3(2 M-2 )相比较；然后对于读取第M-2个页面，将阈值电压与VRef(2 M-3 )、VRef3(2 M-3 )、VRef5(2 M-3 )和VRef7(2 M-3 )相比较；等等，直到第一个页面，其中将阈值电压与VRef1、VRef3、VRef5，...VRef(N-1)相比较。 
图15是根据本发明的存储器系统1500的图。该系统1500包括存储器控制器1502，其具有主机接口1504和并行总线接口，该并行总线接口 用于连接如上面所述的具有极性控制112的一个或者多个非易失性存储器100。 
下面参考图16和17，示出了根据本发明的另一个非易失性存储器设备1600和系统1700，其中控制器106适于经由系统总线1506与具有极性控制112的存储器控制器1702相通信。 
在图18和19中，示出了根据本发明的另一个非易失性存储器设备1800和系统1900。非易失性存储器设备1800与图1中所示的设备100大致相同，除了其具有串行输入1802和串行输出1804，而不是并行接口110。存储器系统1900包括一个或者多个图18所示的非易失性存储器设备1800。具有主机接口1504、串行输出1904和串行输入1906的存储器控制器1902以例如下列方式控制存储系统1900，即，申请人的共同待决美国申请No.11/324,023中所描述的方式，该申请由Kim等人于2005年12月30日提交、名称为“MULTIPLE INDEPENDENT SERIAL LINKMEMORY”，该申请通过引用包含于此。 
图20和21示出了根据本发明的另一个非易失性存储器设备2000和系统2100，其中控制器106适于经由串行总线1904、1906与具有极性控制2104的存储器控制器2102相通信。该非易失性存储器设备2000与图16中所示的设备1600大致相同，除了其具有串行输入1802和串行输出1804，而不是并行接口110。存储器系统2100包括一个或者多个图20所示的非易失性存储器设备2000。具有主机接1504、串行输出1904和串行输入1906的存储器控制器2102以例如在前的申请No.11/324,023中所描述的方式控制存储系统2100。 
应该注意，虽然实施例中的系统具有并行接口(图15和17)和串行接口(图19和21)，但具有串行和并行接口的任意组合的系统也在本发明的范围内。 
虽然已经描述了包括每单元2比特的MBC存储单元的实施例，但是本发明也可适用于包括每单元多于2个比特的MBC存储单元的设备、方法和系统。 
总之，再次参考图4，每单元M比特的MBC存储单元306包括按顺序从Vth的最低值到最高值的N个状态(状态1、状态2、...状态n、...状态N-1、状态N)，其中，参见图5，状态n表示数据值(D)，其是n-1(n＝1至N)的格雷码值的1的补码，且其中D的LSB(最低有效位)至D的 MSB(最高有效位)表示在虚拟单元中存储的数据。将D的第m位编程到第m个虚拟单元包括将MBC存储单元从状态1、2、...2m-1中的一个分别编程到状态2m、2m-1、...2m-1+1中的一个。 
控制器选择性地反相要被编程的数据的极性以最大化在页面1至M-1中的每个页面中编程的比特数，并且选择性地反相要被编程的数据的极性以最小化在第M页面中编程的比特数。 
如以上所描述的，如图22A、22B、22C和22D所分别示出的，图15、17、19和21所示出的存储器系统还可以被嵌入到电装置2200中。电装置2200可以是例如记忆棒、固态硬盘(SSD)、膝上型计算机、桌上型计算机、个人数字助理(PDA)、音频播放器或者如这里所描述的本发明实施例的优点尤其有利于的类似装置。 
因此，本发明提供了用于编程每单元多比特的存储单元的设备、方法和系统，该每单元多比特的存储单元减少了用于编程给定字段的数据的最高编程状态的数量，并因此提供了与在此之前的现有技术相比具有更紧密分布的被编程的单元阈值电压(Vth)、减小的电力消耗、减小的编程时间、和增强的装置可靠性的非易失性存储器装置。 
上述的本发明的实施例仅用于示例。因此，本发明的范围并不仅仅是由所附的权利要求书所限制的。 
单元表 
  单元名称   参考标记
  非易失性存储器设备   100
  存储阵列   102
  块   104
  控制器   106
  互连   108
  接口   110
  极性控制   112
  页面   202
  数据字段   302
  空闲字段   304
  MBC存储单元   306
[0081] 
  极性标志   308
  纠错码(ECC)   310
  阈值电压   402
  状态/阈值电压1至4   404、406、408、410
  示例阈值电压分布   500
  纵轴，单元数   502
  横轴，电压   504
  参考电压1至3   506、508、510
  从状态1至2编程   512
  从状态2至3编程   514
  从状态1至4编程   516
  下部位   602
  上部位   604
  下部页面   702
  下部数据字段   704
  下部空闲字段   706
  下部极性标志   708
  下部ECC   710
  上部页面   712
  上部数据字段   714
  上部空闲字段   716
  上部极性标志   718
  上部ECC   720
  阈值电压分布   802、804、806
  编程方法的流程图   900
  编程下部页面   902
  902和904之间断开   903
  编程上部页面   904
  编程方法的详细流程图   1000
  编程下部页面的步骤   1002至1012
  编程上部页面的步骤   1014至1024
[0082] 
  编程下部数据字的步骤   1102至1104
  编程上部数据字的步骤   1202至1214
  读取上部数据字的流程图   1300
  读取上部数据字的步骤   1302至1310
  读取下部数据字的流程图   1400
  读取下部数据字的步骤   1402至1410
  存储器系统   1500
  存储器控制器   1502
  主机接口   1504
  并行总线   1506
  非易失性存储器   1600
  存储器系统   1700
  具有极性控制的存储器控制器   1702
  具有串行接口的非易失性存储器   1800
  串行输入接口   1802
  串行输出接口   1804
  具有串行互连的存储器系统   1900
  具有串行互连的存储器控制器   1902
  串行输出   1904
  串行输入   1906
  具有串行接口的非易失性存储器   2000
  存储器系统   2100
  具有串行接口和极性控制的存储器控制器   2102
  电装置   2200

Claims (37)

1.一种每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备，包括：
存储阵列，包括电可擦的块；
所述块包括可重复编程的页面；
所述可重复编程的页面包括共享公共字-线的上部和下部页面；
所述上部和下部页面包括各自的上部和下部数据字段；
所述上部和下部数据字段包括MBC存储单元各自的虚拟上部和下部单元；
所述MBC存储单元具有各自的阈值电压，所述阈值电压可从最低电压水平顺序编程为第一水平、第二水平、第三水平或第四水平中所选择的一个，
其中编程下部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程为第二阈值电压水平，和
编程上部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程为第四阈值电压水平或者从第二阈值电压水平编程为第三阈值电压水平；以及
控制器，用于写数据到所述存储阵列，其中所述控制器通过下述操作来控制极性，即，选择性地反相数据字来最大化要被编程的下部页面内的比特数，并且选择性地反相数据字来最小化在各自的上部页面内要被编程的比特数。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述上部和下部页面包括各自的上部和下部空闲字段。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述上部和下部空闲字段包括各自的上部和下部页面极性标志。
4.如权利要求1所述的设备，其中阈值电压的第一水平、第二水平、第三水平和第四水平被分别限定为上部和下部单元每一个的“11”、“10”、“00”和“01”的组合。
5.如权利要求4所述的设备，其中第一水平阈值电压表示被擦除状态。
6.如权利要求4所述的设备，其中第一水平阈值电压表示未被编程的上部单元和未被编程的下部单元。
7.如权利要求1所述的设备，其中第二水平阈值电压表示未被编程的上部单元和编程的下部单元。
8.如权利要求1所述的设备，其中第三水平阈值电压表示编程的上部单元和编程的下部单元。
9.如权利要求1所述的设备，其中第二水平阈值电压表示编程的上部单元和未被编程的下部单元。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括用于从所述存储阵列读取数据的装置，其中所述控制器包括用于从页面读取数据字的装置，用于将所述数据字解码成下部和上部数据字的装置，用于如果设置有下部页面极性标志则反相所述下部数据字的装置，和用于如果设置有上部页面极性标志则反相所述上部数据字的装置。
11.一种非易失性存储器(NVM)系统，包括：
每单元多比特(MBC)的非易失性存储器设备，其包括：
存储阵列，包括电可擦的块；
所述块包括可重复编程的页面；
所述可重复编程的页面包括共享公共字-线的上部和下部页面；
所述上部和下部页面包括各自的上部和下部数据字段；
所述上部和下部数据字段包括MBC存储单元的各自的虚拟上部和下部单元；
所述MBC存储单元具有各自的阈值电压，所述阈值电压可从最低电压水平顺序编程为第一水平、第二水平、第三水平或第四水平中所选择的一个，
其中编程下部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程为第二阈值电压水平，和
编程上部单元包括将各自的阈值电压从第一阈值电压水平编程为第四阈值电压水平或者从第二阈值电压水平编程为第三阈值电压水平；以及
控制器，用于写数据到所述存储阵列，其中所述控制器通过下述操作来控制极性，即，选择性地反相数据字来最大化要被编程的下部页面内的比特数，并且选择性地反相数据字来最小化在各自的上部页面内要被编程的比特数。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述上部和下部页面包括各自的上部和下部空闲字段。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述上部和下部空闲字段包括各自的上部和下部页面极性标志。
14.如权利要求11所述的系统，其中阈值电压的第一水平、第二水平、第三水平和第四水平被分别限定为上部和下部单元每一个的“11”、“10”、“00”和“01”的组合。
15.如权利要求14所述的系统，其中第一水平阈值电压表示被擦除状态。
16.如权利要求14所述的系统，其中第一水平阈值电压表示未被编程的上部单元和未被编程的下部单元。
17.如权利要求11所述的系统，其中第二水平阈值电压表示未被编程的上部单元和编程的下部单元。
18.如权利要求11所述的系统，其中第三水平阈值电压表示编程的上部单元和编程的下部单元。
19.如权利要求11所述的系统，其中第二水平阈值电压表示编程的上部单元和未被编程的下部单元。
20.如权利要求11所述的系统，其中所述控制器包括用于从所述存储阵列读取数据的装置，其中所述控制器包括用于感应页面内MBC单元的阈值电压的装置，用于通过将所述阈值电压与预定的电压参考相比较来提供上部数据字的装置，和用于如果设置有上部页面极性标志则反相所述上部数据字的装置。
21.如权利要求11所述的系统，其中所述控制器包括用于从所述存储阵列读取数据的装置，其中所述控制器包括用于感应页面内MBC单元的阈值电压的装置，用于通过将所述阈值电压与两个预定的电压参考相比较来提供下部数据字的装置，和用于如果设置有下部页面极性标志则反相所述下部数据字的装置。
22.一种编程每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的下部页面和上部页面的方法，所述方法包括下列步骤：
计数下部数据字中为“0”的比特数；
如果下部数据字中“0”的比特数少于总比特数的一半则反相下部数据字中的所有比特；
用下部数据字编程下部页面；
计数上部数据字中为“0”的比特数；
如果上部数据字中“0”的比特数大于总比特数的一半则反相上部数据字中的所有比特；和
用上部数据字编程上部页面。
23.如权利要求22所述的方法，其中反相下部数据字中所有比特的步骤包括设置下部页面极性标志的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其中反相上部数据字中所有比特的步骤包括设置上部页面极性标志的步骤。
25.如权利要求22所述的方法，进一步包括清除下部页面极性标志的步骤。
26.如权利要求22所述的方法，进一步包括清除上部页面极性标志的步骤。
27.一种读取每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的数据的方法，所述非易失性存储器包括可重复编程的页面，所述可重复编程的页面包括具有相应的上部和下部页面极性标志的上部和下部页面，所述方法包括下列步骤：
感应页面内MBC单元的阈值电压；
通过将所述阈值电压与预定的电压参考相比较来提供上部数据字；和
如果设置了所述上部页面极性标志则反相所述上部数据字。
28.如权利要求27所述的方法，其中反相上部数据字的步骤包括从所述上部页面的空闲字段读取上部页面极性标志的步骤。
29.一种读取每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的数据的方法，所述非易失性存储器包括可重复编程的页面，所述可重复编程的页面包括具有相应的上部和下部页面极性标志的上部和下部页面，所述方法包括下列步骤：
感应页面内MBC单元的阈值电压；
通过将所述阈值电压与两个预定的电压参考相比较来提供下部数据字；和
如果设置了所述下部页面极性标志则反相所述下部数据字。
30.如权利要求29所述的方法，其中反相下部数据字的步骤包括从所述下部页面的空闲字段读取下部页面极性标志的步骤。
31.一种每单元多比特(MBC)非易失性存储器设备，包括：
存储阵列，包括电可擦的块；
所述块包括可重复编程的页面；
所述可重复编程的页面包括共享公共字-线的M个虚拟页面；
所述M个虚拟页面包括各自的数据字段；
每个数据字段包括每单元M比特的MBC存储单元的各自的虚拟单元；
所述MBC存储单元具有可编程为N个电平中所选择的一个的阈值电压，
其中N＝2M，并且
其中编程MBC存储单元的M个比特的第m比特包括将所述MBC存储单元从状态1...2m-1中的一个分别编程为2m...2m-1+1状态中的一个；和
用于写数据到所述存储阵列的控制器，其中所述控制器通过下述操作来控制极性，即，选择性地反相要被编程到第一至第(M-1)个虚拟页面的相应数据字的极性来最大化在前(M-1)个虚拟页面的每一个内要被编程的比特数，并且选择性地反相要被编程到第M虚拟页面的相应数据字的极性来最小化在第M虚拟页面内要被编程的比特数。
32.一种包括包含用于读取数据的装置的每单元多比特(MBC)非易失性存储器的系统，所述非易失性存储器包括可重复编程的页面，所述可重复编程的页面包括具有相应的上部和下部页面极性标志的上部和下部页面，所述系统包括：
用于感应页面内MBC单元的阈值电压的装置；
用于通过将所述阈值电压与预定的电压参考相比较来提供上部数据字的装置；和
如果设置了所述上部页面极性标志则反相所述上部数据字的装置。
33.如权利要求32所述的系统，其中用于反相上部数据字的装置包括用于从所述上部页面的空闲字段读取上部页面极性标志的装置。
34.一种用于读取每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的数据的存储器控制器，所述非易失性存储器包括可重复编程的页面，所述可重复编程的页面包括具有相应的上部和下部页面极性标志的上部和下部页面，所述存储器控制器包括：
用于感应页面内MBC单元的阈值电压的装置；
用于通过将所述阈值电压与预定的电压参考相比较来提供上部数据字的装置；和
如果设置了所述上部页面极性标志则反相所述上部数据字的装置。
35.如权利要求34所述的存储器控制器，其中用于反相上部数据字的装置包括用于从所述上部页面的空闲字段读取上部页面极性标志的装置。
36.一种用于读取每单元多比特(MBC)非易失性存储器中的数据的存储器控制器，所述非易失性存储器包括可重复编程的页面，所述可重复编程的页面包括具有相应的上部和下部页面极性标志的上部和下部页面，所述存储器控制器包括：
用于感应页面内MBC单元的阈值电压的装置；
用于通过将所述阈值电压与两个预定的电压参考相比较来提供下部数据字的装置；和
如果设置了所述下部页面极性标志则反相所述下部数据字的装置。
37.如权利要求36所述的存储器控制器，其中用于反相下部数据字的装置包括用于从所述下部页面的空闲字段读取下部页面极性标志的装置。
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