CN109509503B - 编程非易失性存储器的方法及存储器系统 - Google Patents

Abstract

一种编程非易失性存储器的方法及一种存储器系统。非易失性存储器的多个存储单元的每一存储单元存储具有至少2位的数据。此方法包括以下步骤。提供至少一编程脉冲以编程多个存储单元的一目标存储单元。提供至少一编程验证脉冲以验证目标存储单元是否为编程成功。判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于编程验证电压。当目标存储单元的阈值电压大于或等于编程验证电压，设定目标存储单元为编程成功。接着，对编程成功的存储单元执行一再验证程序。再验证程序包括判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于一再验证电压。

Description

编程非易失性存储器的方法及存储器系统

技术领域

本发明是有关于一种非易失性存储器，且特别是有关于一种编程非易失性存储器的方法及存储器系统。

背景技术

近年来，非易失性存储器广泛的使用于各种电子设备，例如个人计算机、笔记本电脑、智能型手机、平板计算机等。非易失性存储器包括了一存储单元数组。非易失性存储器的体积越来越小，而更多的位被存储在一个存储单元中以增加存储器的密度(density)。使用多阶存储单元(multi-level cell,MLC)技术以提高存储器密度。

依据量子力学，当存储器的体积愈小，存储器中的量子的影响就愈大。读取存储器的存储单元时的噪声变动(noise fluctuation)将会影响存储器读取时的可靠性。

因此，需要一个编程非易失性存储器的方法及一存储器系统，以减少读取存储器的存储单元时的噪声变动的影响。

发明内容

本发明有关于一种编程非易失性存储器的方法及一种存储器系统。通过本发明，施加一再验证脉冲至已编程成功的非易失存储器的存储单元，并且施加一再编程脉冲至已编程成功的存储单元中的部分目标存储单元，以编程这些目标存储单元及提高这些目标存储单元的阈值电压。包含这些目标存储单元的阈值电压分布将被缩短且变得较为紧密，可降低读取存储器的存储单元时的噪声变动的影响。

根据本发明的一方面，提出一种在编程期间编程非易失性存储器的方法。该非易失性存储器包括多个存储单元。部分这些存储单元的每一存储单元存储至少具有2位的数据。该方法包括以下步骤。提供至少一编程脉冲以编程这些存储单元的一目标存储单元。施加至少一编程验证脉冲至该目标存储单元。在该目标存储单元的一阈值电压大于或等于一编程验证电压的情况下，设定该目标存储单元为编程成功。以及在该目标存储单元被设定为编程成功的情况下，对该目标存储单元执行一再验证操作，该再验证操作包括施加至少一再验证脉冲至该目标存储单元。

根据本发明的另一方面，提出一种在编程期间编程非易失性存储器的方法。该非易失性存储器包括多个存储单元。部分这些存储单元的每一存储单元存储至少具有2位的数据。该方法包括以下步骤。提供至少一编程脉冲。提供至少一编程验证脉冲。使能一编程成功信号。以及在使能该编程成功信号后，提供至少一再验证脉冲。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附附图详细说明如下：

附图说明

图1A绘示依照本发明一实施例的多阶存储单元的阈值电压分布示意图。

图1B绘示依照本发明一实施例的多阶存储单元的阈值电压分布示意图。

图1C绘示依照本发明一实施例的读取存储单元时的噪声变动的示意图。

图2绘示依照本发明一实施例的一存储器系统的方块图。

图3绘示依照本发明一实施例的编程非易失性存储器的方法的流程图。

图4绘示依照本发明一实施例的信号波形图。

【符号说明】

20：存储器系统

202：控制器

204：非易失性存储器数组

S302～S324：流程步骤

400、418：电压电平

402：编程脉冲

404：编程验证脉冲

406：编程成功信号

408：使能再验证操作信号

410：再验证脉冲

412：再编程脉冲

414：完成编程验证信号

PV、PV1、PV2、PV3：编程验证电压

Vt：阈值电压

W1、W2、W3、W1’、W2’、W3’：存储窗口

具体实施方式

以下提出各种实施例进行详细说明，然而，实施例仅用以作为范例说明，并不会限缩本发明欲保护的范围。此外，实施例中的附图省略部分元件，以清楚显示本发明的技术特点。在所有附图中相同的标号将用于表示相同或相似的元件。

请参照图1A，其绘示依照本发明一实施例的多阶存储单元的阈值电压分布示意图。在本范例中，如图1A所示，一存储器数组的每一存储单元存储2位的数据，以及每一多阶存储单元具有四个逻辑状态，即“11”、“10”、“00”及“01”，以表示每一存储单元具有2位数据。在本范例中，编程验证电压PV1用以确定逻辑状态“10”的阈值电压分布的低边界(lowboundary)。相似地，编程验证电压PV2和PV3分别用于确定逻辑状态“00”和“01”的阈值电压分布的低边界。逻辑状态“11”的阈值电压分布的高边界与逻辑状态“10”的阈值电压分布的低边界之间的区域被定义为存储窗口(window)W1。逻辑状态“10”的阈值电压分布的高边界与逻辑状态“00”的阈值电压分布的低边界之间的区域被定义为存储窗口W2。逻辑状态“00”的阈值电压分布的高边界与逻辑状态“01”的阈值电压分布的低边界之间的区域被定义为存储窗口W3。

请参照图1B，其绘示依照本发明一实施例的多阶存储单元的阈值电压分布示意图。因为存储单元的随机电报噪声(random telegraph noise,RTN)特性，逻辑状态“10”的阈值电压分布具有低于编程验证电压PV1的一「尾巴」分布，且逻辑状态“00”及“01”的阈值电压分布亦分别具有低于编程验证电压PV2及PV3的「尾巴」分布。存储单元的噪声变动造成阈值电压分布具有这样的额外尾巴分布，各阈值电压分布的「尾巴」以阴影表示。阈值电压分布的「尾巴」使存储窗口W1、W2及W3变窄。图1B的存储窗口W1’、W2’及W3’的宽度小于图1A的存储窗口W1、W2及W3的宽度。存储窗口W1’为图1B中的逻辑状态“11”的阈值电压分布的高边界与具有「尾巴」的逻辑状态“10”的阈值电压分布的低边界之间的区域。存储窗口W2’为图1B中的逻辑状态“10”的阈值电压分布的高边界与具有「尾巴」的逻辑状态“00”的阈值电压分布的低边界之间的区域。存储窗口W3’为图1B中的逻辑状态“00”的阈值电压分布的高边界与具有「尾巴」的逻辑状态“01”的阈值电压分布的低边界之间的区域。

图1C绘示依照本发明一实施例读取图1B中位于阈值电压分布的「尾巴」部分的存储单元时的噪声变动的示意图。在第一次读取此存储单元时，此存储单元的阈值电压小于编程验证电压PV，但在第十次读取此存储单元时，此存储单元的阈值电压大于编程验证电压PV。意即，位于「尾巴」部分的存储单元的阈值电压有时会小于编程验证电压PV，有时会大于编程验证电压PV。存储单元的阈值电压存在极大的变化，并且可以在存储单元的电性特性中观察到噪声变动。噪声变动影响了存储窗口的宽度。

图2绘示依照本发明一实施例的一存储器系统20的方块图。存储器系统包括一控制器202及一非易失性存储器数组204。非易失性存储器数组包括多个存储区块，且每一存储区块包括多个存储器页面。每一存储器页面包括多个存储单元。举例来说，非易失性存储器数组204为一只读存储器(read-only memory,ROM)、可编程只读存储器(programmableread-only memory,PROM)、电可改写只读存储器(electrically alterable read onlymemory,EAROM)、擦除式可编程只读存储器(erasable programmable read only memory,EPROM)、电子擦除式可编程只读存储器(electrically erasable programmable readonly memory,EEPROM)或任何型式的二维及三维闪存。

控制器202耦接于非易失性存储器数组204。举例来说，控制器202可以例如是通过使用一芯片、芯片内的一电路区块、一固件电路、含有数个电子元件及导线的电路板或存储多组程序代码的一存储媒体来实现，也可通过计算机系统、嵌入式系统、手持式装置、服务器等电子装置执行对应软件、固件或程序来实现。控制器202用以响应经由一总线来自一接口(未绘示于图2)的部分外部指令，控制非易失性存储器数组204的操作模式。举例来说，接口为一输入/输出接口(input/out interface)。操作模式为编程(写入)模式、读取模式及擦除模式之一。

控制器202提供至少一编程脉冲以编程非易失性存储器数组204的存储单元，以及提供至少一编程验证脉冲以验证被编程的存储单元是否为编程成功。举例来说，在图1A及图1B中，编程验证电压PV3是用以验证应被编程至逻辑状态“01”的存储单元是否为编程成功。编程验证电压PV2是用以验证应被编程至逻辑状态“00”的存储单元是否为编程成功。编程验证电压PV1是用以验证应被编程至逻辑状态“10”的存储单元是否为编程成功。

以非易失性存储器数组204的每一存储单元存储2位数据，每一存储单元具有4个逻辑状态为例，如图1A及图1B所示。在编程操作中，当应被编成为逻辑状态“10”的存储单元被编程至逻辑状态“11”，此存储单元被设定为编程不成功或编程失败。相似地，当应被编成为逻辑状态“00”的存储单元被编程至逻辑状态“11”或逻辑状态“10”，此存储单元被设定为编程不成功。当应被编成为逻辑状态“01”的存储单元被编程至逻辑状态“11”、逻辑状态“10”或逻辑状态“00”，此存储单元被设定为编程不成功。

请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的编程非易失性存储器的方法的流程图。图3绘示的编程非易失性存储器的方法的流程图可应用于如图2所示的存储器系统20。为了清楚说明上述各项元件的运作以及本发明实施例的编程非易失性存储器的方法，以下将搭配图2的流程图详细说明如下。然而，本发明所属技术领域中具有通常知识者均可了解，本发明实施例的方法并不局限应用于图2的存储器系统20，也不局限于图3的流程图的各项步骤顺序。

请参照图2、3及4。图4绘示依照本发明一实施例的信号波形图。依据本发明的一实施例，在步骤S302，控制器202由一接口接收一编程操作指令以改变非易失性存储器数组204的操作模式为编程模式，以及开始一编程验证操作。编程验证操作包括编程非易失性存储器数组204的存储单元的一目标存储单元，以及验证目标存储单元是否编程成功。以下步骤S304至S324的操作皆于编程操作期间执行。

于步骤S304，控制器202提供至少一编程脉冲(例如图4的脉冲402)以编程非易失性存储器数组204的存储单元的目标存储单元，然后，于步骤S306，控制器202提供至少一编程验证脉冲(例如图4的脉冲404)至目标存储单元，以验证被编程的目标存储单元是否成功被编程。也就是说，施加至少一编程验证脉冲至目标存储单元，以验证被编程的目标存储单元是否编程成功。接着，于步骤S308，控制器202判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于一编程验证电压PV。于本发明一实施例中，于提供至少一编程电压以编程目标存储单元之前，控制器202可提供一擦除脉冲以擦除非易失性存储器数组204的存储单元。

当目标存储单元的阈值电压小于编程验证电压PV(步骤S308的判断结果为否)，则执行步骤S310。于步骤S310，控制器202验证提供至少一编程电压(例如图4的脉冲402)的次数是否等于一编程次数。当提供至少一编程电压的次数小于编程次数，则再次执行步骤S304。当提供至少一编程电压的次数等于编程次数，则执行步骤S312。在步骤S312中，控制器202设定目标存储单元为编程不成功。

当目标存储单元的阈值电压大于或等于编程验证电压PV(步骤S308的判断结果为是)，则执行步骤S314。于步骤S314，控制器202使能一编程成功信号(例如图4的信号406)以设定目标存储单元为编程成功。也就是说，在目标存储单元的阈值电压大于或等于编程验证电压的情况下，设定目标存储单元为编程成功。于步骤S314之后，在步骤S316，控制器202对目标存储单元启用一再验证操作。再验证操作包括施加至少一再验证脉冲至目标存储单元以判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于一再验证电压。在步骤S318，控制器提供至少一再验证脉冲(例如图4的脉冲410)至目标存储单元，以判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于一编程验证电压。于步骤S320，控制器202判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于编程验证电压。

当目标存储单元的阈值电压大于或等于编程验证电压(步骤S320的判断结果为是)，执行步骤S322。在步骤S322，控制器202验证提供至少一再验证脉冲(例如图4的脉冲410)的次数是否等于一再验证次数。当提供至少一再验证脉冲的次数小于再验证次数(步骤S322的判断结果为否)，再次执行步骤S318。当提供至少一再验证脉冲的次数等于再验证次数(步骤S322的判断结果为是)，则结束流程且控制器202结束非易失性存储器数组204的编程操作。

当目标存储单元的阈值电压小于再验证电压(步骤S320的判断结果为否)，则执行步骤S324。于步骤S324，控制器202提供一再编程脉冲(例如图4的脉冲412)以编程目标存储单元。进一步说，再验证操作还包括在目标存储单元的该阈值电压小于再验证电压的情况下，提供再编程脉冲以编程目标存储单元。其中，再编程脉冲的振幅大于至少一编程脉冲的振幅。也就是说，再编程脉冲与至少一编程脉冲具有一差值ΔV。在本实施例中，再验证脉冲的振幅等于编程验证脉冲的振幅。在本发明其他实施例中，再验证脉冲的振幅可大于或小于编程验证脉冲的振幅。

在本发明中，再验证次数可为一正整数，例如1、2、5等。举例来说，再验证次数设定为5次。当非易失性存储器数组204的目标存储单元设定为编程成功，控制器202提供再验证脉冲至目标存储单元以判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于再验证电压。此为第一次提供再验证脉冲。当目标存储单元的阈值电压大于或等于再验证电压，控制器202再次提供再验证脉冲至目标存储单元，并判断目标存储单元的阈值电压是否大于或等于再验证电压。此为第二次提供再验证脉冲。在提供再验证脉冲至目标存储单元两次后，当目标存储单元的阈值电压小于再验证电压，控制器202提供再编程脉冲至目标存储单元以编程目标存储单元，以及提高目标存储单元的阈值电压。在本范例中，再验证脉冲仅被提供了两次，未达再验证次数的5次。也就是说，于提供再验证脉冲至目标存储单元，以及判断目标存储单元的阈值电压小于再验证电压之后，无论提供再验证脉冲的次数是否等于再验证次数5，控制器202提供再编程脉冲至目标存储单元以编程目标存储单元并提高其阈值电压，且结束整个流程。

综上，当目标存储单元的阈值电压大于或等于再验证电压，以及再验证次数大于1，控制器202则继续提供再验证电压以验证目标存储单元的阈值电压是否大于或等于再验证电压，直至目标存储单元的阈值电压被判断为小于再验证电压，或提供再验证电压的次数等于再验证次数。

图4绘示依据本发明的一实施例的信号波形图。请参照2、图3及4。当控制器202由一接口接收一编程模式指令时，信号PGM_MODE被使能，举例来说，PGM_MODE信号改变为高电压电平400。控制器202提供PGM_PULSE信号的至少一编程脉冲402以编程非易失性存储器数组204的存储单元的一目标存储单元。在提供至少一编程脉冲402后，控制器202提供PGM_VERIFY_PULSE的至少一编程验证脉冲404至目标存储单元，以验证目标存储单元是否编程成功。当目标存储单元未编程成功，控制器持续提供至少一编程脉冲402以编程目标存储单元，以及提供至少一编程验证脉冲404以验证目标存储单元是否编程成功。

当目标存储单元编程成功，由控制器202提供的一PV_PASS信号被使能(例如脉冲406)。然后，由控制器202提供的EN_POST_VERIFY信号被使能(例如脉冲408)，以执行一再验证操作。在使能PV_PASS信号以及EN_POST_VERIFY信号后，控制器202提供POST_VERIFY信号的至少一再验证脉冲410至目标存储单元，以验证目标存储单元的阈值电压是否大于或等于再验证电压。也就是说，于脉冲406及脉冲408之后，提供至少一再验证脉冲410。当判断目标存储单元的阈值电压小于再验证电压，控制器202提供POST_PGM信号的一再编程脉冲412以编程非易失性存储器数组204的目标存储单元，并提高目标存储单元的阈值电压。再编程脉冲412的振幅大于编程脉冲402的振幅。

然后，由控制器202提供PV_DONE信号的脉冲414以指示包括编程验证操作以及再验证操作的一多次验证操作的结束。最后，结束非易失性存储器数组204的编程操作，以及中断PGM_MODE信号，举例来说，PGM_MODE信号改变为低电压电平418。

在本发明的各实施例中，在非易失性存储器数组的目标存储单元设定为编程成功后，对目标存储单元执行一再验证操作。也就是，在目标存储单元设定为编程成功后，提供一再验证脉冲。当目标存储单元的阈值电压小于再验证电压，提供一再编程脉冲以编程目标存储单元及提高目标存储单元的阈值电压。如此，提高的目标存储单元的阈值电压可稳定的高于目标存储单元所在的阈值电压分布的低边界。可缩短阈值电压分布的「尾巴」以及使阈值电压分布较为紧密。阈值电压分布之间的存储窗口的宽度也可增大，降低读取目标存储单元时的噪声变动的影响。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，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，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。

Claims (5)

1.一种在编程期间编程非易失性存储器的方法，该非易失性存储器包括多个存储单元，部分这些存储单元的每一存储单元存储至少具有2位的数据，该方法包括：

提供至少一编程脉冲以编程这些存储单元的一目标存储单元；

施加至少一编程验证脉冲至该目标存储单元；

在该目标存储单元的一阈值电压大于或等于一编程验证电压的情况下，设定该目标存储单元为编程成功；以及

在该目标存储单元被设定为编程成功的情况下，对该目标存储单元执行一再验证操作，该再验证操作包括施加至少一再验证脉冲至该目标存储单元，其中，该至少一再验证脉冲的振幅等于该至少一编程验证脉冲的振幅；

其中，当目标存储单元的阈值电压大于或等于再验证电压，在提供一个再编程脉冲之前，提供至少两次再验证脉冲以验证目标存储单元的阈值电压是否大于或等于再验证电压，直至所述目标存储单元的阈值电压被判断为小于所述再验证电压，或提供再验证电压的次数等于再验证次数；

其中该再验证操作还包括：

在该目标存储单元的该阈值电压小于一再验证电压的情况下，提供一振幅大于该至少一编程脉冲的振幅的再编程脉冲以编程该目标存储单元。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

在提供该至少一编程脉冲前，擦除这些存储单元。

3.一种在编程期间编程非易失性存储器的方法，该非易失性存储器包括多个存储单元，部分这些存储单元的每一存储单元存储至少具有2位的数据，该方法包括：

提供至少一编程脉冲；

提供至少一编程验证脉冲；

使能一编程成功信号；以及

在使能该编程成功信号后，提供至少一再验证脉冲，其中，该至少一再验证脉冲的振幅等于该至少一编程验证脉冲的振幅；

其中，当目标存储单元的阈值电压大于或等于再验证电压，在提供一个再编程脉冲之前，提供至少两次再验证脉冲以验证目标存储单元的阈值电压是否大于或等于再验证电压，直至所述目标存储单元的阈值电压被判断为小于所述再验证电压，或提供再验证电压的次数等于再验证次数；

还包括：在提供该至少一再验证脉冲之后，提供一振幅大于该至少一编程脉冲的振幅的再编程脉冲。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：

在提供该至少一再验证脉冲之后，使能一验证完成信号。

5.如权利要求4所述的方法，还包括：

在使能该编程成功信号之后以及在提供该至少一再验证脉冲之前，提供一使能再验证操作信号。

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