CN103971746B - 固态存储装置及其数据擦除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固态存储装置的数据擦除方法。该固态存储装置具有一存储器模块,其中该存储器模块具有一区块,且该区块内存储有欲被擦除的数据,该数据擦除方法包括下列步骤:进行第一次擦除该区块;编程被第一次擦除后的该区块;以及进行第二次擦除该区块。

Description

固态存储装置及其数据擦除方法
技术领域
本发明是有关于一种固态存储装置,且特别是有关于一种固态存储装置及其数据擦除方法。
背景技术
众所周知,固态存储装置(Solid State Drive,简称SSD)使用非挥发性存储器(non-volatile memory)为主要存储元件。也就是说,当数据写入非挥发性存储器后,一旦系统电源关闭,数据仍保存在固态存储装置中。其中,非挥发性存储器可为闪存(flashmemory)。
一般来说,闪存的每个单元(cell)内包括一个浮动栅晶体管(floatinggatetransistor),其利用浮动栅晶体管中的浮动栅(floating gate)来存储热载流子(hotcarrier),并根据热载流子存储量的多少来决定该浮动栅晶体管的存储状态。
基本上,根据每个单元可存储的数据位数可分为单层单元(Single-Level Cell,简称SLC)存储器及多层单元(Multi-Level Cell,简称MLC)存储器。单层单元存储器中的单元可存储一个位(bit),且可以区别二个存储状态;多层单元存储器的单元可存储二个以上的位,且可以区别四个以上的存储状态。以可存储二个位的多层单元为例,其可以区别四个存储状态。
请参照图1,其所绘示为多层单元(MLC)的临界电压(threshold voltage)分布示意图,其以存储二个位的单元为例。当单元未被编程(program)时,其浮动栅极中并未有任何热载流子,此时单元的临界电压最低,例如约为0V,且可视为存储状态“11”。
在编程周期时,若提供第一编程电压(Vp1),使少数热载流子注入浮动栅极,此时单元的临界电压升高至例如约为10V,且可视为存储状态“10”。在编程周期时,若提供第二编程电压(Vp2),则会有较多的热载流子注入浮动栅极,此时单元的临界电压升高至例如约为20V,且可视为存储状态“01”。在编程周期时,若提供第三编程电压(Vp3),则会有最多的热载流子注入浮动栅极,此时单元的临界电压升高至例如约为30V,且可视为存储状态“00”。其中,上述的三个编程电压的大小关系为Vp3>Vp2>Vp1。
由于浮动栅极晶体管被编程后,会一并改变其临界电压。也就是说,具有较高的临界电压的浮动栅极晶体管需要较高的栅极电压(gate voltage)来开启(turn on)浮动栅晶体管;反之,具有较低的临界电压的浮动栅极晶体管则可以用较低的栅极电压来开启浮动栅晶体管。
因此,在固态存储装置的编程周期时,利用编程电压的大小来控制注入浮动栅极的热载流子量,进而改变其临界电压以产生不同的存储状态,用以表示不同的存储数据。而在读取周期(read cycle)时,固态存储装置中的感测电路(sensing circuit)即可根据浮动栅晶体管的临界电压来决定其存储状态。
一般来说,固态存储装置在尚未开始使用前,即尚未将数据编程于闪存时,闪存内的单元处于具有最低临界电压的存储状态。以图1的存储状态为例,闪存在尚未开始使用前,闪存内的单元处于存储状态“11”。
请参照图2,其所绘示为现有固态存储装置的使用方法示意图。一般来说,固态存储装置在开始使用之后,可将数据编程于闪存中(步骤S202)。
当完成数据编程后,即可让主机(host)来读取闪存中的数据(步骤S204)。基本上,闪存中的数据被读取的次数并不会受限制。
当闪存中的数据不再被使用时,即可进行擦除周期以擦除闪存中的数据(步骤S206)。其中,固态存储装置在进行擦除周期时,其提供一擦除电压进行擦除。
当固态存储装置完成擦除周期后,闪存中的单元会变为擦除状态,且可再次用来进行编程数据的用途(步骤S202)。一般而言,单元的擦除状态即为临界电压最低的存储状态,以存储二个位的单元为例,当单元被擦除后,其会恢复到存储状态“11”。
一般来说,固态存储装置的使用寿命与擦除的次数有密切的关系。其主要是因为当完成擦除周期后,单元应恢复到存储状态“11”,即单元的浮动栅极中并未有任何热载流子的状态,然而,实际上在完成擦除周期后,部分热载流子会残留在浮动栅极中,其并无法完全被移除,且在后续多次的数据编程及擦除的周期中,会使热载流子残留于浮动栅极与栅极氧化层中的数量持续累积,进而造成固态存储装置的使用寿命减少。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种固态存储装置的数据擦除方法,其可有效地降低残留于浮动栅极与栅极氧化层中的热载流子的数量,避免热载流子的残留数量持续累积,使固态存储装置的使用寿命提高。
本发明的目的是提出一种固态存储装置的数据擦除方法,该固态存储装置具有一存储器模块,其中该存储器模块具有一区块,且该区块内存储有欲被擦除的数据,该数据擦除方法包括下列步骤:进行第一次擦除该区块;编程被第一次擦除后的该区块;以及进行第二次擦除该区块。
本发明有关于一种固态存储装置,包含:一存储器模块,具有一区块,且该区块内存储有欲被擦除的数据;一控制单元,用以在一编程周期中,提供一编程电压于该存储器模块,以及用以在一擦除周期中,进行第一次擦除该区块;编程被第一次擦除后的该区块;以及进行第二次擦除该区块。
为了对本发明之上述及其他方面有更佳的了解,下文特举优选实施例,并配合所附附图,作详细说明如下:
附图说明
图1所绘示为多层单元(MLC)的临界电压分布示意图。
图2所绘示为现有固态存储装置的使用方法示意图。
图3所绘示为本发明固态存储装置的功能方块示意图。
图4所绘示为本发明固态存储装置的使用方法示意图。
【主要元件符号说明】
S202~S206:步骤流程;
S302~S310:步骤流程;
100:固态存储装置;
110:控制单元;
130:电压产生单元;
150:存储器模块。
具体实施方式
一般来说,固态存储装置的使用寿命除了与擦除的次数有关系外,其也与被擦除前的存储状态有关。以存储二个位的单元为例,假设固态存储装置重复对单元进行编程为存储状态“00”并且擦除为存储状态“11”的循环,则大约在重复编程及擦除1000次左右后,该固态存储装置即无法针对上述的单元再次进行编程。也就是说,上述的单元已无法再使用。
或者,当固态存储装置重复对单元进行编程为存储状态“01”并且擦除为存储状态“11”的循环,则大约在重复编程及擦除2000次左右后,该固态存储装置即无法针对上述的单元再次进行编程。
或者,当固态存储装置重复对单元进行编程为存储状态“10”并且擦除为存储状态“11”的循环,则大约在重复编程及擦除3000次左右后,该固态存储装置即无法针对上述的单元再次进行编程。
上述可重复编程及擦除的次数的差异主要在于所编程的存储状态与擦除后的存储状态间的临界电压差异大小。由于单元为存储状态“00”时的临界电压与单元为存储状态“11”时的临界电压之间的差异最大,因此当单元由存储状态“00”被擦除而恢复至存储状态“11”时,其最有可能造成浮动栅极以及栅极氧化层(gate oxide)的缺陷,并使得热载流子陷入缺陷中无法排除。因此,在重复的编程及擦除下,残留在浮动栅极以及栅极氧化层中的热载流子数量会快速地累积,进而造成单元寿命的恶化。
相对地,由于单元为存储状态“10”时的临界电压与单元为存储状态“11”时的临界电压之间的差异最小,因此当单元由存储状态“10”被擦除而恢复至存储状态“11”时,热载流子很容易可以从浮动栅极以及栅极氧化层(gateoxide)中排除。因此,在重复的编程及擦除下,热载流子不易残留在浮动栅极以及栅极氧化层中,因而不会造成累积,如此单元可被编程及擦除的次数便可增加。
换句话说,若单元被擦除前的存储状态的临界电压与单元的擦除状态的临界电压之间的差异值愈小,则在擦除时,热载流子愈容易从浮动栅极以及栅极氧化层(gateoxide)中排除,热载流子愈不容易残留在浮动栅极以及栅极氧化层中。
然而,由于存储的数据一般为随机的数据,因此部分单元有可能会重复被编程为具有较高临界电压的存储状态并被擦除。为了让固态存储装置在随机的存储数据下,其在擦除周期后仍可残留较少的热载流子于浮动栅极与栅极氧化层中,本发明提出一种固态存储装置的擦除方法,其在擦除周期中先进行第一次擦除编程,之后利用一个较低的一编程电压,将已经擦除的区块进行编程,之后再进行第二次擦除编程。
请参照图3,其所绘示为本发明固态存储装置的功能方块示意图。固态存储装置100包含一控制单元110、一电压产生单元130及一存储器模块150。存储器模块150用以存储数据且具有多个单元,每个单元具有一擦除状态及至少二存储状态,且擦除状态为二存储状态中的具有最低临界电压的存储状态。以存储二个位的单元为例,每个单元具有一擦除状态(存储状态“11”)及四个存储状态(存储状态“11”、“10”、“01”、“00”),其中擦除状态为四个存储状态中具有最低临界电压的存储状态(存储状态“11”)。
电压产生单元130用以提供一编程电压于存储器模块150以变更单元的存储状态,借以将数据存储于存储器模块150内;并用以提供一擦除电压于存储器模块150以将单元变更为擦除状态,借以将存储于存储器模块150内的数据擦除。
控制单元110用以控制电压产生单元130产生编程电压及擦除电压的时机及大小。在编程周期时,控制单元110控制电压产生单元130根据不同的存储状态产生对应的编程电压于存储器模块150中欲进行数据存储的区块,以将区块内的单元变更为对应的存储状态,借以将对应的数据存储于存储器模块150内。
在本发明实施例中,在擦除周期时,控制单元110控制电压产生单元130第一次提供擦除电压于存储器模块150中欲进行数据擦除的区块,以将区块内的单元变更为擦除状态;接着,控制单元110控制电压产生单元130提供一暂时编程电压于上述区块,以将区块内的单元变更为一暂时存储状态;接着,控制单元110控制电压产生单元130第二次提供擦除电压于上述区块,以完成数据擦除周期。
在本发明实施例中,暂时编程电压小于将单元编程为具有最大临界电压的存储状态的编程电压;而暂时存储状态的临界电压介于擦除状态的临界电压与具有最大临界电压的存储状态的临界电压之间。
请参照图4,其所绘示为本发明固态存储装置的使用方法示意图。根据本发明的实施例,固态存储装置在开始使用之后,可将数据编程于存储器模块150中(步骤S302)。当固态存储装置完成数据编程后,即可让主机(host)来读取存储于存储器模块150中的数据(步骤S304)。基本上,固态存储装置中数据被读取的次数并不会受限制。
当存储于存储器模块150的部分区块的数据不再使用时,即利用第三图虚线方框所示的擦除周期400来擦除上述区块中的存储数据。首先,定义需要进行数据擦除的区块(步骤S305)。接着,进行第一次擦除上述区块中的数据(步骤S306)。为了防止热载流子的残留,接着提供一暂时编程电压来再次编程上述区块(步骤S308)。之后,进行第二次擦除上述区块(步骤S310),以完成擦除周期。而固态存储装置完成擦除周期后,其内部的数据已经确定残留较少的热载流子,因此可再次用来进行将数据编程于存储器模块的用途(步骤S302)。
在步骤S305中,控制单元110可先判断存储在存储器模块150中的数据的有效性,并将存储有无效数据的区块标示出来,以进行后续的数据擦除周期,使区块的空间可再次被利用来存储新的数据。当需要进行数据擦除的区块被定义出来后,在步骤S306中,控制单元110控制电压产生单元130产生一擦除电压于上述区块,以进行第一次擦除区块内的数据。
接着,在步骤S308中,控制单元110控制电压产生单元130产生一暂时编程电压来再次编程上述区块,使区块内的单元被编程为一暂时存储状态。在本发明实施例中,暂时编程电压小于将存储器模块中的单元编程为具有最大临界电压的存储状态的编程电压;而暂时存储状态的临界电压介于擦除状态的临界电压与具有最大临界电压的存储状态的临界电压之间。最后,在步骤S310中,控制单元110控制电压产生单元130再次产生擦除电压于上述区块进行第二次擦除区块内的数据,以完成数据擦除周期。
以多层单元(MLC)且存储二个位的单元为例来作进一步的说明。每一个单元可具有4个存储状态,当提供第三编程电压(Vp3)于单元时,可将单元的存储状态由存储状态“11”变更至存储状态“00”。其中,存储状态“00”具有最大的一临界电压,而存储状态“11”具有最小的临界电压,如图1所示。在上述的4个存储状态中,具有最小的临界电压的存储状态“11”也为单元的擦除状态。
在固态存储装置使用的过程中,先将数据编程于该存储器模块中;之后,即可以读取该存储器模块中的数据。当针对存储器模块中的部分存有无效数据的区块进行擦除周期时,先第一次擦除该区块中的数据;接着,以一暂时编程电压(例如Vpt)来编程该区块;以及第二次擦除该区块中的数据。其中,Vp3>Vpt。
在一实施例中,暂时编程电压(Vpt)可设定为小于将单元编程为具有最大临界电压的存储状态的编程电压(例如:第三编程电压(Vp3))的任意编程电压,其可将单元编程为暂时存储状态,且此暂时存储状态的临界电压介于擦除状态的临界电压与具有最大临界电压的存储状态的临界电压之间。
在另一实施例中,由于将单元编程为存储状态“10”的第一编程电压(Vp1)及将单元编程为存储状态“01”的第二编程电压(Vp2)都小于第三编程电压(Vp3),因此在此实施例中,暂时编程电压(Vpt)可设定为将单元编程为存储状态“10”的第一编程电压(Vp1)或为将单元编程为存储状态“01”的第二编程电压(Vp2)。当暂时编程电压(Vpt)为第一编程电压(Vp1)时,区块内的单元被编程为存储状态“10”的暂时存储状态;当暂时编程电压(Vpt)为第二编程电压(Vp2)时,区块内的单元被编程为存储状态“01”的暂时存储状态。
由以上的说明可知,当固态存储装置进入擦除周期时,会先以擦除电压来第一次擦除存储器模块中的数据。为了要防止热载流子的残留,本发明先利用较低的暂时编程电压来再次编程存储器模块。之后,再以擦除电压来第二次擦除存储器模块中的数据。
当然,上述的擦除周期以MLC固态存储装置为例来作说明,当然本发明也可以运用于SLC固态存储装置。利用本发明的擦除周期,即可以有效地降低热载流子的残留并且延长固态存储装置的寿命。
综上所述,虽然本发明已以优选实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更改与修饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (8)

1.一种固态存储装置的数据擦除方法,其特征在于,该固态存储装置具有一存储器模块,其中该存储器模块具有一区块,且该区块内存储有欲被擦除的数据,该数据擦除方法包括下列步骤:
进行第一次擦除该区块;
编程被第一次擦除后的该区块;以及
进行第二次擦除该区块,
其中该存储器模块包含多个单元,且每一单元具有至少二个存储状态,其中编程被第一次擦除后的该区块的步骤包含:提供一暂时编程电压于该区块,其中该暂时编程电压小于一编程电压,该编程电压用以将该单元编程为具有最大临界电压的存储状态。
2.根据权利要求1所述的数据擦除方法,其中该存储器模块包含多个单元,且每一单元具有一擦除状态及至少二个存储状态,其中编程被第一次擦除后的该区块的步骤包含:将该区块内的单元编程为一暂时存储状态,其中该暂时存储状态的临界电压介于该擦除状态的临界电压与具有最大临界电压的该存储状态的临界电压之间。
3.根据权利要求1所述的数据擦除方法,其中进行第一次擦除该区块的步骤包含:提供一擦除电压于该区块。
4.根据权利要求1所述的数据擦除方法,其中进行第二次擦除该区块的步骤包含:提供一擦除电压于该区块。
5.一种固态存储装置,其特征在于,包含:
一存储器模块,具有一区块,且该区块内存储有欲被擦除的数据;
一控制单元,用以在一编程周期中,提供一编程电压于该存储器模块,以及用以在一擦除周期中,进行第一次擦除该区块;编程被第一次擦除后的该区块;以及进行第二次擦除该区块,
其中该存储器模块包含多个单元,且每一单元具有至少二个存储状态,其中在该擦除周期中,该控制单元提供一暂时编程电压用以编程被第一次擦除后的该区块,其中该暂时编程电压小于一最大编程电压,该最大编程电压用以将该单元编程为具有最大临界电压的存储状态。
6.根据权利要求5所述的固态存储装置,其中该存储器模块包含多个单元,且每一单元具有一擦除状态及至少二个存储状态,其中在该擦除周期中,该控制单元编程被第一次擦除后的该区块,将该区块内的单元编程为一暂时存储状态,其中该暂时存储状态的临界电压介于该擦除状态的临界电压与具有最大临界电压的该存储状态的临界电压之间。
7.根据权利要求5所述的固态存储装置,其中在该擦除周期中,该控制单元提供一擦除电压于该区块,以进行第一次擦除该区块。
8.根据权利要求5所述的固态存储装置,其中在该擦除周期中,该控制单元提供一擦除电压于该区块,以进行第二次擦除该区块。
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