JP2010198219A - メモリコントローラおよび半導体記憶装置 - Google Patents

メモリコントローラおよび半導体記憶装置 Download PDF

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Abstract

【課題】読み出すデータの信頼性の高いメモリコントローラ10および半導体記憶装置2を提供する。
【解決手段】論理アドレス/物理アドレス変換テーブル16と、各メモリセル31からデータを読み出すアクセス回数を論理アドレスと対応して記憶するアクセス回数記憶部15と、所定のアクセス回数ごとに各メモリセル31に記憶されているデータの記憶状態を確認する記憶状態確認部13と、データの記憶状態が所定の劣化状態の場合に各メモリセル31に記憶されたデータを記憶しなおすリフレッシュ処理を行うリフレッシュ処理部12と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、ホストからのデータを、複数のメモリセルを有するNAND型フラッシュメモリ部に記憶し読み出しするための制御を行うメモリコントローラおよび前記メモリコントローラを具備する半導体記憶装置に関する。
NAND型フラッシュメモリ部を有する不揮発性半導体記憶装置は、ブロックと呼ばれる複数のメモリセルに記憶されたデータを一括して消去処理を行うことにより構造を簡略化し、安価でかつ大容量を実現している。そしてさらに半導体記憶装置は可動部がなく低消費電力であることから、携帯電話または携帯音楽プレーヤ等のホストの記憶装置として広く利用されている。しかし、NAND型フラッシュメモリ部には書き込み/消去回数の制限、および読み出し回数の制限がある。
書き込み/消去回数の制限は、NAND型フラッシュメモリ部のメモリセルに対する書き込み/消去処理では、基板に対してゲートに高電圧がかけられフローティングゲートに電子が注入されることに起因する。書き込み/消去処理が何回も実行されるとフローティングゲート周りの酸化膜が劣化し、データが破壊されてしまうことがある。書き込み/消去処理が特定のメモリセルに集中することを回避するために、メモリコントローラが消去処理回数をカウントし消去処理回数の多いメモリセルと少ないメモリセルとを入れ替えて、書き込み/消去処理回数の平均化をはかる、いわゆるウェアレベリングが実施されている。
ウェアレベリングを行う半導体記憶装置では、ホストがメモリセルのメモリ部中の物理的な位置を示す物理アドレスを用いてデータ記憶位置を特定することは困難である。このため論理空間という概念を構築し、物理アドレスを論理空間における位置を示す論理アドレスに変換している。論理アドレスを物理アドレスに変換するためには、論理アドレス/物理アドレス変換テーブル(以下、「論物変換テーブル」という。)が用いられている。
一方、読み出し回数の制限はリードディスターブに起因する。リードディスターブとは、NAND型フラッシュメモリ部においては、非選択メモリセルにもワード線から読出し電圧が印加されるため電子が徐々にフローティングゲートに注入される現象である。このためデータが記憶されたメモリセルから読み出し処理のみを繰り返していくに従い、データを読み出すときの閾値電圧が変化、すなわちデータの記憶状態が劣化する。このため、読み出し誤りが多くなり、読み出したデータの信頼性が低下していく。
例えば特開2004−326867号公報にはリードディスターブを防ぐために、読み出し回数の多いメモリセルに対して適宜再書き込み処理を行うこと、すなわち閾値電圧を元の状態に戻すリフレッシュ処理を行うことが開示されている。
ここで、公知の半導体記憶装置のリフレッシュ処理ではメモリセルを物理アドレスにより特定して読み出し回数をカウントしていた。しかし、ブロック単位で区分された全領域のメモリセルに対して、論理アドレスと物理アドレスとの対応を取りながら読み出し回数をカウントするためには、処理が複雑化するとともに、論物変換テーブルと複雑に対応した記憶部が必要であるため回路規模が大きくなる。
一方、メモリ部内の複数のメモリセルは製造時のばらつき、およびメモリ部内での位置等によりリードディスターブ耐性が大きく異なる。リードディスターブ対策の結果として読み出すデータの信頼性を保証するためには、メモリ部の複数のメモリセルの中でリードディスターブが最も発生しやすいメモリセルを基準に悪影響が発現しない読み込み回数ごとにリフレッシュ処理を行う必要がある。しかし、過度のリフレッシュ処理を行うことは書き込み/消去回数を必要以上に増加することであり、メモリセルの劣化を招き、逆に読み出すデータの信頼性が低下することがある。
特開2004−326867号公報
本発明は、読み出すデータの信頼性の高いメモリコントローラおよび半導体記憶装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、複数のメモリセルを有するNAND型フラッシュメモリ部にデータを記憶し読み出しするための制御を行うメモリコントローラであって、各メモリセルのNAND型フラッシュメモリ部における位置を示す物理アドレスと各メモリセルの論理空間における位置を示す論理アドレスとを変換する論理アドレス/物理アドレス変換テーブルと、各メモリセルからデータを読み出すアクセス回数を論理アドレスと対応して記憶するアクセス回数記憶部と、所定のアクセス回数ごとに各メモリセルに記憶されているデータの記憶状態を確認する記憶状態確認部と、データの記憶状態が所定の劣化状態の場合に各メモリセルに記憶されたデータを記憶しなおすリフレッシュ処理を行うリフレッシュ処理部と、を有するメモリコントローラが提供される。
また、本発明の別の一態様によれば、上記メモリコントローラを具備した半導体記憶装置が提供される。
本発明によれば、読み出すデータの信頼性の高いメモリコントローラおよび半導体記憶装置を提供することができる。
第1の実施の形態の半導体記憶装置の構成を示した構成図である。 第1の実施の形態の半導体記憶装置における論理アドレスと物理アドレスとの関係を説明するための説明図である。 第1の実施の形態の半導体記憶装置における読み出し回数と読み出しのときの誤り発生数の関係を例示した図である 第1の実施の形態のメモリコントローラのリードディスターブ対策処理の流れについて説明するためのフローチャートである。 第2の実施の形態の半導体記憶装置の構成を示した構成図である。 第2の実施の形態のメモリコントローラにおける論理ブロックグルーブを説明するための説明図である。
<第1の実施の形態>
以下、図面を参照して本発明の第1の実施の形態のメモリコントローラ10および半導体記憶装置2について説明する。
図1に示すように、本実施の形態の半導体記憶装置2は、パソコンまたはデジタルカメラ等のホスト3と着脱可能に接続されるメモリカード、または、ホスト3の内部に収納され、ホスト3の起動データ等を記録する、いわゆるエンベデッドタイプの記憶装置等である。あるいは半導体記憶装置2とホスト3とが、例えば携帯音楽プレーヤであるMP3プレーヤ等のメモリシステム1を構成していてもよい。半導体記憶装置2は、半導体メモリ部(以下、単に「メモリ部」ともいう。)30と、メモリコントローラ10とを有する。メモリ部30はNAND型フラッシュメモリ部であり、単位セルである多数のメモリセル31が、書き込みに用いるビット線(不図示)および読み出しに用いるワード線32等で接続された構造を有する。
メモリコントローラ10は、バス17を介して接続された、ROM19と、制御部であるCPU11と、RAM14と、ホスト I/F(インターフェイス)18と、記憶するデータの符号化処理および記憶されたデータの復号処理を行う誤り訂正(ECC:Error Correcting Code)部20と、NAND I/F(インターフェイス)21とを有する。
メモリコントローラ10は、CPU11を用いて、ホストI/F18を介してホスト3とのデータ送受信を、NAND I/F21を介してメモリ部30とのデータ送受信を行う。そして、半導体記憶装置2の動作時にRAM14には、論物変換テーブル16と、それぞれの論理ブロック内のメモリセルからのデータの読み出し回数を、論理アドレスと対応して記憶するアクセス回数記憶部15とが含まれる。
ここで、図2に示すように半導体メモリ部30を構成する複数のメモリセル31は、消去単位である物理ブロックによって区分されている。一方、半導体記憶装置2と接続されたホスト3は論理空間における各メモリセル31の位置を示す論理アドレスによりデータの送受信を指示する。
また論理空間の区分サイズは物理ブロックサイズと同一とし、論理空間1区分(以下、「論理ブロック」と呼ぶ)に対して1個の物理ブロックが対応付けられている論物変換形式とする。なお、図示はしていないが、1個の論理ブロックのサイズは物理ブロックサイズ複数個分と同一であるが、1個の論理ブロックに対して複数個の物理ブロックが対応付けられている論物変換形式でも良い。
CPU11は、論物変換テーブル16にもとづいて論理アドレスと物理アドレスの変換を行うアドレス変換部(不図示)、所定のアクセス回数ごとに各メモリセル31に記憶されているデータの記憶状態を確認する記憶状態確認部13、および各メモリセル31に記憶されたデータを記憶しなおすリフレッシュ処理を行うリフレッシュ処理部12としての動作をファームウエア(FW)により実行する。ホスト3からのコマンド入力に応じた半導体記憶装置2全体の制御もCPU11においてFWで実行される。ROM10は、半導体記憶装置2の制御プログラム等が格納されている記憶部であり、半導体メモリ部30の一部または図示しない不揮発性記憶部にもメモリコントローラ10が半導体記憶装置2を制御するための情報が記憶される。
本実施の形態のメモリコントローラ10は、アクセス回数記憶部15が、論理ブロック単位でデータを読み出すアクセス回数を記憶する。
ここで、図3に示すように、NAND型フラッシュメモリ部を有する半導体記憶装置2においては、メモリセル31にデータを記憶後に同じメモリセル31からのデータ読み出し回数が増加するに従いデータの記憶状態が劣化し誤りの発生数が多くなる。そして、例えば、ある論理ブロック40Aとある論理ブロック40Bとではリードディスターブによる劣化の進行速度、言い換えればリードディスターブ耐性が大きく異なる。ここで、誤りの数とは、ECC部20における復号処理のときの誤りの数であり、誤り数がECC部20の最大誤り訂正数以下の場合には、誤り訂正が可能である。
そして、メモリコントローラ10では記憶状態確認部13が所定の読み出しアクセス回数ごとに、論理ブロック単位でメモリセル31に記憶されているデータの記憶状態すなわち復号処理したときの誤りの数を確認する。すなわち、記憶状態確認部13は所定のアクセス回数ごとにメモリセル31に記憶されている符号化データを復号処理したときの誤りの数をもとにメモリセル31に記憶されているデータの記憶状態を確認する。所定のアクセス回数は、半導体記憶装置2の種類および使用状態等により適宜選択されるが、リードディスターブの兆候が出はじめたアクセス回数から誤り訂正不能でデータ読み出し不能になるまでのアクセス回数に対して十分細かい間隔設定であればよく、例えば1k回である。
そして、リフレッシュ処理部12は、メモリセル31の記憶状態が所定の劣化状態、例えばECC部20の最大誤り訂正数が12個の場合に発生誤り数が8個以上になった場合にだけメモリセルに記憶されたデータを、記憶しなおすリフレッシュ処理を行う。
なお、記憶状態確認部13が、メモリセル31に記憶されているデータの記憶状態を確認する方法としては、通常のデータ読み出しにおける復号処理のときの誤り発生数を確認する方法に限られるものではない。例えば、データ読み出しのときにワード線32に印加する読み出し電圧を、通常の読み出し電圧に対してマージンを減らした設定、言い換えれば、より誤りが発生しやすい設定としたときの誤り発生数を確認する方法を用いてもよい。すなわち、記憶状態確認部13は通常のデータを読み出し条件よりも誤りが発生しやすい条件で読み出されたデータの復号処理結果にもとづきメモリセル31に記憶されているデータの記憶状態を確認してもよい。
また、記憶状態確認部13が、データの記憶状態を確認するメモリセル31は対象となる論理ブロック内の全データ、すなわち全メモリセル31である必要はなく、例えば、リードディスターブ障害が発生しやすい極性データを含むメモリセル31のみ、またはリードディスターブ耐性が弱いワード線32または弱いカラムアドレスを含む範囲のメモリセル31のみを用いて確認してもよい。すなわち、記憶状態確認部13は、NAND型フラッシュメモリ部の複数のメモリセルのうち、誤りが発生しやすい単数または複数のメモリセル31から読み出されたデータの復号処理結果にもとづきメモリセル31に記憶されているデータの記憶状態を確認してもよい。
なお、論理アドレス/物理アドレスの対応関係の更新処理によりブロックの書き換えが行われた場合には、リードディスターブ障害は解消される。しかし、この場合に、アクセス回数記憶部15は記憶されているアクセス回数をリセットさせて再度、カウントをゼロから累積しなくともよい。記憶状態確認部13は所定の回数ごとに記憶状態を確認するためである。逆に、記憶状態確認部13が記憶状態を確認するごとにアクセス回数記憶部15は記憶されているアクセス回数をリセットしてゼロに戻してもよい。アクセス回数をリセットする頻度の高いアクセス回数記憶部15は容量が小さくできる。
なお、本実施の形態の半導体記憶装置2は、公知のリードディスターブ障害回避方法を併用しても良い。例えば、特に、読み出し回数の多いブロックのデータをRAM14等に記憶し、そのブロック内のメモリセル31に対して読み込みアクセスがあった場合には、半導体メモリ部30からではなく、RAM14等からデータを読み出す方法が知られている。このようなRAM14等にデータを転送するリードディスターブ障害回避方法を併用する場合には、もちろん、その論理ブロックについては、アクセス回数記憶部15等の対象とはしない。
以上の説明のように、本実施の形態のメモリコントローラ10では、メモリ部30に記録状態の劣化の進行速度が異なっているメモリセル31が混在していても、過度にリフレッシュ処理を行うことにより生じる弊害を防止することができ、読み出すデータの信頼性が高い。また本実施の形態のメモリコントローラ10を具備する半導体記憶装置2およびメモリシステム1は読み出すデータの信頼性が高い。
次に図4のフローチャートを用いて、本実施の形態のメモリコントローラ10のリードディスターブ対策処理の流れについて説明する。
<ステップS10> 初期化処理
半導体記憶装置2の電源が入る、例えばホスト3と接続されると、メモリコントローラ10はROM19等の不揮発性記憶部に記憶されている情報をRAM14およびCPU11に転送する。このため、CPU11は、記憶状態確認部13およびリフレッシュ処理部12としての機能を具備する。もちろん、メモリコントローラ10が、CPU11から独立した記憶状態確認部13および/またはリフレッシュ処理部12を有していてもよい。
<ステップS11> 終了指示
ホスト3からの処理終了の指示があるまで、メモリコントローラ10は以下に説明する所定の処理を繰り返す。
<ステップS12、S13> アクセス回数記憶処理
ホスト3から論理アドレスにもとづいて特定されたメモリセルに記憶されているデータの読み出し指示(コマンド)があった場合に、メモリコントローラ10は、論物変換テーブル16にもとづいて論理アドレスを物理アドレスに変換し、論理アドレスに対応した物理アドレスに該当するメモリセル31からデータを読み出して、復号処理を行い、ホスト3に出力する。
データを読み出したとき、すなわちメモリセル31に読み出しアクセスしたとき、アクセス回数記憶部15は記憶しているアクセス回数に1を加算する。ここで、アクセス回数記憶部15はアクセスしたメモリセル31が属する論理ブロック40ごとにアクセス回数を記憶する。
なお、アクセス回数記憶部15は、アクセス回数の多い論理ブロックのみを対象にアクセス回数を記憶、すなわちカウントし、記憶状態確認部13およびリフレッシュ処理部12はアクセス回数記憶部15がアクセス回数を記憶している論理ブロックのみを対象に、それぞれの処理を行ってもよい。
<ステップS14、S15、S16> 記憶状態確認処理
所定のアクセス回数ごとに、記憶状態確認部13は、その論理ブロックに属するメモリセルに記憶されているデータの記録状態を確認する。記録状態が所定の劣化状態、すなわち復号処理のときに所定数以上の誤り発生がない場合には、所定のアクセス回数を経過していてもリフレッシュ処理部12はリフレッシュ処理を行わない。
なお、アクセス回数記憶部15および/または論物変換テーブル16は、RAM14ではなくCPU11の内部記憶部に記憶されていてもよい。
<ステップS17> リフレッシュ処理
データの記憶状態が所定の劣化状態の場合に、リフレッシュ処理部12は、リフレッシュ処理を行う。リフレッシュ処理は論理ブロック情報を論物変換テーブル16により物理ブロック情報に変換して、物理ブロック単位で行われる。
なお、記憶状態確認部13が確認したデータの記憶状態が所定の劣化状態で、かつ、ホスト3からリフレッシュ処理の指示があったときに、リフレッシュ処理部12がリフレッシュ処理を行うようにしてもよい。ホスト3からの指示により、リフレッシュ処理を行うメモリコントローラ10はリフレッシュ処理中に電源が遮断されるおそれがない。
または、記憶状態確認部13が確認したデータの記憶状態が所定の劣化状態の場合に直ちにリフレッシュ処理を行わず、その後、ホスト3から一定時間、何の処理指示がない、いわゆるアイドリング期間に、リフレッシュ処理部12がリフレッシュ処理を行うようにしてもよい。
すなわち、接続されたホスト3がアイドリング期間中に、リフレッシュ処理部12がリフレッシュ処理を行うメモリコントローラ10は、リード/ライト処理の処理速度がリフレッシュ処理により低下することがない。
<ステップS18> 電源遮断処理
ホスト3から電源遮断に先行して、「Cache Flushコマンド」等のコマンド信号による終了指示があった場合には、メモリコントローラ10はコマンド信号をトリガにメモリコントローラ10はアクセス回数記憶部15に記憶されているアクセス回数情報を不揮発記憶部に転送する。
ホスト3からコマンド信号等での終了指示がなく電源が遮断される場合がある半導体記憶装置2の場合には、メモリコントローラ10はアクセス回数記憶部15に記憶されているアクセス回数情報を、所定の時間間隔、または所定の第2のアクセス回数間隔で不揮発性記憶部に転送することが好ましい。半導体記憶装置2の電源が予告無く遮断された場合には、アクセス回数情報を不揮発性記憶部に転送したときから電源遮断までのアクセス回数情報として失われる。しかし、その失われるアクセス回数が統計量として不揮発性記憶部にすでに記憶しているアクセス回数に対して、リードディスターブ障害発生特性上、無視できる程度に小さいものであれば問題とはならない。すなわち、所定の時間間隔または第2のアクセス回数間隔は、リードディスターブ障害発生特性を考慮して設定される。
すなわち、アクセス回数記憶部15に記憶されているアクセス回数情報を所定の時間ごと、または所定の第2のアクセス回数ごとに不揮発性記憶部に転送するメモリコントローラ10は予告無く電源が遮断されても、リードディスターブ障害の発生を防止できる。
<第2の実施の形態>
次に、図5および図6を参照して本発明の第2の実施の形態のメモリコントローラ10Bおよび半導体記憶装置2Bについて説明する。第2の実施の形態のメモリコントローラ10Bおよび半導体記憶装置2Bは第1の実施の形態のメモリコントローラ10および半導体記憶装置2と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
そして図5に示す半導体記憶装置2Bのメモリコントローラ10Bのリフレッシュ処理部12Bは複数のメモリセル31からなるデータ消去単位である物理ブロッ単位でリフレッシュ処理を行い、アクセス回数記憶部15Bおよび記憶状態確認部13Bは物理ブロック単位と同じ大きさの論理ブロックを複数有する論理ブロックグループ単位で、それぞれの処理を行う。
即ち、第1の実施の形態のメモリコントローラ10は所定のアクセス回数ごとに、記憶状態確認部13が、その論理ブロック一個に属するメモリセルに記憶されているデータの記録状態を確認した。これに対して、本実施の形態のメモリコントローラ10では所定のアクセス回数ごとに、記憶状態確認部13Bが、その論理ブロックグループに属するメモリセルに記憶されているデータの記録状態を確認し、データの記憶状態が所定の劣化状態の物理ブロックに対してのみ、リフレッシュ処理部12Bは、リフレッシュ処理を行う。
図6に示すようにメモリコントローラ10Bでは、例えば連続した4個の論理ブロックを1個の論理ブロックグループとし、その各論理ブロックグループに対する読み出しアクセス回数をモニタする。
ここで、アクセス回数記憶部15Bの容量は、例えば、連続した4個の論理ブロックの大きさが4MBバイト、半導体メモリ部30の容量が4Gバイト、そして、アクセス回数が1k回ごとの桁上がり、すなわち所定の回数をカウントするために2バイト必要な場合には2kバイトとなる。すなわち、k個の論理ブロックを一つの論理ブロックグループとすることにより、アクセス回数記憶部15Bの容量を(1/k)に低減することができる。
なお上記説明では論理ブロックグループが4個の論理ブロックから構成されている場合を例に説明したが、論理ブロックグループは複数の論理ブロックから構成されていればよい。1つの論理ブロックグループに属する論理ブロックの数が多いほど、アクセス回数記憶部15Bの容量を低減することができるが、特定の論理ブロックにのみアクセス回数が多い場合には好ましくない。1つの論理ブロックグループに属する論理ブロックの数は、好ましくは、例えば4個以上256個以下である。
以上の説明のように、本実施の形態のメモリコントローラ10Bは第1の実施の形態のメモリコントローラ10が有する効果を有し、さらにアクセス回数記憶部15Bの容量を低減することができる。また、本実施の形態のメモリコントローラ10Bを具備する半導体記憶装置2Bおよびメモリシステム1Bは第1の実施の形態の半導体記憶装置2およびメモリシステム1が有する効果を有し、さらにアクセス回数記憶部15Bの容量を低減することができる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。
1、1B…メモリシステム
2、2B…半導体記憶装置
3…ホスト
10、10B…メモリコントローラ
11…CPU
12、12B…リフレッシュ処理部
13、13B…記憶状態確認部
14…RAM
15、15B…アクセス回数記憶部
16…論理アドレス/物理アドレス変換テーブル(論物変換テーブル)
17…バス
20…ECC部
30…NAND型フラッシュメモリ部
31…メモリセル
32…ワード線
40、40A、40B…論理ブロック
41…物理ブロック

Claims (5)

  1. 複数のメモリセルを有するNAND型フラッシュメモリ部にデータを記憶し読み出しするための制御を行うメモリコントローラであって、
    各メモリセルの前記NAND型フラッシュメモリ部における位置を示す物理アドレスと、前記各メモリセルの論理空間における位置を示す論理アドレスとを変換する論理アドレス/物理アドレス変換テーブルと、
    前記各メモリセルから前記データを読み出すアクセス回数を、前記論理アドレスと対応して記憶するアクセス回数記憶部と、
    所定の前記アクセス回数ごとに前記各メモリセルに記憶されているデータの記憶状態を確認する記憶状態確認部と、
    前記データの前記記憶状態が所定の劣化状態の場合に、前記各メモリセルに記憶された前記データを、記憶しなおすリフレッシュ処理を行うリフレッシュ処理部と、を有することを特徴とするメモリコントローラ。
  2. 前記リフレッシュ処理部が、所定数の前記メモリセルからなるデータ消去単位である物理ブロック単位で、前記リフレッシュ処理を行い、
    前記アクセス回数記憶部および前記記憶状態確認部が、前記物理ブロックと同じ大きさの論理ブロック単位で、それぞれの処理を行うことを特徴とする請求項1に記載のメモリコントローラ。
  3. 前記リフレッシュ処理部が、所定数の前記メモリセルからなるデータ消去単位である物理ブロック単位で、前記リフレッシュ処理を行い、
    前記アクセス回数記憶部および前記記憶状態確認部が、前記物理ブロックと同じ大きさの論理ブロックを複数有する論理ブロックグループ単位で、それぞれの処理を行うことを特徴とする請求項1に記載のメモリコントローラ。
  4. 前記記憶状態確認部が確認した前記データの記憶状態が前記所定の劣化状態の場合に、ホストから前記リフレッシュ処理の指示があったときに、前記リフレッシュ処理部がリフレッシュ処理を行うことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のメモリコントローラ。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のメモリコントローラを具備することを特徴とする半導体記憶装置。
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