JP5901746B2 - メモリセルをプログラミングすること - Google Patents

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Description

本実施形態は、概して、メモリに関し、特定の実施形態は、メモリセルをプログラミングし、読み取ることに関する。
フラッシュメモリデバイスは、幅広い範囲の電子的用途において、よく使用される非揮発(不揮発性)メモリのソースへと発展している。フラッシュメモリデバイスは、典型的には、高メモリ密度、高信頼性、および低電力消費を可能にする1トランジスタメモリセルを使用する。フラッシュメモリの通常の利用先には、パーソナルコンピュータ、フラッシュドライブ、デジタルカメラ、および携帯電話が含まれる。基本入出力システム(BIOS)等のプログラムコードおよびシステムデータが、典型的には、パーソナルコンピュータシステムで使用するためにフラッシュメモリデバイスに格納される。
典型的なフラッシュメモリデバイスは、メモリセルのアレイが、典型的には、一度に1バイトの代わりに、ブロックごとに消去および再プログラムすることができる、メモリブロックに編成される、メモリのタイプである。メモリセルのうちのそれぞれの閾値電圧は、各メモリセルの中に記憶されるデータ値を決定する。
図1Aおよび1Bは、典型的な非揮発(不揮発性)メモリセルの可能なプログラム状態を図示する。図1Aは、単一(シングル)レベルセル(SLC)メモリデバイスの可能なプログラム状態を図示する。図1Bは、多重(マルチ)レベルセル(MLC)メモリデバイスの可能なプログラム状態を図示する。
図1Aおよび1Bの分布のうちのそれぞれは、その特定の範囲内の各閾値電圧におけるメモリセルの数とともに、閾値電圧(V)範囲を表す。各分布は、特定のプログラム可能な状態を表す。例えば、図1Aは、負の電圧分布101が、論理「1」状態(例えば、消去状態)を表し、正の電圧分布102が、論理「0」状態(例えば、プログラム状態)を表すことを示す。同様に、図1Bは、負の電圧分布103が、論理「11」状態(例えば、消去状態)を表し、3つの正の電圧分布104〜106が、それぞれ、論理「10」、「00」、および「01」状態(例えば、プログラム状態)を表すことを示す。
少なくとも部分的に、非揮発メモリデバイスで使用される、比較的低い閾値電圧により、メモリデバイスをプログラムすることは、雑音の影響を受けやすくあり得る。例えば、図1Aを参照すると、−Aが消去状態を表す電圧であり、+Aがプログラム状態を表す電圧である場合、Aは、1Vから3Vの範囲内であり得る。したがって、電圧をプログラムするか、または読み取るかのいずれかの間に発生する雑音は、メモリセルのデータ状態を、不正確にプログラムさせ、または不正確に読み取らせ得る。
上述の理由により、および本明細書を読んで理解することにより当業者に明白となるであろう他の理由により、当技術分野では、メモリデバイスにおける雑音の効果を低減させるための必要性がある。
典型的な非揮発メモリセルの可能なプログラム状態に対する電圧分布を示す。 典型的な非揮発メモリセルの可能なプログラム状態に対する電圧分布を示す。 NANDアーキテクチャメモリアレイの一部分の一実施形態の概略図を示す。 メモリデバイスをプログラムするための方法の一実施形態のフローチャートを示す。 図3の方法による、データおよび電圧ストリームの一実施形態の表を示す。 図3の方法を用いてプログラムされたメモリデバイスを読み取るための方法の一実施形態のトレリス状態図を示す。 感知動作のための説明された方法を使用して、メモリデバイスを組み込むことができるシステムの一実施形態のブロック図を示す。
以下の詳細な説明において、その一部を形成し、例として、特定の実施形態が示される、添付の図面が参照される。図中、いくつかの図を通して、同様の数字はほぼ同様の構成要素を記載する。他の実施形態を利用してもよく、また、本開示の範囲から逸脱せずに、構造的、論理的、および電気的な変更を行ってもよい。したがって、以下の詳細な説明は、制限的な意味で解釈されるべきではない。
図2は、非揮発メモリセルの一連のストリングを備える、NANDアーキテクチャメモリアレイ201の一部分の一実施形態の概略図を図示する。図2の概略図は、プログラム可能な非揮発メモリデバイスの一実施例の例証の目的のためにすぎない。プログラムするための方法の実施形態は、図示されるメモリアレイアーキテクチャに限定されない。代替的実施形態は、NORまたは他のアーキテクチャを使用することもできる。
メモリアレイ201は、一連のストリング204、205等の行に配列される非揮発メモリセル(例えばフローティングゲート)のアレイを含む。セルのそれぞれは、各一連のストリング204、205内において、ドレイン・ソース間に結合される。複数の一連のストリング204、205の間をまたがるアクセスライン(例えばワードライン)WL0〜WL31は、列内のメモリセルの制御ゲートにバイアスをかけるように、列内の各メモリセルの制御ゲートに結合される。偶数/奇数ビットラインBL_E、BL_O等のデータラインは、一連のストリングに結合され、最終的に、各ビットラインは、選択されたビットライン上の電流または電圧を感知することによって各セルの状態を検出する、感知回路を伴うページバッファに結合される。
メモリセルの各一連のストリング204、205は、ソース選択ゲート216、217(例えばトランジスタ)によってソースライン206へ、また、ドレイン選択ゲート212、213(例えばトランジスタ)によって個々のビットラインBL_E、BL_Oへ結合される。ソース選択ゲート216、217は、それらの制御ゲートに結合されるソース選択ゲート制御ラインSG(S)218によって制御される。ドレイン選択ゲート212、213は、ドレイン選択ゲート制御ラインSG(D)214によって制御される。
各メモリセルは、単一レベルセル(SLC)または多重レベルセル(MLC)としてプログラムすることができる。各セルの閾値電圧(V)は、セルの中に記憶されるデータ状態を示す。例えば、SLCでは、2.5VのVが、プログラムされたセルを示し得る一方で、−2.5VのVは、消去されたセルを示し得る。MLCは、異なるデータ状態をそれぞれ示す、複数のV範囲を使用する。マルチレベルセルは、ビットパターンを特定のV範囲に割り当てることによって、従来のフラッシュセルのアナログ性質をうまく利用することができる。この技術は、セルに割り当てられるV範囲の数量に応じて、1つのセルにつき2つ以上のビットを表すデータ状態の記憶を可能にする。いずれの場合も、従来のメモリデバイスは、典型的には、データ状態(例えば、データ状態1および0、または、それぞれ、データ状態11、10、00、および01)を1対1の関係で直接表すために、プログラム状態(例えば、分布101および102、または分布103、104、105、および106によって表される)を使用する。
図3は、図2で図示されるようなSLC非揮発メモリデバイス等のメモリデバイスをプログラムするための方法の一実施形態のフローチャートを図示する。本方法は、「k」がストリームの中のビット位置である、図4のUデータストリームとして図示されるようなビットのデータストリームから開始する。典型的な従来技術のプログラミング方法では、Uは、メモリデバイスにプログラムされるであろうデータストリームである。
データストリームは、事前にコード化(符号化)されたデータストリームを生成する際に使用される(301)。事前にコード化されたデータストリームは、Vとして図4で表される。一実施形態では、V=XOR(U,Vk−1)である。一実施形態では、V の初期値が論理0に設定されることが仮定される。
実施例として図4のUデータストリームを使用して、U=1であり、V の初期値が0であるため、新しいV=XOR(1,0)=1であることが分かる。同様に、U=0およびV=1であり、したがって、V=1である。この事前コーディングアルゴリズムは、Uデータストリーム全体が、図4で図示されるような事前にコード化されたVデータストリームを生成するために継続する。
事前にコード化されたVデータストリームは、図4で図示されるようなマップされた電圧ストリームC 生成するために使用される(303)。事前にコード化されたVデータストリームは、バイナリ(2進)データストリームから正および負の電圧にマップされる。一実施形態では、図4で図示されるように、マッピング規則が、V=0を第1の電圧(例えば、1V)に、V=1を第2の電圧(例えば、−1V)にマップすることができる。一実施形態では、第1および第2の電圧は、同一の大きさを有する。このマッピングは、Vデータストリーム全体が、図4で図示されるようなマップされた電圧ストリームCを生成するために継続する。
次いで、マップされた電圧ストリームCは、図4で図示されるような3進電圧ストリームX の符号化ストリームを生成するために使用される(305)。一実施形態では、X={C+Ck−1}である。実施例として、図4のC電圧ストリームを仮定すると、X={−1+1}={0}、およびX1={−1−1}=−2である。この3進値変換は、Cストリーム全体が、図4で図示されるようなX電圧ストリームを生成するために継続する。
次いで、X電圧ストリームは、メモリデバイスをプログラムするために使用される。したがって、メモリセルを2つのプログラム状態(例えば、1、0)のうちの1つにプログラムするための従来技術の方法の代わりに、図3のプログラミング実施形態は、少なくとも3つの異なるプログラム状態(例えば、0、−2、+2)のうちの1つをSLCメモリセルにプログラムする。
代替実施形態では、Xの3進電圧を、別の方式で元のデータストリームUから生成することができる。図4のUおよびXの両方を参照すると、U=0であるとき、Xが−2または+2のいずれかであり、U=1であるとき、X=0であることが分かる。加えて、X の位置よりも前に、の中の奇数の論理1があるとき、Xが−2であることが分かる。X の位置よりも前に、の中の偶数の論理1があるとき、Xは+2である。したがって、第1のU論理状態(例えば、論理1)を0Vと置換し、Xの中の現在の位置よりも前にある第1のU論理状態(例えば、論理1)の発生数をカウントし、現在の位置よりも前にある第1の論理状態の個数が奇数であるときは−2Vと、現在の位置よりも前にある第1の論理状態の個数が偶数であるときは+2Vと、第2のU論理状態(例えば、論理0)を置換することによって、Uから、符号化されたX電圧ストリームを生成することができる。
図4に示される0、−2、および+2のX値は、例証の目的のためにすぎない。X値の一般的表現は、Aの大きさが、メモリセルにプログラム可能である任意の電圧であり得る、0、−A、および+Aであり得る。
一実施形態では、個々の現在のデータサンプルならびに過去のデータサンプルに依存するシーケンス検出器(例えば、ビタビ検出器)を使用して、メモリセルにプログラムされた3進X値を読み取ることができる。そのようなビタビ検出器の一実施形態は、図5のトレリス状態図によって図示することができる。
図5のトレリス状態図は、CとXとの間の関係を図示する。図4の実施形態のCが、2つの値(例えば、−1および1)を示すため、2つの可能な状態(例えば、−1および1)を有するトレリスが示されている。トレリスの中の各円501は、Ck−1状態を表す。各Ck−1状態の間の線は、同一の状態(例えば、−1から−1)または第2の状態(例えば、−1から1)のいずれかへの移動を表す。これらの線のうちのそれぞれは、その移動をトリガするU/X値502によって標識される。
トレリス状態図の解釈の実施例は、図4の表および図5のトレリス状態図の両方を指す。図4は、Ck−1=−1、U=0、およびX=−2であるとき、次いで、現在の状態が、−1(例えば、C=−1)になるであろうことを示す。これは、トレリス状態図の上縁505によって図示される。同様に、Ck−1=1、U=0、およびX=2であるとき、次いで、現在の状態が、1(例えば、C=1)になるであろうことを示す。これは、トレリス状態図の底縁506によって図示される。
図5のトレリス状態図はまた、Ck−1=−1、U=1、およびX=0であるとき、次いで、現在の状態が、1(例えば、C=1)になるであろうことを示す。同様に、Ck−1=1、U=1、およびX=0であるとき、次いで、現在の状態が、−1(例えば、C=−1)になるであろうことを示す。
プログラムするための方法は、典型的な従来技術のSLCプログラミングと比較して、SLCメモリプログラミング中の平均エネルギーの倍増をもたらし得る。例えば、2つのSLC状態に対する分布が、図1に示されるように、電圧−Aおよび+Aを中心とすることを仮定すると、従来技術のプログラミング方法の平均信号電力は、Aである。プログラムするための本方法のXという平均信号電力は、(1/2)[4A+0]=2Aであり、したがって、信号対雑音比を向上させる。
ビタビ検出器は、シーケンス検出器である。言い換えれば、それは、それらの個々のX出力に基づいて、個々のUに関する決定を行わない。代わりに、それは、その決定を行うのに一連の過去のサンプルに依存する。ビタビ検出器の以下の説明では、Yは、Xの雑音が多いバージョンを表す。つまり、Y=X+Nであり、式中、Nは、非揮発メモリ上のデータの記憶およびリトリーバルプロセスの一部としてXに追加される、電子雑音である。各時間単位kにおいて、ビタビ検出は、分岐メトリック計算、パスメトリック更新、サバイバ交換、および決定解放といった、4つの演算を含む。
分岐メトリック計算を説明する際に、図5のトレリス状態図を参照し、一対の状態を接続する各縁505、506が、分岐である。Yがメモリから読み取られた後、(Y−Xが、トレリスのその段階内の各分岐について判定される。トレリスの各段階内に4つの遷移があり、分岐の集合であるトレリス段階が、状態Ck−1を状態Cに接続するため、それは、時間単位kにおける事柄の状態を表し、B1およびB2が、状態0から去る遷移を指し、B3およびB4が、状態1から去る遷移を指す、以下の4つの分岐メトリックが判定される。
B1=(Y+2A)
B2=(Y−0)
B3=(Y−0)
B4=(Y−2A)
これらの数量を拡張し、各方程式から雑音項(Y2)を破棄することにより、以下をもたらす。
B1=4Ay+4A
B2=0
B3=0
B4=−4Ay+4A
パスメトリックとも呼ばれる、状態メトリックとして知られている数量が、2つの状態と関連付けられる。この数量は、各時間単位kにおいて更新される。その事実を示すために、時間単位kにおける2つのパスメトリックは、それぞれ、P(0,k)およびP(1,k)によって表される。2つのパスメトリックは、時間単位0において0に初期化される。次いで、全時間単位kにおいて、2つの状態のうちのそれぞれについて、一方は状態0から、他方は状態1からである、2つの別個の候補パスがあることが観察される。時間kにおいて状態0で終端する2つの候補パスのメトリックは、表記CP1(0,k)およびCP2(0,k)によって表され、以下として計算される。
CP1(0,k)=P(0,k−1)+B1
CP2(0,k)=P(1,k−1)+B3
次いで、上記の2つの候補のうちのどちらのほうが小さいかが判定される。小さいほうの候補が、状態0への更新されたパスとして選択され、後に、時間kにおける状態0へのパスメトリック、P(0,k)と呼ばれる。P(1,k−1)を生じさせるように、同一の演算が状態1に行われる。次いで、CP1(1,k)=P(0,k−1)+B2とCP2(1,k)=P(1,k−1)+B4の間で比較が行われる。次いで、最小値が、時間kにおける状態1への更新されたパスメトリックとして選択され、後に、P(1,k)として表される。
決定プロセスの開始時に、レジスタのアレイが、2つの状態のうちのそれぞれに割り当てられる。これらのレジスタは、典型的には、サバイバアレイまたは単純にサバイバとして知られている。サバイバのうちのそれぞれの中のレジスタの数は、パスメモリと呼ばれる。パスメモリが20である場合、状態0のサバイバは、S0=S0(0)、S0(1)、…S0(19)によって表され、状態1のサバイバは、S1=S1(0)、S1(1)、…、S1(19)によって表される。
パスメトリック更新段階では、いったん所与の状態に対する更新されたパスメトリックが生成されると、その状態になる選択された分岐上のU標識が、対応するサバイバにプッシュされる。例えば、状態0に対する更新されたパスメトリックP(0,k)を生成するとき、CP1(0,k)が選択された場合、U標識は、B1分岐にプッシュされる(例えば、S0の中への0)。CP2(0,k)が選択された場合、U標識は、B3分岐にプッシュされる(例えば、S0の中への1)。
同様に、状態1に対する更新されたパスメトリックP(1,k)を生成するとき、CP1(1,k)が獲得された場合、U標識は、B2分岐にプッシュされる(例えば、S1の中への1)。CP2(1,k)が獲得された場合、U標識は、B4分岐にプッシュされる(例えば、S1の中への0)。
このプロセスは、パスメモリが20である場合、20時間単位を超えて進み続けることができない。それは、パスメモリの長さによって制限される。その時点で、サバイバは満杯であり、いかなる新しいUもサバイバにプッシュされることができない。これは、決定解放が起こるときである。最も古いコンテンツが、サバイバから、状態0に対するサバイバS0(0)および状態1に対するS1(0)にプッシュされる。さらに、各サバイバの全ての残りのコンテンツは、状態0に対するS0(0)および状態1に対するS1(0)の中の空のスロットをうまく利用するように、左側に1つだけ後ろにプッシュされる。これは、新たに入ってくるUのための場所を作成する。新しいUは、状態0に対する第19のレジスタS0(19)および状態1に対するS1(19)にプッシュされる。ここで、これらは、各状態に対する新しいサバイバになる。
S0からプッシュされた1つ、およびS1からプッシュされたもう1つといった、サバイバの2つのプッシュされたコンテンツが、ここで利用可能である。これら2つのうちの1つは、決定として選択され、解放される。演繹的に、決定を解放する、S0またはS1のどちらのサバイバが所望されるかが、決定される。このサバイバは、決定解放のために全体を通して使用される。サバイバが満杯になった後にのみ、第1の決定解放が起こるため、この実施例では20である、パスメモリと等しい待ち時間がある。言い換えれば、時間20において解放される決定は、約Uであり、時間21において解放される決定は、約Uであり、時間22において解放される決定は、約Uである、等である。
従来技術では、決定は、実質的に瞬間的に行われる。言い換えれば、Yが観察されるとすぐに、対応するUが決定される。ビタビ検出器は、現在の状態になる、横断されるパスの履歴を考慮することによって、遅延を伴って決定を行う。これは、あるパスが非合法であり、正しい一連のUがそれを取らないであろうことを認識させる。瞬間スナップショット決定は、パス履歴を無視するため、間違ったパスを正しいパスと区別できない場合がある。したがって、ビタビ検出器が、より良好な雑音排除性という利点を提供することができる。
図6は、図2で図示されるようなメモリアレイアーキテクチャを備えることができ、本明細書で開示されるプログラミング方法を使用してプログラムすることができる、メモリデバイス600の機能ブロック図を図示する。メモリデバイス600は、外部コントローラ610に結合される。外部コントローラ610は、マイクロプロセッサまたは何らかの他のタイプのコントローラであってもよい。メモリデバイス600および外部コントローラ610は、システム620の一部を形成する。
メモリデバイス600は、メモリセル(例えば、非揮発メモリセル)のアレイ630を含む。メモリアレイ630は、ワードライン行およびビットライン列のバンクに配列される。一実施形態では、メモリアレイ630の列は、メモリセルの一連のストリングを備える。
アドレスバッファ回路640が、入出力回路660を通して提供されるアドレス信号をラッチするように提供される。アドレス信号は、メモリアレイ630にアクセスするように、行デコーダ644および列デコーダ646によって受信および復号される。
メモリデバイス600は、感知回路650を使用して、メモリアレイ列内の電圧または電流変化を感知することによって、メモリアレイ630の中のデータを読み取る。感知回路650は、一実施形態では、メモリアレイ630から一列のデータを読み取り、ラッチするように結合される。感知回路650は、以前に説明されたように、感知回路、ならびにプログラム検証動作を行うための他の回路を含む。データは、コントローラ610との複数のデータ接続662上の双方向データ通信ならびにアドレス通信のために、入出力回路660を通して入力および出力される。書き込み回路655が、データをメモリアレイに書き込むように提供される。
内部コントローラ(例えば、制御回路および/またはファームウェア)670が、外部コントローラ610から制御インターフェース672上に提供された信号を復号する。これらの信号は、データ読み取り、データ書き込み(プログラム)、および消去動作を含む、メモリアレイ630上の動作を制御するために使用される。内部コントローラ670は、状態機械、シーケンサ、またはメモリ制御信号を生成する何らかの他のタイプのコントローラであってもよい。一実施形態では、内部コントローラ670は、本開示のプログラミング実施形態の実行を制御するように構成される。代替実施形態では、外部コントローラ610は、本開示のプログラミング実施形態の実行を制御するように構成される。
図6に示されるメモリデバイスは、メモリの特徴の基礎的な理解に役立つよう、簡略化されている。内部回路のより詳細な理解およびフラッシュメモリの機能は、当業者に公知である。
<結論>
要約すると、プログラム動作の1つ以上の実施形態は、メモリセルをプログラムする際に、向上した信号対雑音比を提供することができる。これは、SLCメモリデバイスの2つの元のデータ状態を、少なくとも3つの異なるプログラム状態に符号化し、したがって、プログラムされた信号電力を増加させることによって、達成することができる。
本明細書において特定の実施形態が示され、記載されているが、同じ目的を実現するように考慮されている構成を、示された特定の実施形態に置き換えてもよいことが、当業者に理解されるであろう。本発明の多くの応用例が当業者に明らかであろう。したがって、本出願は、本発明の応用例または変形例をカバーすることを意図するものである。

Claims (11)

  1. メモリセルをプログラムするための方法であって、
    データストリームを使用して、3つの異なる符号化状態を含む符号化ストリームを生成することと、
    前記符号化ストリームを使用して、前記メモリセルをプログラムすることと、
    を含み、
    前記符号化ストリームを生成することは、
    前記データストリームから、事前にコード化されたデータストリームを生成することと、
    前記事前にコード化されたデータストリームから、マップされた電圧ストリームを生成することと、
    前記マップされた電圧ストリームから、前記符号化ストリームを生成することと、
    を含む、方法。
  2. 前記事前にコード化されたデータストリームを生成することは、元のデータストリームの現在のデータ値を、前記事前にコード化されたデータストリームの以前のデータ値と論理的に組み合わせることを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記マップされた電圧ストリームを生成することは、前記事前にコード化されたデータストリームの各データ値を、代表的な電圧にマップすることを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記事前にコード化されたデータストリームの各データ値を、代表的な電圧にマップすることは、前記事前にコード化されたデータストリームの第1の論理状態を、第1の電圧にマップすることと、前記事前にコード化されたデータストリームの第2の論理状態を、第2の電圧にマップすることとを含む、請求項3に記載の方法。
  5. 前記事前にコード化されたデータストリームの最初の先行データ値が、第1の論理状態に初期化されている、請求項1に記載の方法。
  6. 前記符号化ストリームを生成することは、前記マップされた電圧ストリームを使用して、3進電圧ストリームを生成することを含み、前記3進電圧ストリームは、第1のデータ状態が0Vによって表され、第2のデータ状態がAボルトおよび−Aボルトの両方によって表されるように、0、A、および−Aの電圧を含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記第2のデータ状態を有する第1のビットは、前記第1のビットの前にある、前記データストリームの中の奇数個のビットが、前記第1のデータ状態を有することに応答して、Aボルトによって表され、前記第2のデータ状態を有する第2のビットは、前記第2のビットの前にある、前記データストリームの中の偶数個のビットが、前記第1のデータ状態を有することに応答して、−Aボルトによって表される、請求項6に記載の方法。
  8. メモリセルのアレイと、
    データストリームから、3つの異なる符号化状態を含む符号化ストリームを生成し、前記符号化ストリームを使用して、前記アレイのメモリセルをプログラムするように構成される、コントローラと、
    を備え、
    前記符号化ストリームを生成することは、
    前記データストリームから、事前にコード化されたデータストリームを生成することと、
    前記事前にコード化されたデータストリームから、マップされた電圧ストリームを生成することと、
    前記マップされた電圧ストリームから、前記符号化ストリームを生成することと、
    を含む、デバイス。
  9. 前記コントローラはさらに、前記データストリームの中の第2のデータ状態を有する現在のビットの前にある、第1のデータ状態を有するビットの数をカウントし、前記カウントを使用して、前記符号化ストリームを少なくとも部分的に生成するように構成される、請求項8に記載のデバイス。
  10. 前記符号化ストリームを生成するように構成される前記コントローラは、前記データストリームのビットを前記事前にコード化されたデータストリームの先行ビットと論理的に組み合わせることによって、前記データストリームから前記事前にコード化されたデータストリームを生成するように構成される、コントローラを含む、請求項8に記載のデバイス。
  11. 前記コントローラはさらに、前記データストリームを、0、A、および−Aの電圧を含む3進電圧ストリームに符号化するように構成される、請求項8に記載のデバイス。
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