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Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Auslesen eines Zellenfeldes einer Halbleitereinrichtung.
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Konventionelle nichtflüchtige Halbleiter-Speichereinrichtungen sind weitgehend zwei unterschiedlichen Kategorien zuzuordnen: solchen vom Typ Floating-Gate und solchen vom Typ Trapping-Schicht. Speicherzellen mit Trapping-Schicht, beispielsweise NROM-Speicher oder SONOS-Speicher sind dem Grunde nach n-Kanal-Feldeffekttransistoren (n-FETs), bei welchen das Gatedielektrikum durch eine Trapping-Schicht und zwei die Trapping-Schicht einbettende Barrierenschichten ersetzt ist. Die Trapping-Schicht bildet das Speicherelement der Speicherzelle. Die Barriereschichten verhindern ein direktes Tunneln von Ladungsträgern zu und von der nicht leitenden Trapping-Schicht.
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Floating-Gate-Speicherzellen basieren gewöhnlich auf einem n-FET, bei dem eine isolierte Gateelektrode (Floating-Gate) zwischen einer dielektrischen Tunnelschicht, die das Floating-Gate von einem Kanalbereich des Transistors separiert, und einer dielektrischen Barrierenschicht zwischen dem Floating-Gate und einem Kontrollgate, das mit einem Adressierungs-Schaltkreis verbunden ist, eingebettet ist. In diesem Fall bildet das Floating-Gate das Speicherelement der Speicherzelle. Das Tunneldielektrikum und die dielektrische Barriereschicht isolieren das leitfähige Floating-Gate. Die Speicherzelle wird durch Injektion von Ladungsträgern in die Trapping-Schicht bzw. das Floating-Gate aus dem Kontrollgate oder dem Kanalbereich programmiert. Gelöscht wird die Speicherzelle durch das Entfernen oder Kompensieren der zuvor injizierten Ladung. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind aber nicht auf diese zwei unterschiedlichen Kategorien nichtflüchtiger Speicherrichtungen beschränkt und können auch andere Lösungsmöglichkeiten umfassen.
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Speicherzellen können auf einem binären oder einem Multilevel-Programmier/Leseschema basieren, beispielsweise einem 4-Bit-pro-Zelle-Programmier/Leseschema. Gemäß einem binären Programmier/Leseschema schaltet der jeweilige n-Kanal-FET vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand, sobald eine an das Kontrollgate angelegte Lesespannung eine Schwellenspannung überschreitet. Fällt die Lesespannung wieder unter die Schwellenspannung, so kehrt der n-Kanal-FET in den nichtleitenden Zustand zurück. Eine in der Speicherschicht gespeicherte negative Ladung wirkt als negative Vorspannung des Gates bzw. des Kontrollgates und verschiebt die Schwellenspannung zu höheren Spannungswerten.
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Der Zustand der Speicherzelle wird ausgelesen, indem eine geeignete Lesespannung an das Kontrollgate angelegt und geprüft wird, ob der FET sich im leitenden oder nichtleitenden Zustand befindet. Gemäß dem binären Leseschema wird die Lesespannung derart gewählt, dass die Lesespannung einerseits ausreichend hoch ist, um zu gewährleisten, dass alle gelöschten Speicherzellen leitend sind und dass andererseits die Lesespannung ausreichend niedrig ist, um zu gewährleisten, dass keine der programmierten Speicherzellen nichtleitend ist.
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Gemäß einem 4-Bit-pro-Zelle-Programmier/Leseschema können drei unterschiedliche Ladungsbeträge am selben Ort oder einander entsprechende Ladungsbeträge an unterschiedlichen Orten in der Trapping-Schicht gespeichert werden. Drei unterschiedliche Schwellenspannungen definierten vier unterschiedliche Bereiche bzw. Zustände. Jeder der vier unterschiedlichen Zustände steht dabei für eine eindeutige Kombination von Bitpaaren (d. h. 00, 01, 10 oder 11).
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Die Schwellenspannung jeder Speicherzelle hängt zu einem gewissen Grad von geometrischen und physikalischen Eigenschaften ab. So variieren z. B. die Kanallänge, das Kanaldotierprofil sowie die Schichtdicke der Barrierenschichten von Speicherzelle zu Speicherzelle. Jedes Zellenfeld mit einer Mehrzahl von Speicherzellen wird durch eine repräsentative Verteilung der Schwellenspannung charakterisiert. Ein so genanntes Lesefenster (sense window) eines Zellenfeldes wird durch den Abstand zwischen der Schwellenspannungsverteilung für den gelöschten Zustand des Zellenfeldes einerseits und der für den programmierten Zustand des Zellenfeldes andererseits bestimmt. Weite Lesefenster minimieren die Anzahl möglicher Lesefehler. Um möglichst große Sicherheitsabstände zu gewährleisten, wird die Lesespannung typischerweise in die Mitte des Lesefensters gesetzt.
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Im Laufe der Lebenszeit des Speicherelements verlieren die Speicherzellen spürbar die Fähigkeit zur Datenhaltung und der Abstand zwischen der Lese- und Schreibspannung wird geringer. Gleichzeitig verschieben sich die Schwellenspannungsverteilungen für programmierte und gelöschte Speicherzellen jeweils zu niedrigeren Spannungswerten. Ein Anpassen der Lesespannung an die Verschiebung der Schwellenspannungsverteilung entsprechend der Änderung des Lesefensters könnte ausreichende Abstände zwischen den programmierten und gelöschten Zuständen der Speicherzellen des Zellenfeldes während dessen gesamten Lebenszeit gewährleisten.
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Die 1 ist ein Diagramm, das typische Schwellenspannungsverteilungen für ein Zellenfeld mit einer Mehrzahl binärer Speicherzellen jeweils am Beginn und gegen Ende der Lebenszeit zeigt. Im Diagramm ist jeweils die Anzahl der Speicherzellen NR gegen eine Testspannung Vtest für den programmierten bzw. gelöschten Zustand, jeweils am Beginn und am Ende der Lebenszeit des Speicherzellenfeldes aufgetragen. Auf der Abszisse ist eine Testspannung Vtest aufgetragen und in Vielfachen einer Schrittspannung Vstep skaliert. Auf der Ordinate ist die jeweilige Anzahl der Speicherzellen angegeben, die bei der betreffenden Spannung ihren Zustand ändern. Die gepunkteten Linien beziehen sich auf Schwellenspannungsverteilungen 11a, 12a am Beginn der Lebenszeit, während die durchgezogenen Linien sich auf entsprechende Schwellenspannungsverteilungen 11b, 12b am Ende der Lebenszeit beziehen.
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Eine erste Schwellenspannungsverteilung 11a zeigt jeweils die Anzahl gelöschter Speicherzellen, die bei der jeweiligen Testspannung am Beginn der Lebenszeit der Speichereinrichtung in den leitenden Zustand schaltet. Eine zweite Schwellenspannungsverteilung 12a gibt die Anzahl der programmierten Speicherzellen an, die zu Beginn der Lebenszeit der Speichereinrichtung bei der jeweiligen Testspannung in den leitfähigen Zustand schalten. Jede der Kurven 11a, 12a gibt im Wesentlichen eine Normalverteilung wieder, wobei die Verteilung für den programmierten Zustand tendenziell weiter ist als die Verteilung für den gelöschten Zustand. Die erste Kurve 11a, die sich auf gelöschte Speicherzellen bezieht, weist eine untere Verteilungskante VTLL1 und eine obere Verteilungskante VTHL1 auf. Die zweite Kurve 12a, die sich auf programmierte Speicherzellen bezieht, hat eine untere Verteilungskante VTLH1 und eine obere Verteilungskante VTHH1.
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Wird an ein Zellenfeld, das sowohl gelöschte als auch programmiert Speicherzellen aufweist, eine Testspannung angelegt, die niedriger ist als VTLL1, so wird keine der Speicherzellen, ob programmiert oder gelöscht, im leitenden Zustand sein, so dass keinerlei Information aus dem Zellenfeld ausgelesen werden kann. Wird eine Testspannung angelegt, die größer als VTLL1 aber niedriger als VTHL1 ist, würde nur für einen Teil der gelöschten Speicherzellen der nicht-leitende Zustand detektiert. Wird eine Testspannung angelegt, die größer ist als VTHH1, so werden alle programmierten Speicherzellen leitend, so dass dem Zellenfeld keinerlei Information entnommen werden kann. Wird eine Testspannung angelegt, die niedriger ist als VTHH1 aber größer ist als VTLH1, so würde mindestens ein Teil der programmierten Speicherzellen leitend werden. Um aus jeder Speicherzelle die korrekte Information zu erhalten, wird die Lesespannung in ein anfängliches Lesefenster oder „sense windows” w1 zwischen VTHL1 und VTLH1 gelegt. Typischerweise wird die anfängliche Lesespannung in der Anwendung gleich dem arithmetischen Mittel von VTLH1 und VTHL1 gesetzt.
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Die dritte Kurve 11b sowie die vierte Kurve 12b stellen die Schwellenspannungsverteilungen desselben Zellenfeldes gegen Ende der Lebenszeit des Zellenfeldes dar. Beide Verteilungen 11b, 12b zeigen eine Verschiebung zu kleineren Schwellenspannungen hin, wobei die Verschiebung für die Schwellenspannungsverteilung der programmierten Speicherzellen größer ist. Eine anfängliche Lesespannung VRDINIT könnte dabei am Ende der Lebenszeit außerhalb des finalen Lesefensters w2 liegen. Wird in der Anwendung die Lesespannung der Verschiebung der Schwellenspannung während der Lebenszeit der Speichereinrichtung nicht entsprechend angepasst, so würde ein wachsender Anteil programmierter Zellen als gelöscht interpretiert. Wird in der Anwendung die Lesespannung nahe der unteren Grenze des Lesefensters VTLH gewählt, so dass die Lesespannung sowohl innerhalb des anfänglichen Lesefensters w1 als auch des finalen Lesefensters w2 liegt, so würde bereits zu Beginn der Lebensdauer die Störempfindlichkeit erhöht werden. Eine grobe Methode, die Lesespannung der Verschiebung nachzuführen, wäre es, das tatsächliche Lesefenster aus der Anzahl der bereits durch das Zellenfeld ausgeführten Programmier- und Löschzyklen hochzurechnen. Um diese Lesezugriffszeit so kurz wie möglich zu halten, sollte die Lesespannung dem tatsächlichen Lesefenster kontinuierlich nachgeführt werden.
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Die
DE 10 2005 037 287 B3 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung einer geeigneten Lesespannung eines nichtflüchtigen Speichers, wobei zunächst eine der beiden Kanten des Lesefensters bezüglich einer kleinen Anzahl von Bits ermittelt und in einem zweiten Schritt die Lesespannung an die breitere Streuung der Lesefensterkanten für eine größere Anzahl von Bits angepasst wird.
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Es besteht daher ein allgemeines Bedürfnis für ein einfaches Verfahren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Auslesens programmierter nichtflüchtiger Speicherzellen, bei dem die Lesezugriffszeit nicht mehr als unwesentlich erhöht wird.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen und Vorzüge der Erfindung mit Bezug auf die Figuren näher erläutert.
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Die 1 ist ein Diagramm zur Darstellung von Schwellenspannungsverteilungen eines Zellenfeldes mit einer Mehrzahl binärer Speicherzellen für jeweils einen programmierten und einen gelöschten Zustand der Speicherzellen jeweils am Beginn und am Ende der Lebenszeit des Zellenfeldes.
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Die 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Nachführen eines Lesefensters eines Zellenfeldes mit programmier- und löschbaren Speicherzellen mittels einer vollständigen Lesefenstersuche gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
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Die 3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Anpassung eines Lesefensters eines Zellenfeldes mit programmier- und löschbaren Speicherzellen mittels eines verkürzten Verfahrens zur Überprüfung und zum Auffinden des Lesefensters gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
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Die 4 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Speichereinrichtung mit einer adaptiven Leseeinheit gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform.
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Die 2 bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Lesefensters einer Schwellenspannungsverteilung mittels einer vollständigen Lesefenstersuche, die beispielsweise durch eine Inbetriebnahme des Zellenfeldes (power-on), durch ein Signal, das periodisch von einer Zähler- oder Timer-Einheit erzeugt wird, oder durch ein Signal, das durch einen Fehlerdetektions-Schaltkreis immer dann erzeugt wird, wenn ein nicht korrigierbarer Fehler auftritt, ausgelöst wird.
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Das Zellenfeld umfasst beispielsweise binäre oder Multi-Level-Zellen mit einer Speicherschicht. Ein Speicherkontrollbaustein überträgt einen Nutzdatenblock, der physikalisch codiert sein kann, zu einer Speichereinrichtung mit mindestens einem Zellenfeld. Der Nutzdatenblock wird in erste Speicherzellen geschrieben, die einem Nutzdatenblock des Zellenfeldes zugeordnet sind. Die Größe des Nutzdatenblocks kann beispielsweise der Seitengröße des Zellenfeldes entsprechen, und z. B. 512 Bytes umfassen.
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Ein primäres Prüfwort wird erzeugt, das dem Nutzdatenblock zugeordnet ist. Das primäre Prüfwort wird beispielsweise aus dem entsprechenden Nutzdatenblock abgeleitet, indem die Anzahl der Bits ermittelt wird, die einen ersten vordefinierten Zustand aufweisen. In einem Zellenfeld mit 4-Bit-Zellen kann jeder der vier Zustände dieser erste definierte Zustand sein und einer oder zwei der anderen drei Zustände der jeweils andere vordefinierte Zustand. Folgen z. B. die Zustände ”00”, ”01”, ”10”, ”11” einander mit entsprechend steigender Lesespannung, so kann der erste vordefinierte Zustand z. B. der Zustand ”10” und der andere definierte Zustand entweder der Zustand ”01” oder der Zustand ”11” sein. Ist der erste definierte Zustand ”00”, dann ist der andere vordefinierte Zustand ”01”. Im Folgenden ist beispielsweise der erste vordefinierte Zustand der gelöschte Zustand einer binären oder der ”00”-Zustand einer wie oben beschriebenen 4-Bit-Zelle, wobei diese Zustände im Folgenden zur Vereinfachung als ”0” bezeichnet werden. Entsprechend ist der andere Zustand beispielsweise der programmierte Zustand einer binären Speicherzelle oder der ”01”-Zustand der oben beschriebenen 4-Bit-Zelle und wird im Folgenden zur Vereinfachung als ”1” bezeichnet. Jedoch können im Folgenden die ”Nullen” und ”Einsen” auch für jeweils entsprechende andere Zustände von Multibit-Zellen stehen.
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Wird nun der Nutzdatenblock in den Nutzdatenabschnitt geschrieben, so wird beispielsweise die Anzahl der Bits des vordefinierten Zustands, in diesem Beispiel also die Anzahl der Nullen, im jeweiligen Prüfwort als binäre Prüfsumme gespeichert. Die Länge der binären Prüfsumme ergibt sich aus der Größe des Nutzdatenblocks und kann für binäre Speicherzellen beispielsweise dem Logarithmus zur Basis 2 der Größe des Nutzdatenblocks in Bits entsprechen. Beispielsweise umfasst die binäre Prüfsumme 13 Bits für ein 512 Byte großen Nutzdatenblock. Die binäre Prüfsumme repräsentiert die eine Hälfte des primären Prüfworts. Die zweite Hälfte des primären Prüfworts kann beispielsweise aus der bitweisen Invertierung der ersten Hälfte resultieren. Beispielsweise hat das primäre Prüfwort eine vordefinierte Länge von 26 Bits und umfasst 13 Nullen und 13 Einsen. Das primäre Prüfwort wird in einem Prüfabschnitt des Zellenfeldes gespeichert (200). Die halbe Länge des primären Prüfworts bestimmt demnach eine primäre Anzahl von Bits mit einem vordefinierten Zustand.
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In Bezug auf 4-Bit-Zellen ergibt sich die zweite Hälfte des primären Prüfworts indem für jedes Digit der ersten Hälfte der jeweils korrespondierende Zustand gebildet wird, beispielsweise der ”01”-Zustand für den ”00”-Zustand oder der ”00”-Zustand für den ”01”-Zustand.
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Die vollständige Lesefenstersuche umfasst das Lesen des Prüfabschnitts bei unterschiedlichen Werten für die Lesespannung Vread, wobei die Lesespannung Vread in einer vorbestimmten Weise variiert wird. Gemäß dem in der 2 dargestellten Beispiel wird dazu Vread gleich einer Anfangsspannung gesetzt und dann kontinuierlich in konstanten Schritten erhöht. Die Anfangsspannung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass die untere Lesefensterkante vergleichbarer Zellenfelder derselben Technologie analysiert und die Anfangsspannung gleich einer Spannung gesetzt wird, die zuverlässig unter jeder ermittelten unteren Lesefensterkante, reduziert um eine Schrittspannung Vstep, liegt (202).
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Die Schrittspannung Vstep wird üblicherweise durch die Ressourcen in der Speichereinrichtung oder in einer externen Testvorrichtung bestimmt. Üblicherweise ist eine Spannungsquelle zur Versorgung der Lesespannung in Schritten von z. B. 50 mV programmierbar, um ein Justieren der Lesespannung innerhalb eines Lesefensters zu ermöglichen und um die Lesespannung einer Verschiebung des Lesefensters während des Produktzykluses der Speichereinrichtung nachzuführen.
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Diese Lesespannung Vread wird dann beispielsweise um die Schrittspannung erhöht (204), so dass im Folgenden eine Testspannung Vtest an die Speicherzellen des Zellenfeldes angelegt wird, die gleich der Anfangsspannung Vstart ist (206). Gemäß anderen Ausführungsformen wird eine erste schrittweise Erhöhung (204) nach einem ersten Vergleich (210), wie er im Folgenden beschrieben ist, ausgeführt.
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Durch Anlegen der derart ermittelten Lesespannung Vread an die Steuergateelektroden der zweiten Speicherzellen wird der Prüfabschnitt des Zellenfeldes ausgelesen, wobei man ein neues, sekundäres Prüfwort erhält. Eine sekundäre Anzahl von Bits, die im sekundären Prüfwort den vordefinierten Zustand aufweisen, wird bestimmt (208) und mit der primären Anzahl von Bits, die den vordefinierten Zustand im entsprechenden primären Prüfwort aufweisen, verglichen (210). In diesem Beispiel wird die Anzahl von Nullen im primären Prüfwort mit der Anzahl der Nullen im sekundären Prüfwort verglichen. Da die Anfangsspannung Vstart so gewählt ist, dass zu Beginn die Lesespannung definitiv niedriger ist als die untere Lesefensterkante, ist mindestens eine der gelöschten Speicherzellen noch im nichtleitenden Zustand, so dass mindestens diese eine gelöschte Speicherzelle als programmierte Speicherzelle detektiert wird. Daher wird die Anzahl der Einsen im sekundären Prüfwort die Anzahl der Nullen zunächst übertreffen.
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Solange die Anzahl der Einsen im sekundären Prüfwort nicht der Anzahl der Nullen entspricht, wird die Lesespannung weiter schrittweise um die Schrittspannung erhöht (204). Ein neues sekundäres Prüfwort wird aus dem Prüfabschnitt ausgelesen (206), die Anzahl der Nullen im neuen sekundären Prüfwort neu ermittelt und wieder mit der Anzahl der Nullen im primären Prüfwort verglichen (210).
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Die niedrigste Lesespannung Vread, bei der die Anzahl der Nullen im sekundären Prüfwort der Anzahl der Nullen im primären Prüfwort entspricht, wird der unteren Lesefensterkante VTHL (212) gleichgesetzt. Innerhalb des Lesefensters sind alle gelöschten Speicherzellen leitend und werden als Nullen detektiert. Alle programmierten Speicherzellen sind nichtleitend und werden als Einsen detektiert. Solange die Anzahl der Nullen die Anzahl der Einsen nicht übertrifft (220) wird die Lesespannung weiter schrittweise um Vstep erhöht (214), ein neues sekundäres Prüfwort aus dem Prüfabschnitt ausgelesen (216) und die Anzahl der Nullen im sekundären Prüfwort neu ermittelt (218). Die obere Lesefensterkante VTLH wird gleichgesetzt der niedrigsten Lesespannung Vread, bei der die Anzahl der Nullen im sekundären Prüfwort die Anzahl der Nullen im primären Prüfwort nicht übertrifft (222). Durch das Anlegen einer Lesespannung, die die obere Lesefensterkante VTLH überschreitet, schaltet mindestens eine der programmierten Speicherzellen in den leitenden Zustand und wird als Null detektiert.
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Die untere und die obere Lesefensterkante VTHL, VTLH bestimmen gemäß einer vordefinierten Beziehung die Lesespannung in der Anwendung (Applikations-Lesespannung)(224). Die Applikations-Lesespannung wird beispielsweise als das arithmetische Mittel der oberen und der unteren Lesefensterkante definiert. Alternativ dazu kann die Applikationslesespannung als gewichtetes Mittel errechnet werden, um einer erwarteten Verschiebung des Lesefensters vorzugreifen oder um Störmechanismen zu berücksichtigen, die in unterschiedlicher Weise gegenüber der unteren und der oberen Grenze des Lesefensters wirken. In der Folge wird das Zellenfeld durch Anlegen der Applikations-Lesespannung Vread ausgelesen. Die Applikations-Lesespannung kann für ein vordefiniertes Zeitintervall von z. B. 10 bis 100 ms gültig sein.
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Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform, die nicht dargestellt ist, werden aus der primären Anzahl von Bits, die einen vordefinierten Zustand aufweisen, eine erste und eine zweite primäre Anzahl von Bits mit einem vordefinierten Zustand abgeleitet. Zum Beispiel wird die erste primäre Anzahl gleich der um eine erste Toleranzzahl dekrementierten primären Anzahl und die zweite primäre Anzahl gleich der um eine zweite Toleranzzahl erhöhten primären Anzahl gesetzt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform sind die erste und die zweite Toleranzzahl gleich. Die erste und die zweite Toleranzzahl sind beispielsweise jeweils „1”. Im Folgenden wird die aktuelle sekundäre Anzahl von Nullen zur Bestimmung der unteren Lesefensterkante mit der ersten primären Anzahl und zur Bestimmung der oberen Lesefensterkante mit der zweiten primären Anzahl verglichen (220). Als Folge bleiben einzelne Ausreißer innerhalb des Prüfabschnitts ohne Einfluss auf das Lesefenster der restlichen Speicherzellen. Ist der vordefinierte Zustand der programmierte Zustand, wird die erste primäre Anzahl gleich der um eine erste Toleranzzahl erhöhten vordefinierten Anzahl und die zweite primäre Anzahl gleich der um eine zweite Toleranzzahl erniedrigten vordefinierten Anzahl gesetzt.
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Die Bestimmung der unteren Lesefensterkante und der oberen Lesefensterkante kann auch in der umgekehrten Reihenfolge erfolgen, wobei die Anfangsspannung gleich einer Spannung gesetzt werden kann, die die obere Lesefensterkante sicher überschreitet. In diesem Fall wird die Testspannung schrittweise erniedrigt, wobei die Bestimmung der Lesefensterkanten den oben beschriebenen Regeln entsprechend folgt.
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Anstelle des Prüfens der sekundären Anzahl von gelöschten Bits kann die sekundäre Anzahl der programmierten Bits geprüft werden, wobei die obere Lesefensterkante durch die höchste Lesespannung bestimmt wird, bei der die sekundäre Anzahl der programmierten Bits die primäre Anzahl programmierter Bits noch nicht unterschreitet und wobei die untere Lesefensterkante durch die niedrigste Lesespannung bestimmt wird, bei der die sekundäre Anzahl der programmierten Bits die primäre Anzahl der programmierten Bits noch nicht übertrifft. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das vordefinierte Verfahren zur Änderung der Lesespannung ein iteratives schrittweises Erhöhen und Absenken der Lesespannung um jeweils ein Vielfaches der Schrittspannung umfassen, wobei Vorzeichen und Betrag jeder Änderung in Abhängigkeit der jeweils zuvor erhaltenen sekundären Anzahl von Bits desselben Zustands berechnet wird. Auf diese Weise lässt sich die erforderliche Zeit zur Bestimmung der Lesefensterkanten reduzieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zunächst ein Referenzlesestrom dadurch ermittelt, dass ein Lesestrom von Speicherzellen, die im Prüfabschnitt dem gerade wirksamen Prüfwort zugeordnet sind, gemittelt wird. Im Folgenden kann das Lesen korrespondierender erster Speicherzellen im Nutzdatenabschnitt den Vergleich eines aus den ersten Speicherzellen erhaltenen Lesestroms mit dem oben ermittelten Referenzlesestrom umfassen. Diese Ausführungsform gewährleistet einerseits eine hohe Lesegeschwindigkeit und andererseits ein hohes Maß an Genauigkeit, wobei der Einfluss von Ausreißern beschränkt bleibt.
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Das beschriebene Verfahren zum Auslesen eines Zellenfeldes ist für jede Art von Zellenfeld mit einer Mehrzahl von Speicherzellen geeignet, die jeweils mindestens einen ersten und einen zweiten Zustand aufweisen können, wobei der erste und der zweite Zustand durch die Antwort auf ein Lesesignal, das an die Speicherzelle angelegt wird, unterscheidbar sind, und wobei ein Schwellwert des Lesesignals von einem Dateninhalt der jeweilige Speicherzelle abhängig ist. Für nichtflüchtige Speicherzellen korrespondiert das Lesesignal mit einer Lesespannung und die Lesesignalamplitude mit einem Lesespannungswert. Bezüglich einer binären Speicherzelle können die mindestens zwei voneinander unterscheidbaren Zustände dem leitenden und dem nichtleitenden Zustand entsprechen. Bei 4-Bit-Speicherzellen entsprechen die vier unterscheidbaren Zustände vier Zuständen unterschiedlicher Leitfähigkeit. Gemäß einer Ausführungsform ist das Zellenfeld ein Löschsektor einer elektrisch lösch- und programmierbaren Speichereinrichtung (EPROM) vom Trapping-Schicht-Typ, beispielsweise eines auf einem Nitrid als Trapping-Schicht basierenden Typs.
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Das Verfahren kann beispielsweise als ein Testprogramm implementiert werden, das in einer externen Testvorrichtung oder mittels einer innerhalb der jeweiligen Speichereinrichtung ausgeführten Schaltung ausgeführt wird. Die sekundäre Anzahl von Bits eines vordefinierten Zustands kann mittels einer Zählereinheit ermittelt werden, die an eine innerhalb der Speichereinrichtung vorgesehenen adaptiven Leseeinheit angeschlossen ist. Die adaptive Leseeinheit kann eine zentralisierte Einheit sein, die den Testablauf für alle Zellenfelder innerhalb der Speichereinrichtung steuert, oder eine verteilte Einheit, wobei jedes Zellenfeld der Speichereinrichtung genau einer adaptiven Leseinheit zugeordnet ist und wobei jede adaptive Leseeinheit genau einem Zellenfeld zugeordnet ist. Da der Prüfabschnitt eine vergleichsweise geringe Anzahl von Speicherzellen umfasst, kann die erforderliche Schaltung vergleichsweise einfach ausgeführt werden und erfordert vergleichsweise geringe Ressourcen bezüglich Platzbedarf und Prüfzeit. Die Zählereinheit, die beispielsweise einer Seite (page) des Zellenfeldes zugeordnet ist, kann ein einfacher vierstelliger Zähler sein.
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Die 3 bezieht sich auf ein Verfahren zum Auslesen eines Zellenfeldes mittels stetiger Anpassung des Lesefensters während des Betriebs des Zellenfeldes. Bereits im Zusammenhang mit der 2 ausführlich erörterte Begriffe und Aspekte werden hier nur kurz aufgegriffen.
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Nach Einschalten (power up) einer das Zellenfeld umfassenden Speichereinrichtung kann beispielsweise zunächst eine vollständige Lesefenstersuche, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, durchgeführt werden. Die sich aus dem oben beschriebenen Verfahren ergebende Lesespannung ist beispielsweise für ein vordefiniertes Zeitintervall gültig. Eine Testspannung wird beispielsweise gleich der aktuellen Applikations-Lesespannung gesetzt (302). Während des Betriebs des Zellenfeldes wird aus dem eingehenden Nutzdatenstrom ein primäres Prüfwort abgeleitet und, wie bereits beschrieben, in einen Prüfabschnitt des Zellenfeldes eingeschrieben (304). Das primäre Prüfwort umfasst eine vordefinierte primäre Anzahl von Bits eines vordefinierten Zustands. In diesem Beispiel ist der vordefinierte Zustand der leitende Zustand der Speicherzellen, wobei leitende Speicherzellen bei Anlegen einer geeigneten Lesespannung jeweils als gelöschte Speicherzellen interpretiert werden. Gemäß diesem Beispiel ist die primäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands gleich einer Anzahl von Bits, die den zum vordefinierten Zustand invertierten Zustand aufweisen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das primäre Prüfwort 13 Nullen und 13 Einsen.
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Im Betrieb des Zellenfeldes wird der Prüfabschnitt z. B. periodisch und im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Nutzdatenabschnitt ausgelesen (306), wobei jeweils sekundäre Prüfwörter erhalten werden. Für die jeweiligen sekundären Prüfwörter wird jeweils die sekundäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands ermittelt (308). In diesem Beispiel entspricht die sekundäre Anzahl im sekundären Prüfwort der Anzahl von Nullen im sekundären Prüfwort. Die primäre Anzahl wird mit der sekundären Anzahl verglichen (310). Weicht die primäre Anzahl von der sekundären Anzahl ab, so liegt die Testspannung offensichtlich außerhalb des aktuellen Lesefensters. Beispielsweise kann nun die vollständige Lesefenstersuche (302) wiederholt werden, um eine Applikations-Lesespannung mit größeren Abständen zur oberen und unteren Lesefensterkante zu ermitteln. Sind die primäre Anzahl und die sekundäre Anzahl gleich, können nichtsdestotrotz die Abstände der aktuellen Applikations-Lesespannung zu den Lesefensterkanten, wie im Folgenden beschrieben, überprüft werden.
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Die Testspannung kann beispielsweise um eine Abstands-Prüfspannung VMC abgesenkt werden, die beispielsweise einem ganzzahligen Vielfachen der Schrittspannung Vstep entsprechen kann (312). In diesem Beispiel entspricht die Abstands-Prüfspannung VMC dem Doppelten der Schrittspannung Vstep. Aus dem Prüfabschnitt wird ein sekundäres Prüfwort ausgelesen und im sekundären Prüfwort die sekundäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands ermittelt. Die neu ermittelte sekundäre Anzahl wird mit der primären Anzahl verglichen (320). Sind die primäre und die sekundäre Anzahl ungleich, so hat sich der Abstand der aktuellen Lesespannung zur unteren Lesefensterkante verringert und kann durch Erhöhen der Lesespannung wieder vergrößert werden. Mit Bezug auf die aktuelle Lesespannung wird die Lesespannung um das Dreifache der Schrittspannung erhöht (322). Mit Bezug auf die anfängliche Lesespannung, wird die Lesespannung beispielsweise um die Hälfte der Abstands-Prüfspannung VMC erhöht. Bezüglich der folgenden Lesevorgänge im Zellenfeld ist die derart ermittelte neue Applikations-Lesespannung Vread gültig (324).
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Sind die primäre und die sekundäre Anzahl gleich, so ist der Abstand der Lesespannung gegenüber der unteren Lesefensterkante ausreichend, so dass der Abstand bezüglich der oberen Lesefensterkante in entsprechender Weise, wie im Folgenden beschrieben, geprüft werden kann. Zu diesem Zweck wird die Lesespannung z. B. um das Doppelte der Abstands-Prüfspannung VMC erhöht (326). Aus dem Prüfabschnitt wird ein neues sekundäres Prüfwort ausgelesen und im neuen sekundären Prüfwort die sekundäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands neu ermittelt (328). Die neu ermittelte sekundäre Anzahl wird mit der primären Anzahl verglichen (330). Weicht die sekundäre Anzahl von der primären Anzahl ab, so ist der Abstand der Applikations-Lesespannung Vread zur oberen Lesefensterkante verringert und kann durch Absenken der Applikations-Lesespannung Vread bezüglich der anfänglichen Lesespannung um beispielsweise die halbe Abstands-Prüfspannung VMC wieder vergrößert werden. In diesem Beispiel kann die Applikations-Lesespannung um die Schrittspannung dekrementiert werden (332). Für die folgenden Leseoperationen im Zellenfeld wird die zu ermittelnde neue Applikations-Lesespannung gültig (334). Ist die primäre Anzahl gleich der sekundären Anzahl, so ist der Abstand der Lesespannung zur oberen Lesefensterkante ausreichend und die anfängliche Lesespannung kann bis zur Auslösung einer weiteren Lesefensterprüfung unverändert gültig bleiben. Die Überprüfung der Abstände zur unteren Lesefensterkante kann entfallen, wenn lediglich eine Verschiebung des Lesefensters zu niedrigeren Werten hin erwartet werden kann. Die Prüfung des unteren und des oberen Abstands kann in umgekehrter Reihenfolge erfolgen. Anstelle der sekundären Anzahl der gelöschten Bits kann die sekundäre Anzahl programmierter Bits überprüft werden.
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Die 4 bezieht sich auf eine Speichereinrichtung 4, die zur Ausführung der mit Bezug auf die 2 bis 3 beschriebenen Verfahren geeignet ist. Die Speichereinrichtung 4 kann ein Zellenfeld 41, eine einstellbare Lesespannungsquelle 42, eine Zählereinheit 43, eine Speichereinheit 44 und eine adaptive Leseeinheit 45 umfassen. Das Zellenfeld 41 umfasst erste Speicherzellen 411, die einem Nutzdatenabschnitt 51 zugeordnet sein können und zweite Speicherzellen 412, die einem Prüfabschnitt 52 zugeordnet sein können. Eine Lese/Treiber-Einheit 49a kann dem Nutzdatenabschnitt 51 zugeordnet und zum Programmieren, Löschen und Lesen der ersten Speicherzellen 411 geeignet sein. Dem Prüfabschnitt 52 kann eine Treibereinheit 49b zugeordnet sein, die zur Bestimmung eines primären Prüfworts konfiguriert ist. Das primäre Prüfwort kann aus einem Nutzdatenblock abgeleitet werden, der in den Nutzdatenabschnitt 51 geschrieben wird. Eine erste Hälfte des primären Prüfworts kann aus dem binären Zählerwert bestimmt werden, der der Anzahl der Bits, die im entsprechenden Nutzdatenblock einen vordefinierten Zustand aufweisen, entspricht. Weiter können Invertereinrichtungen 49c vorgesehen sein, die den binären Zählerwert bitweise invertieren, wobei eine zweite Hälfte des primären Prüfwortes generiert wird.
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Die einstellbare Lesespannungsquelle 42 liefert eine Lesespannung Vread und kann über eine Auswahleinheit 46 mit den Speicherzellen 411, 412 verbunden werden. Die Zählereinheit 43 ist zur Bestimmung einer Anzahl von Bits eines vordefinierten Zustands in einem sekundären Prüfwort konfiguriert, das aus dem Prüfabschnitts 52 ausgelesen wird. Die Zählereinheit 43 kann einen einfachen vierstelligen Zähler umfassen, der durch Bits des vordefinierten Zustands getriggert wird. Die Speichereinheit 44 speichert die primäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands. Da die primäre Anzahl durch die Schaltung vorgegeben ist, kann die Speichereinheit 44 ein einfaches, fest verdrahtetes Register sein.
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Die adaptive Leseeinheit 45 kann mit der Zählereinheit 43 und der Lesespannungsquelle 42 verbunden sein. Die adaptive Leseinheit 45 steuert die Lesespannungsquelle 42 und steuert eine Prozessabfolge zur Bestimmung einer unteren und einer oberen Lesefensterkante der Lesespannung, indem der Prüfabschnitt bei unterschiedlichen Lesespannungen ausgelesen und die sekundäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands im sekundären Prüfwort mit der primären Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands im primären Prüfwort verglichen wird.
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Die untere Lesefensterkante kann als die unterste Lesespannung definiert werden, bei der die sekundäre Anzahl der Bits des vordefinierten Zustands im sekundären Prüfwort und die primäre Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands im primären Prüfwort gleich sind. Die obere Lesefensterkante kann der höchsten Lesespannung entsprechen, bei der die Anzahl der Bits des vordefinierten Zustands im sekundären Prüfwort gleich er Anzahl von Bits des vordefinierten Zustands im primären Prüfwort ist.
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Mit der adaptiven Leseeinheit 45 kann eine Timer-Einheit 47 verbunden sein. Die Timer-Einheit 47 kann zur periodischen Auslösung einer Prozessabfolge zur Bestimmung der unteren und oberen Lesefensterkante bzw. der Abstände der aktuellen Lesespannung zu der unteren und/oder oberen Lesefensterkante konfiguriert sein.
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Die Speichereinheit 4 kann einen Fehlerkorrekturschaltkreis 48 umfassen, der zur Anzeige von Bitfehlern in den im Nutzdatenabschnitt 51 gespeicherten Nutzdatenblöcken konfiguriert ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform analysiert der Fehlerkorrekturschaltkreis 48 einen gespeicherten Nutzdatenblock, indem die Anzahl der Bits eines vordefinierten Zustands ermittelt und die so erhaltene Anzahl mit dem binären Zählerwert verglichen wird. Weicht im Nutzdatenblock die Anzahl der Bits des vordefinierten Zustands von der abgespeicherten Anzahl ab, so kann einer Speicherkontrolleinheit 6 das Auftreten eines nicht korrigierbarer Bitfehlers mitgeteilt werden. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Fehlerkorrekturschaltkreis 48 zum Auslösen des Prozesses zur Bestimmung der unteren und der oberen Lesefensterkante im Falle des Auftretens eines Bitfehlers konfiguriert. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die adaptive Leseeinheit zur Programmierung der Lesespannungsquelle in Abhängigkeit von der unteren und der oberen Lesefensterkante geeignet. Beispielsweise kann die adaptive Leseeinheit die Lesespannung gemäß dem arithmetischen Mittel der unteren und der oberen Lesefensterkante setzen.
