JP4960378B2 - 不揮発性メモリの読み出し外乱を低減する方法 - Google Patents

不揮発性メモリの読み出し外乱を低減する方法 Download PDF

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Description

ここに記載される技術は、不揮発性メモリに関する。
半導体メモリデバイスは、さまざまな電子装置内で、ますます多く使用されるようになっている。例えば、不揮発性半導体メモリは、携帯電話、デジタルカメラ、パーソナルデジタルアシスタント、モバイルコンピューティング装置、非モバイルコンピューティング装置、およびその他の装置の中で使用されている。電気的に消去可能でプログラム可能な読み出し専用メモリ(EEPROM)およびフラッシュメモリは、特に普及している不揮発性半導体メモリである。
EEPROMとフラッシュメモリは共に、半導体基板中のチャネル領域の上方に位置するとともにチャネル領域から絶縁されている浮遊ゲートを利用している。この浮遊ゲートは、ソース領域とドレイン領域の間に位置している。制御ゲートが、浮遊ゲートの上方に設けられているとともに浮遊ゲートから絶縁されている。トランジスタの閾値電圧は、浮遊ゲートに保持されている電荷の量によって制御される。すなわち、ソースとドレイン間を導通させてトランジスタをオンさせるために制御ゲートに印加しなければならない電圧の最小値は、浮遊ゲートの電荷レベルによって制御される。
EEPROMデバイスまたはNANDフラッシュメモリデバイスなどのフラッシュメモリデバイスをプログラミングするとき、一般的には、制御ゲートにプログラム電圧を印加して、ビット線を接地する。チャネルからの電子は浮遊ゲートに注入される。電子が浮遊ゲートに蓄積されると、浮遊ゲートは負に帯電して、メモリセルの閾値電圧が引き上げられ、これで、メモリセルはプログラムされた状態になる。プログラミングに関するさらなる情報は、双方ともそれらの全体を参照してここに組み込む米国特許第6,859,397号および米国特許6,917,542に見受けられる。
一般的に、制御ゲートに印加されるプログラム電圧は、一連のパルスとして印加される。パルスの大きさは、パルスごとに所定のステップサイズだけ増加する。パルス間の期間に、検証動作が実行される。すなわち、並列にプログラムされている各セルのプログラミングレベルを、プログラミングパルス間で読み取って、このレベルが、プログラムすべき検証レベル以上であるかどうか判定する。プログラミングを検証する一つの手段は、特定の比較ポイントで導通をテストすることである。
デバイスのチャネルを亘って電流が流れるのに対応して、導通はデバイスの「オン」状態を示す。「オフ」状態は、ソースとドレイン間のチャネルを亘って電流が流れないことに対応している。一般的に、フラッシュメモリセルでは、制御ゲートに印加される電圧が閾値電圧よりも大きいと導通し、制御ゲートに印加される電圧が閾値電圧よりも小さいと導通しない。メモリセルの閾値電圧を適値に設定すれば、印加される電圧に応じてメモリセルは導通と非導通を示すことができる。したがって、印加される電圧においてメモリセルが導通しているか否かを決定すれば、メモリセルの状態を決定することができる。
フラッシュメモリセルは、pウェルを消去電圧(例えば20V)に昇圧し、選択ブロック(又は他のユニット)のワードラインを接地すると消去される。ソースとビットラインはフローティング状態である。消去は、メモリアレイ全体に対して実行してもよく、分離されたブロックに対して実行してもよく、又は他のセルユニットに対して実行してもよい。電子は、フローティングゲートからpウェル領域に移動し、閾値電圧が負になる。
本発明の実施に適した不揮発性メモリシステムの一例では、NANDフラッシュメモリ構造を使用する。NANDフラッシュメモリ構造では、2つの選択ゲートの間に複数のトランジスタが直列に配置されている。直列のトランジスタと選択ゲートは、NANDストリングと呼ばれる。図1は、1つのNANDストリングを示す上面図である。図2は、その等価回路である。図1および図2に示すNANDストリングは、直列の4つのトランジスタ100、102、104、106を備え、第1の選択ゲート120と第2の選択ゲート122との間に挟まれている。選択ゲート120は、NANDストリングをビット線126に接続する。選択ゲート122は、NANDストリングをソース線128に接続する。選択ゲート120は、制御ゲート120CGに適切な電圧を印加することによって制御される。選択ゲート122は、制御ゲート122CGに適切な電圧を印加することによって制御される。トランジスタ100、102、104、106のそれぞれは、制御ゲートと浮遊ゲートを有する。トランジスタ100は、制御ゲート100CGと浮遊ゲート100FGを有する。トランジスタ102は、制御ゲート102CGと浮遊ゲート102FGとを有する。トランジスタ104は、制御ゲート104CGと浮遊ゲート104FGを有する。トランジスタ106は、制御ゲート106CGと浮遊ゲート106FGを有する。制御ゲート100CGは、ワード線WL3に接続されている。制御ゲート102CGは、ワード線WL2に接続されている。制御ゲート104CGは、ワード線WL1に接続されている。制御ゲート106CGは、ワード線WL0に接続されている。1つの実施形態では、トランジスタ100、102、104、106のそれぞれがメモリセルとなる。他の実施形態では、メモリセルが複数のトランジスタを含んでいてもよく、図1および図2に示した構成と異なっていてもよい。選択ゲート120は、選択線SGDに接続され、選択ゲート122は、選択線SGSに接続される。
図3は、上記のNANDストリングの断面図を示す。図3に示すように、NANDストリングのトランジスタはp−ウェル領域140に形成される。各トランジスタは、制御ゲート(100CG、102CG、104CG、および106CG)と浮遊ゲート(100FG、102FG、104FG、および106FG)からなるスタックゲート構造を備えている。浮遊ゲートは、酸化膜または他の誘電体膜の上にあるp−ウェルの表面上に形成される。制御ゲートは、浮遊ゲートの上に位置している。制御ゲートと浮遊ゲートは、ポリシリコン間誘電体層によって分離されている。メモリセル(100、102、104、106)の制御ゲートは、ワード線を形成する。N+拡散層130、132、134、136、138は隣接するセル間で共有されており、それによりセルは相互に直列に接続されてNANDストリングを形成する。これらのN+拡散層は、各セルのソースおよびドレインを形成する。例えば、N+拡散層130は、トランジスタ122のドレイン、およびトランジスタ106のソースとして働く。N+拡散層132は、トランジスタ106のドレイン、およびトランジスタ104のソースとして働く。N+拡散層134は、トランジスタ104のドレイン、およびトランジスタ102のソースとして働く。N+拡散層136は、トランジスタ102のドレイン、およびトランジスタ100のソースとして働く。N+拡散層138は、トランジスタ100のドレイン、およびトランジスタ120のソースとして働く。N+拡散層126は、NANDストリングのビット線につながっており、N+拡散層128は、複数のNANDストリングの共通ソース線につながっている。
図1〜図3では、NANDストリング内に4つのメモリセルを示しているが、4つのトランジスタの使用する構成は、一例であることに留意されたい。ここに記載される技術によって使用されるNANDストリングは、4つ未満のメモリセルを有していてもよく、又は、4つを超えるメモリセルを有していてもよい。例えば、一部のNANDストリングは、8つのメモリセル、16のメモリセル、32のメモリセル、64のメモリセルなどを含むことができる。本明細書における説明は、NANDストリング内のメモリセルがいかなる数でも有効である。
各メモリセルは、アナログ又はデジタル形式で表されたデータを記憶することが可能である。1ビットのデジタルデータを記憶する場合、メモリセルの可能な閾値電圧の範囲は、論理データ「1」および「0」が割り当てられる2つの範囲に分割される。NAND型フラッシュメモリの一例では、メモリセルの消去された後の閾値電圧は負となり、論理「1」と定義される。プログラム後の閾値電圧は正となり、論理「0」と定義される。閾値電圧が負の状態で制御ゲートに0Vを印加することによって読み出しが試みられた場合、メモリセルはオンになり、論理1が記憶されていることを示す。閾値電圧が正の状態で制御ゲートに0Vを印加することによって読み出しが試みられた場合、メモリセルはオンにならず、これは論理「0」が記憶されていることを示す。
また、メモリセルは、複数の状態(複数状態メモリセルとして知られている)を記憶することも可能であり、それにより例えば複数ビットのデジタルデータを記憶することも可能である。複数の状態のデータを記憶する場合、閾値電圧の枠は、記憶する状態の数に分割される。例えば、4つの状態が用いられる場合、4つの閾値電圧範囲が存在し、それぞれにデータ値「11」、「10」、「01」、「00」が割り当てられる。NAND型メモリの一例では、消去動作の後の閾値電圧は負となり、「11」と定義される。正の閾値電圧は、「10」、「01」、「00」の状態のために使用される。一部の実施例では、これらのデータ値(たとえば論理状態)を、グレイコード割り当て方法を用いて閾値範囲に割り当て、これで、浮遊ゲートの閾値電圧が間違ってその隣接する物理状態にずれても、たった1つの論理ビットしか影響されないようにしている。メモリセルにプログラムされたデータとこのセルの閾値電圧範囲との間の具体的な関係は、メモリセルに対して採用されるデータ符号化スキームによって異なる。たとえば、その双方の全体を参照してここに組み込む米国特許第6,222,762及び2003年6月13日に出願された「メモリシステムのセルの追跡」という名称の米国特許出願第10/461,244号には、マルチステート式フラッシュメモリセルのさまざまなデータ符号化スキームが記載されている。
NAND型フラッシュメモリおよびそれらの動作に関連する例は、次の米国特許/特許出願(それらのすべては、それらの全体が参照により本明細書に援用されるものとする)で提供されている。米国特許第5,570,315号明細書、米国特許第5,774,397号明細書、米国特許第6,046,935号明細書、米国特許第5,386,422号明細書、米国特許第6,456,528号明細書、および米国特許出願第09/893,277号明細書(公開番号US2003/0002348)である。
フラッシュEEPROMシステムで役に立つ別のタイプのメモリセルは、導電性の浮遊ゲートの代わりに非導電性の誘電性材料を利用して、電荷を不揮発式に蓄積する。このようなセルが、1987年3月に発行されたIEEEのエレクトロン・デバイス・レターの第EDL−8巻の第3号の、チャンらによる「真性の酸化物・窒化物・酸化物型の1トランジスタ式EEPROMデバイス」という記事の93〜95ページに記載されている。シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸化物(“ONO”)で形成された三層誘電体は、メモリセルのチャネル上で、導電性の制御ゲートと半導体基板の表面とで挟まれている。このセルは、セルのチャネルから窒素中に電子を注入し、この窒素中でこれらの電子が限られた領域中に捕獲されて蓄積されることによってプログラムされる。すると、この蓄積された電荷のため、このセルのチャネルの一部の閾値電圧が変化し、この変化は検出可能である。このセルは、ホットホールを窒素中に注入することによって消去される。また、1991年4月に発行されたソリッドステート回路に関するIEEEジャーナルの第26巻の第4号のノザキらによる「半導体ディスクに応用されるMONOSメモリセルを持つ1MビットのEEPROM」の497〜501ページを読めば、ドーピングされた多結晶シリコンゲートがメモリセルチャネルのある部分上を伸張して、互いに分離された選択トランジスタを形成している分離ゲート構造の類似のセルが記述されている。前述の2つの記事の全体を参照してここに組み込む。参照して個々に組み込む、1998年のIEEEプレスのウイリアム・ブラウン(William D. Brown)とジョー・ブルーワ(Joe E. Brewer)によって編集された「不揮発性半導体メモリ技術」の1.2章に言及されているプログラミング技法はまた、誘電性電荷捕獲デバイスに応用可能であるとこの章に記述している。
各セルに2ビットを記憶する別の方式が、2000年11月に発行されたIEEEのエレクトロン・デバイス・レターの第21巻の第11号のエイタン(Eitan)らによる「NROM:新規な選択的捕獲、2ビット式の不揮発性メモリセル」の543〜545ページに記載されている。ONO誘電体層が、ソース拡散層とドレイン拡散層間のチャネル上を伸張している。一方のデータビットに対する電荷がドレインに隣り合った誘電体層中で局所化され、他方のデータビット用の電荷がソースに隣り合った誘電体層中で局所化される。マルチステートデータ記憶装置は、誘電体内部の空間的に分離された電荷蓄積領域のバイナリ状態を別々に読み取ることによって得られる。
NAND構造を用いたフラッシュメモリシステムの一般的なアーキテクチャは、いくつかのNANDストリングを含んでいる。例えば、図4は、メモリアレイに含まれる多数のNANDストリングのうちの3つのNANDストリング202、204、206を示している。図4の各NANDストリングは、2つの選択トランジスタと4つのメモリセルを含んでいる。例えば、NANDストリング202は、選択トランジスタ220及び230、並びにメモリセル222、224、226及び228を含んでいる。NANDストリング204は、選択トランジスタ240及び250、並びにメモリセル242、244、246及び248を含んでいる。各ストリングは、その選択トランジスタ(例えば選択トランジスタ230、250)によってソース線に接続されている。選択線SGSは、ソース側の選択ゲートを制御するために用いられる。様々なNANDストリングは、選択トランジスタ220,240等によって各ビットラインに接続されている。選択トランジスタ220,240等は、選択ラインSGDで制御される。他の実施形態では、選択線が必ずしも共通である必要はない。ワード線WL3は、メモリセル222と242の制御ゲートに接続されている。ワード線WL2は、メモリセル224と244と252の制御ゲートに接続されている。ワード線WL1は、メモリセル226と246の制御ゲートに接続されている。ワード線WL0は、メモリ素子228と248の制御ゲートに接続されている。図示するように、各ビット線と個々のNANDストリングは、メモリセルのアレイの列を備えている。ワード線(WL3、WL2、WL1およびWL0)は、メモリセルのアレイの行を備えている。
NANDフラッシュメモリの典型的な読み出し及び検証動作では、選択ゲート(SGD及びSGS)は略3Vに昇圧され、非選択ワードラインは読み出しパス電圧(例えば5V)に昇圧され、これにより、トランジスタがパスゲートとして動作する。選択ワードラインには、特定の電圧が印加される。その電圧のレベルは、接続されているメモリセルの閾値電圧がその電圧に達しているか否かを決定するために、読み出し及び検証動作に応じて決定されている。例えば、メモリが2値レベルであると仮定すれば、メモリセル244の読み出し動作では、選択ワードラインWL2は接地され、閾値電圧が0Vよりも高いか否かが決定され、非選択ワードラインWL0,WL1,WL3には5Vが印加される。検証動作では、例えば、選択ワードラインWL2が1Vに接続され、閾値電圧が少なくとも1Vに達したか否かが検証される。ソースとpウェルは0Vである。選択ビットラインは、例えば、0.7Vのレベルに予備充電される。閾値電圧が選択ワードラインに印加される検証又は読み出しレベルよりも高ければ、懸念されるビットラインの電位レベルは、非導電性メモリセルのために高い値に保たれる。一方、閾値電圧が読み出し及び検証レベルよりも低ければ、懸念されるビットラインの電位レベルは、導電性メモリセルのために、低いレベル、例えば、0.5Vよりも小さい値に下降する。メモリセルの状態は、ビットラインに接続されているセンス増幅器によって検出される。
図5は、読み出し動作中におけるさまざまな信号の挙動を示すタイミング図である。最初は、これら示す信号はすべて低レベルである。時点t1で、ドレイン側の選択ゲートのゲート電圧(SGD)を1.5〜4.5ボルトに上げて、ドレイン側の選択ゲートをオンする。この例では、メモリセル244が読み出されるものとする。読み出しのために選択されたビット線BL_sel(例えば、NANDストリング204に対するビット線)は、最初はゼロボルトとなっている。選択されなかったビット線BL_unsel(例えば、NANDストリング202と206に対するビット線)がゼロボルトに設定される。時点t2で、選択されなかったワード線WL_unsel(例えば、WL0、WL1、WL3)を読み出しパス電圧(Vread)に上げて、選択されたワード線L_selを読み出し比較電圧(例えば、読み出しレベルまたは検証レベルを決定する電圧値)に上げる。時点t4で、選択されたビット線BL_selを予備充電値(例えば、0.7ボルト)に上げる。時点t6で、ソース側の選択ゲートのゲートに1.5〜4.5ボルトのSGS電圧が印加され、これで、ソース側選択ゲートがオンして、グランドへの経路ができる。選択されたワード線WL_selに印加された電圧がメモリセル244の閾値電圧より高ければ、ビット線BL_selの電圧はソース線を介して消える。選択されたワード線WL_selに印加された電圧がメモリセル244の閾値電圧より高くなければ、ビット線BL_selの電圧は維持される。センス増幅器を用いて、このビット線電圧が維持されたか消滅したかを検知する。
選択された読み出し対象のメモリセルがプログラムされている状態にあれば、この選択されたメモリセルは、ワード線を読み出し比較電圧に上げるプロセス中にオンしないことがある。選択されたワード線を読み出し比較電圧に上げている最中に、選択されたメモリセルがオンしないと、選択されなかったワード線が読み出しパス電圧(Vread)にまで上がるにつれて、NANDストリングチャネルのソース側(選択された及び選択されなかったビット線上の選択されたメモリセルに対して)が昇圧される。読み出し/検知動作目的でソース側の選択ゲートがオンされる以前に、この昇圧されたチャネルのために、選択されなかったメモリセル(ソース側の隣のセル)と選択されたメモリセル間の領域にホット電子が注入されることになりかねない。このため、時間が経過するうちに、選択されたメモリセルのソース側の隣のセルであるメモリセルの浮遊ゲートに電子が注入され、このソース側の隣のセルの閾値電圧が上がってしまうことがある。実験によれば、メモリセルは、プログラム動作も消去動作も受けずに読み出し動作を多く(例えば、100,000回以上)体験すると、時間の経過と共に閾値電圧が上昇する。この動作は読み出し外乱と呼ばれる。メモリセル244を読み出す上記例では、ワード線WL1上のメモリセルがこのタイプの読み出し外乱を体験することがある。この動作は選択されたビット線でも選択されなかったビット線でも発生し得るが、選択されなかったビット線の場合の方が悪質となる。この現象のため、フラッシュメモリデバイスの規模が縮小しかねない。
同様に、SGSではなく、ドレイン側の選択ゲートをオンさせてメモリセルの読み取り動作を起動すると、NANDストリングのドレイン側のチャネルが昇圧され、このため、選択されたメモリセルの隣のドレイン側のセルに読み出し外乱が発生しかねない。
プログラム動作や消去動作を介在させることなく、読み出し動作を何回も実行することが可能であることを必要とするような応用分野が存在する。例えば、BIOSコードを記憶するためにフラッシュメモリを用いるようなコンピューティングデバイスがある。このBIOSコードを一旦プログラムしておいて、電源投入時および/またはリセット時に何回も読み出すようなケースもある。このため、BIOSコードは読み出し外乱を引き起こしやすい。
加えて、モバイルコンピューティングデバイスや携帯電話には、フラッシュメモリを用いてOSコードを記憶するものがある。このコードは、一般的には、一度書き込んでおいて、何回も読み出す。このようなデバイスでは、デバイスがオンするごとにOSコードを読み出すのが普通である。所定の時間の間動作をしないと、デバイス(デバイス全体、プロセッサまたはメモリシステム)がオフして、バッテリの使用量を最小化するような場合もある。再度デバイスを使用すると、関連するコンポーネントの電源がまたオンして、OSコードが再度読み出される。したがって、頻繁に使用されるデバイス(例えば、商用のデバイス)の場合、OSコードは一日に何回も読み出される。デバイスの使用期間が十分長くなると、OSコードを記憶しているメモリが読み出し外乱によるエラーを起こしやすくなり、このため、OSコードが損なわれることになる。
加えて、認証目的でキーを読み出す必要があるトラステッドメモリカードではフラッシュメモリが用いられている。このようなデバイスでは、一般的に、キーを一旦書き込んでおいて、このキーを何回も読み出すようにする。カードの使用期間が十分長くなると、キーを記憶しているメモリが読み出し外乱によるエラーを起こしやすくなり、このため、キーが損なわれることになる。
読み出し外乱を回避しようとして今までに試された実施例としては、ECCを用いてエラーを補正したり、プログラミング動作を実行することによってデータを周期的にリフレッシュしたり、データを別のロケーションに周期的に再書き込みしたりする例がある。しかしながら、これらの解決策では、追加のハードウエアを必要としたり、性能に悪い影響があったりする。
ここに記載する技術は、記憶装置における読み出し外乱を軽減するまたは除去するシステムに関する。一実施形態では、メモリ要素のチャネルの昇圧を解消するまたは最小化することによって読み出し外乱を防止しようとしている。例えば、1つの実施例では、読み出しプロセス中に、NANDストリングのソース側のチャネルが昇圧されるのを防止するまたは軽減している。NANDストリングのソース側のチャネルが昇圧されないので、上述したホット電子の注入は発生しない。ドレイン側の選択ゲートをオンさせてメモリセルの読み出し動作を起動させる実施形態では、ここに記載する技術を用いて、読み出しプロセス中に、NANDストリングのドレイン側のチャネルが昇圧されるのを防止するまたは軽減することが可能である。
一実施形態では、不揮発性記憶要素のグループに対して読み出し状態を設定することと、これらの読み出し状態を設定している間、これらの不揮発性記憶要素が昇圧されることを防止することと、これらの読み出し状態の不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによってこれら不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの不揮発性記憶要素のデータを判定することを含む。ここに記載するデータ読み出しプロセスは、プログラミングプロセス中における読み出し動作の一部または検証動作の一部として用いることが可能である。
別の実施形態では、NANDストリングに対する第1の選択ゲートをオンすることと、この第1の選択ゲートがオン状態にある間に、このNANDストリングの選択されていない不揮発性記憶要素に対して1つ以上の読み出しパス電圧を印加することと、この1つ以上の読み出しパス電圧を印加している間にこのNANDストリングが昇圧されないようにすることと、このNANDストリングに対するビット線に対して電荷を印加することと、この電荷を印加した後で第2の選択ゲートをオンしてこのビット線を検知することを含む。1つの実施例では、このように昇圧を防止することは、1つ以上の読み出しパス電圧を印加している間に第2の選択ゲートをオンすることと、次いで、この電荷を印加する前にこの第2の選択ゲートをオフすることを含む。別の実施例では、このように昇圧を防止することは、前記1つ以上の読み出しパス電圧を前記のNANDストリングの選択されなかった不揮発性記憶要素に印加している間に前記の1つ以上の読み出しパス電圧のうちの1つを制御ゲート電圧として前記のNANDストリングの選択された不揮発性記憶要素に対して印加することと、次いで、前記第2の選択ゲートをオンする前に前記制御ゲート電圧を読み出し比較電圧にまで下げることを含む。
1つの例示実施形態では、不揮発性記憶システムは、複数の不揮発性記憶要素と、この複数の不揮発性記憶要素と通信している1つ以上の管理回路を含んでいる。この1つ以上の管理回路は、選択されない不揮発性記憶要素の読み出し状態を設定し、この読み出し状態を設定している間にこれら不揮発性記憶要素が昇圧しないようにする。この1つ以上の管理回路は、少なくとも1つの選択された不揮発性記憶要素のデータを、前記読み出し状態に基づいて検知する。
図6は、記憶装置の読み出し外乱を軽減又は除去する技術(ここに記載される)を実施することが可能なフラッシュメモリシステムの一実施形態のブロック図である。メモリセルアレイ302は、列制御回路304と、行制御回路306と、c−ソース制御回路310と、p−ウェル制御回路308によって制御される。列制御回路304は、メモリセル内に記憶されたデータを読み出すために、プログラム動作中のメモリセルの状態を判定するために、およびビット線の電位レベルを制御してプログラミングを促進又はプログラミングを抑止するために、メモリセルアレイ302のビット線に接続されている。行制御回路306は、ワード線のうちのいずれかを選択するために、読み出し電圧を印加するために、プログラム電圧を印加するために、ワード線に接続されている。C−ソース制御回路310は、メモリセルに接続された共通ソース線(図7に「Source」として示す)を制御する。P−ウェル制御回路308は、p−ウェル電圧を制御し、消去電圧を印加することができる。
メモリセル内に記憶されたデータは、列制御回路304によって読み出され、データ入力/出力バッファ312を経由して、外部I/O線に出力される。メモリセル内に記憶されるプログラムデータは、外部I/O線を経由してデータ入力/出力バッファ312に入力され、列制御回路304に転送される。外部I/O線は、コントローラ318に接続される。
フラッシュメモリデバイスを制御するためのコマンドデータは、コントローラ318に入力される。コマンドデータは、どのような動作が要求されているのかをフラッシュメモリに通知する。入力コマンドは、制御回路315の一部である状態マシン316に転送される。状態マシン316は、列制御回路304と、行制御回路306と、c−ソース制御310と、p−ウェル制御回路308と、データ入力/出力バッファ312とを制御する。状態マシン316は、さらに、レディ(READY)/ビジー(BUSY)や、パス(PASS)/フェイル(FAIL)などの、フラッシュメモリのステータスデータを出力してもよい。いくつかの実施例において、状態マシン316は、以下に説明するフローチャートに描かれる工程を含むプログラミングプロセス、検証プロセス、及び読み出しプロセスの管理を担う。
コントローラ318は、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、パーソナルデジタルアシスタントなどのホストシステムに接続されている、又は、接続可能である。コントローラ318は、ホストと通信する。ホストは、メモリアレイ302に又はメモリアレイ302からデータを記憶又は読み出す、及びそのようなデータを供給又は受信するといったコマンドを起動する。コントローラ318は、そのようなコマンドを、制御回路318の一部であるコマンド回路314が解読して実行可能なコマンド信号に変換する。コマンド回路314は、状態マシン316と通信する。コントローラ318は、通常、メモリアレイに書き込まれる、又はメモリアレイから読み出されるユーザデータのためのバッファメモリを有している。
一例のメモリシステムは、コントローラ318を含む1つの集積回路と、1つ以上の集積回路チップ(それぞれがメモリアレイと、関連する制御、入力/出力、および状態マシン回路とを含む)を備える。メモリアレイとシステムのコントローラ回路は、1つ以上の集積回路チップ上に一緒に統合される傾向にある。メモリシステムは、ホストシステムの一部として組み込まれていてもよく、又は、ホストシステムに着脱可能に挿入されるメモリカード(又はその他のパッケージ)内に含まれていてもよい。そのような着脱可能なカードは、メモリシステム全体(例えば、コントローラを含む)を含んでいてもよく、又は、関連する周辺回路を伴ったメモリアレイのみを含んでいてもよい(コントローラ又は制御機能はホスト内に組み込まれる)。このように、コントローラは、ホスト内に組み込まれることも、又は着脱可能なメモリシステム内に含まれることも可能である。
いくつかの実施形態では、図6の構成要素のうちのあるものは、統合することが可能である。さまざまな設計で、図6の構成要素のうちで、メモリセルアレイ302以外の1つ以上の構成要素が(単独、又は統合において)、管理回路と考えることが可能である。たとえば、1つ以上の管理回路は、コマンド回路、状態マシン、行制御回路、列制御回路、ウェル制御回路、ソース制御回路、データ入/出力回路およびコントローラのうちのどれか1つまたはこれらを統合したものを含むことができる。
一つの実施形態では、メモリセルアレイ302は、NANDフラッシュメモリを含んでいる。他の実施形態では、上記に記載された構成要素、及び上記に記載されていない構成要素も同様に含んでいるとともに、他のタイプのフラッシュメモリ及び/又は他のタイプの不揮発性記憶が利用可能である。
図7を参照して、メモリセルアレイ302の構造の一例を説明する。一例として、1,024個のブロックに区分けされているNAND型フラッシュEEPROMを説明する。それぞれのブロックに記憶されたデータは同時に消去される。1つの実施形態では、ブロックは、同時に消去されるセルの最小単位である。本実施形態において、各ブロックには8,512カラムあり、偶数および奇数カラムに分割される。ビット線はまた、偶数のビット線(BLe)と奇数のビット線(BLo)に分割される。図7は、直列に接続され、NANDストリングを形成する4つのメモリセルを示す。4つのセルは各NANDストリングに含まれるように図示されているが、使用するセルの数は4つを超えて又は4つ未満でもよい。NANDストリングの一方の端子は、選択トランジスタSGDを介して対応するビット線に接続され、もう一方の端子は、第2の選択トランジスタSGSを介してc-ソースに接続される。
読み出しおよびプログラミング動作の1つの実施形態では、4,256のメモリセルが同時に選択される。選択されるメモリセルは、同じワード線と、同じ種類のビット線(例えば、偶数ビット線又は奇数ビット線)とを有する。したがって、532バイトのデータが同時に読み出し又はプログラムされることが可能である。同時に読み出し又はプログラムされるこれらの532バイトのデータは、一つの論理ページを形成する。したがって、1つのブロックは、少なくとも8つの論理ページを記憶することが可能である(4本のワード線、それぞれが奇数および偶数ページを有する)。各メモリセルが2ビットのデータを記憶し(例えば、マルチステートメモリセル)、これら2ビットがそれぞれ異なったページに記憶される場合、1つのブロックは16の論理ページを記憶する。他のサイズのブロックおよびページも、本発明とともに使用されてもよい。さらに、図6および図7に示す構造以外の構造を、本発明を実施するために使用することもできる。例えば、1つの実施例において、ビット線は奇数と偶数の線に分割されておらず、これにより、全てのビット線がプログラムされかつ同時に(あるいは非同時に)読み取りされる。
メモリセルの消去は、p−ウェルを消去電圧(例えば、20ボルト)まで引き上げるとともに、選択されたブロックのワード線を接地することによって行われる。ソースおよびビット線はフローティングとする。消去は、メモリアレイ全体、独立したブロック、又は別の単位のセルに対して実行することができる。浮遊ゲートから電子がp−ウェル領域に移動し、閾値電圧は負になる(一つの実施形態において)。
上述したように、各ブロックを多くのページに分割することが可能である。1つの実施形態では、1ページがプログラミングの単位である。いくつかの実施例では、個々のページがセグメントに分割される。セグメントは、基本的なプログラミング動作として一度に書き込まれる最少のセルの数を有している。一般的に、1ページ以上分のデータが1行のメモリセルに記憶される。1ページに1つ以上のセクターを記憶することが可能である。セクターには、ユーザデータとオーバヘッドデータが含まれる。オーバヘッドデータは、一般的に、セクターのうちのユーザデータから計算されたエラー訂正符号(ECC)を含んでいる。コントローラの一部が、データがアレイ中にプログラミングされている間にECCを計算し、また、データがアレイから読み出されている間にこれをチェックする。代替例では、ECCおよび/または他のオーバヘッドデータを、自身が属すユーザデータとは異なったページ、さらには異なったブロックに記憶される。メモリデバイスの他の部分(たとえば状態マシン)がECCを計算可能である実施形態もある。
ユーザデータを含むセクターは、一般に、磁気ディスクドライブ中のセクターのサイズに対応して512バイトである。オーバヘッドデータは、一般的には追加の16〜20バイトである。多くのページがブロックを形成しているが、その数値は、たとえば、8ページから32ページ、64ページ、さらにこれ以上の数値の間のいずれかの数値である。
読み出し及び検証動作中は、ビット線に接続するセンス増幅器によってメモリセルの状態が検出される。図8は、センス増幅器を含む図6の列制御回路304の一部を示す。ビット線の各組(例えば、BLeとBLo)は、センス増幅器400に接続している。センス増幅器は、3つのデータラッチ(第1データラッチ402,第2データラッチ404,第3データラッチ406)に接続している。3つのデータラッチはそれぞれ1つのデータビットを記憶することが可能である。センス増幅器は、読み出し又は検証動作中に、選択されたビット線の電位レベルを検知し、検知されたデータを2値法において記憶し、プログラム動作中にビット線の電位を制御する。センス増幅器は、「evenBL」及び「oddBL」信号の一方を選択することによって、選択されたビット線に選択的に接続する。データラッチ402,404,406は、読み出しデータを出力するとともにプログラムデータを記憶するために、入力/出力ライン408に接続している。入力/出力ライン408は、図6のデータ入力/出力バッファ312に接続している。データラッチ402,404,406はまた、状態情報を受信及び送信するために、状態ライン410に接続している。一つの実施形態では、ビット線の各組(偶数と奇数)に、センス増幅器、第1データラッチ402、第2データラッチ404及び第3データラッチ406が存在している。
図9に、それぞれのメモリセルが2ビットのデータを記憶している場合のメモリセルアレイの閾値電圧分布を示す。図9は、消去されたメモリセルの第1の閾値電圧分布Eを示している。プログラムされたメモリセルの3つの閾値電圧分布A、B、Cもまた、示されている。1つの実施形態では、分布E中の閾値電圧は負であり、分布A、B、C中の閾値電圧は正である。
図9の異なる閾値電圧範囲はそのそれぞれが、データビットの集合の所定の値に対応している。メモリセルにプログラムされたデータとこのセルの閾値電圧レベルとの間の具体的な関係は、セルに対して採用されるデータ符号化スキームによって異なる。1つの例では、“11”を閾値電圧範囲E(状態E)に割り当て、“10”を閾値電圧範囲A(状態A)に割り当て、“00”を閾値電圧範囲B(状態B)に割り当て、“01”を閾値電圧範囲C(状態C)に割り当てている。しかしながら、他のスキームを用いている実施形態もある。
図9はまた、メモリセルからデータを読み出すための3つの基準電圧Vra、Vrb、Vrcを示している。所与のメモリセルの閾値電圧がVra、VrbおよびVrcより大きいか小さいかをテストすることによって、本システムは、メモリセルがどの状態にあるかを判定することが可能である。例えば、Vra、VrbおよびVrcが制御ゲートに印加された時にメモリセルがオンすると、そのメモリセルは状態Eである。VrbおよびVrcが制御ゲートに印加された時にメモリセルがオンし、Vraが制御ゲートに印加された時にメモリセルがオンしないと、そのメモリセルは状態Aである。Vrcが制御ゲートに印加された時にメモリセルがオンし、VraおよびVrbが制御ゲートに印加された時にメモリセルがオンしないと、そのメモリセルは状態Bである。Vra、VrbおよびVrcが制御ゲートに印加された時にメモリセルがオンしないと、そのメモリセルは状態Cである。
図9はまた、3つの検証基準電圧Vva、Vvb、Vvcを示している。メモリセルを状態Aにプログラミングする際には、本システムは、これらのメモリセルの閾値電圧がVva以上であるかどうかテストする。状態Aにプログラム中のメモリセルは、その閾値電圧がVva以上になるまでプログラムが継続される。メモリセルを状態Bにプログラミングする際には、本システムは、これらのメモリセルの閾値電圧がVvb以上であるかどうかテストする。状態Bにプログラム中のメモリセルは、その閾値電圧がVvb以上になるまでプログラムが継続される。メモリセルを状態Cにプログラミングする際には、本システムは、これらのメモリセルの閾値電圧がVvc以上であるかどうかを決定する。状態Cにプログラム中のメモリセルは、その閾値電圧がVvc以上になるまでプログラムが継続される。
1つの実施形態では、フルシーケンスプログラミングとして知られているが、メモリセルを、消去状態Eからプログラム済み状態A、B、C(曲線矢印で示されている)のうちのどれにでも直接的にプログラムすることが可能である。たとえば、プログラムされるメモリセルの母集団を最初に消去し、これで、この母集団中のすべてのメモリセルが消去状態Eとなるようにする。一部のメモリセルが状態Eから状態Aにプログラムされている間に、他のメモリセルを状態Eから状態Bにプログラムしたりおよび/または状態Eから状態Cにプログラムしたりする。
図10に、互いに異なった2つのページ、すなわち、下位ページと上位ページ分のデータを記憶しているマルチステートメモリセルをプログラミングする2パス式技法の例を示す。4つの状態、すなわち、状態E(11)、状態A(10)、状態B(00)および状態C(01)が示されている。状態Eの場合、両ページとも“1”を記憶している。状態Aの場合、下位ページは“0”を記憶し、上位ページは“1”を記憶している。状態Bの場合、両ページとも“0”を記憶している。状態Cの場合、下位ページは“1”を記憶し、上位ページは“0”を記憶している。ここで、特定のビットパターンがそれぞれの状態に割り当てられているが、別のビットパターンを割り当ててもよい。第1のプログラミングパスでは、セルの閾値電圧レベルを、下位の論理ページにプログラムされるビットにしたがって設定される。このビットが論理“1”であれば、この閾値電圧は変更されないが、これは、前に消去されている結果として適切な状態にあるからである。しかしながら、このプログラムされるビットが論理“0”であれば、このセルの閾値電圧は、矢印530で示すように状態Aにまで引き上げられる。これで、第1のプログラミングパスが完結する。
第2のプログラミングパスでは、セルの閾値電圧レベルが、上位の論理ページにプログラムされるビットにしたがって設定される。この上位論理ページビットが論理“1”を記憶するのであれば、なんらプログラミングされないが、これは、このセルが、双方ともが“1”という上位ページビットを有している、下位ページビットのプログラミングしだいで決まる状態EまたはAの内の一方の状態にあるからである。上位ページビットが論理“0”となるのであれば、閾値電圧はずれる。第1のパスの結果、セルが消去状態Eのままであれば、第2のフェーズで、このセルは、閾値電圧が、矢印534で示すように状態C内に来るように増大されるようにプログラムされる。このセルが、第1のプログラミングパスの結果として状態Aにプログラムされた場合、メモリセルは、矢印532で示すように閾値電圧が状態B内に来るように、第2のパスでさらにプログラムされる。第2のパスの結果、下位ページのデータを変更することなく、上位ページの論理“0”を記憶するように指定された状態にセルをプログラムすることになる。
1つの実施形態では、ページ全体を満たすに十分なデータを書き込まれた場合に、総シーケンス書き込みを実行するようにシステムをセットアップすることが可能である。ページ全体を満たすに十分なデータが書き込まれない場合、プログラミングプロセスは、受信したデータによる下位ページのプログラミングをプログラムすることが可能である。さらにその後にデータが受信されると、本システムは、上位ページをプログラムする。別の実施形態では、このシステムは、ワード線のメモリセルの全部(またはほとんど)を満たすに十分なデータがその後に受信されるのであれば、下位ページをプログラムするモードで書き込みを始めるとともに、総シーケンスプログラミングモードに変換することが可能である。このような実施形態のより詳細が、その全体を参照してここに組み込む、発明者サージー・アナトリビッチ・ゴロベッツ(Sergy Anatolievich Gorobets)とヤン・リー(Yan Li)による、2004年12月14日に出願された「早期のデータを用いる不揮発性メモリのパイプライン型プログラミング」という名称の米国特許出願第11/013,125号に開示されている。
図11A〜Cに、前のページの隣り合ったのメモリセルに書き込んだ後に特定のページに関するなんらかの特定のメモリセルに書き込み動作を実行することによって、この特定のメモリセルに対する、浮遊ゲート同士のカップリングを軽減する不揮発性メモリをプログラミングする別のプロセスを開示する。図11A〜Cが教示するこのプロセスの1つの実施例では、この不揮発性メモリセルのそれぞれが、4つのデータ状態を用いてメモリセル毎に2ビットのデータを記憶する。たとえば、状態Eが消去された状態で、状態A、BおよびCがプログラムされた状態と仮定する。状態Eはデータ11を記憶している。状態Aはデータ01を記憶している。状態Bはデータ10を記憶している。状態Cはデータ00を記憶している。隣り合った状態Aと状態Bの間で双方のビットが変化するので、これはノングレイコーディングの例である。データをデータの物理状態に符号化する他の方法も用いることが可能である。それぞれのメモリセルが2ページ分のデータを記憶している。参照目的で、これらのページのデータを下位ページと上位ページと呼ぶが、別のラベルを付けることも可能である。図11のプロセスに対する状態Aを参照して、上位ページはビット0を記憶し、下位ページはビット1を記憶する。状態Bを参照して、上位ページはビット1を記憶し、下位ページはビット0を記憶する。状態Cを参照して、双方のページはビットデータ0を記憶する。
図11A〜Cのプログラミングプロセスは、2つのステップのプロセスである。第1のステップでは、下位ページをプログラムする。この下位ページがデータ1の状態にとどまることになっている場合、メモリセルの状態は状態Eのままである。このデータが0にプログラムされることになっている場合、メモリセルが状態B’にプログラムされるように、メモリセルの閾値電圧を引き上げる。図11Aに、状態Eから状態B’にメモリセルをプログラミングする様子を示す。図11Aに示す状態B’は中間状態Bである。したがって、検証ポイントを、Vvbより低いVvb‘として示す。
1つの実施形態では、あるメモリセルが状態Eから状態B’にプログラムされると、隣り合ったワードライン上のその隣接したメモリセルがその下位ページに関してプログラムされる。その隣接したメモリセルをプログラミングした後で、浮遊ゲート同士間のカップリング作用によって、状態Bである検討中のメモリセルの見かけ上の閾値電圧が引き上げられる。これによって、状態Bの閾値電圧分布の幅を図11Bのしきい値電圧分布550として示す分布にまで広げる作用がある。この閾値電圧分布の見かけ上の拡大は、上位ページをプログラミングするときに修正される。
図11Cは、上位ページをプログラミングするプロセスを示している。メモリセルが消去された状態Eにあって上位ページが1のままとどまるのであれば、このメモリセルは状態Eのままである。メモリセルが状態Eにあってその上位ページデータを0にプログラミングすることになっているのであれば、このメモリセルの閾値電圧を引き上げて、メモリセルが状態Aとなるようにする。メモリセルが中間閾値電圧分布550中にあって、上位ページデータが1にとどまることになっている場合、このメモリセルは最終状態Bにプログラムされる。メモリセルが中間閾値電圧分布550中にあって、上位ページデータがデータ0になることになっている場合、このメモリセルの閾値電圧を引き上げて、メモリセルが状態Cとなるようにする。
図11A〜Cに示すプロセスによって浮遊ゲート同士間のカップリング作用が低減されるが、これは、隣接したメモリセルの上位ページをプログラミングした場合にしか、所与のメモリセルの見かけ上の閾値電圧が影響されないからである。別の状態のコーディングの例として、上位ページデータが1の時に閾値電圧分布550から状態Cへ移動する、および上位ページデータが0の時には状態Bで移動することが挙げられる。図11A〜Cに4つのデータ状態と2ページ分のデータに関する例を示すが、図11A〜Cが教示する概念は、状態が4つより多いまたは少なく、ページの数が異なっている他の実施例にも適用可能である。様々なプログラミング方法および浮遊ゲート間のカップリングについては、その全体を参照してここに組み込む、発明者Shibata等の2003年12月2日に出願された米国特許第6,657,891号に見受けられる。
図12は、プログラミングのための高レベルプロセスに係る一例のフローチャートである。データのプログラム要求は、コントローラ、状態マシン又は他のデバイスで受信される。その要求に応答して、データ(1つ以上のビットの情報)が図12に示すプロセスに沿ってフラッシュメモリアレイ302に書き込まれる。図12のステップ604で、システムは、メモリのうちのプログラムすべき適切な部分を選択する。この動作には、書き込み先のブロックおよび/またはページおよび/またはセクターを選択する動作が含まれる。一つの実施形態では、図12のプロセスは、ページにデータを書き込む。これは、共通のワードラインに接続しているメモリセルに対する書き込みデータを含む。ステップ606では、メモリの選択された部分が事前プログラミングされる。この動作はフラッシュメモリがたとえ消耗してもよいようにする備えである。この選ばれたセクターまたはページ内のすべてのメモリセルが、同じ閾値電圧範囲にプログラムされる。ステップ606はオプションである。ステップ608で、プログラムされる予定のメモリセルをすべて消去する。たとえば、ステップ608は、古いメモリセルを状態Eにシフトさせる動作を含むことがある(図9〜11を参照)。ステップ608はまた、ソフトプログラミングプロセスを含むこともある。消去プロセス中に、メモリセルのうちの一部のセルの閾値電圧を分布Eより下の値に下げることが可能である(図9〜11を参照)。このソフトプログラミングプロセスでは、プログラム電圧パルスをメモリセルに印加し、これにより、その閾値電圧が閾値電圧分布E以内に入るように増加させる。
ステップ610で、プログラムされるデータが適切なラッチ/レジスターに記憶される。一つの実施形態では、図12のプロセスは、1つのページ分のデータをプログラムするために利用される。プログラム中の全てのメモリセルは、共通のワードライン上に存在する。各メモリセルは、独立したビットラインを有しており、そのビットラインに関連したラッチの組を有する。これらのラッチは、関連するメモリセルにプログラムされるデータの指示を記憶する。ステップ612では、第1プログラムパルスの大きさが設定される。プログラミングプロセス中のワードラインに印加される電圧がプログラムパルスの集合となる実施形態もある。このような場合、各パルスの大きさは、事前のパルスよりもステップサイズ(例えば、0.2V〜0.4V)だけ増加する。ステップ612では、プログラムカウント(PC)を初期値としてのゼロに設定する。
ステップ616で、プログラムパルスを適切なワードラインに印加する。ステップ618で、このワードライン上のメモリセルを、その目標閾値電圧レベルに到達したかどうか検証する。これらメモリセルのすべてが目標閾値電圧レベルに到達した場合(ステップ620)、このプログラミングプロセスはステップ622で成功裏に(ステータス=パス)完了したことになる。これらメモリセルのすべてが目標閾値電圧レベルに到達したわけではない場合、ステップ624で、プログラムカウントPCが20未満であるかどうか判定される。プログラムカウント値PCが20以上であれば、プログラミングプロセスは失敗したことになる(ステップ626)。プログラムカウントPCが20未満であれば、ステップ628で、プログラム電圧信号Vpgmの大きさを次のパルスのためにステップサイズ(たとえば0.3V)だけ増加して、プログラムカウントPCを増加する。ここで、自身の目標閾値電圧に到達したメモリセルは、現在のプログラミングサイクルの残りの時間でのプログラミングの対象から外される。ステップ628の後、図12のプロセスはステップ616に進んで、次のプログラムパルスが印加される。
図13は、プログラムされたデータを読み出すプロセスの1つの実施形態を説明するフローチャートである。データの読み出し要求は、コントローラ、状態マシンまたは別のデバイスによって受信することが可能である。この要求に応答して、データ(1ビット以上の情報)が、図13のプロセスにしたがってフラッシュメモリアレイ302から読み出される。ステップ702で、データ読み出し要求が受信される。この要求は、読み出されるデータの識別番号を含む。この識別番号を用いて、アレイ302中のどのメモリセルを読み出すかをステップ704で決定する。ステップ706で、適切なビット線とワード線に適切な状態を設定して、データの読み出しを可能とする。ステップ706のさらなる詳細を、図14と15を参照して以下に説明する。ステップ708で、選択されたメモリセルからのデータを、1つ以上のセンス増幅器を用いて検知する。これらのメモリセルが2つの状態(消去状態とプログラム状態)で動作している場合には、ステップ706と708はそれぞれ1回実行されるだけである。これらメモリセルがマルチステートメモリセルである場合、ステップ706と708は、複数回(例えば、読み出し値/検証比較値それぞれに対して1回ずつ)実行される。例えば、4つの状態(例えば、図9の状態E、A、B、C)があれば、ステップ706と708は、Vraに対して1回、Vrbに対して1回、Vrcに対して1回実行される。ステップ710で、記憶されているデータが判定される。メモリセルが2状態でデータを記憶している場合、このデータは、メモリセルが読み出し状態に応答してオンしたかどうかに対して直接に対応する。メモリセルが複数状態のデータを記憶していて、ステップ706と708が複数回実行されていれば、ステップ710では、ステップ706と708をさまざまに繰り返すことによってデータが判定される。ステップ712で、データを状態マシン、コントローラおよび/またはホストデバイスに報告する。
図14は、読み出しプロセスの一実施形態中でのさまざまな信号の動作を説明するタイミング図である。図14に示す動作は、図13のステップ706と708の1つの実施中に発生する。一実施形態では、図14のタイミング図で説明されるプロセスは、プログラミング中の検証目的では用いられない。その代わり、従来から用いられている読み出しプロセスを検証目的で用いることが可能である。しかしながら、図14のタイミング図は、プログラミング中に実行される検証プロセスにも当てはまる実施形態もある。
図14に示す信号はすべて、最初は0ボルト(またはほぼ0ボルト)である。選択されなかったビット線BL_unselとソース線(ソース)は、図14に示す時間期間中は0ボルトのままである。SGD(ドレイン側の選択ゲートの制御ゲート電圧)は時点t1で高レベル(例えば、1.5〜4.5ボルト)になって、図14に示す時間期間中この電圧にとどまる。時点t1で、SGS(ソース側の選択ゲートの制御ゲート)が高レベル(例えば、1.5〜4.5ボルト)になって、時点t3まで高レベルのままである。時点t2で、選択されなかったワード線W_unselがVread(読み出しパス電圧:例えば、約5ボルト)にまで上げられ、選択されたワード線WL_selが適切な読み出し電圧/検証比較電圧(例えば、Vra、Vrb、Vrc、Vva、VvbまたはVvc)まで上げられて、読み出し状態を設定する。ドレイン側の選択ゲートはオンであり、選択されたビット線(BL_sel)はグランドレベルであるので、ビット線を通って電荷が消滅することができるので、(選択されたメモリセルに対する)NANDストリングのドレイン側のチャネルは昇圧しない。ソース側の選択ゲートはオンであり、ソース線はグランドレベルであるので、ソース線を通って電荷が消滅することができるので、(選択されたメモリセルに対する)NANDストリングのソース側のチャネルは昇圧しない。昇圧されないため、読み出し外乱を引き起こしかねないホット電子の注入がない。ワード線が上昇して定常状態に達したら、ソース側の選択ゲート(SGS)を時点t3でオフすることが可能である。これは、チャネルの昇圧は、一般的に、ワード線が上昇している間にしか発生しないからである。なお、選択されなかったワード線が異なれば受信される読み出しパス電圧も異なることがあるような実施形態もあることに留意されたい。
時点t4で、選択されたビット線BL_sel(一実施形態では、偶数ビット線のすべて、または、奇数ビット線のすべてであったりするが、他の部分集合やすべてのビット線を選択可能な実施形態もある)が予備充電される。1つの例では、選択されたビット線は0.7ボルトにまで予備充電される。他の予備充電値を用いることも可能である。時点t6で、SGSが上げられる(例えば、1.4〜4.5ボルト)。選択されたワード線WL_selに印加される電圧がメモリセルの閾値電圧未満であれば、このメモリセルはオンすることはなく、チャネルに電流は流れない。その結果、ビット線電圧は、線802で示すように、予備充電値に維持される。選択されたワード線WL_selに印加される電圧がメモリセルの閾値電圧より大きければ、このメモリセルはオンして、チャネルに電流が流れる。その結果、ビット線電圧は、線804で示すように、消滅し始める。センス増幅器を用いて、ビット線電圧が消滅したかどうか判定することが可能である。タイミング値の1つの例示の集合として、t1=0.0マイクロ秒、t2=0.3マイクロ秒、t3=3.3マイクロ秒、t4=4.8マイクロ秒、t6=12.0マイクロ秒がある。
図15は、読み出しプロセスの別の実施形態中でのさまざまな信号の動作を説明するタイミング図である。図15に示す動作は、図13のステップ706と708の実施中に発生する他の例である。図15のタイミング図は、プログラミング中の検証プロセスにも当てはまる。信号はすべて、最初は0ボルト(またはほぼ0ボルト)である。選択されなかったビット線BL_unselとソース線は、図15に示す時間期間中は0ボルトのままである。SGD(ドレイン側の選択ゲートの制御ゲート電圧)は時点t1で高レベル(例えば、1.5〜4.5ボルト)になって、図15に示す時間期間中この電圧にとどまる。時点t2で、選択されなかったワード線WL_unselと選択されたワード線WL_selが読み出しパス電圧Vread(例えば、5ボルト)にまで上げられる。選択されたワード線WL_selはVreadにまであげられ、Vreadは選択されたメモリセルの閾値電圧のどれよりも高いので、ワード線が昇圧されている間に、選択されたメモリセルがいずれかの時点でオンして、NANDストリングのチャネルの昇圧を完全に防止する/消滅させる。昇圧されないため、読み出し外乱を引き起こしかねないホット電子の注入がない。ワード線がVreadにまで上昇して定常状態に達したら、選択されたワード線WL_selが、時点t3で、適切な読み出し電圧/検証比較電圧(例えば、Vra、Vrb、Vrc、Vva、VvbまたはVvc)まで下げられる。
一実施形態では、選択されたワード線WLは、時点t2である電圧にまで昇圧するとき(これと同時に、選択されなかったワード線WL_unselが読み出しパス電圧まで昇圧される)に、選択されなかったワード線WL_unselに印加された電圧とは異なった電圧に昇圧することが可能である。例えば、選択されなかったワード線WL_unselを読み出しパス電圧に昇圧し、選択されたワード線WLを、この読み出しパス電圧より高いまたは低い電圧に昇圧することが可能である。
時点t4で、選択されたビット線(一実施形態では、偶数ビット線のすべて、または、奇数ビット線のすべてであったりするが、他の部分集合やすべてのビット線を選択可能な実施形態もある)が予備充電される。1つの例では、選択されたビット線は0.7ボルトにまで予備充電される。時点t6で、SGSが1.5〜4.5ボルトにまで昇圧される。選択されたワード線WL_selに印加される電圧がメモリセルの閾値電圧未満であれば、このメモリセルはオンすることはなく、チャネルに電流は流れない。その結果、ビット線電圧は、線812で示すように、予備充電レベルに維持される。選択されたワード線WL_selに印加される電圧がメモリセルの閾値電圧より大きければ、このメモリセルはオンして、チャネルに電流が流れる。その結果、ビット線電圧は、線814で示すように、消滅し始める。センス増幅器を用いて、ビット線電圧が消滅したかどうか判定することが可能である。
図14と15は、直線の理想的な遷移として信号の遷移を示していることに留意されたい。しかしながら、これら遷移の多くは、非線形である(例えば、直線ではない)。例えば、点線の楕円形を用いて、Vreadまで昇圧される選択されなかったワード線WL_unselと、Vreadまで昇圧されて適切な読み出し電圧/検証比較電圧(例えば、Vra、Vrb、Vrc、Vva、VvbまたはVvc)まで下げられる選択されたワード線WL_selを強調している。これから分かるように、信号は曲線を辿る。
上記の実施例では、ソース側の選択ゲートを用いて検知プロセスを起動していた。実施例でドレイン側の選択ゲートを用いて検知プロセスを起動すると、上記の図15の解決手法も適用される。図14の解決手法も適用可能であるが、ドレイン側選択ゲートが、ワード線がVreadに昇圧される時間期間ではオンであり、予備充電期間ではオフとなり、次に、予備充電後にオンに戻る点が異なる。
本発明に関する前述の詳細な説明は、例証と説明のために提示されたものである。本発明を開示する形態そのもので尽きるとかこれに限るとかを意図するものではない。上記の教示に照らし合わせて、多くの修正例や変更例が可能である。説明した実施形態は、本発明とその実際の応用例の原理がもっともよく説明され、これによって、他の当業者が、想定される特定の用途に適しているさまざまな実施形態で、また、さまざまな修正をもって、本発明を利用することが可能となるように選ばれたものである。本発明の範囲は添付請求の範囲によって定義されることを意図するものである。
図1は、NANDストリングの上面図である。 図2は、NANDストリングの等価回路図である。 図3は、NANDストリングの断面図である。 図4は、NANDストリングの集合を示す図である。 図5は、不揮発性メモリを読み出すときに用いられるプロセスの信号図である。 図6は、不揮発性メモリシステムのブロック図である。 図7は、不揮発性メモリアレイのブロック図である。 図8は、センス増幅器とラッチを示すブロック図である。 図9は、閾値電圧分布の集合の一例である。 図10は、閾値電圧分布の集合の一例である。 図11Aは、閾値電圧分布を示し、不揮発性メモリをプログラミングするプロセスを説明する図である。 図11Bは、閾値電圧分布を示し、不揮発性メモリをプログラミングするプロセスを説明する図である。 図11Cは、閾値電圧分布を示し、不揮発性メモリをプログラミングするプロセスを説明する図である。 図12は、不揮発性メモリをプログラミングするプロセスの一実施形態を説明するフローチャートである。 図13は、不揮発性メモリを読み出すプロセスの1実施形態を説明するフローチャートである。 図14は、不揮発性メモリを読み出すときに用いられるプロセスの一実施形態を示す信号図である。 図15は、不揮発性メモリを読み出すときに用いられるプロセスの一実施形態を示す信号図である。

Claims (18)

  1. 不揮発性メモリを読み出す方法であって、
    NANDストリングの一部である不揮発性記憶要素のグループに対して読み出し状態を設定する工程と、
    前記読み出し状態を設定している間、前記不揮発性記憶要素の昇圧を防止する工程と、
    前記読み出し状態の前記不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによって、前記不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの不揮発性記憶要素のデータを判定する工程とを備えており、
    前記NANDストリングは、第1端部に設けられた第1選択ゲートと第2端部に設けられた第2選択ゲートとを有しており、
    前記読み出し状態を設定する工程は、
    非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加することを含み、
    前記昇圧を防止する工程は、
    前記読み出し状態を設定する前に前記第1選択ゲートと前記第2選択ゲートをオンすることと、
    前記非選択不揮発性記憶要素に前記パス電圧を印加した後で、且つ、前記データを検知する前に前記第1選択ゲートをオフすることを含み、
    前記データを判定する工程は、
    前記第1選択ゲートを前記のようにオフした後で前記NANDストリングに対するビット線に前記電荷を印加することと、
    前記電荷を印加した後で前記第1選択ゲートをオンすることと、
    前記電荷が変化したかどうかを検知することと、を含む不揮発性メモリを読み出す方法。
  2. 前記不揮発性記憶要素が浮遊ゲートを有しており、
    記検知は、前記NANDストリングに対するセンス増幅器によって実行される請求項1に記載の方法。
  3. 不揮発性メモリを読み出す方法であって、
    NANDストリングの一部である不揮発性記憶要素のグループに対して読み出し状態を設定する工程と、
    前記読み出し状態を設定している間、前記不揮発性記憶要素の昇圧を防止する工程と、
    前記読み出し状態の前記不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによって、前記不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの不揮発性記憶要素のデータを判定する工程とを備えており、
    前記NANDストリングは、第1端部に設けられた第1選択ゲートと第2端部に設けられた第2選択ゲートとを有しており、
    前記読み出し状態を設定する工程は、
    非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加することを含み、
    前記昇圧を防止する工程は、
    前記読み出し状態を設定する前に前記第1選択ゲートをオフするとともに前記第2選択ゲートをオンすることと、
    前記非選択不揮発性記憶要素に対して前記パス電圧を印加している間に、選択不揮発性記憶要素に対する制御ゲート電圧として前記パス電圧を印加することと、
    次に、前記選択不揮発性記憶要素に対する前記制御ゲート電圧を前記パス電圧から読み出し比較電圧に低下させることと、を含み、
    前記データを判定する工程は、
    前記選択不揮発性記憶要素の前記制御ゲート電圧を低下した後で前記NANDストリングに対するビット線に前記電荷を印加することと、
    前記電荷を印加した後で前記第1選択ゲートをオンすることと、
    前記電荷が変化したかどうかを検知することと、を含む不揮発性メモリを読み出す方法。
  4. 記検知が、前記NANDストリングに対するセンス増幅器によって実行される請求項3に記載の方法。
  5. 前記不揮発性記憶要素がNANDフラッシュメモリデバイスである請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記不揮発性記憶要素が、マルチステートフラッシュメモリデバイスである請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  7. 不揮発性記憶システムであって、
    複数の不揮発性記憶要素と、
    前記不揮発性記憶要素と通信している1つ以上の管理回路とを備えており、
    前記不揮発性記憶要素はNANDストリングの一部であり、そのNANDストリングは第1端部に設けられた第1選択ゲートと第2端部に設けられた第2選択ゲートとを有しており、
    前記1つ以上の管理回路は、み出し状態を設定し、前記読み出し状態を設定している間に前記不揮発性記憶要素が昇圧しないようにし、
    前記1つ以上の管理回路は、前記読み出し状態の前記不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによって、前記不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの要素のデータを判定し、
    前記1つ以上の管理回路は、非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加することによって、読み出し状態を設定し、
    前記1つ以上の管理回路は、前記読み出し状態を設定する前に前記第1選択ゲートと前記第2選択ゲートをオンし、前記非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加した後で、且つ、前記データを検知する前に前記第1選択ゲートをオフすることによって、昇圧を防止し、
    前記1つ以上の管理回路は、前記第1選択ゲートがオフした後で前記NANDストリングに対するビット線に前記電荷を印加し、前記電荷を印加した後で前記第1選択ゲートをオンし、前記電荷が変化したかどうかを検知することによってデータを検知する不揮発性記憶システム。
  8. 記1つ以上の管理回路は、
    前記NANDストリングに対するビット線と通信するセンス増幅器を含み、前記検知が前記センス増幅器によって実行される請求項7に記載の不揮発性記憶システム。
  9. 不揮発性記憶システムであって、
    複数の不揮発性記憶要素と、
    前記不揮発性記憶要素と通信している1つ以上の管理回路とを備えており、
    前記不揮発性記憶要素はNANDストリングの一部であり、そのNANDストリングは第1端部に設けられた第1選択ゲートと第2端部に設けられた第2選択ゲートとを有しており、
    前記1つ以上の管理回路は、読み出し状態を設定し、前記読み出し状態を設定している間に前記不揮発性記憶要素が昇圧しないようにし、
    前記1つ以上の管理回路は、前記読み出し状態の前記不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによって、前記不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの要素のデータを判定し、
    前記1つ以上の管理回路は、非選択不揮発性記憶要素に対してパス電圧を印加することによって読み出し状態を設定し、
    前記1つ以上の管理回路は、前記読み出し状態を設定する前に前記第1選択ゲートをオフするとともに前記第2選択ゲートをオンし、前記非選択不揮発性記憶要素に対して前記パス電圧を印加している間に、選択不揮発性記憶要素に対する制御ゲート電圧として前記パス電圧を印加することによって昇圧を防止し、次いで、前記データ検知動作する前に、前記選択不揮発性記憶要素に対する前記制御ゲート電圧を前記パス電圧から読み出し比較電圧に低下させ、
    前記1つ以上の管理回路は、前記択不揮発性記憶要素に対する制御ゲート電圧を低下させた後にNANDストリングに対するビット線に前記電荷を印加し、前記電荷を印加した後で前記第1選択ゲートをオンし、前記電荷が変化したかどうかを検知することによってデータを検知する不揮発性記憶システム。
  10. 記1つ以上の管理回路は、前記NANDストリングに対するビット線と通信するセンス増幅器を含み、前記検知が、前記センス増幅器によって実行される請求項7〜9のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  11. 前記複数の不揮発性記憶要素は、マルチステートフラッシュメモリデバイスであり、
    前記1つ以上の管理回路は、読み出し状態を設定し、昇圧を防止し、互いに異なったプログラミング状態のデータを検知する請求項7〜10のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  12. 前記1つ以上の管理回路は、読み出し要求に応答して、読み出し状態を設定し、昇圧を防止し、データを検知する請求項7〜10のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  13. 前記1つ以上の管理回路は、プログラミングプロセス中の検証動作の一部として、読み出し状態を設定し、昇圧を防止し、データを検知する請求項7〜10のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  14. 前記1つ以上の管理回路は、状態マシン、デコーダ、検知回路、センス増幅器およびコントローラのうちの1つ以上を含む請求項7〜13のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  15. 前記複数の不揮発性記憶要素は、NANDフラッシュメモリデバイスである請求項7〜14のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  16. 前記複数の不揮発性記憶要素は、浮遊ゲートを含む請求項7〜15のいずれか一項に記載の不揮発性記憶システム。
  17. 不揮発性記憶システムであって、
    複数の不揮発性メモリ要素と、
    前記不揮発性記憶要素に対して読み出し状態を設定する手段と、
    前記読み出し状態を設定している間、前記不揮発性記憶要素の昇圧を防止する手段と、
    前記読み出し状態の前記不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによって、前記不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの不揮発性記憶要素のデータを判定する手段とを備えており、
    前記不揮発性記憶要素はNANDストリングの一部であり、そのNANDストリングは第1端部に設けられた第1選択ゲートと第2端部に設けられた第2選択ゲートとを有しており、
    前記読み出し状態を設定する手段は、非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加することによって、読み出し状態を設定し、
    前記不揮発性記憶要素の昇圧を防止する手段は、前記読み出し状態を設定する前に前記第1選択ゲートと前記第2選択ゲートをオンし、前記非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加した後で、且つ、前記データを検知する前に前記第1選択ゲートをオフすることによって、昇圧を防止し、
    前記データを判定する手段は、前記第1選択ゲートがオフした後で前記NANDストリングに対するビット線に前記電荷を印加し、前記電荷を印加した後で前記第1選択ゲートをオンし、前記電荷が変化したかどうかを検知することによってデータを検知する不揮発性記憶システム。
  18. 不揮発性記憶システムであって、
    複数の不揮発性メモリ要素と、
    前記不揮発性記憶要素に対して読み出し状態を設定する手段と、
    前記読み出し状態を設定している間、前記不揮発性記憶要素の昇圧を防止する手段と、
    前記読み出し状態の前記不揮発性記憶要素に関連する電荷が消滅したことを検知することによって、前記不揮発性記憶要素のうちの少なくとも1つの不揮発性記憶要素のデータを判定する手段とを備えており、
    前記不揮発性記憶要素はNANDストリングの一部であり、そのNANDストリングは第1端部に設けられた第1選択ゲートと第2端部に設けられた第2選択ゲートとを有しており、
    前記読み出し状態を設定する手段は、非選択不揮発性記憶要素にパス電圧を印加することによって、読み出し状態を設定し、
    前記昇圧を防止する手段は、前記読み出し状態を設定する前に前記第1選択ゲートをオフするとともに前記第2選択ゲートをオンし、前記非選択不揮発性記憶要素に対して前記パス電圧を印加している間に、選択不揮発性記憶要素に対する制御ゲート電圧として前記パス電圧を印加することによって昇圧を防止し、次いで、前記データ検知動作する前に、前記選択不揮発性記憶要素に対する前記制御ゲート電圧を前記パス電圧から読み出し比較電圧に低下させ、
    前記データを判定する手段は、前記選択不揮発性記憶要素に対する制御ゲート電圧を低下させた後にNANDストリングに対するビット線に前記電荷を印加し、前記電荷を印加した後で前記第1選択ゲートをオンし、前記電荷が変化したかどうかを検知することによってデータを検知する不揮発性記憶システム。
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