JP2008123330A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】寿命と信頼性改善を図った不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、電気的書き換え可能でかつ、nビット/セル(n≧2)の多値記憶を行うメモリチップと、前記メモリチップの読み出し及び書き込み制御を行うメモリコントローラとを備え、前記メモリチップは、後天的不良数が所定しきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セル(m<n)へ動作モード切り換えが行われる。
【選択図】図6
【解決手段】不揮発性半導体記憶装置は、電気的書き換え可能でかつ、nビット/セル(n≧2)の多値記憶を行うメモリチップと、前記メモリチップの読み出し及び書き込み制御を行うメモリコントローラとを備え、前記メモリチップは、後天的不良数が所定しきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セル(m<n)へ動作モード切り換えが行われる。
【選択図】図6
Description
この発明は、多値記憶を行う不揮発性半導体記憶装置に関する。
電気的書き換え可能な不揮発性半導体記憶装置(EEPROM)の1つとして、NAND型フラッシュメモリが知られている。NAND型フラッシュメモリは、複数のメモリセルがソース/ドレインを共有して直列接続されるため、単位セル面積が小さく、従って大容量化が容易である。
各種携帯機器において、音楽データや画像データの記憶を行うために、NAND型フラッシュメモリの需要がますます増えている。この様な状況下で、更に大容量データ記憶を可能とするためには、1セルで複数ビットの記憶を行う多値記憶技術が不可欠になりつつあり、種々の多値記憶技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
NAND型フラッシュメモリは、ページ単位で書き込みが行われるが、一般に書き込み回数に制限があり、使用を続けると書き込み不可となるセルが増えてくる。あるページ内で不良が発生しても、それが一定数の範囲内であれば、ECCにより救済可能である。しかし、一定の不良数(許容不良数)を越えると、ECCによる救済が不可能になる。
この様な救済不可能のページを含むブロックを、後天的不良ブロックとして以後メモリコントローラが自動的にスキップするようにアクセス制御する方式は、ホストのアドレス管理の負担を軽減する技術として有効である(例えば、特許文献2参照)。
またその様なアクセス制御を可能とするために、ロウデコーダ内に不良ブロックフラグを保持するラッチを備えて、後天的不良ブロックについてそのラッチに不良ブロックフラグをセットすることも既に提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2001−93288号公報
特開2005−285184号公報
特開2002−133894号公報
この発明は、寿命と信頼性改善を図った不揮発性半導体記憶装置を提供することを目的とする。
この発明の一態様による不揮発性半導体記憶装置は、
電気的書き換え可能でかつ、nビット/セル(n≧2)の多値記憶を行うメモリチップと、
前記メモリチップの読み出し及び書き込み制御を行うメモリコントローラとを備え、
前記メモリチップは、後天的不良数が所定しきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セル(m<n)へ動作モード切り換えが行われる
ことを特徴とする。
電気的書き換え可能でかつ、nビット/セル(n≧2)の多値記憶を行うメモリチップと、
前記メモリチップの読み出し及び書き込み制御を行うメモリコントローラとを備え、
前記メモリチップは、後天的不良数が所定しきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セル(m<n)へ動作モード切り換えが行われる
ことを特徴とする。
この発明によると、寿命と信頼性改善を図った不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
図1は、一実施の形態によるNAND型フラッシュメモリの構成を示す図である。フラッシュメモリチップ10は、これを制御する外部メモリコントローラ20と共にパッケージングされる。
フラッシュメモリチップ10は、セルアレイ11、そのワード線選択を行うロウデコーダ12、ビット線に接続されて1ページのデータ読み出し及び書き込みに使用されるページバッファ13、カラム選択を行うカラムデコーダ14等を有する。セルアレイ11は、図2のように複数のNANDセルユニット(NANDストリング)NUを配列して構成されている。
NANDセルユニットNUは、複数の電気的書き換え可能な直列接続された不揮発性メモリセルMC0−MC31を有する。NANDセルユニットNUの両端には、これらをビット線BL及び共通ソース線CELSRCに接続するために選択ゲートトランジスタS1及びS2が配置されている。
メモリセルMC0−MC31の制御ゲートは、異なるワード線WL0−WL31に接続され、選択ゲートトランジスタS1,S2のゲートはそれぞれワード線と並行する選択ゲート線SGD,SGSに接続されている。
ワード線を共有するNANDセルユニットの集合がデータ消去の単位となるブロックであり、図示のようにビット線の方向に複数のブロックBLK0−BLKnが配置される。
図2では、偶数番ビット線BLeとこれに隣接する奇数番ビット線BLoとが1つのセンスアンプSAを共有する例を示している。即ち、偶数番ビット線BLeと奇数番ビット線BLoとはビット線選択回路13aによりいずれかが選択されてセンスアンプSAに接続される。
この場合、全偶数番ビット線と1ワード線により選択される範囲が同時書き込み/読み出しが行われる物理的な1ページ(偶数ページ)となり、全奇数番ビット線と1ワード線により選択される範囲が同様に、同時書き込み/読み出しが行われる他の1ページ(奇数ページ)となる。ページバッファ13は、1ページ分の読み出し/書き込みデータを保持できるセンスアンプSAを備えて構成される。
チップ内部コントローラ17は、チップ外部のメモリコントローラ20を通して供給される各種制御信号(チップイネーブル/CE、コマンドラッチイネーブルCLE、アドレスラッチイネーブルALE、書き込みイネーブル/WE、読み出しイネーブル/RE等)を受け、コマンドCMDを受けて、セルアレイ11の読み出し/書き込み/消去の制御を行う。
この内部コントローラ17は、この実施の形態の場合、4値データ書き込み/読み出しを行うシーケンサ機能を持つほか、2値データ書き込み/読み出しのシーケンサ機能を持ち、これらは外部メモリコントローラ20からの指示により切り換え可能とされているものとする。通常は4値記憶のシーケンサ機能が有効となる。
読み出し/書き込み/消去時に必要とする高電圧を発生するための高電圧発生回路18が設けられていて、これも内部コントローラ17により制御される。
なお、内部コントローラ17の機能の一部或いは主要部を、外部のメモリコントローラ20に持たせることもできる。例えば、内部コントローラ17の機能を、電圧制御やタイミング制御、パワーオン時のセルアレイ11のROMフューズ領域の読み出し制御等に限定し、メモリチップ10の書き込みシーケンサ等の機能を、ソフトウェアによりメモリコントローラ20に持たせることができる。
この場合、そのソフトウェアは、セルアレイ11のROM領域に書き込まれていて、これがパワーオンリセット動作により読み出されて、外部メモリコントローラ20に展開されるものとする。
アドレスADD、コマンドCMD及びデータDataは、I/Oバッファ15を通して与えられる。アドレスADDはアドレスレジスタ16を介してロウデコーダ12及びカラムデコーダ14に与えられ、コマンドCMDはコントローラ17に送られてデコードされる。
ロウデコーダ12には、不良ブロックフラグ(Bad Block Flag:BBF)を書き込んで保持するラッチ19を備えている。これは、不良ブロックのアクセスを禁止するためである。
この実施の形態においては、フラッシュメモリは、多ビット/セルの多値記憶を行う。
図3は、2ビット/セルの4値記憶の場合のデータしきい値分布とデータビット割り付けの一例を示している。図3の下段は、4値データ状態E,A,B,Cのしきい値分布とビット割り付けである。
消去状態Eは負しきい値電圧であり、A,B,Cが正のしきい値の書き込み状態である。4値データは、上位ページデータUPと下位ページデータLPにより(UP,LP)で表され、この例ではE=(1,1)、A=(1,0)、B=(0,0)、C=(0,1)とされる。
4値データ書き込みには、まず下位ページ(LP)書き込みが行われる。LP書き込みでは、消去状態Eのセルに対して、選択的にしきい値を上昇させる“0”書き込みを行って、ベリファイ電圧Vaによりしきい値下限値が規定されたデータ状態Aを得る。
次いで、上位ページ(UP)書き込みでは、データ状態E,Aのセルに対して選択的にしきい値を上昇させる“0”書き込みを行って、ベリファイ電圧Vc,Vbで規定されるデータ状態C,Bを得る。即ち、書き込み電圧印加は同時で、書き込みベリファイは、ベリファイ電圧Vb,Vcを用いた2段階で行われる。
以上の4値データは、データ状態AとBの間に設定された読み出し電圧Rbにより、上位ページデータを読み出すことができる。下位ページ読み出しについては、データ状態EとAの間及びBとCの間に設定された読み出し電圧Ra及びRcを適用した2回の読み出し動作により、読み出すことができる。
図4は、同様の手法を拡張した8値データ記憶の場合のしきい値分布とデータビット割り付け例を示している。
8値データは、図4の最下段に示すように、8つのデータ状態E,A,B,C,D,E,F,Gにより、上位ページデータUP、中間ページデータMP及び下位ページデータLPにより、(UP,MP,LP)として定義される。
まず、下位ページ(LP)データ書き込みにより、消去しきい値データEのセルが選択的に、ベリファイ電圧Vaで規定されるデータ状態Aに設定される。
次いで中間ページ(MP)データ書き込みにより、データ状態E,Aのセルに選択的に、ベリファイ電圧Vc,Vbを用いた書き込みベリファイによりデータ状態C,Bが設定される。
同様にして、ベリファイ電圧Vd〜Vgを利用した書き込みベリファイを含む上位ページ(UP)データ書き込みにより、データ状態D,E,F,Gが得られる。
以上のような多値データ記憶を前提として、この実施の形態では、後天的な不良に対して、二つの対処を行う。まず第1の対処法を、図5を参照して説明する。
なおメモリチップ10は、図5に示すように、ノーマルブロック領域10aと、ROMフューズ領域10bと、管理データ領域10cとを有するものとする。これらのうち、ノーマルデータ領域10aが、ユーザーによって通常のデータ書き込み/読み出しが行われる領域である。
ROMフューズ領域10bは、内部コントローラ17及び外部のメモリコントローラ20のプログラムデータや各種トリミングデータ、不良アドレスデータが、出荷時に書き込まれる領域である。これらのデータは、パワーオン時に自動的に読み出されて、それぞれのプログラムデータはコントローラ17,20にセットされ、トリミングデータや不良アドレスデータは、対応するデータレジスタ(図では省略)にセットされ、読み出し/書き込み等の制御に供される。具体的に不良アドレスデータは、不良アドレス置換制御に供される。
管理データ領域10cは、後天的に検出された不良ブロック情報の他、後に説明する4値/2値モードの切り換え情報、論理/物理アドレス変換テーブル等を保持する領域である。論理/物理アドレス変換テーブルとは、ホストがフラッシュメモリの物理アドレス管理を行うことなく、論理アドレスのみでアクセスする方式の場合に、メモリコントローラ20がフラッシュメモリチップ10の物理アドレス選択を行うためのテーブルである。
図5に示すように、データ書き込み時、1)例えばフラッシュメモリのブロックNが書き込みフェイルの判定だったとする。このとき、2)同じ書き込みデータを、別のブロック(スペアブロック)に書き込み、3)またブロックNが不良である旨の情報を、フラッシュメモリ内の管理データ領域10cに書き込む。
そして、その後フラッシュメモリの電源投入時には、パワーオンリセット動作として、ROMフューズ領域10bのデータが自動的に読み出される他、4)管理データ領域10cの不良ブロック情報も読み出される。この不良ブロック情報は、メモリコントローラ20に転送され、その中の不良ブロック管理領域に、ブロックNが不良である旨のデータが書かれる。
これにより、ホストデバイスからのアクセスに対して、メモリコントローラ20は、不良ブロックNを避けてメモリチップをアクセスすることが可能となる。具体的に説明する。ホストデバイスからのフラッシュメモリのアクセスには、コマンドと共に論理アドレスを送り、書き込みの場合であれば更に書き込みデータを送る。メモリコントローラ20は、アドレス変換テーブルに従ってフラッシュメモリチップの物理アドレス選択を行い、読み出し/書き込みを行う。書き込みの場合には、選択された物理アドレスに対応して、順次論理/物理アドレス変換テーブルが書き換えられる。
先の不良ブロック情報は、メモリコントローラ20内でこの論理アドレス/物理アドレス変換テーブルに反映され、自動的に不良ブロックをスキップする、という制御が行われることになる。
一方、この第1の対処法のみでは、フラッシュメモリの信頼性や寿命に限界がある。即ち一般的に多値記憶では、狭いデータしきい値分布制御を必要とするため、使用回数が増えると、セルの劣化等により書き込み不可となる不良ブロックが多くなる。
そこでこの実施の形態では、第2に、後天的に発生する不良ブロックの数が所定値に達した場合に、多値記憶モードから2値記憶モードへの動作モード切り換えを行う。これは、使用によって書き込み不可となるブロックが多くなったとしても、多値データの上位ページ、下位ページのデータを利用した2値記憶モードに切り換えれば、未だ使用可能である場合が多いことを考慮したものである。
具体的に例えば、図5に示すノーマルブロック領域10aのブロック数をNmaxとして、不良ブロック数が所定しきい値、例えばNmax/2を越えた場合に、動作モード切り換えを行うものとする。
以上説明した第1及び第2の対処法を含めて、この実施の形態でのフラッシュメモリのパワーオンリセットの動作を、図6を用いて説明する。
電源がオンになると、前述したROMフューズ領域10bの読み出しによる初期セットアップ動作に加えて、管理データ領域10cの不良ブロック情報、アドレス変換テーブル、動作モード切り換え情報を読み出して、これをメモリコントローラ20にセットする動作が行われる(ステップS1)。
一方メモリコントローラ20は、管理データ領域10cから読み出された不良ブロック情報に基づいて、図1に示したロウデコーダ12の対応するBBFラッチ19に不良ブロックであることを示すフラグをセットする(ステップS2)。
更にメモリコントローラ20は、メモリチップ10に対してロウデコーダ12に付属するBBFラッチのフラグをカウントする動作を行わせる(ステップS3)。即ち、メモリチップ10はこの様なカウント機能を実装しており、メモリコントローラ20からの指示により不良ブロック数をカウントし、その結果をメモリコントローラ20に出力する。
メモリコントローラ20は、不良ブロック数がしきい値以下であるか否かを判定し(ステップS4)、YESの場合には、動作モード切り換えを行うことなく、チップ・レディ状態にセットし、次の動作コマンドを待つ。ホストから、読み出し或いは書き込みのコマンドが送られれば、4値動作モードに従って、読み出し或いは書き込みが行われる。
ステップS4の判定結果がNOの場合には、4値記憶から2値記憶への動作モード切り換えを行う(ステップS5)。具体的に、4値/2値のモード切り換え情報をセットし、既に書かれている4値データを2値データに変換して他の適当なブロックに待避させ、また動作モード切り換えに当たってメモリチップ10の管理データ領域10cの不良ブロック情報を消去し、ロウデコーダ12のBBFラッチ19をリセットする。4値記憶モードでは不良であっても、2値記憶モードに切り換えれば正常ブロックとなり得るからである。
4値/2値のデータ変換と待避は、4値データ読み出し法に従ってその上位ページ及び下位ページを読み出して、それらを別々の物理ページに2値データとして書き戻すものである。具体的に、同じ物理ページに重ねて書かれている4値データのうち上位ページデータは、図3のデータ状態A,Bの間の読み出し電圧Rbを用いた読み出し動作により読み出される。下位ページデータは、データ状態EとAの間及びBとCの間に設定された読み出し電圧Ra及びRcを用いた2回の読み出し動作により読み出される。
これらの上位ページ読み出しデータ及び下位ページ読み出しデータを、例えば共に図3の下位ページ書き込み条件と同じ条件で、或いは他の2値データ書き込みの条件で決まる2値データとして、(a)後天的に不良とされたブロックに書き込み、或いは(b)スペアブロックがあれば、そこに書き込む。この場合、(a)を優先させることが好ましい。
例えば、4値で書かれている待避元ブロックのUPデータを読み出して、コントローラに登録されている後天的不良ブロックのうち一番小さいアドレスのブロックに2値書き込みする。続いて、LPデータを読み出して、二番目に小さいアドレスのブロックに2値書き込みする。このデータ待避に伴って、コントローラは管理データ領域の書き換えを必要とする。待避元ブロックのデータは、データ待避後必要なくなるので消去する。これにより、待避元ブロックは、以後スペアブロックとして用いられる。
図7は、4値モードから2値モードへのモード切り換えに伴うデータ書き換えによるアドレス変更の様子を示している。図7の4値モードの下位ページ(LP)アドレスと上位ページ(UP)アドレスは、太枠で示すように上位ページ/下位ページの指示アドレスビット(U/L)のみが“0”,“1”と異なる。即ちこれらは、ブロックアドレスBA、ブロック内のワード線選択アドレスビットWLA、及び偶数ページ/奇数ページ(E/O)の指示アドレスビットが全て同じであり、同じブロックBLKiの同じワード線WLnに重ねて書かれるLPデータとUPデータのアドレスを示している。
この4値のLPデータ、UPデータは、例えば図7の2値モードに例示したように、ブロックアドレスBAがそれぞれ太枠で示すように(1011…)と(0111…)と異なる二つのブロックBLKmとBLKm+1内の同じワード線WLnに、2値データとして待避書き込みされることになる。2値モード切り換え後は、上位ページ/下位ページの指示アドレスビット(U/L)は無用となる。
4値/2値データ変換と書き戻し動作の結果に従って、メモリコントローラ20内の論理/物理アドレス変換デーブルの書き換えも必要である。更にモード切り換え情報がセットされると、その後のアクセスについて、内部コントローラ17或いは外部メモリコントローラ20によるシーケンサ機能の切り換えも行われる。
以上のステップS5の動作は、不良ブロックカウント結果に基づいて、メモリコントローラ20により自動的に実行される。
書き換えられたアドレス変換テーブルと、モード切り換え情報とは、チップの電源がオフになる際には、メモリチップ10の管理データ領域10cに書き込まれるものとする。
これにより、以後、ホストからの読み出し/書き込みアクセスに対して、メモリコントローラ20は、図3の下位ページデータ対応の2値データとして読み出し/書き込みを行う。
この様な動作モード切り換えを行えば、図8に示すように、実質的にフラッシュメモリの寿命が延びる。即ち、4値記憶方式をそのまま続けた場合、使用可能ブロック数が急激に減少する可能性があるのに対し、2値記憶モードに切り換えると、それまで不良であったブロックが使用可能になる可能性があるだけでなく、その後、データしきい値制御も容易になるので、使用による不良発生率も低下する。
図9は、他の実施の形態によるフラッシュメモリのパワーオンリセットの動作例である。
電源がオンになると、前述したROMフューズ領域10bの読み出しによる初期セットアップ動作に加えて、管理データ領域10cの情報を読み出して、これをメモリコントローラ20にセットする動作が行われる(ステップS11)。これは先の実施の形態と同じである。
この後、ロウデコーダのBBFラッチ12に後天的な不良ブロック情報フラグをセットする動作を行うことなく、メモリコントローラ20に搭載したカウント機能により、不良ブロック管理領域のデータに基づいて後天的な不良ブロック数をカウントする(ステップS12)。
そして、不良ブロック数がしきい値以下であるか否かを判定し(ステップS13)、YESであれば、そのままチップ・レディ状態とする。NOの場合には、4値記憶から2値記憶への動作モード切り換えを行う(ステップS14)。
動作モード切り換えに当たっては、メモリチップ10の管理データ領域10cの不良ブロック情報を消去し、4値データを読み出して2値データとして書き直し、更に論理/物理アドレス変換テーブルを書き換えることは、先の実施の形態と同様である。BBFラッチのリセット動作は必要がない。
この様に、BBFラッチを後天的不良ブロックの情報管理に使用しなければ、それだけパワーオンリセット動作は簡単になる。また、BBFラッチが、出荷前のウェハテストの結果見つけられたブロック不良についてもフラグ設定されるものとすると、後天的不良ブロックについてのみBBFラッチのフラグをカウントしたり、或いはこれをリセットしたりするには、何らかの両者の識別手段を必要とする。この実施の形態では、その様な識別を必要としない。
以上の実施の形態では、多値記憶の例として4値記憶(2ビット/セル)の場合を説明したが、この発明は図4で説明した8値記憶(3ビット/セル)或いはそれ以上の場合にも有効である。
即ち一般的に、nビット/セル(n≧2)の多値記憶を行う場合に、メモリチップが、後天的不良数が所定しきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セル(m<n)へ動作モード切り換えが行われるようにすることで、実質的な製品寿命の改善と性能改善が図られる。
また、例えば8値記憶の場合であれば、一定の不良しきい値を超えたときに、8値記憶(3ビット/セル)から4値記憶(2ビット/セル)へと動作モードを切り換え、その後また一定の不良しきい値を越えたときに、4値記憶から2値記憶(1ビット/セル)へと動作モードを切り換えるという、モード切り換え方式を採用することが好ましい。
10…フラッシュメモリチップ、11…メモリセルアレイ、12…ロウデコーダ、13…ページバッフア、14…カラムデコーダ、15…I/Oバッファ、16…アドレスレジスタ、17…内部コントローラ、18…高電圧発生回路、19…不良ブロックフラグラッチ、20…メモリコントローラ。
Claims (7)
- 電気的書き換え可能でかつ、nビット/セル(n≧2)の多値記憶を行うメモリチップと、
前記メモリチップの読み出し及び書き込み制御を行うメモリコントローラとを備え、
前記メモリチップは、後天的不良数が所定しきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セル(m<n)へ動作モード切り換えが行われる
ことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリチップは、通常の読み出し/書き込みが行われるノーマルブロック領域と、後天的な不良ブロック情報が書き込まれる管理データ領域とを有し、
前記管理データ領域の不良ブロック情報は、パワーオンリセット時に前記メモリコントローラに読み出されて、その後の前記メモリチップのアクセス制御に用いられる
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリコントローラは、パワーオンリセット時、後天的な不良ブロック数をカウントして、それがしきい値を超えたときに、nビット/セルからmビット/セルへの動作モード切り換えを行う
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリチップは、後天的不良ブロックであることを示す不良ブロックフラグラッチと、その不良ブロックフラグをカウントする機能とを有し、
前記メモリコントローラは、パワーオンリセット時、メモリチップに指示して後天的な不良ブロック数をカウントさせる
ことを特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリコントローラは、パワーオンリセット時に読み出された不良ブロック情報を保持し、その不良ブロック情報に基づいて不良ブロック数をカウントする
ことを特徴とする請求項3記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリチップは、2ビット/セルの4値モードを基本とし、4値モードでの不良ブロック数が所定しきい値を超えたとき、1ビット/セルの2値モードに切り換えられる
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。 - 前記メモリチップは、3ビット/セルの8値モードを基本とし、8値モードでの不良ブロック数が所定しきい値を超えたとき、2ビット/セルの4値モードに切り換えられ、更に4値モードでの不良ブロック数が所定しきい値を超えたとき、1ビット/セルの2値モードに切り換えられる
ことを特徴とする請求項1記載の不揮発性半導体記憶装置。
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